KR20220112451A

KR20220112451A - 가스켓 조립체 및 이를 포함하는 연료전지 막가습기

Info

Publication number: KR20220112451A
Application number: KR1020210016021A
Authority: KR
Inventors: 김도우; 김경주; 안나현; 김인호
Original assignee: 코오롱인더스트리 주식회사
Priority date: 2021-02-04
Filing date: 2021-02-04
Publication date: 2022-08-11
Also published as: WO2022169151A1; CA3205730A1; JP2024505839A; EP4270555A1; US20240322197A1; EP4270555A4; CN116830326A

Abstract

본 발명은 향상된 생산성으로 제조될 수 있고 유지보수 비용을 획기적으로 절감할 수 있는 가스켓 조립체 및 이를 포함하는 연료전지 막가습기에 관한 것으로,
본 발명의 실시예에 따른 가스켓 조립체는,
미드-케이스와 상기 미드-케이스와 체결되는 캡과 상기 미드-케이스 내에 배치되며 복수의 중공사막들을 수용하는 적어도 하나의 카트리지를 포함하는 연료전지 막가습기를 위한 가스켓 조립체로서, 상기 카트리지 단부를 둘러싸는 형상으로 형성되며, 상기 카트리지 단부가 삽입되는 제1 홀이 형성된 서브 케이스; 상기 서브 케이스가 삽입되는 제2 홀이 형성된 바디 부재와, 상기 바디 부재의 일단에 형성되며 상기 제2 홀에 삽입된 상기 서브 케이스의 외주면과 접촉되어 상기 미드-케이스 내의 유체가 상기 캡 측으로 유동하는 것을 방지하는 돌출 부재를 포함하는 패킹부와, 상기 바디 부재의 타단에 형성되며 상기 미드-케이스의 단부에 형성된 홈과 상기 캡의 단부에 의해 형성된 공간에 형성되는 에지부를 포함하는 가스켓;을 포함한다.

Description

가스켓 조립체 및 이를 포함하는 연료전지 막가습기{Gasket assembly and fuel cell membrane humidifier comprising it}

본 발명은 가스켓 조립체 및 이를 포함하는 연료전지 막가습기에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 향상된 생산성으로 제조될 수 있고 유지보수 비용을 획기적으로 절감할 수 있는 가스켓 조립체 및 이를 포함하는 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 막가습기를 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 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.

도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이다. 도 1에 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.

캡들(12) 중 하나는 외부로부터 공급되는 공기를 가습 모듈(11)로 공급하고, 다른 하나는 가습 모듈(11)에 의해 가습된 공기를 연료전지 스택으로 공급한다.

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) 내의 다수의 중공사막들(11b)을 포함한다. 중공사막들(11b)의 다발의 양 말단들은 포팅부(11c)에 고정된다. 포팅부(11c)는 일반적으로 캐스팅(casting) 방식을 통해 액상 폴리우레탄 수지와 같은 액상 폴리머를 경화시킴으로써 형성된다.

외부로부터 공급되는 공기는 중공사막들(11b)의 중공을 따라 흐른다. 배가스 유입구(11aa)를 통해 미드-케이스(11a) 내로 유입된 배가스는 중공사막들(11b)의 외표면과 접촉한 후 배가스 배출구(11ab)를 통해 미드-케이스(11a)로부터 배출된다. 배가스가 중공사막들(11b)의 외표면과 접촉할 때 배가스 내에 함유되어 있던 수분이 중공사막들(11b)을 투과함으로써 중공사막들(11b)의 중공을 따라 흐르던 공기를 가습한다.

캡들(12)의 내부 공간들은 중공사막들(11b)의 중공들과만 유체 연통할 뿐, 미드-케이스(11a)의 내부 공간과는 완벽히 차단되어 있어야만 한다. 그렇지 않으면, 압력 차이에 의한 공기 누출이 발생하여 연료전지 스택으로 공급되는 가습 공기의 양이 줄어들고 연료전지의 발전 효율이 저하된다.

