WO2022265297A1 - 연료전지 막가습기 - Google Patents

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WO2022265297A1
WO2022265297A1 PCT/KR2022/008162 KR2022008162W WO2022265297A1 WO 2022265297 A1 WO2022265297 A1 WO 2022265297A1 KR 2022008162 W KR2022008162 W KR 2022008162W WO 2022265297 A1 WO2022265297 A1 WO 2022265297A1
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case
mid
fuel cell
hollow fiber
cell membrane
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김도우
안나현
김인호
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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 fuel cell membrane humidifier, and more specifically, can prevent gas leakage due to repeated operation and stop of a fuel cell and can be manufactured with relatively low manufacturing cost and high productivity.
  • the present invention relates to a fuel cell membrane humidifier capable of suppressing vibrations generated during operation.
  • a fuel cell is a power-generating cell that produces electricity by combining hydrogen and oxygen. Unlike general chemical cells such as dry batteries and storage batteries, fuel cells have the advantage of being able to continuously produce electricity as long as hydrogen and oxygen are supplied, and having no heat loss, 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 Solid oxide fuel cell
  • AFC alkaline fuel cell
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cell
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cell
  • MEA membrane electrode assembly
  • Methods for humidifying the polymer electrolyte membrane include 1) a bubbler humidification method in which water is supplied by passing the target gas through a diffuser after filling a pressure-resistant container with water, and 2) supplying moisture required for the fuel cell reaction. There are a direct injection method that calculates and directly supplies moisture to a gas flow pipe through a solenoid valve, and 3) a humidification membrane method that supplies moisture to a fluidized gas layer using a polymer membrane.
  • a membrane humidification method in which a polymer electrolyte membrane is humidified by providing water vapor to air supplied to a polymer electrolyte membrane using a membrane that selectively transmits only water vapor contained in exhaust gas is advantageous in that it can reduce the weight and size of the humidifier.
  • 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 even a small volume of fuel cell can be sufficiently humidified, low-cost materials can be used, and high-temperature emission from the fuel cell is possible. It has the advantage that it can be reused through a humidifier by recovering the moisture and heat contained in the off-gas.
  • a conventional membrane humidification type humidifier 1000 includes a humidification module 1100 and a humidification module in which moisture is exchanged between air supplied from the outside and exhaust gas discharged from a fuel cell stack (not shown). It includes caps 1200 coupled to both ends of 1100, respectively.
  • One of the caps 1200 transfers air supplied from the outside to the humidifying module 1100, and the other transfers air humidified by the humidifying module 1100 to the fuel cell stack.
  • the humidification module 1100 includes a mid-case 1110 and a mid-case 1110 having an off-gas inlet 1110a and an off-gas outlet 1110b. It includes a plurality of hollow fiber membranes 1120 within. Both ends of the bundle of hollow fiber membranes 1120 are potted on the fixed layer 1130 .
  • the fixed layer 1130 is generally formed by curing a liquid polymer such as a liquid polyurethane resin through a casting method (eg, dip casting or centrifugal casting).
  • the exhaust gas contacts the outer surface of the hollow fiber membranes 1120, moisture contained in the exhaust gas permeates the hollow fiber membranes 1120, thereby humidifying the air flowing along the hollow of the hollow fiber membranes 1120.
  • 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 the pressure difference, and the power generation efficiency of the fuel cell is lowered.
  • the resin layer 1140 between the fixing layer 1130 and the mid-case 1110 along with the fixing layer 1130 fills the inner spaces of the caps 1200 with the mid-case 1110.
  • the resin layer 1140 is generally formed by curing a liquid polymer such as liquid polyurethane resin through a casting method (deep casting or centrifugal casting).
  • Korean Registered Patent No. 1697998 discloses a step on the side of the resin layer 1140 and an inner surface of the mid-case 1110. Disclosed is a method of applying a sealant (liquid sealing material) to the groove formed by the method, and then inserting a packing member (solid sealing material) into the groove and curing the sealant.
  • the present invention can prevent problems caused by the limitations and disadvantages of the above related technologies, can surely prevent gas leakage due to repeated operation and stop of the fuel cell, as well as relatively low manufacturing cost and high productivity. It can be manufactured, and an object of the present invention is to provide a fuel cell membrane humidifier capable of suppressing vibrations generated during operation.
  • the humidification module may include a mid-case with both ends open and a step formed on an inner circumferential surface; at least one cartridge disposed within the mid-case and accommodating a plurality of hollow fiber membranes; a fixing layer in which ends of the hollow fiber membranes are potted and supported by an inner wall of the mid-case; a bracket supported by the step of the mid-case and in contact with the fixing layer; and a packing member having a groove into which an end of the mid-case is fitted and contacting the bracket.
  • the bracket and the packing member may each have a single closed curve shape corresponding to the cross-sectional shape of the mid-case.
  • the bracket may have a higher hardness than the packing member.
  • the bracket may have a hardness of 60 to 100 Shore A
  • the packing member may have a hardness of 40 to 50 Shore A.
  • the packing member may include soft rubber
  • the bracket may include metal, hard plastic, or hard rubber.
  • the packing member includes silicone rubber or urethane rubber
  • the bracket is polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polystyrene (PS), polycarbonate (PC), or an acrylic resin.
  • the packing member may also contact the fixed layer.
  • the fixing layer may include: a first fixing layer in which ends of the hollow fiber membranes are potted; and a second fixing layer that surrounds the first fixing layer and contacts the bracket.
  • the first fixed layer and the second fixed layer may be formed of the same material.
  • both the first fixed layer and the second fixed layer may include a polyurethane (PU) resin.
  • PU polyurethane
  • the humidification module further includes an inner case in which both ends are open in the mid-case, and the hollow fiber membranes may be disposed in the inner case there is.
  • an end of the inner case may be potted on the first fixed layer.
  • a protruding member inserted into the fixing layer and suppressing vibration generated in the cartridge by air flowing inside the humidifying module may be formed on an inner wall of the packing member there is.
  • the humidifying module includes: a mid-case with both ends open and a step formed on an inner circumferential surface; at least one cartridge disposed within the mid-case and accommodating a plurality of hollow fiber membranes; a fixing layer in which ends of the hollow fiber membranes are potted and supported by an inner wall of the mid-case; a bracket supported by the step of the mid-case and in contact with the fixing layer; and a packing member having a groove into which an end of the mid-case is fitted and contacting the bracket.
  • the hollow fiber membranes include a first group of hollow fiber membranes and a second group of hollow fiber membranes.
  • the humidification module may include a first inner case in which the hollow fiber membranes of the first group are disposed; and a second inner case in which the second group of hollow fiber membranes are disposed, wherein the fixing layer includes: a first fixing layer in which ends of the first group of hollow fiber membranes are potted; a second fixing layer in which ends of the hollow fiber membranes of the second group are potted; and a third fixing layer that surrounds the first and second fixing layers and contacts the bracket.
  • a protruding member inserted into the fixing layer and suppressing vibration generated in the cartridge by air flowing inside the humidifying module may be formed on an inner wall of the packing member there is.
  • an end of the first inner case may be potted on the first fixed layer, and an end of the second inner case may be potted on the second fixed layer.
  • the sealant application process and the sealant curing process required in the prior art are omitted, not only workability is improved, but also productivity can be dramatically improved by shortening the manufacturing time.
  • gas leakage due to repeated operation and stop of the fuel cell can be prevented, and it can be manufactured with relatively low manufacturing cost and high productivity.
  • a protruding member is formed on the inner wall (or inner surface) of the packing member to suppress vibration generated during driving, and to suppress the flow of air inside the mid-case to the cap to enhance the sealing function,
  • a protruding member is formed on the inner wall (or inner surface) of the packing member to suppress vibration generated during driving, and to suppress the flow of air inside the mid-case to the cap to enhance the sealing function,
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing a fuel cell membrane humidifier according to the prior art.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a fuel cell membrane humidifier according to a first embodiment of the present invention.
  • 3A is a perspective view of a bracket according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line A-A of FIG. 3A.
  • Figure 4a is a perspective view of the packing member according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line A-A of FIG. 4A.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a fuel cell membrane humidifier according to a second embodiment of the present invention.
  • 6A to 6G are cross-sectional views for explaining a method of manufacturing a fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2 and 5 to 6G are cross-sectional views of one end of the humidifier or semi-finished product, and the other end also has substantially the same (or symmetrical) cross-section.
