KR20050084115A - 수소 연료 전지용 각종 필터 소자 - Google Patents

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KR20050084115A
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앤드류 크리스티안 달그렌
가츠시 이소가와
로버트 오스카 넬슨
에이빈드 스티넬슨
다니엘 레오나드 투마
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도날드슨 캄파니 인코포레이티드
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Abstract

연료 전지의 애노드 및 캐소드의 여기 저기로 가스 및 물의 이동을 관리하는 필터 조립체가 제공된다. 이 조립체는 특히 휴대형 수소 연료 전지에 대한 메탄올 및 다른 액체 연료원에 적합하다. 이들 연료 전지 및 필터 소자는 전화, 개인용 계산 장치, 랩탑 컴퓨터 및 페이저와 같은 장치에 이용될 수 있다. 본 발명은 연료 전지의 외부와 캐소드 간에 선택적 투과성 장벽을 형성하는 필터 조립체를 제공한다. 필터 조립체는 미립자 및 가스 물질로의 캐소드의 노출을 관리한다. 필터 조립체는 또한 물의 이동을 관리한다. 본 발명은 또한 액체(예컨대, 메탄올 및 물)와 연료 전지의 외부 간에 선택적 투과성 장벽을 형성하는 필터 조립체를 제공한다. 필터 조립체는 애노드로부터 떨어진 액체 및 가스 물질의 이동을 관리한다.

Description

수소 연료 전지용 각종 필터 소자{VARIOUS FILTER ELEMENTS FOR HYDROGEN FUEL CELL}
본 발명은 수소 연료 전지 및, 이와 함께 사용하기 위한 각종 오염 필터에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 오염물로부터 연료 전지를 보호하고, 물을 관리하기 위해 수소 연료 전지의 산화제측 상의 필터 구성에 관한 것이다. 본 발명은 또한 메탄올 또는 다른 액체를 연료로서 사용하는 수소 연료 전지의 연료측 상의 필터 구성에 관한 것이다.
산업 분야에서는 전원으로서 연료 전지를 사용하는 것이 빠르게 성장되어 왔다. 연료 전지는, 화석 연료에 의존하지 않고, 유해하거나 손해를 주는 배출물을 제공하지 않을 시에, 친환경적인 것으로 권장받아 왔다. 연료 전지는 애노드 및 캐소드를 가진 배터리와 유사하며, 이 애노드 및 캐소드에 의해 전력이 촉매 반응을 통해 생성된다. 한 공통적인 타입의 연료 전지는 수소 연료 전지이며, 이는 연료로서 수소를 사용한다. 수소 또는 수소원은 애노드에 이용 가능하며, 여기서, 수소 전자는 자유롭게 되고, 양 전하 이온을 띤다. 자유 전자는 외부 회로를 통해 캐소드로 이동하고, 프로세스에서는, 전원으로서 사용될 수 있는 전류를 외부 전기 회로에 제공한다. 양 전하 이온은, 연료 전지 전해질을 통해 캐소드로 확산시키며, 이 캐소드에서는, 이온이 전자 및 산소와 조합하여, 물 및 이산화탄소, 프로세스의 부산물을 형성한다. 캐소드 반응을 촉진하기 위해, 촉매제가 종종 이용된다.
메탄올은 수소 연료의 공통 소스이다. 메탄올을 이용한 연료 전지는 일반적으로 직접 메탄올 연료 전지(DMFC)로서 지칭된다. 메탄올 연료 전지는 애노드와의 유체 전달 시에 액체 메탄올의 소스를 갖는다. 어떤 설계에서, 다량의 메탄올은, 원격 위치에 배치되거나 연료 전지에 유동적으로 연결되기 보다는, 애노드에 바로 인접하거나 접촉해 있다. 메탄올이 인접하면은, 특히, 랩탑 컴퓨터, 전화, 페이저 및 개인용 계산 장치와 같은 전력 휴대형 장치에 이용된 것과 같은 휴대형 메탄올 연료 전지에 유용하다.
직접 메탄올 연료 전지와 같은 휴대형 연료 전지의 타당성 및 신뢰성을 개선한 장치가 요구된다.
