KR100981966B1 - 직접 메탄올 연료 전지 시스템용의 결합된 기체/액체 분리 및 혼합 장치, 통합된 액체 관리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 직접 메탄올 연료 전지 시스템용의 기체/액체 분리 및 혼합 장치로서, 액체 연료 혼합물로부터 기체를 분리하기 위한 기체/연료 분리 장치; 액체로부터 기체를 분리하기 위한 기체/액체 분리 장치; 및 상기 기체/연료 분리 장치 또는 상기 기체/액체 분리 장치로 액체 흐름을 전달하거나 또는 상기 기체/연료 분리 장치 또는 상기 기체/액체 분리 장치로부터 액체 흐름을 전달받는 액체 분배 장치;를 구비하며, 기체/액체 유입구; 기체/연료 혼합물 유입구; 연료 유입구; 상기 액체 분배 장치에 제공되는 연료 혼합물 배출구; 상기 기체/액체 분리 및 혼합 장치의 일 측에 배열되며, 상기 기체/연료 분리 장치에서 분리된 기체가 외부로 배출되기 위하여 통과하는 제1기체 분리막; 및 상기 제1기체 분리막이 배열된 상기 기체/액체 분리 및 혼합 장치의 일 측과 다른 측에 배열되며, 상기 기체/액체 분리 장치에서 분리된 기체가 외부로 배출되기 위하여 통과하는 제2기체 분리막;을 외부와 소통하는 유입구들 및 배출구들로서 더 구비하는 기체/액체 분리 및 혼합 장치를 개시한다.

Description

직접 메탄올 연료 전지 시스템용의 결합된 기체/액체 분리 및 혼합 장치, 통합된 액체 관리 장치{Combined gas/liquid separator and mixer device for DMFC system and integrated liquid management unit}

본 발명은 직접 메탄올 연료 전지(DMFC; direct methanol fuel cell) 시스템용 기체/액체 분리 및 혼합 장치와, 직접 메탄올 연료 전지 시스템용 액체 관리 장치에 관한 것이다.

연료 전지는 연속적으로 공급된 연료와 산화제의 화학적 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 갈바닉 전지이다. 일반적으로 연료전지는 막(membrane) 또는 전해질에 의해 분리된 두 개의 전극들로 구성된다. 애노드는 수소, 메탄 또는 메탄올과 같은 연료의 흐름으로 둘러싸이며, 연료는 애노드에서 산화된다. 캐소드는 산소 또는 과산화수소(hydrogen peroxide)와 같은 산화제의 흐름으로 둘러싸이며, 산화제는 캐소드에서 환원된다. 일 성분을 구현하기 위해 사용되는 물질은 연료전지의 유형에 따라 상이하게 선택된다.

소형 직접 메탄올 연료 전지 시스템은 현재 많은 전자 회사들에서 개발의 초점이 되어 있다. 소형 직접 메탄올 연료 전지 시스템은 더 긴 작동 시간과 더 빠른 충전을 가능하게 하기 때문에 휴대용 전자 장치들의 전력 공급을 대체하거나 수정할 것으로 기대된다. 직접 메탄올 연료 전지는 대략 60℃ 내지 120℃ 정도의 낮은 온도 범위에서 작동하는 저온 연료전지이다. 이러한 유형의 전지는 전해질로서 폴리머 막을 이용한다. 사전 리포밍(reforming)되지 않은 메탄올(CH₃OH)이 애노드에서 산화될 물과 함께 애노드에 직접 공급된다. 이산화탄소(CO₂)가 애노드에서 폐가스로 형성된다. 산화제로서 캐소드에 공급되는 대기중의 산소는 수소 이온(H+)들 및 전자들과 반응하여 물을 형성한다. 직접 메탄올 연료 전지의 장점은, 예컨대 플라스틱 카트리지에 배분될 수 있는, 액상이고 저장이 용이하며 매우 저렴한 에너지원을 사용한다는 데에 있다. 더욱이 광범위하게 확장된 메탄올용 기반 시설이 이미 많은 분야에서 존재하는데, 예컨대 차량용 전면 유리 와셔 유체에의 부동액 첨가제로서의 사용 등을 통해 이미 많은 분야에서 존재한다. 디자인에 따라, 이러한 유형의 연료전지는 수 mW에서 수 100 kW까지 이르는 전력을 제공할 수 있다. 더욱 구체적으로, 직접 메탄올 연료 전지는 전기 장치에 있어서 통상적인 2차 전지에 대한 대체재 또는 보충재로서 휴대용으로 사용하는데 적합하다. 전형적인 사용 분야는 통신에서와 노트북의 전력 공급에서이다.

애노드의 촉매 상에서 메탄올의 산화는 단계적으로 진행되는데, 다양한 중간 생성물을 갖는 몇몇 반응 경로들이 논의되고 있다. 연료전지의 고효율을 유지하기 위해서는 전극을 둘러싼 영역에서 반응물을 신속히 제거할 필요가 있다. 기본이 되는 화학 반응과 관련 온도의 결과로서, 이산화탄소, 물, 수증기 및 반응되지 않은 메탄올의 액체/기체 혼합물이 형성된다. 물과 메탄올은 가능한 한 오랫동안 시스템의 효율을 유지하기 위하여 액체/기체 혼합물로부터 회수되어야 한다. 나아가, 이산화탄소는 이러한 액체/기체 혼합물(equilibrium)로부터 제거되어야 한다. 이는 이산화탄소 분리기에 의해 이루어진다. 이산화탄소를 이러한 액체/기체 혼합물(liquid fuel mixture)로부터 제거해야만 하는데, 이는 메탄올 농도를 조절한 후 액체/기체 혼합물을 애노드에 재공급하기 위해서이다. 기체들의 제거는 이산화탄소 분리기에 의해 실행된다.

유사하게 액체/기체 혼합물이 캐소드에서 형성되는데, 이는 소모되지 않은 공기, 물 및 수증기로 구성된다. 시스템의 장기적으로 지속되는 자기 효율을 달성하기 위하여, 가능한 한 많은 물을 공기로부터 분리하여 애노드 사이클로 재공급해야 한다. 열 교환기를 연료전지의 캐소드 출구 이후에 배치함으로써 액체/기체 혼합물을 냉각하여 수증기의 응축을 달성할 수 있도록 한다.

열 교환기 이후에는 공기 흐름을 액상의 물로부터 분리하여 애노드 사이클로 물을 재공급하기 위하여 공기 분리기가 배치된다. 따라서, 분리기들은 주로 물 관리나 혼합물로부터 이산화탄소를 제거하기 위하여 사용된다. 통상적인 분리기들은 액체와 기체 또는 증기 성분들의 상 혼합물을 분리하여 기체 또는 수증기 성분들을 주변 환경으로 배출시킨다.

따라서,분리기들은 주로 물 관리나 혼합물로부터 이산화탄소를 제거하기 위하여 사용된다. 대개, 그것들은 그러한 액체/기체 혼합물에 공통적인 바와 같이, 공급선을 통해 실제 연료 전지에 연결된 분리 장치의 형태로 실행된다. 공간적 거 리는 또한 온도 변화도(gradient)를 야기하여, 점진적으로 냉각되는 액체/기체 혼합물로부터 물이 응축된다. 종래의 분리기들은 액체와 기체 또는 증기 성분의 상 혼합물을 분리하여 기체나 증기 성분을 주변 환경으로 배출시킨다. 본 발명도 또한 이러한 점을 다룬다.

액체/기체 혼합물을 분리하기 위하여 사용되는 분리기는 다공성 막을 구비한다. 다공성 막의 내측은 액체/기체 혼합물을 향하고, 그 외측은 주변 환경과 접촉한다. 나아가, 다공성 막은 통상 소수성 물질로 코팅되거나 그러한 물질로 구성된다. 다공성 막의 내측에서 외측까지 확산 채널들이 연장되는데, 그 크기는 막의 내측에 위치한 액상의 물은 통과할 수 없고 기체는 외측까지 확산될 수 있도록 되어 있다.