  • the fuel cell membrane humidifier 2000 of the present invention includes a humidification module 2100 that humidifies air supplied from the outside with moisture in the exhaust gas discharged from the fuel cell stack. Both ends of the humidifying module 2100 are fastened to the cap 2200, respectively.
  • the caps 2200 receives air supplied from the outside through the port 2210 and transfers the air to the humidifying module 2100, and the other cap supplies the air humidified by the humidifying module 2100 to the fuel through the port 2210. delivered to the cell stack.
  • the caps 2200 may be formed of hard plastic (eg, polycarbonate, polyamide (PA), polyphthalamide (PPA), etc.) or metal, and may be formed in a simple closed curveshaped (eg, polycarbonate, polyamide (PA), polyphthalamide (PPA), etc.) shape. It may have a cross section (circular or polygonal).
  • one of the caps 2200 may supply exhaust gas to the humidifying module 2100 to flow inside the hollow fiber membrane, and the other may discharge the exhaust gas subjected to moisture exchange to the outside.
  • external air is introduced through one of the ports 2111 for inflow/outflow of exhaust gas described later, and air humidified by the humidification module 2100 is supplied to the fuel cell stack through the other one can be made
  • the flow direction of the outside air and the flow direction of the exhaust gas may be in the same direction or opposite to each other.
  • the humidification module 2100 is a device in which moisture is exchanged between air supplied from the outside and exhaust gas supplied from a fuel cell stack, and both ends are open and have a step 2112 on the inner circumferential surface.
  • 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 a rigid plastic (eg, polycarbonate, polyamide (PA), polyphthalamide (PPA), etc.) or metal, and may be formed in the form of a single closed curve (eg, circular or polygonal shape). ) may have a cross section of According to one embodiment of the present invention, the mid-case 2110 may have the same cross section as the cap 2200 .
  • the hollow fiber membranes 2121 may include 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. Air 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.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • PAN polyacrylonitrile
  • Exhaust gas introduced into the mid-case 2110 comes into contact with the outer surfaces of the hollow fiber membranes 2121 and then is discharged from the mid-case 2110 .
  • the exhaust gas contacts the outer surface of the hollow fiber membranes 2121, moisture contained therein permeates through the hollow fiber membranes 2121, thereby humidifying the air flowing along the hollow of the hollow fiber membranes 2121.
  • the fixing layer 2122 which may be formed of a hard or soft polyurethane resin, provides an internal space of the cap 2200 to the inside of the mid-case 2110 so that the cap 2200 can communicate only with the hollow fiber membranes 2121. space must be blocked.
  • Gas leakage that may be caused by the gap between the fixed layer 2122 and the mid-case 2110 is: (i) the exhaust gas in the inner space of the mid-case 2110 is separated from the fixed layer 2122 and the mid-case 2110 ) and external leakage passing through the gap between the cap 2200 and the mid-case 2110 sequentially to the outside of the humidifier 2000 and (ii) the internal space of the mid-case 2110 Internal leakage in which the exhaust gas in the interior 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 and enters the internal space of the cap 2200 includes
  • the fuel cell membrane humidifier 2000 of the present invention includes a bracket 2130, a packing member 2140, and a protruding member 2150 ) is further included.
  • the bracket 2130 supported by the step 2112 of the mid-case 2110 may have a single closed curve shape corresponding to the cross-sectional shape of the mid-case 2110. .
  • the bracket 2130 has a higher hardness than the packing member 2140 and is strongly adhered to the fixing layer 2122.
  • the packing member 2140 is 30 to 60 Shore A so that the cap 2200 can be compressed by the pressure applied when the mid-case 2110 is fastened to the mid-case through the bolt 2310 and the nut 2320.
  • it may have a relatively low hardness of 40 to 50 Shore A
  • the bracket 2130 may have a hardness of 60 to 100 Shore A, more preferably 70 to 100 Shore A, which is higher than the hardness of the packing member 2140. may have hardness.
  • the packing member 2140 having a groove G into which the end of the mid-case 2110 is fitted also has a single closed curve shape corresponding to the cross-sectional shape of the mid-case 2110. can have
  • the packing member 2140 may include soft rubber (eg, silicone rubber or urethane rubber), and the bracket 2130 may include metal, hard plastic (eg, polypropylene).
  • PP polypropylene
  • PET polyethylene terephthalate
  • PS polystyrene
  • PC polycarbonate
  • acrylic resin acrylic resin
  • the portion of the packing member 2140 disposed between the cap 2200 and the mid-case 2110 [particularly , the portion of the packing member 2140 corresponding to the groove into which the end of the mid-case 2110 is inserted] is compressed by the pressure applied by the cap 2200 and the mid-case 2110, thereby forming a seal between the packing member 2140 and the mid-case.
  • gas movement ie, external leakage
  • the bracket 2130 is supported by the step 2112 of the mid-case 2110 and has a relatively high hardness
  • the cap 2200 is connected to the mid-case via the bolt 2310 and the nut 2320.
  • the bracket 2130 and the cap 2200 can effectively apply pressure to the packing member 2140.
  • the portion of the packing member 2140 disposed between the cap 2200 and the bracket 2130 (that is, located inside the mid-case 2110) is sufficiently compressed, so that the gap between the packing member 2140 and the bracket 2130 is sufficiently compressed. It is possible to ensure excellent internal sealing by preventing the movement of gas through the interface of (ie, internal leakage).
  • the bracket 2130 according to an embodiment of the present invention has excellent adhesion to the fixing layer 2122, thereby preventing the movement of gas through the interface between the bracket 2130 and the fixing layer 2122 (i.e., internal leakage). A stronger inner seal can be provided. If necessary, by treating the surface of the bracket 2130 with a primer, the adhesive strength between the bracket 2130 and the fixing layer 2122 can be further improved to maximize the internal sealing effect.
  • the protruding member 2150 protrudes from the inner wall of the packing member 2140 toward the fixing layer 2122 .
  • the protruding member 2150 may be formed in an annular ring shape surrounding the inner wall of the packing member 2140 .
  • the protruding member 2150 may be inserted into the fixing layer 2122 in a pressurized manner.
  • the protruding member 2150 may be inserted into the second fixing layer 2122-2. Of course, it may pass through the second fixed layer 2122-2 and be inserted into the first fixed layer 2122-1.
  • the protruding member 2150 compresses the fixed layer 2122 while being fitted into the fixed layer 2122 in a pressurized manner, thereby suppressing the movement of air inside the mid-case 2110 toward the cap 2200, enabling tighter internal sealing. do.
  • the protruding member 2150 can suppress vibration generated in the cartridge 2120 by air flowing inside the humidifying module 2100 by compressing the fixed layer 2122 while being inserted into the fixed layer 2122 in a pressurized manner. . That is, it is possible to suppress vibration of the cartridge 2120 in the Z-axis direction by the flow of dry air introduced through the port 2210 of the cap (shown in the Z-axis direction in FIG. 2 ).
  • the protruding member 2150 protrudes from the inner wall of the mid-case 2110 toward the fixed layer 2122, it is possible to easily position the fixed layer when forming the fixed layer in the manufacturing process.
  • the cap 2200 has a cap protrusion 2220 at a position corresponding to the end of the mid-case 2110 fitted into the groove of the packing member 2140.
  • the cap protrusion 2220 enables tighter external sealing by more effectively compressing the packing member 2140 with the end of the mid-case 2110.
  • the packing member 2140 may contact the fixed layer 2122 .
  • the adhesive strength between the packing member 2140 and the fixing layer 2122 is improved by allowing the liquid resin (for example, liquid polyurethane resin) used to form the fixing layer 2122 to harden while in contact with the packing member 2140. and reinforce the inner seal.
  • liquid resin for example, liquid polyurethane resin
  • the fixed layer 2122 includes the first fixed layer 2122-1 and the first fixed layer 2122-1 in which ends of the hollow fiber membranes 2121 are potted. ) and may include a second fixing layer 2122-2 in contact with the bracket 2130.
  • the first fixed layer 2122-1 and the second fixed layer 2122-2 may be respectively formed by curing a liquid resin such as liquid polyurethane resin through a deep 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, but are preferably formed of the same material (for example, polyurethane resin) in terms of adhesive strength between them. can do.
  • the humidifying module 2100 may further include an inner case 2123 with both ends open within the mid-case 2110 .
  • the hollow fiber membranes 2121 are disposed within the inner case 2123 .
