KR100994125B1 - 직접 메탄올 연료 전지용 세퍼레이터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 액체/기체 혼합물 분리를 위한 직접 메탄올 연료 전지용 세퍼레이터로서, 상기 세퍼레이터는 폐쇄된 채널을 갖고, 상기 채널의 단면의 벽은 일부 또는 전부가 소수성이고 기체 투과 가능한 막으로 이루어지며, 상기 채널의 횡단면적은 상기 채널의 유입구에서 상기 채널의 배출구까지 연속적으로 또는 단계적으로 감소하고, 상기 막으로 구성되지 않은 상기 채널의 벽의 단면은 원피스(one-piece)의 기계 부재이고, 상기 기계 부재의 표면에는 직사각형 그루브가 형성되며, 상기 막은 평평한 장착 부재에 의해 상기 기계 부재의 그루브가 형성된 표면에 고정되고, 상기 장착 부재에는 상기 기계 부재에 형성된 그루브에 대응되는 위치와 형상을 가지며 상기 장착 부재를 관통하는 복수 개의 갭들이 형성된 직접 메탄올 연료 전지용 세퍼레이터를 개시한다.

Description

직접 메탄올 연료 전지용 세퍼레이터{Separator for direct methanol fuel cell}
본 발명은 직접 메탄올 연료 전지용 세퍼레이터에 관한 것으로서, 특히 기체와 액체의 혼합물을 분리하기 위한 직접 메탄올 연료 전지용 세퍼레이터에 관한 것이다.
연료 전지는 연속적으로 주입된 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환하는 갈바니 전지이다. 일반적으로 연료 전지는 막(membrane) 또는 전해질에 의해 분리된 두 개의 전극들로 구성되어 있다. 애노드는 수소, 메탄 또는 메탄올과 같은 연료의 흐름에 의해 둘러싸여 있고, 이러한 연료는 애노드에서 산화된다. 캐소오드는 산소, 과산화수소(hydrogen peroxide) 또는 티오시안산칼륨(potassium thiocyanate)과 같은 산화제의 흐름에 의해 둘러싸여 있고, 이러한 산화제는 캐소오드에서 환원된다. 연료 전지의 유형에 따라, 하나의 성분을 구현하기 위해 사용되는 물질은 서로 다르게 선택된다.
직접 메탄올 연료 전지는 약 60℃-120℃ 정도로 낮은 온도 범위에서 작동하는 저온 연료 전지이다. 이러한 유형의 연료 전지는 전해질로서 폴리머 막을 사용 한다. 미리 리포밍(reforming)되지 않은 메탄올(CH3OH)이 애노드에서 산화될 물과 함께 애노드에 직접 공급된다. 이산화탄소(CO2)가 애노드에서 폐가스로 형성된다. 산화제로서 캐소오드에 공급되는 대기 산소는 수소 이온(H+)들 및 전자들과 반응하여 물을 형성한다. 직접 메탄올 연료 전지의 장점은 플라스틱 카트리지에 배분될 수 있는, 액상으로 되어 있고 저장하기 쉬우며 매우 값싼 에너지원을 사용한다는 데에 있다. 더욱이 메탄올을 위한 거대하게 확장된 기반 시설이 이미 많은 분야에서 존재하고 있는데, 예컨대 차량의 전면 유리 와셔 용액에 부동액 첨가제로 사용되는 것과 같이 이미 많은 분야에서 존재하고 있다. 설계에 따라, 이러한 유형의 연료 전지는 몇 mW에서 수 100 kW까지의 전력 범위를 제공할 수 있다. 구체적으로, 직접 메탄올 연료 전지는 전기 장치에 있어서 종래의 축전지에 대한 대체재 또는 보충재로서 휴대용으로 사용하는데 적합하다. 직접 메탄올 연료 전지의 전형적인 사용 분야는 통신에서와 노트북의 전력 공급에서이다.
애노드의 촉매로 메탄올의 산화는 단계적으로 진행되는데, 다양한 중간 생성물을 갖는 여러 반응 경로들이 논의되고 있다. 연료 전지의 고효율을 유지하기 위해서는 애노드의 주변 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 회복되어야 한다. 나아가, 이산화탄소는 이러한 액체/기체 혼합물로부터 제거되어야 하며, 이는 이산화탄소 세퍼레 이터에 의해 이루어진다. 이산화탄소를 이러한 액체/기체 혼합물(liquid fuel mixture)로부터 제거하는 것은 그 액체/기체 혼합물을 메탄올 농도를 조절한 후 애노드에 피드백하기 위해서이다. 기체들의 제거는 이산화탄소 세퍼레이터에 의해 달성된다.
