KR20220111057A

KR20220111057A - Fuel cell humidifier

Info

Publication number: KR20220111057A
Application number: KR1020210014237A
Authority: KR
Inventors: 양형모; 김경주; 안웅전; 김인호
Original assignee: 코오롱인더스트리 주식회사
Priority date: 2021-02-01
Filing date: 2021-02-01
Publication date: 2022-08-09

Abstract

The present invention relates to a fuel cell membrane humidifier capable of improving efficiency in distributing exhaust gas flowing from a fuel cell stack. The fuel cell membrane humidifier according to one embodiment of the present invention comprises: a humidification module which humidifies the air supplied from the outside with moisture in the exhaust gas discharged from the fuel cell stack; and caps coupled to both ends of the humidification module, respectively. The humidification module includes: a mid-case including an exhaust gas inlet through which the exhaust gas is introduced; and a plurality of cartridges disposed in the mid-case to receive a plurality of hollow fiber membranes. The plurality of cartridges include a first cartridge disposed closest to the exhaust gas inlet and a second cartridge disposed on at least one side of the first cartridge to be at a position farther than the first cartridge based on the exhaust gas inlet. The second cartridge introduces at least a portion of the exhaust gas flowing into the exhaust gas inlet and at least a portion of the exhaust gas distributed by the first cartridge.

Description

연료전지 막가습기 {Fuel cell humidifier }Fuel cell membrane humidifier {Fuel cell humidifier }

본 발명은 연료전지 막가습기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 연료전지 스택으로부터 유입되는 배가스의 분배 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 막가습기에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell membrane humidifier, and more particularly, to a fuel cell membrane humidifier capable of improving the distribution efficiency of exhaust gas flowing from a fuel cell stack.

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.A fuel cell is a power generation type cell that produces electricity by combining hydrogen and oxygen. Unlike general chemical cells such as dry cells and storage batteries, fuel cells can continuously produce electricity 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.

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.In addition, since chemical energy generated by the combination of hydrogen and oxygen is directly converted into electrical energy, the emission of pollutants is small. Accordingly, the fuel cell has the advantage of being environmentally friendly and reducing concerns about resource depletion due to increased energy consumption.

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.These fuel cells are largely dependent on the type of electrolyte used: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC), Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC), Molten Carbonate Fuel Cell (Molten Carbonate Fuel Cell) : MCFC), Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), and Alkaline Fuel Cell (AFC).

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.Each of these fuel cells operates on the same principle, but the type of fuel used, operating temperature, catalyst, electrolyte, etc. are different from each other. Among them, the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) is known to be the most promising not only in small-scale stationary power generation equipment but also in transportation systems because it operates at a lower temperature than other fuel cells and can be miniaturized due to its high output density.

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.One of the most important factors in improving the performance of a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) is a certain amount or more of a polymer electrolyte membrane (Polymer Electrolyte Membrane or Proton Exchange Membrane: PEM) of a membrane-electrode assembly (MEA). It is to maintain moisture content by supplying moisture. This is because when the polymer electrolyte membrane is dried, the power generation efficiency is rapidly reduced.

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.As a method of humidifying the polymer electrolyte membrane, 1) a bubbler humidification method in which water is supplied by passing a target gas through a diffuser after filling a pressure-resistant container with water, 2) the amount of supplied water required for fuel cell reaction There are a direct injection method in which moisture is calculated and directly supplying moisture to a gas flow pipe through a solenoid valve, and 3) a humidification membrane method in which moisture is supplied to a fluidized bed of gas using a polymer membrane.

이들 중에서도 배가스 중에 포함되는 수증기만을 선택적으로 투과시키는 막을 이용하여 수증기를 고분자 전해질 막에 공급되는 공기에 제공함으로써 고분자 전해질 막을 가습하는 막가습 방식이 막가습기를 경량화 및 소형화할 수 있다는 점에서 유리하다.Among them, 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 membrane humidifier can be reduced in weight and size.

막가습 방식에 사용되는 선택적 투과막은 모듈을 형성할 경우 단위 체적당 투과 면적이 큰 중공사막이 바람직하다. 즉, 중공사막을 이용하여 막가습기를 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 막가습기를 통해 재사용할 수 있다는 이점을 갖는다.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 membrane 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 humidification of the fuel cell can be sufficiently performed even with a small capacity, the use of low-cost materials is possible, and the high temperature in the fuel cell is possible. It has the advantage that moisture and heat contained in the discharged off-gas can be recovered and reused through a membrane humidifier.

도 1a는 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 종래 기술의 연료전지 막가습기(10)는 외부로부터 공급되는 공기와 연료전지 스택(미도시)으로부터 배출되는 배가스 사이의 수분 교환이 일어나는 가습 모듈(11) 및 가습 모듈(11)의 양 단에 결합된 캡들(12)을 포함한다.1A is an exploded perspective view illustrating a fuel cell membrane humidifier according to the related art. As shown in FIG. 1A , in the fuel cell membrane humidifier 10 of the prior art, a humidification module 11 and a humidification module in which moisture exchange occurs between air supplied from the outside and exhaust gas discharged from a fuel cell stack (not shown). It includes caps (12) coupled to both ends of (11).

캡들(12) 중 하나는 외부로부터 공급되는 공기를 가습 모듈(11)로 공급하고, 다른 하나는 가습 모듈(11)에 의해 가습된 공기를 연료전지 스택으로 공급한다.One of the caps 12 supplies air supplied from the outside to the humidification module 11 , and the other one supplies air humidified by the humidification module 11 to the fuel cell stack.

가습 모듈(11)은, 배가스 유입구(off-gas inlet)(11aa)와 배가스 배출구(off-gas outlet)(11ab)를 갖는 미드-케이스(mid-case)(11a) 및 미드-케이스(11a) 내에 배치된 다수의 카트리지(11b)를 포함한다. 다수의 카트리지(11b) 각각은 이너 케이스(11ba)를 구비하며, 이너 케이스(11ba) 내부에는 다수의 중공사막(11bb)과 중공사막(11bb) 다발의 양 말단들을 고정하는 포팅부(11bc)가 형성된다. 포팅부(11bc)는 일반적으로 캐스팅(casting) 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 폴리머를 경화시킴으로써 형성된다.The humidification module 11 is a mid-case having an off-gas inlet 11aa and an off-gas outlet 11ab and a mid-case 11a and a mid-case 11a). and a plurality of cartridges 11b disposed therein. Each of the plurality of cartridges 11b includes an inner case 11ba, and inside the inner case 11ba, there is a plurality of hollow fiber membranes 11bb and a potting part 11bc for fixing both ends of the bundles of the hollow fiber membranes 11bb. is formed The potting part 11bc is generally formed by curing a liquid polymer such as a liquid polyurethane resin through a casting method.

카트리지(11b)와 미드-케이스(11a) 사이에는 수지층(11d)이 형성되며, 수지층(11d)은 카트리지(11b)를 미드-케이스(11a)에 고정하고 캡들(12)의 내부 공간들과 미드-케이스(11a)의 내부 공간을 차단한다.A resin layer 11d is formed between the cartridge 11b and the mid-case 11a, and the resin layer 11d fixes the cartridge 11b to the mid-case 11a and the inner spaces of the caps 12. and the inner space of the mid-case 11a.

