KR100846894B1 - 연료 셀의 양자 교환 박막용 가습 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 셀의 배기 가스로부터 얻어진 수분을 이용하여 연료 셀의 양자 교환 박막을 가습하기 위한 장치 및 방법을 제공한다. 가습 방법은 다음의: 연료 셀의 유입 가스를 이용하여 배기 가스를 응축하기 위하여 연료 셀의 뜨겁고 다습한 배기 가스를 냉각하는 단계; 배기 가스의 잔여로부터 수분을 응축하는 단계; 및 연료 셀의 유입 가스로 수분을 이송하는 단계를 포함한다. 가습 장치는 회전하는 내부 쉘을 포함하는 외부 쉘을 포함한다. 내부 쉘의 내측은 배기 가스가 수집되고 냉각되는 챔버를 형성하고, 그리고 수분은 내부 쉘의 회전에 의해서 응축되고 분리된다. 내부 쉘의 개구부는 응축된 수분이 유입 가스를 함유하는 하나 이상의 챔버들로 통과할 수 있도록 허용한다. 챔버들은 내부 쉘의 외측 및 외부 쉘의 내측에 의해 형성된다. 본 발명의 가습 장치 및 방법은 연료 셀의 다양한 전원 출력에 응답할 수 있다. 이들은 또한 높은 가습 효율, 낮은 에너지 소모를 가지며, 작동하기에 경제적이고, 그리고 낮은 온도에서 시동 중에 잘 작동한다.
Figure R1020067014648
연료 셀, 양자 교환 박막, 유입 가스, 배기 가스, 열 교환, 가습

Description

연료 셀의 양자 교환 박막용 가습 장치 및 방법 {Humidifying devices and methods for proton exchange membranes of fuel cells}
본 발명은 중국출원번호 제200410051189.3호를 갖고, 2004년 8월 17일자로 출원된 "연료 셀의 양자 교환 박막용 가습 방법 및 장치" 명칭의 중국특허출원을 우선권 주장한다. 이 출원은 참조로써 이하에 결합된다.
본 발명은 연료 셀에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 연료 셀의 양자 교환 박막용 가습 장치 및 방법에 관한 것이다.
연료 셀은 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 배터리이고, 옥시던트(oxidants)로써 공기와 산소 그리고 연료로써 수소, 메틸알코올 또는 에틸알코올을 활용한다. 이들은 매우 효율적이고, 조용하며, 그리고 공해를 줄인다. 통상의 배터리와 같이, 연료 셀은 양극 및 음극을 구분하는 구분 박막을 포함한다. 이 구분 박막은 가스를 통과시키면서 액체는 통과시키지 않고 그리고 연료 및 옥시던트의 혼합으로부터 일어나는 폭발을 방지할 수 있다. 구분 박막의 각 측면상의 촉매는 음극과 양극 사이의 반응에 촉매 작용을 한다. 예를 들면, 연료로써 수소를 그리고 옥시던트로써 공기를 이용하는 양자 교환 박막 연료 셀에 있어서, 연료 셀이 작동할 때 다음의 반응이 발생한다:
음극: H2 → 2H+ + 2e
양극: O2 + 4H+ + 4e → 2H2O
작동중에, 음극의 수소는 다공성 물질을 통해 산화가 발생하는 촉매층으로 확산되고 그리고 수소 연료가 그 전자를 잃고 양자를 형성한다. 전자는 외부 회로를 통해 양극으로 이동하고, 반면 양자는 구분 박막을 통해 양극으로 이동한다. 양극의 옥시던트는 다공성 물질을 통해 촉매층으로 확산되고, 외부 회로로부터 전자를 받아들이고, 그리고 구분 박막을 통해 이동해온 양자와 결합하여 물을 생성한다.
연료 셀의 구분 박막의 수분 함유량은 연료 셀의 정상적인 작동에 있어 결정적이다. 음극의 촉매층에서 생성되는 양자는 구분 박막을 통해 양극의 촉매층으로 통과하기 위하여 수화되어야 한다. 양자 교환 박막이 불충분한 수분을 갖는 경우에, 양자가 박막을 통해 통과하는 것이 어렵다. 이는 연료 셀의 내부 전기 저항을 증가시키고 그리고 연료 셀이 더 이상 작동하지 않는 정도까지 출력 전압을 낮출 수 있다. 비록 작동 중에 다량의 수분을 생성하는 경우에도, 미반응 가스(un-reacted gas)의 높은 온도가 다량의 수분을 제거할 수 있다. 만일 유입 가스 내의 수분 함유량이 낮다면, 연료 셀 내 수분량의 불균형이 박막 내 수분의 결핍을 가져올 것이다. 그러므로, 일상적으로 양자 교환 박막의 수분 제거(dehydration)를 방지하기 위하여 연료 셀 내의 가스를 가습하는 것이 필요하다.