  • the first fixing layer 2122 - 1 in which the distal ends of the hollow fiber membranes 2121 are potted closes the open ends of the inner case 2123 .
  • the inner case 2123 has a plurality of holes H at positions corresponding to the ports 2111 (only one is shown in FIG. 2) for inflow/outflow of exhaust gas, respectively. .
  • Exhaust gas introduced into the mid-case 2110 through the first port 2111 passes through the first holes H and then flows along the outer surfaces of the hollow fiber membranes 2121 to lose moisture. Subsequently, after exiting the inner case 2133 through the second holes H on the opposite side, it is discharged from the mid-case 2110 through the second port 2111.
  • the hollow fiber membranes 2121 , the first fixing layer 2122 - 1 , and the inner case 2123 constitute the hollow fiber membrane cartridge 2120 .
  • the fuel cell membrane humidifier 2000 As shown in FIG. 5, the fuel cell membrane humidifier 2000 according to the second embodiment of the present invention, except that it includes two hollow fiber membrane cartridges 2120a and 2120b, the above-described first It is substantially the same as the Example.
  • the hollow fiber membranes include the first group of hollow fiber membranes 2121a and the second group of hollow fiber membranes 2121b
  • the humidifying module 2100 includes the first group of hollow fiber membranes 2121a.
  • a first inner case 2123a in which hollow fiber membranes 2121a are disposed and a second inner case 2123b in which a second group of hollow fiber membranes 2121b are disposed, and a fixed layer 2122 ) is the first fixed layer 2122-1a in which the ends of the first group of hollow fiber membranes 2121a are potted, and the second fixed layer 2122-1b in which the ends 2121b of the second group of hollow fiber membranes are potted. ), and a third fixing layer 2122-2 that contacts the bracket 2130 while surrounding the first and second fixing layers 2122-1a and 2122-1b.
  • the first group of hollow fiber membranes 2121a, the first fixing layer 2122-1a, and the first inner case 2123a constitute the first hollow fiber membrane cartridge 2120a
  • the second group of hollow fiber membranes 2121b ), the second fixed layer 2122-1b, and the second inner case 2123b constitute the second hollow fiber membrane cartridge 2120b.
  • the ends of the first and second inner cases 2123a and 2123b are potted on the first and second fixing layers 2122-1a and 2122-1b, respectively, so that the first group of The relative positions of the hollow fiber membranes 2121a and the first inner case 2123a and the relative positions of the second group of hollow fiber membranes 2121b and the second inner case 2123b may be maintained constant.
  • the number of hollow fiber membranes 2121 should be increased.
  • the more the hollow fiber membranes 2121 the more difficult it is for the exhaust gas to be delivered to the hollow fiber membranes 2121 located in the center.
  • the two hollow fiber membrane cartridges 2120a and 2120b are spaced apart from each other, even if the number of all hollow fiber membranes 2121a and 2121b increases, the exhaust gas is reduced to all hollow fiber membranes. (2121a, 2121b) can be transmitted relatively uniformly. That is, when the number of hollow fiber membranes is the same, the structure of the second embodiment including two hollow fiber membrane cartridges 2120a and 2120b is compared to the structure of the first embodiment including only one hollow fiber membrane cartridge 2120. It is advantageous in terms of desert utilization.
  • the number of hollow fiber membrane cartridge(s) mounted in the mid-case 2110 may be determined by considering the capacity of the fuel cell (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 potted on a first fixing layer 2122-1' is prepared.
  • the hollow fiber membrane cartridge 2120' is formed by inserting at least a portion of each of the hollow fiber membranes 2121' into the inner case 2123 and then performing a deep casting process or a centrifugal casting process using a liquid resin such as liquid polyurethane resin. can be manufactured. Through curing of the liquid resin, the first fixing layer 2122-1' in which ends of the hollow fiber membranes 2121' are potted is formed. When the deep casting process or the centrifugal casting process is performed, the ends of the inner case 2123 may be potted together with the ends of the hollow fiber membranes 2121' on the first fixed layer 2122-1'.
  • the inner case 2123 may have first and second groups of holes H located on opposite sides of each other along the longitudinal direction.
  • a hollow fiber membrane cartridge 2120' is inserted into a mid-case 2110 having both ends open and a step 2112 formed on an inner circumferential surface.
  • the mid-case 2110 has open ends and has a cross section in the form of a single closed curve.
  • the mid-case 2110 may have a partition wall dividing its internal space into an exhaust gas inflow space and an exhaust gas discharge space located on opposite sides along the longitudinal direction, and the hollow fiber membrane cartridge 2120' is inserted into the hole formed in the partition wall. May be supported by partition walls.
  • the holes H of the first group of the inner case 2123 exist in the exhaust gas inflow space
  • the holes H of the second group of the inner case 2123 exist in the exhaust gas discharge space.
  • the exhaust gas entering the exhaust gas inlet space is introduced into the inner case 2123 through the first group of holes H and flows toward the second group of holes H in the inner case 2123, The second group moves to the exhaust gas discharge space through the holes H, and is then discharged from the mid-case 2110.
  • the bracket 2130 is mounted on the step 2112 of the mid-case 2110.
  • the mid-case 2110 may have a single closed curve-shaped cross section
  • the bracket 2130 may have a single closed curve shape corresponding to the cross-sectional shape of the mid-case 2110 .
  • Bracket 2130 is a metal, hard plastic (eg, polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polystyrene (PS), polycarbonate (PC), or acrylic resin), or hard rubber.
  • PP polypropylene
  • PET polyethylene terephthalate
  • PS polystyrene
  • PC polycarbonate
  • acrylic resin acrylic resin
  • the packing member 2140 having a groove corresponding to the end of the mid-case 2110 is inserted into the groove and the packing member 2140 is inserted into the end of the mid-case 2110. It is mounted on the end of the mid-case 2110 so that a part of it contacts the bracket 2130.
  • the packing member 2140 may also have a single closed curve shape corresponding to the cross-sectional shape of the mid-case 2110 .
  • a protrusion member 2150 is formed on the inner surface of the packing member 2140 .
  • a second fixing layer 2122-2' filling the gap between the mid-case 2110, the bracket 2130, and the packing member 2140 and the end of the hollow fiber membrane cartridge 2120' ) to form
  • the second fixing layer 2122-2' fastens a potting cap (not shown) to the mid-case 2110, and in a state where the potting cap is located under the mid-case 2110, the liquid polyurethane resin and the liquid polyurethane resin are added to the potting cap. It can be manufactured by performing a deep casting process in which the same liquid resin is injected and cured, 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 composed of different liquid resins, but are each made of the same material (eg, liquid polyurethane resin) in terms of adhesive strength therebetween. It may be desirable to form
  • the liquid resin (eg, liquid polyurethane) used to form the second fixing layer 2122-2' includes the bracket 2130, the packing member 2140, and the protrusion member 2150. ), it is possible to improve the adhesion of the second fixing layer 2122-2' to them and strengthen the internal sealing.
  • the bracket 2130 is formed of a material having excellent adhesion to the second fixing layer 2122-2', gas movement through the interface between them (ie, internal leakage) is prevented. to provide a stronger inner seal.
  • the bracket 2130 whose surface is treated with a primer as described above is used, the adhesive strength between the bracket 2130 and the second fixing layer 2122-2' is maximized, thereby providing better internal sealing.
  • first fixed layer 2122-1', the second fixed layer 2122-2', and the hollow fiber membranes 2121' are simultaneously cut along the cutting line CL of FIG.
  • hollow fiber membranes 2121 with open ends potted on the first fixed layer 2122-1 surrounded by the second fixed layer 2122-2 are obtained.
  • the cap 2200 is fastened to the mid-case 2110, and the cap 2200 is fastened so that the packing member 2140 is compressed by the cap 2200.
  • the cap 2200 has a cap protrusion 2220 at a position corresponding to the end of the mid-case 2110 fitted into the groove of the packing member 2140.
  • the cap protrusion 2220 enables tighter external sealing by more effectively compressing the packing member 2140 with the end of the mid-case 2110.
