JP7770414B2 - 燃料電池用加湿器のカートリッジ及び燃料電池用加湿器 - Google Patents

Description

本発明は、加湿された気体を燃料電池に供給するための燃料電池用加湿器に関する。

燃料電池は、乾電池や蓄電池などの一般化学電池とは違い、水素と酸素が供給される限りは電気を生産し続けることができ、熱損失がないので、内燃機関に比べて効率が２倍程高いという長所がある。

また、水素と酸素との結合によって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、公害物質の排出が少ない。したがって、燃料電池は環境にやさしい他、エネルギー消費の増加による資源枯渇の心配も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、大きく、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）などに分類できる。

これらの各燃料電池は、根本的に同一原理によって作動するが、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。特に、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いため小型化が可能な点から、小規模据置型発電装備の他に輸送システムにおいて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上で最も重要な要素の一つは、膜－電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）の高分子電解質膜（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ又は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保たせることである。高分子電解質膜が乾燥すると発電効率が急に低下するためである。

高分子電解質膜を加湿する方法には、１）耐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ー（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、ソレノイド弁を通してガス流動管に水分を直接供給する直接噴射（ｄｉｒｅｃｔ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）方式、及び３）高分子分離膜を用い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だけを選択的に透過させる膜を用いて、高分子電解質膜に供給される空気に水蒸気を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、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。

膜加湿方式に用いられる選択的透過膜は、モジュールを形成する場合に単位体積当たりの透過面積が大きい中空糸膜が好ましい。すなわち、中空糸膜を用いて加湿器を製造すると、接触表面積の広い中空糸膜を高集積化できるので、小容量でも燃料電池の加湿が十分となり、低価素材の使用が可能であり、燃料電池から排出される高温の排ガス（ｏｆｆ－ｇａｓ）中の水分と熱を回収し、加湿器を用いて再使用できるという利点がある。

図１は、通常の燃料電池用加湿器の概略分解斜視図である。

図１に例示するように、通常の膜加湿方式の加湿器１００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に水分取替が起きる加湿モジュール１１０、及び該加湿モジュール１１０の両端に結合しているギャップ１２０を含む。

前記ギャップ１２０のいずれか一方は、外部から供給される空気を前記加湿モジュール１１０に伝達し、他方は、前記加湿モジュール１１０によって加湿された空気を燃料電池スタックに伝達する。

前記加湿モジュール１１０は、排ガス湿潤気体流入口（ｏｆｆ－ｇａｓ ｉｎｌｅｔ）１１１ａと排ガス湿潤気体流出口（ｏｆｆ－ｇａｓ ｏｕｔｌｅｔ）１１１ｂを有するミッドケース（ｍｉｄ－ｃａｓｅ）１１１、及び前記ミッドケース１１１内の複数の中空糸膜１１２を含む。前記中空糸膜１１２の束の両端は固定層１１３にポッティングされている。前記固定層１１３は、一般的にキャスティング（ｃａｓｔｉｎｇ）方式で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って形成される。前記中空糸膜１１２の末端がポッティングされている固定層１１３及び前記固定層１１３と前記ミッドケース１１１との間の樹脂層１１４が前記キャップ１２０の内部空間を前記ミッドケース１１１の内部空間から遮断する。前記固定層１１３と同様に、前記樹脂層１１４は、一般に、キャスティング方式で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って形成される。

外部から供給される空気は、前記中空糸膜１１２の中空に沿って流れる。前記排ガス湿潤気体流入口１１１ａから前記ミッドケース１１１内に流入した排ガスは、前記中空糸膜１１２の外表面と接触した後、前記排ガス湿潤気体流出口１１１ｂを通って前記ミッドケース１１１から流出する。前記排ガスが前記中空糸膜１１２の外表面と接触する際に、前記排ガス中に含有されている水分が前記中空糸膜１１２を透過することにより、前記中空糸膜１１２の中空に沿って流れている空気を加湿する。

最近には、水素電気車のように多様な使用先に燃料電池が用いられており、燃料電池の性能を高めるために、燃料電池用加湿器が高い加湿効率を有することが要求されている。したがって、燃料電池用加湿器の加湿効率を高めることができる技術の開発が切実に要求される。

本発明は上述したような要求を解消しようと案出されたものであり、燃料電池が必要とする加湿効率を有することができる燃料電池用加湿器のカートリッジ及び燃料電池用加湿器を提供するためのものである。

前記のような課題を解決するために、本発明は次のような構成を含むことができる。

本発明による燃料電池用加湿器は、燃料電池スタックから排出された湿潤気体を用いて、外部から供給された乾燥気体を加湿するための加湿モジュールと、前記加湿モジュールの一端に結合した第１キャップと、前記加湿モジュールの他端に結合した第２キャップとを含むことができる。前記加湿モジュールは、両端が開放しているミッドケースと、前記ミッドケース内に配置された少なくとも一つのカートリッジ（Ｃａｒｔｒｉｄｇｅ）とを含むことができる。前記カートリッジは、両端が開放しているインナーケース（Ｉｎｎｅｒ Ｃａｓｅ）と、前記インナーケースに収容されている中空糸膜束と、前記インナーケースに第１軸方向に離隔して形成されたインナー流入口及びインナー流出口と、前記インナーケースの一端で前記中空糸膜束の一端を固定する第１ポット層と、前記インナーケースの他端で前記中空糸膜束の他端を固定する第２ポット層とを含むことができる。前記第１軸方向に垂直な第２軸方向を基準として、前記第１ポット層がポッティングされるインナーケースの一端の内部のポット断面積及び前記中空糸膜束の膜断面積に基づくパッキング密度が０．４０５以上０．６２５以下であり得る。

