JP7719189B2 - 加湿膜の毀損を防止する燃料電池膜加湿器 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池膜加湿器に関し、より具体的には、排ガスの圧力のため、加湿膜が毀損されることを防止できる燃料電池膜加湿器に関する。

燃料電池とは、水素と酸素を結合させて電気を生産する発電型電池である。燃料電池は、乾電池や蓄電池など、一般化学電池とは異なり、水素と酸素が供給される限り、電気を生産し続けることができ、熱損失がないので、内燃機関より効率が２倍くらい高いという長所がある。
また、水素と酸素の結合により発生する化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換するので、公害物質排出が少ない。したがって、燃料電池は、環境親和的であり、かつ、エネルギー消費増加による資源枯渇に対する心配を減らすことができるという長所がある。
このような燃料電池は、使用される電解質の種類によって、大別して、高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ）、リン酸型燃料電池（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ Ａｃｉｄ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＭＣＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）、及びアルカリ型燃料電池（Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＡＦＣ）などに分類することができる。

これらのそれぞれの燃料電池は、元々同じ原理により作動するが、使用される燃料の種類、運転温度、触媒、電解質などが互いに異なる。この中で、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、他の燃料電池に比べて低温で動作するという点、及び出力密度が大きくて、小型化が可能であるので、小規模据え置き型発電装備だけでなく、輸送システムでも最も有望なものと知られている。
高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）の性能を向上させるにあたり、最も重要な要因のうち１つは、膜－電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）の高分子電解質膜（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ＭｅｍｂｒａｎｅまたはＰｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ：ＰＥＭ）に一定量以上の水分を供給することによって含水率を維持させることである。高分子電解質膜が乾燥されれば、発電効率が急激に低下するためである。
高分子電解質膜を加湿する方法では、１）内圧容器に水を満たした後、対象気体を拡散器（ｄｉｆｆｕｓｅｒ）に通過させて水分を供給するバブラ（ｂｕｂｂｌｅｒ）加湿方式、２）燃料電池反応に必要な供給水分量を計算し、ソレノイドバルブを介してガス流動管に直接水分を供給する直接噴射（ｄｉｒｅｃｔ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）方式、及び３）高分子分離膜を利用してガスの流動層に水分を供給する加湿膜方式などがある。
これらの中でも、排ガス中に含まれる水蒸気のみを選択的に透過させる膜を利用して、水蒸気を高分子電解質膜に供給される空気に提供することによって高分子電解質膜を加湿する膜加湿方式が膜加湿器を軽量化及び小型化できるという点で有利である。

膜加湿方式に使用される選択的透過膜は、モジュールを形成する場合、単位体積当り透過面積が大きい中空糸膜が好ましい。すなわち、中空糸膜を利用して膜加湿器を製造する場合、接触表面積が広い中空糸膜の高集積化が可能であって、小容量でも燃料電池の加湿が十分になされることができ、低価素材の使用が可能であり、燃料電池において高温で排出される排ガス（ｏｆｆ－ｇａｓ）に含まれた水分と熱を回収し、膜加湿器を介して再使用できるという利点を有する。
図１は、従来技術に係る燃料電池膜加湿器が示された分解斜視図である。図１に示されたように、従来技術の燃料電池膜加湿器１０は、外部から供給される空気と燃料電池スタック（図示せず）から排出される排ガスとの間の水分交換が起こる加湿モジュール１１、及び加湿モジュール１１の両端に結合されたキャップ１２を備える。
キャップ１２のうち１つは、外部から供給される空気を加湿モジュール１１に供給し、他の１つは、加湿モジュール１１により加湿された空気を燃料電池スタックに供給する。
加湿モジュール１１は、排ガス流入口（ｏｆｆ－ｇａｓ ｉｎｌｅｔ）１１ａａと排ガス排出口（ｏｆｆ－ｇａｓ ｏｕｔｌｅｔ）１１ａｂとを有するミッド－ケース（ｍｉｄ－ｃａｓｅ）１１ａ、及びミッド－ケース１１ａ内の複数の中空糸膜１１ｂを備える。中空糸膜１１ｂの束の両末端は、ポッティング部１１ｃに固定される。ポッティング部１１ｃは、一般的にキャスティング（ｃａｓｔｉｎｇ）方式によって液状ポリウレタン樹脂のような液状ポリマーを硬化させることにより形成される。