유사하게, 액체/기체 혼합물이 캐소오드에서 형성되며, 이는 소모되지 않은 공기, 물 및 수증기로 구성되어 있다. 시스템의 장기적 효율을 달성하기 위하여 가능한 한 많은 물을 공기로부터 분리하여 애노드 사이클로 피드백하여야 한다. 이를 위하여 액체/기체 혼합물을 냉각하여 수증기의 응축을 달성할 수 있게 하는 열 교환기가 연료 전지의 캐소오드 출구의 하류에 배열되어 있다.
열 교환기의 하류에는 애노드 사이클에 물을 피드백하기 위하여 액상의 물로부터 공기 흐름을 분리해 내는 공기 세퍼레이터가 배열되어 있다.
따라서 세퍼레이터들은 주로 물 관리나 액체/기체 혼합물로부터 이산화탄소를 제거하기 위하여 사용된다. 대개, 그것들은 액체/기체 혼합물에 공통적인 바와 같이 공급선을 통해 실제 연료 전지에 연결된 분리 장치의 형태로 실행된다. 공간적 거리는 온도 변화를 야기하여 물이 서서히 냉각되는 액체/기체 혼합물로부터 응축된다. 종래의 세퍼레이터들은 액체와 기체 또는 증기 성분의 상 혼합을 분리하여 기체나 증기 성분을 주변 환경으로 배출시킨다. 본 발명도 또한 이러한 점을 다룬다.
공지의 방법으로, 액체/기체 혼합물을 분리하기 위하여 사용되는 세퍼레이터는 다공성 막을 갖추고 있다. 다공성 막의 내측은 액체/기체 혼합물을 향하고, 그 외측은 주변 환경과 접촉되어 있다. 나아가, 다공성 막은 보통 소수성 물질로 코팅되어 있거나 그러한 물질로 구성되어 있다. 다공성 막의 내측에서 외측까지 확산 채널들이 연장되어 있고, 그 크기는 막의 내측에 위치한 액상의 물은 투과할 수 없고 기체는 외측까지 확산될 수 있도록 되어 있다.
공지의 세퍼레이터들은 액체/기체 혼합물을 기체 투과가 가능한 막에 인접한 구멍(cavity)으로 전달한다. 구멍의 체적과 막의 상대적 위치는 작동하는 동안의 세퍼레이터의 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 세퍼레이터의 충분한 기능성은 세퍼레이터의 공간적 방향을 관찰할 때에만 유지된다. 세퍼레이터의 수직 위치로부터의 경사는 기상이 계속해서 막과 접촉하도록 최대 몇 도보다 많지 않아야 한다. 그러나 연료 전지의 모바일용으로의 정확한 사용을 위해서는 이러한 상황은 한계를 나타내게 된다.
미국 공개특허공보 2002/0192525 A1은 직접 메탄올 연료 전지용 이산화탄소 세퍼레이터를 기재하고 있는데, 이러한 연료 전지는 세퍼레이터의 공간적 방향에 무관하게 작동한다. 직접 메탄올 연료 전지의 애노드 폐가스는 세퍼레이터의 유입구를 통해 채널로 들어가고, 세퍼레이터의 배출구는 폐가스 유입의 결과로 압력이 증가하도록 설계된다. 채널은 이산화탄소 투과가 가능한 다공성이고 소수성인 벽을 갖는다. 이러한 이산화탄소 세퍼레이터는 그 공간적 위치에 무관하게 작동할 수 있다.
본 발명의 목적은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하는 것으로서, 특히, 공간적 위치에 무관하게 작동하며, 캐소오드 물로부터 공기를 분리해 내거나 애노드 사이클로부터 이산화탄소를 분리해 내기 위하여 사용되는 직접 메탄올 연료 전지용 액체/기체 혼합물 세퍼레이터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 위와 같은 세퍼레이터로서 견고한(robust) 소형(compact) 구조로 이루어진 직접 메탄올 연료 전지용 액체/기체 혼합물 세퍼레이터를 제공하는 것이다.