本発明による燃料電池用加湿器のカートリッジは、燃料電池スタックから排出された湿潤気体を用いて、外部から供給された乾燥気体を加湿するための燃料電池用加湿器のカートリッジ（Ｃａｒｔｒｉｄｇｅ）であって、両端が開放しているインナーケース（Ｉｎｎｅｒ Ｃａｓｅ）と、前記インナーケースに収容されている中空糸膜束と、前記インナーケースに第１軸方向に離隔して形成されたインナー流入口及びインナー流出口と、前記インナーケースの一端で前記中空糸膜束の一端を固定する第１ポット層と、前記インナーケースの他端で前記中空糸膜束の他端を固定する第２ポット層と、を含むことができる。前記第１軸方向に垂直な第２軸方向を基準として、前記第１ポット層がポッティングされるインナーケースの一端の内部のポット断面積及び前記中空糸膜束の膜断面積に基づくパッキング密度が０．４０５以上０．６２５以下であり得る。

本発明は、中空糸膜束の割合に関連したパッキング密度を用いて燃料電池が必要とする加湿効率を有することができるように具現されることで、燃料電池の性能を向上させることに寄与することができる。

通常の燃料電池用加湿器の概略分解斜視図である。

本発明に係る燃料電池用加湿器の概略分解斜視図である。

本発明に係る燃料電池用加湿器を図２のＩ－Ｉ線を基準として示す概略分解断面図である。

本発明に係る燃料電池用加湿器を図２のＩ－Ｉ線を基準として示す概略結合断面図である。

本発明による燃料電池用加湿器のカートリッジの概略平面図である。

本発明による燃料電池用加湿器のカートリッジを図５のＩＩ－ＩＩ線に沿って示す概略側断面図である。

図６のＡ部を拡大して示す概略側断面図である。

パッキング密度による膜差圧、ケース差圧、及び総差圧の変化を示すグラフである。

パッキング密度による加湿効率の変化を示すグラフである。

パッキング密度による比較例及び実施例の加湿効率、膜差圧、ケース差圧、総差圧が記載された表である。

図５のＩＩ－ＩＩ線を基準に中空糸膜束を示す概念的側断面図である。 図５のＩＩ－ＩＩ線を基準に中空糸膜束を示す概念的側断面図である。

本発明による燃料電池用加湿器においてミッドケースに２個のカートリッジが結合される実施例の概略分解斜視図である。

本発明による燃料電池用加湿器においてミッドケースに３個のカートリッジが結合される実施例の概略分解斜視図である。

以下では、本発明に係る燃料電池用加湿器の実施例を、添付の図面を参照して詳細に説明する。本発明による燃料電池用加湿器のカートリッジは本発明による燃料電池用加湿器に含まれることができるので、本発明による燃料電池用加湿器の実施例を説明しながら一緒に説明する。

図２～図４、図１０及び図１１を参照すると、本発明に係る燃料電池用加湿器１は、燃料電池スタック（図示せず）から排出された湿潤気体を用いて、外部から供給された乾燥気体を加湿するためのものである。乾燥気体は、燃料ガス又は空気であってもよい。乾燥気体は湿潤気体によって加湿された後、前記燃料電池スタックに供給されることができる。本発明に係る燃料電池用加湿器１は、乾燥気体の加湿のための加湿モジュール２、前記加湿モジュール２の一端に結合した第１キャップ３、及び前記加湿モジュール２の他端に結合した第２キャップ４を含む。

図２～図５を参照すると、前記加湿モジュール２は、外部から供給された気体を加湿するものである。前記加湿モジュール２の一端には前記第１キャップ３が結合することができる。前記加湿モジュール２の他端には前記第２キャップ４が結合することができる。前記第１キャップ３は、乾燥気体を前記加湿モジュール２に伝達することができる。この場合、前記第２キャップ４は、前記加湿モジュール２で湿潤気体によって加湿された乾燥気体を、前記燃料電池スタックに伝達することができる。前記第１キャップ３は湿潤気体を前記加湿モジュール２に伝達することができる。この場合、前記第２キャップ４は前記加湿モジュール２で乾燥気体を加湿した後の湿潤気体を外部に排出することができる。

前記加湿モジュール２は、ミッドケース（Ｍｉｄ－ｃａｓｅ）２１、及び少なくとも一つのカートリッジ（Ｃａｒｔｒｉｄｇｅ）２２を含む。

前記ミッドケース２１は前記カートリッジ２２が結合されたものである。前記カートリッジ２２は前記ミッドケース２１の内部に配置できる。前記ミッドケース２１は両端が開放している。この場合、前記ミッドケース２１には収容孔２１１が形成できる。前記収容孔２１１は前記ミッドケース２１を第１軸方向（Ｘ軸方向）に貫くように形成できる。

前記ミッドケース２１にはミッド流入口２１２及びミッド流出口２１３が形成できる。前記ミッド流入口２１２は前記ミッドケース２１の内部に湿潤気体または乾燥気体を流入させることができる。前記ミッド流出口２１３は前記ミッドケース２１の内部から湿潤気体または乾燥気体を流出させることができる。前記ミッド流入口２１２及び前記ミッド流出口２１３は前記第１軸方向（Ｘ軸方向）に互いに離隔した位置に配置できる。

前記ミッド流入口２１２及び前記ミッド流出口２１３を通して湿潤気体が流動する場合、湿潤気体は前記ミッド流入口２１２を通して前記ミッドケース２１の内部を経て前記カートリッジ２２の内部に供給された後、前記中空糸膜束２２１の外表面と接触することができる。この過程で、湿潤気体に含有されていた水分が前記中空糸膜束２２１を透過することで、前記中空糸膜束２２１の中空に沿って流れている乾燥気体を加湿することができる。加湿された乾燥気体は前記中空糸膜束２２１から流出した後、前記第２キャップ４を通して前記燃料電池スタックに供給できる。乾燥気体を加湿した後の湿潤気体は、前記カートリッジ２２の外部に流出した後、前記ミッドケース２１の内部を経て前記ミッド流出口２１３を通して前記ミッドケース２１の外部に流出することができる。前記ミッド流入口２１２は前記燃料電池スタックに連結されることによって湿潤気体を受けることができる。この場合、湿潤気体は前記燃料電池スタックから排出される排ガス（Ｏｆｆ－ｇａｓ）であり得る。

