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KR102759726B1 - 중공사막 카트리지, 연료전지용 가습기 및 이를 포함하는 연료전지 - Google Patents

중공사막 카트리지, 연료전지용 가습기 및 이를 포함하는 연료전지 Download PDF

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KR102759726B1
KR102759726B1 KR1020220097446A KR20220097446A KR102759726B1 KR 102759726 B1 KR102759726 B1 KR 102759726B1 KR 1020220097446 A KR1020220097446 A KR 1020220097446A KR 20220097446 A KR20220097446 A KR 20220097446A KR 102759726 B1 KR102759726 B1 KR 102759726B1
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Abstract

본 발명은 연료전지의 사용 중 발생할 수 있는 기계적 물성 저하 및 치수 변형을 최소화하여, 제품의 내구 수명을 증가시키는 효과를 가질 수 있도록, 우수한 내열성을 갖고 있으면서 우수한 내가수분해성을 가지며, 120℃ 이상의 열변형 온도 및 1% 이하의 흡습성을 갖는 중공사막 카트리지, 연료전지용 가습기 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.

Description

중공사막 카트리지, 연료전지용 가습기 및 이를 포함하는 연료전지 {Cartridge of Hollow Fiber Membrane, Humidifier for Fuel Cell and Fuel Cell comprising the same}
본 발명은 고온 및 고습의 가습 유체에 대해 내열성 및 내가수분해성을 갖는 것을 특징으로 하는 중공사막 카트리지, 연료전지용 가습기 및 이를 포함하는 연료전지에 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 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.
여러 종류의 연료전지 중 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)는 저온에서 동작할 수 있고, 출력밀도가 커서 소형화가 가능하기 때문에 소규모 거치형 발전장비뿐만 아니라 수송 시스템에서도 유망한 것으로 알려져 있다.
고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)의 성능을 향상시키는데 있어서 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. 함수율을 유지하기 위해서는 가습이 필요하다.
상기 가습에 사용되는 선택적 투과막으로 단위 체적당 투과 면적이 큰 중공사막이 사용될 수 있다. 중공사막을 이용하여 가습기를 제조할 경우, 접촉 표면적이 넓은 중공사막의 고집적화가 가능하여 소용량으로도 연료전지의 가습이 충분히 이루어질 수 있고, 저가 소재의 사용이 가능하며, 연료전지에서 고온으로 배출되는 배가스(off-gas)에 포함된 수분과 열을 회수하여 가습기를 통해 재사용할 수 있다는 이점이 있다.
상기 중공사막을 이용한 가습기에서 가습 공정이 이루어지는 동안, 가습기는 고온 및 고습의 가습 유체에 노출된 상태로 사용되므로, 가습기를 구성하는 소재는 내열성과 내가수분해성이 요구된다. 따라서, 우수한 내열성 및 내가수분해성을 갖는 가습기용 소재의 개발이 필요하다.
본 발명의 일 실시예는 상기와 같은 점을 고려하여 창안된 것으로서, 우수한 내열성을 갖는 중공사막 카트리지를 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 일 실시예는 우수한 내가수분해성을 갖는 중공사막 카트리지를 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 일 실시예는 우수한 기계적 물성 및 치수 안정성을 갖는 중공사막 카트리지를 제공하고자 한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예는 상기와 같은 중공사막 카트리지를 포함하는 연료전지용 가습기를 제공하고자 한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예는 상기와 같은 연료전지용 가습기를 포함하는 연료전지를 제공하고자 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 실시예들은 다음과 같은 구성을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 중공사막 카트리지는 내부 공간을 갖는 이너케이스, 상기 이너케이스의 상기 내부 공간에 배치된 복수의 중공사막, 상기 이너케이스의 일측에 배치되어 상기 복수의 중공사막의 일측을 고정하는 제1 포팅부 및 상기 이너케이스의 타측에 배치되어 상기 복수의 중공사막의 타측을 고정하는 제2 포팅부를 포함할 수 있다. 상기 이너케이스는 120℃ 이상의 열변형 온도 및 1% 이하의 흡습성을 가질 수 있다.