박막을 가습하기 위하여 상업적으로 이용되는 하나의 방법은 가스와 접촉하는 수분으로부터 가스가 습기를 획득할 수 있도록 연료 셀의 가스를 소정 온도의 수분을 통해 직접 통과시키는 것이다. 그러나, 이 방법론은 대형의 기기의 사용을 요구하고, 불가변적이고, 그리고 제어하기에 어렵기 때문에, 이 방법은 오직 보다 적은 가습 요구를 갖는 소형의 연료 셀에 대해서만 적합하다.
미국 특허 US 5,432,020호는 연료 셀이 요구하는 이온화되지 않은 다량의 수분을 외부에서 추가하는 방법을 기술한다. 이 방법의 실시는 어렵다. 덧붙여, 이온화되지 않은 다량의 수분의 별개의 보충이 필요하기 때문에, 이 방법을 사용한 연료 셀에 대한 비용이 증가한다.
미국 특허 US 6,696,186호는 박막을 통해 수분을 확산시키는 방법을 기술한다. 이 방법은 높은 가스 저항을 일으킨다. 덧붙여, 이는 고가의 이온 교환 박막의 사용을 요구하기 때문에, 연료 셀의 비용을 또한 증가시킨다.
연료 셀의 중요한 적용은 자동차용 전원에 관한 것이다. 이러한 종류의 적용은 연료 셀이 우수한 동적 응답을 가져야 함을 요구한다. 앞선 두 개의 기술된 가습에 대한 방법들은 낮은 동적 응답 특성을 갖고 그리고 전원의 빠른 교환에 적용할 수 없다.
종래 기술의 한계에 기인하여, 그러므로 경제적이고 실행이 용이한 연료 셀의 양자 교환 박막을 가습하기 위한 새로운 장치 및 방법을 만드는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적은 연료 셀의 다양한 전원 출력에 응답할 수 있는 연료 셀의 양자 교환 박막을 가습하기 위한 방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 높은 가습 효율, 낮은 에너지 소모를 갖고, 작동하기에 경제적이고, 그리고 낮은 온도에서 시동(startup) 중에서도 잘 구동되는 연료 셀의 양자 교환 박막을 가습하는 방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다.
간단히 말하면, 본 발명은 연료 셀의 배기 가스로부터 얻어지는 수분을 이용하여 연료 셀의 양자 교환 박막을 가습하기 위한 방법 및 장치를 기술한다. 가습 방법은: 연료 셀의 유입 가스를 이용하여 배기 가스 내 수분을 응축하기 위하여 연료 셀의 뜨겁고 다습한 배기 가스를 냉각하는 단계; 잔여 배기 가스로부터 수분을 분리하는 단계; 및 수분을 연료 셀의 유입 가스로 이송하는 단계;를 포함한다. 가습 장치는 회전하는 내부 쉘을 포함하는 외부 쉘을 포함한다. 내부 쉘의 내측은 배기 가스가 수집되고 냉각되는 챔버를 형성하고, 그리고 수분은 내부 쉘의 회전에 의해서 응축되고 분리된다. 내부 쉘의 개구부는 응축된 수분이 유입 가스를 함유하는 하나 이상의 챔버를 통해 통과하도록 허용한다. 챔버들은 외부 쉘의 내측 및 내부 쉘의 외측에 의해 형성된다.
본 발명의 이점은 본 발명의 연료 셀의 양자 교환 박막을 가습하기 위한 장치 및 방법이 연료 셀의 다양한 전원 출력에 응답할 수 있다는 것이다.
본 발명의 다른 이점은 연료 셀의 양자 교환 박막을 가습하기 위한 장치 및 방법이 높은 가습 효율과, 낮은 에너지 소모를 가지며, 작동하기에 경제적이고, 그리고 낮은 온도에서의 시동(startup) 중에도 잘 구동된다는 것이다.
본 발명의 상술한 그리고 다른 목적들, 양태들 및 이점들이 이하 첨부된 도면들과 결부된 본 발명의 바람직한 실시형태들의 상세한 기술로부터 더욱 더 이해될 것이다:
도 1은 연료 셀의 양자 교환 박막을 가습하기 위한 일 실시형태의 개략도이다.