前記ミッド流入口２１２及び前記ミッド流出口２１３を通して乾燥気体が流動する場合、乾燥気体は前記ミッド流入口２１２を通して前記ミッドケース２１の内部を経て前記カートリッジ２２の内部に供給された後、前記カートリッジ２２が有する中空糸膜束２２１の外表面に接触することができる。この過程で、前記中空糸膜束２２１の中空に沿って流れている湿潤気体の水分が前記中空糸膜束２２１を透過することで、前記カートリッジ２２の内部に流入した乾燥気体を加湿することができる。加湿された乾燥気体は前記カートリッジ２２の外部に流出した後、前記ミッドケース２１の内部を経て前記ミッド流出口２１３を通して前記ミッドケース２１の外部に流出した後、前記燃料電池スタックに供給できる。乾燥気体を加湿した後の湿潤気体は、前記中空糸膜束２２１から流出した後、前記第２キャップ４を通して外部に排出できる。前記第１キャップ３は前記燃料電池スタックに連結されることによって湿潤気体を受けることができる。この場合、湿潤気体は前記燃料電池スタックから排出される排ガス（Ｏｆｆ－ｇａｓ）であり得る。

前記ミッド流入口２１２及び前記ミッド流出口２１３は前記ミッドケース２１から突出することができる。前記ミッド流入口２１２及び前記ミッド流出口２１３は前記ミッドケース２１から互いに同じ方向に突出することができる。前記ミッド流入口２１２及び前記ミッド流出口２１３は前記ミッドケース２１から互いに異なる方向に突出することもできる。前記ミッド流入口２１２、前記ミッド流出口２１３、及び前記ミッドケース２１は一体に形成されることもできる。

前記カートリッジ２２は前記ミッドケース２１内に配置されるものである。前記カートリッジ２２は中空糸膜束２２１を含むことができる。前記中空糸膜束２２１は、複数の 中空糸膜２２１ａを含むことができる。前記中空糸膜束２２１は前記カートリッジ２２に結合されてモジュール化することができる。これにより、前記カートリッジ２２を前記ミッドケース２１に結合させる工程により、前記中空糸膜束２２１は前記ミッドケース２１の内部に設けられることができる。したがって、本発明に係る燃料電池用加湿器１は、前記中空糸膜束２２１に対する設置作業、分離作業、及び取替作業の容易性を向上させることができる。

前記カートリッジ２２は、インナーケース（Ｉｎｎｅｒ ｃａｓｅ）２２２を含むことができる。

前記インナーケース２２２は両端が開放したものである。この場合、前記インナーケース２２２の両端には開口（Ｏｐｅｎｉｎｇ）が形成できる。前記インナーケース２２２の内部には前記中空糸膜束２２１が収容されている。前記中空糸膜束２２１は前記インナーケース２２２の内部に配置されてモジュール化することができる。前記中空糸膜束２２１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リド（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、又はこれらのうち２以上の混合物で形成された高分子膜を含むことができる。

前記カートリッジ２２は第１ポット層２２３を含むことができる。前記第１ポット層２２３はインナーケース２２２の一端で前記中空糸膜束２２１の一端を固定するものである。この場合、前記第１ポット層２２３は前記中空糸膜束２２１の中空を塞げないように形成できる。前記第１ポット層２２３は、キャスティング工程によって、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って形成できる。前記第１ポット層２２３は前記インナーケース２２２に前記中空糸膜束２２１の一端を固定することができる。前記第１ポット層２２３は一部が前記インナーケース２２２の内部に位置し、残りの一部が前記インナーケース２２２の外部に位置することができる。

前記カートリッジ２２は、第２ポット層２２４を含むことができる。前記第２ポット層２２４は前記インナーケース２２２の他端で前記中空糸膜束２２１の他端を固定するものである。この場合、前記第２ポット層２２４は前記中空糸膜束２２１の中空を塞げないように形成できる。よって、乾燥気体または湿潤気体は前記第２ポット層２２４及び前記第１ポット層２２３と干渉せずに前記中空糸膜束２２１の中空に供給でき、前記第２ポット層２２４及び前記第１ポット層２２３と干渉せずに前記中空糸膜束２２１の中空から流出することができる。前記第２ポット層２２４は、キャスティング工程によって、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って形成できる。前記第２ポット層２２４は前記インナーケース２１０及び前記中空糸膜束２２１の他端を固定することができる。前記第２ポット層２２４は一部が前記インナーケース２２２の内部に位置し、残りの一部が前記インナーケース２２２の外部に位置することができる。前記第２ポット層２２４と前記第１ポット層２２３とは前記第１軸方向（Ｘ軸方向）に互いに離隔して配置できる。

前記カートリッジ２２は、インナー流入口２２５、及びインナー流出口２２６を含むことができる。

前記インナー流入口２２５は前記インナーケース２２２に形成されたものである。前記インナー流入口２２５は前記インナーケース２２２の一側に形成できる。例えば、前記インナーケース２２２の一側は上面に相当することができる。前記インナー流入口２２５は前記インナーケース２２２の内部に湿潤気体または乾燥気体を流入させることができる。前記インナー流入口２２５は前記インナーケース２２２を貫通して形成できる。前記インナー流入口２２５は前記インナーケース２２２を貫く単一の貫通孔によって具現できる。図５に示すように、前記インナー流入口２２５は前記インナーケース２２２を貫く複数の貫通孔によって具現されることもできる。この場合、前記インナー流入口２２５は前記インナーケース２２２の相異なる部分を貫くように形成された複数の流入ウィンドウ２２５ａを含むことができる。前記流入ウィンドウ２２５ａは、前記第１軸方向（Ｘ軸方向）及び第２軸方向（Ｙ軸方向）に沿ってそれぞれ互いに離隔して行列状を成すように配置できる。前記第２軸方向（Ｙ軸方向）は前記第１軸方向（Ｘ軸方向）に対して垂直な軸方向である。