도 1은, 액체 메탄올 전지를 포함하는 메탄올 연료 전지, 본 발명에 따른 연료 전지 캐소드측 상의 제 1 필터 조립체 및, 본 발명에 따른 연료 전지 애노드측 상의 제 2 필터 조립체를 구비한 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1의 시스템에 적절한 한 특정 예인 휴대형 전화의 개략도이다.
도 3은 도 1의 시스템에 적절한 다른 특정 예인 개인용 계산 장치의 개략도이다.
도 4는, 애노드, 액체 메탄올 연료 및 제 2 필터 조립체를 도시한 도 1의 시스템의 일부의 개략적인 단면도이다.
도 5는 도 1의 제 1 필터 조립체의 제 1 실시예의 평면도이다.
도 6A는 도 5의 라인 6-6을 따라 취해진 제 1 필터 조립체의 단면도이다.
도 6B는 도 6A의 단면도에 유사한 선택적인 제 1 필터 조립체의 단면도이다.
도 7은 도 1의 제 1 필터 조립체의 제 2 실시예의 사시도이다.
도 8은 도 7의 라인 8-8을 따라 취해진 제 1 필터 조립체의 단면도이다.
도 9는 도 1의 제 1 필터 조립체의 제 3 실시예의 단면도이다.
본 발명은, 함께 또는 단독 또는 소정의 조합으로, 특히, 수소 연료 전지 또는 직접 메탄올 연료 전지와 같은 소형 또는 휴대형 연료 전지에 적합한 각종 필터 조립체를 제공한다. 이들 연료 전지 및 필터 소자는 전화, 개인용 계산 장치, 랩탑 컴퓨터 및 페이저와 같은 휴대형 장치에 이용될 수 있다.
본 발명은 또한 연료 전지의 산화제 또는 캐소드측 상에 배치된 필터 조립체를 제공하며, 이 필터는 환경, 통상적으로 주변 공기와 연료 전지 캐소드 간에 선택적 투과성 장벽을 형성한다. 필터 조립체는 미립자 및 가스 물질로의 캐소드의 노출을 관리한다. 필터 조립체는 또한, 캐소드 가스 및 물을 캐소드로 및 그로부터 떨어져 이동하는 것을 관리한다. 특히, 필터 조립체는 그것을 통하는 가스 및 수증기의 양방의 통과를 허용하여, 그들의 유량을 조절한다.
본 발명은 또한 메탄올 연료 전지의 애노드측 상에 배치된 필터 조립체를 제공하며, 이 필터는 유체 연료(예컨대, 메탄올)와 공기, 통상적으로 주변 공기 간에 선택적 투과성 장벽을 형성한다. 필터 조립체는 애노드로부터 떨어진 액체 및 가스 물질의 이동을 관리한다. 특히, 필터 조립체는 그것을 통하는 가스의 통과를 허용하여, 그것을 통하는 액체의 통과를 억제한다.
양호한 실시예에서, 제 1 필터 조립체는, 공기 또는 다른 산소원과 같은 바람직한 가스 분자를 캐소드로의 통과를 허용하지만, 연료 전지 성능에 영향을 미칠 수 있는 미립자 및 가스 화학적 오염물, 즉, 탄화 수소(VOC), 산성 가스(예컨대, SO2, H2S, Cl2, NOX) 및 베이스 가스(예컨대, 암모니아)와 같은 오염물의 통과를 억제한다. 제 1 필터 조립체는 또한 캐소드로부터 가스 물의 통과 및 캐소드 습도를 관리한다. 제 1 필터 조립체는 막, 바람직하게는 흡착제, 미립자 여과를 위한 막 및, 화학적 여과를 위한 흡착제를 포함한다. 제 1 필터 조립체는 또한 물 또는 수분 버퍼를 포함하여, 캐소드에서 상대 습도를 안정화시킨다.
다른 양호한 실시예에서, 제 2 필터 조립체는, 대기와 애노드 간에 그것을 통하는, 공기(산소, 질소, 아르곤 등)와 같은 가스 분자 및 이산화탄소와 같은 부산물의 통과를 허용하지만, 메탄올 및 물과 같은 액체의 통과를 억제한다. 제 2 필터 조립체는 소수성(hydrophobic) 및/또는 소유성(oleophobic) 물질을 포함하여, 선택적 투과성 장벽을 제공한다. 선택적 투과성 장벽은 바람직하게는 또한 그것을 통하는 미립자의 통과를 허용하지 않음으로써 미립자를 여과한다. 제 2 필터 조립체는 부가적으로 포름산 및 포름알데히드 등과 같은 물질을 대기 내로 방출하기보다는 흡수할 흡착제를 포함할 수 있다.