상기 이너케이스는 0.5% 이하의 흡습성을 가질 수 있다.
상기 이너케이스는 고분자 수지를 포함할 수 있다.
상기 고분자 수지는 폴리페닐렌에테르(PPE), 폴리페닐설폰(PPSU), 폴리설폰(PSU), 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 및 폴리아릴레이트(PAR) 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 폴리페닐렌에테르(PPE)는 폴리스타이렌-부타다이엔 공중합체(HIPS)에 의하여 개량된 폴리페닐렌에테르(m-PPE)일 수 있다.
상기 m-PPE는 상기 m-PPE의 전체 중량에 대하여 90 내지 99 중량%의 폴리페닐렌에테르(PPE) 및 1 내지 10 중량%의 폴리스타이렌-부타다이엔 공중합체(HIPS)를 포함 할 수 있다.
상기 이너케이스는 고온 및 고습 처리 후 중량 감소율이 10%이하일 수 있다.
여기서, 상기 고온 및 고습 처리는, 물이 담긴 오토클레이브(Autoclave) 내에 상기 이너케이스를 배치한 후, 오토클레이브(Autoclave)를 120℃±3℃의 온도로 설정하여 200시간 처리하는 것을 의미한다.
상기 이너케이스는 100 x 10-6 ㎜/㎜/℃ 이하의 열팽창 계수(CTE: Coefficient of Thermal Expansion)를 가질 수 있다.
상기 이너케이스는 비중이 1.5 g/cm3 이하일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 가습기는 내부 공간, 배가스 유입구 및 배가스 배출구를 갖는 미드케이스, 상기 미드케이스의 상기 내부 공간에 배치된, 상기 설명된 중공사막 카트리지, 상기 미드케이스의 일단에 결합된 제1캡, 및 상기 미드케이스의 타단에 결합된 제2캡을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지는 전지 스택 및 상기 전지 스택과 연결된 상기 연료전지용 가습기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 중공사막 카트리지는 우수한 내열성을 가질 수 있고, 우수한 내가수분해성을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사막 카트리지는 우수한 기계적 물성 및 치수 안정성을 가질 수 있다.
상기 중공사막 카트리지를 포함하는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연료전지용 가습기는 우수한 내열성, 내가수분해성, 기계적 물성 및 치수 안정성을 가질 수 있다.
상기 연료전지용 가습기를 포함하는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 연료전지는 우수한 내열성, 내가수분해성, 기계적 물성 및 치수 안정성을 가질 수 있다. 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 연료전지는 우수한 내구성 및 장수명 특징을 가질 수 있고, 파손이나 고장과 같은 문제를 방지 또는 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사막 카트리지의 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사막의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연료전지용 가습기의 개략적인 분해 사시도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.
본 명세서에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이라는 표현이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소가 단수로 표현된 경우, 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함한다. 또한, 구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석된다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사막 카트리지(100)의 개략적인 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사막 카트리지(100)는 이너케이스(110), 복수의 중공사막(120), 제1 포팅부(131) 및 제2 포팅부(132)를 포함할 수 있다.
이너케이스(110)은 내부 공간을 가질 수 있다. 이너케이스(110)는 양단이 개방된 박스 형상을 가질 수 있다. 이너케이스(110)의 개방된 양단 중 한 쪽을 일측이라 하고, 다른 쪽을 타측이라 한다.
복수의 중공사막(120)은 이너케이스(110)의 내부 공간에 배치될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사막(120)의 사시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사막(120)은 중공(121)을 가질 수 있다. 예를 들어, 중공사막(120)은 비어있는 중심부를 포함하는 관 형상을 가질 수 있다. 중공사막(120)은 상업적으로 이용 가능한 중공사막들이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 관 형상의 중공사막(120)의 한 쪽 끝을 일측이라 하고, 다른 쪽 끝을 타측이라 한다.
제1 포팅부(131)는 이너케이스(110)의 일측에 결합되어 복수의 중공사막(120)의 일측을 고정시킬 수 있다. 제2 포팅부(132)는 이너케이스(110)의 타측에 결합되어 복수의 중공사막(120)의 타측을 고정시킬 수 있다.