前記インナー流出口２２６は前記インナーケース２２２に形成されたものである。前記インナー流出口２２６は前記インナーケース２２２の一側に形成できる。前記インナー流出口２２６は前記インナーケース２２２の内部から湿潤気体または乾燥気体を流出させることができる。前記インナー流出口２２６は前記インナーケース２２２を貫いて形成できる。前記インナー流出口２２６は前記インナーケース２２２を貫く一つの貫通孔によって具現できる。図５に示すように、前記インナー流出口２２６は前記インナーケース２２２を貫く複数の貫通孔によって具現されることもできる。この場合、前記インナー流出口２２６は、前記インナーケース２２２の相異なる部分を貫くように形成された複数の流出ウィンドウ２２６ａを含むことができる。前記流出ウィンドウ２２６ａは前記第１軸方向（Ｘ軸方向）及び前記第２軸方向（Ｙ軸方向）のそれぞれに沿って互いに離隔して行列状を成すように配置できる。前記インナー流出口２２６及び前記インナー流入口２２５は前記第１軸方向（Ｘ軸方向）に沿って互いに離隔した位置に配置できる。

前記インナー流出口２２６及び前記インナー流入口２２５を通して湿潤気体が流動する場合、湿潤気体は前記ミッド流入口２１２を通して前記ミッドケース２１の内面と前記インナーケース２２２の外面との間に供給され、前記インナー流入口２２５を通して前記インナーケース２２２の内部に供給されて前記中空糸膜束２２１の外表面に接触することができる。この過程で、湿潤気体に含有されていた水分が前記中空糸膜束２２１を透過することで、前記中空糸膜束２２１の中空に沿って流れる乾燥気体を加湿することができる。加湿された乾燥気体は前記中空糸膜束２２１から流出した後、前記第２キャップ４を通して前記燃料電池スタックに供給できる。乾燥気体を加湿した後の湿潤気体は前記インナー流出口２２６を通して前記インナーケース２２２の外面と前記ミッドケース２１の内面との間に流出し、前記ミッド流出口２１３を通して前記ミッドケース２１の外部に流出することができる。

前記インナー流出口２２６及び前記インナー流入口２２５を通して乾燥気体が流動する場合、乾燥気体は前記ミッド流入口２１２を通して前記ミッドケース２１の内面と前記インナーケース２２２の外面との間に供給され、前記ミッド流入口２１２を通して前記インナーケース２２２の内部に供給されて前記中空糸膜束２２１の外表面に接触することができる。この過程で、前記中空糸膜束２２１の中空に沿って流れていた湿潤気体の水分が前記中空糸膜束２２１を透過することで、前記インナーケース２２２の内部に流入した乾燥気体を加湿することができる。加湿された乾燥気体は、前記インナー流出口２２６を通して前記インナーケース２２２の外面と前記ミッドケース２１の内面との間に流出し、前記ミッド流出口２１３を通して前記ミッドケース２１の外部に流出した後、前記燃料電池スタックに供給できる。乾燥気体を加湿した後の湿潤気体は、前記中空糸膜束２２１から流出した後、前記第２キャップ４を通して外部に排出できる。

図２～図４を参照すると、前記加湿モジュール２は、キャスティング（Ｃａｓｔｉｎｇ）工程なしに、機械的組立によって前記ミッドケース２１と前記カートリッジ２２との間を密閉させるように具現できる。この場合、前記加湿モジュール２は、第１パッキング部材２３を含むことができる。

前記第１パッキング部材２３は前記加湿モジュール２の一端に結合できる。よって、前記第１パッキング部材２３は、前記第１キャップ３が前記中空糸膜束２２１のみと流体連通するようにすることができる。この場合、前記第１パッキング部材２３は乾燥気体と湿潤気体とが直接的に混合されることを遮断することができる。前記第１パッキング部材２３は、機械的組立によって前記加湿モジュール２の一端に気密に結合できる。したがって、本発明による燃料電池用加湿器１は、相対的に多くの工程時間を要求するキャスティング工程を省略することができるので、生産のための工程時間の短縮によって生産性を向上させることができる。前記第１パッキング部材２３は弾性変形（Ｅｌａｓｔｉｃ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ）可能な素材から形成できる。例えば、前記第１パッキング部材２３はゴム類から形成できる。前記第１パッキング部材２３は、前記カートリッジ２２と前記ミッドケース２１との間を密閉するように、リング形に形成できる。

前記加湿モジュール２は、第２パッキング部材２４を含むことができる。

前記第２パッキング部材２４は前記加湿モジュール２の他端に結合できる。よって、前記第２パッキング部材２４は前記第２キャップ４が前記中空糸膜束２２１のみと流体連通するようにすることができる。この場合、前記第２パッキング部材２４は乾燥気体と湿潤気体とが直接的に混合されることを遮断することができる。前記第２パッキング部材２４は機械的組立によって前記加湿モジュール２の他端に気密に結合できる。したがって、本発明による燃料電池用加湿器１は、相対的に多くの工程時間が要求されるキャスティング工程を省略することができるので、生産のための工程時間の短縮によって生産性を向上させることができる。前記第２パッキング部材２４は弾性変形可能な材質から形成できる。例えば、前記第２パッキング部材２４はゴム類から形成できる。前記第２パッキング部材２４は前記カートリッジ２２と前記ミッドケース２１との間を密閉するようにリング形に形成できる。