도 2는 연료 셀의 양자 교환 박막을 가습하기 위한 일 실시형태의 상부 캡의 개략도이다.
도 3은 연료 셀의 양자 교환 박막을 가습하기 위한 일 실시형태의 하부 캡의 개략도이다.
현재 본 발명의 바람직한 방법은 연료 셀의 배기 가스 내에 함유된 수분을 이용하여 연료 셀의 양자 교환 박막을 가습하기 위한 것이다. 음극 및 양극 사이의 전기화학적 반응에서 생성된 이러한 배기 가스는 높은 습기 함유량을 갖는다. 그 온도는 주변 대기의 온도 및 85℃ 사이이다. 이 방법은 다음의:
상기 연료 셀로부터 배기 가스를 수신하는 단계;
상기 배기 가스로부터 수분을 응축하는 단계;
상기 배기 가스로부터 응축된 수분을 분리하는 단계; 및
상기 유입 가스를 가습하기 위하여 상기 연료 셀의 유입 가스로 분리된 수분을 이송하는 단계;를 포함한다.
가습된 유입 가스는 그리고 나서 양자 교환 박막을 가습한다. 바람직한 실시형태에서, 배기 가스로부터의 습기가 수분으로 응축되도록 하는 연료 셀의 유입 가스 및 배기 가스 사이의 열 교환에 의해서 배기 가스의 온도는 0℃ 및 10℃ 사이로 냉각된다. 그리고 나서, 수분은 바람직하게는 원심 분리에 의해서 배기 가스 내 다른 기체 성분으로부터 분리되고, 그리고 유입 가스로 이송된다.
상술한 방법은 본 발명의 실시형태인 가습 장치에서 실시될 수 있으며, 그 장치는:
제 1 내측 표면을 갖는 외부 쉘; 및
제 2 내측 표면 및 제 1 외측 표면을 갖고, 상기 제 2 내측 표면에 의해 제 1 챔버가 형성되는 회전하는 내부 쉘;을 포함하고, 이때 상기 내부 쉘의 적어도 일부가 상기 외부 쉘 내에 포함되고, 적어도 하나의 제 2 챔버가 상기 외부 쉘의 상기 제 1 내측 표면 및 상기 내부 쉘의 상기 제 1 외측 표면에 의해 형성되며, 그리고 상기 내부 쉘은 상기 제 1 챔버로부터 상기 제 2 챔버로의 적어도 하나의 제 1 개구부를 갖고, 그리고
상기 연료 셀로부터 상기 제 1 챔버 안으로 배기 가스를 수신하는 수단;
상기 연료 셀용 유입 가스를 상기 제 2 챔버 안으로 수신하는 수단; 및
상기 유입 가스를 상기 제 2 챔버에서 배출하는 수단;을 포함한다.
바람직한 실시형태들에서, 이러한 상기 연료 셀로부터 상기 제 1 챔버 안으로 배기 가스를 수신하는 수단, 상기 연료 셀용 유입 가스를 상기 제 2 챔버 안으로 수신하는 수단, 및 상기 유입 가스를 상기 제 2 챔버에서 배출하는 수단들은 파 이프(pipes), 해치(hatches), 또는 개구부(openings)이고, 상기 챔버들 안으로 또는 밖으로의 가스의 흐름을 허용한다. 일 실시형태에서, 연료 셀의 배기 가스 파이프는 제 1 챔버로 연결되고 따라서 배기 가스 파이프로부터 배기 가스가 제 1 챔버 안으로 수신된다. 유입 가스는 유입 가스 파이프 또는 해치로부터 제 1 챔버를 완전히 또는 부분적으로 감싸는 제 2 챔버 안으로 흐른다. 열 교환은 제 1 챔버의 높은 온도의 배기 가스 및 제 2 챔버의 차가운 유입 가스 사이에서 발생하고 따라서 배기 가스로부터 수분이 응축된다. 모터, 바람직하게는 제 1 및 제 2 챔버 외측의 모터는 변속기(transmission)에 의해 내부 쉘과 연결된다. 이 모터는 내부 쉘을 구동하고 회전시킨다. 회전하는 내부 쉘은 응축된 수분을 배기 가스의 다른 가스 성분으로부터 분리한다. 내부 쉘은 균일하게 또는 불균일하게 분포된 다수의 개구부들 또는 구멍을 포함하고 따라서 제 1 챔버 내의 응축된 수분이 제 2 챔버 안으로 구멍들을 통해 회전하여 유입 가스를 가습한다. 돌출부들이 또한 상기 내부 쉘의 제 2 내측 표면상에 균일하게 또는 불균일하게 배치될 수 있다. 가습된 유입 가스는 그리고 나서 파이프를 통해 제 2 챔버로 배출되고 그리고 연료 셀로 이송되어 양자 교환 박막을 가습한다.
