WO2022145702A1 - 연료전지용 가습기의 카트리지 및 연료전지용 가습기 - Google Patents

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case
fuel cell
divided case
hollow fiber
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김도우
양형모
안웅전
허중근
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a humidifier for a fuel cell for supplying humidified gas to the fuel cell.
  • fuel cells can produce electricity continuously as long as hydrogen and oxygen are supplied, and there is no heat loss, so the efficiency is about twice that of an internal combustion engine.
  • the fuel cell has the advantage of being environmentally friendly and reducing concerns about resource depletion due to increased energy consumption.
  • PEMFC Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell
  • PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell
  • MCFC Molten Carbonate Fuel Cell
  • SOFC Solid Oxide Fuel Cell
  • AFC Alkaline Fuel Cell
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cell
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cell
  • MEA membrane-electrode assembly
  • a bubbler humidification method that supplies moisture by passing a target gas through a diffuser after filling a pressure-resistant container with water, 2) measuring the amount of supplied moisture required for fuel cell reaction
  • a direct injection method in which moisture is calculated and directly supplying moisture to a gas flow pipe through a solenoid valve
  • 3) a humidification membrane method in which moisture is supplied to a fluidized bed of gas using a polymer membrane.
  • the membrane humidification method of humidifying the polymer electrolyte membrane by providing water vapor to the air supplied to the polymer electrolyte membrane using a membrane that selectively transmits only water vapor contained in the exhaust gas is advantageous in that the humidifier can be reduced in weight and size.
  • the selective permeable membrane used in the membrane humidification method is preferably a hollow fiber membrane having a large permeation area per unit volume when forming a module. That is, when a humidifier is manufactured using a hollow fiber membrane, the high integration of the hollow fiber membrane with a large contact surface area is possible, so that the fuel cell can be sufficiently humidified even with a small capacity, low-cost materials can be used, and the fuel cell discharges at high temperature. It has the advantage that it can be reused through a humidifier by recovering moisture and heat contained in the off-gas.
  • FIG. 1 is a schematic exploded perspective view of a conventional fuel cell humidifier.
  • the humidifier 100 of the conventional membrane humidification method has a humidification module 110 in which moisture exchange occurs between air supplied from the outside and exhaust gas discharged from a fuel cell stack (not shown) and the humidification. It includes caps 120 coupled to both ends of the module 110 .
  • One of the caps 120 transfers air supplied from the outside to the humidification module 110 , and the other transfers air humidified by the humidification module 110 to the fuel cell stack.
  • the humidification module 110 includes a mid-case 111 having an off-gas inlet 111a and an off-gas outlet 111b, and the It includes a plurality of hollow fiber membranes 112 in the mid-case 111 . Both ends of the hollow fiber membranes 112 are potted in the fixing layer 113 .
  • the fixing layer 113 is generally formed by curing a liquid polymer such as a liquid polyurethane resin through a casting method.
  • the fixing layer 113 in which the ends of the hollow fiber membranes 112 are potted and the resin layer 114 between the fixing layer 113 and the mid-case 111 form the inner spaces of the caps 120 in the mid - Blocked from the inner space of the case (111).
  • the resin layer 114 is generally formed by curing a liquid polymer such as a liquid polyurethane resin through a casting method.
  • the exhaust gas contacts the outer surface of the hollow fiber membranes 112 moisture contained in the exhaust gas penetrates the hollow fiber membranes 112 , thereby humidifying the air flowing along the hollow of the hollow fiber membranes 112 . do.
  • the present invention has been devised to solve the above-mentioned needs, and to provide a fuel cell humidifier cartridge and fuel cell humidifier capable of reducing the amount of potting liquid outflow in the process of potting hollow fiber membranes.
  • the present invention may include the following configuration.
  • a humidifier for a fuel cell includes: a humidification module for humidifying dry gas supplied from the outside using the wet gas discharged from the fuel cell stack; a first cap coupled to one end of the humidifying module; and a second cap coupled to the other end of the humidifying module.
  • the humidifying module includes: a mid-case having both ends open; and at least one cartridge (Cartridge) disposed in the mid-case and including a plurality of hollow fiber membranes.
  • the cartridge has an opening (Opening) at the end of the inner case containing the hollow fiber membrane (Inner Case); and a first fixing layer and a second fixing layer fixing both ends of the hollow fiber membranes.
  • the inner case may include a first divided case and a second divided case for accommodating the hollow fiber membranes; and a first press-fitting member for coupling the first divided case and the second divided case in a press-fit manner.
  • the cartridge of the humidifier for fuel cell according to the present invention is for humidifying the dry gas supplied from the outside using the wet gas discharged from the fuel cell stack.
  • a fuel cell humidifier cartridge according to the present invention includes an inner case having an opening at the end and containing a plurality of hollow fiber membranes; and a first fixing layer and a second fixing layer fixing both ends of the hollow fiber membranes.
  • the inner case may include a first divided case and a second divided case for accommodating the hollow fiber membranes; and a first press-fitting member for coupling the first divided case and the second divided case in a press-fit manner.
  • the present invention may be implemented to couple the first divided case and the second divided case in a press-fit manner using the first press-fitting member. Accordingly, the present invention can reduce the amount of potting liquid flowing through the boundary between the first divided case and the second divided case by firmly coupling the first divided case and the second divided case using the first press-fitting member. have. Therefore, the present invention can not only strengthen the fixing force to both ends of the hollow fiber membranes by using the first fixing layer and the second fixing layer, but also improve the quality of the cartridge through this.
  • the present invention by using a first press-fitting member to couple the first divided case and the second divided case in a press-fitting manner, through the boundary portion between the first divided case and the second divided case, from the outside of the inner case to the inside of the inner case. It is possible to reduce the inflow of the inflow potting liquid.
  • FIG. 1 is a schematic exploded perspective view of a conventional fuel cell humidifier
  • FIG. 2 is a schematic exploded perspective view of a humidifier for a fuel cell according to the present invention
  • FIG. 3 is a schematic exploded cross-sectional view showing a fuel cell humidifier according to the present invention taken along line I-I of FIG.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the fuel cell humidifier according to the present invention taken along line I-I of FIG. 2;
  • FIG. 5 is a schematic plan view of a cartridge of a fuel cell humidifier according to the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic exploded cross-sectional view showing the inner case of the fuel cell humidifier cartridge according to the present invention, taken along the line II-II of FIG. 5;
  • FIG. 7 is a schematic combined cross-sectional view showing the inner case of the fuel cell humidifier cartridge according to the present invention taken along the line II-II of FIG. 5;
  • FIG. 8 is a schematic side view of a cartridge of a fuel cell humidifier according to the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic plan view of a cartridge of a fuel cell humidifier according to the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic combined cross-sectional view illustrating a cartridge of a fuel cell humidifier according to the present invention taken along line III-III of FIG.
  • FIGS. 8 to 10 two parallel curves are an abbreviation line.
  • a dotted line in FIG. 8 indicates a portion located inside the inner case in each of the first potting layer and the second potting layer.
  • the humidifier 1 for a fuel cell is for humidifying the dry gas supplied from the outside using the wet gas discharged from the fuel cell stack (not shown).
  • the drying gas may be fuel gas or air.
  • the dry gas may be supplied to the fuel cell stack after being humidified by the wet gas.
  • a fuel cell humidifier (1) according to the present invention includes a humidifying module (2) for humidifying dry gas, a first cap (3) coupled to one end of the humidifying module (2), and the other end of the humidifying module (2). and a second cap (4) coupled to the .
  • the humidification module 2 humidifies the dry gas supplied from the outside.
  • the first cap 3 may be coupled to one end of the humidification module 2 .
  • the second cap 4 may be coupled to the other end of the humidification module 2 .
  • the first cap 3 may deliver the dry gas to the humidification module 2 .
  • the second cap 4 may deliver the dry gas humidified by the wet gas in the humidification module 2 to the fuel cell stack.
  • the first cap 3 may deliver the humidification gas to the humidification module 2 .
  • the second cap 4 may discharge the wet gas after humidifying the dry gas in the humidification module 2 to the outside.
  • the first cap 3 and the second cap 4 may be spaced apart from each other in a first axial direction (X-axis direction).
  • the humidification module 2 includes a mid-case 21 , and at least one cartridge 22 .
  • the mid-case 21 is to which the cartridge 22 is coupled.
  • the cartridge 22 may be disposed inside the mid-case 21 . Both ends of the mid-case 21 are open.
  • a receiving hole 211 may be formed in the mid-case 21 .
  • the receiving hole 211 may be formed to penetrate the mid-case 21 in the first axial direction (X-axis direction).
  • An inlet 212 and an outlet 213 may be formed in the mid-case 21 .
  • the inlet 212 may introduce a wet gas or a dry gas into the mid-case 21 .
  • the outlet 213 may discharge a wet gas or a dry gas from the inside of the mid-case 21 .
  • the inlet 212 and the outlet 213 may be disposed at positions spaced apart from each other in the first axial direction (X-axis direction).
  • the wetting gas flows through the inlet 212 and the outlet 213 , the wetting gas is supplied into the cartridge 22 through the inside of the mid-case 21 through the inlet 212 .
  • the cartridge 22 may be in contact with the outer surface of the hollow fiber membranes 221 having.
  • moisture contained in the wet gas penetrates the hollow fiber membranes 221 , thereby humidifying the dry gas flowing along the hollows of the hollow fiber membranes 221 .
  • the humidified dry gas may be supplied to the fuel cell stack through the second cap 4 after flowing out from the hollow fiber membranes 221 .
  • the wet gas flows out of the cartridge 22 and then passes through the inside of the mid-case 21 to the outside of the mid-case 21 through the outlet 213 . may leak.
  • the inlet 212 may be connected to the fuel cell stack to receive the wet gas.
  • the wet gas may be off-gas discharged from the fuel cell stack.
  • the drying gas flows through the inlet 212 and the outlet 213 , the drying gas is supplied into the cartridge 22 through the inside of the mid-case 21 through the inlet 212 .
  • the outer surfaces of the hollow fiber membranes 221 may be contacted.
  • moisture of the wet gas flowing along the hollows of the hollow fiber membranes 221 penetrates the hollow fiber membranes 221 , thereby humidifying the dry gas flowing into the cartridge 22 .