図２～図４を参照すると、前記第１キャップ３は前記加湿モジュール２の一端に結合されたものである。前記第１キャップ３は、外部から供給される乾燥気体または湿潤気体を前記加湿モジュール２に伝達することができる。

図２～図４を参照すると、前記第２キャップ４は前記加湿モジュール２の他端に結合されたものである。前記第２キャップ４は、前記加湿モジュール２から伝達された乾燥気体または湿潤気体を外部に流出させることができる。前記加湿モジュール２から加湿された乾燥気体が伝達された場合、前記第２キャップ４は加湿された乾燥気体を前記燃料電池スタックに伝達することもできる。

ここで、本発明による燃料電池用加湿器１は、パッキング密度によって加湿効率を向上させるように具現できる。これについて、図２～図１０を参照して詳細に説明すると次のようである。図１０には、上から下にパッキング密度が小さいものから大きい順に比較例及び実施例が整列されている。

前記パッキング密度は前記インナーケース２２２の内部体積と前記中空糸膜束２２１との間の割合に関するものである。前記パッキング密度が増加するほど前記インナーケース２２２の内部体積に対して前記中空糸膜束２２１が占める体積が大きいものであり、前記パッキング密度が減少するほど前記インナーケース２２２の内部体積に対して前記中空糸膜束２２１が占める体積が小さいものである。前記パッキング密度の増加は、前記中空糸膜束２２１が占める体積の増加及び前記インナーケース２２２の内部体積の減少のうちの少なくとも一つによってなされることができる。前記パッキング密度の減少は、前記中空糸膜束２２１が占める体積の減少及び前記インナーケース２２２の内部体積の増加のうちの少なくとも一つによってなされることができる。前記中空糸膜束２２１が占める体積の増加及び減少は、前記中空糸膜束２２１が有する中空糸膜２２１ａの数の増加及び減少によってなされることができる。

本発明による燃料電池用加湿器１において、前記パッキング密度は膜断面積及びポット断面積に基づいて算出することができる。

前記膜断面積は、前記第２軸方向（Ｙ軸方向）を基準として、前記中空糸膜束２２１の断面積に相当することができる。前記中空糸膜束２２１の断面積は、前記第２軸方向（Ｙ軸方向）を基準として、前記中空糸膜束２２１が有する中空糸膜２２１ａのそれぞれの単位断面積を合わせた値であり得る。前記単位断面積は前記中空糸膜２２１ａの外径（Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｄｉａｍｅｔｅｒ）２２１Ｄ（図７参照）に基づいて算出することができる。この場合、前記単位断面積は前記中空糸膜２２１ａが有する中空２２１ｂ（図７参照）の断面積を含む値である。

前記ポット断面積は、前記第２軸方向（Ｙ軸方向）を基準として、前記第１ポット層２２３がポッティングされるインナーケース２２２の一端の内部の断面積に相当することができる。この場合、前記インナーケース２２２の一端の内部の断面積を前記インナーケース２２２の内部体積に相当する値と見なして前記パッキング密度を算出することができる。前記ポット断面積は前記第２軸方向（Ｙ軸方向）を基準とする前記第１ポット層２２３の断面積と前記膜断面積とを合わせた値に相当することができる。この場合、前記ポット断面積は前記インナーケース２２２の幅２２２Ｈ（図６参照）と前記インナーケース２２２の厚さ２２２Ｔ（図６参照）とを掛けた値であり得る。前記インナーケース２２２の幅２２２Ｈ及び前記インナーケース２２２の厚さ２２２Ｔは前記インナーケース２２２の内面を基準とするものである。前記インナーケース２２２の厚さ２２２Ｔは前記第１軸方向（Ｘ軸方向）及び前記第２軸方向（Ｙ軸方向）の両方に対して垂直な第３軸方向（Ｚ軸方向）を基準とするものである。一方、前記ポット断面積は、前記第２軸方向（Ｙ軸方向）を基準として、前記第２ポット層２２４がポッティングされるインナーケース２２２の他端の内部の断面積と同じ値であり得る。

上述したようなポット断面積及び膜断面積に基づいて前記パッキング密度を算出することができる。前記パッキング密度は前記膜断面積を前記ポット断面積で割った値であり得る。この場合、前記パッキング密度は、前記ポット断面積に対して前記膜断面積が占める割合と定義することができる。前記パッキング密度によって、本発明による燃料電池用加湿器１の加湿効率を変更することができる。これを具体的に説明すると次のようである。

まず、前記パッキング密度が増加すると、前記膜断面積が増加することができる。前記膜断面積が増加するのに伴って前記中空糸膜束２２１が有する中空２２１ｂの断面積を合わせた値が増加するので、前記中空糸膜束２２１を乾燥気体または湿潤気体が通過することができる通過面積が増加することができる。よって、乾燥気体または湿潤気体が前記中空糸膜束２２１を通過するときに作用する差圧［以下、「膜差圧」という］が減少する。これは、図８に示すグラフで前記パッキング密度が増加するほど前記膜差圧が減少することから確認することができる。

次に、前記パッキング密度が増加するほど前記膜差圧が減少するので、加湿効率が続けて増加しなければならないはずであるが、図９に示すように、前記パッキング密度が増加しても加湿効率は続けて増加しないことが分かる。その理由は、前記膜断面積が増加するのに伴い、前記インナーケース２２２の内部で湿潤気体または乾燥気体が通過することができる通過面積が相対的に減少するので、湿潤気体または乾燥気体が前記インナーケース２２２の内部を通過するときに作用する差圧［以下、「ケース差圧」という］が増加しながら加湿効率に影響を及ぼすからである。これは、図８に示すグラフで前記パッキング密度が増加するほど前記ケース差圧が増加することから確認することができる。前記パッキング密度が変化するのに伴い、前記膜差圧よりも前記ケース差圧が大きく変化するので、結果的に前記パッキング密度が変化することにより、前記カートリッジ２２に作用する全体的な差圧［以下、「総差圧」という］の変化は前記ケース差圧の変化によってより大きい影響を受ける。これは、図８に示すグラフで前記総差圧と前記ケース差圧との間の類似度ことから確認することができる。