바람직한 실시형태는:
외부 쉘은 상부 캡 및 하부 캡을 갖는 고정된(stationary) 원통형 쉘이고 따라서 외부 원통형 쉘이 밀폐되고;
상기 상부 캡 및 상기 하부 캡 각각은 원형 홈을 가지며;
상기 내부 쉘은 상기 외부 쉘 내측에서 개방된 원통형 쉘이고;
상기 내부 쉘은 원형 상단 및 원형 하단을 가지며;
상기 내부 쉘의 상기 원형 상단은 상기 상부 캡의 상기 원형 홈 내이고;
상기 내부 쉘의 상기 원형 하단은 상기 하부 캡의 상기 원형 홈 내이며;
상기 내부 쉘은 상기 원통형 내부 쉘의 축을 따라 회전하고;
상기 내부 쉘의 상기 원형 상단은 상기 상부 캡의 상기 원형 홈 내에서 회전하고; 그리고
상기 내부 쉘의 상기 원형 하단은 상기 하부 캡의 상기 원형 홈 내에서 회전하는 것을 특징으로 하는 원통형 장치이다.
바람직하게는, 내부 및 외부 쉘 양자의 외측에서 변속기에 의해 내부 쉘과 연결되는 모터에 의해서 회전하는 내부 쉘이 구동된다. 내부 원통형 쉘의 개방 단부는 상부 및 하부 캡들의 홈 안에 삽입되고 따라서 내부 쉘은 요홈 내에서 회전하는 그 단부와 함께 그 축을 따라 회전한다. 내부 쉘이 더욱 밀폐될 수 있도록 하기 위하여, 요홈 내에 밀봉재(seal)가 배치되고 따라서 회전하는 원통의 단부가 밀봉재와 접촉한다. 연료 셀로부터의 배기 가스 파이프는 배기 가스를 원통형의 제 1 챔버 안으로 이송한다. 내부 쉘을 통해 균일하게 또는 불균일하게 배치된 다수의 개구부들 또는 구멍들은 응축된 수분이 제 1 챔버로부터 연료 셀의 유입 가스를 함유하는 제 2 챔버로 원심 분리에 의해 분리되는 것을 허용한다. 다수의 돌출부들이 또한 상기 내부 쉘의 제 2 내측 표면상에 균일하게 또는 불균일하게 배치될 수 있다.
본 발명의 실시형태들 및 방법은 기술적으로 연료 셀의 건조하고 차가운 유 입 가스를 가습하여 차례로 양자 교환 박막을 가습하기 위하여 연료 셀의 배기 가스로부터 수분을 이용하고 따라서 추가의 이온화되지 않은 수분이 가습 공정을 위해 요구되지 않는다. 이는 연료 셀의 작동 비용을 현저하게 감소시킨다. 가습 장치는 또한 회전 속도의 제어에 따른 다양한 전원 출력에서 연료 셀의 상이한 가습 요구에 알맞게 될 수 있다. 회전 속도는 모터의 전류 또는 전압 어느 하나의 변화에 의해 제어된다. 연료 셀의 유입 가스가 열 교환 중에 배기 가스에 의해 가열되기 때문에, 본 발명은 또한 낮은 온도에서 이들 배터리들에 관한 시동 문제를 완화하는 추가의 이점을 갖는다. 본 발명의 실시형태들은 높은 가습 효율 및 낮은 에너지 소모를 갖는다.
뒤따르는 실시형태들은 본 발명을 더 상세하게 설명하고 기술한다.
