KR20010075602A - 연료전지 발전장치를 위한 물질전달용 복합 분리막 - Google Patents

연료전지 발전장치를 위한 물질전달용 복합 분리막 Download PDF

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KR20010075602A
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반다인레슬리엘
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켈리 로버트 에이치
인터내셔널 퓨얼 셀즈, 엘엘씨
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Abstract

연료전지 발전장치(10)에 사용하기 위한 물질전달용 복합 분리막(12)은 대향되는 강성 다공성 지지 시이트(64, 66) 사이에 전달 매질 코어(62)를 포함한다. 유입면(54)은 산화제 공급원(36)과 접해 있으며, 배출면(56)은 연료전지(13)로부터의 배출 통로(40)와 접해 있어서, 물질을 회수하고 이를 연료전지(13)로 유입되는 산화제 유입스트림(38)으로 전달한다. 바람직한 전달 매질 코어(62)는 수 포화된 폴리플루오로설폰산 이오노머 분리막과 같은 이오노머 분리막이다. 물질전달용 복합 분리막(12)은 편평한 층 또는 돌출부와 함몰부를 한정하는 마운딩층일 수 있으며, 상기 층 다수는 프레임(46) 내에 거울상 관계로 배치되고, 상기 인접한 분리막의 마운딩부에 의해 형성된 돌출부와 함몰부는 서로 접하여서 유입스트림(IS) 및 배출스트림(ES)을 위한 S형 통로를 한정한다.

Description

연료전지 발전장치를 위한 물질전달용 복합 분리막{MASS TRANSFER COMPOSITE MEMBRANE FOR A FUEL CELL POWER PLANT}
연료전지 발전장치는 널리 공지되어 있으며, 환원성 및 산화성 유체로부터 전기 에너지를 생성하여서 상기 발전장치를 탑재한 우주선의 전기 장치에 전력을 공급하는데 흔히 사용된다. 상기 발전장치에는 다수의 평면형 연료전지가 통상적으로 스택형으로 배열되어 있으며, 환원성 및 산화성 냉각제 및 생성물 유체의 유동 방향을 지정하기 위한 매니폴드를 한정하는 전기절연 프레임에 의해 둘러싸여 있다. 각각의 단일 전지는 일반적으로 전해질에 의해 분리되어 있는 양극 전극과 음극 전극을 포함한다. 수소와 같은 반응물 또는 환원성 유체가 양극 전극에 공급되며, 산소 또는 공기와 같은 산화제가 음극 전극에 공급된다. 전해질로서 양성자 교환 분리막(PEM: Proton Exchange Membrane)을 이용하는 전지의 경우, 수소는 양극 촉매의 표면에서 전기화학 반응하여 수소 이온과 전자를 생성한다. 전자는 외부 부하 회로까지 전도된 후에 음극 전극으로 복귀되는 반면, 수소 이온은 전해질을 통과해 음극 전극으로 이동되어서 산화제 및 전자와 반응하여 물을 생성하고 열 에너지를 방출한다.
상기 연료전지의 양극 전극과 음극 전극은 연료전지의 조작 조건 및 작동 환경의 제한에 따라 결정되는 상이한 유형의 전해질에 의해 분리된다. 이러한 전해질중 하나는 당업계에서 널리 알려진 고체 중합체로 이루어진 양성자 교환 분리막 전해질이다. 연료전지에서 사용되는 그 밖의 통상적인 전해질은 양극 전극과 음극 전극 사이의 다공성 비전도성 매트릭스 내에 보유된 인산 또는 수산화 칼륨을 포함한다. PEM 분리막은 환원성 유체와 산화제 사이에 다공성 매트릭스내의 모세관력에 의해 보유되는 액체 전해질보다 압력차를 잘 견디는 차단재를 제공하므로, PEM 전지는 특수한 조작 변수를 만족시키는데 있어서 산 또는 알칼리 액체 전해질을 갖는 전지에 비해 큰 이점을 갖는 것으로 밝혀졌다. 또한, PEM 전해질은 고정되어 있으므로 전지로부터 용탈될 수 없으며, PEM 분리막은 비교적 안정된 물 보유능을 갖고 있다. 그러나, PEM 전지는 특히 액상 물의 PEM 유입, 통과 및 배출을 위한 이동, 또한 기상 환원성 및 산화제 유체의 PEM의 대향 표면에 인접한 전극에의 유입 또는 배출을 위한 이동과 관련하여 많은 한계를 갖는다는 것이 널리 알려져 있다. 선행 기술에서는 이러한 한계 효과를 최소화시키려는 많은 시도가 있어 왔다.
PEM을 사용하는 연료전지의 조작에서 분리막은 수 포화 상태로 존재하고 분리막에 인접한 양극 전극은 습윤 상태를 유지하여야 한다. 양극 전극에서 생성된 수소 이온이 전해질을 통해 전달될 때, 수소 이온은 물 분자를 양극에서 음극으로 동반 이동시킨다. 또한, 물은 삼투압에 의해 음극에서 양극으로 다시 전달된다. 음극 전극에서 형성된 물 생성물은 순환되는 산화제의 기상 스트림내로 증발 또는 동반 이동됨으로써 제거되거나 또는 음극에 인접한 다공성 유체 전달층으로 작용하는 모세관 작용에 의해 제거된다. 다공성 물 운반판은 일정량의 냉각수로부터 액상 물을 양극 전극에 공급하며, 음극 전극으로부터 물을 제거하여 냉각수 공급물에 다시 복귀시킴으로써 상기 운반판은 전해질과 전극으로부터 열을 제거하는 작용도 한다.
PEM 연료전지의 조작에서, 음극 전극에서 물이 생성되는 속도와 음극에서 물이 제거되고 액상 물이 양극 전극으로 공급되는 속도 사이에 적절한 물 균형이 유지되는 것이 중요하다. 연료전지의 성능에 대한 조작상의 한계는 전지로부터 외부 부하 회로로 이동되는 전류가 변동할 때와 전지의 조작 분위기가 변동할 때에 전지가 물 균형을 유지할 수 있는 능력에 의해 정의된다. PEM 연료전지의 경우, 양극 전극으로 복귀되는 물이 불충분한 경우, PEM 전해질의 인접부가 완전히 건조되고, 그 결과 수소 이온이 PEM을 통과해 전달될 수 있는 속도가 감속되고, 환원성 유체가 크로스오버(crossover)되어 국소 과가열이 일어난다. 마찬가지로, 음극에서 물이 불충분하게 제거된 경우, 음극 전극에 물이 넘치게 되어 음극으로의 산화제 공급이 실제적으로 제한되고, 그 결과 전류 흐름이 저하될 수 있다. 또한, 산화제기상 스트림에 의해 음극에서 지나치게 많은 물이 제거되는 경우, 음극이 완전히 건조되어서 수소 이온이 PEM을 통과할 수 있는 능력이 제한되어 전지 성능이 저하될 수 있다.