上述したように、前記中空糸膜束２２１が有する中空糸膜２２１ａの個数を増やすと、前記中空糸膜束２２１を乾燥気体または湿潤気体が通過することができる通過面積が増加するので、前記パッキング密度が増加するほど加湿効率が続けて向上するであろうと予想することができるが、実際には前記パッキング密度が増加するのに伴って前記インナーケース２２２の内部で湿潤気体または乾燥気体が通過することができる通過面積が減少することによって前記ケース差圧が増加するので、加湿効率が続けて向上しないことが分かる。

これに基づき、本発明による燃料電池用加湿器１は、前記パッキング密度が０．４０５以上０．６２５以下に具現できる。図８及び図９に示すように、百分率で示すと、本発明による燃料電池用加湿器１は、前記パッキング密度が４０．５％以上６２．５％以下に具現できる。よって、本発明による燃料電池用加湿器１は加湿効率を高めることができるパッキング密度を有するように具現されるので、燃料電池の性能を向上させることに寄与することができる。これを図８～図１０に基づいて具体的に説明すると次のようである。

まず、前記パッキング密度が０．４０５未満（百分率：４０．５％未満）の場合、前記インナーケース２２２の内部で湿潤気体または乾燥気体が通過することができる通過面積の増加によって前記ケース差圧は低いが、前記中空糸膜束２２１を乾燥気体または湿潤気体が通過することができる通過面積の減少によって前記膜差圧が著しく高いので、前記総差圧が高くなる。よって、前記パッキング密度が０．４０５未満の場合、２７％未満の低い加湿効率を示す。例えば、前記パッキング密度が０．３８（百分率：３８％）の比較例１の場合、前記ケース差圧が４．３ｋＰａと低いが前記膜差圧が１４．１ｋＰａと著しく高いので、１８．４ｋＰａの高い総差圧を示す。よって、比較例１は２３．５％の低い加湿効率を示す。

これとは違い、前記パッキング密度が０．４０５以上（百分率：４０．５％以上）の場合、前記パッキング密度が０．４０５未満（百分率：４０．５％未満）の場合に比べて前記ケース差圧が多少高いが前記膜差圧が著しく低いので、前記総差圧が著しく低くなる。よって、前記パッキング密度が０．４０５以上の場合、２７％以上の高い加湿効率を示す。例えば、前記パッキング密度が０．４０５（百分率：４０．５％）の実施例１の場合、比較例１に比べて前記ケース差圧が５．１ｋＰａと多少高いが前記膜差圧が９．７ｋＰａと著しく低いので、１４．８ｋＰａの低い総差圧を示す。よって、実施例１は比較例１よりも高い２７．１％の加湿効率を示す。

次に、前記パッキング密度が０．６２５超過（百分率：６２．５％超過）の場合、前記中空糸膜束２２１を乾燥気体または湿潤気体が通過することができる通過面積の増加によって前記膜差圧が低いが、前記インナーケース２２２の内部で湿潤気体または乾燥気体が通過することができる通過面積の減少によって前記ケース差圧が著しく高いので、前記総差圧が高くなる。よって、前記パッキング密度が０．６２５超過の場合、２７％未満の低い加湿効率を示す。例えば、前記パッキング密度が０．６５（百分率：６５％）の比較例２の場合、前記膜差圧が４．１ｋＰａと低いが前記ケース差圧が１３．８ｋＰａと著しく高いので、１７．９ｋＰａの高い総差圧を示す。よって、比較例２は２３．１％の低い加湿効率を示す。

これとは違い、前記パッキング密度が０．６２５以下（百分率：６２．５％以下）の場合、前記パッキング密度が０．６２５超過（百分率：６２．５％超過）の場合よりも前記膜差圧が多少高いが前記ケース差圧が著しく低いので、前記総差圧が著しく低くなる。よって、前記パッキング密度が０．６２５以下の場合、２７％以上の高い加湿効率を示す。例えば、前記パッキング密度が０．６２５（百分率：６２．５％）の実施例２の場合、比較例２よりも前記膜差圧が５．３ｋＰａと多少高いが前記ケース差圧が９．９ｋＰａと著しく低いので、１５．２ｋＰａの低い総差圧を示す。よって、実施例２は比較例２よりも高い２７％の加湿効率を示す。

このように、本発明による燃料電池用加湿器１は、前記パッキング密度が０．４０５以上０．６２５以下に具現されるので、前記パッキング密度が０．４０５以下または０．６２５超過に具現された比較例に比べて前記総差圧を著しく低めることによって高い加湿効率を有することができる。よって、本発明による燃料電池用加湿器１は燃料電池スタックに供給される気体の加湿率を高めることができるので、燃料電池の性能を向上させることに寄与することができる。

図２～図１０を参照すると、本発明による燃料電池用加湿器１は、前記パッキング密度が０．５１以上（百分率：５１％以上）に具現されることもできる。よって、本発明による燃料電池用加湿器１はより高い加湿効率を有することができる。これを具体的に説明すると次のようである。

前記パッキング密度が０．５１（百分率：５１％）の実施例３は、前記膜差圧が６．５ｋＰａであり、前記ケース差圧が６．４ｋＰａであり、前記膜差圧と前記ケース差圧との間の差が非常に小さいので、１２．９ｋＰａの低い総差圧を示す。よって、実施例３は３０％に非常に近い２９．９％の高い加湿効率を示す。このような実施例３の加湿効率は、前記パッキング密度が０．４０５（百分率：４０．５％）の実施例１の２７．１％の加湿効率に比べて向上したものである。