외부로부터 공급되는 공기는 중공사막들(11bb)의 중공을 따라 흐른다. 배가스 유입구(11aa)를 통해 미드-케이스(11a) 내로 유입된 배가스는 이너 케이스(11ba)에 형성된 일측 메시 홀을 통해 이너 케이스(11ba) 내부로 유입되어 중공사막들(11bb)의 외표면과 접촉한 후, 타측 메시 홀을 통해 이너 케이스(11ba) 외부로 유출된 후, 배가스 배출구(11ab)를 통해 미드-케이스(11a)로부터 배출된다. 배가스가 중공사막들(11bb)의 외표면과 접촉할 때 배가스 내에 함유되어 있던 수분이 중공사막들(11bb)을 투과함으로써 중공사막들(11bb)의 중공을 따라 흐르던 공기를 가습한다.Air supplied from the outside flows along the hollow of the hollow fiber membranes 11bb. The exhaust gas introduced into the mid-case 11a through the exhaust gas inlet 11aa flows into the inner case 11ba through one mesh hole formed in the inner case 11ba and comes into contact with the outer surface of the hollow fiber membranes 11bb After that, it flows out of the inner case 11ba through the mesh hole on the other side, and then is discharged from the mid-case 11a through the exhaust gas outlet 11ab. When the exhaust gas comes into contact with the outer surface of the hollow fiber membranes 11bb, moisture contained in the exhaust gas penetrates the hollow fiber membranes 11bb, thereby humidifying the air flowing along the hollow of the hollow fiber membranes 11bb.

대한민국 공개특허 제10-2009-0013304호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2009-0013304 대한민국 공개특허 제10-2009-0057773호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2009-0057773 대한민국 공개특허 제10-2009-0128005호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2009-0128005 대한민국 공개특허 제10-2010-0108092호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2010-0108092 대한민국 공개특허 제10-2010.0131631호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2010.0131631 대한민국 공개특허 제10-2011-0001022호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2011-0001022 대한민국 공개특허 제10-2011-0006122호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2011-0006122 대한민국 공개특허 제10-2011-0006128호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2011-006128 대한민국 공개특허 제10-2011-0021217호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2011-0021217 대한민국 공개특허 제10-2011-0026696호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2011-0026696 대한민국 공개특허 제10-2011-0063366호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2011-0063366

본 발명은 연료전지 스택으로부터 유입되는 배가스의 분배 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 막가습기를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a fuel cell membrane humidifier capable of improving the distribution efficiency of exhaust gas introduced from a fuel cell stack.

위에서 언급된 본 발명의 관점 외에도, 본 발명의 다른 특징 및 이점들이 이하에서 설명되거나, 그러한 설명으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.In addition to the above-mentioned aspects of the present invention, other features and advantages of the present invention will be described below or will be clearly understood by those skilled in the art from such description.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는,A fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention,

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, 상기 배가스가 유입되는 배가스 유입구가 형성된 미드-케이스; 상기 미드-케이스 내에 배치되며 복수의 중공사막들을 수용하는 복수개의 카트리지; 상기 복수개의 카트리지는 상기 배가스 유입구와 가장 가깝게 배치되는 제1 카트리지와, 상기 배가스 유입구를 기준으로 상기 제1 카트리지의 적어도 일측에 상기 제1 카트리지 보다 먼 위치에 배치되는 제2 카트리지를 포함하며, 상기 제2 카트리지는 상기 배가스 유입구로 유입되는 적어도 일부의 배가스와 상기 제1 카트리지에 의해 분배된 배가스의 적어도 일부를 유입한다.a humidification module for humidifying the air supplied from the outside with moisture in the exhaust gas discharged from the fuel cell stack; and caps respectively coupled to both ends of the humidifying module. The humidification module may include: a mid-case having an exhaust gas inlet through which the exhaust gas is introduced; a plurality of cartridges disposed in the mid-case and accommodating a plurality of hollow fiber membranes; The plurality of cartridges includes a first cartridge disposed closest to the exhaust gas inlet, and a second cartridge disposed at a position farther than the first cartridge on at least one side of the first cartridge with respect to the exhaust gas inlet, wherein the The second cartridge introduces at least a portion of the exhaust gas introduced into the exhaust gas inlet and at least a portion of the exhaust gas distributed by the first cartridge.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 제1 카트리지는, 상기 복수개의 카트리지 중에서 가장 큰 제1 폭(W1)을 갖도록 형성되고, 상기 제2 카트리지는, 상기 제1 폭(W1) 보다 작은 제2 폭(W2)을 갖도록 형성될 수 있다.In the fuel cell membrane humidifier according to the embodiment of the present invention, the first cartridge is formed to have the largest first width W1 among the plurality of cartridges, and the second cartridge has the first width W1. ) may be formed to have a smaller second width W2.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 복수개의 카트리지는 동일한 폭과 길이를 갖도록 형성되며, 상기 제1 카트리지는 상기 배가스 유입구 방향으로 돌출 형성되고, 상기 제2 카트리지는 상기 제1 카트리지의 적어도 일측에 제1 카트리지 보다 낮은 위치에 형성될 수 있다.In the fuel cell membrane humidifier according to the embodiment of the present invention, the plurality of cartridges are formed to have the same width and length, the first cartridge is formed to protrude toward the exhaust gas inlet, and the second cartridge is the first cartridge. At least one side of the cartridge may be formed at a lower position than the first cartridge.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 복수개의 카트리지 각각의 단부가 삽입되는 복수개의 홀이 형성된 바디 부재와, 상기 바디 부재의 일단에 형성되며 상기 복수개의 홀에 삽입된 상기 복수개의 카트리지 각각의 단부와 접촉되어 상기 미드-케이스 내의 유체가 상기 캡 측으로 유동하는 것을 방지하는 돌출 부재를 포함하는 패킹부; 상기 바디 부재의 타단에 형성되며 상기 미드-케이스의 단부에 형성된 홈과 상기 캡의 단부에 의해 형성된 공간에 형성되는 에지부; 및, 상기 카트리지와 상기 패킹부를 접촉하도록 형성되어 상기 미드-케이스 내의 유체가 상기 캡 측으로 유동하는 것을 방지하는 실링부;를 포함하는 가스켓 조립체를 포함할 수 있다.In the fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention, a body member having a plurality of holes into which the ends of each of the plurality of cartridges are inserted, and the plurality of holes formed at one end of the body member and inserted into the plurality of holes a packing portion including a protruding member contacting the end of each of the cartridges to prevent the fluid in the mid-case from flowing toward the cap; an edge portion formed at the other end of the body member and formed in a space formed by a groove formed at an end of the mid-case and an end of the cap; and a sealing part formed to contact the cartridge and the packing part to prevent the fluid in the mid-case from flowing toward the cap.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 돌출 부재는, 탄성력에 의해 상기 복수개의 카트리지 각각의 단부를 가압하면서 접촉하여 상기 미드-케이스 측의 공간과 상기 캡 측의 공간을 기밀할 수 있다.In the fuel cell membrane humidifier according to the embodiment of the present invention, the protruding member is in contact while pressing the ends of each of the plurality of cartridges by an elastic force to seal the space on the mid-case side and the space on the cap side. can

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 에지부는, 양 방향으로 돌출된 에지 윙을 구비하며, 상기 에지 윙은 상기 미드-케이스 단부에 형성된 홈을 채우면서 개재되어, 상기 미드-케이스의 내부와 외부, 그리고 상기 미드-케이스와 상기 캡을 밀봉할 수 있다.In the fuel cell membrane humidifier according to an embodiment of the present invention, the edge portion includes edge wings protruding in both directions, and the edge wings are interposed while filling a groove formed in the mid-case end portion, the mid- It is possible to seal the inside and outside of the case, and the mid-case and the cap.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 패킹부와 상기 에지부 각각은 30 내지 70 Shore A의 제1 경도를 갖고, 상기 패킹부의 적어도 일부와 상기 에지부의 적어도 일부에 삽입되어 형성되며 상기 제1 경도 보다 높은 제2 경도를 갖는 보강 부재를 더 포함할 수 있다.In the fuel cell membrane humidifier according to the embodiment of the present invention, each of the packing part and the edge part has a first hardness of 30 to 70 Shore A, and is formed by being inserted into at least a part of the packing part and at least a part of the edge part. and may further include a reinforcing member having a second hardness higher than the first hardness.