본 발명에 따른 연료 셀의 양자 교환 박막용 가습 방법은 다음의:
상기 연료 셀로부터 배기 가스를 수신하는 단계;
상기 배기 가스로부터 수분을 응축하는 단계;
상기 배기 가스로부터 응축된 수분을 분리하는 단계; 및
유입 가스를 가습하기 위하여 상기 연료 셀의 유입 가스로 분리된 수분을 이송하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상술한 가습 방법은 도 1 내지 도 3에 도시된 가습 장치의 실시형태를 이용하여 실행된다. 도 1 내지 도 3의 실시형태는 고정되고 밀폐된 외부 원통형 쉘(10)을 갖는다. 외부 쉘은 열로부터 보호하는 능력을 갖는 소정 강도의 물질로 제작된다. 그러한 물질의 실시예는 공업용 플라스틱이다. 모터(30)는 그 축을 따라 내부 원통형 쉘(20)을 구동하고 회전한다. 내부 쉘은 우수한 열 전도성 특성과 소정의 강도를 구비한 스테인레스 강철 또는 다른 금속 물질로 제작된다. 내부 쉘은 원심 분리를 위해 전체적으로 개구부 또는 구멍(21)의 철망형(mesh-like)이다. 이러한 원심 분리 구멍은 내부 쉘(20)의 제 2 내측 표면상에 균일하게 또는 불균일하게 분포될 수 있다. 이러한 구멍은 내부 쉘의 벽면에서 원심 분리 및 냉각에 의해 분리되는 응축된 수분이 연료 셀의 유입 가스가 위치하는 제 2 챔버로 진입하는 것을 허용한다. 돌출부들이 내부 쉘(20)의 제 2 내측 표면상에 균일하게 또는 불균일하게 분포될 수 있다. 이러한 돌출부들은 내부 쉘의 벽면 상에 부착된 냉각된 수분이 상기 제 1 챔버 내 배기 가스에 의해 급속하게 제거되는 것을 방지할 수 있다.
내부 및 외부 쉘을 밀봉하기 위하여, 내부 쉘 및 외부 쉘의 두 개의 단부상에 동적 밀봉 구조체가 존재한다. 이러한 동적 밀봉 구조체는 외부 튜브의 두 개의 단부에 위치한 폴리테트라플루오에틸렌(polytetrafluoroethylene)으로 제작된 상부 캡(11) 및 하부 캡(12)이다. 상부 캡(11)은 유입 가스용 개구부(44)를 갖는다. 원형의 내부 쉘의 개방된 단부들이 상부 캡 및 하부 캡과 만나는 곳에 대응하여 원형의 요홈들(도면에 도시되지 않음)이 상부 캡 및 하부 캡의 내측면 상에 위치한다. 상기 오목한 요홈의 외부 직경은 내부 쉘의 직경보다 약간 크다. 요홈들 각각 내에는 원형의 밀봉재가 존재한다. 내부 쉘의 두 개의 개방 단부들은 두 개의 요홈들 내에 삽입되고, 따라서 내부 원통형 쉘이 그 축을 따라 회전하는 경우에 그 단부들은 요홈 내에서 회전할 수 있다. 이러한 동적 밀봉 구조체가 가스 누출을 방지할 것이다.
상기 외부 쉘(10) 및 상기 내부 쉘(20) 사이의 제 2 챔버(A)는 연료 셀의 유입 가스를 위한 챔버를 형성한다. 유입 가스 파이프 또는 해치(44)는 유입 가스를 상기 제 2 챔버로 이송하고 그리고 연료 셀의 유입 가스 파이프(41)는 연료 셀(40)과 상기 제 2 챔버를 연결하여 가습된 유입 가스를 연료 셀 및 그 양자 교환 박막으로 이송한다. 파이프의 직경 및 해치의 크기는 연료 셀의 작동에 필요한 가스 흐름을 제공하기 위해 선택된다. 내부 쉘의 상기 제 2 내측 표면은 연료 셀로부터 고온의 다습한 배기 가스를 위한 제 1 챔버를 형성한다. 내부 쉘의 일 단부에서 연료 셀의 배기 가스 파이프(42)는 상기 제 1 챔버(B)로 배기 가스를 이송한다. 가습 이후에, 습기가 제거된 배기 가스는 상기 내부 쉘의 다른 단부에서 배기 가스 해제 파이프(43)를 통하여 상기 제 1 챔버(B)로부터 해제된다. 이러한 파이프들의 파이프 직경은 배기 가스의 배출에 필요한 가스 흐름을 제공하도록 선택된다.
상기 내부 쉘(20) 및 외부 쉘(10) 외측에 위치하는 모터(30)는 내부 쉘(20)의 축을 따라 상기 내부 쉘(20)의 회전 움직임을 구동한다. 변속기가 이 모터를 내부 쉘과 연결한다. 이러한 변속기는 상기 제 1 챔버의 중앙에서 원통형 내부 쉘의 축에 따른 변속기 축(31)을 갖는다. 이러한 변속기 축은 내부 원통형 쉘의 방사상 방향으로 변속기 축으로부터 퍼지는 방사상 연결 로드들(22)을 갖는다. 이들 방사상 연결 로드들의 단부들은 내부 쉘의 제 2 내측 표면에 강하게 고정되고 따라서 내부 쉘 및 변속기는 강한 구조체를 형성한다.