본 발명은 액체/기체 혼합물 분리를 위한 직접 메탄올 연료 전지용 세퍼레이터로서, 상기 세퍼레이터는 폐쇄된 채널을 갖고, 상기 채널의 단면의 벽은 일부 또는 전부가 소수성이고 기체 투과 가능한 막으로 이루어지며, 상기 채널의 횡단면적은 상기 채널의 유입구에서 상기 채널의 배출구까지 연속적으로 또는 단계적으로 감소하고, 상기 막으로 구성되지 않은 상기 채널의 벽의 단면은 원피스(one-piece), 특히 견고하게 설계된 기계 부재인 직접 메탄올 연료 전지용 세퍼레이터를 개시한다. 본 발명의 세퍼레이터는 세퍼레이터의 어떠한 공간적 방향에서도 액체/기체 혼합물의 분리를 가능하게 한다. 특히, 본 세퍼레이터는 현저하게 견고하고 소형인 구조를 갖는다. 이러한 구조에 의하여 본 세퍼레이터는 대규모 생산 방식에 특히 적합하다.
그 중에서도, 본 발명은, 적어도 단면의 벽이 완전히 또는 부분적으로 소정의 막으로 되어 있는 테이퍼진 채널을 통해 액체/기체 혼합물을 통과시키면 세퍼레이터의 어떠한 방향에서도 기상과 액상의 분리가 가능하게 된다는 발견에 기초하고 있다. 액체/기체 혼합물이 유입구를 통해 채널로 들어간다. 채널이 배출구를 향해 좁아짐에 따라 상들의 분리를 지지하는 압력이 증가하게 된다. 유입구에서 배출구까지의 경로에서, 액체/기체 혼합물이 벽이 막으로 구성되어 있는 채널의 단면을 통과하고, 액체/기체 혼합물의 기체 성분이 막을 통해 외측으로 확산되어 배출되는 것은 바로 이들 채널 단면들에서이다. 나아가, 액체/기체 혼합물은 유입구에서 배출구까지의 경로에서 더욱 냉각됨으로써, 결과적으로 이러한 응축 과정들이 기상에서의 물과 메탄올의 비율을 더욱 감소시키게 된다. 경로 길이가 증가함에 따라, 액체/기체 혼합물의 액체 비율은 채널에서 연속적으로 증가하고, 결과적으로 배출구에서는 순수한 또는 대체로 순수한 액체 성분을 얻게 된다. 채널의 횡단면적은 유입구에서 배출구까지 2 내지 40의 범위에 있는 비율로 감소하는 것이 바람직하다.
막을 구성하지 않는 채널 벽의 단면은 원피스, 특히 견고하게 설계된 기계 부재에 의해 미리 결정되어 있다. 이러한 방식으로 세퍼레이터는 통상적인 용도, 특히 모바일용에 요구되는 기계적 안정성을 갖게 되고, 채널의 제공 및 제조는 상기 기계 부재에 의해 대규모로 쉽게 이룰 수 있다. 일반적으로 기계 부재는 견고하게 설계되고 플라스틱으로 제조될 수 있다. 바람직하게는 기계 부재는 열 전도성 물질, 예컨대 금속 또는 탄소계 물질로 이루어져 있음으로써, 그러한 물질의 양호 한 열 전도성을 이용하여 세퍼레이터의 냉각을 뒷받침할 수 있게 한다. 기계 부재의 규모 및 형상은 세퍼레이터의 구조에 이용할 수 있도록 채널 및 공간에 적합하게 되어야 한다.
나아가, 전술한 기계 부재는 표면에 직사각형 그루브를 가질 수 있고, 막은 채널을 형성하기 위하여 그루브를 가로질러 연장되어 있다. 즉, 평평한 것이 바람직한 기계 부재의 상부는 윤곽을 나타내고 있고, 기계 부재의 표면에 막을 고정함으로써 본 발명에 따라 요구되는 채널 모양의 구조가 형성된다.
전술한 그루브는 서펜타인형 윤곽을 갖는다. 그러나 직선형이나 나선형과 같은 다른 설계도 또한 가능하다. 만일 그루브가 브리지(bridge)에 의해 서로 분리된 평행한 채널 단면들을 갖는 서펜타인형 윤곽을 갖는 경우, 그리고 만일 막이 그루브와 브리지를 가로질러 연장되는 경우, 그루브 위에 안착되는 막의 제1부분 면적은 브리지 위에 안착되는 막의 제2부분 면적보다 더 크다. 이러한 방법으로 막의 총 면적에 대하여 기체 분리에 이용되는 막의 면적의 바람직한 비율을 달성하는 것이 가능하다.