기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.Other details of implementations according to various aspects of the invention are included in the detailed description below.

본 발명에 의하면, 연료전지 스택으로부터 유입되는 배가스의 분배 효율을 향상시켜서 가습 효율을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, it is possible to improve the humidification efficiency by improving the distribution efficiency of the exhaust gas flowing in from the fuel cell stack.

도 1a은 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이다.
도 1b는 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기의 가습 모듈 내에서의 동작 상태를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 가습 모듈 내에서의 동작 상태를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 가습 모듈 내에서의 동작 상태를 설명하기 위한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 결합 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 변형예가 도시된 결합 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 가습 모듈 내에서의 동작 상태를 설명하기 위한 단면도이다.1A is an exploded perspective view illustrating a fuel cell membrane humidifier according to the related art.
1B is a cross-sectional view for explaining an operating state in a humidification module of a fuel cell membrane humidifier according to the prior art.
2 is an exploded perspective view illustrating a fuel cell membrane humidifier according to a first embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view for explaining an operating state in the humidification module of the fuel cell membrane humidifier according to the first embodiment of the present invention.
4 is a perspective view for explaining an operating state in a humidification module of the fuel cell membrane humidifier according to the first embodiment of the present invention.
5 is an exploded cross-sectional view showing the fuel cell membrane humidifier according to the first embodiment of the present invention.
6 is a cross-sectional view illustrating a fuel cell membrane humidifier according to the first embodiment of the present invention.
7 is a combined cross-sectional view illustrating a modified example of the fuel cell membrane humidifier according to the first embodiment of the present invention.
8 is an exploded perspective view illustrating a fuel cell membrane humidifier according to a second embodiment of the present invention.
9 is a cross-sectional view illustrating an operating state in a humidification module of a fuel cell membrane humidifier according to a second embodiment of the present invention.

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.Since the present invention can apply various transformations and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

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 실시예들에 연료전지 막가습기를 설명한다.The terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present invention, terms such as 'comprise' or 'have' are intended to designate that the features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification exist, and one or more other features It is to be understood that this does not preclude the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof. Hereinafter, a fuel cell membrane humidifier in embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 가습 모듈 내에서의 동작 상태를 설명하기 위한 단면도이며, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 가습 모듈 내에서의 동작 상태를 설명하기 위한 사시도이고, 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 단면도이며, 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 결합 단면도이고, 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 변형예가 도시된 결합 단면도이다.2 is an exploded perspective view illustrating a fuel cell membrane humidifier according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 3 is an operation state within a humidification module of a fuel cell membrane humidifier according to the first embodiment of the present invention. 4 is a perspective view for explaining an operating state in the humidification module of the fuel cell membrane humidifier according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a fuel cell membrane according to the first embodiment of the present invention. An exploded cross-sectional view of the humidifier is shown, FIG. 6 is a combined cross-sectional view of the fuel cell membrane humidifier according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a modified example of the fuel cell membrane humidifier according to the first embodiment of the present invention It is a cross-sectional view of the coupling shown.

도 2 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 막가습기(100-1)는 가습 모듈(110)과 캡들(120)을 포함한다. 또한, 선택적으로 가스켓 조립체(130)를 포함할 수 있다.2 to 7 , the fuel cell membrane humidifier 100 - 1 according to the first embodiment of the present invention includes a humidification module 110 and caps 120 . It may also optionally include a gasket assembly 130 .

가습 모듈(110)은 외부로부터 공급되는 공기와 연료전지 스택(미도시)으로부터 배출되는 배가스 사이의 수분 교환을 수행한다. 캡들(120)은 가습 모듈(110)의 양 단에 결합된다. 캡들(120) 중 하나는 외부로부터 공급되는 공기를 가습 모듈(110)로 공급하고, 다른 하나는 가습 모듈(110)에 의해 가습된 공기를 연료전지 스택으로 공급한다.The humidification module 110 performs moisture exchange between the air supplied from the outside and the exhaust gas discharged from the fuel cell stack (not shown). The caps 120 are coupled to both ends of the humidification module 110 . One of the caps 120 supplies air supplied from the outside to the humidification module 110 , and the other one supplies air humidified by the humidification module 110 to the fuel cell stack.

가습 모듈(110)은, 배가스 유입구(111a)와 배가스 배출구 (111b)를 갖는 미드-케이스(111) 및 미드-케이스(11a) 내에 배치된 다수의 카트리지(112)를 포함한다. 이때, 다수의 카트리지 중 적어도 어느 하나는, 연료전지 스택으로부터 유입되는 배가스의 분배 효율을 향상시키기 위해, 나머지 카트리지와 다른 형상으로 형성된다. 이에 대해서는 후술한다.The humidification module 110 includes a mid-case 111 having an exhaust gas inlet 111a and an exhaust gas outlet 111b and a plurality of cartridges 112 disposed in the mid-case 11a. At this time, at least one of the plurality of cartridges is formed in a shape different from that of the other cartridges in order to improve the distribution efficiency of the exhaust gas flowing from the fuel cell stack. This will be described later.

미드-케이스(111)와 캡(120)은 각각 독립적으로 경질 플라스틱이나 금속으로 형성될 수 있으며, 원형 또는 다각형의 폭방향 단면을 가질 수 있다. 원형은 타원형을 포함하며, 다각형은 둥근 모서리(rounded corner)를 갖는 다각형을 포함한다. 예를 들어, 경질 플라스틱은, 폴리카보네이트, 폴리아마이드(PA), 폴리프탈아미드(PPA), 폴리프로필렌(PP) 등 일 수 있다. 미드-케이스(111)의 내부 공간은 격벽들(partitions)(111c)에 의해 제1 공간(S1)과 제2 공간(S2)으로 구획될 수 있다.The mid-case 111 and the cap 120 may each independently be formed of a hard plastic or metal, and may have a circular or polygonal cross-section in the width direction. A circle includes an ellipse, and a polygon includes a polygon with rounded corners. For example, the rigid plastic may be polycarbonate, polyamide (PA), polyphthalamide (PPA), polypropylene (PP), or the like. The inner space of the mid-case 111 may be divided into a first space S1 and a second space S2 by partitions 111c.

카트리지(112)는 다수의 중공사막들(112a) 및 이들을 서로 고정시켜주는 포팅부(112b)를 포함할 수 있다. 중공사막들(112a)의 말단들은 포팅부(112b)에 고정될 수 있다. The cartridge 112 may include a plurality of hollow fiber membranes 112a and a potting part 112b for fixing them to each other. The ends of the hollow fiber membranes 112a may be fixed to the potting part 112b.