  • the bracket 2130 since the bracket 2130 has a higher hardness than the packing member 2140, the packing member 2140 is compressed when the cap 2200 is fastened to the mid-case 2110. can
  • the bracket 2130 is not only supported by the step 2112 of the mid-case 2110, but also has a higher hardness (30 to 60 Shore A, more preferably 40 to 50 Shore A) of the packing member 2140. Since it has a hardness (60 to 100 Shore A, more preferably 70 to 100 Shore A), when the cap 2200 is fastened to the mid-case 2110 through the bolt 2310 and the nut 2320, the bracket ( 2130 can effectively apply pressure to the packing member 2140 together with the cap 2200. As a result, the portion of the packing member 2140 disposed between the cap 2200 and the bracket 2130 (that is, located inside the mid-case 2110) is sufficiently compressed, so that the gap between the packing member 2140 and the bracket 2130 is sufficiently compressed. It is possible to ensure excellent internal sealing by preventing the movement of gas through the interface of (ie, internal leakage).
  • both external leakage and internal leakage can be effectively prevented through mechanical assembly of the bracket 2130 and the packing member 2140 without prior art sealant coating and curing processes. Therefore, according to the present invention, since the sealant application process and the sealant curing process required in the prior art are omitted, not only workability is improved, but also productivity can be dramatically improved by shortening the manufacturing time. In addition, since a separate space for storing semi-finished products is not required during the sealant curing process, the humidifier production cost can be reduced.
  • the protruding member 2150 is formed on the inner wall of the packing member 2140 to suppress vibration generated during driving, and to suppress the flow of air inside the mid-case to the cap to enhance the sealing function. , When forming the fixed layer, it is possible to easily select the location of the fixed layer.

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Abstract

연료전지의 운전과 정지의 반복으로 인한 가스 누출을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 상대적으로 낮은 제조 비용 및 높은 생산성으로 제조될 수 있으며, 운전시 발생하는 진동을 억제할 수 있는 연료전지 막가습기를 개시한다. 개시된 연료전지 막가습기는, 외부로부터 공급되는 공기를 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스 내의 수분으로 가습하는 가습 모듈을 포함하며, 가습 모듈은, 양 말단들이 개방되어 있으며 내주면에 단차가 형성된 미드-케이스; 미드-케이스 내에 배치되며 복수의 중공사막들을 수용하는 적어도 하나의 카트리지; 중공사막들의 말단들이 포팅되고 미드-케이스 내벽에 의해 지지되는 고정층; 미드-케이스의 단차에 의해 지지되며 고정층과 접촉하는 브라켓; 및, 미드-케이스의 말단이 끼워지는 홈을 가지며 브라켓과 접촉하는 패킹부재를 포함한다.

Description

연료전지 막가습기
본 발명은 연료전지 막가습기에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 연료전지의 운전과 정지의 반복으로 인한 가스 누출을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 상대적으로 낮은 제조 비용 및 높은 생산성으로 제조될 수 있으며, 운전시 발생하는 진동을 억제할 수 있는 연료전지 막가습기에 관한 것이다.
연료전지란 수소와 산소를 결합시켜 전기를 생산하는 발전(發電)형 전지이다. 연료전지는 건전지나 축전지 등 일반 화학전지와 달리 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있고, 열손실이 없어 내연기관보다 효율이 2배 가량 높다는 장점이 있다.
또한, 수소와 산소의 결합에 의해 발생하는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하기 때문에 공해물질 배출이 적다. 따라서, 연료전지는 환경 친화적일 뿐만 아니라 에너지 소비 증가에 따른 자원 고갈에 대한 걱정을 줄일 수 있다는 장점이 있다.
이러한 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC), 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell: PAFC), 용융 탄산염형 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell: MCFC), 고체 산화물형 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC), 및 알칼리형 연료전지(Alkaline Fuel Cell: AFC) 등으로 분류할 수 있다.
이들 각각의 연료전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동하지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. 이 중에서 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)는 다른 연료전지에 비해 저온에서 동작한다는 점, 및 출력 밀도가 커서 소형화가 가능하기 때문에 소규모 거치형 발전장비뿐만 아니라 수송 시스템에서도 가장 유망한 것으로 알려져 있다.
고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)의 성능을 향상시키는데 있어서 가장 중요한 요인 중 하나는, 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)의 고분자 전해질 막(Polymer Electrolyte Membrane 또는 Proton Exchange Membrane: PEM)에 일정량 이상의 수분을 공급함으로써 함수율을 유지하도록 하는 것이다. 고분자 전해질 막이 건조되면 발전 효율이 급격히 저하되기 때문이다.
고분자 전해질 막을 가습하는 방법으로는, 1) 내압 용기에 물을 채운 후 대상 기체를 확산기(diffuser)로 통과시켜 수분을 공급하는 버블러(bubbler) 가습 방식, 2) 연료전지 반응에 필요한 공급 수분량을 계산하여 솔레노이드 밸브를 통해 가스 유동관에 직접 수분을 공급하는 직접 분사(direct injection) 방식, 및 3) 고분자 분리막을 이용하여 가스의 유동층에 수분을 공급하는 가습 막 방식 등이 있다.
이들 중에서도 배가스 중에 포함되는 수증기만을 선택적으로 투과시키는 막을 이용하여 수증기를 고분자 전해질 막에 공급되는 공기에 제공함으로써 고분자 전해질 막을 가습하는 막가습 방식이 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 1에 도시된 바와 같이, 통상의 막 가습 방식의 가습기(1000)는 외부로부터 공급되는 공기와 연료전지 스택(미도시)으로부터 배출되는 배가스 사이의 수분 교환이 일어나는 가습 모듈(1100) 및 가습 모듈(1100)의 양 말단들에 각각 결합된 캡들(1200)을 포함한다.
캡들(1200) 중 하나는 외부로부터 공급되는 공기를 가습 모듈(1100)로 전달하고, 다른 하나는 가습 모듈(1100)에 의해 가습된 공기를 연료전지 스택으로 전달한다.
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 미드-케이스(1110) 내의 다수의 중공사막들(1120)을 포함한다. 중공사막들(1120)의 다발의 양 말단들은 고정층(1130)에 포팅되어 있다. 고정층(1130)은 일반적으로 캐스팅(casting) 방식[예를 들어, 딥 캐스팅(dip casting) 또는 원심 캐스팅(centrifugal casting)]을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 폴리머를 경화시킴으로써 형성된다.
외부로부터 공급되는 공기는 중공사막들(1120)의 중공을 따라 흐른다. 배가스 유입구(1110a)를 통해 미드-케이스(1110) 내로 유입된 배가스는 중공사막들(1120)의 외표면과 접촉한 후 배가스 배출구(1110b)를 통해 미드-케이스(1110)로부터 배출된다. 배가스가 중공사막들(1120)의 외표면과 접촉할 때 배가스 내에 함유되어 있던 수분이 중공사막들(1120)을 투과함으로써 중공사막들(1120)의 중공을 따라 흐르던 공기를 가습한다.
캡들(1200)의 내부 공간들은 중공사막들(1120)의 중공들과만 유체 연통할 뿐, 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 도시된 바와 같이, 고정층(1130)과 함께, 고정층(1130)과 미드-케이스(1110) 사이의 수지층(1140)이 캡들(1200)의 내부 공간들을 미드-케이스(1110)의 내부 공간으로부터 차단한다. 고정층(1130)과 유사하게, 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 수지층(1140)의 팽창 및 수축이 번갈아 발생하면서, 미드-케이스(1110)와 수지층(1140)의 열팽창계수 차이로 인해 수지층(1140)이 미드-케이스(1110)로부터 분리되어 이들 사이에 갭(gap)이 야기되거나, (ii) 진동 및/또는 충격으로 인해 수지층(1140)과 미드-케이스(1110) 사이에 갭이 야기될 개연성이 높다. 수지층(1140)과 미드-케이스(1110) 사이의 갭은 가스 누출을 야기하여 연료전지의 발전 효율을 저하시킨다.
수지층(1140)과 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 홈에 끼우고 실런트를 경화시키는 방법을 개시하고 있다.
그러나, 이와 같은 방법은, (i) 홈에 정확히 맞추어 실런트를 도포하여야 하 기 때문에 작업성이 좋지 않고, (ii) 실런트를 경화시키는데 24 시간 이상의 상당히 긴 시간이 소요되며, (iii) 실런트가 경화될 때까지 가습 모듈(1100)을 보관하기 위한 별도의 공간이 요구된다는 점에서, 낮은 생산성 및 높은 제조 비용의 문제점들을 갖고 있다.