一方、前記パッキング密度が０．４３５（百分率：４３．５％）の実施例４は、前記膜差圧が７．９ｋＰａであり、前記ケース差圧が６ｋＰａであり、実施例３に比べて前記膜差圧と前記ケース差圧との間の差が大きいので、実施例３よりも大きい１３．９ｋＰａの総差圧を示す。よって、実施例４は、実施例３よりも低い２９％の加湿効率を示す。しかし、実施例４も比較例１よりも著しく高い加湿効率を示すものであるだけでなく、実施例１よりも高い加湿効率を示すものである。

図２～図１０を参照すると、本発明による燃料電池用加湿器１は、前記パッキング密度が０．５３以下（百分率：５３％以下）に具現されることもできる。よって、本発明による燃料電池用加湿器１はより高い加湿効率を有することができる。これを具体的に説明すると次のようである。

前記パッキング密度が０．５３（百分率：５３％）の実施例５は、前記膜差圧が６．３ｋＰａであり、前記ケース差圧が６．６ｋＰａであり、前記膜差圧と前記ケース差圧との間の差が非常に小さいので、１２．９ｋＰａの低い総差圧を示す。よって、実施例５は３０％を超える３０．１％の高い加湿効率を示す。このような実施例５の加湿効率は前記パッキング密度が０．６２５（百分率：６２．５％）の実施例２の２７％の加湿効率に比べて向上したものである。

一方、前記パッキング密度が０．５９５（百分率：５９．５％）の実施例６は、前記膜差圧が６．５ｋＰａであり、前記ケース差圧が８．１ｋＰａであり、実施例５に比べて前記膜差圧と前記ケース差圧との間の差が大きいので、実施例５よりも大きい１４．３ｋＰａの総差圧を示す。よって、実施例６は実施例５よりも低い２８．９％の加湿効率を示す。しかし、実施例６も比較例２よりも著しく高い加湿効率を示すものであるだけでなく、実施例２よりも高い加湿効率を示すものである。

図２～図１０を参照すると、本発明による燃料電池用加湿器１は、前記パッキング密度が０．５１以上０．５３以下（百分率：５１％以上５３％以下）に具現されることもできる。よって、本発明による燃料電池用加湿器１は高い加湿効率を有することができるだけでなく、前記総差圧及び加湿効率に対する安全性を有することができる。これは、前記パッキング密度が０．５１（百分率：５１％）の実施例３及び前記パッキング密度が０．５３（百分率：５３％）の実施例５で前記膜差圧が１２．９ｋＰａと同一である点、加湿効率がおよそ３０％であってほぼ同一である点、及び前記膜差圧と前記ケース差圧との間の差が０．３ｋＰａ以下であってほぼ同一であることにより、乾燥気体と湿潤気体とがほぼ同一の流動性を有する点から確認することができる。よって、本発明による燃料電池用加湿器１は、前記パッキング密度が０．５１以上０．５３以下（百分率：５１％以上５３％以下）に具現されることにより、使用者に一定のレベル以上の品質を保障することができるので、製品信頼性を向上させることができる。

図２～図１２を参照すると、本発明による燃料電池用加湿器１において、前記中空糸膜束２２１の幅２２１Ｈを１とするとき、前記中空糸膜束２２１の厚さ２２１Ｔは０．１以上０．８以下に具現できる。よって、本発明による燃料電池用加湿器１は多様な加湿効率を有するように具現されるので、多様な使用先に使用される燃料電池に適用することができる汎用性を向上させることができる。これを具体的に説明すると次のようである。以下で、前記中空糸膜束２２１の厚さ２２１Ｔに対する比は、前記中空糸膜束２２１の幅２２１Ｈが１であることを前提とするものである。

まず、前記中空糸膜束２２１の厚さ２２１Ｔは前記第３軸方向（Ｚ軸方向）を基準とするものである。前記中空糸膜束２２１の厚さ２２２Ｔは前記インナーケース２２２の内面の厚さ２２２Ｔと一致するかまたは前記インナーケース２２２の内面の厚さ２２２Ｔより小さくてもよい。前記中空糸膜束２２１の幅２２１Ｈは前記第２軸方向（Ｙ軸方向）を基準とするものである。前記中空糸膜束２２１の幅２２１Ｈは前記インナーケース２２２の内面の幅２２２Ｈと一致するかまたは前記インナーケース２２２の内面の幅２２２Ｈよりも小さくてもよい。

次に、前記中空糸膜束２２１の厚さ２２１Ｔが０．１未満の場合、前記中空糸膜束２２１の厚さ２２１Ｔがあまりにも薄くなって十分な数の中空糸膜２２１ａを備えにくい。前記中空糸膜束２２１の厚さ２２１Ｔが０．８超過の場合、前記中空糸膜束２２１の厚さ２２１Ｔがあまりにも厚くなるので、相対的に内側に配置された中空糸膜２２１ａの使用効率があまりにも低くなることがある。

これとは違い、本発明による燃料電池用加湿器１は、前記中空糸膜束２２１の厚さ２２１Ｔが０．１以上０．８以下に具現されるので、十分な数の中空糸膜２２１ａを備えることができるだけでなく、相対的に内側に配置された中空糸膜２２１ａの使用効率を高めることができる。

一方、本発明による燃料電池用加湿器１において、前記中空糸膜束２２１の厚さ２２２Ｔが０．６超過０．８以下の場合、前記中空糸膜束２２１において相対的に内側に配置された中空糸膜２２１ａの使用効率が多少低くなることがあるが、その代わりに前記中空糸膜束２２１の使用寿命がより延びることができる。この場合、本発明による燃料電池用加湿器１は加湿効率よりも使用寿命が重要な使用先に相応しく適用できる。