마찬가지의 바람직한 방식으로, 막은 평평한 장착 부재에 의해 기계 부재의 표면에 고정되어 있다. 다시 말해, 장착 부재는 궁극적으로 채널을 형성하기 위하여 제공되는 그루브를 갖는 기계 부재의 표면에 밀접하게 접촉된다. 막은 장착 부재와 기계 부재의 사이에 단단하게 고정된다. 장착 부재의 설계는 액체/기체 혼합물에서 분리되는 기체 성분이 막을 통해 확산될 수 있고 이어서 그곳을 통해 통과하면서 제거될 수 있도록 선택되어야 한다.
전술한 장착 부재는 직사각형 갭을 갖는 것이 바람직하고 그 위치 및 형상은 고정된 상태에서 갭이 기계 부재의 직사각형 그루브를 향하도록 선택된다. 다시 말해, 갭은 이러한 변형에 있어서 밑에 있는 채널의 윤곽을 따르게 된다.
장착 부재는 0.1mm 내지 3mm의 범위에 있는 두께를 가질 수 있다. 전술한 하한 아래에서, 장착 부재에 의한 막의 기계적 지지는 보통 통상적인 동작을 위해서는 불충분하고, 작동 시간을 증가시키는 데에 실패할 것임에 틀림 없다. 전술한 상한 위에서는, 갭의 벽에서 습기가 응축할 위험성이 있어서 막의 외측에서 공기의 순환을 주입함으로써 작동 시간을 증가시킨다. 특히 쉽게 실시할 수 있는 하나의 실시예에 있어서, 기계 부재와 장착 부재의 양자는 평평한 주사위형 윤곽을 갖고, 막은 기계 부재의 그러한 윤곽의 표면과 그 위에 안착되는 장착 부재의 평평한 표면 사이에 위치한다.
채널의 크기는 여러 요인들에 따라 달라진다. 한편으로는, 주입된 액체/기체 혼합물이 막이 배열된 채널 단면들의 전체 길이를 따라 상부 영역과 하부 영역으로 완전히 분리되지 않는다는 것을 알아야 한다. 즉, 채널은 적어도 막이 포함된 채널 단면들에서는 길이 방향으로 기상과 액상이 번갈아 존재하도록 하는 크기이어야 한다. 따라서, 예컨대 액체/기체 혼합물의 기체 성분들은 채널에서 배출구쪽으로 전달되는 기체 버블 형태로 존재하고 그것들이 존재하는 채널 단면의 전체 횡단면적을 가로질러 연장된다.
다른 한편, 그러한 크기는 설치된 연료 전지의 작동 변수, 즉, 예상되는 액체/기체 혼합물의 체적 크기에 따라 달라진다. 큰 체적은 또한 체적 흐름을 본 발 명에 따른 많은 세퍼레이터들로 분배함으로써 관리될 수 있다.
유입구에서 채널의 횡단면적은 채널 내에서 압력의 손실을 제한하기 위하여 적어도 1mm2인 것이 바람직하다. 유입구에서 채널의 횡단면적은 채널의 최대 높이가 10mm일 때에 최대 100mm2인 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써 기체 방울들과 액체 영역이 번갈아 채널을 통해 이동하게 되고 이에 의해 기체 방울들이 어떤 방향으로든지 막과 접촉할 수 있게 된다.
막은 기체 투과가 가능한 소수성 물질로 구성될 필요가 있다. 이러한 목적에 맞는 물질은, 특히, 연료 전지의 공세적인 매질에 오래 지탱할 수 있는 플루오르화 폴리머가 가능하다. 바람직하게는, 막은 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene PTFE)으로 이루어져 있는 것이 좋다.
세퍼레이터는 휴대용 컴퓨터(laptop)용 직접 메탄올 연료 전지의 공기 세퍼레이터로 설계되는 것이 바람직하다. 투과에 이용할 수 있는 막 단면의 전체 면적은 8cm2 내지 60cm2의 범위에 있는 것이 바람직하다. 전술한 공기 세퍼레이터의 바람직한 실시예에 독립적으로 또는 보충적으로 유입구의 영역에서 채널의 깊이는 2mm 내지 6mm인 것이 바람직하다. 전술한 공기 세퍼레이터의 바람직한 실시예에 독립적으로 또는 보충적으로 유입구에서 채널의 횡단면적은 4mm2 내지 40mm2인 것이 바람직하다. 전술한 공기 세퍼레이터의 바람직한 실시예에 독립적으로 또는 보충적으로 배출구에서 채널의 횡단면적은 0.01mm2 내지 10mm2인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 충분한 동압(dynamic pressure)을 발생시키고 공기가 막을 통하도록 힘을 가하되 시스템에 존재하는 공기 압축기의 과부하를 피할 수 있도록 배출구에서 채널의 횡단면적은 0.05mm2 내지 1mm2인 것이 좋다. 최종적으로, 그리고 전술한 공기 세퍼레이터의 바람직한 실시예에 독립적으로 또는 보충적으로 유입구에서 채널의 횡단면적과 배출구에서의 채널의 횡단적의 비율은 2:1 내지 20:1의 범위에 있을 수 있다. 동일한 방법이지만 다른 크기를 사용하여, 여기서 상세히 설명된 공기 세퍼레이터의 원리는 또한 휴대용 컴퓨터를 위한 직접 메탄올 연료 전지의 이산화탄소 세퍼레이터에도 적용될 수 있다.