제 1 필터 조립체 및 제 2 필터 조립체의 각각은 단일 소자일 수 있거나 다수의 소자로 구성될 수 있다.
한 특정 실시예에서, 연료 전지 조립체가 제공되고, 이 조립체는, 산화제 흡기 포트 및 애노드와 유체 연결한 캐소드를 가진 휴대형 연료 전지 및, 산화제 흡기 포트 및 캐소드와 유체 연결하여 배치된 필터 조립체를 포함한다. 필터 조립체는 미립자 제거 특징물(feature), 화학적 흡착제 특징물 및 물 버퍼 특징물을 포함한다. 필터 조립체는 연료 전지 내에 구조되고 구성됨으로써, 흡기 포트를 통해 입력하는 산화제가 미립자 제거 특징물을 통과하여, 화학적 흡착제 특징물에 접촉하고, 캐소드로부터 수증기가 물 버퍼 특징물에 의해 관리되어, 캐소드에서 원하는 습도 레벨을 획득한다.
다른 특정 실시예에서, 연료 전지 조립체가 제공되고, 이 조립체는 휴대형 직접 메탄올 연료 전지 및 필터 조립체를 포함한다. 연료 전지는 캐소드, 애노드 및, 애노드와 유체 접촉한 액체 메탄올원을 가지며, 메탄올은 배기구를 가진 구역(compartment) 내에 보유되고, 이 배기구는 구역의 내부 및 구역의 외부 사이에 유체 접촉을 제공한다. 필터 조립체는 배기구 내에 배치되어, 구역의 내부 및 구역의 외부 사이에 유체 연결을 위해 구성된다. 필터 조립체는, 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리플루오르화비닐리덴(PVDF) 또는 폴리프로필렌(PP)의 막과 같은 소수성 및 소유성 특징을 포함한다.
각종 다른 실시예가 개시되고, 청구된다.
본 발명의 양호한 실시예에서, 직접 메탄올 연료 전지와 같은 휴대형 연료 전지의 캐소드측 또는 애노드측 상에 사용하기 위한 각종 필터 소자가 제공된다. 다수의 도면에서, 동일한 소자는 전체 도면을 통해 동일한 참조 번호로 명시되고, 각종 필터 소자를 포함한 시스템이 도시된다. 특히, 도 1은 장치(20) 및 소형 또는 휴대형 연료 전지(30)을 포함하는 시스템(10)을 도시한다. 여기에 이용되는 바와 같이, "휴대형" 연료는 보통 사람이 쉽게 지닐 수 있는 것이며, 사이즈가 약 6000 ㎤ 미만이고, 무게는 약 10 ㎏ 미만이며, 바람직하게는, 사이즈가 약 1000 ㎤ 미만이고, 무게는 약 2 ㎏ 미만이다. 여기에 이용된 바와 같이, "소형" 연료 전지는 약 1000 와트 미만, 바람직하게는 500 와트 미만의 정격 전력을 가진 것이다.
장치(20)는 캐소드(32) 및 애노드(34)에서 촉매 반응을 통해 연료 전지(30)에 의해 생성된 전기에 의해 가동된다. 소형 또는 휴대형 연료 전지(30)에 의해 동작하기에 적절한 장치의 예들은 셀룰러 전화, 개인용 계산 장치(PDA), 랩탑 컴퓨터, 페이저, 라디오 및, 통상적으로 배터리에 의해 가동된 다른 전자 장치를 포함한다. 연료 전지(30)에 의해 동작하기에 적절한 특정 타입의 장치(20)는 도 2 및 도 3에 도시되어 있다. 도 2는 장치(20), 특히 셀룰러 전화(22)를 도시하고, 도 3은 장치(20), 특히, 핸드헬드형 개인용 계산 장치(PDA)(24)를 도시한다.