중공사막 카트리지(100)의 양 말단들은 제1 포팅부(131) 및 제2 포팅부(132)에 의해 포팅되어 있다. 이 경우, 제1 포팅부(131) 및 제2 포팅부(132)는 복수의 중공사막(120)의 중공을 막지 않도록 형성될 수 있다. 제1 포팅부(131) 및 제2 포팅부(132)는 일반적으로 캐스팅(casting) 방식을 통해 액상 폴리우레탄(PU) 수지와 같은 액상 폴리머를 경화시킴으로써 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이너케이스(110)는 120℃ 이상의 열변형 온도를 가질 수 있다.
열변형 온도는 이너케이스(110)의 시편을 이용하여 측정될 수 있다. 이너케이스(110)의 시편은 예를 들어, 이너케이스용 소재로 만들어진 시편이다. 이하, 이너케이스(110)의 시편을 '시편'이라고도 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 열변형 온도는 ASTM D 648에 의하여 측정될 수 있다. 열변형 온도 측정을 위해, 4㎜의 두께를 가지며, Unannealed(열처리 하지 않은 조건) 상태의 시편이 준비된다. 온도를 2℃/min 의 속도로 상승시키면서, 시편에 1.8MPa의 압력 스트레스를 가하여, 시편이 0.25㎜ 만큼 휘었을 때의 온도를 열변형 온도라고 한다.
이너케이스(110)의 열변형 온도가 120℃ 미만인 경우에는 고온의 가습 유체에 의한 치수 또는 형태 변형이 생길 수 있다. 이로 인해 제1 포팅부(131)와 이너케이스(110)와의 접착 계면 또는 제2 포팅부(132)와 이너케이스(110)와의 접착 계면이 박리되는 문제가 생길 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이너케이스(110)의 열변형 온도는 140℃ 이상일 수도 있다.
또는, 본 발명의 일 실시예에 따른 이너케이스(110)의 열변형 온도는, 예를 들어, 150℃ 이상일 수도 있고, 160℃ 이상일 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이너케이스(110)는 1% 이하의 흡습성을 가질 수 있다.
흡습성은 예를 들어, 23℃의 물에 이너케이스(110)의 시편을 24시간 침지한 뒤, 시편의 흡습량을 ASTM D 570에 따라 측정하여 구해질 수 있다.
흡습성은 다음 식 1에 의해 측정될 수 있다.
[식 1]
흡습성이 1% 초과인 경우, 이너케이스(110)에 고온 및 고습의 가습 유체가 지속적으로 공급되면, 이너케이스(110)의 가수분해가 일어날 확률이 높아질 수 있으며, 기계적 물성이 저하되어 이너케이스(110)의 파손 및 고장이 생길 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이너케이스(110)의 흡습성은 0.5% 이하일 수도 있고, 0.3% 이하일 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이너케이스(110)는 고분자 수지를 포함할 수 있다.
상기 고분자 수지는 폴리페닐렌에테르(PPE), 폴리페닐설폰(PPSU), 폴리설폰(PSU), 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 및 폴리아릴레이트(PAR) 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
폴리페닐렌에테르(PPE)는, 예를 들어, 폴리스타이렌-부타다이엔 공중합체(HIPS)에 의하여 개량된 폴리페닐렌에테르(m-PPE)일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, m-PPE는 폴리스타이렌-부타다이엔 공중합체(HIPS)에 의하여 개량된 폴리페닐렌에테르(PPE)를 지칭한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, m-PPE는 m-PPE의 전체 중량에 대하여 90 내지 99 중량%의 폴리페닐렌에테르(PPE) 및 1 내지 10 중량%의 폴리스타이렌-부타다이엔 공중합체(HIPS)를 포함할 수 있다.
m-PPE의 전체 중량에 대하여, 폴리페닐렌에테르(PPE)의 함량이 90중량% 미만인 경우 내열성 또는 기계적 강도에 문제가 생길 수 있고, 99중량%를 초과하는 경우 폴리페닐렌에테르(PPE)이 차지하는 비중이 너무 커서 HIPS가 가진 특성을 발현하기 어렵고, 성형성에 문제가 생길 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, m-PPE는 Mw 분자량(중량 평균 분자량)이 70,000 내지 100,000일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이너케이스(110)는 우수한 내가수분해성을 가질 수 있다.