본 발명은 위와 같은 관련 기술의 제한 및 단점들에 기인한 문제점들을 방지할 수 있고, 연료전지의 운전과 정지의 반복으로 인한 가스 누출을 확실히 방지할 수 있을 뿐만 아니라 상대적으로 낮은 제조 비용 및 높은 생산성으로 제조될 수 있으며, 운전시 발생하는 진동을 억제할 수 있는 연료전지 막가습기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는,
외부로부터 공급되는 공기를 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스 내의 수분으로 가습하는 가습 모듈; 및, 상기 가습 모듈의 양 말단들에 각각 결합된 캡들을 포함한다. 상기 가습 모듈은, 양 말단들이 개방되어 있으며 내주면에 단차가 형성된 미드-케이스; 상기 미드-케이스 내에 배치되며 복수의 중공사막들을 수용하는 적어도 하나의 카트리지; 상기 중공사막들의 말단들이 포팅되고 상기 미드-케이스 내벽에 의해 지지되는 고정층; 상기 미드-케이스의 단차에 의해 지지되며 상기 고정층과 접촉하는 브라켓; 및, 상기 미드-케이스의 말단이 끼워지는 홈을 가지며 상기 브라켓과 접촉하는 패킹부재를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 브라켓 및 상기 패킹부재는, 상기 미드-케이스의 횡단면 형태에 대응하는 단일 폐곡선 형태를 각각 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 브라켓은, 상기 패킹부재보다 높은 경도를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 브라켓은 60 내지 100 Shore A의 경도를 갖고, 상기 패킹부재는 40 내지 50 Shore A의 경도를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 패킹부재는 연질 고무를 포함하고, 상기 브라켓은 금속, 경질 플라스틱, 또는 경질 고무를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 패킹부재는 실리콘 고무 또는 우레탄 고무를 포함하고, 상기 브라켓은 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리스티렌(PS), 폴리카보네이트(PC), 또는 아크릴 수지를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 패킹부재는, 상기 고정층과도 접촉할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 고정층은, 상기 중공사막들의 말단들이 포팅되어 있는 제1 고정층; 및 상기 제1 고정층을 감싸며 상기 브라켓과 접촉하는 제2 고정층를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 제1 고정층과 상기 제2 고정층은 동일한 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 제1 고정층과 상기 제2 고정층 모두는 폴리우레탄(PU) 수지를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 가습 모듈은 양 말단들이 개방된 이너 케이스(inner case)를 상기 미드-케이스 내에 더 포함하고, 상기 중공사막들은 상기 이너 케이스 내에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 이너 케이스의 말단은 상기 제1 고정층에 포팅될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 패킹부재의 내벽에는 상기 고정층에 끼워져서 상기 가습 모듈 내부를 유동하는 공기에 의해 상기 카트리지에 발생하는 진동을 억제하는 돌기부재가 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는,
외부로부터 공급되는 공기를 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스 내의 수분으로 가습하는 가습 모듈; 및, 상기 가습 모듈의 양 말단들에 각각 결합된 캡들을 포함하되, 상기 가습 모듈은, 양 말단들이 개방되어 있으며 내주면에 단차가 형성된 미드-케이스; 상기 미드-케이스 내에 배치되며 복수의 중공사막들을 수용하는 적어도 하나의 카트리지; 상기 중공사막들의 말단들이 포팅되고 상기 미드-케이스 내벽에 의해 지지되는 고정층; 상기 미드-케이스의 단차에 의해 지지되며 상기 고정층과 접촉하는 브라켓; 및, 상기 미드-케이스의 말단이 끼워지는 홈을 가지며 상기 브라켓과 접촉하는 패킹부재를 포함한다. 상기 중공사막들은 제1 그룹의 중공사막들 및 제2 그룹의 중공사막들을 포함한다. 또한, 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 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 브라켓과 접촉하는 제3 고정층을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 패킹부재의 내벽에는 상기 고정층에 끼워져서 상기 가습 모듈 내부를 유동하는 공기에 의해 상기 카트리지에 발생하는 진동을 억제하는 돌기부재가 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 제1 이너 케이스의 말단은 상기 제1 고정층에 포팅되어 있고, 상기 제2 이너 케이스의 말단은 상기 제2 고정층에 포팅될 수 있다.
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.
또한, 연료전지의 운전과 정지의 반복으로 인한 가스 누출을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 상대적으로 낮은 제조 비용 및 높은 생산성으로 제조될 수 있다.
또한, 패킹부재의 내벽(또는 내측면)에 돌기부재가 형성되어 운전시 발생하는 진동을 억제할 수 있고, 미드-케이스 내부에 있는 공기가 캡으로 유동하는 것을 억제하여 씰링 기능을 강화할 수 있으며, 고정층 형성시 고정층 위치 선정을 용이하게 할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 브라켓의 사시도이다.
도 3b는 도 3a의 A-A 라인을 따른 단면도이다.
도 4a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 패킹부재의 사시도이다.
도 4b는 도 4a의 A-A 라인을 따른 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 단면도이다.
도 6a 내지 도 6g는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기를 설명한다.
도 2 및 도 5 내지 도 6g의 단면도들은 가습기 또는 반제품의 일단의 단면도들이며, 그 타단도 실질적으로 동일(또는 대칭의) 단면을 갖는다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 연료전지 막가습기(2000)는 외부로부터 공급되는 공기를 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스 내의 수분으로 가습하는 가습 모듈(2100)을 포함한다. 가습 모듈(2100)의 양 말단들 각각은 캡(2200)에 체결되어 있다.
캡들(2200) 중 어느 하나는 포트(2210)를 통해 외부로부터 공기를 공급받아 가습 모듈(2100)로 전달하고, 다른 하나는 가습 모듈(2100)에 의해 가습된 공기를 포트(2210)를 통해 연료전지 스택으로 전달한다. 캡들(2200)은 경질 플라스틱(예를 들어, 폴리카보네이트, 폴리아미드(PA), 폴리프탈아미드(PPA)등)이나 금속으로 형성될 수 있으며, 단일 폐곡선 형태(simple closed curveshaped)(예를 들어, 원형 또는 다각형)의 횡단면(traverse section)을 가질 수 있다.
물론, 설계에 따라 캡들(2200) 중 하나는 배가스를 가습 모듈(2100)로 공급하여 중공사막 내부를 흐르게 하고, 다른 하나는 수분 교환 수행된 배가스를 외부로 배출할 수 있다. 또한, 이 경우, 후술하는 배가스 유입/유출을 위한 포트들(2111) 중 어느 하나를 통해 외부의 공기가 유입되고, 나머지 하나를 통해 가습 모듈(2100)에 의해 가습된 공기가 연료전지 스택으로 공급되도록 할 수 있다. 외부 공기의 유동 방향과 배가스의 유동 방향은 같은 방향이거나 또는 서로 반대 방향일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가습 모듈(2100)은 외부로부터 공급되는 공기와 연료전지 스택으로부터 공급되는 배가스 사이의 수분 교환이 일어나는 장치로서, 양 말단들이 개방되어 있으며 내주면에 단차(2112)를 갖는 미드-케이스(2110), 미드-케이스(2110) 내의 다수의 중공사막들(2121), 중공사막들(2121)의 말단들이 포팅되어 있는 고정층(2122), 미드-케이스(2110)의 단차(2112)에 의해 지지되며 고정층(2122)과 접촉하는 브라켓(2130), 및 미드-케이스(2110)의 말단이 끼워지는 홈을 가지며 브라켓(2130)과 접촉하는 패킹부재(2140)와 패킹부재(2140)의 내벽에 돌출 형성된 돌기부재(2150)를 포함한다.
미드-케이스(2110)는 배가스 유입/유출을 위한 포트들(2111)(도 2에는 하나만 도시되어 있음)을 갖는다. 미드-케이스(2110)는 경질 플라스틱(예를 들어, 폴리카보네이트, 폴리아미드(PA), 폴리프탈아미드(PPA) 등)이나 금속으로 형성될 수 있으며, 단일 폐곡선 형태(예를 들어, 원형 또는 다각형)의 횡단면을 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 미드-케이스(2110)는 캡(2200)과 동일한 형태의 횡단면을 가질 수 있다.
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)을 통해 외부로부터 공급되는 공기는 중공사막들(2121)의 중공들을 따라 흐르면서 가습된 후 다른 캡(2200)을 통해 연료전지 스택으로 전달된다.