여러 요인으로 인해, 자동차, 트럭, 버스 등과 같은 운송 수단에 전력을 공급하기 위해 개발된 발전장치에 연료전지가 설치될 때에 상기 발전장치 내에서 효율적인 물 균형을 유지하는 것이 더욱 곤란하다. 예컨대, 고정식 연료전지 발전장치의 경우, 상기 장치로부터 손실된 물은 장치외 공급원으로부터 상기 장치로 공급되는 물로 대체될 수 있다. 그러나, 운송수단의 경우, 연료전지 발전장치는 중량 및 필요공간을 최소화하기 위하여 필요한 물을 자급할 수 있어야 한다. "물의 자급"이란 반응물 유체 스트림으로부터의 손실분을 상쇄하고 상기 장치를 효율적으로 조작하기에 충분한 물이 상기 장치내에 보유됨을 의미한다. 예컨대, 기상 산화제의 음극 배출스트림 및/또는 기상 환원성 유체의 양극 배출스트림으로 구성된 장치 배출스트림에 의해 상기 장치에서 배출되는 물은, 음극에서 전기화학 반응에 의해 생성되어 상기 장치내에 보유된 물과 균형을 이루어야 한다.
운송 수단내의 연료전지 발전장치의 물 균형을 증가시키는 한 방법은 전지 및 구성성분을 가압하여서 고압 기상 스트림중의 반응물 농도를 증가시키고, 이로써 장치 배출스트림을 통한 물 손실을 감소시키는 것이다. 그러나, 상기 가압 연료전지 발전장치는 적절한 압력 수납기 및 압력 조절을 제공하기 위한 추가적인 비용, 중량 및 조절 장비를 필요로 하며, 압입 펌프, 밸브, 팬 등의 조작을 위해 상기 장치로부터 추가의 에너지가 유도되어야 하므로, 이동식 발전장치에 실용적이지않은 것으로 알려져 있다.
물 균형을 증가시키는 또 다른 일반적인 방법으로 발전장치 배출스트림의 응축 열 교환기 다운스트림을 사용하는 방법이 있으며, 상기 방법에서는 배출스트림을 이슬점 이하의 온도로 냉각시킴으로써 액체가 발전장치로 복귀될 수 있도록 배출스트림으로부터 액체를 응결시킨다. 응축 열 교환기를 사용하는 PEM 연료전지 발전장치의 한 예가 반 다인(Van Dine) 등에게 허여되고 본원의 양수인에게 양도된 미국 특허 제 5,573,866호에 기재되어 있으며, 상기 특허는 본원에서 참고문헌으로 인용되었다. 하나 이상의 응축 열 교환기를 사용하는 그 밖의 많은 연료전지 발전장치가 당업계에 널리 알려져 있으며, 상기 발전장치는 통상적으로 교환기를 통과하는 냉각 유체로서 주위공기 스트림을 사용하여 장치 배출스트림을 냉각시킨다. 반 다인 등의 특허에서는, 음극 전극을 수납한 음극 챔버에서 배출되는 배출스트림을 냉각시키기 위해 열 교환기를 사용하였다. 상기와 동일한 스트림이 음극 수납기에 유입되기 전에 음극 전극을 위한 산화제로서 공기를 제공하며, 상기 스트림은 챔버에서 배출될 때 증발된 물 생성물, 및 PEM을 통과한 환원성 유체인 메탄올을 일부 포함한다. 응축 열 교환기는 음극 배출스트림을 냉각용 주위공기 스트림과 열 교환시키며 이동시킨 후, 응축된 메탄올과 물을 파이프 시스템을 통해 간접적으로 전지 양극으로 복귀시킨다.
주위 온도가 증가할수록, 응축 열 교환기는 주위압력 및 가압 연료전지 발전장치의 물 균형 및 에너지 효율을 증가시키는 반해, 열 교환기의 물 회수 효율은 감소하게 된다. 발전장치가 자동차와 같은 운송수단의 전력 공급용으로 사용되는경우, 상기 장치는 매우 광범위한 주위 온도에 노출되게 된다. 예컨대, 주위 공기의 냉각제 스트림이 열 교환기를 통과하는 경우, 주위공기 온도가 상승할수록 발전장치 배출스트림으로부터 응결되는 액체량은 감소하기 때문에, 상기 열 교환기의 성능은 직접적인 주위공기의 온도 함수로서 변화된다.
운송수단에 사용하기 위해 고안된 공지된 연료전지 발전장치의 부가적인 복잡성은 주위 공기 조건의 변동과도 관련된다. 상기 장치의 연료전지는 음극 전극으로 이동되는 산화제로서 주위 공기를 이용하는 것이 일반적이다. 고온의 건조한 주위 공기는 음극 전극이 완전히 건조되는 위험률을 증가시킨다. 결과적으로, 특히 PEM 연료전지의 음극 전극 및 인접한 전해질이 완전히 건조되지 않도록 하기 위해 많은 노력이 시도되어 왔으며, 예컨대 응축 열 교환기로부터 액체 응축물을 이동시켜서 전지에 유입되는 기상 반응물 및 산화제 스트림을 습윤시키는 방법; 냉각제 물이 인접한 전지를 통과하도록 하는 다공성 지지층 및 물 운반판을 전극과 유체 연통되도록 추가하는 방법; 및 기상 환원성 유체가 환원성 기체 분배 채널에 인접한 다공성 지지층을 통과하는 냉각수 및 양극 공급수보다 약간 높은 압력으로 유지되도록 전지의 양극에 압력 차를 발생시켜서, 상기 압력 차에 의해 다공성 지지층과 전지를 통한 물의 운반이 더욱 용이해지도록 하는 방법 등이 있다. 효율적인 물 균형을 유지하는 이러한 노력에는 비용, 중량 및 부피 증가를 수반하며, 종종 복합한 제어 장치를 요한다.
따라서, 기존의 가압 장치, 및 음극 산화제로서 주위 공기를 사용하거나 응축 열 교환기를 위해 주위 공기를 사용하는 장치는 전술한 특징으로 인해 효율적인물 균형을 최대화하면서 조작 에너지 필요량을 최소화할 수 없다. 따라서, 전체 장치에 대한 효율적인 물 균형을 달성하는 동시에 장치를 조작하는데 드는 에너지 필요량을 최소화하는 연료전지 발전장치를 생산하는 것이 매우 바람직하다.
발명의 요약
본 발명은 연료전지 발전장치에 사용하기 위한 물질전달용 복합 분리막에 관한 것이다. 물질전달용 복합 분리막은 대향되는 강성, 다공성 지지 시이트 사이에 전달 매질 코어를 포함하는데, 복합 분리막의 유입면은 연료전지 발전장치의 산화제 유입스트림과 접촉되게 위치하며, 대향되는 복합 분리막의 배출면은 연료전지 발전장치로부터 배출되는 배출스트림과 접촉되게 위치한다. 전달 매질 코어는 극성 분자와 비극성 분자로 이루어진 유체 스트림으로부터 극성 분자(예: 물 분자)로 이루어진 유체 물질을 흡수하기 위한 임의의 광범위한 물질을 포함할 수 있다. 바람직한 전달 매질 코어는 수 포화된 폴리플루오로설폰산 이오노머 분리막과 같은 이오노머 분리막이다. 다공성 지지 시이트는 열경화성 수지를 함유한 보강 섬유, 예컨대 페놀계 수지를 함유한 탄소 시이트 또는 에폭시 수지를 함유한 유리 섬유를 포함할 수 있으며, 이 때 시이트는 강성 형태로 열경화된다.