공지의 분리기들은 기체 투과가 가능한 막에 인접한 구멍(cavity)으로 액체/기체 혼합물을 전달한다. 구멍의 체적과 막의 상대적 위치는 작동하는 동안의 분리기의 방향(orientation)과 예상되는 액체/기체 혼합물의 체적에 따라 다르게 된다. 구멍의 체적은 구멍의 입구에서의 액체/기체 혼합물이 구멍의 전체 체적에 대하여 기상(gaseous phase)과 액상(liquid phase)으로 분리될 수 있도록 설정된다. 막은 구멍의 상부에 인접하도록 배열되고, 작동을 조절하는 동안 기상과 접촉한다. 액상은 저부에서 배출된다. 이러한 분리기의 충분한 기능성은 분리기의 공간적 방향을 관찰할 때에만 유지된다. 분리기의 수직 위치로부터의 경사는 기상이 계속해서 막과 접촉하도록 최대 몇 도보다 크지 않아야 한다. 그러나 연료 전지의 모바일용으로의 정확한 사용을 위해서는 이러한 상황은 한계를 나타내게 된다.

결합된 이산화탄소 및 물 분리 장치의 일 예가 US 6,110,613에 개시되어 있다. 연료 호합물과 이산화탄소로 구성된 스택 연료 출구 흐름과 공기와 물로 구성된 스택 공기 배출 흐름이 단일 분리 격실(compartment)로 향해진다. 두 흐름들의 액체 성분은 저부에서 분리 결실로부터 나와 농축된 연료와 혼합된 후 스택 연료 입구로 공급된다. 기체 성분들은 회수 장치로 공급되는데, 회수 장치는 배기 가스로부터의 물과 연료 잔여물을 투과 가능한 장치를 통해 입구 공기 흐름으로 전달한다.

이러한 해결책의 단점은 분리 격실이 뒤집힐 경우 분리 결실의 기체 출구를 통해 액체가 유실될 수 있기 때문에 방향 무관성이 없다는 것이다. 더욱이, 시스템의 높은 물 및 연료 손실을 방지하기 위해서는 이후에 연료/물 회수 장치를 필요로 하기 때문에, 셋업에 있어서 매우 복잡하다.

결합된 이산화탄소 및 물 분리 장치의 다른 예가 EP 1383191에 개시되어 있다. 여기서 이산화탄소 분리는 스택 연료에 연결된 입구와 순환 펌프에 연결된 출구를 갖는 연료 혼합물로 가득찬 격실을 구비한다. 연료 혼합물리 분리 격실 내에 위치하는 동안 중력을 통해 연료 혼합물로부터 이산화탄소 거품들이 분리된다. 분리 격실의 상부에는 물 분리기가 장착된다. 이산화탄소 분리 격실과 물 분리기 사이에는 개구부가 있어, 분리된 이산화탄소를 공기 배출 출구로 공급하고 분리된 물을 이산화탄소 분리 장치로(다시 애노드 사이클로) 공급하는데, 모두 중력의 작용을 통해 이루어진다. 이 예의 주요 단점은 장치의 방향에 대한 강한 의존성인데, 즉 장치는 필연적으로 수직으로 세워진 위치에서만 작동한다. 이는 또한 분리 장치 가 예컨대 노트북 도킹 스테이션에서 요구되는 것과 같이 평탄한 시스템 셋업에 통합되어야만 할 때 문제를 유발할 수 있다.

더욱이, 휴대용 전자 장치에 전력을 공급하는 용도를 위해서는 소형 직접 메탄올 연료 전지 시스템이 필요한데, 이는 나아가 상이한 방향에서도 작동할 수 있어야만 한다.

직접 메탄올 연료 전지 시스템에서, 두 개의 기체/액체 분리기들이 필요하다. 액체 분리기는 응축된 물로부터 연료 전지의 공기 배기 흐름을 분리하는데 필요한데, 응축된 물은 시스템의 애노드 사이클로 재사용된다. 직접 메탄올 연료 전지에서 필요한 공기 흐름이 상대적으로 크기 때문에, 막을 통한 공기의 통과에 기인한 과도한 높은 압력 저하를 방지하기 위해 큰 넓이의 분리막이 필요하다. 더욱이 액체 연료 혼합물로부터 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소 분리기가 필요하다. 현재의 기술에 따르면, 이산화탄소 분리기는 연료 탱크로부터의 농축된 연료와 물 분리기로부터 재순환된 물을 애노드 사이클로 섞는 결합된 장치에서 이루어진다. 혼합기 장치는 시스템의 연속적 가동을 위한 충분한 연료 혼함물을 수용하기 위하여 특정한 내부 액체 체적을 필요로 한다. 물 분리기 및 이산화탄소 분리기 모두 분리된 기체들을 주변 환경으로 배출하기 위하여 주변 환경과 소통하는 것을 필요로 한다.

더욱이, 연료 전지 캐소드 출구의 배기 흐름으로부터 물을 응축하기 위하여 열 교환기를 필요로 한다. 일반적으로 열 교환기는 팬으로 냉각되는데, 팬은 또한 주변 환경과 소통하는 것을 필요로 하여 소형 장치의 디자인 상에 문제점을 부가한 다.

더욱이, 액체 연결수단(connection)이 기체 분리기와 혼합기 장치의 상이한 구성요소들 사이에 필요하다. 그러한 액체 연결수단은 통상적으로 튜브로 형성되는데, 이는 손상되어 액체 누출을 야기할 수 있어 장치의 손상 원인이 될 수 있다.

본 발명의 기본적인 목적은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하는 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명의 일 목적은 수직으로 세워진 상태 및 기울어진 방향에서 작동할 수 있는, 직접 메탄올 연료 전지 시스템용 기체/액체 분리 및 혼합 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 소형인 기체/액체 분리 및 혼합 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 주변 환경으로의 오직 수 개의 액체 연결 수단들을 갖는 기체/액체 분리 및 혼합 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 아이디어는 공기 분리막과 이산화탄소 분리막을 장치의 외측면을 향하도록 장착하여 팬에 의해 열 교환기를 통해 불어오는 냉각 흐름이 막들 중 어느 하나에 의해 방해되지 않도록 하는 방식으로 결합된 장치의 구성 요소들을 배치시키는 것이다. 나아가, 유체 분배 장치(fluid distribution subunit)가 일 구성 요소에서 다른 구성 요소로의 유체 전달을 확실하게 한다.

따라서, 제공하는 연료 전지 시스템용의 기체/액체 분리 및 혼합 장치는 그 장치의 필수적인 구성 요소를 형성하는 다음과 같은 장치들을 포함하는데, 구체적으로, 액체 연료 혼합물로부터 기체를 분리하기 위한 기체/연료 분리 장치와, 액체로부터 기체를 분리하기 위한 기체/액체 분리 장치와, 액체 흐름을 기체/연료 분리 장치와 기체/액체 분리 장치로 전달하거나 또는 기체/연료 분리 장치와 기체/액체 분리 장치로 전달받기 위한 액체 분배 장치를 구비한다. 장치는 주변 환경과 소통하는 다음과 같은 유입구/배출구를 더 구비할 수 있는데, 구체적으로, 기체/액체 유입구와, 기체/연료 혼합물 유입구와, 연료 유입구와, 액체 분배 장치에 제공되는 연료 혼합물 배출구와, 장치의 일측 상에 배치되어 기체/연료 분리 장치의 분리된 기체가 주변 환경으로 배출될 시 통과하도록 하는 제1기체 분리막과, 상기 제1기체 분리막이 배치된 측과 상이한 측에 배치되어 기체/액체 분리 장치의 분리된 기체가 주변 환경으로 배출될 시 통과하도록 하는 제2기체 분리막을 구비한다.

기체/액체 분리 장치는 기체/액체 유입구와, 연료 혼합물 배출구로 연결된 액체 배출구와, 제2기체 분리막을 구비할 수 있다. 제2기체 분리막은 기체/액체 분리 장치의 일 외측면의 적어도 일부를 형성한다. 제2기체 분리막은 제1기체 분리막에 대해 수직 방향을 갖는 기체/액체 분리 장치의 일 외측면의 적어도 일부를 형성할 수 있다.