이너케이스(110)가 내가수분해성을 가지지 못하는 경우 이너케이스(110)를 구성하는 고분자가 고온 및 고습의 가습 유체에 의해 가수 분해될 수 있다. 또한, 이로 인해 이너케이스(110)의 기계적 물성이 급격하게 저하될 수 있다. 그 결과, 중공사막 카트리지(100)의 이너케이스(110)와 포팅부(131, 132) 사이에 박리가 발생하는 문제 등이 생길 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이너케이스(110)의 내가수분해성은 이너케이스(110)의 중량 감소율로 평가될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이너케이스(110)는 우수한 내가수분해성을 가져, 고온 및 고습 처리 후에도 중량 감소가 거의 없거나 매우 적다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이너케이스(110)는, 10% 이하의 중량 감소율(WR)을 가질 수 있다.
중량 감소율(WR)은 하기 식 2에 따라 측정될 수 있다.
[식 2]
식 2에서 W1은 고온 및 고습 처리 전 이너케이스(110) 시편의 중량이고, W2는 고온 및 고습 처리 후 이너케이스(110) 시편의 중량이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 중량 감소율(WR) 측정을 위한 고온 및 고습 처리 조건은, 물이 담긴 오토클레이브(Autoclave) 내에, 이너케이스(110)의 시편을 배치한 후, 오토클레이브(Autoclave)를 120℃±3℃로 온도를 설정하여 200시간 처리하는 것이다. 오토클레이브는 예를 들어, 제이오텍社의 제품을 이용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이너케이스(110)가 우수한 내가수분해성을 가져, 고온 및 고습 처리 후에도 형태 변형 또는 화학적 변화가 생기지 않거나, 최소화 될 수 있다.
이너케이스(110)의 형태 변형 또는 화학적 변화 정도를 평가하기 위한 방법 중 하나로, 이너케이스(110)와 포팅부(131, 132) 사이의 박리 특성을 평가할 수 있다.
박리 특성 평가를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 중공사막 카트리지(100)를 고온 및 고습 처리 후, 이너케이스(110)와 포팅부(131, 132) 사이의 박리 여부를 확인할 수 있다. 오토클레이브(Autoclave)를 이용하여 중공사막 카트리지(100)를 고온 및 고습 처리할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 박리 특성 평가를 위한 고온 및 고습 처리 조건은, 물이 담긴 오토클레이브(Autoclave) 내에, 중공사막 카트리지(100)를 배치한 후, 오토클레이브(Autoclave)를 120℃±3℃로 온도를 설정하여 200시간 처리하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이너케이스(110)와 포팅부(131, 132) 사이에 이격 또는 분리가 발생하는 경우, 이너케이스(110)와 포팅부(131, 132) 사이에 박리가 발생한 것으로 평가한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 고온 및 고습 처리 후에도 중공사막 카트리지(100)에서 이너케이스(110)와 포팅부(131, 132) 사이의 박리가 발생하지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이너케이스(110)와 포팅부(131, 132) 사이의 박리가 발생하지 않아, 이너케이스(110)를 포함하는 가습기 또는 연료전지의 고장 또는 파손이 방지될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이너케이스(110)는, 100 x 10-6 ㎜/㎜/℃ 이하의 열팽창 계수(CTE: Coefficient of Thermal Expansion)를 가질 수 있다.
열팽창 계수는 예를 들어, Thermomechanical Analysis(TMA)를 이용하여 TMA- Method 및 ASTM E 696에 따라 측정될 수 있다. Thermomechanical Analysis(TMA)는 예를 들어, TA Instrument사의 Q400을 이용할 수 있다.