물질전달용 복합 분리막은 연료전지 발전장치의 유입스트림 및 배출스트림과 유체 연통되도록 물질전달 장치의 프레임 내부에 배치되어서, 상기 프레임은 유입스트림과 배출스트림의 벌크 혼합을 제한할 수 있다. 프레임은 유입스트림과 배출스트림이 복합 분리막에 접촉한 후 프레임 외부로 이동하도록 매니폴드, 통로 및밀봉부를 한정한다. 다르게, 매니폴드는 프레임 외부에 있을 수 있다. 물질전달용 복합 분리막은 평면층, 또는 돌출부와 함몰부를 한정하는 마운딩층(mounded layer)일 수 있다. 다수의 마운딩층 분리막은 프레임 내부에 거울상 관계로 설치될 수 있으며, 돌출부 및 인접 분리막의 마운딩부에 의해 형성된 함몰부는 서로 접해 있다. 이러한 거울상 관계에서 마운딩형 물질전달용 복합 분리막은 상호 구조의 지지; 인접한 마운딩부 사이에서 한정된 통로를 통과하는 유체의 혼합 강화; 및 프레임의 단위 부피를 기준으로 분리막이 유체에 노출되는 표면적 증가를 위해 상호 작용한다.
본 발명의 물질전달용 복합 분리막을 사용하는 연료전지 발전장치의 조작에 있어서, 연료전지에 유입되기 전의 산화제 유입스트림은 프레임을 거쳐 복합 분리막의 유입면과 접촉되는 반면, 배출스트림은 프레임을 거쳐 분리막의 배출면과 접촉된다. 배출스트림중의 물 분자 및 임의의 다른 극성 분자(예: 메탄올)는 선택적으로 전달 매질 코어를 통해 유입스트림으로 전달되어서 유입스트림을 습윤 및 가열시키며, 그 결과 연료전지로부터의 물 손실을 억제함으로써 연료전지내의 물 균형을 유지하는데 일조한다.
따라서, 본 발명의 일반적인 목적은 선행 연료전지 발전장치의 문제점을 해소시킨, 연료전지 발전장치에 사용하기 위한 물질전달용 복합 분리막을 제공하는 것이다.
본 발명의 보다 구체적인 목적은 주위 공기 조건에 상관없이 장치 배출스트림으로부터 열, 물 및 연료를 장치 유입스트림으로 전달하는, 연료전지 발전장치의물질전달 장치내에서 사용하기 위한 물질전달용 복합 분리막을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 장치내의 큰 압력 변동을 견디는, 연료전지 발전장치의 물질전달 장치 내에서 사용하기 위한 물질전달용 복합 분리막을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 및 다른 목적은 하기 상세한 설명을 첨부 도면을 참고하여 이해하는 경우 보다 명확해질 것이다.
본 발명은 운송 수단에서 사용하기에 적합하며 주위압 정도에서 작동되는 이동식 발전장치 또는 고정식 발전장치인 연료전지 발전장치에 관한 것으로, 특히 연료전지 발전장치에서 배출되는 물질(예: 수증기)을 상기 발전장치로 다시 전달하여서 상기 장치의 물 균형 및 에너지 효율을 증가시키는 연료전지 발전장치에 관한 것이다.
도 1은 연료전지 발전장치의 물질전달용 소자 내부에 설치된 본 발명의 물질전달용 복합 분리막을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2A는 본 발명의 물질전달용 복합 분리막의 제 1 양태를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2B는 본 발명의 물질전달용 복합 분리막의 제 2 양태를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 분리막이 프레임 상부(frame shoulder)에 지지되어 있는, 본 발명에 따른 물질전달용 복합 분리막의 마운딩층의 단면을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 도 3의 마운딩층 물질전달용 복합 분리막 및 프레임 상부를 위에서 본 단면을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 다수의 마운딩층 물질전달용 복합 분리막이 프레임 내에서 거울상 관계로 지지되어 있는, 도 6의 시선 5-5을 따라 취한 측면을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 6은 다수의 마운딩층 물질전달용 복합 분리막을 수납한 물질전달 장치에 사용되는 프레임을 위에서 본 단면을 개략적으로 나타낸 것이다.
도면과 함께 설명하자면, 연료전지 발전장치가 도 1에 개략적으로 도시되어 있으며, 본 발명의 물질전달용 복합 분리막(12)을 위한 적절한 작업 환경이 전반에 걸쳐 참조번호 10으로 지칭되어 있다. 발전장치(10)는 하나 이상의 연료전지(13), 및 분리막(12)을 지지하는 물질전달 장치(14)를 포함한다. 연료전지(13)는 제 1 주표면(18) 및 대향되는 제 2 주표면(20)을 갖는 양성자 이온 분리막("PEM") 또는 산 또는 염기 전해질과 같은 전해질(16); 전해질(16)의 제 1 주표면(18)과 밀접해 있는 다공성 양극 지지층(24)에 의해 지지된 양극 전극(22); 및 전해질(16)의 제 2 주표면(20)과 밀접해 있는 다공성 음극 지지층(28)에 의해 지지된 음극 전극(26)을 포함한다. 양극 다공성 지지층(24)과 음극 다공성 지지층(28)은 다공성 또는 채널-형성된 흑연, 탄소 또는 금속 시이트로부터 형성될 수 있다. 연료전지(13)는 널리 공지된 방식으로 실질적으로 동일한 다른 연료전지(도시되지 않음)와 결합되어서 적층 형태를 이룰 수 있다. 연료전지(13)는 당업계에서 통상적인 바와 같이 환원성 유체 스트림과 산화제 스트림을 전지 내외로 이동시키기 위한 매니폴드를 한정하는 구조물(30) 내에 둘러싸여 있으며, 상기 구조물(30)은 연료전지에 의해 발생된 전류를 전지(13)로부터, 예컨대 표준 외부 부하 회로(34)를 거쳐, 전기 사용 장치(32)로 이동시키는 전도성 수단을 포함한다.