미드-케이스(2110) 내로 유입된 배가스가 중공사막들(2121)의 외표면과 접촉한 후 미드-케이스(2110)로부터 배출된다. 배가스가 중공사막들(2121)의 외표면과 접촉할 때 그 안에 함유되어 있던 수분이 중공사막들(2121)을 투과함으로써 중공사막들(2121)의 중공을 따라 흐르던 공기를 가습한다.
경질 또는 연질의 폴리우레탄 수지로 형성될 수 있는 고정층(2122)은 캡(2200)이 중공사막들(2121)과만 유체연통할 수 있도록 캡(2200)의 내부 공간을 미드-케이스(2110)의 내부 공간으로부터 차단하여야 한다.
그러나, 전술한 바와 같이, (i) 연료전지의 운전 및 정지가 반복됨에 따라 고정층(2122)의 팽창 및 수축이 번갈아 발생하면서, 미드-케이스(2110)와 고정층(2122)의 열팽창 계수 차이로 인해 고정층(2122)이 미드-케이스(2110)로부터 분리되어 이들 사이에 갭이 야기되거나, (ii) 진동 및/또는 충격으로 인해 고정층(2122)과 미드-케이스(2110) 사이에 갭이 야기될 개연성이 높다. 고정층(2122)과 미드-케이스(2110) 사이의 갭은 가스 누출을 야기하여 연료전지의 발전 효율을 저하시킨다.
고정층(2122)과 미드-케이스(2110) 사이의 갭 발생으로 인해 야기될 수 있는 가스 누출은, (i) 미드-케이스(2110)의 내부 공간 내의 배가스가 고정층(2122)과 미드-케이스(2110) 사이의 갭 및 캡(2200)과 미드-케이스(2110) 사이의 갭을 순차적으로 통과하여 가습기(2000) 밖으로 빠져나가는 외부 누출(external leakage) 및 (ii) 미드-케이스(2110)의 내부 공간 내의 배가스가 고정층(2122)과 미드-케이스(2110) 사이의 갭 및 고정층(2122)과 캡(2200) 사이의 갭을 순차적으로 통과하여 캡(2200)의 내부 공간으로 들어가는 내부 누출(internal leakage)을 포함한다.
고정층(2122)과 미드-케이스(2110) 사이의 갭 발생으로 인한 가스 누출을 방지하기 위하여, 본 발명의 연료전지 막가습기(2000)는 브라켓(2130)과 패킹부재(2140)와 돌기부재(2150)를 더 포함한다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 미드-케이스(2110)의 단차(2112)에 의해 지지되는 브라켓(2130)은 미드-케이스(2110)의 횡단면 형태에 대응하는 단일 폐곡선 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 브라켓(2130)은 패킹부재(2140) 보다 높은 경도를 가지며 고정층(2122)과 강하게 접착되어 있다.
예를 들어, 패킹부재(2140)는 캡(2200)이 볼트(2310)와 너트(2320)를 통해 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 가질 수 있고, 브라켓(2130)은 패킹부재(2140)의 경도보다 높은 60 내지 100 Shore A, 더욱 바람직하게는 70 내지 100 Shore A의 경도를 가질 수 있다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 미드-케이스(2110)의 말단이 끼워지는 홈(G)을 갖는 패킹부재(2140)도 역시 미드-케이스(2110)의 횡단면 형태에 대응하는 단일 폐곡선 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 패킹부재(2140)는 연질 고무(예를 들어, 실리콘 고무 또는 우레탄 고무)를 포함할 수 있고, 브라켓(2130)은 금속, 경질 플라스틱[예를 들어, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리스티렌(PS), 폴리카보네이트(PC), 또는 아크릴 수지], 또는 경질 고무를 포함할 수 있다.
캡(2200)이 볼트(2310)와 너트(2320)를 통해 미드-케이스(2110)에 체결될 때, 캡(2200)과 미드-케이스(2110) 사이에 배치된 패킹부재(2140) 부분[특히, 미드-케이스(2110)의 말단이 끼워진 홈에 대응하는 패킹부재(2140) 부분]이 캡(2200)과 미드-케이스(2110)에 의해 가해지는 압력에 의해 압축됨으로써 패킹부재(2140)와 미드-케이스(2110) 사이의 계면을 통한 가스의 이동(즉, 외부 누출)을 방지하여 타이트한 외부 실링(external sealing)을 보장할 수 있다.
또한, 브라켓(2130)이 미드-케이스(2110)의 단차(2112)에 의해 지지될 뿐만 아니라 상대적으로 높은 경도를 갖기 때문에, 캡(2200)이 볼트(2310)와 너트(2320)를 통해 미드-케이스(2110)에 체결될 때 브라켓(2130)이 캡(2200)과 함께 패킹부재(2140)에 압력을 효과적으로 가할 수 있다. 그 결과, 캡(2200)과 브라켓(2130) 사이에 배치된[즉, 미드-케이스(2110) 내부에 위치한] 패킹부재(2140) 부분이 충분히 압축됨으로써 패킹부재(2140)와 브라켓(2130) 사이의 계면을 통한 가스의 이동(즉, 내부 누출)을 방지하여 우수한 내부 실링(internal sealing)을 보장할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예 따른 브라켓(2130)은 고정층(2122)과 우수한 접착력을 가짐으로써 브라켓(2130)과 고정층(2122) 사이의 계면을 통한 가스의 이동(즉, 내부 누출)을 방지하여 더욱 강한 내부 실링을 제공할 수 있다. 필요에 따라, 브라켓(2130)의 표면을 프라이머(primer)로 처리함으로써 브라켓(2130)과 고정층(2122)의 접착 강도를 더욱 향상시켜 내부 실링 효과를 극대화할 수 있다.
돌기부재(2150)는 패킹부재(2140)의 내벽에서 고정층(2122) 방향으로 돌출 형성된다. 돌기부재(2150)는 패킹부재(2140)의 내벽을 둘러싸는 환형 고리 형상으로 형성될 수 있다. 제조시에 돌기부재(2150)는 고정층(2122)에 가압 방식으로 끼워질 수 있다. 돌기부재(2150)는 제2 고정층(2122-2)에 끼워질 수 있다. 물론, 제2 고정층(2122-2)을 관통하여 제1 고정층(2122-1)에 끼워질 수 있다.
돌기부재(2150)는 고정층(2122)에 가압 방식으로 끼워지면서 고정층(2122)을 압축시켜서 미드-케이스(2110) 내부의 공기가 캡(2200) 측으로 이동하는 것을 억제하여 더 타이트한 내부 실링을 가능하게 한다.
또한, 돌기부재(2150)는 고정층(2122)에 가압 방식으로 끼워지면서 고정층(2122)을 압축시켜서 가습 모듈(2100) 내부를 유동하는 공기에 의해 카트리지(2120)에 발생하는 진동을 억제할 수 있다. 즉, 캡의 포트(2210)를 통해 유입되는 건조 공기의 흐름(도 2에서 Z축 방향으로 표시)에 의해 카트리지(2120)가 Z축 방향으로 진동하는 것을 억제할 수 있다.
또한, 돌기부재(2150)는 미드-케이스(2110)의 내벽에서 고정층(2122) 방향으로 돌출 형성되므로, 제조 과정에서 고정층 형성시 고정층의 위치 선정을 용이하게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 캡(2200)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 패킹부재(2140)의 홈에 끼워지는 미드-케이스(2110)의 말단에 대응하는 위치에 캡 돌기(2220)를 가질 수 있다. 캡 돌기(2220)는 미드-케이스(2110)의 말단과 함께 패킹부재(2140)를 더욱 효과적으로 압축시킴으로써 더 타이트한 외부 실링을 가능하게 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 패킹부재(2140)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 고정층(2122)과 접촉할 수 있다. 고정층(2122) 형성에 사용되는 액상 수지(예를 들어, 액상의 폴리우레탄 수지)가 패킹부재(2140)에 접촉한 상태에서 경화되도록 함으로써 패킹부재(2140)와 고정층(2122)의 접착 강도를 향상시키고 내부 실링을 강화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 도 2에 도시된 바와 같이, 고정층(2122)은 중공사막들(2121)의 말단들이 포팅되어 있는 제1 고정층(2122-1) 및 제1 고정층(2122-1)을 감싸며 브라켓(2130)과 접촉하는 제2 고정층(2122-2)을 포함할 수 있다.