일반적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 다수의 중공사막들(11b)의 말단들이 고정되어 있는 포팅부(11c) 및 포팅부(11c)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.

또한, 수지층(11d)이 포팅부(11c)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.

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.

대한민국 공개특허 제10-2009-0013304호 대한민국 공개특허 제10-2009-0057773호 대한민국 공개특허 제10-2009-0128005호 대한민국 공개특허 제10-2010-0108092호 대한민국 공개특허 제10-2010.0131631호 대한민국 공개특허 제10-2011-0001022호 대한민국 공개특허 제10-2011-0006122호 대한민국 공개특허 제10-2011-0006128호 대한민국 공개특허 제10-2011-0021217호 대한민국 공개특허 제10-2011-0026696호 대한민국 공개특허 제10-2011-0063366호

본 발명은 위와 같은 관련 기술의 제한 및 단점들에 기인한 문제점들을 방지할 수 있고, 향상된 생산성으로 제조될 수 있을 뿐만 아니라 유지 보수 비용을 획기적으로 절감할 수 있는 가스켓 조립체 및 이를 포함하는 연료전지 막가습기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

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.

본 발명의 실시예에 따른 가스켓 조립체는,

미드-케이스와 상기 미드-케이스와 체결되는 캡과 상기 미드-케이스 내에 배치되며 복수의 중공사막들을 수용하는 적어도 하나의 카트리지를 포함하는 연료전지 막가습기를 위한 가스켓 조립체로서, 상기 카트리지 단부를 둘러싸는 형상으로 형성되며, 상기 카트리지 단부가 삽입되는 제1 홀이 형성된 서브 케이스; 상기 서브 케이스가 삽입되는 제2 홀이 형성된 바디 부재와, 상기 바디 부재의 일단에 형성되며 상기 제2 홀에 삽입된 상기 서브 케이스의 외주면과 접촉되어 상기 미드-케이스 내의 유체가 상기 캡 측으로 유동하는 것을 방지하는 돌출 부재를 포함하는 패킹부와, 상기 바디 부재의 타단에 형성되며 상기 미드-케이스의 단부에 형성된 홈과 상기 캡의 단부에 의해 형성된 공간에 형성되는 에지부를 포함하는 가스켓;을 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 가스켓 조립체에 있어서, 상기 카트리지 단부와 결합될 수 있도록, 상기 서브 케이스의 내주면에는 접착제가 도포될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 가스켓 조립체에 있어서, 상기 서브 케이스는 상기 포팅부를 이루는 물질의 경도 보다 높은 경도를 갖는 물질로 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 가스켓 조립체에 있어서, 상기 바디 부재는, 하방향으로 돌출 형성된 하부 바디 부재와 상기 캡 측으로 평면 형상으로 형성된 상부 바디 부재를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 가스켓 조립체에 있어서, 상기 바디 부재는 2개 이상의 서브 케이스들이 각각 삽입될 수 있는 2개 이상의 홀을 구비하고, 상기 돌출 부재는 2개 이상 구비되어 상기 2개 이상의 서브 케이스의 외주면에 접촉 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 가스켓 조립체에 있어서, 상기 돌출 부재는, 탄성력에 의해 상기 서브 케이스의 외주면을 가압하면서 접촉하여 상기 미드-케이스 측의 공간과 상기 캡 측의 공간을 기밀할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 가스켓 조립체에 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.

