KR101200144B1 - Pem fuel cell power plant with venting system - Google Patents

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Abstract

PEM 연료 셀(4) 동력 장치는 비활성 공기 배기부(4)를 포함하여, 캐소드 유출물 흐름으로부터 분리된 공기가 비활성 공기 배기부를 통해 동력 장치로부터 배출될 수 있다. 공기 배기부는 주변 동결 조건 동안 만족스럽게 작동하여서 PEM 연료 셀 동력 자동차, 버스 등과 같은 자동차 응용에 사용하기에 현저하게 적합하다. 배기부는 주변 환경과 연통하는 살포 탱크(36) 내에 배치되는 액체 부동액 층(40)으로부터 형성된다. 흐름 내의 임의의 수증기는 부동액 내의 가스 흐름으로부터 응축될 수 있다. 이러한 결과를 촉진하기 위해서, 부동액은 응축된 물이 살포 탱크(1) 내에 분리 층(38)을 형성할 수 있도록 물과 혼합될 수 없는 액체일 수 있다.The PEM fuel cell 4 power unit includes an inert air exhaust 4 so that air separated from the cathode effluent stream can be exhausted from the power unit through the inert air exhaust. The air exhaust operates satisfactorily during ambient freezing conditions, making it remarkably suitable for use in automotive applications such as PEM fuel cell powered cars, buses and the like. The exhaust is formed from the liquid antifreeze layer 40 disposed in the sparging tank 36 in communication with the surrounding environment. Any water vapor in the stream may condense from the gas stream in the antifreeze. To facilitate this result, the antifreeze may be a liquid that cannot be mixed with water such that condensed water may form a separation layer 38 in the sparging tank 1.

연료 셀, 배기부, 부동액 층, 살포 탱크, 분리 층 Fuel cell, exhaust, antifreeze layer, spray tank, separation layer

Description

배기 시스템을 갖는 ＰＥＭ 연료 셀 동력 장치{PEM FUEL CELL POWER PLANT WITH VENTING SYSTEM}PEM FUEL CELL POWER PLANT WITH VENTING SYSTEM

본 발명은 비순환식 물(NWM) 냉각제에 의해 증발식으로 냉각되는 폴리머 전해질 멤브레인(PEM) 연료 셀 동력 장치, 즉 NWM PEM 연료 셀 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 동결 온도에서 작동할 수 있는 PEM 연료 셀 동력 장치에 관한 것이다. 시스템은 캐소드 유출물 가스 흐름 내에 함유되는 물로부터 공기를 분리하기 위한 공기-물 분리기를 구비한다. 이어서, 분리기로부터의 공기는 부동액 기둥을 통해 시스템으로부터 배기되고, 물은 시스템의 냉각 섹션으로 복귀된다.The present invention relates to a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell power plant, ie, an NWM PEM fuel cell system, which is evaporatively cooled by an acyclic water (NWM) coolant. In particular, the present invention relates to a PEM fuel cell power plant capable of operating at freezing temperatures. The system includes an air-water separator for separating air from water contained in the cathode effluent gas stream. Air from the separator is then exhausted from the system through the antifreeze column and water is returned to the cooling section of the system.