外部から供給される空気は、中空糸膜１１ｂの中空に沿って流れる。排ガス流入口１１ａａを介してミッド－ケース１１ａ内に流入した排ガスは、中空糸膜１１ｂの外表面と接触した後、排ガス排出口１１ａｂを介してミッド－ケース１１ａから排出される。排ガスが中空糸膜１１ｂの外表面と接触するとき、排ガス内に含有されていた水分が中空糸膜１１ｂを透過することによって中空糸膜１１ｂの中空に沿って流れていた空気を加湿する。
複数の中空糸膜１１ｂの末端が固定されているポッティング部１１ｃ、及びポッティング部１１ｃとミッド－ケース１１ａとの間の樹脂層１１ｄは、キャップ１２の内部空間とミッド－ケース１１ａの内部空間とを遮断する。ポッティング部１１ｃと同様に、樹脂層１１ｄは、一般的にキャスティング方式によって液状ポリウレタン樹脂のような液状ポリマーを硬化させることにより形成される。
一方、排ガス流入口１１ａａを介して流入した排ガスは、相対的に高圧の排ガスであり、中空糸膜１１ｂは、相対的に高圧の排ガスと直接接触するようになり、排ガスの圧力のため、排ガスと接触する部分の中空糸膜が毀損されるという問題がある。
上記において、選択的透過膜が中空糸膜である場合を例示したが、選択的透過膜が膜シートからなる平膜である場合にも同様に、高圧の排ガスとの直接接触のため、平膜が毀損されるという問題がある。

本発明は、排ガスの圧力のため、排ガスと接触する部分の加湿膜が毀損されることを防止できる燃料電池膜加湿器を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器は、
外部から供給される空気を燃料電池スタックから排出される排ガス内の水分で加湿する加湿モジュールと、前記加湿モジュールの両末端に各々結合されたキャップとを備え、前記加湿モジュールは、前記排ガスが流入する排ガス流入口が形成されたミッド－ケースと、前記ミッド－ケース内に配置され、複数の加湿膜を収容する少なくとも１つのカートリッジと、前記排ガス流入口が形成されたミッド－ケースの内壁から前記カートリッジ方向に傾斜して形成されて、前記排ガスが前記加湿膜を直接接触することを防止する加湿膜保護部材とを備える。
本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記加湿膜保護部材は、前記ミッド－ケースの内壁から前記カートリッジ方向に予め設定された角度で傾斜して形成された保護部材ボディーと、前記保護部材ボディーに形成された少なくとも１つ以上の流動ホールとを備えることができる。
本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記流動ホールは、前記排ガス流入口の方向と非平行なように形成されることができる。
本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記流動ホールは、前記保護部材ボディーの方向と垂直になるように形成されることができる。
本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記加湿膜は、内部が空いている中空状の膜で形成された中空糸膜または対向する一対の膜シートからなる平膜であることができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記加湿モジュールの各末端に機械的組立によって気密に結合されるガスケット組立体をさらに備え、前記ガスケット組立体は、前記カートリッジの端部が挿入されるホールを備え、前記ホールに挿入された前記カートリッジ端部と密着して水平方向の振動を吸収するパッキング部と、前記パッキング部と連結形成され、前記ミッド－ケースの端部に形成された溝と前記キャップの端部により形成された空間に介在されるエッジ部と、前記カートリッジと前記パッキング部との間で前記カートリッジと前記パッキング部とを接触するように形成されたシーリング部とを備えることができる。
本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記パッキング部は、前記カートリッジ端部が挿入されるホールが形成されたボディー部材と、前記ボディー部材の一端に形成され、前記ホールに挿入された前記カートリッジ端部と密着して形成された突出部材とを備えることができる。
本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記カートリッジは、端部に開口が形成され、前記複数の加湿膜が収容されるインナーケースと、前記複数の加湿膜の末端部が固定され、前記インナーケースの開口を閉鎖させるポッティング部とを備えることができる。
本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記ポッティング部の少なくとも一部は、前記インナーケース外に位置し、前記突出部材は、前記ポッティング部に加圧密着されることができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記ポッティング部全体が前記インナーケース内に位置し、前記突出部材は、前記インナーケースに加圧密着されることができる。
本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記エッジ部は、両方向に突出されたエッジウィングを備え、前記エッジウィングは、前記ミッド－ケース端部に形成された溝を満たしながら介在されて、前記ミッド－ケースの内部と外部、そして前記ミッド－ケースと前記キャップとを封止することができる。
本発明の実施形態に係る燃料電池膜加湿器において、前記パッキング部と前記エッジ部との各々は３０～７０Ｓｈｏｒｅ Ａの第１の硬度を有し、前記パッキング部の少なくとも一部と前記エッジ部の少なくとも一部とに挿入されて形成され、前記第１の硬度より高い第２の硬度を有する補強部材をさらに備えることができる。
その他、本発明の様々な側面による実現例の具体的な事項は、以下の詳細な説明に含まれている。