제1 고정층(2122-1)과 제2 고정층(2122-2)은 딥 캐스팅 방식 또는 원심 캐스팅 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 수지를 경화시킴으로써 각각 형성될 수 있다. 제1 고정층(2122-1)과 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.
가습 모듈(2100)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 양 말단들이 개방된 이너 케이스(inner case)(2123)를 미드-케이스(2110) 내에 더 포함할 수 있다. 이 경우, 중공사막들(2121)은 이너 케이스(2123) 내에 배치된다. 중공사막들(2121)의 말단부들이 포팅되어 있는 제1 고정층(2122-1)이 이너 케이스(2123)의 개방된 말단들(open ends)을 폐쇄시킨다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 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 미드-케이스(2110) 내로 유입된 배가스가 제1 홀들(H)을 통과한 후 중공사막들(2121)의 외표면을 따라 흐르면서 수분을 빼앗긴다. 이어서, 반대 쪽의 제2 홀들(H)을 통해 이너케이스(2133)를 벗어난 후 제2 포트(2111)를 통해 미드-케이스(2110)로부터 배출된다.
중공사막들(2121), 제1 고정층(2122-1), 및 이너 케이스(2123)는 중공사막 카트리지(2120)를 구성한다.
도 2에 도시된 바와 같이 이너 케이스(2123)의 말단이 제1 고정층(2122-1)에 포팅되어 있음으로써 중공사막들(2121)과 이너 케이스(2123)의 상대적 위치가 일정하게 유지될 수 있다.
이하에서는, 도 5를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 막가습기(2000)를 설명한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 막가습기(2000)는, 2개의 중공사막 카트리지들(2120a, 2120b)을 포함하고 있다는 것을 제외하고는, 상술한 제1 실시예와 실질적으로 동일하다.
즉, 본 발명의 제2 실시예에 의하면, 중공사막들은 제1 그룹의 중공사막들(2121a) 및 제2 그룹의 중공사막들(2121b)을 포함하고, 가습 모듈(2100)은 제1 그룹의 중공사막들(2121a)이 내부에 배치되어 있는 제1 이너 케이스(2123a) 및 제2 그룹의 중공사막들(2121b)이 내부에 배치되어 있는 제2 이너 케이스(2123b)를 포함하며, 고정층(2122)은 제1 그룹의 중공사막들(2121a)의 말단들이 포팅되어 있는 제1 고정층(2122-1a), 제2 그룹의 중공사막들의 말단들(2121b)이 포팅되어 있는 제2 고정층(2122-1b), 및 제1 및 제2 고정층들(2122-1a, 2122-1b)을 감싸며 브라켓(2130)과 접촉하는 제3 고정층(2122-2)을 포함한다.
제1 그룹의 중공사막들(2121a), 제1 고정층(2122-1a), 및 제1 이너 케이스(2123a)는 제1 중공사막 카트리지(2120a)를 구성하고, 제2 그룹의 중공사막들(2121b), 제2 고정층(2122-1b), 및 제2 이너 케이스(2123b)는 제2 중공사막 카트리지(2120b)를 구성한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 이너 케이스들(2123a, 2123b)의 말단들이 제1 및 제2 고정층들(2122-1a, 2122-1b)에 각각 포팅되어 있음으로써 제1 그룹의 중공사막들(2121a)과 제1 이너 케이스(2123a)의 상대적 위치 및 제2 그룹의 중공사막들(2121b)과 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 실시예의 경우, 중공사막들(2121)이 많을수록 중앙에 위치한 중공사막들(2121)에 배가스가 전달되기 어려워진다는 문제점이 있다.
이에 반해, 본 발명의 제2 실시예에서는, 2개의 중공사막 카트리지들(2120a, 2120b)이 서로 이격되어 배치되기 때문에 전체 중공사막들(2121a, 2121b)의 개수가 증가하더라도 배가스가 전체 중공사막들(2121a, 2121b)에 비교적 균일하게 전달될 수 있다. 즉, 중공사막들의 개수가 동일할 경우, 2개의 중공사막 카트리지들(2120a, 2120b)을 포함하는 제2 실시예의 구조가 1개의 중공사막 카트리지(2120)만을 포함하는 제1 실시예의 구조에 비해 중공사막 활용도 측면에서 유리하다.
연료전지의 용량(또는, 요구되는 가습 용량), 가습기의 크기, 가습기의 무게 등을 전체적으로 고려하여 미드-케이스(2110) 내에 장착되는 중공사막 카트리지(들)의 개수를 결정할 수 있다.
이하에서는, 도 6a 내지 도 6g를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막가습기(2000)의 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다.
먼저, 도 6a에 도시된 바와 같이, 다수의 중공사막들(2121')의 말단들이 제1 고정층(2122-1')에 포팅되어 있는 중공사막 카트리지(2120')를 준비한다.
중공사막 카트리지(2120')는, 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. 액상 수지의 경화를 통해, 중공사막들(2121')의 말단들이 포팅되어 있는 제1 고정층(2122-1')이 형성된다. 딥 캐스팅 공정 또는 원심 캐스팅 공정을 수행할 때 이너 케이스(2123)의 말단도 중공사막들(2121')의 말단들과 함께 제1 고정층(2122-1')에 포팅되도록 할 수 있다. 이너 케이스(2123)는 그 길이방향을 따라 서로 반대측에 위치한 제1 및 제2 그룹의 홀들(H)을 가질 수 있다.
이어서, 도 6b에 도시된 바와 같이, 양 말단들이 개방되어 있으며 내주면에 단차(2112)가 형성된 미드-케이스(2110) 내에 중공사막 카트리지(2120')를 삽입한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 미드-케이스(2110)는 개방된 말단들을 가지며 단일 폐곡선 형태의 횡단면을 갖는다. 미드-케이스(2110)는 그 내부 공간을 길이방향을 따라 서로 반대측에 위치한 배가스 유입 공간과 배가스 배출 공간으로 나누는 격벽을 가질 수 있으며, 격벽에 형성된 홀에 중공사막 카트리지(2120')가 끼워짐으로써 격벽에 의해 지지될 수 있다. 이때, 이너 케이스(2123)의 제1 그룹의 홀들(H)은 배가스 유입 공간 내에 존재하게 되고, 이너 케이스(2123)의 제2 그룹의 홀들(H)은 배가스 배출 공간 내에 존재하게 된다.
이 경우, 배가스 유입 공간으로 들어온 배가스는, 제1 그룹의 홀들(H)을 통해 이너 케이스(2123) 내로 유입되고, 이너 케이스(2123) 내에서 제2 그룹의 홀들(H)을 향해 흐르게 되고, 제2 그룹을 홀들(H)을 통해 배가스 배출 공간으로 이동하며, 이어서 미드-케이스(2110)으로부터 배출된다.
이어서, 도 6c에 도시된 바와 같이, 브라켓(2130)을 미드-케이스(2110)의 단차(2112) 상에 장착한다. 전술한 바와 같이, 미드-케이스(2110)는 단일 폐곡선 형태의 횡단면을 가지며, 브라켓(2130)은 미드-케이스(2110)의 횡단면 형태에 대응하는 단일 폐곡선 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예 따른 브라켓(2130)은 금속, 경질 플라스틱[예를 들어, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리스티렌(PS), 폴리카보네이트(PC), 또는 아크릴 수지], 또는 경질 고무로 형성될 수 있다. 선택적으로(optionally), 브라켓(2130)의 표면을 프라이머로 처리한 후 미드-케이스(2110)의 단차(2112) 상에 장착할 수 있다.
이어서, 도 6d에 도시된 바와 같이, 미드-케이스(2110)의 말단에 대응하는 홈을 갖는 패킹부재(2140)를, 미드-케이스(2110)의 말단이 홈에 끼워지도록 그리고 패킹부재(2140)의 일부가 브라켓(2130)에 접촉하도록, 미드-케이스(2110)의 말단 상에 장착한다. 패킹부재(2140)도 역시 미드-케이스(2110)의 횡단면 형태에 대응하는 단일 폐곡선 형태를 가질 수 있다. 패킹부재(2140)의 내측면에는 돌기부재(2150)가 형성된다.
이어서, 도 6e에 도시된 바와 같이, 미드-케이스(2110), 브라켓(2130) 및 패킹부재(2140)와 중공사막 카트리지(2120')의 말단 사이의 갭을 메우는 제2 고정층(2122-2')을 형성한다.