본 발명은 세퍼레이터의 어떠한 공간적 방향에서도 액체/기체 혼합물의 분리가 가능한 직접 메탄올 연료 전지용 세퍼레이터를 제공한다.
본 발명을 첨부된 도면들과 함께 다음 실시예들을 통해 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 직접 메탄올 연료 전지의 구조를 개략적으로 나타낸다. 직접 메탄올 연료 전지의 전기 화학적 공정은 본 발명의 목적에 비추어 더 이상 상세히 설명될 필요는 없으므로 그 기재를 생략한다. 직접 메탄올 연료 전지의 전기 화학적 공정은 연료 전지 스택(100)에서 진행되는데, 애노드측의 반응물은 이산화탄소와 물을 함유하는 액체/기체 혼합물이다.
공기가 공기 펌프(120)에 의해 캐소드측에 있는 유입구(110)를 통해 연료 전지 스택(100)으로 공급된다. 공급된 공기는 연료 전지 스택(100)의 캐소드측에 있는 공기 배출구(130)로 배출될 수 있고 팬(550) 및 열 교환기(500)에 의해 냉각된다. 냉각된 공기와 그로부터 응축된 액체는 배출구(520)를 통해 열 교환기(500)를 떠나 공기 세퍼레이터(600)로 공급된다. 공기 세퍼레이터(600)는 상응되는 라인을 통해 배출 밸브(610)와 연결되며 펌프(700)와 연결된 라인(620)을 통해 혼합기(220)와 연결된다. 애노드측에서는, 혼합기(220)의 혼합물이 펌프(230)에 의해 유입구(150)를 통해 연료 전지 스택(100)으로 공급된다. 나아가 연료, 즉 메탄올은 연료 탱크(300)와 이에 상응하는 밸브(310)를 통해 혼합기(220)로 공급된다. 최종적으로 연료 전지 스택(100)은 애노드측에 배출구(160)를 갖는데, 이는 라인을 통해 이산화탄소 세퍼레이터(200)에 연결된다. 이산화탄소 세퍼레이터(200)는 액체/기체 혼합물을 분리하는데 사용되는 막을 갖는다.
도 2는 종래의 직접 메탄올 연료 전지의 세퍼레이터에 관한 개략적인 단면도이다. 도 2는 종래의 세퍼레이터의 기능을 나타내고, 도 2의 세퍼레이터는 공기 세퍼레이터로 또는 이산화탄소 세퍼레이터로 설계되어 있다. 도 2는 연료 전지의 액체/기체 혼합물을 위한 유입구(1010)를 나타낸다. 구멍(1011)으로 들어간 후에, 공급된 액체/기체 혼합물은 기체 성분과 액체 성분으로 분리된다. 기체 성분은 보통 기체 투과 가능한 막이 설치되어 있는 상부에서 배출구(1040)를 통해 배출될 수 있는 반면에, 액체 성분은 저부측에 배열된 배출구(1060)을 통해 혼합기(1050)로 공급된다. 메탄올을 주입하는데 사용되는 연료 라인(1020)은 혼합기(1050)으로 연결 되고, 결과적인 혼합물은 라인(1030)을 통해 연료 전지에 공급된다. 구멍(1011)에 있는 액체 성분의 채워진 높이는 적절한 센서(1070)에 의해 감지될 수 있다. 따라서 이와 같이 개략적으로 설명된 종래의 세퍼레이터는 쉽게 충족할 수 있는 중력 원리에 따라 작동하지만, 그 기능은 세퍼레이터의 공간적 방향에 따라 다르게 된다는 문제점을 갖고 있다.