本発明によれば、排ガスの圧力のため、加湿膜が毀損されることを防止できる。

従来技術に係る燃料電池膜加湿器が示された分解斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る燃料電池膜加湿器が示された分解斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る燃料電池膜加湿器が示された分解断面図である。 本発明の第１実施形態に係る燃料電池膜加湿器が示された結合断面図である。 本発明の第１実施形態に係る燃料電池膜加湿器の動作状態を説明するための部分断面図である。 本発明の第１実施形態の変形例に係る燃料電池膜加湿器が示された結合断面図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池膜加湿器が示された分解斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池膜加湿器が示された分解断面図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池膜加湿器が示された結合断面図である。 本発明の第２実施形態の変形例に係る燃料電池膜加湿器が示された結合断面図である。

本発明は、様々な変換を加えることができ、種々の実施形態を有することができるところ、特定実施形態を例示し、詳細な説明に詳細に説明しようとする。しかし、これは、本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変換、均等物ないし代替物を含むことと理解されなければならない。
本発明において使用した用語は、単に特定の実施形態を説明するために使用されたものであって、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は、文脈上明白に異なるように意味しない限り、複数の表現を含む。本明細書において、「含む」または「有する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部品、またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであり、１つまたはそれ以上の他の特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部品、またはこれらを組み合わせたものの存在または付加可能性を予め排除しないことと理解されるべきである。以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る加湿膜の毀損を防止する燃料電池膜加湿器を説明する。

図２は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池膜加湿器が示された分解斜視図であり、図３は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池膜加湿器が示された分解断面図であり、図４は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池膜加湿器が示された結合断面図であり、図５は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池膜加湿器の動作状態を説明するための部分断面図である。
図２～図５に示すように、本発明の第１実施形態に係る燃料電池膜加湿器１００は、加湿モジュール１１０とキャップ１２０とガスケット組立体１３０と加湿膜保護部材１４０とを備える。
加湿モジュール１１０は、外部から供給される空気を燃料電池スタックから排出される排ガス内の水分で加湿する。加湿モジュール１１０の両末端の各々は、キャップ１２０と結合される。キャップ１２０のうち、いずれか１つは、外部から供給される空気を加湿モジュール１１０に供給し、他の１つは、加湿モジュール１１０により加湿された空気を燃料電池スタックに供給する。ガスケット組立体１３０は、加湿モジュール１１０の各末端に機械的組立によって気密に結合される。加湿膜保護部材１４０は、排ガス流入口１１１ａを介して流入した排ガスが加湿膜と直接接触して加湿膜を毀損させることを防止する。
加湿膜は、大別して、中空糸膜と平膜とがある。中空糸膜は、内部が空いている中空状の膜であって、中空状のチャネルを介してガスが流動する。平膜は、対向する一対の膜シートからなり、一対の膜シート間にはスペーサが配置されて、膜シートが接触することを防止しながらチャネルを形成する。膜シート間のチャネルを介してガスが流動する。以下の説明において、加湿膜は、中空糸膜であることを例示として説明するが、平膜である場合にも、同様に適用されることができる。

