WO2020262911A1 - 연료전지용 가습기 및 그 제조방법 - Google Patents

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WO2020262911A1
WO2020262911A1 PCT/KR2020/008129 KR2020008129W WO2020262911A1 WO 2020262911 A1 WO2020262911 A1 WO 2020262911A1 KR 2020008129 W KR2020008129 W KR 2020008129W WO 2020262911 A1 WO2020262911 A1 WO 2020262911A1
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case
hollow fiber
mid
humidifier
fiber membranes
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PCT/KR2020/008129
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김도우
안나현
김경주
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코오롱인더스트리 주식회사
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a humidifier for a fuel cell and a method of manufacturing the same, and more specifically, it is possible to reliably prevent gas leakage due to repeated operation and stop of the fuel cell, as well as to be manufactured with a relatively low manufacturing cost and high productivity. It relates to a fuel cell humidifier that can be used and a method of manufacturing the same.
  • a fuel cell is a power generation type battery that generates electricity by combining hydrogen and oxygen. Unlike general chemical cells such as dry cells and storage cells, fuel cells have the advantage of being able to continuously produce electricity as long as hydrogen and oxygen are supplied, and that they are twice as efficient as internal combustion engines because there is no heat loss.
  • the fuel cell is not only environmentally friendly, but also has the advantage of reducing the worry of resource depletion due to an increase in energy consumption.
  • these fuel cells are largely a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), and a molten carbonate fuel cell (Molten Carbonate Fuel Cell).
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cell
  • PAFC phosphoric acid fuel cell
  • Molten Carbonate Fuel Cell Molten Carbonate Fuel Cell
  • MCFC Solid Oxide Fuel Cell
  • AFC Alkaline Fuel Cell
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cell
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cell
  • MEA membrane-electrode assembly
  • Methods of humidifying the polymer electrolyte membrane include: 1) a bubbler humidification method in which water is filled in a pressure-resistant container and then the target gas is passed through a diffuser to supply moisture, and 2) the amount of water supplied for the fuel cell reaction is determined.
  • a direct injection method in which moisture is supplied to a gas flow pipe through a solenoid valve by calculation
  • a membrane humidification method in which moisture is supplied to a fluidized bed of gas using a polymer membrane.
  • a membrane humidifying method that humidifies the polymer electrolyte membrane by providing water vapor to the gas (i.e., air or fuel gas) supplied to the polymer electrolyte membrane using a membrane that selectively permeates only water vapor contained in off-gas is a humidifier. It is advantageous in that it can be lightened and downsized.
  • the selective permeable membrane used in the membrane humidification method is preferably a hollow fiber membrane having a large permeable area per unit volume when forming a module.
  • a humidifier is manufactured using a hollow fiber membrane, high integration of the hollow fiber membrane with a large contact surface area is possible, so that the humidification of the polymer electrolyte membrane can be sufficiently achieved even with a small volume, and low-cost materials can be used, and discharged at high temperatures from the fuel cell. It has the advantage of recovering the moisture and heat contained in the exhaust gas to be reused through a humidifier.
  • a humidifier 1000 of a conventional membrane humidification method includes a humidification module 1100 in which moisture exchange occurs between a gas supplied from the outside and exhaust gas discharged from a fuel cell stack (not shown), and the humidification. It includes caps 1200 respectively coupled to both ends of the module 1100.
  • One of the caps 1200 transfers gas supplied from the outside to the humidification module 1100, and the other transfers the gas humidified by the humidification module 1100 to the fuel cell stack.
  • the humidification module 1100 includes a mid-case 1110 having an off-gas inlet 1110a and an off-gas outlet 1110b, and the mid-case ( 1110) and a plurality of hollow fiber membranes 1120. Both ends of the bundle of the hollow fiber membranes 1120 are potted on the fixed layer 1130.
  • the fixed layer 1130 is generally a casting method (for example, centrifugal casting also referred to as dip casting or centrifugal potting, also referred to as dip potting). )] through curing a liquid polymer such as a liquid polyurethane resin.
  • moisture contained in the exhaust gas penetrates the hollow fiber membranes 1120 to humidify the gas flowing along the hollows of the hollow fiber membranes 1120 do.
  • the inner spaces of the caps 1200 are in fluid communication only with the hollows of the hollow fiber membranes 1120 and must be completely blocked from the inner space of the mid-case 1110. Otherwise, gas leakage occurs due to a pressure difference and the power generation efficiency of the fuel cell is deteriorated.