본 발명의 실시예에 따른 가스켓 조립체에 있어서, 상기 패킹부와 상기 에지부 각각은 20 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.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기는, 미드-케이스; 상기 미드-케이스와 체결되는 캡; 상기 미드-케이스 내에 배치되며 복수의 중공사막들을 수용하는 적어도 하나의 카트리지; 상기 캡이 상기 중공사막들과만 유체 연통할 수 있도록, 기계적 조립을 통해 상기 가습 모듈의 적어도 일단에 기밀하게 결합된 가스켓 조립체;를 포함한다. 또한, 가스켓 조립체는, 상기 카트리지 단부를 둘러싸는 형상으로 형성되며, 상기 카트리지 단부가 삽입되는 제1 홀이 형성된 서브 케이스; 상기 서브 케이스가 삽입되는 제2 홀이 형성된 바디 부재와, 상기 바디 부재의 일단에 형성되며 상기 제2 홀에 삽입된 상기 서브 케이스의 외주면과 접촉되어 상기 미드-케이스 내의 유체가 상기 캡 측으로 유동하는 것을 방지하는 돌출 부재를 포함하는 패킹부와, 상기 바디 부재의 타단에 형성되며 상기 미드-케이스의 단부에 형성된 홈과 상기 캡의 단부에 의해 형성된 공간에 형성되는 에지부를 포함하는 가스켓;을 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 카트리지 단부와 결합될 수 있도록, 상기 서브 케이스의 내주면에는 접착제가 도포될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 서브 케이스는 상기 포팅부를 이루는 물질의 경도 보다 높은 경도를 갖는 물질로 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 바디 부재는, 하방향으로 돌출 형성된 하부 바디 부재와 상기 캡 측으로 평면 형상으로 형성된 상부 바디 부재를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 바디 부재는 2개 이상의 서브 케이스들이 각각 삽입될 수 있는 2개 이상의 홀을 구비하고, 상기 돌출 부재는 2개 이상 구비되어 상기 2개 이상의 서브 케이스의 외주면에 접촉 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 돌출 부재는, 탄성력에 의해 상기 서브 케이스의 외주면을 가압하면서 접촉하여 상기 미드-케이스 측의 공간과 상기 캡 측의 공간을 기밀할 수 있다.

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.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 패킹부와 상기 에지부 각각은 20 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.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 카트리지는, 단부에 개구가 형성되며 상기 복수의 중공사막들이 수용되는 이너 케이스와, 상기 복수의 중공사막들의 말단부들이 고정되며 상기 이너 케이스의 개구를 폐쇄시키는 포팅부를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 있어서, 상기 포팅부의 적어도 일부는 상기 이너 케이스 밖에 위치하여 노출되며, 상기 서브 케이스는 상기 노출된 포팅부에 결합될 수 있다.

기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.

본 발명에 의하면, 가스켓 조립체의 기계적 조립을 통해 미드-케이스와 캡 사이의 공기 누출을 방지하기 때문에 종래 기술의 캐스팅 공정(즉, 액상 폴리머를 주형에 주입하고 경화하는 공정) 및 추가적 실링 공정(즉, 실런트를 도포하고 경화시키는 공정) 등을 생략할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 미드-케이스와 캡 사이의 공기 누출을 방지하면서도 연료전지 막가습기의 생산 공정 시간을 단축시킴으로써 그 생산성을 획기적으로 향상시킬 수 있다.

또한, 미드-케이스와 캡 사이의 공기 누출 방지를 위한 본 발명의 가스켓 조립체는 기계적 조립을 통해 가습 모듈에 장착되기 때문에 가습 모듈의 특정 부분에 이상이 발생할 경우 가스켓 조립체를 기계적으로 간단히 분리한 후 해당 부분만을 수리 또는 교체하는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명에 의하면, 연료전지 막가습기의 유지보수 비용을 상당히 절감할 수 있다.

또한, 서브 케이스에 의해 돌출 부재가 직접 포팅부와 접촉하는 것이 방지하므로, 가스켓 조립체의 압축력에 의해 돌출 부재가 포팅부를 변형 훼손하는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 변형예가 도시된 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 단면도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 막가습기의 효과를 설명하기 위한 도면이다.