폴리머 전해질 멤브레인 연료 셀 조립체는 전기 및 물을 생산하기 위해서 공기 및 수소가 많은 연료를 처리하도록 촉매 폴리머 멤브레인 전해질을 이용하는 비교적 낮은 온도 낮은 작동 압력 연료 셀 조립체이다. PEM 연료 셀은 비교적 치밀하고 무게가 가볍고 필수적으로 대기 압력에서 작동하기 때문에, PEM 연료 셀은 자동차, 버스 등과 같은 자동차 응용들에 사용하기에 매우 적합하다. 이러한 형태의 연료 셀 시스템은 비순환 물 냉각제에 의해 증발식으로 냉각될 수 있다. 또한, 냉각기는 물 냉각제를 포함하는 채널로 형성된 외부 플레이트를 구비한다. 냉각기는 공기 반응체 흐름이 관통 유동하는 연료 셀의 캐소드 측을 대면하는 내부 다공성 플레이트를 또한 구비한다. 셀은 다공성 플레이트를 통해 공기 흐름으로 유동하고 셀을 냉각시키기 위해서 내부에서 증발하는 물에 의해 냉각된다. 작동 동안, 소량의 공기는 다공성 플레이트를 통해 물 냉각제 내로 또한 확산한다. 캐소드 반응체 흐름 유출물은 수증기 및 공기 혼합물을 포함할 것이다. 캐소드 유출물 혼합물의 수증기 및 공기 성분은 물이 혼합물로부터 응축되는 응축기를 통과한다. 그리고 나서, 결과로서 생성된 물/공기 혼합물은 분리기 스테이션을 관통해 지나가며, 분리기 스테이션에서 응축된 물이 혼합물로부터 제거되고 공기는 연료 셀 조립체로부터 배기된다. 이어서, 물은 연료 셀 조립체 내의 냉각제 유동장으로 복귀된다.Polymer electrolyte membrane fuel cell assemblies are relatively low temperature low operating pressure fuel cell assemblies that utilize a catalytic polymer membrane electrolyte to process air and hydrogen rich fuels to produce electricity and water. PEM fuel cells are well suited for use in automotive applications such as automobiles, buses, etc. because PEM fuel cells are relatively compact, light in weight and essentially operate at atmospheric pressure. This type of fuel cell system can be evaporatively cooled by acyclic water coolant. The cooler also has an outer plate formed of a channel containing a water coolant. The cooler also has an internal porous plate facing the cathode side of the fuel cell through which the air reactant flow flows. The cell flows through the porous plate into the air stream and is cooled by water evaporating therein to cool the cell. During operation, a small amount of air also diffuses through the porous plate into the water coolant. The cathode reactant stream effluent will comprise a water vapor and air mixture. The water vapor and air components of the cathode effluent mixture pass through a condenser where water condenses from the mixture. The resulting water / air mixture then passes through the separator station where water condensed at the separator station is removed from the mixture and air is exhausted from the fuel cell assembly. The water is then returned to the coolant flow field in the fuel cell assembly.

시스템의 분리기 공기 배기부는 주변 환경에 대한 통로를 전형적으로 포함하고, 그 통로는 기계식 밸브 및/또는 고정식 노즐에 의해 분리기로부터의 제어된 공기 유동을 허용한다. 공기 추출 통로 내의 이들 밸브 및/또는 고정식 노즐은 정상 작동 동안 액체/공기 분리기 내의 역압을 제어하도록 돕는다. 분리기로부터 배기되는 공기 흐름은 응축기를 떠난 후에 습윤 상태이다. 이러한 사실은 공기 유동이 시스템으로부터 더이상 적절히 제어될 수 없도록 공기 추출 라인 내의 밸브 및/또는 노즐이 동결될 수 있기 때문에 동결 조건 동안 작동 문제를 일으켜서, 시스템 및 동력 장치의 중단을 강제한다. 이러한 문제는 공기 추출 라인을 가열함으로써 조정될 수 있지만 이러한 해결방안은 시스템의 복잡성 및 비용을 증가시키는 시스템 내의 추가적인 가열 장비를 요구한다.The separator air exhaust of the system typically includes a passage to the surrounding environment, the passage allowing controlled air flow from the separator by mechanical valves and / or stationary nozzles. These valves and / or stationary nozzles in the air extraction passage help to control the back pressure in the liquid / air separator during normal operation. The air stream exhausted from the separator is wet after leaving the condenser. This fact causes operational problems during freezing conditions because the valves and / or nozzles in the air extraction line can be frozen such that the air flow can no longer be properly controlled from the system, forcing shutdown of the system and power unit. This problem can be adjusted by heating the air extraction line but this solution requires additional heating equipment in the system which increases the complexity and cost of the system.

동결 조건에서 사용될 수 있고 연료 셀 동력 장치의 작동 동안 임의의 복잡한 기계식 장치의 사용을 요구하지 않는, 분리기로부터 공기를 배기하기 위한 역압 및 유동 제어 시스템을 구비하는 것이 가장 바람직하다.It is most desirable to have a back pressure and flow control system for evacuating air from the separator, which can be used in freezing conditions and does not require the use of any complicated mechanical devices during operation of the fuel cell power unit.

본 발명은 NWM PEM 연료 셀 동력 장치 내의 공기/물 분리기 구성요소로부터의 공기를 배기하기 위한 개선된 시스템과, 상기 시스템을 이용하는 방법에 관한 것이며, 동력 장치는 동력 자동차, 버스 등과 같은 자동차 응용들에 주로 사용하기 위하여 설계된다. 본 발명의 개선된 공기 배기 시스템은 동결 조건에 사용될 수 있고, 적당한 작동을 위해 기계식 밸브 및/또는 기계식 노즐의 사용을 포함하지 않는다. 연료 셀 동력 장치는 비교적 낮은 온도에서 그리고 대기 압력 이상인 압력에서 일반적으로 작동하는 PEM 셀 동력 장치이다.The present invention relates to an improved system for evacuating air from air / water separator components in an NWM PEM fuel cell power unit, and to a method of using the system, wherein the power unit is suitable for automotive applications such as power vehicles, buses, and the like. It is mainly designed for use. The improved air exhaust system of the present invention can be used for freezing conditions and does not include the use of mechanical valves and / or mechanical nozzles for proper operation. Fuel cell power units are PEM cell power units that generally operate at relatively low temperatures and at pressures above atmospheric pressure.