열팽창 계수가 100 x 10-6 ㎜/㎜/℃를 초과하는 경우, 사용 중 발생하는 반복적인 온도 변화에 의해 치수 변화폭이 커지게 되며, 그로 인한 스트레스 누적으로 인하여 이너케이스(110)와 포팅부(131, 132)와의 접착 계면이 박리 되거나, 이너케이스(110)를 포함하는 가습기 또는 연료전지의 파손으로 인한 고장이 생길 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이너케이스(110)는, 비중이 1.5 g/cm3 이하일 수 있다.
이너케이스(110)의 비중은 예를 들어, ASTM D 792에 따라 측정될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이너케이스(110)는 우수한 기계적 물성을 가지면서도 낮은 비중을 가져, 제품 경량화 설계에 기여할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연료전지용 가습기(200)의 개략적인 분해 사시도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연료전지용 가습기(200)는 미드케이스(210), 제1캡(221) 및 제2캡(222)을 포함할 수 있다.
미드케이스(210)은 내부 공간을 가질 수 있다. 미드케이스(210)의 내부 공간에는 적어도 하나 이상의 중공사막 카트리지(100)가 배치될 수 있다.
미드케이스(210)는 양단이 개방된 박스 형상을 가질 수 있다. 미드케이스(210)의 개방된 양단 중 한 쪽을 일단이라 하고, 다른 쪽을 타단이라고 한다.
미드케이스(210)의 일단에는 제1캡(221)이 결합될 수 있다. 미드케이스(210)의 타단에는 제2캡(222)이 결합될 수 있다.
수지층(213)은 미드케이스(210)와 중공사막 카트리지(100) 사이에 배치되어, 중공사막 카트리지(100)가 미드케이스(210)에 고정 되도록 할 수 있다. 예를 들어, 수지층(213)은 미드케이스(210)의 일단 및 타단에 배치될 수 있다.
제1캡(221)과 수지층(213)에 의하여 하나의 공간이 만들어질 수 있고, 제2캡(222)과 수지층(213)에 의하여 다른 하나의 공간이 만들어질 수 있다. 미드케이스(210)의 일단에 배치된 수지층(213)과 미드케이스(210)의 타단에 배치된 수지층(213)에 의하여 또 다른 하나의 공간이 만들어질 수 있다.
수지층(213)은 예를 들어, 캐스팅(Casting) 방식을 통해 미드케이스(210)의 내부 공간에 배치될 수 있다. 수지층(213)은 액상 폴리우레탄(PU) 수지와 같은 액상 폴리머를 경화시킴으로써 형성될 수 있다.
미드케이스(210)는 배가스 유입구(off-gas inlet)(211)와 배가스 배출구(off-gas outlet)(212)를 포함할 수 있다. 배가스 유입구(211)를 통해 미드케이스(210) 내로 유입된 배가스는 복수의 중공사막(120)의 외표면과 접촉한 후 배가스 배출구(212)를 통해 미드케이스(210)로부터 배출될 수 있다. 상기 배가스가 복수의 중공사막(120)의 외표면과 접촉할 때 상기 배가스 내에 함유되어 있던 수분이 복수의 중공사막(120)을 투과함으로써 복수의 중공사막(120)의 중공을 따라 흐르던 공기를 가습할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예는, 전지 스택(미도시) 및 상기 전지 스택과 연결된 상기 연료전지용 가습기(200)를 포함하는 연료전지를 제공한다.
이하, 보다 구체적인 실시예 및 비교예를 통해 본 발명을 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐으로, 이것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 않는다.
<실시예 1>
(1) 이너케이스(110) 제조
폴리페닐렌에테르(PPE) 및 폴리스타이렌-부타다이엔 공중합체(HIPS)를 포함하는 m-PPE(Mw 분자량: 85,000)를 고분자 수지로 하여, 이것의 용융 및 성형을 통해 내부 공간을 갖는 이너케이스(110)를 제조하였다.
(2) 중공사막 카트리지(100)의 제조
중공사막(120)으로 번들을 만들어 이너케이스(110) 내부공간에 배치하였다.
제1 포팅부(131) 및 제2 포팅부(132) 형성을 위해 폴리우레탄(PU)을 준비하였다.