加湿モジュール１１０は、外部から供給される空気と排ガスとの間の水分交換が起こる装置であって、排ガス流入口１１１ａと排ガス排出口１１１ｂとを有するミッド－ケース１１１、及びミッド－ケース１１１内に配置される少なくとも１つのカートリッジ１１２を備えることができる。
ミッド－ケース１１１とキャップ１２０とは、各々独立的に硬質プラスチックや金属で形成されることができ、円形または多角形の幅方向断面を有することができる。円形は、楕円形を含み、多角形は、丸い角（ｒｏｕｎｄｅｄ ｃｏｒｎｅｒ）を有する多角形を含む。例えば、硬質プラスチックは、ポリカーボネート、ポリアミド（ＰＡ）、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）などであることができる。ミッド－ケース１１１の内部空間は、隔壁（ｐａｒｔｉｔｉｏｎｓ）１１１ｃにより第１の空間Ｓ１と第２の空間Ｓ２とに仕切られることができる。
カートリッジ１１２は、複数の中空糸膜１１２ａ及びこれらを互いに固定させるポッティング部１１２ｂを備えることができる。中空糸膜１１２ａの末端は、ポッティング部１１２ｂに固定されることができる。
また、カートリッジ１１２は、インナーケース（ｉｎｎｅｒ ｃａｓｅ）１１２ｃをさらに備えることができる。インナーケース１１２ｃは、各末端に開口（ｏｐｅｎｉｎｇ）を有し、中空糸膜１１２ａがその中に入っている。中空糸膜１１２ａの端部がポッティングされているポッティング部１１２ｂは、インナーケース１１２ｃの開口を閉鎖させる。
図３のように、ポッティング部１１２ｂの少なくとも一部がインナーケース１１２ｃ外に位置しうるし、ガスケット組立体１３０の突出部材１３１ｂは、ポッティング部１１２ｂに密着することができる。または、図６のように、ポッティング部１１２ｂ全体がインナーケース１１２ｃ内に位置し、ガスケット組立体１３０の突出部材１３１ｂがポッティング部１１２ｂでないインナーケース１１２ｃに密着することができる。

インナーケース１１２ｃは、第１の空間Ｓ１との流体連通のために、メッシュ形態で配列された複数のホール（以下、「第１のメッシュホール」）ＭＨ１及び第２の空間Ｓ２との流体連通のために、メッシュ形態で配列された複数のホール（以下、「第２のメッシュホール」）ＭＨ２を備える。
排ガス流入口１１１ａを介してミッド－ケース１１１の第１の空間Ｓ１に流入した排ガスは、第１のメッシュホールＭＨ１を介してインナーケース１１２ｃ内に流れ込んで中空糸膜１１２ａの外表面と接触する。次いで、水分を奪われた排ガスは、第２のメッシュホールＭＨ２を介して第２の空間Ｓ２に抜け出した後、排ガス排出口１１１ｂを介してミッド－ケース１１１から排出される。このようなインナーケース１１２ｃを備えるカートリッジ１１２は、ミッド－ケース１１１に容易に組み立てられ得るだけでなく、容易に交替されることができるという長所を有する。
中空糸膜１１２ａは、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、スルホン化ポリスルホン樹脂、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）樹脂、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエステルイミド樹脂、またはこれらのうち、少なくとも２つ以上の混合物で形成された高分子膜を含むことができ、ポッティング部１１２ｂは、ディップポッティング、遠心ポッティングなどのキャスティング方式によって液状ポリウレタン樹脂のような液状樹脂を硬化させることにより形成されることができる。
外部から供給される空気は、中空糸膜１１２ａの中空に沿って流れる。排ガス流入口１１１ａを介してミッド－ケース１１１内に流入した排ガスは、中空糸膜１１２ａの外表面と接触した後、排ガス排出口１１１ｂを介してミッド－ケース１１１から排出される。排ガスが中空糸膜１１２ａの外表面と接触するとき、排ガス内に含有されていた水分が中空糸膜１１２ａを透過することによって中空糸膜１１２ａの中空に沿って流れていた空気を加湿する。