연료 셀 동력 장치는 수소가 많은 연료 흐름을 수용하는 아노드 측과 공기 반응체 흐름을 수용하는 캐소드 측을 구비하는 종래의 촉매 폴리머 멤브레인 전극을 포함한다. 냉각 유동장은 그의 작동 동안 연료 셀을 냉각시키기 위해서 연료 셀의 작용부와 열교환 관계로 배치된다. 시스템 내에 사용된 냉각제는 일반적으로 물이다. 냉각 유동장 내의 냉각제는 연료 셀 조립체를 통해 액체로 순환하지 않는다. 냉각은 반응체 유동장 내로 냉각제의 증발에 의해 달성된다. 본 발명의 연료 셀 시스템에서, 공기 및 수소 반응체 흐름은 냉각제 물보다 높은 압력에 있고 이에 의해 이들 가스는 셀 내의 다공성 냉각제 플레이트를 통해 냉각제 물 내로 수집될 수 있다. 이것이 일어날 때, 이들 가스는 냉각제 물 내로 용해될 것이다. 냉각제 물 내에서 발견될 수 있는 임의의 공기 및 수소는, 가스를 통과시키지만 액체를 통과시키지 않는 다공성 플러그를 통해 냉각제 유동장으로부터 추출된다. 다공성 플러그의 하류 측은 플러그를 통해 냉각제 유동장으로부터 가스를 견인하기 위해서 냉각제 유동장보다 낮은 압력에 있을 것이고, 그 결과 가스가 대기로 배기될 수 있다. 시스템이 낮은 역압으로 작동될 때 진공이 필요하다.The fuel cell power unit includes a conventional catalytic polymer membrane electrode having an anode side for receiving a hydrogen-rich fuel flow and a cathode side for receiving an air reactant flow. The cooling flow field is arranged in heat exchange relationship with the acting portion of the fuel cell to cool the fuel cell during its operation. The coolant used in the system is generally water. The coolant in the cooling flow field does not circulate into the liquid through the fuel cell assembly. Cooling is achieved by evaporation of the coolant into the reactant flow field. In the fuel cell system of the present invention, the air and hydrogen reactant streams are at a higher pressure than the coolant water so that these gases can be collected into the coolant water through the porous coolant plate in the cell. When this happens, these gases will dissolve into the coolant water. Any air and hydrogen that can be found in the coolant water is extracted from the coolant flow field through a porous plug that passes gas but not liquid. The downstream side of the porous plug will be at a lower pressure than the coolant flow field to withdraw gas from the coolant flow field through the plug, so that the gas can be exhausted to the atmosphere. Vacuum is required when the system is operated at low back pressure.

동력 장치의 작동 동안, 수증기는 냉각 작동에서 증발된 물로부터 그리고 반응으로부터 공기 흐름 내로 증발할 것이고, 동력 장치 셀 적층물 내의 셀의 캐소드 측으로부터 배출되는 캐소트 측 유출물 흐름 내에 함유될 것이다. 공기-수증기는 응축기를 통해 순환되고, 이어서 결과로서 생성된 공기/물 혼합물은 공기 요소가 물 요소로부터 분리되는 분리기를 통해 순환되며, 가습 공기 요소는 시스템으로부터 주변 환경 내로 배기된다. 물은 분리기로부터 냉각제 유동장으로 복귀된다.During operation of the power unit, water vapor will evaporate from the evaporated water and from the reaction into the air stream, and will be contained in the cathode side effluent stream exiting from the cathode side of the cell in the power unit cell stack. Air-water vapor is circulated through the condenser, and the resulting air / water mixture is then circulated through a separator in which the air element is separated from the water element, and the humidified air element is exhausted from the system into the surrounding environment. Water is returned from the separator to the coolant flow field.