모터용 전원은 외부 전원에 의해 또는 연료 셀 그 자체로부터 직접 공급받을 수 있다. 전압 또는 전류는 모터 및 내부 쉘의 회전 속도를 제어한다. 작동 중에, 모터는 원통형 쉘의 축에 따른 변속기 축(31)의 회전을 구동한다. 변속기의 회전은 그 축상에서 내부 쉘(20)의 동기 회전(synchronous rotation)을 가져온다.
본 실시형태에 의한 연료 셀의 양자 교환 박막에 대한 가습 절차는 다음과 같다: 연료 셀(40)이 작동될 때, 전기화학적 반응으로부터 배기 가스가 연료 셀의 배기 가스 파이프(42)를 통해 이 가습 장치로 진입한다. 내부 쉘(20)이 우수한 열전도성 특성을 갖는 스테인레스 강철 또는 다른 금속 물질로 제작되기 때문에, 배기 가스가 내부 쉘(20)의 제 1 챔버로 진입한 이후에, 배기 가스 내의 대부분의 열은 건조하고 차가운 유입 가스에 의해 흡수된다. 이러한 유입 가스는 유입 가스 파이프 또는 해치(44)로부터 제 2 챔버(A)로 진입한다. 상기 제 2 챔버(A) 내 건조하고 차가운 유입 가스와 상기 제 1 챔버(B) 내 뜨겁고 습한 배기 가스 사이에서 열 교환이 일어난다. 유입 가스가 가열되는 반면 배기 가스는 빠르게 냉각된다. 배기 가스의 이슬점 온도(dew point temperature)는 빠르게 줄어들고 그리고 다량의 수분이 배기 가스로부터 응축된다. 회전하는 내부 쉘에 부착된 응축된 수분은 원심에 의해 분리되고 원심 분리 구멍 또는 개구부(21)를 통해 제 2 챔버(A)로 진입한다. 그 수분은 건조하고 차가운 유입 가스를 가습하고 그리고 연료 셀의 유입 가스 파이프(41)에 의해 연료 셀(40) 및 그 양자 교환 박막으로 이송되며 따라서 박막을 가습하고 그리고 연료 셀의 전기화학적 반응에 참가한다. 습기가 제거된 배기 가스는 소량의 수분과 함께 내부 쉘의 배기 가스 해제 파이프(43)를 통해 해 제된다.
이 실시형태의 작동 중에, 소량의 배기 가스는 제 2 챔버로 진입하고 그리고 가습된 유입 가스와 함께 연료 셀로 이송될 수도 있다. 그러나, 유입 가스에 대한 배기 가스의 이러한 추가는 연료 셀의 작동에 영향을 미치지 않는다.
본 발명이 임의의 바람직한 실시형태들을 참조하여 기술되고 있으나, 본 발명이 그러한 특정 실시형태로 한정되지 않는다는 점에 유의한다. 오히려, 본 발명은 뒤따르는 청구범위에 의해 반영되는 바와 같이 폭넓은 의미로 이해되고 해석된다는 점이 본 발명자의 논지이다. 따라서, 이들 청구범위는 여기에 기술된 바람직한 실시형태들뿐만 아니라 관련 기술에서 숙련된 자에 의해 명백해질 수 있는 추가의 변형 및 수정을 통합하여 파악되어야 할 것이다.