ガスケット組立体１３０は、加湿モジュール１１０の各末端に機械的組立によって気密に結合されることができる。ガスケット組立体１３０の機械的組立によってミッド－ケース１１１とキャップ１２０との間の空気漏れを防止するので、従来技術のキャスティング工程（すなわち、液状樹脂を鋳型に注入し、硬化する工程）及び追加的シーリング工程（すなわち、シーラントを塗布し、硬化させる工程）などを省略することができる。
また、ガスケット組立体１３０は、機械的組立によって加湿モジュール１００に装着されるので、加湿モジュール１１０の特定部分（例えば、カートリッジ１１２）に異常が発生する場合、ガスケット組立体１３０を加湿モジュール１１０から機械的に簡単に分離した後、当該部分だけを修理または交替することが可能である。
図３に示すように、ガスケット組立体１３０は、パッキング部１３１、エッジ部１３２、シーリング部１３３を備える。パッキング部１３１とエッジ部１３２とは、２０～７０Ｓｈｏｒｅ Ａ、好ましくは、３０～６０Ｓｈｏｒｅ Ａの第１の硬度を有する弾性物質（例えば、シリコン、ゴムなど）で形成されることができる。シーリング部１３３は、固相シーリング材、液相シーリング材のうち、少なくともいずれか１つを含むことができる。固相シーリング材は、シリコン、アクリルラバー、ＥＰＤＭ、ＮＢＲなどのような材質で製造されることができ、液相シーリング材は、シリコン、ウレタンなどのような材質で製造されることができる。
パッキング部１３１は、カートリッジ１１２の端部（例えば、ポッティング部１１２ｂ）が挿入されるホールＨを備え、ミッド－ケース１１１とカートリッジ１１２との間に介在される。パッキング部１３１は、ボディー部材１３１ａと突出部材１３１ｂとを備える。

ボディー部材１３１ａは、カートリッジ１１２端部（例えば、ポッティング部１１２ｂ）が挿入されるホールＨを備え、ホールＨは、カートリッジ１１２端部の形状と対応する形状で形成される。ボディー部材１３１ａからミッド－ケース１１１側に突出形成された下部ボディー部材１３１ａａは、断面が多角形状（例えば、台形）で形成されることができ、キャップ１２０側に形成された上部ボディー部材１３１ａｂは、平面形状で形成されることができる。下部ボディー部材１３１ａａとカートリッジポッティング部１１２ｂとの間には、シーリング部１３３が配置される空間が形成される。また、下部ボディー部材１３１ａａとエッジ部１３２との間には、ミッド－ケース１１１の端部１１１ｄが挟まれる溝Ｇが形成される。
突出部材１３１ｂは、ホールＨに挿入されたカートリッジポッティング部１１２ｂと接触するようにボディー部材１３１ａの一端に形成される。突出部材１３１ｂは、ボディー部材１３１ａの一端部から突出された少なくとも１個以上の環状突起であることができる。突出部材１３１ｂは、弾性力によってカートリッジポッティング部１１２ｂを加圧しながら接触し、ミッド－ケース１１１の空間とキャップ１２０による空間とを気密にすることができる。したがって、突出部材１３１ｂは、ミッド－ケース１１１内の流体がキャップ１２０側に形成された空間に流れることを防止できる。また、突出部材１３１ｂは、弾性を有しているので、振動緩衝機能を果たすことができ、したがって、加湿器１００の振動による損傷を防止できる。
エッジ部１３２は、ボディー部材１３１ａの他端に形成される。エッジ部１３２は、ミッド－ケースの端部に形成された溝１１１ｅとキャップの端部１２０ａにより形成された空間に介在されることができる。エッジ部１３２は、両方向に突出されたエッジウィング１３２ａ、１３２ｂを備えることができる。エッジウィング１３２ａ、１３２ｂは、加湿モジュール１１０の長さ方向に形成されることができる。組立の際に、ミッド－ケース端部の溝１１１ｅにエッジウィング１３２ａ、１３２ｂを挿入し、キャップの端部１２０ａがエッジウィング１３２ｂを加圧した後、ボルトＢなどの締め付け手段で締め付けて組み立てることができる。このとき、エッジウィング１３２ａ、１３２ｂは、弾性を有した物質からなるので、エッジウィング１３２ａ、１３２ｂは、ミッド－ケース端部の溝１１１ｅ空間を一定部分満たしながら介在されることができる。ミッド－ケース１１１とキャップ１２０との端部側面には、ボルト締め付けのための締め付け孔が形成された締め付け切片１１１ｆ、１２０ｂが形成され得る。エッジウィング１３２ａ、１３２ｂは、ミッド－ケース端部の溝１１１ｅを気密にしてミッド－ケース１１１の内部と外部、そしてミッド－ケース１１１とキャップ１２０とを封止させることができる。