가습 공기 흐름은 소수성인 다공성 본체를 통해 그리고 분리기와 근접하여 배치되는 비활성(passive) 부동액 기둥 내로 및 비활성 부동액 기둥을 통해 연료 셀 시스템으로부터 주변 환경으로 배기된다. 또한, 배기된 흐름 내의 공기는 부동액을 통해 주변 환경 내로 기포를 발생시킨다. 배기된 흐름 내의 임의의 물도 또한 부동액을 관통해 지나간다. 바람직하다면, 부동액은 물과 혼합될 수 없는 것일 수 있고, 이에 의해 물 성분은 부동액을 통해 상승하여 부동액으로부터 분리될 것이고, 부동액을 희석시키지 않을 것이다. 이어서, 물 층은 미세 다공성 멤브레인에 의해 부동액 층으로부터 제거될 수 있다. 부동액 층은 연료 셀 시스템 내의 양호한 역압을 유지할 것이다.The humidified air stream is evacuated from the fuel cell system to the environment through a hydrophobic porous body and into a passive antifreeze column disposed in proximity to the separator and through an inert antifreeze column. In addition, the air in the evacuated stream creates bubbles through the antifreeze into the surrounding environment. Any water in the evacuated stream also passes through the antifreeze. If desired, the antifreeze may be incompatible with water, whereby the water component will rise through the antifreeze to separate from the antifreeze and will not dilute the antifreeze. The water layer can then be removed from the antifreeze layer by a microporous membrane. The antifreeze layer will maintain a good back pressure in the fuel cell system.

시스템 내의 공기 흐름은 여러 가지 이유로 가압된다. 첫째로, 고압에서의 작동은 적층물을 떠나는 공기/증기 혼합물의 온도를 상승시킴으로써 부분적으로 시스템으로부터의 열 방출을 개선시키는 것이 예측된다. 두 번째로, 연료 및 공기 압력은 동력 장치 내의 결합된 전극 조립체들 내의 다공성 본체로 물이 몰려드는 것을 방지하기 위해서 냉각제 물 압력보다 더 높아야만 한다.  The air flow in the system is pressurized for various reasons. First, operation at high pressure is expected to partially improve heat dissipation from the system by raising the temperature of the air / vapor mixture leaving the stack. Second, the fuel and air pressure must be higher than the coolant water pressure to prevent water from entering the porous body in the coupled electrode assemblies in the power unit.

시스템의 부동액 공기 배기 구성요소는 동결 온도 및 동결 온도 아래에서 적절히 기능할 것임을 알 수 있을 것이고, 적절한 작동을 위해 동결하는 물과 접촉하는 임의의 이동하는 부품들을 요구하지 않는다는 점에서 비활성이다.It will be appreciated that the antifreeze air exhaust component of the system will function properly below freezing temperature and freezing temperature, and is inactive in that it does not require any moving parts to contact freezing water for proper operation.

본 발명의 여러 가지 목적 및 장점들은 첨부 도면과 연관하여 살펴볼 때 본 발명의 양호한 실시예의 다음의 상세한 설명으로부터 당업자에게 더욱 명백해질 것이다.Various objects and advantages of the invention will become more apparent to those skilled in the art from the following detailed description of the preferred embodiment of the invention when considered in conjunction with the accompanying drawings.

도1은 본 발명의 동력 장치에 사용되는 PEM 연료 셀 조립체의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a PEM fuel cell assembly used in the power unit of the present invention.

도2는 도1의 조립체의 비활성 공기 배기부의 개략도이다.2 is a schematic representation of an inert air exhaust of the assembly of FIG.