공기와 같은 산화제 또는 유입스트림은 산화제 스트림을 다공성 음극 지지층(28)으로 이동시키는 주요 산화제 통로(38)를 통해 산화제 공급원(36)으로부터 연료전지(13) 내로 이동되고, 상기 산화제는 음극 전극(26)과 접촉하며 통과하여서 산화제가 전극(26)에 제공됨으로써, 음극 전극에서의 전기화학 반응을 촉진시키고, 음극 전극(26)에서 형성된 물 및 양극 전극(22)으로부터 전해질(16)을 거쳐 운반된 물을 증발 및/또는 동반이동시킴으로써 산화제 스트림중에 탈착시키거나 습윤화에 의해 물을 산화제 스트림중에 제거한다. 이어서, 산화제 스트림은 음극 지지 층(28)으로부터 발전장치의 배출 통로(40)중의 장치 배출스트림으로 배출된다. 또한, 발전장치의 배출 통로는 보조 버너(도시되어 있지 않음)를 통과한 후의 양극 배출스트림을 이동시킬 수도 있다. 따라서, 장치 배출스트림은 음극 지지 층으로부터 배출된 음극 배출스트림, 보조 버너를 통과한 양극 배출스트림, 또는 음극 배출스트림과 양극 배출스트림의 혼합물을 포함할 수 있다. 환원성 유체 스트림은 환원성 유체 공급원(42)으로부터 환원성 유체 유입구(44)를 거쳐 다공성 양극 지지층(24)으로 이동하여서, 수소와 같은 환원성 유체는 양극 전극(22)과 접하게 된다. 널리 공지된 방식으로, 환원성 유체는 양극 전극(22)에서 전기화학 반응에 의해 양성자와 전자를 생성하며, 이 때 전자는 외부 부하 회로(34)를 거쳐 전기 장치(32)(예: 전발전 운송수단)에 발전을 공급하는 반면, 양성자는 전해질(16)을 거쳐 음극 전극(26)으로 이동한다. 이어서, 전자는 회로(34)를 거쳐 음극 전극으로 이동되어서 산화제 및 양성자와 반응하여 물과 열을 발생시킨다.
물질전달 장치(14)는 주요 산화제 통로(38) 및 발전장치의 배출 통로(40) 둘다와 유체 연통되도록 고정되어 있다. 물질전달 장치(14)는, 물질전달용 복합 분리막(12)을 산화물 유입스트림 및 장치 배출스트림과 물질 전달되도록 지지하고 유입스트림과 배출스트림이 벌크 혼합되지 않도록 하기 위한 프레임 수단(46)을 포함한다. 프레임 수단은 그의 유입 통로(48)와 배출 통로(50) 사이에 분리막(12)을 지지할 수 있다. 유입 통로(48)는 산화제 또는 유입스트림을 유입스트림 공급 라인(52)으로부터 물질전달용 복합 분리막(12)의 유입면(54)을 거쳐 프레임(46) 외부로 이동시킨 후 주요 산화제 통로(38)로 유입시킨다. 프레임(46)의 배출 통로(50)는 장치 배출스트림을 발전장치의 배출 통로(40)로부터 분리막(12)의 배출면(56)을 거쳐 프레임(46) 외부로 이동시켜서 장치 배출구(58)를 거쳐 장치(10) 외부로 이동시킨다. 이에 의해, 프레임(46)의 유입 통로(48)와 배출 통로(50)는 물질전달용 복합 분리막(12)과 상호 작용하여서, 산화제 유입스트림과 장치 배출스트림의 벌크 혼합을 제한하고, 분리막(12)이 유입스트림 및 배출스트림과 물질이 전달되는 곳에 있도록 한다. 또한, 연료전지 발전장치(10)는 기상 산화제의 장치(10) 내로의 이동을 가변적으로 촉진하기 위하여 유입스트림 공급 라인(52)상에 송풍기(60)를 포함할 수도 있다. 임의로, 송풍기(60)는 동일한 목적으로 주요 산화제 통로(38) 상에 위치할 수도 있다. 그러나, 상기 송풍기는 산화제의 조작 압력을 대기압 내지는 대기압보다 약 1.0 psi 높은 압력 범위 또는 약 14.7 내지 약 15.7 psia 압력으로 약간 증가시킬 수 있는 능력을 갖는 것이 중요하다.
물질전달용 복합 분리막(12)이 제 1 강성, 다공성 지지 시이트(64)와 제 2강성, 다공성 지지 시이트(66) 사이에 위치한 전달 매질 코어(62)를 포함하는 것을 도 2A에서 잘 알 수 있다. 복합 분리막(12)의 유입면(54)은 전달 매질 코어(62)와 접해있는 제 1 강성, 다공성 지지 시이트(64)의 접촉면(68)과 대향되는 제 1 지지 시이트(64)의 외부면이다. 분리막(12)의 배출면(56)은 코어(62)와 접해있는 제 2 지지 시이트(66)의 접촉면(70)과 대향되는 제 2 지지 시이트(66)의 외부면이다.
전달 매질 코어(62)는 극성 분자와 비극성 분자로 이루어진 유체 물질을 함유하는 제 1 유체 스트림, 예컨대 수증기 및/또는 동반이동된 액체 수분(극성 분자로 이루어진 유체 물질) 및 공기(비극성 분자로 이루어진 유체 물질)를 포함하는 스트림 중에서 극성 분자로 이루어진 유체 물질을 선택적으로 흡수하고 극성 분자로 이루어진 유체 물질을 제 1 스트림에서보다 낮은 비율로 갖는 제 2 스트림 중에 상기 흡수된 유체를 탈착시키기 위한 전달 매질 코어 수단일 수 있다. 전달 매질 코어 수단의 사용에 있어서, 제 1 스트림은 장치 배출스트림일 수 있으며, 제 2 스트림은 유입스트림일 수 있다. 전달 매질 코어 수단의 예가 이오노머 물질, 예컨대 미국 델라웨어주 윌밍톤 소재의 이.아이.듀퐁 캄파니(E.I.DuPont company)에서 제조되며 나피온("NAPION") 상품명으로 시판되는 수 포화된 폴리플루오로설폰산 이오노머 분리막 등을 포함한다.
제 1 강성, 다공성 지지 시이트(64) 및 제 2 강성, 다공성 지지 시이트(66)는 전달 매질 코어를 견고한 위치에 지지하기 위한 강성, 다공성 지지 시이트 수단, 예컨대 인테그랄 열경화성 수지를 갖는 보강 섬유 시이트일 수 있다. 지지 시이트의 예로는 페놀계 수지를 갖는 탄소 섬유 시이트 또는 에폭시 수지를 갖는 유리 섬유 시이트를 포함한다.
도 2B에 도시된 바와 같이, 물질전달용 복합 분리막(12)은 본원에서 3중층 코어(72)로 지칭되는 전달 매질 코어 수단의 다른 양태를 포함하며, 여기서 코어(62)는 제 1 다공성 소수성 층(74)과 제 2 다공성 소수성 층(76) 사이에 위치한다. 다공성 소수성 층(72, 74)의 예는 미국 델라웨어주 윌밍톤 소재의 듀퐁 캄파니에서 시판되는 널리 공지된 "테플론(TEFLON)" 중합체와 같은 소수성 중합체 시이트를 포함한다.
물질전달용 복합 분리막(12)은 마운딩층(78)으로 성형되어 하기 기재된 많은 이점을 얻을 수 있다는 것을 도 3 및 4로부터 잘 알 수 있다. 바람직한 양태에서, 마운딩층 복합 분리막(78)은 프레임(46)의 바닥면(84) 위의 제 1 프레임 상부(80)와 제 2 프레임 상부(82) 사이에 고정된다. 제 1 프레임 상부(80)는 제 1 상부(86) 또는 단부를 포함하고, 제 2 프레임 상부(82)는 제 2 상부(88)를 포함하여서, 분리막(78)은 제 1 상부(86)와 제 2 상부(88)로 연장되어 이들에 고정된다. 제 1 프레임 상부(80) 및 제 2 프레임 상부(82)는 산화제 유입스트림이 마운딩층 복합 분리막(78)의 유입면(94)과 접촉된 후 비접촉되도록 제 1 유입스트림 슬롯(90) 및 제 2 유입스트림 슬롯(92)을 한정한다.