  • the humidified dry gas flows out of the cartridge 22 , passes through the inside of the mid-case 21 , and flows out of the mid-case 21 through the outlet 213 , and then the fuel cell Can be supplied in stacks.
  • the wet gas may flow out from the hollow fiber membranes 221 and then be discharged to the outside through the second cap 4 .
  • the first cap 3 may be connected to the fuel cell stack to receive the wet gas.
  • the cartridge 22 is disposed in the mid-case 21 , and includes a plurality of hollow fiber membranes 221 .
  • the hollow fiber membranes 221 may be modularized by being coupled to the cartridge 22 . Accordingly, through the process of coupling the cartridge 22 to the mid-case 21 , the hollow fiber membranes 221 may be installed inside the mid-case 21 . Accordingly, the fuel cell humidifier 1 according to the present invention can improve the ease of installation, separation, and replacement of the hollow fiber membranes 221 .
  • the cartridge 22 may include an inner case 222 .
  • the inner case 222 has an opening at the end, and the plurality of hollow fiber membranes 221 are contained therein.
  • the hollow fiber membranes 221 may be disposed inside the inner case 222 to be modularized.
  • the hollow fiber membranes 221 are polysulfone resin, polyethersulfone resin, sulfonated polysulfone resin, polyvinylidene fluoride (PVDF) resin, polyacrylonitrile (PAN) resin, polyimide resin, polyamideimide resin, It may include a polymer film formed of a polyester imide resin, or a mixture of two or more thereof.
  • the cartridge 22 may include a first fixing layer 223 .
  • the first fixing layer 223 fixes one end of the hollow fiber membranes 221 .
  • the first fixing layer 223 may close the opening of the inner case 222 .
  • the first fixing layer 223 may be formed so as not to block the hollows of the hollow fiber membranes 221 .
  • the first fixing layer 223 may be formed by curing a potting liquid such as a liquid polyurethane resin through a casting process. A part of the first fixing layer 223 may be located inside the inner case 222 , and the remaining part may protrude to the outside of the inner case 222 .
  • the first fixing layer 223 may fix one end of the hollow fiber membranes 221 and the inner case 222 .
  • the cartridge 22 may include a second fixing layer 224 .
  • the second fixing layer 224 fixes the other ends of the hollow fiber membranes 221 .
  • the second fixing layer 224 may close the opening of the inner case 222 .
  • the second fixing layer 224 may be formed so as not to block the hollows of the hollow fiber membranes 221 .
  • the second fixing layer 224 may be formed by curing a potting liquid such as a liquid polyurethane resin through a casting process.
  • a part of the second fixing layer 224 may be located inside the inner case 222 , and the other part may protrude to the outside of the inner case 222 .
  • the second fixing layer 224 may fix the other ends of the hollow fiber membranes 221 and the inner case 222 .
  • the dry gas or wet gas supplied from the outside is applied to the second fixing layer 224 and the second fixing layer 224 .
  • 1 can be supplied into the hollows of the hollow fiber membranes 221 without interfering with the 1 fixing layer 223, and the hollow fiber membrane 221 without interfering with the second fixing layer 224 and the first fixing layer 223 can flow out of their hollows.
  • the second pinned layer 224 and the first pinned layer 223 may be disposed to be spaced apart from each other in the first axial direction (X-axis direction).
  • the humidification module 2 may include a plurality of packing members 23 and 23'.
  • the packing members 23 and 23' seal between the cartridge 22 and the mid-case 21 to prevent direct mixing of the dry gas and the wet gas.
  • the packing members 23 and 23 ′ may be inserted between the cartridge 22 and the mid-case 21 .
  • the cartridge 22 may be inserted into the through-holes 23a and 23a' formed in the packing members 23 and 23'.
  • the packing members 23 and 23' may be disposed on both sides of the cartridge 22, respectively.
  • resin layers may be formed on both sides of the cartridge 22 instead of the packing members 23 and 23'.
  • the resin layers may be formed by curing a liquid polymer such as a liquid polyurethane resin through a casting method.
  • the first cap 3 is coupled to one end of the humidification module 2 .
  • the space between the first cap 3 and the cartridge 22 may be sealed with respect to the space between the cartridge 22 and the mid-case 21 by the packing member 23 or the resin layer.
  • the second cap 4 is coupled to the other end of the humidification module 2 .
  • the second cap 4 may be coupled to the other end of the humidifying module 2 at a position spaced apart from the first cap 3 in the first axial direction (X-axis direction).
  • the space between the second cap 4 and the cartridge 22 may be sealed with respect to the space between the cartridge 22 and the mid-case 21 by the packing member 23 ′ or a resin layer.
  • the inner case 222 may be implemented by assembling two or more divided cases. Accordingly, in the fuel cell humidifier 1 according to the present invention, since the divided cases can be individually manufactured through injection molding, etc., in comparison with manufacturing the inner case 222 through one injection molding, etc. ease of use can be improved. Meanwhile, the divided cases may be assembled in a sliding manner. In this case, in the process of forming the first fixing layer 223 and the second fixing layer 224 , the potting liquid may flow out through the boundary between the divided cases. can To prevent this, the inner case 222 may be implemented as follows.
  • the inner case 222 may include a first divided case 2221 , a second divided case 2222 , and a first press-fitting member 2223 .
  • the first divided case 2221 and the second divided case 2222 are for accommodating the hollow fiber membranes 221 .
  • the first divided case 2221 and the second divided case 2222 may correspond to divided cases for implementing the inner case 222 through assembly, respectively.
  • an embodiment in which the inner case 222 is implemented through assembly between the first divided case 2221 and the second divided case 2222 is described as a reference, but from this, the inner case 222 is It will be apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains to derive an embodiment implemented through assembly of three or more divided cases.
  • the first divided case 2221 may be disposed to cover upper sides of the hollow fiber membranes 221 .
  • the second divided case 2222 may be disposed to cover the lower side of the hollow fiber membranes 221 .
  • the first divided case 2221 and the second divided case 2222 may divide and cover both sides of the hollow fiber membranes 221 .
  • Both side surfaces of the hollow fiber membranes 221 are based on a second axial direction (Y-axis direction) perpendicular to the first axial direction (X-axis direction).
  • a boundary portion between the first divided case 2221 and the second divided case 2222 may be disposed on both sides of the hollow fiber membranes 221 .
  • the first divided case 2221 may be disposed to cover the lower side of the hollow fiber membranes 221
  • the second divided case 2222 may be disposed to cover the upper side of the hollow fiber membranes 221 .
  • the first press-fitting member 2223 couples the first divided case 2221 and the second divided case 2222 in a press-fit manner. Accordingly, in the fuel cell humidifier 1 according to the present invention, by firmly coupling the first divided case 2221 and the second divided case 2222 using the first press-fitting member 2223, the first It is possible to reduce the amount of potting liquid flowing through the boundary between the first divided case 2221 and the second divided case 2222 . Accordingly, in the fuel cell humidifier 1 according to the present invention, the fixing force to both ends of the hollow fiber membranes 221 can be strengthened by using the first fixing layer 223 and the second fixing layer 224, Through this, the quality of the cartridge 22 can be improved.
  • the inner case ( The amount of potting liquid flowing into the inner case 222 from the outside of the 222 may be reduced.
  • the first press-fitting member 2223 is interference-fitted through press-fitting, so that the first It is possible to prevent a gap from occurring because the boundary between the divided case 2221 and the second divided case 2222 is widened.
  • the first press-fitting member 2223 Based on the first axial direction (X-axis direction), the first press-fitting member 2223 has a greater distance from the first fixing layer 223 than the distance from the second fixing layer 224 . It can be arranged in a short position. That is, the first press-fitting member 2223 may be disposed at a position closer to the first fixing layer 223 .
  • the first press-fitting member 2223 may include a first sliding groove 2223a (shown in FIG. 6 ) and a first insertion member 2223b.
  • the first sliding groove 2223a is formed in the first divided case 2221 .
  • the first divided case 2221 and the second divided case 2222 may be assembled in a sliding manner through the first sliding groove 2223a.
  • the first divided case 2221 and the second At least one of the divided cases 2222 may be assembled in a sliding manner as they move toward each other.
  • the first sliding groove 2223a may be formed to extend parallel to the first axial direction (X-axis direction).
  • the first insertion member 2223b is formed in the second divided case 2222 .
  • the first inserting member 2223b may be inserted into the first sliding groove 2223a.
  • At least a portion of the first insertion member 2223b may be formed to have a larger size than that of the first sliding groove 2223a. Accordingly, the first insertion member 2223b may be press-fitted while being inserted into the first sliding groove 2223a. Accordingly, in the fuel cell humidifier 1 according to the present invention, the coupling force between the first divided case 2221 and the second divided case 2222 can be strengthened through the press-fitting of the first inserting member 2223b.
  • the fact that at least a portion of the first insertion member 2223b is formed to have a larger size than that of the first sliding groove 2223a is based on a cross-sectional area cut along the second axial direction (Y-axis direction). may be doing All of the first insertion member 2223b may be formed to be larger than that of the first sliding groove 2223a.
  • the first insertion member 2223b may protrude from the second divided case 2222 . From the opposite surface of the second divided case 2222 facing the first divided case 2221 , the first insertion member 2223b may protrude toward the first divided case 2221 . As shown in FIG. 7 , when the first divided case 2221 and the second divided case 2223 are coupled by the first press-fitting member 2223 , the first inserting member 2223b is connected to the first It may be disposed to overlap the divided case 2221 . Accordingly, the fuel cell humidifier 1 according to the present invention can further reduce the outflow and inflow of the potting liquid by using a structure in which the first inserting member 2223b and the first split case 2223 are overlapped. .
  • the first inserting member 2223b and the second dividing case 2222 may be integrally formed.
  • the first press-fitting member 2223 may include a first protruding member 2223c and a first locking member 2223d.
  • the first protruding member 2223 is formed in the first divided case 2221 .
  • the first protruding member 2223 may protrude outwardly (in the direction of the OD arrow) from the outer surface 2221a of the first divided case 2221 .
  • the outer surface 2221a of the first divided case 2221 is a surface of the first divided case 2221 based on the second axial direction (Y-axis direction).