  • a resin layer 1140 between the fixing layer 1130 and the mid-case 1110 defines the internal spaces of the caps 1200. Block from the inner space of the mid-case 1110. Similar to the fixed layer 1130, the resin layer 1140 is generally formed by curing a liquid polymer such as a liquid polyurethane resin through a casting method (dip casting or centrifugal casting).
  • Korean Patent No. 1697998 discloses a step on the side of the resin layer 1140 and the mid-case 1110. After applying a sealant (liquid sealing material) to the groove formed by the inner surface, a method of inserting a packing member (solid sealing material) into the groove and curing the sealant is taught.
  • the present invention relates to a humidifier for a fuel cell and a method of manufacturing the same, which can prevent problems caused by limitations and disadvantages of the related technology as described above.
  • An aspect of the present invention is to provide a humidifier for a fuel cell that can reliably prevent gas leakage due to repeated operation and stop of a fuel cell, and can be manufactured with a relatively low manufacturing cost and high productivity.
  • Another aspect of the present invention is to provide a method of manufacturing a fuel cell humidifier capable of reliably preventing gas leakage due to repeated operation and stop of a fuel cell at a relatively low cost and high productivity.
  • a humidifying module for humidifying the gas supplied from the outside with moisture in the off-gas discharged from the fuel cell stack (moisture); And caps coupled to both ends of the humidification module, wherein the humidification module includes: a mid-case having both ends open; A plurality of hollow fiber membranes in the mid-case; A fixing layer in which the ends of the hollow fiber membranes are potted; And a composite gasket having a groove into which an end of the mid-case is fitted, wherein the composite gasket includes: an inner body positioned inside the mid-case with respect to the groove; An outer body positioned outside the mid-case based on the groove; And a connecting body positioned between the inner body and the outer body and formed of a first material, wherein at least a portion of the inner body is adhered to the fixing layer and is made of a second material different from the first material.
  • the formed, fuel cell humidifier is provided.
  • the first material may be a soft rubber
  • the second material may be a metal, a rigid plastic, a hard rubber, or a different kind of soft rubber than the first material.
  • the first material may include a soft silicone rubber or a soft urethane rubber
  • the second material is polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polystyrene (PS), polycarbonate (PC), acrylic resin, Hard silicone, or hard urethane.
  • the second material may include a soft urethane rubber.
  • the inner body may include a first portion formed of the first material and directly connected to the connecting body; And a second portion formed of the second material and bonded to the first portion and the fixing layer, respectively.
  • the interface between the first and second portions may have a step difference.
  • the first portion of the inner body may constitute a packing portion formed of the first material together with the outer body and the connecting body, and the second portion of the inner body may constitute a bracket portion formed of the second material. I can.
  • the packing part and the bracket part may be integrally formed through injection molding.
  • the composite gasket includes a primer layer comprising a rubber adhesive component, an acrylic adhesive component, a polyurethane adhesive component, an epoxy adhesive component, a silicone adhesive component, a polyamide adhesive component, a polyimide adhesive component, or a mixture of two or more thereof. It may be further included on at least a portion of the surface of the inner body.
  • the fixed layer includes: a first fixed layer in which ends of the hollow fiber membranes are potted; And a second fixing layer surrounding the first fixing layer and adhering to the inner body of the composite gasket.
  • the first pinned layer and the second pinned layer may be formed of the same material.
  • Both the first fixing layer and the second fixing layer may include a polyurethane (PU) resin.
  • PU polyurethane
  • the humidification module may further include an inner case with both ends open in the mid-case, the hollow fiber membranes may be disposed in the inner case, and an end of the inner case is the first fixed layer It may be ported to.
  • the hollow fiber membranes may include a first group of hollow fiber membranes and a second group of hollow fiber membranes
  • the humidification module includes: a first inner case in which the first group of hollow fiber membranes are disposed; And a second inner case in which the hollow fiber membranes of the second group are disposed therein
  • the fixing layer includes: a first fixing layer in which ends of the hollow fiber membranes of the first group are potted; A second fixed layer in which ends of the second group of hollow fiber membranes are potted; And a third fixing layer that surrounds the first and second fixing layers and bonded to the inner body of the composite gasket, and an end of the first inner case may be potted on the first fixing layer, and the second fixing layer 2 The end of the inner case may be potted on the second fixed layer.