마운딩층 복합 분리막(78)이 다수의 유입스트림 통로와 배출스트림 통로를 한정하도록 상호 작용하여 제 1 돌출부(96A), 제 2 돌출부(96B) 및 제 3 돌출부(96C)와 제 1 함몰부(98A), 제 2 함몰부(98B), 제 3 함몰부(98C), 제 4 함몰부(98D)를 형성함을 도 3으로부터 잘 알 수 있다. 이해의 편의와 효율을 돕기위해, 도 3 및 5에서 유입스트림 통로는 참조기호 "IS"로 지칭되며, 배출스트림 통로는 참조기호 "ES"로 지칭된다. 배출스트림 통로(ES)는 연료전지 장치 배출스트림을 마운딩층 복합 분리막의 배출면(100)과 접하도록 하며 이동시킨다. 이해의 편의를 돕기 위해, 도 3 내지 5에 도시된 대표적인 유입스트림 통로의 예를 참조번호 102A, 102B, 102C, 102D로 제공하였고, 도 3 내지 도 5에 도시된 배출스트림 통로의 예를 유사하게 참조번호 104A, 104B 및 104C로 제공하였다.
도 4는 제 1 프레임 상부(80)와 제 2 프레임 상부(82) 사이에 지지된 도 3의 마운딩층 물질전달용 복합 분리막(78)을 위에서 본 것으로, 도 3의 측단면도와는 반대로, 돌출부와 함몰부로 이루어진 "달걀 받침판(egg-carton-like)" 형상의 분리막(78) 단면을 나타낸다. 마운딩층 복합 분리막(78)의 실질적으로 동일한 추가적인 돌출부가 도 4에 96D, 96E, 96F, 96G, 96H, 96I, 96J, 96K, 96L 및 96M으로 지칭되어 도시되어 있고, 상기 돌출부에 인접해 있는 실질적으로 동일한 함몰부가 부분적으로 도시되어 있으나 명확성을 위한 참조번호는 별도로 지정하지 않았다. 도 4에는 유입스트림 통로(102A, 102B, 102C, 102D)가 분리막(78)의 유입면(94)과 접해있는 비선형 유입스트림 통로의 네트워크와 통합되는 것으로 보다 명확히 도시되어 있으며, 마찬가지로 배출스트림 통로(104A, 104B, 104C)는 대향되는 분리막(78) 배출면(100)과 접해있는 비선형 배출스트림 통로와 통합된다. 도 4에서 나타나는 바와 같이, 마운딩형 복합 분리막(78)의 추가적인 돌출부 및 함몰부는 선형 또는 평행한 배열일 필요는 없으나, 상기 분리막에 의해 한정된 통로에서 이동하는 유입스트림 유체 및 배출스트림 유체의 혼합을 강화시키는 임의의 배치로 있을 수 있음이 강조된다. 추가로, 도 3 및 4의 양태에 도시된 함몰부와 돌출부는 거의 유사한 치수를 갖는 것으로 보이지만, 본 발명에 있어서 돌출부와 함몰부는 마운딩층 복합 분리막(78)에 의해 한정된 평면의 아래 및/또는 위로 연장되는 임의의 치수일 수 있다.
도 5는 제 2 마운딩층 복합 분리막(106)에 대해 거울상 관계로 적층 또는 배치되어 있는 도 3 및 4의 제 1 및 제 2 프레임 상부(80, 82)와 마운딩층 복합 분리막(78); 및 제 2 분리막(106) 및 제 4 마운딩층 복합 분리막(110)에 대해 마찬가지로 거울상 관계로 적층된 제 3 마운딩층 복합 분리막(108)을 포함한 다수의 마운딩층 복합 분리막(12)으로 성형된 물질전달용 복합 분리막(12)을 나타낸다. 제 2 마운딩층 복합 분리막(106)은 제 3 프레임 상부(112)와 제 4 프레임 상부(114)의 사이에 지지되어 있고, 제 3 분리막(108)은 제 5 프레임 상부(116)와 제 6 프레임 상부(118)의 사이에 지지되어 있으며, 제 4 분리막(110)은 제 7 프레임 상부(120)와 제 8 프레임 상부(122)의 사이에 지지되어 있고, 여기서 제 8 프레임 상부는 도 5에 도시된 바와 같이 프레임의 하부면(86)과 프레임(46)의 상부면(124) 사이에 프레임(46)의 유체 밀폐부를 한정하는 상호 작용하는 방식으로 서로 적층되어 있다. "거울상 관계로 배치된"이란 표현은 마운딩층 복합 분리막 돌출부 하나 이상이 인접한 마운딩층 복합 분리막 함몰부 하나 이상과 접촉하는 것을 의미한다. 예컨대, 도 5에 도시된 바와 같이, 마운딩층 복합 분리막(78)의 제 1 돌출부(96A)는 제 2 마운딩층 복합 분리막(106)의 제 1 함몰부(134)와 접촉한다. 도 5에 도시된 인접한 마운딩층의 돌출부와 함볼부 사이에 다수의 접점을 가짐으로써 상기 층은 유입스트림("IS") 통로중의 유체와 배출스트림("ES") 통로중의 유체 사이에서 내부 압력 변화로부터 발생되는 이동 또는 분기에 대해 상호간의 구조 지지를 제공하도록 상호 작용함을 명백히 알 수 있다. 추가로, 인접한 마운딩부와 함몰부의 접촉은 유체가 통과하는 다수의 전체적인 S형 통로를 한정하고, 그 결과 유체의 혼합 및 유체의 분리막 표면에 대한 노출을 증가시킨다. 또한, 프레임(46) 내의 적층된 인접한 마운딩층 복합 분리막(78, 106, 108, 110)의 상호 작용하는 거울상 관계는 분리막의 표면적 노출을 증가시켜서 프레임 단위 부피당 유입스트림과 배출스트림을 증가시킨다.
제 1 프레임 상부(80), 제 3 프레임 상부(112), 제 5 프레임 상부(116) 및 제 7 프레임 상부(120)는 제 1 유입스트림 슬롯(90), 및 제 5 프레임 상부(116)에서 한정된 제 3 유입스트림 슬롯(128)과 유체 연통되는 제 1 유입스트림 매니폴드(126)를 상호 작용되게 한정한다. 마찬가지로, 제 2 프레임 상부(82), 제 4 프레임 상부(114), 제 6 프레임 상부(118) 및 제 8 프레임 상부(122)는 제 2 유입스트림 슬롯, 및 제 6 프레임 상부(118)에서 한정된 제 4 유입스트림 슬롯(132)과 유체 연통되는 제 2 유입스트림 매니폴드(130)를 상호 작용되게 한정한다.