  • the outward direction (OD arrow direction) may refer to an outward direction based on the inner space in which the hollow fiber membranes 221 are accommodated in the first divided case 2221 .
  • the outward direction (OD arrow direction) may be parallel to the second axis direction (Y-axis direction).
  • the first protruding member 2223 and the first divided case 2221 may be integrally formed.
  • the first sliding groove 2223a may be formed in the first protruding member 2223 .
  • a portion of the first sliding groove 2223a may be formed to pass through the first protruding member 2223 .
  • a portion of the first insertion member 2223b may be inserted into a portion of the first sliding groove 2223a passing through the first protrusion member 2223 .
  • the first locking member 2223d may protrude from the first insertion member 2223b in the outward direction (direction of the OD arrow). Accordingly, the first locking member 2223d may be inserted into the first sliding groove 2223a to be supported by the first protruding member 2223c. Accordingly, in the fuel cell humidifier 1 according to the present invention, the first split case 2221 and the second split case 2221 using the support force of the first protruding member 2223c to support the first locking member 2223d.
  • the boundary portion of the case 2222 can be further strengthened to prevent a gap from occurring.
  • the first engaging member 2223d and the first inserting member 2223b may be formed in a hook shape as a whole.
  • the first locking member 2223d and the first insertion member 2223b may be integrally formed.
  • the first press-fitting member 2223 may include a first limiting member 2223e.
  • the first limiting member 2223e protrudes from the first protruding member 2223c.
  • the first limiting member 2223e may protrude from the first protruding member 2223c in the vertical direction (Z-axis direction).
  • the vertical direction (Z-axis direction) is an axial direction perpendicular to each of the first axial direction (X-axis direction) and the second axial direction (Y-axis direction).
  • the first limiting member 2223e may protrude from the first protruding member 2223c in a direction from the second divided case 2222 toward the first divided case 2221 .
  • the first limiting member 2223e and the first protruding member 2223c may be integrally formed.
  • the first limiting member 2223e and the outer surface 2221a of the first split case 2221 may be disposed to face each other with the first sliding groove 2223a interposed therebetween.
  • the first sliding groove 2223a may be disposed between the first limiting member 2223e and the first dividing case 2221 . have.
  • the first limiting member 2223e and the first dividing case 2221 can be press-fitted between the outer surfaces of the Accordingly, in the fuel cell humidifier 1 according to the present invention, the pressing force to the first inserting member 2223b and the first engaging member 2223d can be further strengthened by using the first limiting member 2223e. have.
  • a distance by which the first limiting member 2223e and the outer surface 2221a of the first divided case 2221 are spaced apart from each other with respect to the second axial direction (Y-axis direction) is the first insertion member 2223b ) and the length of the first locking member 2223d may be implemented to be smaller than the sum of the lengths. Accordingly, the first inserting member 2223b and the first locking member 2223d are inserted into the first sliding groove 2223a while the first limiting member 2223e and the first dividing case 2221 are inserted. It may be press-fitted by the outer surface 2221a.
  • a guide groove 2221b for inserting the first inserting member 2223b into the outer surface 2221a of the first divided case 2221 in contact with the first inserting member 2223b is shown in FIG. shown) may be formed.
  • the guide groove 2221b may correspond to a part of the first sliding groove 2223a.
  • the first press-fitting member 2223 as described above may be disposed on both sides of the inner case 222 with respect to the second axial direction (Y-axis direction). Accordingly, in the fuel cell humidifier 1 according to the present invention, the first divided case 2221 and the second divided case for each of both sides of the inner case 222 using the first press-fitting members 2223 . It may be implemented to reduce the outflow and inflow of the potting liquid through the boundary portion of 2222.
  • the inner case 222 may include a second press-fitting member 2224 (shown in FIG. 8 ).
  • the second press-fitting member 2224 couples the first divided case 2221 and the second divided case 2222 in a press-fit manner.
  • the second press-in member 2224 may be spaced apart from the first press-in member 2223 in the first axial direction (X-axis direction). Accordingly, the second press-fitting member 2224 and the first press-fitting member 2223 may couple the first divided case 2221 and the second divided case 2222 to each other in a press-fit manner at different positions. . Therefore, in the fuel cell humidifier 1 according to the present invention, the first divided case 2221 and the second divided case 2221 are more firmly coupled to the second divided case 2222 , It is possible to further reduce the amount of outflow and inflow of the potting liquid through the boundary portion of the case 2222 .
  • the fixing force to both ends of the hollow fiber membranes 221 can be further strengthened by using the first fixing layer 223 and the second fixing layer 224 . Rather, it is possible to further improve the quality of the cartridge 22 through this.
  • the second press-fitting member 2224 Based on the first axial direction (X-axis direction), the second press-fitting member 2224 has a greater distance from the second fixing layer 224 than the distance from the first fixing layer 223 . It can be placed in a short position. That is, the second press-fitting member 2224 may be disposed at a position closer to the second fixing layer 224 .
  • the second press-fitting member 2224 may be disposed on both sides of the inner case 222 with respect to the second axial direction (Y-axis direction). Accordingly, in the fuel cell humidifier 1 according to the present invention, the first divided case 2221 and the second divided case for each of both sides of the inner case 222 using the second press-fitting members 2224 . It may be implemented to reduce the outflow and inflow of the potting liquid through the boundary portion of 2222.
  • the second press-fitting member 2224 may include a second sliding groove, a second inserting member, a second protruding member, a second engaging member, and a second limiting member.
  • the second sliding groove, the second inserting member, the second protruding member, the second locking member, and the second limiting member may each include the first sliding groove 2223a, the first inserting member 2223b, Since the first protrusion member 2223c, the first locking member 2223d, and the first limiting member 2223e may be implemented to substantially coincide with each other, a detailed description thereof will be omitted.
  • the second press-fitting member 2224 and the first press-fitting member 2223 may be formed to have at least one different shape and size. Accordingly, in the fuel cell humidifier 1 according to the present invention, the first divided case 2221 and the second divided case 2222 using the second press-fitting member 2224 and the first press-fitting member 2223 are provided. ) is implemented so that the assembly direction can be visually confirmed.
  • the shape of the second press-in member 2224 and the first press-in member 2223 is a contour in which the second press-in member 2224 and the first press-in member 2223 each occupy a space. can mean For example, when the second press-in member 2224 is formed in a square plate shape, the first press-fit member 2223 may be formed in a disk shape.
  • the sizes of the second press-in member 2224 and the first press-in member 2223 are determined in the first axial direction (X-axis direction) of the second press-in member 2224 and the first press-fit member 2223, respectively.
  • the second axial direction (Y-axis direction), and the vertical direction (Z-axis direction) may be determined by a length based on at least one axial direction.
  • the first press-in member 2223 is formed to have a longer length than that of the second press-in member 2224 with respect to the first axial direction (X-axis direction), whereby the second press-in member 2224 is formed. and may be formed in a different size.
  • the cartridge 22 may include a gas inlet 225 and a gas outlet 226 .
  • the gas inlet 225 is formed in the inner case 222 .
  • the gas inlet 225 may be formed on one side 2220 of the inner case 222 . Referring to FIG. 10 , one side 2220 of the inner case 222 may correspond to an upper surface.
  • the gas inlet 225 may introduce a wet gas or a dry gas into the inner case 222 .
  • the gas inlet 225 may be formed through the inner case 222 . 9 and 10 , the gas inlet 225 may be implemented as a single through hole penetrating the inner case 222 . As shown in FIG. 5 , the gas inlet 225 may be implemented as a plurality of through holes penetrating the inner case 222 .
  • the gas inlet 225 may include a plurality of inlet windows 225a formed to pass through different portions of the inner case 222 .
  • the inflow windows 225a may be spaced apart from each other in each of the first axis direction (X-axis direction) and the second axis direction (Y-axis direction) to form a matrix.
  • the gas inlet 225 and the first fixing layer 223 may be spaced apart from each other in the first axial direction (X-axis direction). Accordingly, the gas inlet 225 and the first fixed layer 223 do not overlap each other. Accordingly, it is possible to prevent the first fixed layer 223 from being damaged or damaged due to the pressure of the wet gas or the dry gas introduced through the gas inlet 225 .
  • a dotted line indicates the position of one surface of the first fixed layer 223 toward the gas inlet 225 .
  • the gas outlet 226 is formed in the inner case 222 .
  • the gas outlet 226 may be formed on one side 2220 of the inner case 222 .
  • the gas outlet 226 may discharge wet gas or dry gas from the inside of the inner case 222 .
  • the gas outlet 226 may be formed through the inner case 222 . 9 and 10 , the gas outlet 226 may be implemented as a single through-hole penetrating the inner case 222 .
  • the gas outlet 226 may be implemented as a plurality of through holes penetrating the inner case 222 .
  • the gas outlet 226 may include a plurality of outlet windows 226a formed to pass through different portions of the inner case 222 .
  • the outflow windows 226a may be spaced apart from each other in each of the first axial direction (X-axis direction) and the second axial direction (Y-axis direction) to form a matrix.
  • the gas outlet 226 and the second fixing layer 224 may be spaced apart from each other in the first axial direction (X-axis direction). Accordingly, the gas outlet 226 and the second fixed layer 224 do not overlap each other. Accordingly, it is possible to prevent the second fixed layer 224 from being damaged or damaged due to the pressure of the wet gas or the dry gas flowing out through the gas outlet 226 .
  • a dotted line indicates the position of one surface of the second fixed layer 224 toward the gas outlet 226 .
  • the gas outlet 226 and the gas inlet 225 may be positioned between the second fixed layer 224 and the first fixed layer 223 with respect to the first axial direction (X-axis direction). .
  • the gas outlet 226 and the gas inlet 225 may be disposed at positions spaced apart from each other in the first axial direction (X-axis direction).
  • the wetting gas flows through the gas outlet 226 and the gas inlet 225 , the wetting gas flows through the inlet 212 to the inner surface of the mid-case 21 and the outer surface of the inner case 222 . It is supplied to the inside of the inner case 222 through the gas inlet 225 and may be in contact with the outer surfaces of the hollow fiber membranes 221 . In this process, moisture contained in the wet gas penetrates the hollow fiber membranes 221 , thereby humidifying the dry gas flowing along the hollows of the hollow fiber membranes 221 . The humidified dry gas may be supplied to the fuel cell stack through the second cap 4 after flowing out from the hollow fiber membranes 221 . The wet gas after humidifying the dry gas flows out between the outer surface of the inner case 222 and the inner surface of the mid-case 21 through the gas outlet 226, and through the outlet 213, the mid - May be leaked to the outside of the case (21).