  • Inner body An outer body positioned outside the mid-case based on the groove; And a connecting body positioned between the inner body and the outer body and formed of a first material, wherein at least a part of the inner body is formed of a second material different from the first material, and a method of manufacturing a humidifier for a fuel cell is provided. do.
  • the inner body may include a first portion formed of the first material and directly connected to the connecting body; And a second portion formed of the second material and bonded to the first portion and the fixing layer, respectively.
  • the first portion of the inner body may constitute a packing portion formed of the first material together with the outer body and the connecting body, and the second portion of the inner body may constitute a bracket portion formed of the second material. I can.
  • Preparing the composite gasket may include preparing the bracket portion; Inserting the bracket part into a mold; Injecting a melt of the first material into the mold into which the bracket part is inserted; And cooling the melt of the first material to obtain the packing part adhered to the bracket part.
  • the step of preparing the composite gasket may include forming the bracket portion and the packing portion simultaneously by performing heterogeneous injection molding.
  • the step of preparing the hollow fiber membrane cartridge may include inserting at least a portion of each of the hollow fiber membranes into an inner case; And forming the first fixed layer by performing a dip casting process or a centrifugal casting process.
  • an end of the inner case may also be ported to the first fixed layer together with the ends of the hollow fiber membranes.
  • the present invention it is possible to effectively prevent both external leakage and internal leakage through only mechanical assembly of the composite gasket without the prior art sealant application and curing processes. Accordingly, according to the present invention, since the sealant coating process and the sealant curing process required in the prior art are omitted, not only the workability is improved, but also the manufacturing time is shortened, so that productivity thereof can be remarkably improved.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a conventional fuel cell humidifier
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the humidifier according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 3(a) is a perspective view of a composite gasket according to an embodiment of the present invention.
  • 3(b) is a cross-sectional view along line A-A of FIG. 3(a),
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a humidifier according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a humidifier according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 7A to 7F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • 2, 5, 6, and 7A-7F are cross-sectional views of one end of a humidifier or semi-finished product, and the other end thereof has substantially the same (or symmetrical) cross-section.
  • the humidifier 2000 for a fuel cell of the present invention includes a humidification module 2100 that humidifies a gas supplied from the outside with moisture in the exhaust gas discharged from the fuel cell stack.
  • a humidification module 2100 that humidifies a gas supplied from the outside with moisture in the exhaust gas discharged from the fuel cell stack.
  • Each of both ends of the humidification module 2100 is fastened to the cap 2200.
  • the caps 2200 receives gas from the outside through a port 2210 and delivers it to the humidification module 2100, and the other transfers the gas humidified by the humidification module 2100 to the port 2210.
  • the caps 2200 may be formed of hard plastic (eg, polycarbonate, polyamide (PA), polyphthalamide (PPA), etc.) or metal, and may be formed of a single closed curve (eg, It may have a traverse section (circular or polygonal).
  • the humidification module 2100 is a device in which moisture exchange occurs between a gas supplied from the outside and an exhaust gas supplied from the fuel cell stack, and the mid-case 2110 having both ends open, the Having a plurality of hollow fiber membranes 2121 in the mid-case 2110, a fixed layer 2122 in which ends of the hollow fiber membranes 2121 are potted, and a groove in which the ends of the mid-case 2110 are fitted. It includes a composite gasket (2130).
  • the mid-case 2110 has ports 2111 (only one is shown in FIG. 2) for inflow/outflow of exhaust gas.
  • the mid-case 2110 may be formed of hard plastic (eg, polycarbonate, polyamide (PA), polyphthalamide (PPA), etc.) or metal, and may be formed of a single closed curve (eg, circular or polygonal ) Can have a cross section. According to an embodiment of the present invention, the mid-case 2110 may have the same cross-section as the cap 2200.
  • the hollow fiber membranes 2121 are polysulfone resin, polyethersulfone resin, sulfonated polysulfone resin, polyvinylidene fluoride (PVDF) resin, polyacrylonitrile (PAN) resin, polyimide resin, polyamideimide resin , Polyesterimide resin, or a mixture of two or more of them may be included.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • PAN polyacrylonitrile
  • polyimide resin polyamideimide resin
  • Polyesterimide resin or a mixture of two or more of them may be included.
  • Gas supplied from the outside through one cap 2200 is humidified while flowing along the hollows of the hollow fiber membranes 2121 and then delivered to the fuel cell stack through the other cap 2200.