또한, 카트리지(112)는 이너 케이스(inner case)(112c)를 더 포함할 수 있다. 이너 케이스(112c)는 각 말단에 개구(opening)를 가지며 중공사막들(112a)이 그 안에 들어 있다. 중공사막들(112a)의 단부들이 포팅되어 있는 포팅부(112b)는 이너 케이스(112c)의 개구를 폐쇄시킨다. Also, the cartridge 112 may further include an inner case 112c. The inner case 112c has an opening at each end and the hollow fiber membranes 112a are contained therein. The potting part 112b in which the ends of the hollow fiber membranes 112a are potted closes the opening of the inner case 112c.

도 6과 같이, 포팅부(112b)의 적어도 일부가 이너 케이스(112c) 밖에 위치할 수 있으며, 가스켓 조립체(130)의 돌출 부재(131b)는 포팅부(112b)에 밀착할 수 있다. 또는 도 7과 같이, 포팅부(112b) 전체가 이너 케이스(112c) 내에 위치하며 가스켓 조립체(130)의 돌출 부재(131b)가 포팅부(112b)가 아닌 이너 케이스(112c)에 밀착할 수 있다.6 , at least a portion of the potting part 112b may be positioned outside the inner case 112c, and the protruding member 131b of the gasket assembly 130 may be in close contact with the potting part 112b. Alternatively, as shown in FIG. 7 , the entire potting part 112b is located in the inner case 112c and the protruding member 131b of the gasket assembly 130 may be in close contact with the inner case 112c instead of the potting part 112b. .

이너 케이스(112c)는 제1 공간(S1)과의 유체 연통을 위해 메쉬 형태로 배열된 다수의 홀들(이하, '제1 메쉬홀')(MH1) 및 제2 공간(S2)과의 유체연통을 위해 메쉬 형태로 배열된 다수의 홀들(이하, '제2 메쉬홀')(MH2)을 구비한다.The inner case 112c is in fluid communication with a plurality of holes (hereinafter, 'first mesh holes') MH1 and the second space S2 arranged in a mesh form for fluid communication with the first space S1 . For this purpose, a plurality of holes (hereinafter, 'second mesh hole') MH2 arranged in a mesh shape are provided.

배가스 유입구(111a)를 통해 미드-케이스(111)의 제1 공간(S1)으로 유입된 배가스는 제1 메쉬홀(MH1)을 통해 이너 케이스(112c) 내로 흘러 들어 중공사막들(112a)의 외표면과 접촉한다. 이어서, 수분을 빼앗긴 배가스는 제2 메쉬홀(MH2)을 통해 제2 공간(S2)으로 빠져나간 후 배가스 배출구(111b)를 통해 미드-케이스(111)로부터 배출된다. 이와 같은 이너 케이스(112c)를 포함하는 카트리지(112)는 미드-케이스(111)에 용이하게 조립될 수 있을 뿐만 아니라 용이하게 교체될 수 있다는 장점을 갖는다.The exhaust gas introduced into the first space S1 of the mid-case 111 through the exhaust gas inlet 111a flows into the inner case 112c through the first mesh hole MH1, in contact with the surface. Then, the exhaust gas from which the moisture is taken out is discharged into the second space S2 through the second mesh hole MH2 and then discharged from the mid-case 111 through the exhaust gas outlet 111b. The cartridge 112 including such an inner case 112c has the advantage that it can be easily assembled to the mid-case 111 and easily replaced.

중공사막들(112a)은 폴리설폰 수지, 폴리에테르설폰 수지, 설폰화 폴리설폰 수지, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 수지, 폴리아크릴로니트릴(PAN) 수지, 폴리이미드 수지, 폴리아미드이미드 수지, 폴리에스테르이미드 수지, 또는 이들 중 적어도 2 이상의 혼합물로 형성된 고분자막을 포함할 수 있고, 포팅부(112b)는 딥 포팅, 원심 포팅 등의 캐스팅 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 수지를 경화시킴으로써 형성될 수 있다.The hollow fiber membranes 112a may include polysulfone resin, polyethersulfone resin, sulfonated polysulfone resin, polyvinylidene fluoride (PVDF) resin, polyacrylonitrile (PAN) resin, polyimide resin, polyamideimide resin, It may include a polyester imide resin, or a polymer film formed of a mixture of at least two or more thereof, and the potting part 112b is formed by curing a liquid resin such as a liquid polyurethane resin through a casting method such as deep potting or centrifugal potting. can be

본 발명의 실시예들에서, 카트리지(112)는 미드-케이스(111) 내에 복수개로 배치된다. 예를 들어, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 3개의 카트리지(112-1, 112-2, 112-3)가 배치될 수 있다. 물론, 이는 설명을 위한 예시일 뿐, 이에 한정되는 것은 아니다. 복수개의 카트리지 중에서 배가스 유입구(111a)와 가장 가깝게 배치된 카트리지(112-1)를 제1 카트리지라고 하고, 나머지 카트리지(112-2, 112-3)를 제2 카트리지라고 한다.In embodiments of the present invention, a plurality of cartridges 112 are disposed within the mid-case 111 . For example, as shown in Figures 2 and 3, three cartridges (112-1, 112-2, 112-3) may be disposed. Of course, this is only an example for description, and is not limited thereto. Among the plurality of cartridges, the cartridge 112-1 disposed closest to the exhaust gas inlet 111a is referred to as a first cartridge, and the remaining cartridges 112-2 and 112-3 are referred to as a second cartridge.

배가스 유입구(111a)와 가장 가깝게 배치된 제1 카트리지(112-1)는 카트리지(112-1, 112-2, 112-3)들 중에서 가장 큰 제1 폭(W1)을 갖도록 형성되고, 나머지 제2 카트리지(112-2, 112-3)는 제1 폭(W1) 보다 작은 제2 폭(W2)을 갖도록 형성된다. 도면에서 중앙에 배치된 카트리지(112-1)가 제1 폭(W1)으로 형성되어 있는 것을 예시하고 있으나, 이는 배가스 유입구(111a)의 위치에 따라 달라질 수 있다. 즉, 배가스 유입구(111a)의 위치가 상측에 형성되는 경우, 카트리지(112-2)가 제1 폭(W1)으로 형성될 수 있다.The first cartridge (112-1) disposed closest to the exhaust gas inlet (111a) is formed to have the largest first width (W1) among the cartridges (112-1, 112-2, 112-3), the remaining Two cartridges (112-2, 112-3) are formed to have a second width (W2) smaller than the first width (W1). In the drawing, the cartridge 112-1 disposed in the center is illustrated that it is formed in the first width W1, but this may vary depending on the position of the exhaust gas inlet 111a. That is, when the position of the exhaust gas inlet 111a is formed on the upper side, the cartridge 112-2 may be formed with a first width W1.

제1 카트리지(112-1)는 가장 큰 제1 폭(W1)으로 형성되면서, 그 일측은 배가스 유입구(111a)와 가장 가깝게 배치된다. 이때, 카트리지들(112-1, 112-2, 112-3)의 타측은 도 3과 같이 일렬로 배열될 수 있다. 물론, 카트리지들(112-1, 112-2, 112-3)의 타측은 반드시 일렬로 배열되지 않을 수도 있다. 이 경우에도, 제1 카트리지(112-1)의 일측이 배가스 유입구(111a)와 가장 가깝게 배치되도록 한다.The first cartridge 112-1 is formed with the largest first width W1, and one side thereof is disposed closest to the exhaust gas inlet 111a. At this time, the other side of the cartridges (112-1, 112-2, 112-3) may be arranged in a line as shown in FIG. Of course, the other side of the cartridges (112-1, 112-2, 112-3) may not necessarily be arranged in a line. Even in this case, one side of the first cartridge 112-1 is disposed closest to the exhaust gas inlet 111a.