シーリング部１３３は、カートリッジ１１２とパッキング部１３１との間でカートリッジ１１２とパッキング部１３１とを接触するように形成される。具体的に、シーリング部１３３は、カートリッジのポッティング部１１２ｂとパッキング部の下部ボディー部材１３１ａａとを同時に接触（または、接着）するように形成される。シーリング部１３３は、ミッド－ケース１１１の空間とキャップ１２０の空間とを気密にしてミッド－ケース１１１内の流体がキャップ１２０側に流動することを防止する。
また、ガスケット組立体１３０は、補強部材１３４をさらに備えることができる。補強部材１３４は、第１の硬度より高い第２の硬度を有することができる。例えば、補強部材１３４は、金属、熱可塑性または熱硬化性樹脂などで形成されることができる。補強部材１３４は、ガスケット組立体１３０成形の際、金型に金属プレートを挿入した後に製造することにより、ガスケット組立体１３０内に挿入されて形成されることができる。補強部材１３４は、パッキング部１３１の少なくとも一部とエッジ部１３２の少なくとも一部とに挿入されて形成されることができる。補強部材１３４は、ガスケット組立体１３０の中で変形に脆弱な部分（溝Ｇが形成された部分）に形成されることができる。パッキング部１３１及びエッジ部１３２より高い硬度を有する補強部材１３４は、ガスケット組立体１３０を加湿モジュール１１０に機械的に組み立てるとき、または加湿器運転中にボディー部材１３１ａの変形が引き起こされることを防止することにより、空気漏れをより確実に担保することができる。
加湿膜保護部材１４０は、排ガス流入口１１１ａが形成されたミッド－ケース１１１の内壁からカートリッジ１１２方向に所定角度で傾斜して形成されることができる。