이제 도면을 참조하면, 도1은 본 발명에 따라 형성된 연료 셀 동력 장치의 통상 도면부호 2로 지칭된 PEM 연료 셀 부조립체 부품의 개략도이다. 연료 셀(4)은 연료 반응체 유동장(8)(아노드 측)과 산화 반응체 유동장(10)(캐소드 측) 사이에 개재된 촉매 폴리머 전해질 멤브레인(catalyzed polymer electrolyte membrane, 6)을 포함한다. 냉각제 유동장(12)은 연료 셀(4)의 캐소드 측(10)에 인접하여 배치되지만, 냉각제 유동장(12)은 연료 셀(4)의 아노드 측(8)에 더 가깝게 위치될 수 있다. 냉각제 유동장(12)은 연료 셀(4)의 적절한 작동 온도를 유지하기 위해서 PEM 셀 부조립체(2)를 냉각시키는 역할을 하는 비순환 수성 냉각제를 함유한다. 반응 동안, 연료 내의 수소와 공기 내의 산소는 전자 및 생성물질 물로 변환된다. 이러한 생성물질 물의 일부는 냉각제 유동장으로부터 연료 셀(4)의 산화제 유동장 내로 수증기의 형태로 증발되고, 응축기(16)로 이어지는 라인(14)을 통해 캐소드 유출물로서 잔류 공기를 따라 제거된다. 응축기(16)는 공기/수증기 흐름으로부터 물을 응축시키고, 이어서 결과로서 생성된 물-공기 혼합물은 라인(18)을 통해, 혼합물의 물 부분이 혼합물의 공기 부분으로부터 분리되는, 물-공기 분리기(20)로 이동된다. 공기 부분은 배기 라인(22)을 통해 분리기(20)로부터 제거되고, 통상 도면부호 24로 지칭된 비활성 배기 구조물을 통해 배기 라인(22)으로부터 그리고 조립체(2)로부터 주변 환경으로 배기된다. 배기 구조물(24)의 특징은 이하의 본 명세서에 명백해질 것이다. 냉각제 유동장(12)은, 하나의 라인(30) 및 소수성인 다공성 플러그(28)를 통해 유동장(12)에 연결된 선택적인 진공 펌프(32)에 의해 또는 연료 및 공기를 가압시킴으로써, 공기 및 연료 압력보다 대략 7kPa 낮은 약간의 부압 하에 유지될 수 있다. 진공 펌프(32)는 다공성 플러그(28)를 통해 냉각제 유동장(12)으로부터 냉각제 유동장(12) 내에 존재할 수 있는 공기 및/또는 수소와 같은 임의의 가스를 견인할 것이다. 플러그(28)의 기공 및 높이는, 플러그(28)를 통한 가스의 통과를 허용하지만 플러그를 통한 냉각제 액체의 통과를 방지하는 크기로 설정된다. 냉각제 유동장(12)으로부터 흡수된 가스는 펌프(32)로부터 주변 환경으로 배기된다.Referring now to the drawings, FIG. 1 is a schematic view of a PEM fuel cell subassembly component, generally referred to as 2, of a fuel cell power plant formed in accordance with the present invention. The fuel cell 4 comprises a catalytic polymer electrolyte membrane 6 interposed between the fuel reactant flow field 8 (anode side) and the oxidant reactant flow field 10 (cathode side). The coolant flow field 12 is arranged adjacent to the cathode side 10 of the fuel cell 4, but the coolant flow field 12 may be located closer to the anode side 8 of the fuel cell 4. The coolant flow field 12 contains an acyclic aqueous coolant that serves to cool the PEM cell subassembly 2 to maintain the proper operating temperature of the fuel cell 4. During the reaction, hydrogen in the fuel and oxygen in the air are converted into electrons and product water. Some of this product water is evaporated in the form of water vapor from the coolant flow field into the oxidant flow field of the fuel cell 4 and is removed along with residual air as a cathode effluent via line 14 leading to condenser 16. Condenser 16 condenses water from the air / steam stream, and the resulting water-air mixture is then passed through line 18, where the water portion of the mixture is separated from the air portion of the mixture. 20). The air portion is removed from separator 20 via exhaust line 22 and is exhausted from exhaust line 22 and from assembly 2 to the surrounding environment through an inert exhaust structure, commonly referred to 24. Features of the exhaust structure 24 will be apparent hereafter. The coolant flow field 12 is provided with an air and fuel pressure by an optional vacuum pump 32 connected to the flow field 12 via one line 30 and hydrophobic porous plug 28 or by pressurizing the fuel and air. It can be maintained under some negative pressure, which is approximately 7 kPa lower. The vacuum pump 32 will draw any gas, such as air and / or hydrogen, that may be present in the coolant flow field 12 from the coolant flow field 12 through the porous plug 28. The pore and height of the plug 28 is set to a size that allows the passage of gas through the plug 28 but prevents the passage of coolant liquid through the plug. Gas absorbed from the coolant flow field 12 is exhausted from the pump 32 to the surrounding environment.