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 실시예들에 따른 연료전지 막가습기를 설명한다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 단면도이며, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 단면도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 막가습기(100-1)는, 외부로부터 공급되는 공기를 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스 내의 수분으로 가습하는 가습 모듈(110)을 포함한다. 가습 모듈(110)의 양 말단들 각각은 캡(120)과 결합된다.

캡(120)들 중 어느 하나는 외부로부터 공급되는 공기를 가습 모듈(110)로 공급하고, 다른 하나는 가습 모듈(110)에 의해 가습된 공기를 연료전지 스택으로 공급한다.

가습 모듈(110)은 외부로부터 공급되는 공기와 배가스 사이의 수분 교환이 일어나는 장치로서, 배가스 유입구(111a)와 배가스 배출구(111b)를 갖는 미드-케이스(111) 및 미드-케이스(111) 내에 배치되는 적어도 하나의 카트리지(112)를 포함할 수 있다.

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.

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.

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.

외부로부터 공급되는 공기는 중공사막들(112a)의 중공을 따라 흐른다. 배가스 유입구(111a)를 통해 미드-케이스(111) 내로 유입된 배가스는 중공사막들(112a)의 외표면과 접촉한 후 배가스 배출구(111b)를 통해 미드-케이스(111)로부터 배출된다. 배가스가 중공사막들(112a)의 외표면과 접촉할 때 배가스 내에 함유되어 있던 수분이 중공사막들(112a)을 투과함으로써 중공사막들(112a)의 중공을 따라 흐르던 공기를 가습한다.

캡(120)은 중공사막들(112a)의 중공들과만 유체 연통할 뿐, 미드-케이스(111)의 내부 공간(S)과는 완벽히 차단되어야 한다. 그렇지 않으면, 압력 차이에 의한 공기 누출이 발생하여 연료전지 스택으로 공급되는 가습 공기의 양이 줄어들고 연료전지의 발전 효율이 저하된다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 연료전지 막가습기(100)는 가습 모듈(110)의 각 말단에 기계적 조립을 통해 기밀하게 결합되는 가스켓 조립체(1000)를 더 포함한다.

본 발명에 의하면 가스켓 조립체(1000)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. 따라서, 본 발명에 의하면, 미드-케이스(111)와 캡(120) 사이의 공기 누출을 방지하면서도 연료전지 막가습기(100)의 생산 공정 시간을 단축시킴으로써 그 생산성을 획기적으로 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 가스켓 조립체(1000)는 기계적 조립을 통해 가습 모듈(110)에 장착되기 때문에 가습 모듈(110)의 특정 부분(예를 들어, 카트리지(112))에 이상이 발생할 경우, 서브 케이스(1100)와 가스켓 조립체(1000)를 가습 모듈(110)로부터 기계적으로 간단히 분리한 후 해당 부분만을 수리 또는 교체하는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명에 의하면, 연료전지 막가습기(100)의 유지보수 비용을 상당히 절감할 수 있다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 가스켓 조립체(1000)는 서브 케이스(1100)와 가스켓(1200)을 포함한다. 가스켓(1200)은 패킹부(1210)와 에지부(1220)를 포함한다. 패킹부(1210)와 에지부(1220)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.

서브 케이스(1100)는 카트리지(112)의 단부(예를 들어, 포팅부(112b))를 둘러싸는 형상으로 형성된다. 서브 케이스(1100)는 포팅부(112b)를 이루는 물질의 경도 보다 높은 경도를 갖는 물질로 형성될 수 있다. 서브 케이스(1100)는 카트리지(112)의 포팅부(112b)가 삽입되는 제1 홀(H1)을 구비한다. 카트리지(112)의 포팅부(112b)는 서브 케이스(1100)의 제1 홀(H1)에 삽입 고정될 수 있다. 서브 케이스(1100)가 포팅부(112b)와 결합될 수 있도록, 서브 케이스(1100)의 내주면에는 프라이머와 같은 접착제가 도포될 수 있다. 또는, 내부에 중공사막(112a)이 배치된 이너 케이스(112c, 도 5 참조)를 서브 케이스(1100)의 제1 홀(H1)에 삽입 고정한 후, 포팅부(112b)를 형성할 수도 있다.