캐스팅(Casting) 방법으로 이너케이스(110)의 일측에 제1 포팅부(131)를 형성하고, 이너케이스(110)의 타측에 제2 포팅부(132)를 형성하여 중공사막(120)이 이너케이스(110)에 고정되도록 하였다.
이러한 방법에 의하여 실시예 1에 따른 중공사막 카트리지(100)가 제조되었다.
<실시예 2>
(1) 이너케이스(110) 제조
m-PPE 대신 폴리페닐설폰(PPSU)을 이용하여 실시예 1의 (1)과 동일한 방법으로 이너케이스(110)를 제조하였다.
(2) 중공사막 카트리지(100)의 제조
폴리페닐설폰(PPSU)을 이용하여 제조된 이너케이스(110)을 사용하는 것을 제외하고, 실시예 1의 (2)와 동일한 방법으로 중공사막 카트리지(100)를 제조하였다.
<실시예 3>
(1) 이너케이스(110) 제조
m-PPE 대신 폴리설폰(PSU)을 이용하여 실시예 1의 (1)과 동일한 방법으로 이너케이스(110)를 제조하였다.
(2) 중공사막 카트리지(100)의 제조
폴리설폰(PSU)을 이용하여 제조된 이너케이스(110)을 사용하는 것을 제외하고, 실시예 1의 (2)와 동일한 방법으로 중공사막 카트리지(100)를 제조하였다.
<실시예 4>
(1) 이너케이스(110) 제조
m-PPE 대신 폴리에테르에테르케톤(PEEK)을 이용하여 실시예 1의 (1)과 동일한 방법으로 이너케이스(110)를 제조하였다.
(2) 중공사막 카트리지(100)의 제조
폴리에테르에테르케톤(PEEK)을 이용하여 제조된 이너케이스(110)을 사용하는 것을 제외하고, 실시예 1의 (2)와 동일한 방법으로 중공사막 카트리지(100)를 제조하였다.
<실시예 5>
(1) 이너케이스(110) 제조
m-PPE 대신 폴리아릴레이트(PAR)를 이용하여 실시예 1의 (1)과 동일한 방법으로 이너케이스(110)를 제조하였다.
(2) 중공사막 카트리지(100)의 제조
폴리아릴레이트(PAR)를 이용하여 제조된 이너케이스(110)을 사용하는 것을 제외하고, 실시예 1의 (2)와 동일한 방법으로 중공사막 카트리지(100)를 제조하였다.
<비교예>
(1) 이너케이스(110) 제조
m-PPE 대신 폴리카보네이트(PC)를 이용하여 실시예 1의 (1)과 동일한 방법으로 이너케이스(110)를 제조하였다.
(2) 중공사막 카트리지(100)의 제조
폴리카보네이트(PC)를 이용하여 제조된 이너케이스(110)을 사용하는 것을 제외하고, 실시예 1의 (2)와 동일한 방법으로 중공사막 카트리지(100)를 제조하였다.
실시예 1 내지 5 및 비교예에서 제조한 이너케이스(110)의 물성을 측정하였다. 측정 방법은 다음과 같다.
<열변형 온도(HDT) 측정>
열변형 온도(Heat Distortion Temperature)는 예를 들어, 시편의 양끝을 가열 욕조 안에서 지지한 후, 시편 중앙부에 봉을 대고 소정의 굽힘 응력을 가하면서 가열매체의 온도를 2℃/min 의 속도로 상승시키고, 시편의 휨이 소정의 값에 도달했을 때의 가열매체의 온도를 측정하여 구할 수 있다.
실시예 1 내지 5 및 비교예에서 제조한 이너케이스(110)의 열변형 온도는 ASTM D 648에 의하여 측정될 수 있다. 열변형 온도 측정을 위해, 4㎜의 두께를 가지며, Unannealed(열처리 하지 않은 조건) 상태의 시편이 준비된다. 온도를 2℃/min 의 속도로 상승시키면서, 시편에 1.8MPa의 압력 스트레스를 가하여, 시편이 0.25㎜ 만큼 휘었을 때의 온도를 열변형 온도(HDT)라고 한다.