  • drying gas flows through the gas outlet 226 and the gas inlet 225 , the drying gas flows through the inlet 212 to the inner surface of the mid-case 21 and the outer surface of the inner case 222 . It is supplied to the inside of the inner case 222 through the gas inlet 225 and may be in contact with the outer surfaces of the hollow fiber membranes 221 . In this process, moisture of the wet gas flowing along the hollows of the hollow fiber membranes 221 passes through the hollow fiber membranes 221 , thereby humidifying the dry gas flowing into the inner case 222 .
  • the humidified dry gas flows out between the outer surface of the inner case 222 and the inner surface of the mid-case 21 through the gas outlet 226, and the mid-case 21 through the outlet 213 It may be supplied to the fuel cell stack after it flows out of the fuel cell stack. After humidifying the dry gas, the wet gas may flow out from the hollow fiber membranes 221 and then be discharged to the outside through the second cap 4 .

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택으로부터 배출된 습윤 기체를 이용하여 외부로부터 공급된 건조 기체를 가습하기 위한 연료전지용 가습기의 카트리지(Cartridge)로, 말단에 개구(Opening)를 가지며 다수의 중공사막들이 들어있는 이너 케이스(Inner Case); 및 상기 중공사막들의 양 말단들을 고정하는 제1 고정층과 제2 고정층;을 포함하되, 상기 이너 케이스는 상기 중공사막들을 수용하기 위한 제1 분할 케이스와 제2 분할 케이스; 및 상기 제1 분할 케이스와 상기 제2 분할 케이스를 압입(Press-Fit) 방식으로 결합시키는 제1 압입부재;를 포함하는 연료전지용 가습기의 카트리지 및 연료전지용 가습기에 관한 것이다.

Description

연료전지용 가습기의 카트리지 및 연료전지용 가습기
본 발명은 연료전지에 가습된 기체를 공급하기 위한 연료전지용 가습기에 관한 것이다.
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 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 가습기를 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 가습기를 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 가습기를 통해 재사용할 수 있다는 이점을 갖는다.
도 1은 통상의 연료전지용 가습기의 개략적인 분해 사시도이다.
도 1에 예시된 바와 같이, 통상의 막가습 방식의 가습기(100)는 외부로부터 공급되는 공기와 연료전지 스택(미도시)으로부터 배출되는 배가스 사이의 수분 교환이 일어나는 가습 모듈(110) 및 상기 가습 모듈(110)의 양 단에 결합된 캡들(120)을 포함한다.
상기 캡들(120) 중 하나는 외부로부터 공급되는 공기를 상기 가습 모듈(110)로 전달하고, 다른 하나는 상기 가습 모듈(110)에 의해 가습된 공기를 연료전지 스택으로 전달한다.
상기 가습 모듈(110)은, 배가스 습윤 기체 유입구(off-gas inlet)(111a)와 배가스 습윤 기체 유출구(off-gas outlet)(111b)를 갖는 미드-케이스(mid-case)(111) 및 상기 미드-케이스(111) 내의 복수의 중공사막들(112)을 포함한다. 상기 중공사막들(112)의 양 말단들은 고정층(113)에 포팅되어 있다. 상기 고정층(113)은 일반적으로 캐스팅(casting) 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 폴리머를 경화시킴으로써 형성된다. 상기 중공사막들(112)의 말단들이 포팅되어 있는 고정층(113) 및 상기 고정층(113)과 상기 미드-케이스(111) 사이의 수지층(114)이 상기 캡들(120)의 내부 공간들을 상기 미드-케이스(111)의 내부 공간으로부터 차단한다. 상기 고정층(113)과 유사하게, 상기 수지층(114)은 일반적으로 캐스팅 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 폴리머를 경화시킴으로써 형성된다.
외부로부터 공급되는 공기는 상기 중공사막들(112)의 중공을 따라 흐른다. 상기 배가스 습윤 기체 유입구(111a)를 통해 상기 미드-케이스(111) 내로 유입된 배가스는 상기 중공사막들(112)의 외표면과 접촉한 후 상기 배가스 습윤 기체 유출구(111b)를 통해 상기 미드-케이스(111)로부터 유출된다. 상기 배가스가 상기 중공사막들(112)의 외표면과 접촉할 때 상기 배가스 내에 함유되어 있던 수분이 상기 중공사막들(112)을 투과함으로써 상기 중공사막들(112)의 중공을 따라 흐르던 공기를 가습한다.
여기서, 종래에는 상기 중공사막들(112)의 양 말단들을 액상 폴리머 등과 같은 포팅액를 이용하여 포팅하는 과정에서 포팅액이 유출되고, 이로 인해 상기 중공사막들(112)에 대한 고정력이 약화될뿐만 아니라 연료전지용 가습기의 품질이 저하되는 문제가 있었다.
본 발명은 상술한 바와 같은 요구를 해소하고자 안출된 것으로, 중공사막들을 포팅하는 과정에서 포팅액의 유출량을 감소시킬 수 있는 연료전지용 가습기의 카트리지 및 연료전지용 가습기를 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 다음과 같은 구성을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 가습기는 연료전지 스택으로부터 배출된 습윤 기체를 이용하여 외부로부터 공급된 건조 기체를 가습하기 위한 가습 모듈; 상기 가습 모듈의 일단에 결합된 제1 캡; 및 상기 가습 모듈의 타단에 결합된 제2 캡;을 포함할 수 있다. 상기 가습 모듈은 양 말단들이 개방되어 있는 미드-케이스; 및 상기 미드-케이스 내에 배치되며 다수의 중공사막들을 포함하는 적어도 하나의 카트리지(Cartridge);를 포함할 수 있다. 상기 카트리지는 말단에 개구(Opening)를 가지며 상기 중공사막들이 들어있는 이너 케이스(Inner Case); 및 상기 중공사막들의 양 말단들을 고정하는 제1 고정층과 제2 고정층;을 포함할 수 있다. 상기 이너 케이스는 상기 중공사막들을 수용하기 위한 제1 분할 케이스와 제2 분할 케이스; 및 상기 제1 분할 케이스와 상기 제2 분할 케이스를 압입(Press-Fit) 방식으로 결합시키는 제1 압입부재;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 카트리지는 연료전지 스택으로부터 배출된 습윤 기체를 이용하여 외부로부터 공급된 건조 기체를 가습하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 카트리지는 말단에 개구(Opening)를 가지며 다수의 중공사막들이 들어있는 이너 케이스(Inner Case); 및 상기 중공사막들의 양 말단들을 고정하는 제1 고정층과 제2 고정층;을 포함할 수 있다. 상기 이너 케이스는 상기 중공사막들을 수용하기 위한 제1 분할 케이스와 제2 분할 케이스; 및 상기 제1 분할 케이스와 상기 제2 분할 케이스를 압입(Press-Fit) 방식으로 결합시키는 제1 압입부재;를 포함할 수 있다.
본 발명은 제1 압입부재를 이용하여 제1 분할 케이스와 제2 분할 케이스를 압입 방식으로 결합시키도록 구현될 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 제1 압입부재를 이용하여 제1 분할 케이스와 제2 분할 케이스를 견고하게 결합시킴으로써, 제1 분할 케이스와 제2 분할 케이스의 경계부분을 통한 포팅액의 유출량을 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 발명은 제1 고정층과 제2 고정층을 이용하여 중공사막들의 양 말단에 대한 고정력을 강화할 수 있을 뿐만 아니라, 이를 통해 카트리지의 품질을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 제1 압입부재를 이용하여 제1 분할 케이스와 제2 분할 케이스를 압입 방식으로 결합시킴으로써, 제1 분할 케이스와 제2 분할 케이스의 경계부분을 통해 이너 케이스의 외부에서 이너 케이스의 내부로 유입되는 포팅액의 유입량을 감소시킬 수 있다.
도 1은 통상의 연료전지용 가습기의 개략적인 분해 사시도
도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 개략적인 분해 사시도
도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 가습기를 도 2의 I-I 선을 기준으로 나타낸 개략적인 분해 단면도
도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기를 도 2의 I-I 선을 기준으로 나타낸 개략적인 결합 단면도
도 5는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 카트리지에 대한 개략적인 평면도
도 6은 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 카트리지에 있어서 이너 케이스를 도 5의 Ⅱ-Ⅱ 선을 기준으로 나타낸 개략적인 분해 단면도
도 7은 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 카트리지에 있어서 이너 케이스를 도 5의 Ⅱ-Ⅱ 선을 기준으로 나타낸 개략적인 결합 단면도
도 8은 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 카트리지에 대한 개략적인 측면도
도 9는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 카트리지에 대한 개략적인 평면도
도 10은 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 카트리지를 도 9의 Ⅲ-Ⅲ 선을 기준으로 나타낸 개략적인 결합 단면도
이하에서는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 카트리지는 본 발명에 따른 연료전지용 가습기에 포함될 수 있으므로, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기의 실시예를 설명하면서 함께 설명한다. 한편, 도 8 내지 도 10에서 두 줄의 평행한 곡선은 생략선이다. 도 8의 점선은 제1 포팅층과 제2 포팅층 각각에서 이너 케이스의 내부에 위치한 부분을 표시한 것이다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 연료전지 스택(미도시)으로부터 배출된 습윤 기체를 이용하여 외부로부터 공급된 건조 기체를 가습하기 위한 것이다. 건조 기체는 연료가스 또는 공기일 수 있다. 건조 기체는 습윤 기체에 의해 가습된 후에 상기 연료전지 스택으로 공급될 수 있다. 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 건조 기체의 가습을 위한 가습 모듈(2), 상기 가습 모듈(2)의 일단에 결합된 제1 캡(3), 및 상기 가습 모듈(2)의 타단에 결합된 제2 캡(4)을 포함한다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 상기 가습 모듈(2)은 외부로부터 공급된 건조 기체를 가습하는 것이다. 상기 가습 모듈(2)의 일단에는 상기 제1 캡(3)이 결합될 수 있다. 상기 가습 모듈(2)의 타단에는 상기 제2 캡(4)이 결합될 수 있다. 상기 제1 캡(3)은 건조 기체를 상기 가습 모듈(2)로 전달할 수 있다. 이 경우, 상기 제2 캡(4)은 상기 가습 모듈(2)에서 습윤 기체에 의해 가습된 건조 기체를 상기 연료전지 스택으로 전달할 수 있다. 상기 제1 캡(3)은 습윤 기체를 상기 가습 모듈(2)로 전달할 수도 있다. 이 경우, 상기 제2 캡(4)은 상기 가습 모듈(2)에서 건조 기체를 가습한 이후의 습윤 기체를 외부로 배출할 수 있다. 상기 제1 캡(3)과 상기 제2 캡(4)은 제1 축 방향(X축 방향)을 따라 서로 이격될 수 있다.