また、本発明による燃料電池用加湿器１において、前記中空糸膜束２２１の厚さ２２２Ｔが０．１以上０．２未満の場合、前記中空糸膜束２２１の使用寿命が多少縮むことがあるが、その代わりに前記中空糸膜束２２１において相対的に内側に配置された中空糸膜２２１ａの使用効率がより向上することができる。この場合、本発明による燃料電池用加湿器１は使用寿命よりも加湿効率が重要な使用先に相応しく適用できる。

また、本発明による燃料電池用加湿器１において、前記中空糸膜束２２１の厚さ２２２Ｔが０．２以上０．６以下の場合、前記中空糸膜束２２１の使用寿命と前記中空糸膜束２２１において相対的に内側に配置された中空糸膜２２１ａの使用効率とがバランスよく具現できる。この場合、本発明による燃料電池用加湿器１は加湿効率と使用寿命との間の均衡が重要な使用先に相応しく適用できる。

このように、本発明による燃料電池用加湿器１は、前記中空糸膜束２２１の厚さ２２１Ｔが０．１以上０．８以下に具現されるので、多様な加湿効率及び使用寿命を有するように具現できるので、多様な使用先に使用される燃料電池に適用することができる汎用性を向上させることができる。

図１３及び図１４を参照すると、本発明による燃料電池用加湿器１において、前記ミッドケース２１内には２個以上のカートリッジ２２が配置されることもできる。図１３に示すように、前記ミッドケース２１内には２個のカートリッジ２２、２２’が配置できる。図１４に示すように、前記ミッドケース２１内には３個のカートリッジ２２、２２’、２２”が配置されることもできる。図示されてはいないが、前記ミッドケース２１内には４個以上のカートリッジ２２が配置されることもできる。

以上で説明した本発明は、前述した実施例及び添付の図面に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で様々な置換、変形及び変更が可能であるということが、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者にとって明らかであろう。

Claims (8)

1. 燃料電池スタックから排出された湿潤気体を用いて、外部から供給された乾燥気体を加湿するための加湿モジュールと、
   前記加湿モジュールの一端に結合した第１キャップと、
   前記加湿モジュールの他端に結合した第２キャップと、を含み、
   前記加湿モジュールは、
   両端が開放しているミッドケースと、
   前記ミッドケース内に配置された少なくとも一つのカートリッジ（Ｃａｒｔｒｉｄｇｅ）と、を含み、
   前記カートリッジは、
   両端が開放しているインナーケース（Ｉｎｎｅｒ Ｃａｓｅ）と、
   前記インナーケースに収容されている中空糸膜束と、
   前記インナーケースに第１軸方向に離隔して形成されたインナー流入口及びインナー流出口と、
   前記インナーケースの一端で前記中空糸膜束の一端を固定する第１ポット層と、
   前記インナーケースの他端で前記中空糸膜束の他端を固定する第２ポット層と、を含み、
   前記第１軸方向に垂直な第２軸方向を基準として、前記第１ポット層がポッティングされるインナーケースの一端の内部のポット断面積及び前記中空糸膜束の膜断面積に基づくパッキング密度が０．４０５以上０．６２５以下であり、
   前記中空糸膜束の幅を１とするとき、前記中空糸膜束の厚さは０．２を超えて０．６以下であることを特徴とする、燃料電池用加湿器。
2. 前記膜断面積は、前記中空糸膜束が有する中空糸膜のそれぞれの外径（Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｄｉａｍｅｔｅｒ）に基づく単位断面積を合わせた値であり、
   前記ポット断面積は前記第２軸方向を基準とする前記第１ポット層の断面積と前記膜断面積とを合わせた値であり、
   前記パッキング密度は前記膜断面積を前記ポット断面積で割った値であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用加湿器。
3. 前記パッキング密度は０．５１以上に具現されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用加湿器。
4. 前記パッキング密度は０．５３以下に具現されることを特徴とする、請求項１または３に記載の燃料電池用加湿器。
5. 燃料電池スタックから排出された湿潤気体を用いて、外部から供給された乾燥気体を加湿するための燃料電池用加湿器のカートリッジ（Ｃａｒｔｒｉｄｇｅ）であって、
   両端が開放しているインナーケース（Ｉｎｎｅｒ Ｃａｓｅ）と、
   前記インナーケースに収容されている中空糸膜束と、
   前記インナーケースに第１軸方向に離隔して形成されたインナー流入口及びインナー流出口と、
   前記インナーケースの一端で前記中空糸膜束の一端を固定する第１ポット層と、
   前記インナーケースの他端で前記中空糸膜束の他端を固定する第２ポット層と、を含み、
   前記第１軸方向に垂直な第２軸方向を基準として、前記第１ポット層がポッティングされるインナーケースの一端の内部のポット断面積及び前記中空糸膜束の膜断面積に基づくパッキング密度が０．４０５以上０．６２５以下であり、
   前記中空糸膜束の幅を１とするとき、前記中空糸膜束の厚さは０．２を超えて０．６以下であることを特徴とする、燃料電池用加湿器のカートリッジ。
6. 前記膜断面積は、前記中空糸膜束が有する中空糸膜の外径に基づく断面積を合わせた値であり、
   前記ポット断面積は前記第２軸方向を基準とする前記第１ポット層の断面積と前記膜断面積とを合わせた値であり、
   前記パッキング密度は前記膜断面積を前記ポット断面積で割った値であることを特徴とする、請求項５記載の燃料電池用加湿器のカートリッジ。
7. 前記パッキング密度は０．５１以上に具現されることを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池用加湿器のカートリッジ。
8. 前記パッキング密度は０．５３以下に具現されることを特徴とする、請求項５または７に記載の燃料電池用加湿器のカートリッジ。