  • the exhaust gas introduced into the mid-case 2110 is discharged from the mid-case 2110 after contacting the outer surfaces of the hollow fiber membranes 2121.
  • moisture contained therein penetrates the hollow fiber membranes 2121 to humidify the gas flowing along the hollows of the hollow fiber membranes 2121. .
  • the fixed layer 2122 which may be formed of a hard or soft polyurethane resin, allows the cap 2200 to be in fluid communication only with the hollow fiber membranes 2121 so that the inner space of the cap 2200 is formed in the mid-case. It must be blocked from the inner space of (2110).
  • Gas leakage that may be caused by the occurrence of a gap between the fixed layer 2122 and the mid-case 2110 is: (i) exhaust gas in the inner space of the mid-case 2110 is External leakage flowing out of the humidifier 2000 by sequentially passing through the gap between the mid-case 2110 and the gap between the cap 2200 and the mid-case 2110 and (ii) the mid -The exhaust gas in the inner space of the case 2110 sequentially passes through the gap between the fixed layer 2122 and the mid-case 2110 and the gap between the fixed layer 2122 and the cap 2200 to pass through the cap ( 2200), including internal leakage.
  • the humidifier 2000 for a fuel cell of the present invention further includes the composite gasket 2130.
  • the composite gasket 2130 may have a single closed curve shape corresponding to the cross section of the mid-case 2110.
  • the composite gasket 2130 has a groove G into which the end of the mid-case 2110 is fitted, and A packing portion 2131 and a bracket portion 2132 formed of materials may be included.
  • 4(a) to 4(f) are cross-sectional views of composite gaskets 2130 according to various embodiments of the present invention.
  • the composite gasket 2130 of the present invention includes the mid-case 2110 based on the groove G into which the end of the mid-case 2110 is inserted. ), an inner body 2130a positioned inside the groove G, an outer body 2130b positioned outside the mid-case 2110, and the inner body 2130a and the outer body ( It is positioned between 2130b) and includes a connecting body 2130c formed of a first material.
  • At least a part of the inner body 2130a is formed of a second material different from the first material.
  • the second material may be a material having better adhesion to the fixing layer 2122 than the first material, and the part of the inner body 2130a formed of the second material May be strongly adhered to the fixing layer 2122.
  • the connecting body 2130c of the composite gasket 2130 is caused by pressure applied when the cap 2200 is fastened to the mid-case 2110 through the bolt 2310 and the nut 2320.
  • It may be formed of a first material (eg, soft rubber) having a relatively low hardness of 30 to 60 Shore A, more preferably 40 to 50 Shore A to be compressed, and directly with the fixing layer 2122
  • the portion of the inner body 2130a in contact may be formed of a material (eg, metal, hard plastic, hard rubber, or soft rubber) having a better adhesion to the fixing layer 2122 than the first material. .
  • the first material of the connecting body 2130c may include a soft silicone rubber or a soft urethane rubber
  • the second material of the inner body 2130a is polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), It may include polystyrene (PS), polycarbonate (PC), acrylic resin, hard silicone, or hard urethane.
  • the second material of the inner body 2130a may include a soft urethane rubber.
  • the inner body 2130a is (i) a first part formed of the first material and directly connected to the connecting body 2130c, And (ii) a second portion formed of the second material and bonded to the first portion and the fixing layer 2122, respectively.
  • the first and second portions may have a step difference.
  • the first part of the inner body 2130a may constitute a packing part 2131 formed of the first material together with the outer body 2130b and the connecting body 2130c, and the inner body 2130a
  • the second part of may constitute the bracket part 2132 formed of the second material.
  • the packing portion 2131 and the bracket portion 2132 may be integrally formed through injection molding, and a detailed description thereof will be described later.
  • the connecting body 2130c of the composite gasket 2130 is at the end of the mid-case 2110. And the cap 2200 by pressing and compressing, thereby preventing the movement of gas through the interface between the composite gasket 2130 and the mid-case 2110 (i.e., external leakage) to provide tight external sealing. Can be guaranteed.
  • the packing part 2131 and the bracket part 2132 are integrally formed through injection molding, a strong adhesion between them can be obtained. Therefore, gas movement through the interface between the packing part 2131 and the bracket part 2132 (that is, the interface between the first and second parts of the inner body 2130a) (that is, internal leakage) ) To ensure excellent internal sealing.