図５に示すように、排ガス流入口１１１ａを介して流入した排ガスは、加湿膜保護部材１４０によりガイドされながら第１のメッシュホールＭＨ１に流入することができる。排ガスは、先に加湿膜保護部材１４０に衝突して、ある程度圧力が損失された後に第１のメッシュホールＭＨ１に流入するので、カートリッジ１１２内に収容された中空糸膜は、圧力損失された排ガスと接触するようになる。したがって、加湿膜保護部材１４０は、排ガス流入口１１１ａを介して流入した排ガスが中空糸膜と直接接触して中空糸膜を毀損させることを防止できるようになる。
具体的に、加湿膜保護部材１４０は、ミッド－ケース１１１の内壁からカートリッジ１１２方向に所定角度で傾斜して形成された保護部材ボディー１４１と、保護部材ボディー１４１に所定個数で形成された流動ホール１４２とを備えることができる。流動ホール１４２は、必ず必要なものではない。すなわち、保護部材ボディー１４１のみで中空糸膜の毀損を防止できる。ただし、保護部材ボディー１４１だけある場合、排ガスの圧力損失が過度になる恐れがあるので、選択的に流動ホール１４２を形成して、排ガスによる中空糸膜の毀損を防止しながら排ガスの圧力損失を減らして加湿効率を向上させることができる。このとき、流動ホール１４２の方向が排ガス流入口１１１ａの方向と平行な場合、高圧の排ガスが直接中空糸膜と接触するようになるので、流動ホール１４２の方向は、排ガス流入口１１１ａの方向と非平行なように形成されることが好ましい。より好ましくは、流動ホール１４２の方向は、保護部材ボディー１４１の方向と垂直になることができる。
図６は、本発明の第１実施形態の変形例に係る燃料電池膜加湿器が示された結合断面図である。図６に示すように、本発明の第１実施形態の変形例に係る燃料電池膜加湿器１００ａは、ポッティング部１１２ｂ全体がインナーケース１１２ｃ内に位置し、ガスケット組立体１３０の突出部材１３１ｂがポッティング部１１２ｂでないインナーケース１１２ｃに密着するということを除いては、上述した第１実施形態に係る燃料電池膜加湿器１００と実質的に同様である。

次に、図７～図９を参照して本発明の第２実施形態に係る燃料電池膜加湿器を説明する。図７は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池膜加湿器が示された分解斜視図であり、図８は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池膜加湿器が示された分解断面図であり、図９は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池膜加湿器が示された結合断面図である。
図７～図９に示されたように、本発明の第２実施形態に係る燃料電池膜加湿器２００は、（ｉ）加湿モジュール１１０が２個以上のカートリッジ２１２を備え、（ｉｉ）ガスケット組立体２３０は、２個以上のカートリッジ２１２が各々挿入される２個以上のホールＨを備える点を除いては、前述した第１実施形態に係る燃料電池膜加湿器１００と実質的に同様である。
このとき、ガスケット組立体２３０は、カートリッジポッティング部２１２ｂと接触するように、ボディー部材１３１ａ（図３参照）の一端に形成される２個以上の突出部材１３１ｂ（図３参照）を備え、カートリッジ２１２とパッキング部１３１（図３参照）との間でカートリッジ２１２とパッキング部１３１とを接触するように形成される２個以上のシーリング部１３３（図３参照）を備えることができる。
インナーケース２１２ｃを各々備える複数のカートリッジ２１２が一定間隔をおいてミッド－ケース１１１内に装着されることにより、ミッド－ケース１１１内に存在する全ての中空糸膜２１２ａに排ガスが均一に分配され得るだけでなく、問題が発生した特定カートリッジ２１２のみを選別的に交替することができ、燃料電池膜加湿器２００の維持補修費用をさらに低減できる。

図１０は、本発明の第２実施形態の変形例に係る燃料電池膜加湿器が示された結合断面図である。図１０に示すように、本発明の第２実施形態の変形例に係る燃料電池膜加湿器２００ａは、ポッティング部２１２ｂ全体がインナーケース２１２ｃ内に位置し、ガスケット組立体２３０の突出部材は、ポッティング部２１２ｂでないインナーケース２１２ｃに密着するということを除いては、上述した第２実施形態に係る燃料電池膜加湿器２００と実質的に同様である。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、当該技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された本発明の思想から逸脱しない範囲内で、構成要素の付加、変更、削除、または追加などによって本発明を様々に修正及び変更させ得るであろうし、これも本発明の権利範囲内に含まれるといえるであろう。

１００、１００ａ、２００、２００ａ：燃料電池膜加湿器
１１０：加湿モジュール １１１：ミッド－ケース
１１１ａ：排ガス流入口 １１１ｂ：排ガス排出口
１１１ｃ：隔壁 １１２、２１２：カートリッジ
１１２ａ、２１２ａ：中空糸膜 １１２ｂ、２１２ｂ：ポッティング部
１１２ｃ、２１２ｃ：インナーケース １２０：キャップ
１３０、２３０：ガスケット組立体
１４０：加湿膜保護部材 １４１：保護部材ボディー
１４２：流動ホール