<흡습성 측정>
흡습성은 실시예 1 내지 5 및 비교예에서 제조된 이너케이스(110) 시편을, 50℃의 오븐에서 24시간 건조시킨 뒤 데시케이터에서 냉각시킨 후의 무게를 초기 시편 무게로 하여 측정하였다. 초기 시편 무게를 측정한 이너케이스(110) 시편을 23℃의 물에 24시간 침지 후 꺼내어 표면의 물기를 닦아낸 뒤의 무게를 흡습 후 시편 무게로 하여 측정하였다. 그리고, 초기 시편 무게와 흡습 후 시편 무게를 비교하여 이너케이스(110) 시편의 흡습량(흡착량)을 ASTM D 570에 따라 측정하였다.
흡습성은 다음 식 1에 의해 측정된다.
[식 1]
<중량 감소율 측정>
중량 감소율(WR)은 오토클레이브(Autoclave)를 이용하여, 실시예 1 내지 5 및 비교예에서 제조된 이너케이스(110) 시편을 고온 및 고습 처리하여 측정하였다.
중량 감소율(WR) 측정을 위한 고온 및 고습 처리 조건은, 물이 담긴 오토클레이브(Autoclave) 내에, 이너케이스(110)의 시편을 배치한 후, 오토클레이브(Autoclave)를 120℃±3℃로 온도를 설정하여 200시간 처리하는 것이다.
중량 감소율(WR)은 하기 식 2에 따라 측정된다.
[식 2]
식 2에서 W1은 고온 및 고습 처리 전 이너케이스(110) 시편의 중량이고, W2는 고온 및 고습 처리 후 이너케이스(110) 시편의 중량이다.
<박리 특성 평가>
박리 특성 평가는, 오토클레이브(Autoclave)를 이용하여, 실시예 1 내지 5 및 비교예에서 제조된 중공사막 카트리지(100)를 고온 및 고습 처리하여 박리 여부를 확인하였다.
박리 특성 평가를 위한 고온 및 고습 처리 조건은, 물이 담긴 오토클레이브(Autoclave) 내에, 실시예 1 내지 5 및 비교예에서 제조된 중공사막 카트리지(100)를 배치한 후, 오토클레이브(Autoclave)를 120℃±3℃로 온도를 설정하여 200시간 처리하는 것이다.
이너케이스(110)와 포팅부(131, 132) 사이에 이격 또는 분리가 발생하는 경우, 이너케이스(110)와 포팅부(131, 132) 사이에 박리가 발생한 것으로 평가하였다.
<열팽창 계수(CTE) 측정>
열팽창 계수(CTE: Coefficient of Thermal Expansion)는 예를 들어, TMA(TA Instrument사, Q400)를 이용하여, TMA-Method 및 ASTM D 696에 따라 2번에 걸쳐 -30 내지 30℃에서의 선형 열팽창 계수를 측정하였다. 이너케이스(110) 시편의 크기는 6㎜(W) x 6㎜(L) x 4㎜(T), 승온 속도는 5℃/min으로 하였다.
<비중 측정>
비중은 공기 중 이너케이스(110) 시편의 질량을 측정한 다음, 액체에 담그고 침지시 겉보기 질량을 측정하여 비중을 계산하는 수중 치환법을 이용하여, ASTM D 792에 따라 측정되었다.
측정 결과는 다음 표 1과 같다.
고분자
수지		 열변형
온도		 흡습성 중량
감소율		 박리 여부 열팽창 계수 비중
실시예 1 m-PPE 145℃ 0.1% 6% X 60 x 10-6 mm/mm/℃ 1.1
실시예 2 PPSU 180℃ 0.4% 8% X 50 x 10-6 mm/mm/℃ 1.4
실시예 3 PSU 165℃ 0.5% 9% X 60 x 10-6 mm/mm/℃ 1.3
실시예 4 PEEK 155℃ 0.15% 5% X 50 x 10-6 mm/mm/℃ 1.3
실시예 5 PAR 175℃ 0.3% 7% X 60 x 10-6 mm/mm/℃ 1.2
비교예 PC 117℃ 1.5% 40% O 80 x 10-6 mm/mm/℃ 1.2
표 1을 참조하면, 실시예 1 내지 5 에 따른 이너케이스(110) 및 중공사막 카트리지(100)는 우수한 열변형 온도 및 우수한 내가수분해성과 낮은 흡습성, 낮은 열팽창 계수 및 낮은 비중을 가지는 것을 확인할 수 있다. 반면, 비교예에 따른 이너케이스(110) 및 중공사막 카트리지(100)는, 열팽창 계수와 비중은 우수하나, 낮은 열변형 온도 및 높은 흡습성을 가지는 것을 확인할 수 있다.