공지된 주 타입의 5개의 연료 전지가 존재하며, 연료 전지(30)는 이들 5개의 연료 전지 중 어느 것으로부터 선택될 수 있다. 양자 교환막 연료 전지(PEMFC)는 고체 고분자 전해질을 포함한다. 전력 수요의 교체(shift)를 신속히 충족하도록 이들 연료 전지의 출력을 변화시킬 능력을 가진 이들의 저온 동작, 고 전력 밀도는, 이들의 이용을 가동(powering) 차량 또는 빌딩과 같은 이동 및 정지 적용의 양방에 이상적이게 한다. PEM 연료 전지는 연료로서 수소를 사용한다. 직접 메탄올 연료 전지는 연료원으로서 메탄올 내에 제공된 수소를 이용하는 어떤 타입의 PEM 연료 전지이다. 알카리 연료 전지(AFC)는, 액체 알카리 전해질을 포함하고, 주로 스페이스 미션(space mission) 적용 시에 이용되었다. 인산 연료 전지(PAFC)는 인산 전해질을 활용하여, 현재 상업적 전력 생성에 이용된다. 용융 탄산염 연료 전지(MCFC)는 약 650 ℃의 동작 온도로 용융되는 탄산염 전해질을 포함한다. 고체 산화물 연료 전지(SOFC)는 세라믹 전해질 물질을 이용하여, 약 1000 ℃까지 동작한다. MCFC 및 SOFC의 양방은 연료로서 일산화탄소를 이용한다. 그러나, 이들 5개의 타입의 연료 전지 중 어느 것이 본 발명의 필터 조립체와 사용하기에 적합할 지라도, 바람직한 연료 전지는 PEM 연료 전지이며, 이 전지는 다목적으로 쓰이고, 소형 또는 휴대형 연료 전지로서 쉽게 이용 가능하다.
바람직한 실시예에서, 연료 전지(30)는 애노드 연료로서 수소를 이용한다. 수소 연료는 수소(예컨대, 수소 가스) 또는 선택적인 소스(예컨대, 메탄올)로서 애노드(34)에 직접 제공될 수 있다. 연료로서 수소를 이용하든지 메탄올을 이용하든 간에, 소정의 수소 연료 전지는 캐소드측 상에 배치된 본 발명의 필터 조립체로부터 이점을 획득할 것이다. 또한 액체 메탄올 연료 전지로서 지칭되는 직접 메탄올 연료 전지는, 특히, 캐소드측 상에 배치된 본 발명의 필터 조립체 및, 애노드측 상에 배치된 본 발명의 필터 조립체로부터 이점을 획득할 것이다.
직접 메탄올 연료 전지는 도 1에 도시되어 있다. 이 시스템에 이용된 특정 연료 전지에 따라, 메탄올원은 순수 메탄올이 아닐 수 있고, 오히려, 연료는, 더욱 희석되고, 더욱 농축된 용액이 알려져 있고, 이용될 수 있지만, 물에서의 메탄올의 용액, 보통 약 20-50% 메탄올일 수 있다.
수소 연료를 제공하는 메탄올(44)은, 통상적으로 액체로서, 연료 전지(30)의 애노드(34)에 공급된다. 주변 공기, 또는 다른 산소 또는 산화제원(42)은 연료 전지(30)의 캐소드(32)에 공급된다. 산소는 본래 캐소드(32)로 확산할 수 있고, (예컨대, 압축기 또는 펌프에 의해) 펌프될 수 있거나, 예컨대, 보틀 소스(bottled source)에 의해 제공될 수 있다. 전극 간에 전압을 생성하고, 전기 및 열을 발생시켜, 1차 부산물로서 물을 생성시키는 방식으로, (메탄올로부터의) 수소 및 산소는, 제각기, 애노드(34) 및 캐소드(32) 전극에 접촉한다. 75%의 연료 이용 레벨은 화학양론 레벨의 3배의 캐소드 가스 유량과 같다. 즉, 75%의 연료 이용 레벨에서, 25%의 연료 손실이, 예컨대, 캐소드로 횡단하는 연료로 인해 이루어진다. 90%의 연료 이용 레벨은 제어 상태에서 입증되었고, 이와 같은 연료 이용 레벨은 화학양론 캐소드 가스 레벨의 2배로 입증되었다. 90% 이상의 레벨 및 2배 미만의 화학양론 레벨이 획득되는 것으로 예상된다.