Claims (7)

1. 外部から供給される空気を燃料電池スタックから排出される排ガス内の水分で加湿する加湿モジュールと、
   前記加湿モジュールの両末端に各々結合されたキャップと、
   を備え、
   前記加湿モジュールは、
   前記排ガスが流入する排ガス流入口が形成されたミッド－ケースと、
   前記ミッド－ケース内に配置され、複数の加湿膜を収容する少なくとも１つのカートリッジと、
   前記排ガス流入口が形成されたミッド－ケースの内壁から前記カートリッジ方向に傾斜して形成されて、前記排ガスが前記加湿膜を直接接触することを防止する加湿膜保護部材と、を備え、
   前記加湿膜保護部材は、
   前記ミッド－ケースの内壁から前記カートリッジ方向に予め設定された角度で傾斜して形成された保護部材ボディーと、
   前記保護部材ボディーに形成された少なくとも１つ以上の流動ホールと、
   を備え、
   前記保護部材ボディーは、前記排ガス流入孔から流入する排ガスを衝突させて、排ガスの圧力を損失させることが出来、
   前記流動ホールは、前記排ガス流入口の方向と非平行なように形成され、前記保護部材ボディーの方向と垂直になるように形成されており、
   前記カートリッジは、複数の中空糸膜を収容し、
   前記加湿モジュールの各末端に機械的組立によって気密に結合されるガスケット組立体をさらに備え、
   前記ガスケット組立体は、
   前記カートリッジの端部が挿入されるホールを備え、前記ホールに挿入された前記カートリッジ端部と密着して水平方向の振動を吸収するパッキング部と、
   前記パッキング部と連結形成され、前記ミッド－ケースの端部に形成された溝と前記キャップの端部により形成された空間に介在されるエッジ部と、
   前記カートリッジと前記パッキング部との間で前記カートリッジと前記パッキング部とを接触するように形成されたシーリング部と、を備え
   前記パッキング部は、
   前記カートリッジ端部が挿入されるホールが形成されたボディー部材と、
   前記ボディー部材の一端に形成され、前記ホールに挿入された前記カートリッジ端部と密着して形成された突出部材と、
   を備える、燃料電池膜加湿器。
2. 前記加湿膜は、内部が空いている中空状の膜で形成された中空糸膜または対向する一対の膜シートからなる平膜である請求項１に記載の燃料電池膜加湿器。
3. 前記カートリッジは、
   端部に開口が形成され、前記複数の中空糸膜が収容されるインナーケースと、
   前記複数の中空糸膜の末端部が固定され、前記インナーケースの開口を閉鎖させるポッティング部と、
   を備える請求項１に記載の燃料電池膜加湿器。
4. 前記ポッティング部の少なくとも一部は、前記インナーケース外に位置し、
   前記突出部材は、前記ポッティング部に加圧密着される請求項３に記載の燃料電池膜加湿器。
5. 前記ポッティング部全体が前記インナーケース内に位置し、
   前記突出部材は、前記インナーケースに加圧密着される請求項３に記載の燃料電池膜加湿器。
6. 前記エッジ部は、
   両方向に突出されたエッジウィングを備え、
   前記エッジウィングは、前記ミッド－ケース端部に形成された溝を満たしながら介在されて、前記ミッド－ケースの内部と外部、そして前記ミッド－ケースと前記キャップとを封止する請求項１に記載の燃料電池膜加湿器。
7. 前記パッキング部と前記エッジ部との各々は、３０～７０Ｓｈｏｒｅ Ａの第１の硬度を有し、
   前記パッキング部の少なくとも一部と前記エッジ部の少なくとも一部とに挿入されて形成され、前記第１の硬度より高い第２の硬度を有する補強部材をさらに備える請求項１に記載の燃料電池膜加湿器。