이제 도2를 살펴보면, 공기 배기 구조물(24)의 상세한 기술을 도시한다. 구 조물(24)은 부동액 기둥(40)을 구비하는 살포 용기(sparging vessel, 36)를 포함한다. 살포 용기(36)는 소수성인 다공성 재료로 형성된 다공성 바닥 벽(37)을 구비하여 공기의 통과를 허용하지만 액체의 통과를 방지한다. 따라서, 시스템으로부터 배기될 내부의 공기 및 임의의 수증기는 벽(37)을 통해 부동액 층(40) 내로 확산된다. 부동액 층(40)은 물과 혼합될 수 없는 재료일 수 있거나 또는 물과 혼합될 수 있다. 전자는 동결 주변 조건 하에서 액체를 유지하도록 부동액의 능력을 보전하기 위해서 바람직하다. 후자가 사용될 때, 부동액 층은 새로운 부동액으로 주기적으로 교체되어야만 한다. 혼합될 수 없는 부동액은 쓰리엠 히드로플루오로에테르(3M hydrofluoroether) 7400, 폴리디메틸실로산(polydimethylsiloxane), 폴리페닐메스실로산(polyphenylmethsiloxane) 등을 포함할 수 있다. 혼합될 수 있는 부동액은 에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜 등을 포함할 수 있다. 개시한 바와 같이, 탱크(36)로 진입하는 공기 흐름은 물이 부동액(40) 내의 공기 흐름으로부터 응축할 수 있도록 가습될 것이다. 흐름 내의 공기는 부동액 층(40)을 통해 상방으로 기포를 발생시키고 화살표(34)에 의해 지시된 바와 같이 시스템을 빠져나간다. 부동액 층(40)이 물과 혼합될 수 없을 때, 부동액 내에서 응축되는 임의의 물은 용기(36)의 한 영역(38) 내에 층(layer)을 이룰 것이고, 이것은 용기(36)의 상단에서 그리고 부동액 층(40)의 상단 상에서 바람직하다. 또한, 시스템은 추가적인 부동액을 함유하는 보조 탱크(44)도 포함한다. 영역(40) 내에 위치된 부동액은 드레인 밸브(43)에 의해 제어되는 라인(42)을 통해 주기적으로 그로부터 제거될 수 있다. 시스템 내의 역압은 공기가 기포를 발생시키는 부동액 기 둥(40)의 높이에서의 변화, 전류 밀도의 변화 및 유동율에 따라 변경될 것이다. 따라서, 부동액 층 레벨(40)은 역압을 제어하도록 상승될 필요가 있고, 부동액 층(40)의 높이는 탱크(44)로부터의 부동액을 라인(46) 및 펌프(48)를 통해 그리고 탱크(36) 내로 다시 펌핑함으로써 증가될 수 있다. 따라서, 부동액 층(40)의 높이는 시스템 작동 조건에 응답하여 선택적으로 변경될 수 있다.2, a detailed description of the air exhaust structure 24 is shown. Structure 24 includes a sparging vessel 36 with an antifreeze column 40. The sparging vessel 36 has a porous bottom wall 37 formed of hydrophobic porous material to allow the passage of air but to prevent the passage of liquid. Thus, the internal air and any water vapor to be exhausted from the system diffuses through the wall 37 into the antifreeze layer 40. Antifreeze layer 40 may be a material that may not be mixed with water or may be mixed with water. The former is desirable to preserve the ability of the antifreeze to keep the liquid under frozen ambient conditions. When the latter is used, the antifreeze layer must be replaced periodically with fresh antifreeze. Antifreezes that cannot be mixed may include 3M hydrofluoroether 7400, polydimethylsiloxane, polyphenylmethsiloxane, and the like. Antifreezes that may be mixed may include ethylene glycol, polyethylene glycol, propylene glycol, and the like. As disclosed, the air stream entering tank 36 will be humidified to allow water to condense from the air stream in antifreeze 40. Air in the flow creates bubbles upwards through the antifreeze layer 40 and exits the system as indicated by arrow 34. When the antifreeze layer 40 cannot be mixed with water, any water that condenses in the antifreeze will form a layer in one region 38 of the vessel 36, which is at the top of the vessel 36. And on top of antifreeze layer 40. The system also includes an auxiliary tank 44 containing additional antifreeze. Antifreeze located in region 40 may be removed therefrom periodically via line 42 controlled by drain valve 43. The back pressure in the system will change with the change in height of the antifreeze column 40 where air creates bubbles, the change in current density and the flow rate. Thus, the antifreeze bed level 40 needs to be raised to control the back pressure, and the height of the antifreeze bed 40 allows the antifreeze from tank 44 to flow through the line 46 and pump 48 and to the tank 36. Can be increased by pumping back into. Thus, the height of the antifreeze layer 40 can be selectively changed in response to system operating conditions.