액체 분배 장치는 기체/액체 유입구와, 기체/액체 배출구와, 기체/액체 유입구와 기체/액체 배출구를 연결하는 채널과, 연료 혼합물 유입구와, 연료 혼합물 배출구를 구비하는데, 기체/액체 배출구는 기체/액체 분리 장치의 기체/액체 유입구와 소통하며, 액체 분배 장치의 연료 혼합물 유입구는 기체/액체 분리 장치의 연료 혼합물 배출구와 소통한다. 액체 분배 장치는 제1기체 분리막을 포함하는 면이 아닌 상이한 면 상에서 기체/액체 분리 장치에 부착될 수 있다. 이는 분리된 기체들을 주변 환경으로 배출시키는데 이용할 수 있는 충분한 면을 보장한다. 상기 상이한 면은 제1기체 분리막의 위치의 반대면일 수 있다.

연료 유입구는 연료 분배 장치 상에 제공될 수 있는데, 이는 연료 혼합물에 연결되어 연료를 배출구 흐름에 섞을 수 있다.

연료 유입구는 기체/연료 분리 장치 상에 제공되어 기체/연료 분리 장치의 분리된 연료에 연료를 섞을 수 있다.

기체/액체 분리 장치의 액체 배출구는 연료 혼합물 배출구에 연결된 액체 분배 장치에 제공된 액체 유입구와 소통할 수 있다. 다른 실시예에서, 기체/액체 분리 장치의 액체 배출구는 연료 혼합물 배출구를 통해 연료 혼합물 배출구 및 연료 혼합물 유입구에 연결된 기체/액체 분리 장치의 액체 연결 수단과 소통할 수 있다.

기체/연료 분리 장치는 이산화탄소와 메탄올을 분리할 수 있다. 기체/액체 분리 장치는 기체와 액체를 분리한다.

기체/연료 분리 장치는 연료 혼합물 배출구의 상부에 배치된 연성의 굽은 호스(hose)와 액체 레벨 센서(liquid level sensor)를 더 구비할 수 있다.

기체/연료 분리 장치의 액체 배출구는 바람직하게는 기체/액체 연료 분리 장치의 바닥에 제공되고 기체 배출구로서의 제1기체 분리막은 기체/액체 연료 분리 장치의 상부에 제공될 수 있으며, 기체/액체 유입구는 기체/연료 분리 장치의 측면의 상부에 배치된다.

기체/연료 분리 장치의 연료 혼합물 배출구는 기체/액체 분리 및 혼합 장치의 바닥의 중앙부에 제공되는 것이 바람직하다.

상기 제1기체 분리막은 PTFE로 형성된다. 상기 제1기체 분리막은 바람직하게는 100㎛ 내지 300㎛의 두께를 갖는다.

기체/연료 분리 장치로의 기체/액체 흐름은 직접 메탄올 연료 전지 애노드로부터 공급될 수 있다.

액체 분배 장치의 유입구는 액체 분배 장치의 배출구가 형성된 면과 다른 면 상에 있다.

기체/액체 분리 장치는 기체/액체 분리를 지지하기 위한 압력을 생성하기 위한 후압(backpressure) 생성 수단을 더 구비한다. 상기 후압 생성 수단은 대응하는 기체/액체 유입구에 비해 축소된 단면을 갖는 액체 배출구를 제공함으로써 실현될 수 있다.

기체/연료 분리 장치는 액체 분배 장치의 상단에 배치되며, 기체/액체 분리 장치는 기체/연료 장치와 액체 분배 장치에 인접하여 배치된다.

기체/액체 분리 장치는 상기 기체/액체 혼합물의 흐름 경로를 제공하며 기체/액체 유입구를 액체 배출구와 연결하는 폐쇄된 채널(closed channel)을 더 구비하는데, 채널의 벽은 전부 혹은 부분적으로 소수성인 상기 제2기체 분리막으로 이루어진다. 제2기체 분리막은 기체/액체 분리 장치의 채널이 구비된 일 측면상에 배치되며, 제2기체 분리막 상에는 제2기체 분리막의 기계적 지지를 제공하는 플랜지가 구비될 수 있다. 플랜지는 채널 벽의 상단에 대응되게 위치하도록 배치될 수 있다. 제2기체 분리막의 가장자리는 기체/액체 분리 장치의 본체에 대하여 밀봉될 수 있다. 제2기체 분리막은 채널의 일측 상에 배열되어 주변 환경과 접촉할 수 있다. 채널은 서펜타인형 방식(serpentine-like manner)으로 배열된다.

기체/액체 혼합물은 직접 메탄올 연료 전지 캐소드로부터 기체/액체 분리 장 치로 공급될 수 있다. 액체 분배 장치는 물과 순수 메탄올을 분배하며 물/메탄올 혼합물을 배출한다.

나아가, 직접 메탄올 연료 전지용의 액체 관리 장치를 제공하는데, 이는 제1항 내지 제34항 중 적어도 어느 한 항에 기재된 것과 같은 일체적으로 결합된 기체/액체 분리 및 혼합 장치와, 주변 환경과 소통하는 기체/액체 유입구와 기체/액체 배출구를 가진 열 교환기를 구비하는데, 기체/액체 배출구는 액체 관리 장치의 유체 연결을 제공하는 액체 분배 장치의 기체/액체 유입구에 연결된다.

열 교환기는 기체/연료 분리 장치와 액체 분배 장치에 부착될 수 있다. 열 교환기는 주변 환경과 소통하여 냉각 공기 흐름을 열교환기에 포함된 기체/액체 혼합물로 제공하는 팬(fan)을 더 구비할 수 있다. 팬은 제1기체 분리막을 구비하는 액체 관리 장치의 면에 수직인 면 또는 제2기체 분리막을 구비하는 액체 관리 장치의 면에 수직인 면으로부터 공기를 흡입한다.

본 발명은 수직으로 세워진 상태 및 기울어진 방향에서 작동할 수 있는, 직접 메탄올 연료 전지 시스템용 기체/액체 분리 및 혼합 장치를 제공한다. 본 발명은 또한 소형인 기체/액체 분리 및 혼합 장치를 제공한다.

도 1은 통상적인 직접 메탄올 연료 전지 시스템을 도시한다. 직접 메탄올 연료 전지 시스템은 도 1에 도시된 것과 같이 구성된다. 연료 전지 스택(10)은 공기 유입구(11)와 공기 배출구(13)를 갖는다. 공기 펌프 또는 팬(12)은 반응 공기를 공기 유입구(11)를 통해 스택 캐소오드에 공급한다. 열 교환기(50)가 연료전지 캐소오드의 배출구 흐름에 장착된다. 팬(55)은 열 교환기를 냉각하기 위해 사용되는데, 배출구 흐름의 냉각 및 물의 응축에 이르게 한다. 이 두 가지 상 흐름(two phse flow)은 배출구(52)에서 열교환기를 나온다. 열교환기 이후에는 액체 물을 공기 흐름으로부터 분리하기 위하여 기체/액체 분리 장치(60)가 장착된다. 분리된 물은 선택적인(optional) 응축 펌프(70)에 의해 연료전지 시스템의 애노드 사이클로 다시 공급되며, 잔여 공기는 공기 배기 배출구(61)를 통해 주변으로 배기된다.

시스템에서의 한 가지 필수불가결한 기능은 스택 애노드 배출구(16)로부터 나오는 배출구 흐름으로부터의 이산화탄소 분리이다. 이 배출구 흐름은 고갈된 연료 혼합물인, 메탄올, 물 및 이산화탄소의 혼합물을 포함한다. 연료전지의 적합한 기능을 위해, 흐름을 스택으로 다시 재사용하기에 앞서 이산화탄소는 연료 혼합물 흐름으로부터 분리되어야만 한다.

스택 연료 배출구(16) 이후에 장착된 이산화탄소 분리/혼합 장치로 이루어진 연료 혼합물용 애노드 사이클은 반응 흐름으로부터 이산화탄소를 제거한다. 이산화탄소/연료 혼합물은 이산화탄소/연료 혼합물 유입구(120)를 통해 이산화탄소 분리기/혼합기 장치로 들어간다. 장치 내부에서, 이산화탄소는 분리되어 배출구(21)를 통해 주변으로 배기된다. 더욱이, 이산화탄소 분리/혼합 장치는 응축 물 유입구(121)를 통해 기체/액체 분리 장치(60)/응축 펌프(70)로부터 응축된 물을 받는다. 이산화탄소 분리/혼합는 또한 연료 탱크(30)로부터 연료 펌프(31)를 거쳐 농축된 연료 유입구(122)를 통해 농축된 연료를 받는다. 재생산된 연료 혼합물을 공급하기 위하여 이 액체들은 고갈된 연료 혼합물로 섞인다. 연료 펌프(23)는 이산화탄소 분리기/혼합기 장치로부터 연료 혼합물 배출구(123)를 통해 재생산된 연료 혼합물을 제거하여 이를 스택의 애노드 유입구(15)로 다시 공급한다.