따라서, 제 5 도에서 가장 잘 알 수 있듯이, 제 1 유입스트림 매니폴드(126) 및 제 2 유입스트림 매니폴드(130)는 유입 산화제 스트림을 유입스트림 통로(102A, 102B, 102C, 102D) 및 도 5에 도시된 그 밖의 유입스트림 통로 내부로 유입시킨 후 외부로 배출시키기 위한 통로를 제공하며, 참조문자 "IS"로 지칭된다. 제 1 유입스트림 매니폴드(126), 제 2 유입스트림 매니폴드(130) 및 관련 유입스트림슬롯(90, 92, 128, 132)은 본 발명의 프레임(46)의 단지 한 양태일 뿐이며, 상기 프레임은 유입 산화제 스트림을 물질전달용 복합 분리막(12)의 유입면(54)과 접촉 및 비접촉하도록 이동시키고 장치 배출스트림을 분리막(12)의 배출면(56)과 접촉 및 비접촉하도록 이동시키는 매니폴드 수단, 예컨대 1988년 3월 1일자로 브리그스(Briggs)에게 허여된 미국 특허 제 4,728,585호 및 1988년 5월 10일자로 로마노브스키(Romanowski)에게 허여된 미국 특허 제 4,743,518호에 도시된 내부 매니폴드와 외부 매니폴드, 및 열 교환 분야에서 널리 공지된 매니폴드를 포함할 수 있으며, 상기 특허 둘다는 본 발명의 양수인에게 양도되었다.
도 6은 프레임(46)을 위에서 본 경우의 도면을 개략적으로 나타낸 것으로, 제 1 유입스트림 매니폴드(126)는 프레임(46) 유입구 측면(136) 업스트림내의 실질적으로 동일한 다수의 제 1 유입스트림 슬롯(이 중 3개가 138A, 138B, 138C로 지칭되어 있다)과 유체 연통하도록 도시되어 있으며, 제 2 유입스트림 매니폴드(130)는 프레임(46) 유입구 측면(140) 다운스트림 내의 실질적으로 동일한 다수의 제 2 유입스트림 슬롯(이 중 3개가 142A, 142B, 142C로 지칭되어 있다)과 유체 연통하도록 도시되어 있다. 제 1 배출스트림 매니폴드(144)가 또한 도 6에서 실질적으로 동일한 다수의 제 1 배출스트림 슬롯(이 중 3개가 148A, 148B, 148C로 지칭되어 있다)과 유체 연통하도록 프레임(46) 배출 측부(146) 업스트림내에 도시되어 있으며, 제 2 배출스트림 매니폴드(150)가 실질적으로 동일한 다수의 제 2 배출스트림 슬롯(이 중 3개가 154A, 154B, 154C로 지칭되어 있다)과 유체 연통하도록 프레임(56) 측부(152) 다운스트림에 도시되어 있다.
도 1, 5 및 6에 도시된 프레임(46)에 지지된 본 발명의 마운딩층 물질전달용 복합 분리막(78, 106, 108, 110)을 갖는 연료전지 발전장치(10)의 조작에 있어서, 산화제 유입스트림은 산화제 공급원(36)으로부터 유입스트림 공급 라인(52)을 거쳐 제 1 유입스트림 매니폴드(126)로 이동되며, 제 1 및 제 3 유입 슬롯(90, 128), 및 다수의 제 1 유입 슬롯(138A, 138B, 138C)을 거쳐 유입스트림 통로(102A, 102B, 102C, 102D) 및 도 5에 도시된 그 밖의 통로("IS"로 지칭됨)로 이동된다. 이어서, 산화제 유입스트림은 첫 번째 유동 화살표(156)로 표시된 대체적인 방향으로 프레임(46)을 통과하며, 제 2 및 제 4 유입 슬롯(92, 132) 및 다수의 제 2 유입 슬롯(142A, 142B, 142C)을 거쳐 제 2 유입스트림 매니폴드(130)를 거쳐 프레임(46) 외부로 배출되어 주요 산화제 통로(38)로 이동된다. 장치 배출스트림은 발전장치의 배출 통로(40)를 거쳐 제 1 배출스트림 매니폴드(144)로 이동하며, 다수의 제 1 배출 슬롯(148A, 148B, 148C)를 거쳐 배출 통로(104A, 104B, 104C) 및 도 5에 도시된 그 밖의 통로("ES"라 지칭됨)로 이동되고, 도 6에 도시된 두 번째 유동 화살표(158)로 표시된 대체적인 방향으로 프레임(46)을 거쳐 계속 이동한다. 이어서, 배출스트림은 다수의 제 2 배출 슬롯(154A, 154B, 154C)을 거쳐 제 2 배출 매니폴드(152)에 유입되며, 장치 배출구(58)를 거쳐 프레임(46) 외부로 이동한다.
도 6은 단지 개략적인 것으로, 유입스트림 공급 라인(52), 주요 산화제 통로(38), 발전장치의 배출 통로(40) 및 장치 배출구(58)는 프레임(46)의 측부(136, 140, 146, 152)를 통과하여 바로 매니폴드(126, 130, 144, 150)로 유입되지 않고, 그 대신 전술한 2개의 미국 특허에 기재되어 있으며 당업계에서 널리공지된 바와 같이 통상적인 효율적인 내부 또는 외부 매니폴드 수단을 통해 이동하는 것이 강조된다. 또한, 도 6에서 첫 번째 유동 화살표(156)는 "파선"으로 표시된 반면, 두 번째 유동 화살표(158)는 "실선"으로 표시되어서, 유입스트림 통로 "IS"를 통과하는 유동 방향(156)이 배출스트림 통로 "ES"를 통과하는 유동 방향(158)보다 프레임 내부에서 낮은 레벨에 있음이 강조된다. 이러한 상이한 레벨 유동은 도 5에서 보다 잘 도시되는데, 여기서 유입 통로 "IS"를 통과하는 유동 방향(156)은 제 1 프레임 상부(80)로부터 제 2 프레임 상부(82)로 향하는 것인 반면, 배출 통로 "ES"를 통과하는 유동 방향(158)은 제 1 프레임 상부(80)와 제 2 프레임 상부(82) 사이의 축에 수직인 도 5 내부로 향하는 방향이다.
또한, 설명을 위해, 도 6은 마운딩층 복합 분리막(78)의 단면을 개략적으로 나타내기 위해 프레임(46) 유입 측부(136) 업스트림과 배출 측부(146) 업스트림 사이를 제거한, 프레임(46) 상면(124)의 단면을 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 분리막(78)의 도 6의 구획은 프레임 배출 측부(146) 업스트림에 인접한 제 1 함몰부(98A) 및 제 1 돌출부(96A), 및 제 1 함몰부(98A)와 제 2 돌출부(96A)의 사이와 그 뒤로 평행하게 배열된 추가적인 돌출부(96D)를 포함하며, 이들은 프레임(46)을 통과하는 S형 유입스트림 통로 및 배출스트림 통로를 한정하는 도 4의 돌출부와 함몰부의 열이 평행하지 않게 배열된 것을 추가로 예시한다.