  • bracket part 2132 (that is, the second part of the inner body 2130a) according to an embodiment of the present invention has excellent adhesion to the fixing layer 2122, so that the bracket 2130 and the fixing layer Stronger internal sealing can be provided by preventing the movement of gas (ie, internal leakage) through the interface between 2122.
  • the composite gasket 2130 of the present invention further includes a primer layer 2133 on at least a part of the surface of the inner body 2130a. It may have a stronger adhesion to the fixed layer 2122.
  • the primer used to improve the adhesive strength between the composite gasket 2130 and the fixing layer 2122 is a rubber adhesive component, an acrylic adhesive component, a polyurethane adhesive component, an epoxy adhesive component, a silicone adhesive component, a polyamide adhesive component, and a polyether adhesive.
  • a mid-based adhesive component, or a mixture of two or more of them may be included.
  • NR natural rubber
  • synthetic rubber may be used for the rubber adhesive component.
  • the synthetic rubber may be SBR, NBR, CR, BR, IIR, and/or EPDM.
  • an acrylic emulsion for the acrylic adhesive component, an acrylic emulsion, an anaerobic acrylic resin, and/or an acrylic resin-based adhesive tape may be used.
  • a solvent-type polyurethane for the polyurethane adhesive component, a solvent-type polyurethane, a polyurethane hot melt, or a urethane emulsion may be used.
  • a polyamide hot melt may be used.
  • the cap 2200 is, as illustrated in FIG. 2, at a position corresponding to the end of the mid-case 2110 fitted into the groove G of the composite gasket 2130. It may have a protrusion 2220. The protrusion 2220 more effectively compresses the connecting body 2130c of the composite gasket 2130 together with the end of the mid-case 2110, thereby enabling tighter external sealing.
  • the first part may be bonded to the fixing layer 2122.
  • a liquid resin eg, a liquid polyurethane resin
  • the adhesive strength between the composite gasket 2130 and the fixing layer 2122 may be improved and internal sealing may be strengthened.
  • the fixed layer 2122 includes a first fixed layer 2122-1 and the first fixed layer 2122-1 to which ends of the hollow fiber membranes 2121 are potted.
  • 2122-1 may include a second fixing layer 2122-2 adhered to the inner body 2130a of the composite gasket 2130.
  • the first fixed layer 2122-1 and the second fixed layer 2122-2 may be formed by curing a liquid resin such as a liquid polyurethane resin through a dip casting method or a centrifugal casting method.
  • the first fixing layer 2122-1 and the second fixing layer 2122-2 may be formed of different materials, respectively, but each formed of the same material (eg, polyurethane resin) in terms of adhesive strength between them. It may be desirable.
  • the humidification module 2100 may further include an inner case 2123 in which both ends are open in the mid-case 2110.
  • the hollow fiber membranes 2121 are disposed in the inner case 2123.
  • the first fixed layer 2122-1 to which the end portions of the hollow fiber membranes 2121 are potted closes open ends of the inner case 2123.
  • the inner case 2123 includes a plurality of holes H at positions corresponding to ports 2111 (only one is shown in FIG. 2) for inflow/outflow of exhaust gas. Have. After the exhaust gas introduced into the mid-case 2110 through the first port 2111 passes through the first holes H, it flows along the outer surface of the hollow fiber membranes 2121 to take away moisture. Subsequently, after leaving the inner case 2123 through second holes H on the opposite side, it is discharged from the mid-case 2110 through a second port 2111.
  • the hollow fiber membranes 2121, the first fixed layer 2122-1, and the inner case 2123 constitute a hollow fiber membrane cartridge 2120.
  • a mid-case 2110 has a step 2112 on its inner circumferential surface, and a composite gasket 2130 (more specifically, a bracket part 2132) is provided. It is the same as the fuel cell humidifier 2000 of FIG. 2 except that it is supported by the step 2112.
  • bracket part 2132 Since the bracket part 2132 is supported by the step 2112 of the mid-case 2110 and has a relatively higher hardness than the packing part 2131, the cap 2200 and the bolt 2310 When fastened to the mid-case 2110 through the nut 2320, the bracket portion 2132 may effectively apply pressure to the packing portion 2131 together with the cap 2200. Therefore, gas movement through the interface between the packing part 2131 and the bracket part 2132 (that is, the interface between the first and second parts of the inner body 2130a) (that is, internal leakage) ) To ensure excellent internal sealing.