본 발명의 공기 배기 조립체가 주변 동결 조건 동안 작동할 것이고, 동력 장치의 작동 동안 동결되지 않을 것이라는 것을 쉽게 알 수 있을 것이다. 이러한 사실은 동결 조건에서 흔히 작동되어야만 하는 카 등과 같은 자동차 장치에 사용하기 위해 설계되는 PEM 연료 셀 동력 장치에서 배기 조립체를 특히 유용하게 한다. 또한, 본 발명의 배기 조립체는 동력 장치로부터 배기된 공기 흐름에 노출되는 밸브 또는 노즐과 같은 임의의 이동 기계식 장치들을 요구하지 않는다는 점에서 매우 간단한 조립체이다. 공기 배기 조립체는 공기 반응체 유출물 순환 루프 내에 생성된 가습 공기 흐름으로부터 주변 환경으로 공기를 배기할 것이다. 습윤 상태의 공기 흐름은 부동액 기둥을 포함하면서 동결하기 쉬운 기계식 밸브 또는 노즐을 포함하지 않는 비활성 배기 구조물을 통해 배기된다. 또한, 본 발명의 시스템은 시스템 작동 조건에서의 변화에 응답하여 부동액 기둥의 높이를 변경할 것이다.It will be readily appreciated that the air exhaust assembly of the present invention will operate during ambient freezing conditions and will not freeze during operation of the power unit. This makes the exhaust assembly particularly useful in PEM fuel cell power units that are designed for use in automotive devices, such as cars, which must often be operated in freezing conditions. Furthermore, the exhaust assembly of the present invention is a very simple assembly in that it does not require any moving mechanical devices such as valves or nozzles that are exposed to the air flow exhausted from the power unit. The air exhaust assembly will exhaust air from the humidified air stream created in the air reactant effluent circulation loop to the surrounding environment. The wet air stream is exhausted through an inert exhaust structure that includes an antifreeze column but does not include a mechanical valve or nozzle that is prone to freezing. The system of the present invention will also change the height of the antifreeze column in response to changes in system operating conditions.

본 발명의 개시된 실시예의 많은 변화들 및 변경들이 발명의 태양으로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있기 때문에, 첨부된 청구범위에 의해 요구되는 바와 달리 본 발명을 제한하려는 의도는 아니다. Since many changes and modifications of the disclosed embodiments of the invention can be made without departing from the aspects of the invention, they are not intended to limit the invention, as required by the appended claims.

Claims (14)