상기와 같이 구성되는, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 막가습기(100-1)의 동작에 대해, 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다.The operation of the fuel cell membrane humidifier 100-1 according to the first embodiment of the present invention, configured as described above, will be described with reference to FIGS. 3 and 4 .

외부로부터 공급되는 공기는 중공사막들(112b)의 중공을 따라 흐른다. 배가스 유입구(111a)를 통해 미드-케이스(111) 내로 유입된 배가스는 이너 케이스(112c)에 형성된 제1 메쉬홀(MH1)을 통해 이너 케이스(112c) 내부로 유입되어 중공사막들(112b)의 외표면과 접촉한 후, 제2 메쉬홀(MH2)을 통해 이너 케이스(112c) 외부로 유출된 후, 배가스 배출구(111b)를 통해 미드-케이스(111)로부터 배출된다. 배가스가 중공사막들(112b)의 외표면과 접촉할 때 배가스 내에 함유되어 있던 수분이 중공사막들(112b)을 투과함으로써 중공사막들(112b)의 중공을 따라 흐르던 공기를 가습한다.Air supplied from the outside flows along the hollow of the hollow fiber membranes (112b). The exhaust gas introduced into the mid-case 111 through the exhaust gas inlet 111a is introduced into the inner case 112c through the first mesh hole MH1 formed in the inner case 112c to form the hollow fiber membranes 112b. After coming into contact with the outer surface, it flows out of the inner case 112c through the second mesh hole MH2 , and then is discharged from the mid-case 111 through the exhaust gas outlet 111b. When the exhaust gas comes into contact with the outer surface of the hollow fiber membranes 112b, moisture contained in the exhaust gas penetrates the hollow fiber membranes 112b to humidify the air flowing along the hollow of the hollow fiber membranes 112b.

이때, 배가스 유입구(111a)를 통해 미드-케이스(111) 내로 유입된 배가스의 일부는 가장 큰 제1 폭(W1)을 갖는 제1 카트리지(112-1)의 일측에 부딪히면서 측면으로 가이드된다. 한편, 제2 카트리지(112-2, 112-3)는 제1 카트리지(112-1)의 폭 보다 작은 폭으로 가지면서, 제1 카트리지(112-1)의 측면에 배가스 유입구(111a)와 멀리 이격된 위치에 배치되므로, 제2 카트리지(112-2, 112-3)는 제1 카트리지(112-1)에 의해 가이드된 적어도 일부의 배가스를 유입받는다. 물론, 제2 카트리지(112-2, 112-3)가 반드시 제1 카트리지(112-1)에 의해 가이드된 배가스만을 유입받는 것은 아니다.At this time, a portion of the exhaust gas introduced into the mid-case 111 through the exhaust gas inlet 111a is guided to the side while colliding with one side of the first cartridge 112-1 having the largest first width W1. On the other hand, the second cartridge (112-2, 112-3) has a width smaller than the width of the first cartridge (112-1), far from the exhaust gas inlet (111a) on the side of the first cartridge (112-1) Since it is disposed at a spaced apart position, the second cartridge (112-2, 112-3) receives at least a portion of the exhaust gas guided by the first cartridge (112-1). Of course, the second cartridge (112-2, 112-3) does not necessarily receive only the exhaust gas guided by the first cartridge (112-1).

한편, 도 1b와 같이, 카트리지(11b)가 동일한 폭을 가지면서 배가스 유입구(11aa)의 위치와 관계없이 배치되는 경우, 배가스 유입구(11aa)와 멀리 떨어져서 배치된 카트리지(11b-2, 11b-3)는 배가스를 충분히 공급받지 못하고 배가스의 유동 방향에 배치된 카트리지(11b-1)는 과도한 배가스를 공급받게 되어, 카트리지 별로 가습 효율이 달라지게 된다.On the other hand, as shown in Figure 1b, when the cartridge (11b) has the same width and is disposed regardless of the position of the exhaust gas inlet (11aa), the cartridges (11b-2, 11b-3) disposed far away from the exhaust gas inlet (11aa) ) is not sufficiently supplied with the exhaust gas, and the cartridge 11b-1 disposed in the flow direction of the exhaust gas is supplied with excessive exhaust gas, and the humidification efficiency varies for each cartridge.

반면, 도 3 및 도 4와 같이, 카트리지(112)가 상이한 폭을 가지면서 배가스 유입구(111a)의 위치를 고려하여 가장 큰 제1 폭(W1)을 갖는 제1 카트리지(112-1)가 배가스 유입구(111a)와 가장 가깝도록 배치하는 경우, 각각의 카트리지들(112-1, 112-2, 112-3)은 고르게 분배된 배가스를 공급받을 수 있게 된다.On the other hand, as shown in FIGS. 3 and 4, the cartridge 112 has a different width and the first cartridge 112-1 having the largest first width W1 in consideration of the position of the exhaust gas inlet 111a is exhaust gas When disposed to be closest to the inlet (111a), each of the cartridges (112-1, 112-2, 112-3) can be supplied with the exhaust gas evenly distributed.

다시, 도 1a의 종래 막가습기(10)를 참조하면, 다수의 중공사막들(11b)의 말단들이 고정되어 있는 포팅부(11c) 및, 카트리지(11b)와 미드-케이스(11a) 사이의 수지층(11d)이 캡들(12)의 내부 공간들과 미드-케이스(11a)의 내부 공간을 차단한다. 포팅부(11c)와 유사하게, 수지층(11d)은 일반적으로 캐스팅 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 폴리머를 경화시킴으로써 형성된다. 그러나, 수지층(11d) 형성을 위한 캐스팅 공정은 상대적으로 많은 공정 시간을 요구하기 때문에 막가습기(10)의 생산성을 저하시킨다.Again, referring to the conventional membrane humidifier 10 of FIG. 1a, the potting part 11c to which the ends of the plurality of hollow fiber membranes 11b are fixed, and the number between the cartridge 11b and the mid-case 11a. The formation layer 11d blocks the inner spaces of the caps 12 and the inner spaces of the mid-case 11a. Similar to the potting portion 11c, the resin layer 11d is generally formed by curing a liquid polymer such as a liquid polyurethane resin through a casting method. However, since the casting process for forming the resin layer 11d requires a relatively long process time, the productivity of the membrane humidifier 10 is reduced.

또한, 수지층(11d)이 카트리지(11b)는 물론이고 미드-케이스(11a)의 내벽에도 접착되어 있기 때문에, 중공사막(11b)에 문제가 발생할 경우 가습 모듈(11) 전체를 교체하여야만 해서 막대한 유지보수 비용이 유발된다.In addition, since the resin layer 11d is adhered to the inner wall of the mid-case 11a as well as the cartridge 11b, if a problem occurs in the hollow fiber membrane 11b, the entire humidification module 11 must be replaced. maintenance costs are incurred.