  • the adhesive strength between the inner body 2130a and the fixed layer 2122 can be further improved to maximize the inner sealing effect, as well as the inner body 2130a and the By further improving the adhesive strength between the steps 2112, the external sealing effect can be maximized.
  • the humidifier 2000 for a fuel cell includes the two hollow fiber membrane cartridges 2120a and 2120b. It is substantially the same as the example.
  • the hollow fiber membranes include a first group of hollow fiber membranes 2121a and a second group of hollow fiber membranes 2121b, and the humidification module 2100
  • the The fixed layer 2122 includes a first fixed layer 2122-1a in which ends of the first group of hollow fiber membranes 2121a are potted, and a second in which ends 2121b of the second group of hollow fiber membranes are potted.
  • the fixing layer 2122-1b, and the third fixing layer 2122-2 surrounding the first and second fixing layers 2122-1a and 2122-1b and adhered to the inner body 2130a of the composite gasket 2130 ).
  • the first group of hollow fiber membranes 2121a, the first fixed layer 2122-1a, and the first inner case 2123a constitute a first hollow fiber membrane cartridge 2120a
  • the hollow fiber of the second group The deserts 2121b, the second fixed layer 2122-1b, and the second inner case 2123b constitute a second hollow fiber membrane cartridge 2120b.
  • the first and second inner cases 2123a and 2123b are respectively ported to the first and second fixed layers 2122-1a and 2122-1b.
  • the relative positions of the hollow fiber membranes 2121a of the first group and the first inner case 2123a and the relative positions of the hollow fiber membranes 2121b of the second group and the second inner case 2123b are kept constant, respectively Can be.
  • the number of hollow fiber membranes 2121 should be increased.
  • the exhaust gas is reduced even if the number of the total hollow fiber membranes 2121a and 2121b increases. It may be transmitted relatively uniformly to the fields 2121a and 2121b. That is, when the number of hollow fiber membranes is the same, the structure of the third embodiment including two hollow fiber membrane cartridges 2120a and 2120b is the first and second embodiments including only one hollow fiber membrane cartridge 2120 It is advantageous in terms of utilization of hollow fiber membranes compared to their structures.
  • the number of hollow fiber membrane cartridge(s) mounted in the mid-case 2110 may be determined in consideration of the fuel cell capacity (or required humidification capacity), the size of the humidifier, and the weight of the humidifier as a whole.
  • a hollow fiber membrane cartridge 2120' in which ends of a plurality of hollow fiber membranes 2121' are ported to the first fixed layer 2122-1' is prepared.
  • the hollow fiber membrane cartridge 2120' inserts at least a part of each of the hollow fiber membranes 2121' into the inner case 2123, and then performs a dip casting process or a centrifugal casting process using a liquid resin such as a liquid polyurethane resin. It can be prepared by performing. Through the curing of the liquid resin, the first fixing layer 2122-1 ′ to which ends of the hollow fiber films 2121 ′ are potted is formed.
  • the ends of the inner case 2123 may also be ported to the first fixed layer 2122-1 ′ together with the ends of the hollow fiber membranes 2121 ′. .
  • the inner case 2123 may have first and second groups of holes H positioned opposite to each other along a longitudinal direction thereof.
  • the hollow fiber membrane cartridge 2120' is inserted into the mid-case 2110 in which both ends are open.
  • the mid-case 2110 has a single closed curve-shaped cross section.
  • the mid-case 2110 may have a partition wall dividing the inner space into an exhaust gas inlet space and an exhaust gas discharge space located on opposite sides along a length direction, and the hollow fiber membrane cartridge 2120 ′ is disposed in the hole formed in the partition wall. By fitting it can be supported by the partition wall.
  • the holes H of the first group of the inner case 2123 exist in the exhaust gas inlet space
  • the holes H of the second group of the inner case 2123 exist in the exhaust gas discharge space. do.
  • the exhaust gas entering the exhaust gas inlet space is introduced into the inner case 2123 through the holes H of the first group, and the holes H of the second group in the inner case 2123 It flows toward and moves the second group to the exhaust gas discharge space through holes H, and is then discharged from the mid-case 2110.
  • the end of the mid-case 2110 is the groove ( The composite gasket 2130 is mounted on the end of the mid-case 2110 to fit into G).