연료 전지(30)는 촉매를 이용하여, 수소 원자가 양자 및 전자로 분할하게 하며, 이의 각각은 캐소드에 대한 상이한 경로를 갖는다. 양자는 캐소드(32) 및 애노드(34)의 각각과 전기 접촉하여 배치된 전해질(35)를 통과한다. 전자가 수소 양자 및 산소와 재결합되어 물을 형성하는 애노드로 복귀하기 전에, 전자는 장치(20)의 전자 장치에 대한 에너지원으로서 이용될 수 있는 유용한 전류(I)를 생성시킨다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 필터 조립체(100)는, 특히 캐소드(32)측 상에서는 연료 전지(30)에 제공되고, 제 2 필터 조립체(200)는 애노드(34)측 상에 제공된다.
캐소드측 상의 필터 조립체
도 5-8에서, 제 1 필터 조립체(100)의 각종 실시예가 도시된다. 연료 전지(30)의 산화제측 상에 배치된 제 1 필터 조립체(100)는 환경, 통상적으로 주변 공기와 연료 전지 캐소드(32) 간에 선택적 투과성 장벽을 형성한다. 제 1 필터 조립체(100)는, 산소와 같은 어떤 가스 분자를 캐소드(32)로 선택적으로 통과시키고, 미립자를 캐소드(32)에 도달하지 못하게 함으로써, 미립자 및 가스 물질로의 캐소드(32)의 노출을 관리한다. 계류 중인 미국 특허 출원 제09/832,715호, 제09/879,441호, 제09/122,647호 및 제10/241,117호와, 허여된 미국 특허 제6,432,177호 및 제6,638,339호(달라스 등)(모두 여기서 참조로 포함됨)에 기술되어 있는 바와 같이, 연료 전지 캐소드는 들어오는 공기 또는 산소 스트립에서 미립자 및 화학적 오염물에 의해 성능 저하되기 쉽다. 제 1 필터 조립체(100)는 또한 캐소드(32)로부터 떨어져 물의 이동을 관리한다.
제 1 필터 조립체(100)의 제 1 실시예는 도 5 및 도 6A에 도시되어 있다. 조립체(100)는 흡착제(114)를 싸는 막(112)을 포함하며, 이들 양자 모두 조립체(100)를 통한 공기 흐름을 허용한다. 막(112)의 반대측 상에는 접착 구조체(120)가 있다(도 6A). 접착 구조체(120)는 필터 조립체(100)를 연료 전지(30) 상의 적절한 위치에 고정하기 위한 부착 메카니즘을 제공한다. 도시된 실시예에서, 접착 구조체는, 담체(121)를 샌드위치하는 접착 층(122A, 122B)을 가진 다층 구조체이다. 적당한 담체(121)는 PET이며, 이는 필터 조립체(100)에 강성을 제공한다. 도 6A에 도시된 바와 같이, 필터 조립체(100)는 접착 구조체(120)에 의해 형성된 포트(115)를 포함하여, 구조체(120)가 그것을 통한 공기 또는 다른 가스의 흐름을 억제할 시에, 흡착제(114)에 접근하도록 한다. 포트(115)의 사이즈는, 캐소드(32)로 산소의 전체 확산 속도 및 캐소드(32)로부터 떨어진 물에 영향을 주어 최적화하도록 조정될 수 있다. (막(112)과 유사하거나 상이한) 막 재료는 접착 구조체(120)과 흡착제(114) 사이에 배치되며, 이와 같은 막은 적층되거나, 흡착제(114)에 부착될 수 있다. 이런 재료는 여과력을 증진하고, 소수성을 가산하고, 및/또는 포트(115)에 의해 형성된 플레넘(plenum)을 수정할 수 있다.