도 3은 본 발명에 따른 직접 메탄올 연료 전지의 공기 또는 이산화탄소 세퍼레이터로 사용되는 세퍼레이터(10)에 관한 평면도이다. 도 3은 단지 본 발명의 일 실시예에 있어서 핵심적인 성분들만을 보여준다. 도 3에 나타나 있는 세퍼레이터(10)는 평평한 윤곽을 갖고 있으며 도 3은 세퍼레이터(10)의 기능적인 수정된 측면을 나타내고 액체/기체 혼합물로부터 분리된 기체 성분은 세퍼레이터(10)를 떠나 배출된다.
세퍼레이터(10)는 두 개의 성분으로 구성되어 있다. 그 중에서 장착 부재(14)는 견고한 원피스(one-piece) 기계 부재(machined body)에 안착되어 있다. 장착 부재(14)는 상부에 복수 개의 갭들(16)을 갖는다. 그것들은 서로 대략 동일한 간격으로 떨어져 있고 그것들의 폭은 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 감소한다. 갭들(16)의 상대적인 위치와 기능들을 이하에서 설명한다.
기계 부재(12)와 장착 부재(14) 사이에는 갭들(16)에 의해 노출된 영역들에서만 관찰될 수 있는 막(18)이 위치해 있다. 따라서 갭들(16)은 장착 부재(14)의 깊이 전체에 걸쳐서 연장되어 있다. 기계 부재(12)와 장착 부재(14) 사이의 가장자리는 액체/기체 혼합물이 분리되기에 적합한 방법으로 실링된다. 원들로 표시된 영 역들은 후에 상세히 설명될 채널(미도시)의 유입구와 배출구들(20,22)을 나타낸다.
도 4는 도 3의 세퍼레이터에 관련된 기계 부재의 평면도이다. 기계 부재(12)는, 예컨대, 스테인리스강(stainless steel)으로 이루어질 수 있고, 그 후면에는 액체/기체 혼합물이 분리되기 위한 열적 조건을 위한 냉각 부재가 장착될 수 있다. 대안적으로는, 기계 부재는 마찬가지로 열 전도성이 있는 탄소 물질 또는 몰딩(molding)이나 프로세싱(processing)이 쉬운 플라스틱 물질로 이루어질 수 있다. 기계 부재(12)는 상부에 채널(24)을 형성하는 서펜타인형(serpentine-like) 그루브를 갖는다. 이러한 그루브는 막(18)의 연장을 따르게 된다. 이러한 예에서 알 수 있는 바와 같이, 채널(24)의 크기는 본질적으로 그루브의 기하학적 형태에서 비롯되고, 이러한 이유로 인해 채널의 윤곽은 단순히 채널(24)로 언급될 것이다.
도 4에서 알 수 있는 바와 같이 채널(24)은 기계 부재(12)의 표면을 가로질러 서펜타인형으로 그리고 배출구(22)쪽으로 연장된다. 채널(24)은 여러 단계들로, 즉, 채널 단면들(26,28,39,32)에서 테이퍼링(tapering)이 증가하는 것을 나타낸다. 채널(24)의 횡단면적은 제1채널 단면(26)에서 시작하여, 제2채널 단면(28), 제3채널 단면(30)을 거쳐 제4채널 단면(32)쪽으로 연속적으로 감소한다. 채널(24)의 전체 길이는 약 300 mm이다.
도 5는 도 3의 세퍼레이터(10)의 B-B선에 따른 단면도이다. 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 막(18)은 기계 부재(12)와 장착 부재(14) 사이에 배열되어 있다. 이러한 방법으로 채널 단면들(26,28,30,32)을 가진 채널(24)은 막(18)에 의해 장착 부재(14)의 갭들(16)으로부터 공간적으로 분리되어 있다. 채널(24)에 있는 액체/기 체 혼합물의 기체 성분들은 막(18)을 통해 갭들(16)로 들어가서, 외측으로 그리고 그로부터 주변 환경으로 배출된다. 실링부(또는 접착부)(28)는 세퍼레이터(10)로부터 기체 성분들 또는 액체/기체 혼합물의 측면 누설을 방지한다.
세퍼레이터(10)에서 장착 부재(14)는 갭들(16)이 최대 1 mm의 깊이를 갖도록 약 1 mm의 두께를 갖는다.
제1채널 단면(26)은 약 15 mm2의 횡단면적을 갖는다. 횡단면적은 제4채널 단면(32)에서 약 5 mm2까지 감소한다. 즉, 채널의 횡단면적은 제1채널 단면(26)과 동일한 횡단면적을 갖는 유입구(20)에서 제4채널 단면(32)과 동일한 횡단면적을 갖는 배출구(22)까지 2의 배율로 감소한다.