도 2는 현재 기술에 따른 기체 분리 장치와 일체화된 혼합기의 예를 도시한다. 물/공기의 유입구 흐름(101)이 장치의 상부 부분에 위치한다. 액체 물은 중력(106)에 의해 분리되어 장치의 저부로 떨어진다. 연료의 유입구 흐름(102)은 액체 잔류 탱크로 작동하는 기체/연료 분리 장치(200)의 저부에 위치한다. 유입되는 흐름으로부터의 기체들은 액체가 새지 않는 기체 투과성 막으로 구성된 배출구 구멍(104)을 통해 장치를 빠져나간다. 액체 혼합물은 연료 배출구(103)에 의해 장치를 빠져나가 스택에 공급된다.

다음의 본 발명의 실시예들을 메탄올을 연료로 하는 직접 메탄올 연료 전지 시스템용 예로서 설명한다. 따라서, 본 발명에 따른 액체 관리 장치의 기체/연료 분리 장치(200)는 연료로서의 메탄올로부터 이산화탄소를 분리한다. 본 발명에 따른 기체/액체 분리 장치(60)는 물로부터 공기를 분리한다. 그러나 다른 기체들 및 액체들 역시 가능함은 물론이다.

전술한 장치는 기체/연료 분리 장치(200), 열교환기(50), 수직으로부터 90˚까지 경사진 넓은 범위의 위치에서 시스템이 작동하게 하고 나아가 장치의 완전한 배향 자유 운송을 허용하는 컴팩트한 기체/액체 분리장치(60)가 결합된 혼합장치이다. 하나의 장치는 직접 메탄올 연료 전지 시스템에서 공기와 연료를 처리함으로써 얻어지며 애노드 및 캐소오드 유출구와 애노드 유입구에 의해 상기 스택에 연결된다.

도 3은 본 발명에 따른 통합된 액체 관리 장치를 구비한 직접 메탄올 연료 전지 시스템의 레이아웃을 나타낸다. 직접 메탄올 연료 전지 시스템을 구비한 액체 관리 장치는 캐소오드 유출구(13), 애노드 유출구(16), 탱크(30)로부터의 순수한 메탄올 유입구, 최종적으로 애노드 유입구(18)에 연결된다. 액체 관리 장치에서의 상이한 기능을 일체화함으로써, 시스템은 단순화되며, 휴대용 장치에 특히 적합하도록 부피가 감소하게 된다.

도 4는 조립된 상태에서의 액체 관리 장치의 일 실시예를 도시한다. 상기 액체 관리 장치는 팬(55)을 구비한 열교환기(50), 이산화탄소/연료와 같은 기체/연료 분리 장치(200), 공기/물과 같은 기체/액체 분리 장치(60) 및 액체 분배 장치(201)를 포함한다. 액체 관리 장치의 상기 장치(50, 60, 200, 201)는 서로 직접 접촉하는 장치의 통합된 부분을 형성한다. 또한, 본 발명은 열교환기(50) 및 팬(55)이 없는 액체 관리 장치에 실질적으로 동등한 기체/액체 분리 및 혼합 장치를 개시한다.

직접 메탄올 연료 전지 시스템의 주변 환경에 대한 연결은 도 4에 도시된다. 상기 캐소오드 유출구(13)는 기체/액체 유입구(53)를 경유하여 열교환기(50)로 직접 연결되며, 애노드 연료 혼합물 유출구(102)는 상부에서 기체/연료 분리 장치(200)로 들어가며, 연료 혼합물 흐름은 유출구(103)를 통하여 액체 관리 장치로부터 흘러나오고, 연료, 여기서는 메탄올 탱크(30)로부터 나오는 순수한 메탄올은 메탄올 유입구(202)를 통하여 상기 장치로 들어가게 된다. 기체/연료 분리 장치(200)는 분리된 연료에 연료를 혼합함으로써 혼합 기능을 구비하게 된다. 따라서, 상기 유입구(202)는 상기 기체/연료 분리 장치(200) 또는 액체 분배 장치(201)에 제공될 수 있다. 또한, 기체/액체 분리 장치(60)로부터 나오는 액체는 기체/연료 분리 장치(200)에 다시 주입될 수 있다. 도 4에서, 팬(55)을 구비한 열교환기(50)는 기체/연료 분리 장치(200)와 액체 분배 장치(201)에 부착되며, 액체 분배 장치는 기체/연료 분리 장치(200) 아래에 배치된다. 기체/연료 분리 장치(200) 및 그 아래 배치된 액체 분배 장치(201)는 기체/액체 분리 장치(60)에 직접 접촉한다. 따라서, 도 4에서 좌측에서 우측으로, 사각형 박스형상을 가진 액체 관리 장치의 긴 측면을 따라, 팬(55)을 구비한 열교환기(50)는 액체 관리 장치의 좌측부를 포함하며, 액체 분배 장치(201)를 구비한 기체/연료 분리 장치(200)는 중간 부분을 형성하며, 기체/액체 분리 장치(60)는 액체 관리 장치의 외측부를 형성한다. 기체/연료 분리 장치(200) 및 기체/액체 분리 장치(60)에는 제 1 기체 분리막(802) 및 제 2 기체 분리막(501)이 각각 배치된다. 일반적인 직접 메탄올 연료 전지 시스템에서, 상기 제 1 기체 분리막(802)은 이산화탄소를 대기로 배출하며, 반면에, 제 2 기체 분리막(501)은 공기를 대기로 배출한다. 장치의 기능을 보장하면서 그리고 통기 작동을 위한 충분한 영역을 제공하면서 컴팩트한 장치를 제공하도록, 2개의 막(802, 501)은 상기 장치의 서로 다른 측면에 배치된다. 도 4에서, 제 1 기체 분리막(802)은 기체/연료 분리 장치(200)의 상측면에 배치되지만, 기체/액체 분리 장치(60)의 제 2 기체 분리막(501)은 상기 장치의 측면, 즉 제 1 기체 분리막(802)을 포함하는 면에 수직한 면상에 배치된다. 또한, 모든 팬(55)은 직접 메탄올 연료 전지 배출 흐름을 냉각시키도록 공기를 흡입하도록 주변 환경에 대하여 소통될 필요가 있다. 따라서, 상기 팬(55)은 제 1 기체 분리막(802)을 갖는 면에 수직하며 제 2 기체 분리막(501)를 구비한 면에 수직한 액체 관리 장치의 제 3의 면에 배치된다. 열교환기(50)의 유입구(53)는 액체 관리 장치의 제 4 면에 배치된다.

도 5는 본 발명의 액체 관리 장치의 액체 분배 장치(201)를 상세히 도시한다. 상기 액체 분배 장치(201)는 서브 장치를 서로 연결하게 된다. 열교환기 냉각 배출구(52) 흐름은 기체/액체 혼합물의 유입 흐름을 유입구(1301)에서의 액체 분배 장치(201)에 제공한다. 이러한 유입 흐름은 액체 분배 장치(201)의 배출구(1302)를 경유하여 기체/액체 분리 장치(60)의 유입구(101)에 연결되며, 상기 유입구(1301) 및 배출구(1302)는 상기 액체 분배 장치(201) 내에서 튜브(1303)에 의해 연결된다. 기체/연료 분리 장치(200)의 액체 배출구(103)는 유입구(1300) 및 통합된 튜브를 통하여 통합된 액체 관리 장치의 연료 혼합물 배출구(1030)에 연결된다. 기체/액체 분리 장치(60)의 액체 배출구(300)는 액체 분배 장치(201)의 유입구(1310)와 튜브를 경유하여 연료 혼합물 배출구(1030)에 연결된다. 이러한 튜브는 연료 혼합물 유입구(1300) 및 연료 혼합물 배출구(1030) 사이에서 튜브를 바로 연결한다. 그러나, 도 5에 도시된 바와 같이, 분리된 액체는 연료 혼합물 배출구(1030)에 연결된 순수한 메탄올 유입구(202)로부터 나오는 연료와 제1차적으로 혼합된다.