필터 조립체(100)의 제 1 실시예의 선택적인 구조체는 필터 조립체(100')로서 도 6B에 도시되어 있다. 조립체(100')는 흡착제(114)를 싸는 막(112)을 포함하며, 막(112)의 반대측 상에는 접착 구조체(120')가 있다. (도시되지 않은) 부가적인 막 재료는 접착 구조체(120') 사이에 배치되어, 흡착제(114)까지 연장한다. 접착 구조체(120')는 필터 조립체(100')에 강성을 제공하기 위한 다층 구조체이지만, 필터 조립체(100')를 연료 전지(30)에 고정하기 위한 메카니즘을 제공하지 않는다. 구조체(120')는 담체(121)를 막(112) 및 흡착제(114)에 접착하는 하나의 접착 층(122B)을 갖는다. 필터 조립체(100')는 제 2 접착 구조체(130)를 포함하며, 제 2 접착 구조체(130)는, 필터 조립체(100')를 연료 전지(30) 상의 적절한 위치에 고정하기 위한 부착 메카니즘을 제공한다. 도시된 실시예에서, 접착 구조체(130)는, 담체(131)를 샌드위치하는 접착 층(132A, 132B)을 가진 다층 구조체이다. 도 6A의 필터 조립체(100)와 마찬가지로, 도 6B의 필터 조립체(100')는 접착 구조체(120')에 의해 형성된 포트(115)를 포함하여, 구조체(120')가 그것을 통한 공기 또는 다른 가스의 흐름을 억제할 시에, 흡착제(114)에 접근하도록 한다.
양방의 조립체(100, 100')의 경우, 막(112)은 그것을 통한 가스 분자의 통과를 허용하고, 일반적으로 그것을 통한 액체 및 미립자 물질의 통과를 허용하지 않는다. 막(112)에 대한 적절한 재료의 예들은, 섬유 직물 재료 또는 부직포 재료, 종이 또는 셀룰로스 재료, 또는 유리 재료를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 막(112)은 소수성, 친수성 또는 소유성 재료일 수 있지만, 막(112)은 이들 특성의 어느 것을 반듯이 갖지 않는다. 재료는 후처리와 같이 처리되어, 원하는 소수성, 친수성 또는 소유성 특성을 제공할 수 있다. 그러나, 바람직한 막(112)은 평창된 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)와 같이 소수성이다. 막(112)에 대한 적당한 다른 재료는, 폴리플루오르화비닐리덴(PVDF) 및 폴리프로필렌(PP)을 포함한다. 적절히 평창된 PTFE막의 특정 예들은, 0.1 마이크로미터 구멍을 가진 87 마이크로미터 두께의 "MD5834", 1 마이크로미터 구멍을 가진 87 마이크로미터 두께의 "EN 0701552", 0.35-0.4 마이크로미터 구멍을 가진 200 마이크로미터 두께의 "EN 0701405", 및 0.35 마이크로미터 구멍을 가진 250 마이크로미터 두께의 "EN 0701341"을 포함하며, 이들 모두는 도날드슨 컴파니사로부터 이용 가능하다. 적절한 폴리프로필렌 막의 특정 예는 0.1 마이크로미터 구멍을 가진 87 마이크로미터 두께의 "EN 0701516"이다.
또한, 양방의 조립체(100, 100')의 경우, 흡착제(114)는 VOC, 암모니아 및 SO2와 같은 탄소계 및 각종 다른 가스 분자 또는 재료를 흡수하며, 이는 막(112)을 통과할 수 있다. 흡착제(114)는 원하는 오염물을 영구히 보유할 수 있거나, 시간 외 오염물을 방출할 수 있다.
적당한 흡착제(114)의 예들은, 활성 탄소, 활성 알루미나, 분자체, 이온 교환 수지 또는 다른 기능 수지 및 고분자, 규조토, 실리카 겔 또는 점토를 포함한다. 흡착제는, 피복제, 첨가제, 함침제, 또는 선택적 흡착 또는 반응을 위한 다른 처리제를 포함할 수 있다. 함침제는 수성 또는 유기 용액을 이용하여 함침될 수 있는 무기 재료를 포함한다.