막(18)에 의해 미리 정해져 있는 제1채널 단면(26)에서 벽 부분의 전체 면적과 제1채널 단면(26)에서 채널(24)의 벽의 남아 있는 부분, 즉, 기계 부재(12)에 의해 규정되는 벽 부분의 전체 면적의 비율은 1: 3이다. 제4채널 단면(32)에서 이러한 비율은 1:4이다.
도 6은 도 3의 세퍼레이터의 A-A 선에 따른 단면도이다. 도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 채널(24)의 제4채널 단면(32)은 기계 부재(12)의 뒷 쪽에 매립된 밸브(30)에 연결된다. 따라서 밸브(30)의 배출구(22)에서 횡단면적은 채널(24)의 단부를 나타내고 약 0.5 mm2(도면은 개략적으로 나타낸 것이고 크기가 정확하지 않음)이다.
도 7 및 8은 본 발명에 따른 직접 메탄올 연료 전지의 세퍼레이터의 채널에 관하여 두 개의 다른 설계를 나타낸다. 도 7에 나타난 채널(24)은 직선의 기하학적 형태를 갖고 연속적으로 테이퍼져 있다. 도 8에 나타난 채널(24)은 나선형 형태를 갖고 연속적으로 테이퍼져 있다.
도 9는 본 발명에 따른 직접 메탄올 연료 전지의 세퍼레이터의 채널의 또 다른 설계를 나타내는 개략적인 단면도이다. 도 9에 나타나 있는 채널(24)에서는, 채널 단면들(26,28,30,32,34,36,38)의 높이가 유입구(20)에서 배출구(22)쪽으로 갈수록 단면마다 감소한다. 이러한 실시예에 있어서는, 동압(dynamic pressure) 조건들을 최적화하기 위하여 필요할 경우 채널 단면의 감소를 더욱 크게 할 수 있다.
본 발명에 따른 세퍼레이터에 있어서 채널의 횡단면적을 연속적으로 또는 단계적으로 감소시킴으로써, 세퍼레이터의 작동 동안에 주변의 통상적인 대기에 비하여 과도한 압력이 채널의 내부에서 증가하게 된다. 그러한 압력 증가는 막을 통한 기체 성분의 확산을 뒷받침한다. 나아가, 액체/기체 혼합물은 채널의 유입구에서 배출구까지 연속적으로 전달되고, 이러한 과정이 진행되는 동안 더욱 냉각된다. 결과적으로 기상으로부터 물이 응축된다. 동시에, 기체 성분이 막을 통해 확산됨으로써 액상의 비율이 경로 길이가 증가함에 따라 증가하게 되고, 결과적으로 대체로 순수한 또는 순수한 액체 성분이 배출구에서 발생한다. 채널의 설계 및 크기에 따라, 채널 내부에서 기체들은 방울들의 형태로 이동하게 되고, 이에 의해 기체 방울들은 세퍼레이터의 어떠한 기하학적 위치에서도 막과 끊임없이 접촉하게 되며, 세퍼레이터의 작동 동안에 세퍼레이터의 방향에 대하여 모든 자유도가 이용될 수 있다. 그러므로 액체/기체 혼합물의 분리는 세퍼레이터의 공간적 위치에 의존하지 않 게 된다.
본 발명은 액체/기체 혼합물의 분리를 세퍼레이터를 갖는 직접 메탄올 연료 전지에 이용할 수 있다.
도 1은 직접 메탄올 연료 전지의 개략도이다.
도 2는 종래의 직접 메탄올 연료 전지의 세퍼레이터에 관한 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 직접 메탄올 연료 전지의 세퍼레이터에 관한 평면도이다.
도 4는 도 3의 세퍼레이터에 관련된 기계 부재의 평면도이다.
도 5는 도 3의 세퍼레이터의 B-B선에 따른 단면도이다.