따라서, 다음의 유입구/배출구는 서로 소통하게 되는데, 즉, 본 발명의 장치의 통합된 부분을 형성하는 각각의 다른 부분에 직접 부착된다.

- 열교환기(50)의 열교환기 배출구(52)는 액체 분배 장치(201)의 기체/액체 유입구(1301)와 소통하며;

- 액체 분배 장치(201)의 기체/액체 배출구(1302)는 기체/액체 분리 장치(60)의 기체/액체 유입구(101)와 소통하며;

- 기체/액체 분리 장치(60)의 기체/액체 배출구(300)는 액체 분배 장치(201)의 기체/액체 유입구(1310)와 소통하며;

- 기체/연료 분리 장치(200)의 통합된 연료 혼합물 배출구(103)은 액체 분배 장치(201)의 연료 혼합물 유입구(1300)와 소통한다.

상세하게 설명하면, 직접 메탄올 연료 전지 시스템용 기체/액체 분리 및 혼합 장치는,

- 주변 환경에 대하여 소통하는 기체/연료 혼합물 유입구(102) 및 제 1 기체 분리막(802)과 연료 혼합물 배출구(103)를 구비한 기체/연료 분리 장치(200),

- 공기/액체 유입구(101) 및 주변 환경에 대하여 소통하는 제 2 기체 분리막(501) 및 액체 배출구(300)를 구비한 기체/액체 분리 장치(60),

- 주변 환경에 대하여 소통하는 기체/액체 유입구(1301), 상기 기체/액체 분리 장치(60)의 기체/액체 유입구(101)와 소통하는 기체/액체 배출구(1302), 상기 기체/액체 유입구(1301) 및 기체/액체 배출구(1302)를 연결하는 채널(1303), 기체/연료 분리 장치(200)의 연료 혼합물 배출구(103)와 소통하는 연료 혼합물 유입구(1300), 주변 환경에 대하여 소통하며 액체 분배 장치(201) 또는 기체/연료 분리 장치(200)상에 제공되는 유체 유입구(202), 및 주변 환경에 대하여 소통하는 연료 혼합물 배출구(1030)를 포함하는 액체 분배 장치(201)를 포함한다.

제 1 기체 분리막(802)은 기체/연료 분리 장치(200)의 하나의 외측면의 적어도 일부를 형성하며, 상기 액체 배출구(300)에는 연료 혼합물 배출구(1030)에 대한 연결부가 제공되며, 상기 액체 분배 장치(201)는 상기 제 1 기체 분리막(802)의 위치의 서로 다른 면에 부착된다. 상기 제 2 기체 분리막(501)은 제 1 기체 분리막(802)에 대하여 수직한 방향을 가지는 기체/액체 분리 장치(60)의 하나의 외측면 중 적어도 일부를 형성한다.

도 6은 본 발명의 액체 관리 장치의 선택적인 실시예에 대한 전개도이다. 도 6의 파선은 상기 장치의 전개부에 대한 선을 나타낸다. 기체/연료 분리 장치(200)는 액체 분배 장치(201)의 상부에 다시 배치된다.

액체 분배 장치(201)는 사각형 형상의 장치로 된다. 팬(55)을 부착한 열교환기(50)는 액체 분배 장치(201)의 제 1 측면, 여기서는 상측면에 배치된다. 제 2 측면에서, 여기서는 우측면에서, 기체/액체 분리 장치(60)가 부착된다. 상기 열교환기(50) 및 팬(55)은 액체 분배 장치(201)의 상부면상에 배치되는 기체/연료 분리 장치(200)와 직접 소통한다. 상기 기체/연료 분리 장치(200)는 기체/액체 분리 장치(60) 및 액체 분배 장치(201)와 직접 소통한다. 제 1 기체 분리막(802)은 상기 액체 관리 장치의 상부면에 배치된다. 상기 제 2 기체 분리막(501)은 상기 제 1 기체 분리막(802)의 측면에 수직한 장치의 측면상에 배치된다. 상기 팬(55) 유입구는 제 2 기체 분리막(501)을 설치하고 있는 측면으로서 상기 장치의 동일한 측면상에 배치되지만 그 측면에 수직할 수도 있다. 상기 열교환기(50)의 유입구(53)는 제 4 면상에 배치된다. 제 4 면은 제 2 기체 분리막(501)을 포함하는 측면에 대향하는 측면인 것이 바람직하다. 그러나, 유입구(53)의 배열은 열교환기(50)의 설계에 따라 가변적이다. 액체 분배 장치(201) 내의 연결은 전술한 소통이 유입구/배출구 사이에서 보장되도록 배치된다.

도 7 및 도 8은 도 6의 기체/액체 분리 장치(60)를 통한 수평 및 수직 단면도이다. 도 8의 기체/액체 분리 장치(60)상의 시선방향은 도 6의 화살표로 표시된 시선방향에 대응한다. 유사한 장치가 EP 07101794에 개시된다.

기체/액체 분리 장치(60)에서의 유동은 채널(400)을 통하여 흐르는데, 이러한 채널은 컴팩트한 장치를 달성하도록 서펜타인형으로, 즉 구불구불하게 배치된다. 상기 채널(400)에는 일정한 폭과 높이가 제공된다. 채널 벽(600)에는 유입구(101) 및 배출구(300)을 위한 보링부(borings)가 제공되는데, 상기 배출구(300)는 상기 제2기체 분리막(501)를 통하여 공기를 가압하는 배압을 발생시키도록 그 단면이 축소되어 있다. 이러한 압력 하강은 전체 채널(400) 내에서 압력 수준을 증가시키며, 따라서 압력 구배는 기체 막(501)을 가로지르게 된다. 이러한 제2기체 분리막(501)은 소수성이며, 특히 100 내지 300 마이크로미터 두께이며 대개 PTFE 로 형성된다.

제 2 기체 분리막(501)은 상기 채널(400)의 일측면상에 배치되며, 플랜지(301)는 그것을 기계적으로 지지하도록 막의 상부에 배치된다. 플랜지(301)의 지지선은 채널 벽(600)의 상부에 배치된다. 플랜지(301)의 두께는 1밀리미터이며, 얇은 플랜지(301)는 충분한 기계적인 지지력을 제공하지 못하며, 두꺼운 플랜지는 제2기체 분리막(501)의 외측면상에 물의 응축을 일으키거나 물방울(700)이 고이게 한다. 이러한 누수를 방지하기 위하여, 막의 주변부에는 시일(302)에 의해 밀봉된다.

상기 채널(400), 유입구(101) 및 배출구(300)의 크기, 상기 제 2 기체 분리막(501)의 표면의 크기는 유동에 대한 상세한 내용에 따라 조절된다.

기체/액체 분리 장치(60)는 그 벽이 완전하거나 부분적으로 소수성이고 기체 투과성인 제 2 기체 분리막(501)으로 구성되는 적어도 하나의 채널부와, 하나의 부재, 특히 고체로 설계되어 가공된 본체(65)에 의해 미리 정해진 제 2 기체 분리막(501)을 구성하지 않는 채널 벽의 영역을 구비한 폐쇄된 채널(400)을 구비한다. 상기 기체/액체 분리 장치(60)로 인하여, 기체/액체 분리 장치의 임의의 공간적 방향에서 액체/기체 혼합물 분리가 이루어진다. 특히, 상기 기체/액체 분리 장치는 현저하게 견고하고 컴팩트한 구조이며, 선택된 구조로 인하여, 특히 바람직한 형상으로 산업적 크기로 제조될 수 있다.