패킹부(1210)는 서브 케이스(1100)가 삽입되는 제2 홀(H2)을 구비하며 미드-케이스(111)와 서브 케이스(1100) 사이에 개재된다. 패킹부(1210)는 바디 부재(1211)와 돌출 부재(1212)를 포함한다.

바디 부재(1211)는 서브 케이스(1100)가 삽입되는 제2 홀(H2)을 구비하며, 제2 홀(H2)은 서브 케이스(1100)의 형상과 대응하는 형상으로 형성된다. 바디 부재(1211)에서 하방향으로 돌출 형성된 하부 바디 부재(1211a)는 단면이 다각 형상(예를 들어, 사다리꼴 형상)으로 형성될 수 있고, 캡(120) 측으로 형성된 상부 바디 부재(1211b)는 평면 형상으로 형성될 수 있다. 물론, 평면 형상에 한정되지 않고, 상부 바디 부재(1211b)는 곡면, 경사면 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 하부 바디 부재(1211a)와 에지부(1220) 사이에는 미드-케이스(111)의 단부(111a)가 끼워지는 홈(G)이 형성된다.

돌출 부재(1212)는 서브 케이스(1100)의 외주면과 접촉하도록 바디 부재(1211)의 일단에 형성된다. 돌출 부재(1212)는 바디 부재(1211)의 일단부에서 돌출된 적어도 1개 이상의 환형 돌기일 수 있다. 도면에서는 돌출 부재(1212)가 2개인 것을 예시하고 있다. 돌출 부재(1212)는 탄성력에 의해 서브 케이스(1100)를 가압하면서 접촉하여 미드-케이스(111)의 공간과 캡(120)에 의한 공간을 기밀할 수 있다. 따라서, 돌출 부재(1212)는 미드-케이스(111) 내의 유체가 캡(120) 측에 형성된 공간으로 흐르는 것을 방지할 수 있다. 또한, 돌출 부재(1212)는 탄성을 갖고 있기 때문에 진동 완충 기능을 수행할 수 있고, 따라서, 막가습기(100)의 진동으로 인한 손상을 방지할 수 있다. 이때, 서브 케이스(1100)는 돌출 부재(1212)가 직접 포팅부(112b)와 접촉하는 것을 방지하므로, 가스켓(1200)의 압축력에 의해 돌출 부재(1212)가 포팅부(112b)를 변형 훼손하는 것을 방지할 수 있다.

에지부(1220)는 바디 부재(1211)의 타단에 형성된다. 에지부(1220)는 미드-케이스의 단부에 형성된 홈(111b)과 캡의 단부(120a)에 의해 형성된 공간에 개재될 수 있다. 에지부(1220)는 양 방향으로 돌출된 에지 윙(1221, 1222)을 구비할 수 있다. 에지 윙(1221, 1222)은 가습 모듈(110)의 길이 방향으로 형성될 수 있다.

조립시에, 미드-케이스 단부의 홈(111b)에 에지 윙(1221, 1222)을 삽입하고, 캡의 단부(120a)가 에지 윙(1222)을 가압한 후, 볼트(B) 등의 체결 수단으로 체결시켜서 조립할 수 있다. 이때, 에지 윙(1221, 1222)은 탄성을 지닌 물질로 이루어지므로 에지 윙(1221, 1222)은 미드-케이스 단부의 홈(111b) 공간을 일정 부분 채우면서 개재될 수 있다. 미드-케이스(111)와 캡(120)의 단부 측면에는 볼트 체결을 위한 체결공이 형성된 체결 절편(111c, 120c)이 형성될 수 있다. 에지 윙(1221, 1222)은 미드-케이스 단부의 홈(111b)을 기밀시켜서 미드-케이스(111)의 내부와 외부, 그리고 미드-케이스(111)와 캡(120)을 밀봉시킬 수 있다.