상기 가습 모듈(2)은 미드-케이스(Mid-case)(21), 및 적어도 하나의 카트리지(Cartridge)(22)를 포함한다.
상기 미드-케이스(21)는 상기 카트리지(22)가 결합된 것이다. 상기 카트리지(22)는 상기 미드-케이스(21)의 내부에 배치될 수 있다. 상기 미드-케이스(21)는 양 말단들이 개방되어 있다. 이 경우, 상기 미드-케이스(21)에는 수용공(211)이 형성될 수 있다. 상기 수용공(211)은 상기 미드-케이스(21)를 상기 제1 축 방향(X축 방향)으로 관통하도록 형성될 수 있다.
상기 미드-케이스(21)에는 유입구(212) 및 유출구(213)가 형성될 수 있다. 상기 유입구(212)는 상기 미드-케이스(21)의 내부로 습윤 기체 또는 건조 기체를 유입시킬 수 있다. 상기 유출구(213)는 상기 미드-케이스(21)의 내부로부터 습윤 기체 또는 건조 기체를 유출시킬 수 있다. 상기 유입구(212)와 상기 유출구(213)는 상기 제1 축 방향(X축 방향)을 따라 서로 이격된 위치에 배치될 수 있다.
상기 유입구(212)와 상기 유출구(213)를 통해 습윤 기체가 유동하는 경우, 습윤 기체는 상기 유입구(212)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 내부를 거쳐 상기 카트리지(22)의 내부로 공급된 후에 상기 카트리지(22)가 갖는 중공사막(221)들의 외표면과 접촉할 수 있다. 이 과정에서 습윤 기체에 함유되어 있던 수분이 상기 중공사막(221)들을 투과함으로써, 상기 중공사막(221)들의 중공을 따라 흐르던 건조 기체를 가습할 수 있다. 가습된 건조 기체는 상기 중공사막(221)들로부터 유출된 후에 상기 제2 캡(4)을 통해 상기 연료전지 스택으로 공급될 수 있다. 건조 기체를 가습한 이후의 습윤 기체는, 상기 카트리지(22)의 외부로 유출된 후에 상기 미드-케이스(21)의 내부를 거쳐 상기 유출구(213)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 외부로 유출될 수 있다. 상기 유입구(212)는 상기 연료전지 스택에 연결되어서 습윤 기체를 공급받을 수 있다. 습윤 기체는 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스(Off-gas)일 수 있다.
상기 유입구(212)와 상기 유출구(213)를 통해 건조 기체가 유동하는 경우, 건조 기체는 상기 유입구(212)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 내부를 거쳐 상기 카트리지(22)의 내부로 공급된 후에 상기 중공사막(221)들의 외표면에 접촉할 수 있다. 이 과정에서 상기 중공사막(221)들의 중공을 따라 흐르던 습윤 기체의 수분이 상기 중공사막(221)들을 투과함으로써, 상기 카트리지(22)의 내부로 유입된 건조 기체를 가습할 수 있다. 가습된 건조 기체는 상기 카트리지(22)의 외부로 유출되고, 상기 미드-케이스(21)의 내부를 거쳐 상기 유출구(213)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 외부로 유출된 후에 상기 연료전지 스택으로 공급될 수 있다. 건조 기체를 가습한 이후의 습윤 기체는, 상기 중공사막(221)들로부터 유출된 후에 상기 제2 캡(4)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 상기 제1 캡(3)은 상기 연료전지 스택에 연결되어서 습윤 기체를 공급받을 수 있다.
상기 카트리지(22)는 상기 미드-케이스(21) 내에 배치되며, 다수의 중공사막(221)들을 포함한다. 상기 중공사막(221)들은 상기 카트리지(22)에 결합되어서 모듈화될 수 있다. 이에 따라, 상기 카트리지(22)를 상기 미드-케이스(21)에 결합하는 공정을 통해, 상기 중공사막(221)들은 상기 미드-케이스(21)의 내부에 설치될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 중공사막(221)들에 대한 설치작업, 분리작업, 및 교체작업의 용이성을 향상시킬 수 있다.
상기 카트리지(22)는 이너 케이스(Inner case)(222)를 포함할 수 있다.
상기 이너 케이스(222)는 말단에 개구(Opening)를 가지며, 상기 다수의 중공사막(221)들이 들어있는 것이다. 상기 중공사막(221)들은 상기 이너 케이스(222)의 내부에 배치되어서 모듈화될 수 있다. 상기 중공사막(221)들은 폴리설폰 수지, 폴리에테르설폰 수지, 설폰화 폴리설폰 수지, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 수지, 폴리아크릴로니트릴(PAN) 수지, 폴리이미드 수지, 폴리아미드이미드 수지, 폴리에스테르이미드 수지, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물로 형성된 고분자막을 포함할 수 있다.
상기 카트리지(22)는 제1 고정층(223)을 포함할 수 있다. 상기 제1 고정층(223)은 상기 중공사막(221)들의 일단을 고정하는 것이다. 상기 제1 고정층(223)은 상기 이너 케이스(222)의 개구를 폐쇄시킬 수 있다. 이 경우, 상기 제1 고정층(223)은 상기 중공사막(221)들의 중공을 막지 않도록 형성될 수 있다. 상기 제1 고정층(223)은 캐스팅 공정을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 포팅액을 경화시킴으로써 형성될 수 있다. 상기 제1 고정층(223)은 일부가 상기 이너 케이스(222)의 내부에 위치하고, 나머지 일부가 상기 이너 케이스(222)의 외부로 돌출될 수 있다. 상기 제1 고정층(223)은 상기 중공사막(221)들의 일단과 상기 이너 케이스(222)를 고정시킬 수도 있다.
상기 카트리지(22)는 제2 고정층(224)을 포함할 수 있다. 상기 제2 고정층(224)은 상기 중공사막(221)들의 타단을 고정하는 것이다. 상기 제2 고정층(224)은 상기 이너 케이스(222)의 개구를 폐쇄시킬 수 있다. 이 경우, 상기 제2 고정층(224)은 상기 중공사막(221)들의 중공을 막지 않도록 형성될 수 있다. 상기 제2 고정층(224)은 캐스팅 공정을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 포팅액을 경화시킴으로써 형성될 수 있다. 상기 제2 고정층(224)은 일부가 상기 이너 케이스(222)의 내부에 위치하고, 나머지 일부가 상기 이너 케이스(222)의 외부로 돌출될 수 있다. 상기 제2 고정층(224)은 상기 중공사막(221)들의 타단과 상기 이너 케이스(222)를 고정시킬 수도 있다. 상기 제2 고정층(224)과 상기 제1 고정층(223)이 상기 중공사막(221)들의 중공을 막지 않도록 형성되므로, 외부로부터 공급된 건조 기체 또는 습윤 기체는 상기 제2 고정층(224)과 상기 제1 고정층(223)에 방해됨이 없이 상기 중공사막(221)들의 중공으로 공급될 수 있고, 상기 제2 고정층(224)과 상기 제1 고정층(223)에 방해됨이 없이 상기 중공사막(221)들의 중공으로부터 유출될 수 있다. 상기 제2 고정층(224)과 상기 제1 고정층(223)은 상기 제1 축 방향(X축 방향)을 따라 서로 이격되어 배치될 수 있다.
상기 가습 모듈(2)은 복수개의 패킹부재들(23, 23')을 포함할 수 있다.
상기 패킹부재들(23, 23')은 건조 기체와 습윤 기체가 직접적으로 혼합되는 것을 방지하도록 상기 카트리지(22)와 상기 미드-케이스(21)의 사이를 밀폐시키는 것이다. 상기 패킹부재들(23, 23')은 상기 카트리지(22)와 상기 미드-케이스(21)의 사이에 삽입될 수 있다. 이 경우, 상기 카트리지(22)는 상기 패킹부재들(23, 23')에 형성된 통과공(23a, 23a')에 삽입될 수 있다. 상기 패킹부재들(23, 23')은 각각 상기 카트리지(22)의 양측에 배치될 수 있다. 도시되지 않았지만, 상기 패킹부재들(23, 23')을 대신하여 상기 카트리지(22)의 양측에는 수지층들이 형성될 수도 있다. 상기 수지층들은 캐스팅 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 폴리머를 경화시킴으로써 형성될 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 상기 제1 캡(3)은 상기 가습 모듈(2)의 일단에 결합된 것이다. 상기 제1 캡(3)과 상기 카트리지(22) 사이의 공간은, 상기 패킹부재(23) 또는 상기 수지층에 의해 상기 카트리지(22)와 상기 미드-케이스(21) 사이의 공간에 대해 밀폐될 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 상기 제2 캡(4)은 상기 가습 모듈(2)의 타단에 결합된 것이다. 상기 제2 캡(4)은 상기 제1 캡(3)으로부터 상기 제1 축 방향(X축 방향)을 따라 이격된 위치에서 상기 가습 모듈(2)의 타단에 결합될 수 있다. 상기 제2 캡(4)과 상기 카트리지(22) 사이의 공간은, 상기 패킹부재(23') 또는 수지층에 의해 상기 카트리지(22)와 상기 미드-케이스(21) 사이의 공간에 대해 밀폐될 수 있다.