그중에서도 특히, 기체/액체 분리 장치(60)는, 막에 의해 완전히 또는 부분적으로 그 벽이 적어도 부분적으로 미리 결정되는 채널(400)을 통하여 기체/액체 혼합물의 통과로 인하여 분리기의 임의의 방향에서 기체 및 액체 상태의 분리를 허용하는 사항에 기초한다. 상기 기체/액체 혼합물은 유입구(101)를 경유하여 채널로 들어간다. 유입구(101)로부터 배출구(300)까지의 통로상에서, 기체/액체 혼합물은 그 벽이 제 2 기체 분리막(501)으로 구성되는 채널 영역을 통과하며, 이러한 혼합물은 혼합물 중 기체 성분이 제 2 기체 분리막(501)을 통하여 외측으로 확산되며 멀리 운반되어지는 이러한 채널 영역 내에 있게 된다. 또한, 기체/액체 혼합물은 유입구(101)로부터 배출구(300)까지 추가적인 냉각을 행하게 되어, 그 결과 응축 과정은 기체상에서의 물의 비율을 추가적으로 감소시키게 된다. 경로가 증가함에 따라, 기체/액체 혼합물 중 액체 비율은 채널(400)에서 연속적으로 증가하여, 결국 배출구(300)에서 순수하거나 대개 순수한 액체 성분이 된다.

상기 제 2 기체 분리막(501)으로 구성되지 않은 채널 영역은 상기 단일 부재, 특히 고체형태로 설계되어 가공된 본체(65)에 의해 미리 결정된다. 바람직한 형태로는, 그것은 열전도성 재료로 형성되는데, 예를 들어 분리시의 냉각 성능을 지지하기 위하여 재료면에서 열전도성이 우수한 재료로 형성된다. 가공된 본체(65)의 치수와 형상은 기체/액체 분리 장치(60)의 구성면에서 가용적인 공간 및 채널(400)에 대하여 조절되어져야 한다.

또한, 전술한 가공된 본체(65)는 그 표면상에서 길다란 홈을 구비하며, 상기 제 2 기체 분리막(501)은 상기 홈을 가로질러 신장되어, 채널(400)을 형성한다. 환언하면, 평평하게 가공된 본체(65)의 상부는 윤곽에 맞추어 형성되어, 본 발명에 따른 채널 형상의 구조체는 상기 표면에 상기 막을 고정함으로써 형성된다. 전술한 홈은 구불구불한 형상을 가진다. 그러나, 직선 또는 나선과 같은 다른 설계도 가능하다.

유사한 바람직한 형상으로서, 상기 제 2 기체 분리막(501)은 평평한 장착 본체(66)에 의해 가공된 본체(65)의 표면상에 고정된다. 환언하면, 장착 본체(66)는 제공되어지는 채널을 궁극적으로 형성하는 그 내부에 홈을 가진 가공된 본체(65)의 표면에 대하여 폐쇄적으로 접촉하게 된다. 상기 제 2 기체 분리막(501)은 상기 장착 본체(66) 및 가공된 본체(65) 사이에서 견고하게 고정된다. 상기 장착 본체(66)의 설계는 기체/액체 혼합물로부터 분리되어질 기체 성분이 상기 제 2 기체 분리막(501)을 통하여 확산될 수 있고 그를 통과하는 통로를 따라서 제거될 수 있도록 선택되어야 한다. 전술한 장착 본체(66)는 가로놓인 채널(400)의 윤곽을 따르는 길다란 갭을 구비하는 것이 바람직하다. 상기 장착 본체(66)는 0.1 내지 3 밀리미터의 범위의 두께를 가진다. 전술한 수치 한정 아래에서, 상기 장착 본체(66)에 의한 막(501)의 기계적인 지지 작용은 일반적인 작동에 대해서는 불충분하며, 서비스 시간이 증가하면 파손이 예상될 수 있다. 전술한 수치 한정 위에서, 상기 갭의 벽에는 응축되는 습기의 위험이 있어서, 상기 제 2 기체 분리막(501)의 외측의 공기 순환은 서비스 시간이 증가함에 따라 방해를 받게 된다. 손쉽게 수행되는 일실시예에서, 가공된 본체(65) 및 장착 본체(66) 양자는 평평한 직평형 육면체 형상을 가지며, 상기 제2기체 분리막(501)은 가공된 본체(65)의 평평하게 윤곽이 형성된 표면과 그 위에 놓인 장착 본체(66)의 평평한 표면 사이에 배치된다.

채널의 치수는 몇가지 요인에 영향을 받게 된다. 한편으로, 유입되는 기체/액체 혼합물은 그 내부에 배치된 막을 가지는 채널 영역의 전체 길이를 따라 상하부로 완전히 분리되지 않는다. 만약 혼합물이 상하부 영역으로 수직하게 분리된다면, 액체 상태는 상부 영역을 이루며, 기체 상태는 하부 영역을 이루어, 액체만이 제 2 기체 분리막(501)과 접촉하게 된다. 그러나, 기체 상태는 상기 장치의 임의의 방향으로 제 2 기체 분리막(501)과 접촉하게 되는 것이 보장될 필요가 있다. 환언하면, 상기 채널은 기체 상태 및 액체 상태가 채널을 따라서 길이방향으로 교번하게 되며, 제 2 기체 분리막(501)을 포함하는 적어도 이러한 채널 영역에서 교번하게 되도록 치수가 정해져야 한다. 따라서, 액체 영역은 채널(400)을 따라 기체 영역과 길이방향으로 교번하게 된다. 유입구(101) 및 채널(400)의 2개의 단면에서, 액체 상태와 기체 상태는 혼합물의 유동 방향에 수직하게 또는 횡방향으로 분리된다. 크기가 감소되는 임의의 크기의 유입구(101)와 대응하는 단면의 채널(400)에서, 액체 및 기체 상태는 전술한 바와 같이 유동 방향을 따라 길이 방향으로 분리된다. 그러면, 예를 들어, 기체/액체 혼합물의 기체 성분은 배출구(300)를 향하여 운반되는 기포의 형태로 채널에 존재하며, 그것들이 안착되는 채널 영역의 전체 단면을 가로질러 연장된다.

다른 한편으로, 이러한 치수는 예상되는 기체/액체 혼합물의 크기의 부피에 장착되어지는 연료 전지의 작동 파라미터에 따라 변화하게 된다. 큰 부피는 본 발명에 따른 다수의 분리기들 중에서 부피 유동을 분배함으로써 관리될 수 있다. 유입 입구에서의 채널(400)의 단면 영역은 1㎟인 것이 바람직하여 채널 내에 압력 손실을 제한하게 된다. 바람직한 형상에서, 단면 영역은 10mm의 최대 채널 높이에서 최대 100㎟로 된다. 이러한 방법으로 기포 및 액체 영역은 서로 뒤이어 채널을 통하여 이동하게 되어, 기포는 임의의 방향으로 막과 접촉하게 된다. 상기 제 2 기체 분리막은 기체가 투과할 수 있는 소수성 재료로 구성될 필요가 있다. 특히, 연료 전지의 액체 매체를 끈질기게 억제할 수 있는 불소화 폴리머는 이를 위하여 가능하다. 바람직한 형태로서, 상기 막은 폴리테트라플로오르에틸렌(PTFE)로 형성된다.

상기 기체/액체 분리 장치(60)는 휴대용 컴퓨터(랩탑)용 직접 메탄올 연료 전지의 공기 분리기로서 설계되는 것이 바람직하다. 투과를 위한 막 구간의 전체 영역은 8 내지 60㎠의 범위인 것이 바람직하다. 공기 분리기의 전술한 바람직한 실시예와 독립적으로 또는 그러한 실시예에 추가하여, 유입구(101)의 영역에서의 채널(400)의 깊이는 2 내지 6 밀리미터인 것이 바람직하다. 기체/액체 분리 장치(60)의 전술한 바람직한 실시예 중 임의의 것과 독립적으로 또는 그러한 실시예에 추가하여, 유입구에서의 채널(400)의 단면 영역은 4 내지 40㎟이다.

요약하면, 유입구(101) 및 배출구(300)의 서로 다른 단면의 결과로서, 일반적인 대기압에 대한 과압은 작동시에 채널(400) 내부에 형성된다. 압력 구배는 제2기체 분리막(501)을 통하여 기체 성분의 확산에 기여한다. 또한, 기체/액체 혼합물은 유입구(101)로부터 채널(400)의 배출구로 연속적으로 운반되어, 이러한 과정에서 추가적으로 냉각하게 된다. 그 결과, 물은 기체 상태로부터 응축하게 된다. 동시에, 기체 성분은 제 2 기체 분리막(501)을 통하여 확산되어, 액체 상태의 비율은 늘어난 경로 길이에 따라 증가하게 되어, 배출구(300)에서 대개 순수하거나 순수한 액체 성분이 된다.