본 발명에 따르면 연료 셀의 다양한 전원 출력에 응답할 수 있는 연료 셀의 양자 교환 박막을 가습하기 위한 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 발명은 또한 높은 가습 효율과, 낮은 에너지 소모를 가지며, 작동하기에 경제적이고, 그리고 낮은 온도에서의 시동(startup) 중에도 잘 구동되는 연료 셀의 양자 교환 박막을 가습하기 위한 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

Claims (20)

  1. 연료 셀용 가습 장치에 있어서,
    제 1 내측 표면을 갖는 외부 쉘; 및
    제 2 내측 표면 및 제 1 외측 표면을 갖고, 상기 제 2 내측 표면에 의해 제 1 챔버가 형성되는 회전하는 내부 쉘;을 포함하고, 이때 상기 내부 쉘의 적어도 일부가 상기 외부 쉘 내에 포함되고, 적어도 하나의 제 2 챔버가 상기 외부 쉘의 상기 제 1 내측 표면 및 상기 내부 쉘의 상기 제 1 외측 표면에 의해 형성되며, 그리고 상기 내부 쉘은 상기 제 1 챔버로부터 상기 제 2 챔버로의 적어도 하나의 제 1 개구부를 갖고, 상기 가습 장치는
    상기 연료 셀로부터 상기 제 1 챔버 안으로 배기 가스를 수신하는 수단;
    상기 연료 셀용 유입 가스를 상기 제 2 챔버 안으로 수신하는 수단; 및
    상기 유입 가스를 상기 제 2 챔버에서 배출하는 수단;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 셀용 가습 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 쉘을 회전시키는 수단을 더 포함하고, 이때
    상기 내부 쉘을 회전시키는 수단은 상기 제 1 및 제 2 챔버들 외측이고; 그리고
    상기 내부 쉘은 상기 내부 쉘을 회전시키는 수단에 변속기에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 가습 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 내측 표면은 다수의 돌출부들을 갖는 것을 특징으로 하는 가습 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 쉘은 상부 캡 및 하부 캡을 갖는 원통형 쉘이고;
    상기 상부 캡 및 상기 하부 캡 각각은 원형 홈을 가지며;
    상기 내부 쉘은 상기 외부 쉘 내측에서 개방된 원통형 쉘이고;
    상기 내부 쉘은 원형 상단 및 원형 하단을 가지며;
    상기 내부 쉘의 상기 원형 상단은 상기 상부 캡의 상기 원형 홈 내이고;
    상기 내부 쉘의 상기 원형 하단은 상기 하부 캡의 상기 원형 홈 내이며;
    상기 내부 쉘은 상기 원통형 내부 쉘의 축을 따라 회전하고;
    상기 내부 쉘의 상기 원형 상단은 상기 상부 캡의 상기 원형 홈 내에서 회전하고; 그리고
    상기 내부 쉘의 상기 원형 하단은 상기 하부 캡의 상기 원형 홈 내에서 회전하는 것을 특징으로 하는 가습 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 2 내측 표면은 다수의 돌출부들을 갖는 것을 특징으로 하는 가습 장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 두 개의 밀봉재를 더 포함하고, 이때
    제 1 밀봉재는 상기 상부 캡 위 상기 원형 홈 내이고; 그리고
    제 2 밀봉재는 상기 하부 캡 위 상기 원형 홈 내인 것을 특징으로 하는 가습 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 2 내측 표면은 다수의 돌출부들을 갖는 것을 특징으로 하는 가습 장치.
  8. 연료 셀로부터 배기 가스를 수신하는 단계; 상기 배기 가스로부터 수분을 응축하는 단계; 상기 배기 가스로부터 상기 응축된 수분을 분리하는 단계; 및 유입 가스를 가습하기 위하여 상기 연료 셀의 유입 가스로 상기 분리된 수분을 이송하는 단계를 포함하여 이루어지되,
    상기 응축 단계에서,
    상기 수분은 상기 유입 가스를 이용하여 상기 배기 가스를 냉각함으로써 상기 배기 가스로부터 응축되는 것을 특징으로 하는 연료 셀의 박막을 가습하기 위한 방법.
  9. 삭제
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 응축 단계에서,
    상기 배기 가스는 상기 유입 가스와의 열 교환을 통해 냉각되는 것을 특징으로 하는 연료 셀의 박막을 가습하기 위한 방법.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 분리 단계에서,
    상기 응축된 수분은 원심 분리를 이용하여 상기 배기 가스로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 연료 셀의 박막을 가습하기 위한 방법.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 배기 가스는 상기 연료 셀용 옥시던트(oxidant)인 것을 특징으로 하는 연료 셀의 박막을 가습하기 위한 방법.