더욱이, 연료전지의 반복적 운전은 수지층(11d)과 미드-케이스(11a) 사이에 갭(gap)을 야기시킬 개연성이 높다. 즉, 연료전지의 운전 및 정지가 반복됨에 따라 수지층(11d)의 팽창 및 수축이 번갈아 발생하면서, 미드-케이스(11a)와 수지층(11d)의 열팽창계수 차이로 인해 수지층(11d)이 미드-케이스(11a)로부터 떨어지게 될 개연성이 높다. 전술한 바와 같이, 수지층(11d)과 미드-케이스(11a) 사이에 갭이 야기되면, 압력 차이에 의한 공기 누출이 발생하여 연료전지 스택으로 공급되는 가습 공기의 양이 줄어들고 연료전지의 발전 효율이 저하된다.Moreover, the repeated operation of the fuel cell is highly likely to cause a gap between the resin layer 11d and the mid-case 11a. That is, as the operation and stop of the fuel cell are repeated, the expansion and contraction of the resin layer 11d occur alternately, and the resin layer 11d may It is highly probable that it will be separated from the mid-case 11a. As described above, when a gap is caused between the resin layer 11d and the mid-case 11a, air leakage occurs due to the pressure difference, so that the amount of humidified air supplied to the fuel cell stack is reduced, and the power generation efficiency of the fuel cell is reduced. this is lowered

이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 막가습기(100-1)는, 가스켓 조립체(130)를 더 포함할 수 있다. 가스켓 조립체(130)는 가습 모듈(110)의 각 말단에 기계적 조립을 통해 기밀하게 결합될 수 있다. In order to solve this problem, the fuel cell membrane humidifier 100 - 1 according to the embodiments of the present invention may further include a gasket assembly 130 . The gasket assembly 130 may be airtightly coupled to each end of the humidification module 110 through mechanical assembly.

가스켓 조립체(130)의 기계적 조립을 통해 미드-케이스(111)와 캡(120) 사이의 공기 누출을 방지하기 때문에 종래 기술의 캐스팅 공정(즉, 액상 수지를 주형에 주입하고 경화하는 공정) 및 추가적 실링 공정(즉, 실런트를 도포하고 경화시키는 공정) 등을 생략할 수 있다. In order to prevent air leakage between the mid-case 111 and the cap 120 through the mechanical assembly of the gasket assembly 130, the prior art casting process (that is, the process of injecting and curing the liquid resin into the mold) and additionally A sealing process (ie, a process of applying and curing a sealant) may be omitted.

또한, 가스켓 조립체(130)는 기계적 조립을 통해 가습 모듈(100)에 장착되기 때문에 가습 모듈(110)의 특정 부분(예를 들어, 카트리지(112))에 이상이 발생할 경우, 가스켓 조립체(130)를 가습 모듈(110)로부터 기계적으로 간단히 분리한 후 해당 부분만을 수리 또는 교체하는 것이 가능하다.In addition, since the gasket assembly 130 is mounted on the humidification module 100 through mechanical assembly, when an abnormality occurs in a specific part (for example, the cartridge 112) of the humidification module 110, the gasket assembly 130 It is possible to repair or replace only the corresponding part after mechanically simply detaching it from the humidification module 110 .

구체적으로, 가스켓 조립체(130)는 패킹부(131), 에지부(132), 실링부(133)를 포함한다. 패킹부(131)와 에지부(132)는 20 내지 70 Shore A, 바람직하게는 30 내지 60 Shore A의 제1 경도를 갖는 탄성 물질(예를 들어, 실리콘, 고무 등)로 형성될 수 있다. 실링부(133)는 고상 실링재, 액상 실링재 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 고상 실링재는 실리콘, 아크릴 러버, EPDM, NBR 등과 같은 재질로 제조될 수 있으며, 액상 실링재는 실리콘, 우레탄 등과 같은 재질로 제조될 수 있다. Specifically, the gasket assembly 130 includes a packing part 131 , an edge part 132 , and a sealing part 133 . The packing part 131 and the edge part 132 may be formed of an elastic material (eg, silicone, rubber, etc.) having a first hardness of 20 to 70 Shore A, preferably 30 to 60 Shore A. The sealing part 133 may include at least one of a solid sealing material and a liquid sealing material. The solid sealing material may be made of a material such as silicone, acrylic rubber, EPDM, or NBR, and the liquid sealing material may be made of a material such as silicone or urethane.

패킹부(131)는 카트리지(112)의 단부(예를 들어, 포팅부(112b))가 삽입되는 홀(H)을 구비하며 미드-케이스(111)와 카트리지(112) 사이에 개재된다. 패킹부(131)는 바디 부재(131a)와 돌출 부재(131b)를 포함한다. The packing part 131 has a hole H into which the end (eg, the potting part 112b) of the cartridge 112 is inserted, and is interposed between the mid-case 111 and the cartridge 112 . The packing part 131 includes a body member 131a and a protruding member 131b.

바디 부재(131a)는 카트리지(112) 단부(예를 들어, 포팅부(112b))가 삽입되는 홀(H)을 구비하며, 홀(H)은 카트리지(112) 단부의 형상과 대응하는 형상으로 형성된다. 바디 부재(131a)에서 미드-케이스(111) 측으로 돌출 형성된 하부 바디 부재(131aa)는 단면이 다각 형상(예를 들어, 사다리꼴 형상)으로 형성될 수 있고, 캡(120) 측으로 형성된 상부 바디 부재(131ab)는 평면 형상으로 형성될 수 있다. 하부 바디 부재(131aa)와 카트리지 포팅부(112b) 사이에는 실링부(133)가 배치될 공간이 형성된다. 또한, 하부 바디 부재(131aa)와 에지부(132) 사이에는 미드-케이스(111)의 단부(111d)가 끼워지는 홈(G)이 형성된다.The body member 131a has a hole H into which the cartridge 112 end (eg, the potting part 112b) is inserted, and the hole H has a shape corresponding to the shape of the cartridge 112 end. is formed The lower body member 131aa protruding from the body member 131a toward the mid-case 111 may have a polygonal cross-section (for example, a trapezoidal shape), and an upper body member formed toward the cap 120 ( 131ab) may be formed in a planar shape. A space is formed between the lower body member (131aa) and the cartridge potting part (112b) to arrange the sealing part (133). In addition, a groove G is formed between the lower body member 131aa and the edge portion 132 into which the end 111d of the mid-case 111 is fitted.

돌출 부재(131b)는 홀(H)에 삽입된 카트리지 포팅부(112b)와 접촉하도록 바디 부재(131a)의 일단에 형성된다. 돌출 부재(131b)는 바디 부재(131a)의 일단부에서 돌출된 적어도 1개 이상의 환형 돌기일 수 있다. 돌출 부재(131b)는 탄성력에 의해 카트리지 포팅부(112b)를 가압하면서 접촉하여 미드-케이스(111)의 공간과 캡(120)에 의한 공간을 기밀할 수 있다. 따라서, 돌출 부재(131b)는 미드-케이스(111) 내의 유체가 캡(120) 측에 형성된 공간으로 흐르는 것을 방지할 수 있다. 또한, 돌출 부재(131b)는 탄성을 갖고 있기 때문에 진동 완충 기능을 수행할 수 있고, 따라서, 가습기(100)의 진동으로 인한 손상을 방지할 수 있다.The protruding member (131b) is formed at one end of the body member (131a) to contact the cartridge potting portion (112b) inserted into the hole (H). The protrusion member 131b may be at least one annular protrusion protruding from one end of the body member 131a. The protruding member 131b may contact the cartridge potting part 112b by an elastic force while pressing the mid-case 111 to airtight the space of the cap 120 and the space of the cap 120 . Accordingly, the protrusion member 131b may prevent the fluid in the mid-case 111 from flowing into the space formed on the cap 120 side. In addition, since the protruding member 131b has elasticity, it can perform a vibration-absorbing function, and thus, it is possible to prevent damage due to vibration of the humidifier 100 .