또한, 가스켓(1200)은 보강 부재(1240)를 더 포함할 수 있다. 보강 부재(1240)는 제1 경도보다 높은 제2 경도를 가질 수 있다. 예를 들어, 보강 부재(1240)는 금속, 열가소성 또는 열경화성 수지 등으로 형성될 수 있다. 보강 부재(1240)는 가스켓(1200) 성형시, 금형에 금속 플레이트를 삽입한 후에 제조함으로써 가스켓(1200) 내에 삽입되어 형성될 수 있다. 보강 부재(1240)는 패킹부(1210)의 적어도 일부와 에지부(1220)의 적어도 일부에 삽입되어 형성될 수 있다. 보강 부재(1240)는 가스켓 조립체(1000) 중에서 변형에 취약한 부분(홈(G)이 형성된 부분)에 형성될 수 있다. 패킹부(1210) 및 에지부(1220) 보다 높은 경도를 갖는 보강 부재(1240)는, 가스켓 조립체(1000)를 가습 모듈(110)에 기계적으로 조립할 때 또는 막가습기 운전 중에 바디 부재(1211)의 변형이 야기되는 것을 방지함으로써 공기 누출을 더욱 확실히 차단할 수 있다.

다음, 도 5를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 변형예를 설명한다. 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 변형예가 도시된 단면도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 변형예(100a)는, (i) 미드-케이스(111)의 내부 공간이 격벽들(partitions)(111d)에 의해 제1 공간(S1)과 제2 공간(S2)으로 구획되고, (ii) 카트리지(112)가 이너 케이스(inner case)(112c)를 더 포함하고 있다는 것을 제외하고는, 전술한 제1 실시예에 따른 연료전지 막가습기(100-1)와 실질적으로 동일하다.

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.

도 5에 도시된 바와 같이, 포팅부(112b)의 적어도 일부가 이너 케이스(112c) 밖에 위치하여 노출될 수 있으며, 서브 케이스(1100)는 노출된 포팅부(112b)에 결합될 수 있다.

이너 케이스(112c)는 제1 공간(S1)과의 유체 연통을 위해 메쉬 형태로 배열된 다수의 홀들(이하, '제1 메쉬 홀들')(MH1) 및 제2 공간(S2)과의 유체연통을 위해 메쉬 형태로 배열된 다수의 홀들(이하, '제2 메쉬 홀들')(MH2)을 구비한다.

배가스 유입구(111a)를 통해 미드-케이스(111)의 제1 공간(S1)으로 유입된 배가스는 제1 메쉬 홀들(MH1)을 통해 이너 케이스(112c) 내로 흘러 들어 중공사막들(112a)의 외표면과 접촉한다. 이어서, 수분을 빼앗긴 배가스는 제2 메쉬 홀들(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.

다음, 도 6 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 막가습기에 대해 설명한다. 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 사시도이고, 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 분해 단면도이며, 도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 막가습기가 도시된 단면도이다.

도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 막가습기(100-2)는, (i) 가습 모듈(110)이 2개 이상의 카트리지(112)들을 포함하고, (ii) 2개 이상의 카트리지(112)들의 포팅부(112b)를 각각 둘러싸도록 형성되는 복수개의 서브 케이스(1100)를 포함하고, (iii) 패킹부(1210)의 바디 부재(1211)는 복수개의 서브 케이스(1100) 각각이 삽입되는 2개 이상의 홀들(H2)을 구비하며, (iv) 서브 케이스(1100)와 접촉하도록 바디 부재(1211)의 일단에 형성되는 2개 이상의 돌출 부재(1212)를 포함하는 점을 제외하고는, 전술한 제1 실시예에 따른 연료전지 막가습기의 변형예(100a)와 실질적으로 동일하다.