도 2 내지 도 7을 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 이너 케이스(222)가 2개 이상의 분할 케이스들에 대한 조립을 통해 구현될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 분할 케이스들을 사출성형 등을 통해 개별적으로 제조할 수 있으므로, 상기 이너 케이스(222)를 한번의 사출성형 등을 통해 제조하는 것과 대비할 때 제조의 용이성을 향상시킬 수 있다. 한편, 상기 분할 케이스들은 슬라이딩 방식으로 조립될 수 있는데, 이 경우 상기 제1 고정층(223)과 상기 제2 고정층(224)을 형성하는 과정에서 포팅액이 상기 분할 케이스들 간의 경계부분을 통해 유출될 수 있다. 이를 방지하기 위해, 상기 이너 케이스(222)는 다음과 같이 구현될 수 있다.
상기 이너 케이스(222)는 제1 분할 케이스(2221), 제2 분할 케이스(2222), 및 제1 압입부재(2223)를 포함할 수 있다.
상기 제1 분할 케이스(2221)와 상기 제2 분할 케이스(2222)는 상기 중공사막(221)들을 수용하기 위한 것이다. 상기 제1 분할 케이스(2221)와 상기 제2 분할 케이스(2222)는 각각 조립을 통해 상기 이너 케이스(222)를 구현하기 위한 분할 케이스에 해당할 수 있다. 이하에서는 상기 이너 케이스(222)가 상기 제1 분할 케이스(2221)와 상기 제2 분할 케이스(2222) 간의 조립을 통해 구현되는 실시예를 기준으로 하여 설명하나, 이로부터 상기 이너 케이스(222)가 3개 이상의 분할 케이스들에 대한 조립을 통해 구현되는 실시예를 도출하는 것은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 자명할 것이다.
상기 제1 분할 케이스(2221)는 상기 중공사막(221)들의 상측을 덮도록 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 제2 분할 케이스(2222)는 상기 중공사막(221)들의 하측을 덮도록 배치될 수 있다. 상기 제1 분할 케이스(2221)와 상기 제2 분할 케이스(2222)는 상기 중공사막(221)들의 양측면을 나누어 덮을 수 있다. 상기 중공사막(221)들의 양측면은 상기 제1 축 방향(X축 방향)에 대해 수직한 제2 축 방향(Y축 방향)을 기준으로 하는 것이다. 이 경우, 상기 중공사막(221)들의 양측면에는 상기 제1 분할 케이스(2221)와 상기 제2 분할 케이스(2222)의 경계부분이 배치될 수 있다. 도시되지 않았지만, 상기 제1 분할 케이스(2221)가 상기 중공사막(221)들의 하측을 덮고, 상기 제2 분할 케이스(2222)가 상기 중공사막(221)들의 상측을 덮도록 배치될 수도 있다.
상기 제1 압입부재(2223)는 상기 제1 분할 케이스(2221)와 상기 제2 분할 케이스(2222)를 압입(Press-Fit) 방식으로 결합시키는 것이다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 제1 압입부재(2223)를 이용하여 상기 제1 분할 케이스(2221)와 상기 제2 분할 케이스(2222)를 견고하게 결합시킴으로써, 상기 제1 분할 케이스(2221)와 상기 제2 분할 케이스(2222)의 경계부분을 통한 포팅액의 유출량을 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 제1 고정층(223)과 상기 제2 고정층(224)을 이용하여 상기 중공사막(221)들의 양 말단에 대한 고정력을 강화할 수 있을 뿐만 아니라, 이를 통해 상기 카트리지(22)의 품질을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 제1 압입부재(2223)를 이용하여 상기 제1 분할 케이스(2221)와 상기 제2 분할 케이스(2222)의 경계부분을 통해 상기 이너 케이스(222)의 외부에서 상기 이너 케이스(222)의 내부로 유입되는 포팅액의 유입량을 감소시킬 수도 있다. 상기 제1 분할 케이스(2221)와 상기 제2 분할 케이스(2222)가 조립을 통해 서로 결합되는 과정에서, 상기 제1 압입부재(2223)는 압입을 통해 억지 끼워맞춤(Interference Fit)되어서 상기 제1 분할 케이스(2221)와 상기 제2 분할 케이스(2222)의 경계부분이 벌어져서 틈새가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 상기 제1 축 방향(X축 방향)을 기준으로 하여, 상기 제1 압입부재(2223)는 상기 제2 고정층(224)으로부터 이격된 거리에 비해 상기 제1 고정층(223)으로부터 이격된 거리가 더 짧은 위치에 배치될 수 있다. 즉, 상기 제1 압입부재(2223)는 상기 제1 고정층(223)에 더 가까운 위치에 배치될 수 있다.
상기 제1 압입부재(2223)는 제1 슬라이딩홈(2223a, 도 6에 도시됨), 및 제1 삽입부재(2223b)를 포함할 수 있다.
상기 제1 슬라이딩홈(2223a)은 상기 제1 분할 케이스(2221)에 형성된 것이다. 상기 제1 슬라이딩홈(2223a)을 통해 상기 제1 분할 케이스(2221)와 상기 제2 분할 케이스(2222)는 슬라이딩 방식으로 조립될 수 있다. 예컨대, 상기 제1 축 방향(X축 방향)을 따라 상기 제1 분할 케이스(2221)와 상기 제2 분할 케이스(2222)가 서로 이격된 상태에서, 상기 제1 분할 케이스(2221)와 상기 제2 분할 케이스(2222) 중에서 적어도 하나가 서로를 향하는 방향으로 이동됨에 따라 슬라이딩 방식으로 조립될 수 있다. 상기 제1 슬라이딩홈(2223a)은 상기 제1 축 방향(X축 방향)에 대해 평행하게 연장되어 형성될 수 있다.
상기 제1 삽입부재(2223b)는 상기 제2 분할 케이스(2222)에 형성된 것이다. 상기 제1 분할 케이스(2221)와 상기 제2 분할 케이스(2222)가 슬라이딩 방식으로 조립되는 과정에서, 상기 제1 삽입부재(2223b)는 상기 제1 슬라이딩홈(2223a)에 삽입될 수 있다. 상기 제1 삽입부재(2223b)의 적어도 일부는 상기 제1 슬라이딩홈(2223a)에 비해 더 큰 크기로 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 삽입부재(2223b)는 상기 제1 슬라이딩홈(2223a)에 삽입되면서 압입될 수 있다. 따라서, 본 발명에 연료전지용 가습기(1)는 상기 제1 삽입부재(2223b)의 압입을 통해 상기 제1 분할 케이스(2221)와 상기 제2 분할 케이스(2222) 간의 결합력을 강화할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 삽입부재(2223b)의 적어도 일부가 상기 제1 슬라이딩홈(2223a)에 비해 더 큰 크기로 형성된 것은, 상기 제2 축 방향(Y축 방향)을 따라 절단한 단면적을 기준으로 하는 것일 수 있다. 상기 제1 삽입부재(2223b)의 전부가 상기 제1 슬라이딩홈(2223a)에 비해 더 크기로 형성될 수도 있다.
상기 제1 삽입부재(2223b)는 상기 제2 분할 케이스(2222)로부터 돌출될 수 있다. 상기 제1 분할 케이스(2221)를 향하는 상기 제2 분할 케이스(2222)의 대향면으로부터, 상기 제1 삽입부재(2223b)는 상기 제1 분할 케이스(2221) 쪽으로 돌출될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이 상기 제1 압입부재(2223)에 의해 상기 제1 분할 케이스(2221)와 상기 제2 분할 케이스(2223)가 결합되면, 상기 제1 삽입부재(2223b)는 상기 제1 분할 케이스(2221)에 중첩되게 배치될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 제1 삽입부재(2223b)와 상기 제1 분할 케이스(2223)가 중첩된 구조를 이용하여 포팅액의 유출량과 유입량을 더 감소시킬 수 있다. 상기 제1 삽입부재(2223b)와 상기 제2 분할 케이스(2222)는 일체로 형성될 수도 있다.
상기 제1 압입부재(2223)는 제1 돌출부재(2223c), 및 제1 걸림부재(2223d)를 포함할 수 있다.
상기 제1 돌출부재(2223)는 상기 제1 분할 케이스(2221)에 형성된 것이다. 상기 제1 돌출부재(2223)는 상기 제1 분할 케이스(2221)의 외측면(2221a)으로부터 외측방향(OD 화살표 방향)으로 돌출될 수 있다. 상기 제1 분할 케이스(2221)의 외측면(2221a)은 상기 제2 축 방향(Y축 방향)을 기준으로 하는 상기 제1 분할 케이스(2221)의 면(面)이다. 상기 외측방향(OD 화살표 방향)은 상기 제1 분할 케이스(2221)에서 상기 중공사막(221)들이 수용되는 내부공간을 기준으로 바깥쪽 방향을 의미할 수 있다. 상기 외측방향(OD 화살표 방향)은 상기 제2 축 방향(Y축 방향)에 대해 평행할 수 있다. 상기 제1 돌출부재(2223)와 상기 제1 분할 케이스(2221)는 일체로 형성될 수도 있다.
상기 제1 돌출부재(2223)에는 상기 제1 슬라이딩홈(2223a)이 형성될 수 있다. 상기 제1 슬라이딩홈(2223a)의 일부가 상기 제1 돌출부재(2223)를 관통하여 형성될 수 있다. 상기 제1 돌출부재(2223)를 관통한 상기 제1 슬라이딩홈(2223a)의 부분에는 상기 제1 삽입부재(2223b)의 일부가 삽입될 수 있다.
상기 제1 걸림부재(2223d)는 상기 제1 삽입부재(2223b)로부터 상기 외측방향(OD 화살표 방향)으로 돌출될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 걸림부재(2223d)는 상기 제1 슬라이딩홈(2223a)에 삽입되어서 상기 제1 돌출부재(2223c)에 지지될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 제1 돌출부재(2223c)가 상기 제1걸림부재(2223d)를 지지하는 지지력을 이용하여 상기 제1 분할 케이스(2221)와 상기 제2 분할 케이스(2222)의 경계부분이 벌어져서 틈새가 발생하는 방지하는 방지력을 더 강화할 수 있다. 상기 제1 걸림부재(2223d)와 상기 제1 삽입부재(2223b)는 전체적으로 후크(Hook) 형태로 형성될 수 있다. 상기 제1 걸림부재(2223d)와 상기 제1 삽입부재(2223b)는 일체로 형성될 수도 있다.