하나 이상의 흡착제(114)는 필터 조립체 내에 사용될 수 있다. 예컨대, 활성 탄소는, 탄화 수소, 산성 가스(예컨대, SO2) 및 베이스 가스(예컨대, 암모니아)를 흡착하기 위해 이용될 수 있고, 실리카 겔 또는 다른 흡습(dessicant) 재료는 촉매 반응의 부산물인 물을 캐소드(32)로부터 시스템(10)의 외부로 통과하는 것을 억제하기 위해 이용될 수 있다. 이런 물 흡수제는 흡수하거나, 물이 시스템(10)으로부터 (떨어지고, 새어 나오는 등과 같이) 방출하지 못하게 할 수 있다. 물 흡수제에 대한 적당한 재료의 일례는 실리카 겔이다. 어떤 실시예에서, 물의 흡수 보다는, 연료 전지(30)로부터 물의 방출을 관리함으로써 캐소드(32)에서의 상대 습도를 특정 레벨로 유지하는 것이 바람직할 수 있다. 캐소드(32)에서의 상대 습도의 바람직한 레벨은 보통 적어도 50%, 종종 60-100%이다. 어떤 구조체에서, 탄소 재료는, 특히 물 관리를 위한 흡습제(dessicant) 또는 다른 재료가 필요하지 않는 충분한 물 관리 특성을 제공할 수 있다.
흡착제(114)를 제공하기 위한 각종 방법이 이용될 수 있다. 한 방법에서, 흡착제(114)는 막(112) 상에서와 같은 베이스 재료 상에서 이산 패턴으로 배치될 수 있다. 흡착제(114)는, 스크린 인쇄 타입의 프로세스에 의해 침착되는 흡수 슬러리일 수 있고, 흡착제를 침착하기 위한 그와 같은 프로세스는, 예컨대, 미국 특허 제5,869,009호(Bellefeuille 등)에 개시되어 있고, 이는 여기서 참조로 포함된다. 다른 방법에서, 흡착제 시트 또는 흡착제는 흡착제(114)의 이산 피스(piece)를 형성하기 위해 전환(예컨대, 다이 컷(die cut))될 수 있다. 그 후, 이들 이산 피스는 이동되거나, 막(112) 또는 다른 다공성 담체에 도포된다. 흡착제(114) 및 필터 조립체(100, 100')를 생성하기 위한 다른 방법이 적당하다.
도 5, 6A 및 6B의 제 1 필터 조립체(100, 100')는 좁은 프로파일, 즉, 막(112) 및 흡착제(114)를 가지며, 어떠한 다른 층이 더 많은 두께를 차지하지 못한다. 통상적으로, 이와 같은 구조체는, 도 5, 6A 및 6B에 도시된 바와 같이, 약 0.25 내지 3 mm의 두께, 보통 약 0.75 mm의 두께를 갖는다. 부가적으로, 필터 조립체(100, 100')는 막(112) 및 흡착제(114)에 의해 형성되는, 일반적으로 연약한 등각성 구조를 가지며, 접착 구조체(120, 120')는 이 구조체에 약간의 강성을 제공한다.
제 1 필터 조립체(100)의 제 2 실시예는, 필터 조립체(150)로서 도 7 및 8에 도시되어 있다. 제 1 필터 조립체(150)는 환경과 연료 전지 캐소드(32) 간에 선택적 투과성 장벽을 형성하고, 그것을 통하는 (산소와 같은) 가스의 통과를 허용하며, VOC, 산성 가스, 베이스 가스 및, 그것을 통하는 미립자 오염물의 통과를 허용하지 않는다. 제 1 필터 조립체(150)는 또한, 캐소드로부터 떨어진 물의 이동을 관리한다.
필터 조립체(150)는 조립체(150)의 단단한 전체 물리적 구조를 제공하는 외부 하우징(155)을 갖는다. 통상적으로, 하우징(155)은 플라스틱이다. 하우징(150)내에는, 막(162) 및 흡착제 질량(164)가 보유된다. 막(162)은 일반적으로 하우징(155)의 최상부 상에 배치되지만, 막(162)을 보호하도록 리세스될 수 있다. 흡착제(164)는 하우징(155)내의 포켓(156) 내에 보유된다. 조립체(150)는 연료 전지(30)상의 적절한 위치에 조립체(150)를 고정하기 위한 접착 구조체(170)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 접착 구조체는 다층 구조체이고, 담체(171)를 샌드위치한 접착 층(172A, 172B)을 갖는다. 적당한 담체(171)는 PET이다. 부가적으로, 구조체(170)는 그것을 통하는 공기 또는 다른 가스의 흐름을 억제한다.