본 발명의 물질전달용 복합 분리막(12)의 예상 시험 조작은 50㎾ 연료전지 발전장치의 물 균형을 강화시키는데서 유리한 결과를 나타낸다. 시험 조작에서 물질전달 장치(14)의 프레임(46)은 도 3 내지 5에 도식적으로 기술된 바와 같이 거울상 관계로 배치된 마운딩층에 위치한 복합 분리막(12) 약 300ft2를 지지할 수 있는 구조를 갖는다. 시험 물질전달용 복합 분리막은 3중층 코어의 배치형태를 갖는 전달 매질 코어를 포함하며, 여기서 코어는 전술된 이.아이. 듀퐁 캄파니에서 제조된 폴리플루오로설폰산 이오노머 분리막인 "나피온" 상품명의 약 5 내지 10마이크론 시이트이다. "나피온" 코어는 제 1 다공성 소수성 층과 제 2 다공성 소수성 층 사이에 위치하며, 이들 소수성 층 각각은 이.아이. 듀퐁 캄파니에서 통상적으로 구입되는 널리 공지된 "테플론" 상품명의 소수성 중합체인 약 25마이크론 두께의 다공성 시이트이다. 전술한 치수를 갖는 3중층 코어가 또한 미국 메릴랜드 에크톤 소재의 더블유.엘. 고어 캄파니(W.L. Gore Company)로부터 조립된 상태로 구입가능하며, "고어 실렉트 분리막(Gore Select Membrane)"으로 알려져 있다. 제 1 강성 다공성 지지 시이트(64)와 제 2 강성 다공성 지지 시이트(66)는 미국 뉴욕주 슬레이트 힐 소재의 테크니칼 화이버 프로덕츠 리미티드(Technical Fibre Products, Ltd. company)로부터 "RK25" 상품명으로 구입가능한 약 8마이크론 두께의 탄소 섬유로부터 제작되는데, 상기 섬유는 미국 위스콘신주 세보이간 소재의 플렌코 캄파니(Plenco Company)로부터 제12285호로 구입가능한 페놀계 수지로 약 30 내지 50중량% 함침된다. 3중층 코어, 제 1 강성 다공성 지지 시이트 및 제 2 강성 다공성 지지 시이트는 원하는 마운딩층 배치형태를 한정하는 금형(도시되어 있지 않음)상에 설치된 후에 약 5분동안 275 내지 375℉로 가열된다. 상기 층은 강성 마운딩층으로 열경화된 후에 프레임 상부에 결합되며, 다수의 마운딩층과 프레임 상부는물 전달 장치(14) 내부에 고정된다. 프레임 상부는 마운딩층 물질전달용 복합재에 결합될 수 있는 당 분야에 널리 알려진 통상적인 플라스틱 물질로부터 제작될 수 있다.
시험 조작 결과에 따르면, 장치 배출스트림(음극 및 연소된 양극 배출스트림을 포함함)은 발전장치의 배출 통로(40)를 거쳐 전술한 치수의 물질전달용 복합 분리막을 갖는 물 전달 장치로 유입될 때, 장치 배출스트림은 약 194℉의 온도 및 약 155lb/hr(이후, "P.P.H."라 함)의 함수량을 가지며, 장치 배출구(58)를 통해 물질전달 장치에서 배출될 때에 152℉의 온도 및 약 34.4P.P.H.의 함수량을 갖는다. 유입스트림 공급 라인(52)을 통해 물질전달 장치에 유입되는 산화제 유입스트림은 약 77℉의 온도 및 약 0.0P.P.H.의 함수량을 갖는다. 산화제 유입스트림은 주요 산화제 통로(38)를 통해 물질전달 장치로부터 배출될 때, 온도를 약 135℉까지 상승시키고 함수량을 약 120P.P.H.까지 증가시킨다. 본 발명의 물질전달용 복합 분리막(12)의 전술한 유리한 성능은 공지된 연료전지 발전장치를 능가하는 실질적인 성능 개선을 제공하는 경량의 소형 배치형태의 연료전지 발전장치(10)의 물 균형을 주위 공기의 온도와 습도 조건과 무관하게 유리하게 증가시키는 것임이 다시 강조된다.
본 발명은 연료전지 발전장치를 위한 물질전달용 복합 분리막의 구체적인 구조를 기재하고 예시하였으나, 본 발명은 이들 특정한 실시예 및 예시에 제한되지 않음을 이해해야 한다. 예컨대, 상기 분리막은 편평한 시이트의 배치, 다수의 거울상 관계의 마운딩층에 제한을 갖지 않고 배치된 마운딩층 양태, 2개의 유체간의열 또는 물질이 전달되는 관계로 대향된 분리막 표면을 노출시키기 위해 열 교환기 분야에서 공지된 임의의 다른 형태에서 이용될 수 있다. 추가로, 주요 산화제 통로(38) 및 발전장치의 배출 통로(40)는 파이프 또는 도관으로서 개략적으로 도시되었으나, 이들은 물질 전달 장치가 직접 고정되어 있는 연료전지 구성성분을 지지하는 구조(30)내에서 단순하게 천공되어 있다. 따라서, 본 발명의 범주를 결정하기 위해서는 전술한 설명보다는 첨부된 청구범위를 기본적으로 참고해야 한다.

Claims (16)

  1. a. 극성 분자로 이루어진 유체 물질을 배출스트림으로부터 선택적으로 흡수하고 극성 분자로 이루어진 유체 물질을 산화제 유입스트림중에 탈착시키기 위한 전달 매질 코어 수단;
    b. 전달 매질 코어 수단의 대향 면에 위치해 있으며 상기 전달 매질 코어 수단을 견고하게 지지하는 것으로, 제 1 지지 시이트의 외부면이 물질전달용 복합 분리막의 유입면을 한정하고 제 2 지지 시이트의 외부면이 분리막의 배출면을 한정하는 제 1 및 제 2 강성 다공성 지지 시이트; 및
    c. 산화제 통로 및 발전장치의 배출 통로와 유체 연통하는 물질전달용 복합 분리막을 지지하고, 유입스트림이 상기 분리막의 유입면에 접촉하고 배출스트림이 분리막의 배출면에 접촉하도록 산화제 유입스트림 및 발전장치의 배출스트림과 물질이 전달되는 관계에 있는 분리막을 지지하기 위한 프레임 수단을 포함하는,
    산화제 유입스트림을 연료전지 내부로 이동시키기 위한 산화제 통로 및 배출스트림을 연료전지로부터 외부로 이동시키기 위한 장치 배출 통로를 갖는 연료전지 발전장치를 위한 물질전달용 복합 분리막.
  2. 제 1 항에 있어서,
    전달 매질 코어 수단이 이오노머 물질을 포함하는 물질전달용 복합 분리막.
  3. 제 1 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 강성 다공성 지지 시이트가 전달 매질 코어 수단을 견고하게 지지하기 위해 인테그랄 열경화성 수지를 갖는 보강 섬유 시이트를 추가로 포함하는 물질전달용 복합 분리막.