이너 케이스(112c)를 각각 포함하는 복수개의 카트리지(112)들이 미드-케이스(111) 내에 장착됨으로써 미드-케이스(111) 내에 존재하는 모든 중공사막들(112a)에 배가스가 분배될 수 있을 뿐만 아니라, 문제가 발생한 특정 카트리지(112)만을 선별적으로 교체할 수 있어 연료전지 막가습기의 유지보수 비용을 더욱 절감할 수 있다.

다음, 도 9 및 도 10을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 막가습기의 효과를 설명한다. 도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 막가습기의 효과를 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 도 9는 서브 케이스(1100)가 없는 상태에서 돌출 부재(1212)가 카트리지(112)의 단부에 형성된 포팅부(112b)를 직접 가압하여 미드-케이스(111)의 공간과 캡(120)의 공간을 기밀하는 상태를 개괄적으로 도시한 도면이다.

도 9의 (a)에 도시된 바와 같이, 돌출 부재(1212)는 가스켓(1200)의 압축력에 의해 포팅부(112b)를 직접 가압하면서 접촉하여 미드-케이스(111)의 공간과 캡(120)에 의한 공간을 기밀할 수 있다. 그러나, 연료전지 막가습기를 장시간 반복 사용하면, 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이, 가스켓(1200)의 압축력에 의해 돌출 부재(1212)와 접촉되는 포팅부(112b)의 일부는 변형하여 훼손된다. 이러한 상태로 계속 사용하면 포팅부(112b)의 훼손이 가속화되어 포팅부(112b) 본연의 기능(유동 공간 분리)을 수행하기 어렵게 된다.

한편, 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 서브 케이스(1100)에 의해 돌출 부재(1212)가 직접 포팅부(112b)와 접촉하는 것이 방지하므로, 가스켓(1200)의 압축력에 의해 돌출 부재(1212)가 포팅부(112b)를 변형 훼손하는 것을 방지할 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.

100 (100-1, 100-2, 100a) : 연료전지 막가습기
110 : 가습 모듈 111 : 미드-케이스
112 : 카트리지 112b : 포팅부
112c : 이너 케이스 1000 : 가스켓 조립체
1100 : 서브 케이스 1200 : 가스켓