에지부(132)는 바디 부재(131a)의 타단에 형성된다. 에지부(132)는 미드-케이스의 단부에 형성된 홈(111e)과 캡의 단부(120a)에 의해 형성된 공간에 개재될 수 있다. 에지부(132)는 양 방향으로 돌출된 에지 윙(132a, 132b)을 구비할 수 있다. 에지 윙(132a, 132b)은 가습 모듈(110)의 길이 방향으로 형성될 수 있다. 조립시에, 미드-케이스 단부의 홈(111e)에 에지 윙(132a, 132b)을 삽입하고, 캡의 단부가 에지 윙(132b)을 가압한 후, 볼트(B) 등의 체결 수단으로 체결시켜서 조립할 수 있다. The edge portion 132 is formed at the other end of the body member 131a. The edge portion 132 may be interposed in a space formed by the groove 111e formed at the end of the mid-case and the end 120a of the cap. The edge portion 132 may include edge wings 132a and 132b protruding in both directions. Edge wings (132a, 132b) may be formed in the longitudinal direction of the humidification module (110). When assembling, the edge wings 132a and 132b are inserted into the groove 111e of the mid-case end, the end of the cap presses the edge wing 132b, and then fastened with a fastening means such as a bolt (B). can be assembled

실링부(133)는 카트리지(112)와 패킹부(131) 사이에서 카트리지(112)와 패킹부(131)를 접촉하도록 형성된다. 구체적으로, 실링부(133)는 카트리지의 포팅부(112b)와 패킹부의 하부 바디 부재(131aa)를 동시에 접촉(또는 접착)하도록 형성된다. 실링부(133)는 미드-케이스(111)의 공간과 캡(120)의 공간을 기밀하여 미드-케이스(111) 내의 유체가 캡(120) 측으로 유동하는 것을 방지한다. The sealing part 133 is formed to contact the cartridge 112 and the packing part 131 between the cartridge 112 and the packing part 131 . Specifically, the sealing part 133 is formed to contact (or adhere) the potting part 112b of the cartridge and the lower body member 131aa of the packing part at the same time. The sealing part 133 seals the space of the mid-case 111 and the space of the cap 120 to prevent the fluid in the mid-case 111 from flowing toward the cap 120 .

또한, 가스켓 조립체(130)는 보강 부재(134)를 더 포함할 수 있다. 보강 부재(134)는 제1 경도보다 높은 제2 경도를 가질 수 있다. 예를 들어, 보강 부재(134)는 금속, 열가소성 또는 열경화성 수지 등으로 형성될 수 있다. 보강 부재(134)는 가스켓 조립체(130) 성형시, 금형에 금속 플레이트를 삽입한 후에 제조함으로써 가스켓 조립체(130) 내에 삽입되어 형성될 수 있다. 보강 부재(134)는 패킹부(131)의 적어도 일부와 에지부(132)의 적어도 일부에 삽입되어 형성될 수 있다. 보강 부재(134)는 가스켓 조립체(130) 중에서 변형에 취약한 부분(홈(G)이 형성된 부분)에 형성될 수 있다. 패킹부(131) 및 에지부(132) 보다 높은 경도를 갖는 보강 부재(134)는, 가스켓 조립체(130)를 가습 모듈(110)에 기계적으로 조립할 때 또는 가습기 운전 중에 바디 부재(131a)의 변형이 야기되는 것을 방지함으로써 공기 누출을 더욱 확실히 담보할 수 있다.In addition, the gasket assembly 130 may further include a reinforcing member 134 . The reinforcing member 134 may have a second hardness higher than the first hardness. For example, the reinforcing member 134 may be formed of a metal, a thermoplastic, or a thermosetting resin. The reinforcing member 134 may be inserted into the gasket assembly 130 and formed by manufacturing the reinforcing member 134 after inserting the metal plate into the mold when the gasket assembly 130 is molded. The reinforcing member 134 may be formed by being inserted into at least a portion of the packing portion 131 and at least a portion of the edge portion 132 . The reinforcing member 134 may be formed in a portion vulnerable to deformation (a portion in which the groove G is formed) in the gasket assembly 130 . The reinforcing member 134 having a higher hardness than the packing portion 131 and the edge portion 132 is deformed when the gasket assembly 130 is mechanically assembled to the humidification module 110 or during operation of the humidifier. By preventing this from occurring, it is possible to more reliably ensure air leakage.

다음, 도 8 및 도 9를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 막가습기(100-2)를 설명한다. 도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이고, 도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 가습 모듈 내에서의 동작 상태를 설명하기 위한 단면도이다.Next, a fuel cell membrane humidifier 100-2 according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 8 and 9 . 8 is an exploded perspective view illustrating a fuel cell membrane humidifier according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 9 is an operation state within a humidification module of the fuel cell membrane humidifier according to the second embodiment of the present invention. cross section for

도 8 및 도 9를 참조하면, 본 실시예에서 복수개의 카트리지(112-1, 112-2, 112-3)는 동일한 폭과 길이를 갖도록 형성될 수 있다. 복수개의 카트리지 중에서 배가스 유입구(111a)와 가장 가깝게 배치된 카트리지(112-1)를 제1 카트리지라고 하고, 나머지 카트리지(112-2, 112-3)를 제2 카트리지라고 한다. 제1 카트리지는 배가스 유입구(111a) 방향으로 돌출 형성되고, 제2 카트리지는 제1 카트리지의 적어도 일측에 제1 카트리지 보다 낮은 위치에 형성된다.8 and 9, in this embodiment, a plurality of cartridges (112-1, 112-2, 112-3) may be formed to have the same width and length. Among the plurality of cartridges, the cartridge 112-1 disposed closest to the exhaust gas inlet 111a is referred to as a first cartridge, and the remaining cartridges 112-2 and 112-3 are referred to as a second cartridge. The first cartridge is formed to protrude toward the exhaust gas inlet (111a), the second cartridge is formed at a lower position than the first cartridge on at least one side of the first cartridge.

도 8 및 도 9에서 중앙에 배치된 카트리지(112-1)가 제1 카트리지인 것을 예시하고 있으나, 이는 배가스 유입구(111a)의 위치에 따라 달라질 수 있다. 즉, 배가스 유입구(111a)의 위치가 상측에 형성되는 경우, 카트리지(112-2)가 제1 카트리지일 수 있다.Although the cartridge 112-1 disposed in the center in FIGS. 8 and 9 is illustrated as the first cartridge, this may vary depending on the position of the exhaust gas inlet 111a. That is, when the position of the exhaust gas inlet (111a) is formed on the upper side, the cartridge (112-2) may be the first cartridge.

본 실시예의 구체적인 동작 과정은, 전술한 제1 실시예와 실질적으로 동일하다. 즉, 복수개의 카트리지 중에서 적어도 어느 하나를 배가스 유입구(111a)와 가장 가깝도록 배치하면, 각각의 카트리지들(112-1, 112-2, 112-3)은 고르게 분배된 배가스를 공급받을 수 있게 된다.The specific operation process of this embodiment is substantially the same as that of the first embodiment described above. That is, when at least one of the plurality of cartridges is disposed to be closest to the exhaust gas inlet 111a, each of the cartridges 112-1, 112-2, 112-3 can be supplied with evenly distributed exhaust gas. .