  4. 제 1 항에 있어서,
    전달 매질 코어 수단이, 극성 분자로 이루어진 유체 물질을 배출스트림으로부터 선택적으로 흡수하고 극성 분자로 이루어진 유체 물질을 산화제 유입스트림중에 탈착시키기 위한 코어 수단의 대향 면에 제 1 및 제 2 다공성 소수성 층을 포함한 3중층 코어를 포함하는 물질전달용 복합 분리막.
  5. 제 4 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 다공성 소수성 층이 각각 약 25마이크론 두께의 다공성 시이트를 추가로 포함하고, 코어 수단이 약 5 내지 10마이크론 두께의 폴리플루오로설폰산 이오노머 물질을 포함하는 물질전달용 복합 분리막.
  6. 제 1 항에 있어서,
    분리막이 분리막 유입면 및 분리막 배출면에 의해 한정된 평면으로부터 연장되는 돌출부 및 함몰부를 포함한 마운딩층으로 성형되고, 상기 돌출부와 함몰부가 상호 작용하여 다수의 유입스트림 통로와 배출스트림 통로를 한정하는 물질전달용 복합분리막.
  7. 제 1 항에 있어서,
    프레임 수단이, 산화제 유입스트림을 물질전달용 복합 분리막의 유입면 내부로 이동시킨 후 상기 유입면과 접촉되지 않도록 하고 배출스트림을 상기 분리막의 배출면 내부로 이동시킨 후 상기 배출면과 접촉되지 않도록 하며 상기 유입스트림과 배출스트림이 혼합되지 않도록 하는 매니폴드 수단을 포함하는 물질전달용 복합 분리막.
  8. a. 극성 분자로 이루어진 유체 물질을 배출스트림으로부터 선택적으로 흡수하고 극성 분자로 이루어진 유체 물질을 산화제 유입스트림중에 탈착시키기 위한 전달 매질 코어 수단;
    b. 전달 매질 코어 수단의 대향 면에 위치해 있으면서 상기 전달 매질 코어 수단을 견고하게 지지하는 것으로, 제 1 지지 시이트의 외부면이 물질전달용 복합 분리막의 유입면을 한정하고 제 2 지지 시이트의 외부면이 분리막의 배출면을 한정하는 제 1 및 제 2 강성 다공성 지지 시이트;
    c. 제 1 마운딩층의 돌출부 하나 이상이 인접한 제 2 마운딩층의 함몰부와 접촉하여서 상기 층 사이에 유입스트림과 배출스트림 통로를 한정하도록 거울상 관계로 배치된 다수의 마운딩층 복합 분리막으로 성형된 물질전달용 복합 분리막; 및
    d. 산화제 통로 및 발전장치의 배출 통로와 유체 연통하는 물질전달용 복합 분리막을 지지하고, 유입스트림이 상기 분리막의 유입면에 접촉하고 배출스트림이 상기 분리막의 배출면에 접촉하도록 산화제 유입스트림 및 발전장치의 배출스트림과 물질이 전달되는 관계에 있는 분리막을 지지하기 위한 프레임 수단을 포함하는,
    산화제 유입스트림을 연료전지 내부로 이동시키기 위한 산화제 통로 및 배출스트림을 연료전지로부터 외부로 이동시키기 위한 장치 배출 통로를 갖는 연료전지 발전장치를 위한 물질전달용 복합 분리막.
  9. 제 8 항에 있어서,
    전달 매질 코어 수단이 이오노머 분리막을 포함하는 물질전달용 복합 분리막.
  10. 제 9 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 강성 다공성 지지 시이트가 전달 매질 코어 수단을 견고하게 지지하기 위한 인테그랄 열경화성 수지를 갖는 보강 섬유 시이트를 추가로 포함하는 물질전달용 복합 분리막.
  11. 제 10 항에 있어서,
    전달 매질 코어 수단이, 극성 분자로 이루어진 유체 물질을 배출스트림으로부터 선택적으로 흡수하고 극성 분자로 이루어진 유체 물질을 산화제 유입스트림중에 탈착시키기 위한 코어 수단의 대향 면에 제 1 및 제 2 다공성 소수성 층을 포함하는 3중층 코어를 포함하는 물질전달용 복합 분리막.
  12. 제 11 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 다공성 소수성 층이 각각 약 25마이크론 두께의 다공성 시이트를 추가로 포함하고, 코어 수단이 약 5 내지 10마이크론 두께의 폴리플루오로설폰산 이오노머 분리막을 포함하는 물질전달용 복합 분리막.
  13. 제 12 항에 있어서,
    프레임 수단이, 산화제 유입스트림을 물질전달용 복합 분리막의 유입면 내부로 이동시킨 후 상기 유입면과 접촉되지 않게 하고 배출스트림을 상기 분리막의 배출면 내부로 이동시킨 후 상기 배출면과 접촉되지 않게 하며 상기 유입스트림과 배출스트림이 혼합되지 않도록 하는 매니폴드 수단을 포함하는 물질전달용 복합 분리막.
  14. a. 극성 분자로 이루어진 유체 물질을 배출스트림으로부터 선택적으로 흡수하고 극성 분자로 이루어진 유체 물질을 산화제 유입스트림중에 탈착시키기 위한 전달 매질 코어를 견고하게 지지하는 물질전달용 복합 분리막의 제 1 강성 다공성 지지 시이트에 배출스트림을 통과시키는 단계;
    b. 제 1 지지 시이트에 대향된 제 2 강성 다공성 지지 시이트에 산화제 유입스트림을 통과시키는 단계(여기서, 전달 매질 코어는 제 1 지지 시이트와 제 2 지지 시이트 사이에 위치하여 이들에 의해 지지되고, 이로써 배출스트림으로부터 흡수된 극성 분자는 제 2 지지 스트림에 의해 산화제 유입스트림중으로 탈착된다); 및
    c. 산화제 유입스트림을 연료전지로 이동시키는 단계를 포함하는,
    연료전지 발전장치의 연료전지에서 배출되는 유체중 장치 배출스트림으로부터 물질을 회수한 후 회수된 물질을 연료전지에 유입되는 산화제 유입스트림에 복귀시키는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    장치 배출스트림이 제 1 지지 시이트를 통과한 후에, 제 1 지지 시이트와 전달 매질 코어의 사이에 위치한 제 1 다공성 소수성 층을 통과하는 단계 및 산화제 유입스트림이 제 2지지 시이트를 통과한 후에 제 2 지지 시이트와 전달 매질 코어 사이에 위치한 제 2 다공성 소수성 층을 통과하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    장치 배출스트림이 제 1 강성 다공성 지지 시이트에 인접한 다수의 S형 배출스트림 통로를 통과하는 단계 및 산화제 유입스트림이 제 2 강성 다공성 지지 시이트에 인접한 다수의 S형 유입스트림 통로를 통과하는 단계를 추가로 포함하며, 상기 배출스트림 통로가 물질전달용 복합 분리막의 마운딩층의 첫 번째 면의 돌출부와 함몰부에 의해 한정되고, 유입스트림 통로가 물질전달용 복합 분리막의 마운딩층의 두 번째 면의 돌출부와 함몰부에 의해 한정되는 방법.
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