동력 장치 작동 동안 가습 가스 반응체 유출물 흐름을 생성하는 연료 셀(4)을 구비한 PEM 연료 셀 동력 장치에서의 반응체 유출물 흐름 처리 시스템이며, A reactant effluent flow treatment system in a PEM fuel cell power unit with a fuel cell 4 that produces a humidified gas reactant effluent stream during power plant operation, a) 가습 가스 반응체 유출물 흐름을 상기 연료 셀로부터 멀리 유동하도록 구성된 덕트(14)와,a) a duct 14 configured to flow a humidified gas reactant effluent stream away from the fuel cell, b) 가스 및 응축된 물을 함유하는 응축기 유출물 흐름을 생성하기 위해서 가습 가스 반응체 유출물 흐름으로부터 물을 응축시키기 위한 응축기(16)와,b) a condenser 16 for condensing water from the humidified gas reactant effluent stream to produce a condenser effluent stream containing gas and condensed water; c) 응축기 유출물 흐름 내의 가스로부터 물을 분리시키기 위해 구성된 분리기(20)와,c) a separator 20 configured to separate water from the gas in the condenser effluent stream, d) 상기 분리기 수단으로부터 가스를 배기하기 위해 구성되고, 분리기 내의 가스가 주변 환경으로 관통해 통과할 수 있는 부동액 층(40)을 구비한 배기부(24)를 포함하는 반응체 유출물 흐름 처리 시스템.d) a reactant effluent flow treatment system, configured to exhaust gas from the separator means and including an exhaust portion 24 having an antifreeze layer 40 through which gas in the separator can pass through the environment. . 제1항에 있어서, 상기 부동액 층은 반응체 역압을 가변적으로 제어하도록 작용하는 가변 높이를 구비한 반응체 유출물 흐름 처리 시스템.The system of claim 1, wherein the antifreeze bed has a variable height that serves to variably control reactant back pressure. 제1항에 있어서, 상기 분리기로부터의 물을 상기 연료 셀 내의 물 냉각제 유동장(12)으로 이송하도록 구성된 물 이송 장치(26)를 더 포함하는 반응체 유출물 흐름 처리 시스템.The system of claim 1, further comprising a water transfer device (26) configured to transfer water from the separator to a water coolant flow field (12) in the fuel cell. 제1항에 있어서, 부동액의 예비 공급부(44)와, 상기 부동액의 예비 공급부로부터 상기 배기부 내의 상기 부동액 층으로 부동액을 선택적으로 이송하기 위해 구성된 제1 이송 장치(46, 48)를 더 포함하는 반응체 유출물 흐름 처리 시스템.The apparatus of claim 1, further comprising a preliminary supply of antifreeze 44 and a first transfer device 46, 48 configured to selectively transfer antifreeze from the preliminary supply of antifreeze to the antifreeze layer in the exhaust. Reactant Effluent Flow Treatment System. 제4항에 있어서, 상기 배기부 내의 상기 부동액 층으로부터 상기 부동액의 예비 공급부로 부동액을 선택적으로 이송하기 위해 구성된 제2 이송 장치(42, 43)를 더 포함하는 반응체 유출물 흐름 처리 시스템.5. The reactant effluent flow treatment system of claim 4 further comprising a second transfer device (42, 43) configured to selectively transfer an antifreeze from said antifreeze layer in said exhaust to said preliminary supply of said antifreeze. 제1항에 있어서, 상기 반응체 유출물 흐름 내의 물의 적어도 일부분은 냉각제 유동장으로부터 상기 연료 셀의 캐소드 측 상의 반응체 흐름 내로 증발하는 물을 이용한 연료 셀의 증발 냉각의 결과인 반응체 유출물 흐름 처리 시스템.The reactant effluent stream treatment of claim 1 wherein at least a portion of the water in the reactant effluent stream is the result of evaporative cooling of the fuel cell with water evaporating from a coolant flow field into the reactant stream on the cathode side of the fuel cell. system. 제1항에 있어서, 상기 부동액과 응축된 물은 혼합할 수 없어서 물이 상기 배기부 내의 상기 부동액 층으로부터 분리되는 반응체 유출물 흐름 처리 시스템.2. The reactant effluent flow treatment system of claim 1 wherein the antifreeze and condensed water cannot mix and water is separated from the antifreeze layer in the exhaust. 제1항에 있어서, 상기 배기부는 상기 부동액 층을 지지하는 소수성인 다공성 재료 층을 포함하고, 상기 재료 층은 가스의 통과를 허용하지만 액체의 통과를 방지함으로써, 상기 분리기로부터의 가스는 상기 재료 층을 통하여 상기 부동액 층 내로 지나가는 반응체 유출물 흐름 처리 시스템.The gas of the separator according to claim 1, wherein the exhaust portion comprises a hydrophobic porous material layer supporting the antifreeze layer, the material layer permits the passage of gas but prevents the passage of liquid, thereby allowing the gas from the separator to pass through the material layer. Reactant effluent flow treatment system passing through the antifreeze bed. PEM 연료 셀 동력 장치 셀 적층물에서 생성된 가습 반응체 유출물 흐름으로부터 공기를 제거하는 방법이며, A method of removing air from a humidified reactant effluent stream generated in a PEM fuel cell power unit cell stack, a) 공기-물 혼합물을 생성하기 위해서 상기 가습 반응체 유출물 흐름으로부터 물을 응축시키는 단계와,a) condensing water from the humidifying reactant effluent stream to produce an air-water mixture, b) 상기 공기-물 혼합물 내의 공기 성분으로부터 물 성분을 분리하는 단계와,b) separating the water component from the air component in the air-water mixture, c) 부동액 층을 통해 그리고 주변 환경으로 상기 공기 성분을 배기함으로써 상기 분리된 물 성분으로부터 상기 분리된 공기 성분을 제거하는 단계를 포함하는 공기 제거 방법.c) removing said separated air component from said separated water component by exhausting said air component through an antifreeze layer and into the surrounding environment. 제9항에 있어서, 상기 분리된 물 성분을 연료 셀 적층물 물 냉각제 공급부로 이송하는 단계를 더 포함하는 공기 제거 방법.10. The method of claim 9, further comprising transferring the separated water component to a fuel cell stack water coolant supply. 제9항에 있어서, 동력 장치 작동 조건에 대응하여 상기 부동액 층의 치수를 변화시키기 위해서 상기 부동액 층으로부터 부동액을 제거하거나, 상기 부동액 층으로 부동액을 추가하는 단계를 더 포함하는 공기 제거 방법.10. The method of claim 9, further comprising removing antifreeze from the antifreeze layer or adding antifreeze to the antifreeze layer to change the dimension of the antifreeze layer in response to power unit operating conditions. 제9항에 있어서, 상기 부동액은 물과 혼합될 수 없으며, 상기 부동액 층 내의 상기 분리된 공기 성분 내에 남아 있는 임의의 수증기를 응축시키는 단계를 더 포함하는 공기 제거 방법.10. The method of claim 9, wherein the antifreeze cannot be mixed with water and further comprises condensing any water vapor remaining in the separated air component in the antifreeze layer. 제9항에 있어서, 상기 분리된 공기를 상기 부동액 층을 지지하는 소수성인 다공성 플레이트를 통해 상기 부동액 층 내로 통과시키는 단계를 더 포함하는 공기 제거 방법.10. The method of claim 9, further comprising passing the separated air through the hydrophobic porous plate supporting the antifreeze layer into the antifreeze layer. 제9항에 있어서, 반응체 역압을 선택적으로 변화시키기 위해서 상기 부동액 층의 높이를 변화시키는 단계를 더 포함하는 공기 제거 방법.10. The method of claim 9, further comprising varying the height of the antifreeze bed to selectively change reactant back pressure.
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