특히, 오토클레이브(Autoclave)를 이용하여 고온 및 고습 처리 후, 비교예에 따른 이너케이스(110) 시편의 중량 감소율이 40%나 되었다.
또한, 오토클레이브(Autoclave)를 이용하여 고온 및 고습 처리 후, 비교예에 따른 중공사막 카트리지(100)에서 이너케이스(110)와 포팅부(131, 132) 사이에 박리가 나타나는 것으로 보아 내가수분해성이 부족하다는 것을 확인할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 또한, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이며, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 중공사막 카트리지 110 : 이너케이스
120 : 중공사막 121 : 중공
131 : 제1 포팅부 132 : 제2 포팅부
200 : 연료전지용 가습기 210 : 미드케이스
211 : 배가스 유입구 212 : 배가스 배출구
213 : 수지층 221 : 제1캡
222 : 제2캡

Claims (11)

  1. 내부 공간을 갖는 이너케이스;
    상기 이너케이스의 상기 내부 공간에 배치된 복수의 중공사막;
    상기 이너케이스의 일측에 배치되어 상기 복수의 중공사막의 일측을 고정하는 제1 포팅부; 및
    상기 이너케이스의 타측에 배치되어 상기 복수의 중공사막의 타측을 고정하는 제2 포팅부; 를 포함하며,
    상기 이너케이스는 120℃ 이상의 열변형 온도 및 1% 이하의 흡습성을 갖는,
    중공사막 카트리지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이너케이스는 0.5% 이하의 흡습성을 갖는, 중공사막 카트리지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이너케이스는 고분자 수지를 포함하는, 중공사막 카트리지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 고분자 수지는, 폴리페닐렌에테르(PPE), 폴리페닐설폰(PPSU), 폴리설폰(PSU), 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 및 폴리아릴레이트(PAR) 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는, 중공사막 카트리지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 폴리페닐렌에테르(PPE)는 폴리스타이렌-부타다이엔 공중합체(HIPS)에 의하여 개량된 폴리페닐렌에테르(m-PPE)인, 중공사막 카트리지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 m-PPE는 상기 m-PPE의 전체 중량에 대하여 90 내지 99중량%의 폴리페닐렌에테르(PPE) 및 1 내지 10중량%의 폴리스타이렌-부타다이엔 공중합체(HIPS)를 포함하는, 중공사막 카트리지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 이너케이스는 고온 및 고습 처리 후 중량 감소율이 10%이하인, 중공사막 카트리지:
    여기서, 상기 고온 및 고습 처리는, 물이 담긴 오토클레이브(Autoclave) 내에 상기 이너케이스를 배치한 후, 오토클레이브(Autoclave)를 120℃±3℃의 온도로 설정하여 200시간 처리하는 것을 의미한다.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 이너케이스는 100 x 10-6 ㎜/㎜/℃ 이하의 열팽창 계수(CTE: Coefficient of Thermal Expansion)를 갖는, 중공사막 카트리지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 이너케이스는 비중이 1.5 g/cm3 이하인, 중공사막 카트리지.
  10. 내부 공간, 배가스 유입구 및 배가스 배출구를 갖는 미드케이스;
    상기 미드케이스의 상기 내부 공간에 배치된, 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 중공사막 카트리지;
    상기 미드케이스의 일단에 결합된 제1캡; 및
    상기 미드케이스의 타단에 결합된 제2캡을 포함하는, 연료전지용 가습기.
  11. 전지 스택; 및
    상기 전지 스택과 연결된, 제10항에 따른 연료전지용 가습기; 를 포함하는, 연료전지.
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