  • the composite gasket 2130 includes (i) preparing a bracket part 2132 formed of the second material, (ii) inserting the bracket part 2132 into a mold, (iii) the bracket part ( Injecting a melt of the first material into the mold into which 2132) is inserted, and (iv) the packing part 2131 adhered to the bracket part 2132 by cooling the melt of the first material. ) Can be obtained by performing the steps of obtaining.
  • the adhesion between the bracket part 2132 and the packing part 2131 may be improved.
  • bracket part 2132 and the packing part 2131 may be simultaneously formed by performing heterogeneous injection molding.
  • At least a part of the surface of the inner body 2130a of the composite gasket 2130 obtained through the above processes may be treated with the primer.
  • the packing part 2131 and the bracket part 2132 are integrally formed through injection molding, a strong adhesion between them can be obtained despite being formed of different materials. . Therefore, it is possible to ensure excellent internal sealing by preventing the movement (ie, internal leakage) of gas through the interface between the packing part 2131 and the bracket part 2132.
  • a second fixed layer 2122-2 ′ filling the gap between the mid-case 2110 and the composite gasket 2130 and the end of the hollow fiber membrane cartridge 2120 ′ is formed. To form.
  • the second fixed layer 2122-2 ′ has a potting cap (not shown) fastened to the mid-case 2110, and the potting cap is attached to the potting cap while the potting cap is located under the mid-case 2110. It can be prepared by performing a dip casting process of injecting and curing a liquid resin such as a liquid polyurethane resin, and then removing the potting cap. Alternatively, the second fixed layer 2122-2 ′ may be formed through a centrifugal casting process.
  • the first and second fixing layers 2122-1 ′ and 2122-2 ′ may be each composed of different liquid resins, but the same material (eg, liquid polyurethane resin) in terms of adhesive strength between them. Each may be preferably formed.
  • a liquid resin (eg, liquid polyurethane) used to form the second fixing layer 2122-2' is a composite gasket 2130 (in particular, a bracket part 2132).
  • the bracket part 2132 is formed of a material having excellent adhesion to the second fixing layer 2122-2 ′, the movement of gas through the interface between them (that is, internal Leakage) to provide a stronger internal seal.
  • the adhesive strength between the bracket portion 2132 and the second fixing layer 2122-2' is maximized, thereby providing a more excellent internal sealing. I can.
  • the cap 2200 is fastened to the mid-case 2110, and the cap 2130 is compressed so that the connecting body 2130c of the composite gasket 2130 is compressed by the cap 2200. Tighten (2200).
  • the cap 2200 may have a protrusion 2220 at a position corresponding to the end of the mid-case 2110 as illustrated in FIG. 5F. Since the end of the mid-case 2110 is fitted into the groove G of the composite gasket 2130, the protrusion 2220 is formed of the composite gasket 2130 together with the end of the mid-case 2110. Tighter external sealing is possible by compressing the connecting body 2130c more effectively.
  • both the external leakage and the internal leakage can be effectively prevented by only mechanical assembly of the composite gasket 2130 without the prior art sealant coating and curing processes. Accordingly, according to the present invention, since the sealant coating process and the sealant curing process required in the prior art are omitted, not only the workability is improved, but also the manufacturing time is shortened, so that productivity thereof can be remarkably improved. In addition, since a separate space for storing the semi-finished product is not required during the sealant curing process, the production cost of the humidifier can be reduced.

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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
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 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 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 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.

Claims (20)

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 물질은 연질 실리콘 고무를 포함하고,
    상기 제2 물질은 연질 우레탄 고무를 포함하는,
    연료전지용 가습기.
  5. 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.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 부분들 사이의 계면은 단차를 갖는,
    연료전지용 가습기.
  7. 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.
  8. 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.
  9. 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.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 고정층과 상기 제2 고정층은 동일한 물질로 형성된,
    연료전지용 가습기.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1 고정층과 상기 제2 고정층 모두는 폴리우레탄(PU) 수지를 포함하는,
    연료전지용 가습기.
  12. 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.
  13. 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.
  14. 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.
  15. 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.
  16. 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.
  17. 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.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 복합 가스켓 준비 단계는,
    이종 사출 성형을 수행함으로써 상기 브라켓부와 상기 패킹부를 동시에 형성하는 단계를 포함하는,
    연료전지용 가습기의 제조방법.
  19. 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.
  20. 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.
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