채널의 설계와 치수의 결과로서, 상기 채널(400) 내의 기체는 기포 형태로 존재하여, 기체/액체 분리 장치(60)의 기하학적 위치에서 제 2 기체 분리막(501)을 통하여 확산할 수 있게 되어, 상기 기체/액체 분리 장치(60)의 배향에 대하여 작동시에 모든 자유도가 가능하게 된다. 따라서, 상태 혼합물의 분리는 기체/액체 분리 장치(60)의 방향에 독립적으로 된다.

도 9는 세워진 방향에서 도 6의 기체/연료 분리 장치(200)를 통한 수직 단면을 도시한다. 기체/연료 분리 장치(200)는 배출구(103)을 커버하는 연성 호스(806)로써 그 내부에 제공된다. 이러한 유동은 유입구(102)에서 상기 장치의 상부의 장치로 유입되게 된다. 액체 배출구(103)는 장치(200)의 저부의 중앙에 배치된다. 이산화탄소 기체 배출구(804)는 상기 장치의 상부에 배치된다. 기체는 소수성인 제 1 기체 분리막(802)을 통하여 유동한다. 상기 제 1 기체 분리막(802)은 기체 배출구를 통하여 액체가 유동하는 것을 방지한다. 사용된 상기 막은 일반적으로 PTFE로 형성되며 100 내지 300 ㎛ 두께로 된다.

탱크 액체 성분은 높이 측정 장치(107)를 사용하여 조절된다. 연성 호스(806) 없이, 정상적인 액체 수위는 탱크의 전체 내부 부피의 절반보다 더 크게 된다. 이러한 조건은 단지 하나의 액체가 액체 배출구(103)을 통하여 유동하는 것을 보장한다. 그러나, 제공된 연성의 호스(806)는 중력의 방향으로 만곡되기 때문에, 최소한 필요한 액체 수위는 추가적으로 감소될 수 있다.

도 10은 도 9의 방향에 대하여 90도만큼 경사진 방향으로 기체/연료 분리 장치를 통하여 수직으로 절개한 도면이다. 이러한 방향에서, 연성 호스(806)는 외측으로 만곡되며, 액체 배출구(103)는 액체 수위(900) 아래로 된다. 전도성의 원리로서 작동하는 수위 센서(107)는 액체 수위가 회전하는 위치에서 유지되도록 배치된다. 상기 장치가 세워진 위치에 있지 않더라도, 상기 제1기체 분리막(802)은 갇혀 있는 액체는 장치(200)내에 머물며, 일부 표면이 이산화탄소가 장치(200)을 빠져 나가도록 하게끔 이용될 수 있게 하는 것을 보장한다.

도 11은 본 발명의 선택적인 실시예를 도시한다. 선택적인 실시예에서, 기체/액체 분리 장치(60)의 응축수에 대한 액체 배출구(300)는 물 연결부(64)를 경유하여 기체/연료 분리 장치(200)에 연결된다. 또한, 연료 탱크(30)로부터의 농축된 연료는 농축된 연료 유입구(202)를 경유하여 기체/연료 분리 장치(200)로 분사된다. 따라서, 기체/연료 분리 장치(200)는 액체 관리 장치의 혼합 기능을 수행하게 된다. 따라서, 요소(1310, 202)는 도 3과 같이 액체 분배 장치(201)에 설치되지 않는다. 도 3 및 도 6에서, 액체 분배 장치(201)는 혼합 기능을 수행한다.

본 발명은 직접 메탄올 연료 전지(DMFC; direct methanol fuel cell) 시스템용으로 사용할 수 있는 기체/액체 분리 및 혼합 장치에 관한 것이다.

도 1은 직접 메탄올 연료 전지 시스템의 개략도이다.

도 2는 기체 제거 장치와 혼합기가 통합된 일 실시예를 나타낸다.

도 3은 본 발명에 관한 통합된 액체 관리 장치를 갖는 직접 메탄올 연료 전지 시스템을 나타내는 개략도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 관한 액체 관리 장치를 나타낸다.

도 5는 도 4의 유체 분배 장치를 나타낸다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 관한 액체 관리 장치를 나타내는 분리 사시도이다.

도 7은 도 6의 기체/액체 분리 장치의 횡단면도이다.

도 8은 도 6의 기체/액체 분리 장치를 화살표 방향으로 바라본 평면도이다.

도 9는 도 6의 기체/액체 분리 장치의 종단면도이다.

도 10은 도 9에 대하여 90˚만큼 경사진 방향의 도 6의 기체/액체 분리 장치의 단면도이다.

도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 액체 관리 장치를 나타낸다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 *

10: 연료 전지 스택 11: 공기 유입구

12: 공기 펌프 또는 팬 13: 공기 배출구

15: 스택 애노드 유입구 16: 스택 연료 배출구

23, 31: 연료 펌프 30: 연료 탱크

50: 열 교환기 55: 팬
60: 기체/액체 분리 장치 200: 기체/연료 분리 장치
201: 액체 분배 장치 301: 플랜지
400: 채널 501: 제2기체 분리막
802: 제1기체 분리막

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삭제

삭제

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806: 연성 호스

Claims (38)

1. 연료 전지 시스템용의 기체/액체 분리 및 혼합 장치로서,

   액체 연료 혼합물로부터 기체를 분리하기 위한 기체/연료 분리 장치;

   액체로부터 기체를 분리하기 위한 기체/액체 분리 장치; 및

   상기 기체/연료 분리 장치 또는 상기 기체/액체 분리 장치로 액체 흐름을 전달하거나 또는 상기 기체/연료 분리 장치 또는 상기 기체/액체 분리 장치로부터 액체 흐름을 전달받는 액체 분배 장치;를 구비하며,

   기체/액체 유입구;

   기체/연료 혼합물 유입구;

   연료 유입구;

   상기 액체 분배 장치에 제공되는 연료 혼합물 배출구;

   상기 기체/액체 분리 및 혼합 장치의 일 측에 배열되며, 상기 기체/연료 분리 장치에서 분리된 기체가 주변 환경으로 배출되기 위하여 통과하는 제1기체 분리막; 및

   상기 제1기체 분리막이 배열된 상기 기체/액체 분리 및 혼합 장치의 일 측과 다른 측에 배열되며, 상기 기체/액체 분리 장치에서 분리된 기체가 주변 환경으로 배출되기 위하여 통과하는 제2기체 분리막;을 주변 환경과 소통하는 유입구들 및 배출구들로서 더 구비하는 기체/액체 분리 및 혼합 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 기체/연료 분리 장치에는 상기 기체/연료 혼합물 유입구, 상기 제1기체 분리막 및 연료 혼합물 배출구가 제공되어 있는 기체/액체 분리 및 혼합 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1기체 분리막은 상기 기체/연료 분리 장치의 일 외측면의 적어도 일부에 형성되어 있는 기체/액체 분리 및 혼합 장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제1기체 분리막은 상기 기체/연료 분리 장치의 일 외측면의 전체에 형성되어 있는 기체/액체 분리 및 혼합 장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 기체/액체 분리 장치는 기체/액체 유입구, 상기 연료 혼합물 배출구에 연결되는 액체 배출구 및 상기 제2기체 분리막을 구비하는 기체/액체 분리 및 혼합 장치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 제2기체 분리막은 상기 기체/액체 분리 장치의 일 외측면의 적어도 일부에 형성되어 있는 기체/액체 분리 및 혼합 장치.
7. 제5항에 있어서,

   상기 제2기체 분리막은 상기 제1기체 분리막에 대하여 수직 방향을 갖는 상기 기체/액체 분리 장치의 일 외측면의 적어도 일부에 형성되어 있는 기체/액체 분리 및 혼합 장치.
8. 제1항에 있어서,

   상기 액체 분배 장치는 상기 기체/액체 유입구, 기체/액체 배출구, 상기 기체/액체 유입구를 상기 기체/액체 배출구에 연결하는 채널, 연료 혼합물 유입구 및 연료 혼합물 배출구를 구비하며,