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.In the above, although an embodiment of the present invention has been described, those of ordinary skill in the art can add, change, delete or add components within the scope that does not depart from the spirit of the present invention described in the claims. The present invention may be variously modified and changed by such as, and it will be said that it is also included within the scope of the present invention.

100-1, 100-2 : 연료전지 막가습기
110 : 가습 모듈 111 : 미드-케이스
111a ; 배가스 유입구 111b : 배가스 배출구
111c : 격벽 112 : 카트리지
112a : 중공사막 112b : 포팅부
112c : 이너 케이스
120 : 캡 130 : 가스켓 조립체
131 : 패킹부 131a : 바디 부재
131b : 돌출 부재 132 : 에지부
133 : 실링부 134 : 보강 부재100-1, 100-2: fuel cell membrane humidifier
110: humidification module 111: mid-case
111a; flue gas inlet 111b: flue gas outlet
111c: bulkhead 112: cartridge
112a: hollow fiber membrane 112b: potting part
112c: inner case
120: cap 130: gasket assembly
131: packing part 131a: body member
131b: protruding member 132: edge portion
133: sealing part 134: reinforcing member

Claims

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,
상기 배가스가 유입되는 배가스 유입구가 형성된 미드-케이스;
상기 미드-케이스 내에 배치되며 복수의 중공사막들을 수용하는 복수개의 카트리지;
상기 복수개의 카트리지는 상기 배가스 유입구와 가장 가깝게 배치되는 제1 카트리지와, 상기 배가스 유입구를 기준으로 상기 제1 카트리지의 적어도 일측에 상기 제1 카트리지 보다 먼 위치에 배치되는 제2 카트리지를 포함하며,
상기 제2 카트리지는 상기 배가스 유입구로 유입되는 적어도 일부의 배가스와 상기 제1 카트리지에 의해 분배된 배가스의 적어도 일부를 유입하는, 연료전지 막가습기.
a humidification module for humidifying the air supplied from the outside with moisture in the exhaust gas discharged from the fuel cell stack; and,
Comprising caps respectively coupled to both ends of the humidification module,
The humidification module,
a mid-case having an exhaust gas inlet through which the exhaust gas is introduced;
a plurality of cartridges disposed in the mid-case and accommodating a plurality of hollow fiber membranes;
The plurality of cartridges include a first cartridge disposed closest to the exhaust gas inlet, and a second cartridge disposed at a position farther than the first cartridge on at least one side of the first cartridge with respect to the exhaust gas inlet,
The second cartridge introduces at least a portion of the exhaust gas introduced into the exhaust gas inlet and at least a portion of the exhaust gas distributed by the first cartridge, the fuel cell membrane humidifier.

청구항 1에 있어서, 상기 제1 카트리지는,
상기 복수개의 카트리지 중에서 가장 큰 제1 폭(W1)을 갖도록 형성되는 연료전지 막가습기.
The method according to claim 1, The first cartridge,
A fuel cell membrane humidifier formed to have the largest first width (W1) among the plurality of cartridges.

청구항 1에 있어서, 상기 제2 카트리지는,
상기 제1 폭(W1) 보다 작은 제2 폭(W2)을 갖도록 형성되는 연료전지 막가습기.
The method according to claim 1, The second cartridge,
A fuel cell membrane humidifier formed to have a second width (W2) smaller than the first width (W1).

청구항 1에 있어서,
상기 복수개의 카트리지는 동일한 폭과 길이를 갖도록 형성되며,
상기 제1 카트리지는 상기 배가스 유입구 방향으로 돌출 형성되고,
상기 제2 카트리지는 상기 제1 카트리지의 적어도 일측에 제1 카트리지 보다 낮은 위치에 형성되는 연료전지 막가습기.
The method according to claim 1,
The plurality of cartridges are formed to have the same width and length,
The first cartridge is formed to protrude in the direction of the exhaust gas inlet,
The second cartridge is a fuel cell membrane humidifier formed at a lower position than the first cartridge on at least one side of the first cartridge.

청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수개의 카트리지 각각의 단부가 삽입되는 복수개의 홀이 형성된 바디 부재와, 상기 바디 부재의 일단에 형성되며 상기 복수개의 홀에 삽입된 상기 복수개의 카트리지 각각의 단부와 접촉되어 상기 미드-케이스 내의 유체가 상기 캡 측으로 유동하는 것을 방지하는 돌출 부재를 포함하는 패킹부;
상기 바디 부재의 타단에 형성되며 상기 미드-케이스의 단부에 형성된 홈과 상기 캡의 단부에 의해 형성된 공간에 형성되는 에지부; 및,
상기 카트리지와 상기 패킹부를 접촉하도록 형성되어 상기 미드-케이스 내의 유체가 상기 캡 측으로 유동하는 것을 방지하는 실링부;
를 포함하는 가스켓 조립체를 포함하는 연료전지 막가습기.
5. The method according to any one of claims 1 to 4,
A body member having a plurality of holes into which the ends of each of the plurality of cartridges are inserted, and a body member formed at one end of the body member and in contact with the ends of each of the plurality of cartridges inserted into the plurality of holes, the fluid in the mid-case a packing portion including a protruding member for preventing the flow from flowing toward the cap;
an edge portion formed at the other end of the body member and formed in a space formed by a groove formed at an end of the mid-case and an end of the cap; and,
a sealing part formed to contact the cartridge and the packing part to prevent the fluid in the mid-case from flowing toward the cap;
A fuel cell membrane humidifier comprising a gasket assembly comprising a.

청구항 5에 있어서, 상기 돌출 부재는,
탄성력에 의해 상기 복수개의 카트리지 각각의 단부를 가압하면서 접촉하여 상기 미드-케이스 측의 공간과 상기 캡 측의 공간을 기밀하는 연료전지 막가습기.
The method according to claim 5, The protruding member,
A fuel cell membrane humidifier for airtightening the space on the side of the mid-case and the space on the cap side by contacting the ends of each of the plurality of cartridges while pressing by elastic force.

청구항 5에 있어서, 상기 에지부는,
양 방향으로 돌출된 에지 윙을 구비하며,
상기 에지 윙은 상기 미드-케이스 단부에 형성된 홈을 채우면서 개재되어, 상기 미드-케이스의 내부와 외부, 그리고 상기 미드-케이스와 상기 캡을 밀봉하는 연료전지 막가습기.
The method according to claim 5, wherein the edge portion,
It has edge wings protruding in both directions,
The edge wing is interposed while filling the groove formed at the end of the mid-case to seal the inside and the outside of the mid-case, and the mid-case and the cap.

청구항 5에 있어서,
상기 패킹부와 상기 에지부 각각은 30 내지 70 Shore A의 제1 경도를 갖고,
상기 패킹부의 적어도 일부와 상기 에지부의 적어도 일부에 삽입되어 형성되며 상기 제1 경도 보다 높은 제2 경도를 갖는 보강 부재를 더 포함하는 연료전지 막가습기.6. The method of claim 5,
Each of the packing part and the edge part has a first hardness of 30 to 70 Shore A,
The fuel cell membrane humidifier further comprising a reinforcing member inserted into at least a portion of the packing portion and at least a portion of the edge portion and having a second hardness higher than the first hardness.