상기 제1 압입부재(2223)는 제1 제한부재(2223e)를 포함할 수 있다.
상기 제1 제한부재(2223e)는 상기 제1 돌출부재(2223c)로부터 돌출된 것이다. 상기 제1 제한부재(2223e)는 상기 제1 돌출부재(2223c)로부터 상하방향(Z축 방향)으로 돌출될 수 있다. 상기 상하방향(Z축 방향)은 상기 제1 축 방향(X축 방향)과 상기 제2 축 방향(Y축 방향) 각각에 대해 수직한 축 방향이다. 상기 제1 제한부재(2223e)는 상기 제2 분할 케이스(2222)에서 상기 제1 분할 케이스(2221)를 향하는 방향으로 상기 제1 돌출부재(2223c)로부터 돌출될 수 있다. 상기 제1 제한부재(2223e)와 상기 제1 돌출부재(2223c)는 일체로 형성될 수도 있다.
상기 제1 제한부재(2223e)와 상기 제1 분할 케이스(2221)의 외측면(2221a)은 상기 제1 슬라이딩홈(2223a)을 사이에 두고 서로 마주보게 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 제2 축 방향(Y축 방향)을 기준으로 하여, 상기 제1 슬라이딩홈(2223a)은 상기 제1 제한부재(2223e)와 상기 제1 분할 케이스(2221)의 사이에 배치될 수 있다. 따라서, 상기 제1 삽입부재(2223b)의 일부와 상기 제1 걸림부재(2223d)는 상기 제1 슬라이딩홈(2223a)에 삽입됨에 따라 상기 제1 제한부재(2223e)와 상기 제1 분할 케이스(2221)의 외측면 사이에서 압입될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 제1 제한부재(2223e)를 이용하여 상기 제1 삽입부재(2223b)와 상기 제1 걸림부재(2223d)에 대한 압입력을 더 강화할 수 있다.
상기 제2 축 방향(Y축 방향)을 기준으로 하여, 상기 제1 제한부재(2223e)와 상기 제1 분할 케이스(2221)의 외측면(2221a)이 서로 이격된 거리는 상기 제1 삽입부재(2223b)의 길이와 상기 제1 걸림부재(2223d)의 길이를 합한 합산길이에 비해 더 작게 구현될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 삽입부재(2223b)와 상기 제1 걸림부재(2223d)는 상기 제1 슬라이딩홈(2223a)에 삽입되면서 상기 제1 제한부재(2223e)와 상기 제1 분할 케이스(2221)의 외측면(2221a)에 의해 압입될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 삽입부재(2223b)에 접촉되는 상기 제1 분할 케이스(2221)의 외측면(2221a) 부분에는 상기 제1 삽입부재(2223b)가 삽입되기 위한 가이드홈(2221b, 도 6에 도시됨)이 형성될 수도 있다. 상기 가이드홈(2221b)은 상기 제1 슬라이딩홈(2223a)의 일부에 해당할 수 있다.
상술한 바와 같은 상기 제1 압입부재(2223)는 상기 제2 축 방향(Y축 방향)을 기준으로 하여 상기 이너 케이스(222)의 양측 각각에 배치될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 제1 압입부재(2223)들을 이용하여 상기 이너 케이스(222)의 양측 각각에 대해 상기 제1 분할 케이스(2221)와 상기 제2 분할 케이스(2222)의 경계부분을 통한 포팅액의 유출량과 유입량을 감소시키도록 구현될 수 있다.
도 2 내지 도 8을 참고하면, 상기 이너 케이스(222)는 제2 압입부재(2224, 도 8에 도시됨)를 포함할 수 있다.
상기 제2 압입부재(2224)는 상기 제1 분할 케이스(2221)와 상기 제2 분할 케이스(2222)를 압입 방식으로 결합시키는 것이다. 상기 제2 압입부재(2224)는 상기 제1 축 방향(X축 방향)을 따라 상기 제1 압입부재(2223)로부터 이격될 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 압입부재(2224)와 상기 제1 압입부재(2223)는 서로 다른 위치에서 상기 제1 분할 케이스(2221)와 상기 제2 분할 케이스(2222)를 압입 방식으로 결합시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 제1 분할 케이스(2221)와 상기 제2 분할 케이스(2222)를 더 견고하게 결합시킴으로써, 상기 제1 분할 케이스(2221)와 상기 제2 분할 케이스(2222)의 경계부분을 통한 포팅액의 유출량과 유입량을 더 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 제1 고정층(223)과 상기 제2 고정층(224)을 이용하여 상기 중공사막(221)들의 양 말단에 대한 고정력을 더 강화할 수 있을 뿐만 아니라, 이를 통해 상기 카트리지(22)의 품질을 더 향상시킬 수 있다.
상기 제1 축 방향(X축 방향)을 기준으로 하여, 상기 제2 압입부재(2224)는 상기 제1 고정층(223)으로부터 이격된 거리에 비해 상기 제2 고정층(224)으로부터 이격된 거리가 더 짧은 위치에 배치될 수 있다. 즉, 상기 제2 압입부재(2224)는 상기 제2 고정층(224)에 더 가까운 위치에 배치될 수 있다.
상기 제2 압입부재(2224)는 상기 제2 축 방향(Y축 방향)을 기준으로 하여 상기 이너 케이스(222)의 양측 각각에 배치될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 제2 압입부재(2224)들을 이용하여 상기 이너 케이스(222)의 양측 각각에 대해 상기 제1 분할 케이스(2221)와 상기 제2 분할 케이스(2222)의 경계부분을 통한 포팅액의 유출량과 유입량을 감소시키도록 구현될 수 있다.
상기 제2 압입부재(2224)는 제2 슬라이딩홈, 제2 삽입부재, 제2 돌출부재, 제2 걸림부재, 및 제2 제한부재를 포함할 수 있다. 상기 제2 슬라이딩홈, 상기 제2 삽입부재, 상기 제2 돌출부재, 상기 제2 걸림부재, 및 상기 제2 제한부재는 각각 상기 제1 슬라이딩홈(2223a), 상기 제1 삽입부재(2223b), 상기 제1 돌출부재(2223c), 상기 제1 걸림부재(2223d), 및 상기 제1 제한부재(2223e)와 대략 일치하게 구현될 수 있으므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
상기 제2 압입부재(2224)와 상기 제1 압입부재(2223)는 형태와 크기 중에서 적어도 하나가 상이하게 형성될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가습기(1)는 상기 제2 압입부재(2224)와 상기 제1 압입부재(2223)를 이용하여 상기 제1 분할 케이스(2221)와 상기 제2 분할 케이스(2222)의 조립방향을 육안으로 확인할 수 있도록 구현된다. 이 경우, 상기 제2 압입부재(2224)와 상기 제1 압입부재(2223)의 형태는, 상기 제2 압입부재(2224)와 상기 제1 압입부재(2223) 각각이 공간을 점하고 있는 윤곽을 의미할 수 있다. 예컨대, 상기 제2 압입부재(2224)가 사각판형으로 형성된 경우, 상기 제1 압입부재(2223)는 원반형으로 형성될 수 있다. 상기 제2 압입부재(2224)와 상기 제1 압입부재(2223)의 크기는, 상기 제2 압입부재(2224)와 상기 제1 압입부재(2223) 각각이 상기 제1 축방향(X축 방향), 상기 제2 축 방향(Y축 방향), 및 상기 상하방향(Z축 방향) 중에서 적어도 하나의 축 방향을 기준으로 하는 길이에 의해 결정될 수 있다. 예컨대, 상기 제1 압입부재(2223)는 상기 제1 축 방향(X축 방향)을 기준으로 하여 상기 제2 압입부재(2224)에 비해 더 긴 길이로 형성됨으로써, 상기 제2 압입부재(2224)와 상이한 크기로 형성될 수 있다.
도 2 내지 도 5, 도 9, 및 도 10을 참고하면, 상기 카트리지(22)는 기체 유입구(225), 및 기체 유출구(226)를 포함할 수 있다.
상기 기체 유입구(225)는 상기 이너 케이스(222)에 형성된 것이다. 상기 기체 유입구(225)는 상기 이너 케이스(222)의 일측(2220)에 형성될 수 있다. 도 10을 기준으로 할 때, 상기 이너 케이스(222)의 일측(2220)은 상면(上面)에 해당할 수 있다. 상기 기체 유입구(225)는 상기 이너 케이스(222)의 내부로 습윤 기체 또는 건조 기체를 유입시킬 수 있다. 상기 기체 유입구(225)는 상기 이너 케이스(222)를 관통하여 형성될 수 있다. 도 9와 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 기체 유입구(225)는 상기 이너 케이스(222)를 관통하는 하나의 관통공으로 구현될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 기체 유입구(225)는 상기 이너 케이스(222)를 관통하는 복수개의 관통공으로 구현될 수도 있다. 이 경우, 상기 기체 유입구(225)는 상기 이너 케이스(222)의 서로 다른 부분을 관통하도록 형성된 복수개의 유입 윈도우(225a)를 포함할 수 있다. 상기 유입 윈도우(225a)들은 상기 제1 축 방향(X축 방향)과 상기 제2 축 방향(Y축 방향) 각각을 따라 서로 이격되어서 행렬 형태를 이루도록 배치될 수 있다. 상기 기체 유입구(225)와 상기 제1 고정층(223)은 상기 제1 축 방향(X축 방향)을 따라 서로 이격될 수 있다. 이에 따라, 상기 기체 유입구(225)와 상기 제1 고정층(223)은 서로 중첩되지 않는다. 따라서, 상기 기체 유입구(225)를 통해 유입되는 습윤 기체 또는 건조 기체의 압력으로 인해 상기 제1 고정층(223)이 손상 내지 파손되는 것을 방지할 수 있다. 도 5와 도 9에서 점선이 상기 기체 유입구(225) 쪽을 향하는 상기 제1 고정층(223)의 일면의 위치를 표시한 것이다.