Claims

미드-케이스와 상기 미드-케이스와 체결되는 캡과 상기 미드-케이스 내에 배치되며 복수의 중공사막들을 수용하는 적어도 하나의 카트리지를 포함하는 연료전지 막가습기를 위한 가스켓 조립체로서,
상기 카트리지 단부를 둘러싸는 형상으로 형성되며, 상기 카트리지 단부가 삽입되는 제1 홀이 형성된 서브 케이스;
상기 서브 케이스가 삽입되는 제2 홀이 형성된 바디 부재와, 상기 바디 부재의 일단에 형성되며 상기 제2 홀에 삽입된 상기 서브 케이스의 외주면과 접촉되어 상기 미드-케이스 내의 유체가 상기 캡 측으로 유동하는 것을 방지하는 돌출 부재를 포함하는 패킹부와, 상기 바디 부재의 타단에 형성되며 상기 미드-케이스의 단부에 형성된 홈과 상기 캡의 단부에 의해 형성된 공간에 형성되는 에지부를 포함하는 가스켓;
을 포함하는 가스켓 조립체.
청구항 1에 있어서,
상기 카트리지 단부와 결합될 수 있도록, 상기 서브 케이스의 내주면에는 접착제가 도포되는 가스켓 조립체.
청구항 1에 있어서, 상기 서브 케이스는,
상기 카트리지 단부에 형성된 포팅부를 이루는 물질의 경도 보다 높은 경도를 갖는 물질로 형성되는 가스켓 조립체.
청구항 1에 있어서, 상기 바디 부재는,
하방향으로 돌출 형성된 하부 바디 부재와 상기 캡 측으로 평면 형상으로 형성된 상부 바디 부재를 포함하는 가스켓 조립체.
청구항 1에 있어서,
상기 바디 부재는 2개 이상의 서브 케이스들이 각각 삽입될 수 있는 2개 이상의 제2 홀을 구비하고, 상기 돌출 부재는 2개 이상 구비되어 상기 2개 이상의 서브 케이스의 외주면에 접촉 형성되는 가스켓 조립체.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 돌출 부재는,
탄성력에 의해 상기 서브 케이스의 외주면을 가압하면서 접촉하여 상기 미드-케이스 측의 공간과 상기 캡 측의 공간을 기밀하는 가스켓 조립체.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 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 가스켓 조립체.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 패킹부와 상기 에지부 각각은 20 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 부재
를 더 포함하는 가스켓 조립체.
미드-케이스;
상기 미드-케이스와 체결되는 캡;
상기 미드-케이스 내에 배치되며 복수의 중공사막들을 수용하는 적어도 하나의 카트리지;
상기 캡이 상기 중공사막들과만 유체 연통할 수 있도록, 기계적 조립을 통해 상기 가습 모듈의 적어도 일단에 기밀하게 결합된 가스켓 조립체;를 포함하며, 상기 가스켓 조립체는,
상기 카트리지 단부를 둘러싸는 형상으로 형성되며, 상기 카트리지 단부가 삽입되는 제1 홀이 형성된 서브 케이스;
상기 서브 케이스가 삽입되는 제2 홀이 형성된 바디 부재와, 상기 바디 부재의 일단에 형성되며 상기 제2 홀에 삽입된 상기 서브 케이스의 외주면과 접촉되어 상기 미드-케이스 내의 유체가 상기 캡 측으로 유동하는 것을 방지하는 돌출 부재를 포함하는 패킹부와, 상기 바디 부재의 타단에 형성되며 상기 미드-케이스의 단부에 형성된 홈과 상기 캡의 단부에 의해 형성된 공간에 형성되는 에지부를 포함하는 가스켓;
을 포함하는 연료전지 막가습기.
청구항 9에 있어서,
상기 카트리지 단부와 결합될 수 있도록, 상기 서브 케이스의 내주면에는 접착제가 도포되는 연료전지 막가습기.
청구항 9에 있어서, 상기 서브 케이스는,
상기 카트리지 단부에 형성된 포팅부를 이루는 물질의 경도 보다 높은 경도를 갖는 물질로 형성되는 연료전지 막가습기.
청구항 9에 있어서, 상기 바디 부재는,
하방향으로 돌출 형성된 하부 바디 부재와 상기 캡 측으로 평면 형상으로 형성된 상부 바디 부재를 포함하는 연료전지 막가습기.
청구항 9에 있어서,
상기 바디 부재는 2개 이상의 서브 케이스들이 각각 삽입될 수 있는 2개 이상의 제2 홀을 구비하고, 상기 돌출 부재는 2개 이상 구비되어 상기 2개 이상의 서브 케이스의 외주면에 접촉 형성되는 연료전지 막가습기.
청구항 9 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서, 상기 돌출 부재는,
탄성력에 의해 상기 서브 케이스의 외주면을 가압하면서 접촉하여 상기 미드-케이스 측의 공간과 상기 캡 측의 공간을 기밀하는 연료전지 막가습기.
청구항 9 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 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.
청구항 9 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
상기 패킹부와 상기 에지부 각각은 20 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 부재
를 더 포함하는 연료전지 막가습기.
청구항 9 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서, 상기 카트리지는,
단부에 개구가 형성되며 상기 복수의 중공사막들이 수용되는 이너 케이스와,
상기 복수의 중공사막들의 말단부들이 고정되며 상기 이너 케이스의 개구를 폐쇄시키는 포팅부
를 포함하는 연료전지 막가습기.
청구항 17에 있어서,
상기 포팅부의 적어도 일부는 상기 이너 케이스 밖에 위치하여 노출되며,
상기 서브 케이스는 상기 노출된 포팅부에 결합되는 연료전지 막가습기.