도 6은 도 3의 세퍼레이터의 A-A에 따른 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 직접 메탄올 연료 전지의 세퍼레이터의 채널의 다른 설계를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 직접 메탄올 연료 전지의 세퍼레이터의 채널의 또 다른 설계를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 직접 메탄올 연료 전지의 세퍼레이터의 채널의 또 다른 설계를 나타내는 개략적인 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 *
100: 연료 전지 스택 110: 공기 유입구
120: 공기 펌프 130: 공기 배출구
150: 혼합물 유입구 160: 혼합물 배출구
200: CO2 세퍼레이터 220: 혼합기
230: 혼합 펌프 300: 연료 탱크
310: 연료 밸브 500: 열 교환기
550: 팬 600: 공기 세퍼레이터
610: 배출 밸브 700: 펌프
10: 세퍼레이터 12: 기계 부재
14: 장착 부재 16: 갭
18: 막 20: 유입구
22: 배출구 24: 채널
28: 실링부 30: 밸브
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Claims (19)

  1. 액체/기체 혼합물 분리를 위한 직접 메탄올 연료 전지용 세퍼레이터로서,
    상기 세퍼레이터는 폐쇄된 채널을 갖고, 상기 채널의 단면의 벽은 일부 또는 전부가 소수성이고 기체 투과 가능한 막으로 이루어지며, 상기 채널의 횡단면적은 상기 채널의 유입구에서 상기 채널의 배출구까지 연속적으로 또는 단계적으로 감소하고, 상기 막으로 구성되지 않은 상기 채널의 벽의 단면은 원피스(one-piece)의 기계 부재이고,
    상기 기계 부재의 표면에는 직사각형 그루브가 형성되며,
    상기 막은 평평한 장착 부재에 의해 상기 기계 부재의 그루브가 형성된 표면에 고정되고,
    상기 장착 부재에는 상기 기계 부재에 형성된 그루브에 대응되는 위치와 형상을 가지며 상기 장착 부재를 관통하는 복수 개의 갭들이 형성된 직접 메탄올 연료 전지용 세퍼레이터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 막은 상기 채널을 형성하기 위하여 상기 그루브를 가로질러 연장되어 있는 직접 메탄올 연료 전지용 세퍼레이터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 그루브는 서펜타인형(serpentine-like) 윤곽을 갖는 직접 메탄올 연료 전지용 세퍼레이터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 그루브는 브리지(bridge)에 의해 서로 분리된 평행한 채널 단면을 갖는 서펜타인형 윤곽을 갖고,
    상기 막은 상기 그루브와 상기 브리지를 가로질러 연장되어 있고, 상기 그루브 위에 안착하는 상기 막의 제1 부분의 면적은 상기 브리지 위에 안착하는 상기 막의 제2 부분의 면적보다 더 큰 직접 메탄올 연료 전지용 세퍼레이터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기계 부재는 열 전도성 물질로 이루어져 있는 직접 메탄올 연료 전지용 세퍼레이터.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 장착 부재는 0.1mm 내지 0.3mm의 범위에 있는 두께를 갖는 직접 메탄올 연료 전지용 세퍼레이터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 채널의 횡단면적은 유입구에서 배출구까지 2 내지 40의 범위에 있는 배율로 감소하는 직접 메탄올 연료 전지용 세퍼레이터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 채널의 유입구에서의 횡단면적은 적어도 1mm2인 직접 메탄올 연료 전지용 세퍼레이터.
  11. 제1항 내지 제5항 및 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 채널의 유입구에서의 횡단면적은 상기 채널의 최대 높이 10mm에서 최대 100mm2인 직접 메탄올 연료 전지용 세퍼레이터.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 막은 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene)인 직접 메탄올 연료 전지용 세퍼레이터.
  13. 제1항 내지 제5항 및 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 휴대용 컴퓨터를 위한 직접 메탄올 연료 전지의 공기 세퍼레이터로 설계되어 있는 직접 메탄올 연료 전지용 세퍼레이터.
  14. 제13항에 있어서,
    투과에 이용되는 상기 막의 총 단면적은 8cm2 내지 60cm2의 범위에 있는 직접 메탄올 연료 전지용 세퍼레이터.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 채널의 유입구 영역에서의 깊이는 2mm 내지 6mm인 직접 메탄올 연료 전지용 세퍼레이터.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 채널의 유입구에서의 횡단면적은 4mm2 내지 40mm2인 직접 메탄올 연료 전지용 세퍼레이터.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 채널의 배출구에서의 횡단면적은 0.01mm2 내지 10mm2인 직접 메탄올 연료 전지용 세퍼레이터.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 채널의 배출구에서의 횡단면적은 0.05mm2 내지 1mm2인 직접 메탄올 연료 전지용 세퍼레이터.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 채널의 유입구에서의 횡단면적과 배출구에서의 횡단면적의 비율은 2:1 내지 20:1인 직접 메탄올 연료 전지용 세퍼레이터.
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