상기 기체 유출구(226)는 상기 이너 케이스(222)에 형성된 것이다. 상기 기체 유출구(226)는 상기 이너 케이스(222)의 일측(2220)에 형성될 수 있다. 상기 기체 유출구(226)는 상기 이너 케이스(222)의 내부로부터 습윤 기체 또는 건조 기체를 유출시킬 수 있다. 상기 기체 유출구(226)는 상기 이너 케이스(222)를 관통하여 형성될 수 있다. 도 9와 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 기체 유출구(226)는 상기 이너 케이스(222)를 관통하는 하나의 관통공으로 구현될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 기체 유출구(226)는 상기 이너 케이스(222)를 관통하는 복수개의 관통공으로 구현될 수도 있다. 이 경우, 상기 기체 유출구(226)는 상기 이너 케이스(222)의 서로 다른 부분을 관통하도록 형성된 복수개의 유출 윈도우(226a)를 포함할 수 있다. 상기 유출 윈도우(226a)들은 상기 제1 축 방향(X축 방향)과 상기 제2 축 방향(Y축 방향) 각각을 따라 서로 이격되어서 행렬 형태를 이루도록 배치될 수 있다. 상기 기체 유출구(226)와 상기 제2 고정층(224)은 상기 제1 축 방향(X축 방향)을 따라 서로 이격될 수 있다. 이에 따라, 상기 기체 유출구(226)와 상기 제2 고정층(224)은 서로 중첩되지 않는다. 따라서, 상기 기체 유출구(226)를 통해 유출되는 습윤 기체 또는 건조 기체의 압력으로 인해 상기 제2 고정층(224)이 손상 내지 파손되는 것을 방지할 수 있다. 도 5와 도 9에서 점선이 상기 기체 유출구(226) 쪽을 향하는 상기 제2 고정층(224)의 일면의 위치를 표시한 것이다. 상기 기체 유출구(226)와 상기 기체 유입구(225)는 상기 제1 축 방향(X축 방향)을 기준으로 하여 상기 제2 고정층(224)과 상기 제1 고정층(223)의 사이에 위치할 수 있다. 상기 기체 유출구(226)와 상기 기체 유입구(225)는 상기 제1 축 방향(X축 방향)을 따라 서로 이격된 위치에 배치될 수 있다.
상기 기체 유출구(226)와 상기 기체 유입구(225)를 통해 습윤 기체가 유동하는 경우, 습윤 기체는 상기 유입구(212)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 내면과 상기 이너 케이스(222)의 외면 사이로 공급되고, 상기 기체 유입구(225)를 통해 상기 이너 케이스(222)의 내부로 공급되어서 상기 중공사막(221)들의 외표면에 접촉할 수 있다. 이 과정에서 습윤 기체에 함유되어 있던 수분이 상기 중공사막(221)들을 투과함으로써, 상기 중공사막(221)들의 중공을 따라 흐르던 건조 기체를 가습할 수 있다. 가습된 건조 기체는 상기 중공사막(221)들로부터 유출된 후에 상기 제2 캡(4)을 통해 상기 연료전지 스택으로 공급될 수 있다. 건조 기체를 가습한 이후의 습윤 기체는, 상기 기체 유출구(226)를 통해 상기 이너 케이스(222)의 외면과 상기 미드-케이스(21)의 내면 사이로 유출되고, 상기 유출구(213)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 외부로 유출될 수 있다.
상기 기체 유출구(226)와 상기 기체 유입구(225)를 통해 건조 기체가 유동하는 경우, 건조 기체는 상기 유입구(212)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 내면과 상기 이너 케이스(222)의 외면 사이로 공급되고, 상기 기체 유입구(225)를 통해 상기 이너 케이스(222)의 내부로 공급되어서 상기 중공사막(221)들의 외표면에 접촉할 수 있다. 이 과정에서 상기 중공사막(221)들의 중공을 따라 흐르던 습윤 기체의 수분이 상기 중공사막(221)들을 투과함으로써, 상기 이너 케이스(222)의 내부로 유입된 건조 기체를 가습할 수 있다. 가습된 건조 기체는, 상기 기체 유출구(226)를 통해 상기 이너 케이스(222)의 외면과 상기 미드-케이스(21)의 내면 사이로 유출되고, 상기 유출구(213)를 통해 상기 미드-케이스(21)의 외부로 유출된 후에 상기 연료전지 스택으로 공급될 수 있다. 건조 기체를 가습한 이후의 습윤 기체는, 상기 중공사막(221)들로부터 유출된 후에 상기 제2 캡(4)을 통해 외부로 배출될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (14)

  1. 연료전지 스택으로부터 배출된 습윤 기체를 이용하여 외부로부터 공급된 건조 기체를 가습하기 위한 가습 모듈;
    상기 가습 모듈의 일단에 결합된 제1 캡; 및
    상기 가습 모듈의 타단에 결합된 제2 캡;을 포함하고,
    상기 가습 모듈은,
    양 말단들이 개방되어 있는 미드-케이스; 및
    상기 미드-케이스 내에 배치되며 다수의 중공사막들을 포함하는 적어도 하나의 카트리지(Cartridge);를 포함하고,
    상기 카트리지는,
    말단에 개구(Opening)를 가지며 상기 중공사막들이 들어있는 이너 케이스(Inner Case); 및
    상기 중공사막들의 양 말단들을 고정하는 제1 고정층과 제2 고정층;을 포함하며,
    상기 이너 케이스는,
    상기 중공사막들을 수용하기 위한 제1 분할 케이스와 제2 분할 케이스; 및
    상기 제1 분할 케이스와 상기 제2 분할 케이스를 압입(Press-Fit) 방식으로 결합시키는 제1 압입부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 압입부재는 상기 제1 분할 케이스에 형성된 제1 슬라이딩홈, 및 상기 제2 분할 케이스에 형성된 제1 삽입부재를 포함하고,
    상기 제1 삽입부재의 적어도 일부는 상기 제1 슬라이딩홈에 비해 더 큰 크기로 형성되어서 상기 제1 슬라이딩홈에 삽입되면서 압입되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 압입부재는 상기 제1 분할 케이스의 외측면로부터 외측방향으로 돌출된 제1 돌출부재, 및 상기 제1 삽입부재로부터 상기 외측방향으로 돌출된 제1 걸림부재를 포함하고,
    상기 제1 돌출부재에는 상기 제1 슬라이딩홈이 형성되며,
    상기 제1 걸림부재는 상기 제1 슬라이딩홈에 삽입되어서 상기 제1 돌출부재에 지지되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 압입부재는 상기 제1 돌출부재로부터 상기 외측방향에 대해 수직한 상하방향으로 돌출된 제1 제한부재를 포함하고,
    상기 제1 분할 케이스의 외측면과 상기 제1 제한부재는 상기 제1 슬라이딩홈을 사이에 두고 서로 마주보게 배치되며,
    상기 제1 삽입부재의 일부와 상기 제1 걸림부재는 상기 제1 분할 케이스의 외측면과 상기 제1 제한부재의 사이에서 압입되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 고정층과 상기 제2 고정층은 제1 축 방향을 따라 서로 이격되고,
    상기 이너 케이스는 상기 제1 축 방향을 따라 상기 제1 압입부재로부터 이격된 제2 압입부재를 포함하며,
    상기 제1 분할 케이스와 상기 제2 분할 케이스는 상기 제1 압입부재와 상기 제2 압입부재에 의해 압입 방식으로 결합되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 압입부재는 상기 제1 축 방향을 기준으로 하여 상기 제2 압입부재에 비해 더 긴 길이로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 압입부재와 상기 제2 압입부재는 형태와 크기 중에서 적어도 하나가 상이하게 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기.
  8. 연료전지 스택으로부터 배출된 습윤 기체를 이용하여 외부로부터 공급된 건조 기체를 가습하기 위한 연료전지용 가습기의 카트리지(Cartridge)로,
    말단에 개구(Opening)를 가지며 다수의 중공사막들이 들어있는 이너 케이스(Inner Case); 및
    상기 중공사막들의 양 말단들을 고정하는 제1 고정층과 제2 고정층;을 포함하고,
    상기 이너 케이스는,
    상기 중공사막들을 수용하기 위한 제1 분할 케이스와 제2 분할 케이스; 및
    상기 제1 분할 케이스와 상기 제2 분할 케이스를 압입(Press-Fit) 방식으로 결합시키는 제1 압입부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 카트리지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 압입부재는 상기 제1 분할 케이스에 형성된 제1 슬라이딩홈, 및 상기 제2 분할 케이스에 형성된 제1 삽입부재를 포함하고,
    상기 제1 삽입부재의 적어도 일부는 상기 제1 슬라이딩홈에 비해 더 큰 크기로 형성되어서 상기 제1 슬라이딩홈에 삽입되면서 압입되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 카트리지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 압입부재는 상기 제1 분할 케이스의 외측면로부터 외측방향으로 돌출된 제1 돌출부재, 및 상기 제1 삽입부재로부터 상기 외측방향으로 돌출된 제1 걸림부재를 포함하고,
    상기 제1 돌출부재에는 상기 제1 슬라이딩홈이 형성되며,
    상기 제1 걸림부재는 상기 제1 슬라이딩홈에 삽입되어서 상기 제1 돌출부재에 지지되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 카트리지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 압입부재는 상기 제1 돌출부재로부터 상기 외측방향에 대해 수직한 상하방향으로 돌출된 제1 제한부재를 포함하고,
    상기 제1 분할 케이스의 외측면과 상기 제1 제한부재는 상기 제1 슬라이딩홈을 사이에 두고 서로 마주보게 배치되며,
    상기 제1 삽입부재의 일부와 상기 제1 걸림부재는 상기 제1 분할 케이스의 외측면과 상기 제1 제한부재의 사이에서 압입되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 카트리지.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제1 고정층과 상기 제2 고정층은 제1 축 방향을 따라 서로 이격되고,
    상기 이너 케이스는 상기 제1 축 방향을 따라 상기 제1 압입부재로부터 이격된 제2 압입부재를 포함하며,
    상기 제1 분할 케이스와 상기 제2 분할 케이스는 상기 제1 압입부재와 상기 제2 압입부재에 의해 압입 방식으로 결합되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 카트리지.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 압입부재는 상기 제1 축 방향을 기준으로 하여 상기 제2 압입부재에 비해 더 긴 길이로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 카트리지.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1 압입부재와 상기 제2 압입부재는 형태와 크기 중에서 적어도 하나가 상이하게 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 가습기의 카트리지.
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