제2 고정층(2122-2')은, 미드-케이스(2110)에 포팅캡(미도시)을 체결하고, 포팅캡이 미드-케이스(2110) 아래에 위치한 상태에서 포팅캡에 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 수지를 주입하고 경화시키는 딥 캐스팅 공정을 수행하고, 이어서 포팅캡을 제거함으로써 제조될 수 있다. 대안적으로, 제2 고정층(2122-2')은 원심 캐스팅 공정을 통해 형성될 수도 있다.
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, 제2 고정층(2122-2') 형성에 사용되는 액상 수지(예를 들어, 액상의 폴리우레탄)가 브라켓(2130)과 패킹부재(2140) 및 돌기부재(2150)와 접촉한 상태에서 경화되도록 함으로써 이들에 대한 제2 고정층(2122-2')의 접착력을 향상시키고 내부 실링을 강화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 브라켓(2130)이 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 프라이머로 표면 처리된 브라켓(2130)을 이용할 경우, 브라켓(2130)과 제2 고정층(2122-2')의 접착 강도가 극대화됨으로써 더욱 우수한 내부 실링이 제공될 수 있다.
이어서, 도 6e의 커팅 라인(CL)을 따라 제1 고정층(2122-1'), 제2 고정층(2122-2'), 및 중공사막들(2121')을 동시에 커팅함으로써, 도 6f에 도시된 바와 같이, 제2 고정층(2122-2)에 의해 에워싸인 제1 고정층(2122-1)에 포팅된 말단들이 개방된 중공사막들(2121)을 얻는다.
이어서, 도 6g에 도시된 바와 같이, 미드-케이스(2110)에 캡(2200)을 체결하되, 캡(2200)에 의해 패킹부재(2140)가 압축되도록 캡(2200)을 체결한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 캡(2200)은, 도 6g에 도시된 바와 같이, 패킹부재(2140)의 홈에 끼워지는 미드-케이스(2110)의 말단에 대응하는 위치에 캡 돌기(2220)를 가질 수 있다. 캡 돌기(2220)는 미드-케이스(2110)의 말단과 함께 패킹부재(2140)를 더욱 효과적으로 압축시킴으로써 더 타이트한 외부 실링을 가능하게 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 브라켓(2130)이 패킹부재(2140)보다 높은 경도를 가짐으로써 미드-케이스(2110)에 캡(2200)이 체결될 때 패킹부재(2140)가 압축될 수 있다.
즉, 브라켓(2130)이 미드-케이스(2110)의 단차(2112)에 의해 지지될 뿐만 아니라 패킹부재(2140)의 경도(30 내지 60 Shore A, 더욱 바람직하게는 40 내지 50 Shore A)보다 높은 경도(60 내지 100 Shore A, 더욱 바람직하게는 70 내지 100 Shore A)를 갖기 때문에, 캡(2200)이 볼트(2310)와 너트(2320)를 통해 미드-케이스(2110)에 체결될 때 브라켓(2130)이 캡(2200)과 함께 패킹부재(2140)에 압력을 효과적으로 가할 수 있다. 그 결과, 캡(2200)과 브라켓(2130) 사이에 배치된[즉, 미드-케이스(2110) 내부에 위치한] 패킹부재(2140) 부분이 충분히 압축됨으로써 패킹부재(2140)와 브라켓(2130) 사이의 계면을 통한 가스의 이동(즉, 내부 누출)을 방지하여 우수한 내부 실링을 보장할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 의하면, 종래 기술의 실런트 도포 및 경화 공정들 없이, 브라켓(2130)과 패킹부재(2140)의 기계적 조립만을 통해 외부 누출과 내부 누출을 모두 효과적으로 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 종래 기술에서 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. 또한, 패킹부재(2140)의 내벽에 돌기부재(2150)가 형성되어 운전시 발생하는 진동을 억제할 수 있고, 미드-케이스 내부에 있는 공기가 캡으로 유동하는 것을 억제하여 씰링 기능을 강화할 수 있으며, 고정층 형성시 고정층 위치 선정을 용이하게 할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
[부호의 설명]
2000: 연료전지 막가습기
2100: 가습 모듈 2110: 미드-케이스
2120: 중공사막 카트리지 2121: 중공사막
2122: 고정층 2130: 브라켓
2140: 패킹부재 2150 : 돌기부재

Claims (16)

  1. 외부로부터 공급되는 공기를 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스 내의 수분으로 가습하는 가습 모듈; 및,
    상기 가습 모듈의 양 말단들에 각각 결합된 캡들을 포함하되,
    상기 가습 모듈은,
    양 말단들이 개방되어 있으며 내주면에 단차가 형성된 미드-케이스;
    상기 미드-케이스 내에 배치되며 복수의 중공사막들을 수용하는 적어도 하나의 카트리지;
    상기 중공사막들의 말단들이 포팅되고 상기 미드-케이스 내벽에 의해 지지되는 고정층;
    상기 미드-케이스의 단차에 의해 지지되며 상기 고정층과 접촉하는 브라켓; 및,
    상기 미드-케이스의 말단이 끼워지는 홈을 가지며 상기 브라켓과 접촉하는 패킹부재;
    를 포함하는, 연료전지 막가습기.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 브라켓 및 상기 패킹부재는,
    상기 미드-케이스의 횡단면 형태에 대응하는 단일 폐곡선 형태를 각각 갖는, 연료전지 막가습기.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 브라켓은,
    상기 패킹부재보다 높은 경도를 갖는, 연료전지 막가습기.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 브라켓은 60 내지 100 Shore A의 경도를 갖고, 상기 패킹부재는 40 내지 50 Shore A의 경도를 갖는, 연료전지 막가습기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 패킹부재는 연질 고무를 포함하고,
    상기 브라켓은 금속, 경질 플라스틱, 또는 경질 고무를 포함하는, 연료전지 막가습기.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 패킹부재는 실리콘 고무 또는 우레탄 고무를 포함하고,
    상기 브라켓은 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리스티
    렌(PS), 폴리카보네이트(PC), 또는 아크릴 수지를 포함하는, 연료전지 막가습기.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 패킹부재는,
    상기 고정층과도 접촉하는, 연료전지 막가습기.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 고정층은,
    상기 중공사막들의 말단들이 포팅되어 있는 제1 고정층; 및
    상기 제1 고정층을 감싸며 상기 브라켓과 접촉하는 제2 고정층
    를 포함하는, 연료전지 막가습기.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 고정층과 상기 제2 고정층은 동일한 물질로 형성된, 연료전지 막가습기.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 고정층과 상기 제2 고정층 모두는 폴리우레탄(PU) 수지를 포함하는, 연료전지 막가습기.
  11. 청구항 8에 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 있는, 연료전지 막가습기.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 이너 케이스의 말단은 상기 제1 고정층에 포팅되어 있는, 연료전지 막가습기.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 패킹부재의 내벽에는 상기 고정층에 끼워져서 상기 가습 모듈 내부를 유동하는 공기에 의해 상기 카트리지에 발생하는 진동을 억제하는 돌기부재가 형성되는, 연료전지 막가습기.
  14. 외부로부터 공급되는 공기를 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스 내의 수분으로 가습하는 가습 모듈; 및,
    상기 가습 모듈의 양 말단들에 각각 결합된 캡들을 포함하되,
    상기 가습 모듈은,
    양 말단들이 개방되어 있으며 내주면에 단차가 형성된 미드-케이스;
    상기 미드-케이스 내에 배치되며 복수의 중공사막들을 수용하는 적어도 하나의 카트리지;
    상기 중공사막들의 말단들이 포팅되고 상기 미드-케이스 내벽에 의해 지지되는 고정층;
    상기 미드-케이스의 단차에 의해 지지되며 상기 고정층과 접촉하는 브라켓; 및,
    상기 미드-케이스의 말단이 끼워지는 홈을 가지며 상기 브라켓과 접촉하는 패킹부재를 포함하고,
    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 케이스를 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 브라켓과 접촉하는 제3 고정층
    을 포함하는, 연료전지 막가습기.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 패킹부재의 내벽에는 상기 고정층에 끼워져서 상기 가습 모듈 내부를 유동하는 공기에 의해 상기 카트리지에 발생하는 진동을 억제하는 돌기부재가 형성되는, 연료전지 막가습기.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 제1 이너 케이스의 말단은 상기 제1 고정층에 포팅되어 있고,
    상기 제2 이너 케이스의 말단은 상기 제2 고정층에 포팅되어 있는, 연료전지 막가습기.
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