  13. 삭제
  14. 제 8 항에 있어서, 상기 가습 단계들은:
    제 1 내측 표면을 갖는 외부 쉘; 및
    제 2 내측 표면 및 제 1 외측 표면을 갖고, 상기 제 2 내측 표면에 의해 제 1 챔버가 형성되는 회전하는 내부 쉘;을 포함하고, 이때 상기 내부 쉘의 적어도 일부가 상기 외부 쉘 내에 포함되고, 적어도 하나의 제 2 챔버가 상기 외부 쉘의 상기 제 1 내측 표면 및 상기 내부 쉘의 상기 제 1 외측 표면에 의해 형성되며, 그리고 상기 내부 쉘은 상기 제 1 챔버로부터 상기 제 2 챔버로의 적어도 하나의 제 1 개구부를 갖고,
    상기 연료 셀로부터 상기 제 1 챔버 안으로 배기 가스를 수신하는 수단;
    상기 연료 셀용 유입 가스를 상기 제 2 챔버 안으로 수신하는 수단; 및
    상기 유입 가스를 상기 제 2 챔버에서 배출하는 수단;
    을 포함하는 장치에서 실행되는 것을 특징으로 하는 연료 셀의 박막을 가습하기 위한 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 수신 단계에서,
    상기 연료 셀의 상기 배기 가스는 상기 제 1 챔버 안으로 수신되는 것을 특징으로 하는 연료 셀의 박막을 가습하기 위한 방법.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 응축 단계는:
    상기 연료 셀의 유입 가스를 상기 제 2 챔버 안으로 수신하는 단계;
    상기 제 2 챔버로부터 상기 유입 가스를 이용하여 상기 제 1 챔버 내 상기 배기 가스를 냉각하는 단계; 및
    상기 냉각된 배기 가스로부터 수분을 응축하는 단계;를 더 포함하는 것을 특 징으로 하는 연료 셀의 박막을 가습하기 위한 방법.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 제 2 내측 표면은 다수의 돌출부를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 셀의 박막을 가습하기 위한 방법.
  18. 제 15 항에 있어서, 상기 분리 단계에서,
    상기 응축된 수분은 상기 내부 쉘의 회전에 의한 원심 분리를 이용하여 상기 배기 가스로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 연료 셀의 박막을 가습하기 위한 방법.
  19. 제 16 항에 있어서, 상기 이송 단계에서,
    상기 수분은 적어도 하나의 상기 개구부를 통하여 상기 제 2 챔버 내 상기 유입 가스로 이송되는 것을 특징으로 하는 연료 셀의 박막을 가습하기 위한 방법.
  20. 연료 셀용 가습 장치에 있어서,
    제 1 내측 표면을 갖는 외부 쉘;
    제 2 내측 표면 및 제 1 외측 표면을 갖고, 상기 제 2 내측 표면에 의해 제 1 챔버가 형성되는 회전하는 내부 쉘;
    상기 연료 셀로부터 상기 제 1 챔버 안으로 배기 가스를 수신하는 수단;
    상기 연료 셀용 유입 가스를 상기 제 2 챔버 안으로 수신하는 수단; 및
    상기 유입 가스를 상기 제 2 챔버에서 배출하는 수단;을 포함하고,
    이때 적어도 하나의 제 2 챔버가 상기 외부 쉘의 상기 제 1 내측 표면 및 상기 내부 쉘의 상기 제 1 외측 표면에 의해 형성되고;
    상기 내부 쉘은 상기 제 1 챔버로부터 상기 제 2 챔버로의 적어도 하나의 제 1 개구부를 갖고;
    상기 외부 쉘은 상부 캡 및 하부 캡을 갖는 원통형 쉘이고;
    상기 상부 캡 및 상기 하부 캡 각각은 원형 홈을 가지며;
    상기 내부 쉘은 상기 외부 쉘 내측에서 개방된 원통형 쉘이고;
    상기 내부 쉘은 원형 상단 및 원형 하단을 가지며;
    상기 내부 쉘의 상기 원형 상단은 상기 상부 캡의 상기 원형 홈 내이고;
    상기 내부 쉘의 상기 원형 하단은 상기 하부 캡의 상기 원형 홈 내이며;
    제 1 밀봉재는 상기 상부 캡 위 상기 원형 홈 내이고;
    제 2 밀봉재는 상기 하부 캡 위 상기 원형 홈 내이고;
    상기 내부 쉘은 상기 원통형 내부 쉘의 축을 따라 회전하고;
    상기 내부 쉘의 상기 원형 상단은 상기 상부 캡의 상기 원형 홈 내에서 회전하고;
    상기 내부 쉘의 상기 원형 하단은 상기 하부 캡의 상기 원형 홈 내에서 회전하고;
    상기 제 2 내측 표면은 다수의 돌출부들을 갖고;
    상기 내부 쉘을 회전시키는 수단은 상기 제 1 및 제 2 챔버들 외측이고; 그 리고
    상기 내부 쉘은 상기 내부 쉘을 회전시키는 수단에 변속기에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 가습 장치.
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