   상기 액체 분배 장치의 기체/액체 배출구는 상기 기체/액체 분리 장치의 기체/액체 유입구와 소통하며, 상기 액체 분배 장치의 연료 혼합물 유입구는 상기 기체/연료 분리 장치의 연료 혼합물 배출구와 소통하는 기체/액체 분리 및 혼합 장치.
9. 제1항에 있어서,

   상기 액체 분배 장치는 상기 제1기체 분리막을 구비하는 측면과 다른 측면에서 상기 기체/연료 분리 장치와 부착되어 있는 기체/액체 분리 및 혼합 장치.
10. 제9항에 있어서,

    상기 액체 분배 장치가 상기 기체/연료 분리 장치와 부착되어 있는 면은 상기 제1기체 분리막을 구비하는 위치와 맞은 편에 있는 면인 기체/액체 분리 및 혼합 장치.
11. 제1항에 있어서,

    상기 연료 유입구는 상기 액체 분배 장치에 제공되며, 배출 흐름에 연료를 혼합하기 위하여 상기 연료 혼합물 배출구에 연결되는 기체/액체 분리 및 혼합 장치.
12. 제1항에 있어서,

    상기 연료 유입구는 상기 기체/연료 분리 장치에서 분리된 기체에 연료를 혼합하기 위하여 상기 기체/연료 분리 장치에 제공되는 기체/액체 분리 및 혼합 장치.
13. 제5항에 있어서,

    상기 기체/액체 분리 장치의 액체 배출구는 상기 연료 혼합물 배출구에 연결된 상기 액체 분배 장치에 제공되는 액체 유입구와 소통하는 기체/액체 분리 및 혼합 장치.
14. 제5항에 있어서,

    상기 기체/액체 분리 장치의 액체 배출구는, 상기 연료 혼합물 배출구를 통한 상기 연료 혼합물 배출구와 상기 연료 혼합물 유입구에 연결된 상기 기체/액체 분리 장치의 액체 연결과 소통하는 기체/액체 분리 및 혼합 장치.
15. 제1항에 있어서,

    상기 기체/연료 분리 장치는 이산화탄소와 메탄올을 분리하는 기체/액체 분리 및 혼합 장치.
16. 제1항에 있어서,

    상기 기체/액체 분리 장치는 공기와 물을 분리하는 기체/액체 분리 및 혼합 장치.
17. 제5항에 있어서,

    상기 기체/연료 분리 장치는 상기 연료 혼합물 배출구의 상단에 배열된 연성의 굽혀진 호스 및 액체 레벨 센서를 구비하는 기체/액체 분리 및 혼합 장치.
18. 제5항에 있어서,

    상기 기체/연료 분리 장치의 연료 혼합물 배출구는 상기 기체/연료 분리 장치의 바닥에 제공되며, 기체 배출구로서의 상기 제1기체 분리막은 상기 기체/연료 분리 장치의 상단에 제공되고, 상기 기체/액체 유입구는 상기 기체/연료 분리 장치의 측면의 상부에 배열되어 있는 기체/액체 분리 및 혼합 장치.
19. 제5항에 있어서,

    상기 기체/연료 분리 장치의 연료 혼합물 배출구는 상기 기체/액체 분리 및 혼합 장치의 바닥의 중앙에 제공되어 있는 기체/액체 분리 및 혼합 장치.
20. 제1항에 있어서,

    상기 제1기체 분리막은 PTFE로 형성되어 있는 기체/액체 분리 및 혼합 장치.
21. 제1항에 있어서,

    상기 제1기체 분리막은 100㎛ 내지 300㎛의 두께를 갖는 기체/액체 분리 및 혼합 장치.
22. 제1항에 있어서,

    상기 기체/연료 분리 장치로의 상기 기체/액체 흐름은 직접 메탄올 연료 전지의 애노드에서 공급되는 기체/액체 분리 및 혼합 장치.
23. 제8항에 있어서,

    상기 액체 분배 장치의 상기 기체/액체 유입구는 상기 기체/액체 배출구가 형성된 면과 다른 상기 액체 분배 장치의 면에 형성되어 있는 기체/액체 분리 및 혼합 장치.
24. 제5항에 있어서,

    상기 기체/액체 분리 장치에는 기체/액체 분리를 지지하는 압력을 발생하기 위한 후압(backpressure)을 발생시키는 수단이 제공되어 있는 기체/액체 분리 및 혼합 장치.
25. 제24항에 있어서,

    상기 후압을 발생시키는 수단은 상기 기체/액체 분리 장치의 액체 배출구가 이에 대응되는 기체/액체 유입구에 대하여 감소된 단면을 제공함으로써 구현되는 기체/액체 분리 및 혼합 장치.
26. 제1항에 있어서,

    상기 기체/연료 분리 장치는 상기 액체 분배 장치의 상단에 배열되어 있고, 상기 기체/액체 분리 장치는 상기 기체/연료 분리 장치 및 상기 액체 분배 장치에 인접하여 배열되어 있는 기체/액체 분리 및 혼합 장치.
27. 제5항에 있어서,

    상기 기체/액체 분리 장치는 상기 기체/액체 혼합물의 흐름 경로를 제공하며 상기 기체/액체 유입구를 상기 액체 배출구에 연결하는 폐쇄된 채널을 더 구비하며,

    상기 폐쇄된 채널의 벽은 전적으로 또는 부분적으로 소수성인 상기 제2기체 분리막으로 이루어져 있는 기체/액체 분리 및 혼합 장치.
28. 제27항에 있어서,

    상기 제2기체 분리막은 상기 기체/액체 분리 장치의 상기 채널이 구비된 일 측면상에 배치되며, 상기 제2기체 분리막 상에는 상기 제2기체 분리막의 기계적 지지를 제공하는 플랜지가 구비된 기체/액체 분리 및 혼합 장치.
29. 제28항에 있어서,

    상기 플랜지는 상기 폐쇄된 채널 벽의 상단에 대응되도록 위치되어 있는 기체/액체 분리 및 혼합 장치.
30. 제27항에 있어서,

    상기 제2기체 분리막의 가장자리는 상기 기체/액체 분리 장치의 본체에 대하여 실링되어 있는 기체/액체 분리 및 혼합 장치.
31. 제27항에 있어서,

    상기 제2기체 분리막은 주변 환경과 접촉하는 상기 폐쇄된 채널의 일 측에 배열되어 있는 기체/액체 분리 및 혼합 장치.
32. 제27항에 있어서,

    상기 폐쇄된 채널은 서펜타인형 방식으로 배열되어 있는 기체/액체 분리 및 혼합 장치.
33. 삭제
34. 제1항에 있어서,

    상기 액체 분배 장치는 물과 순수 메탄올을 분배하고 물/메탄올 혼합물을 배출하는 기체/액체 분리 및 혼합 장치.
35. 직접 메탄올 연료 전지용 액체 관리 장치로서,

    제1항 내지 제32항 그리고 제34항 중 어느 한 항의 기체/액체 분리 및 혼합 장치; 및

    주변 환경과 소통하는 기체/액체 유입구 및 기체/액체 배출구가 제공된 열 교환기;를 구비하며,

    상기 열교환기의 기체/액체 배출구는 상기 액체 관리 장치의 액체 연결을 제공하는 상기 액체 분배 장치의 기체/액체 유입구에 연결되는 액체 관리 장치.
36. 제35항에 있어서,

    상기 열 교환기는 상기 기체/연료 분리 장치와 상기 액체 분배 장치에 부착되어 있는 액체 관리 장치.
37. 제35항에 있어서,

    상기 열 교환기는 상기 열 교환기에 함유된 기체/액체 혼합물에 냉각된 공기 흐름을 제공하기 위하여 주변 환경과 소통하는 팬(fan)을 구비하는 액체 관리 장치.
38. 제37항에 있어서,

    상기 팬은 상기 제1기체 분리막을 구비하는 상기 액체 관리 장치의 면에 수직인 면 또는 상기 제2기체 분리막을 구비하는 상기 액체 관리 장치의 면에 수직인 면에서 공기를 흡입하는 액체 관리 장치.

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