하우징(155)은, 접착 구조체(170)와 함께, 필터 조립체(150)의 외부로부터 흡착제(164)로 연장하는 공기 채널을 형성한다. 채널(165)은, 접착 구조체(170)에 의해 형성된 채널 벽의 일부를 가진 하우징(155) 내에 성형된 완곡한(tortuous) 채널이다. 접착 구조체(170) 내의 개구는 채널(165)의 제 1 단부(165A)를 형성한다. 채널(165)의 제 2 단부(165B)는 흡착제(164)에 근접하여 배치된다.
상술한 필터 조립체(100)와 마찬가지로, 필터 조립체(150)는 캐소드(32)와 외부 대기 간의 통로를 제공하는 포트 또는 배기구 상에 배치된다. 바람직하게는, 모든 공기 또는 다른 산소제원은 이런 포트 또는 배기구를 통과하여 캐소드(32)에 도달하도록 한다.
필터 조립체(150)는 공기 또는 다른 산소원과 같은 바람직한 가스 분자를 캐소드로의 통과를 허용하지만, 연료 전지 성능에 영향을 미칠 수 있는 미립자 및 가스 화학적 오염물의 통과를 억제한다.
막(162)은 그것을 통한 가스 분자의 통과를 허용하지만, 미립자 오염물의 통과를 억제한다. 막(162)에 대한 적절한 재료의 예들은, 섬유 직물 재료 또는 부직포 재료, 종이 또는 셀룰로스 재료, 또는 유리 재료를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 막(162)은 소수성, 친수성 또는 소유성 재료일 수 있지만, 막(162)은 이들 특성의 어느 것을 반듯이 갖지 않는다. 그러나, 바람직한 막(162)은 평창된 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)와 같이 소수성이다. 막(162)에 대한 적당한 다른 재료는 폴리플루오르화비닐리덴(PVDF) 및 폴리프로필렌(PP)을 포함한다.
필터 조립체(150)는 고분자 개방 스크린 또는 직물 재료, 또는 부직포 재료의 층과 같은 재료의 부가적인 층을 포함할 수 있다. 제 1 필터 조립체(150)의 층은 어떤 유형의 직물 또는 부직포 재료일 수 있으며, 이 재료는 어떤 흡착제(164)에 상당히 단단하지만, 그것을 통하는 (산소와 같은) 가스의 통과를 허용함을 알 수 있다. 이들 층은, 원하는 재료의 특성에 따라 단일 또는 다수의 플라이(ply)일 수 있다.
흡착제(164)는 산소 또는 질소와 같은 가스의 통과를 허용하지만, 탄화 수소(VOC), 산성 가스(예컨대, SO2, H2S, Cl2, NOX) 및 베이스 가스(예컨대, 암모니아)를 흡수한다. 흡착제(164)는 오염물을 영구히 보유할 수 있거나, 시간 외 오염물을 방출할 수 있다. 흡착제(164)는 또한 캐소드(32)의 여기 저기로 이동하는 물 또는 수증기를 관리할 수 있다.
흡착제(164)에 대한 적당한 재료의 예들은, 활성 탄소, 활성 알루미나, 분자체, 이온 교환 수지 또는 다른 기능 수지 및 고분자, 규조토, 실리카 겔 또는 점토를 포함한다. 흡착제는, 피복제, 첨가제, 함침제, 또는 선택적 흡착 또는 반응을 위한 다른 처리제를 포함할 수 있다. 함침제는 수성 또는 유기 용액을 이용하여 함침될 수 있는 무기 재료를 포함한다. 하나 이상의 재료가 흡착제(164) 내에 사용될 수 있다.
흡착제 질량(164)를 제공하기 위한 각종 방법이 이용될 수 있다. 한 방법에서, 흡착제 입자의 질량은 다량의 재료를 형성하기 위해 성형된다. 입자들은 고분자 결합제 또는 다른 수단에 의해 함께 보유될 수 있다. 성형된 흡착제의 각종 구조체 및 제조 방법은 미국 특허 제6,146,446호(Tuma 등), 제6,168,651호(Tuma 등) 및 제6,491,741호(Tuma 등)에 개시되어 있으며, 이들 모두는 여기서 참조로 포함된다.
채널(165)은 또한 그것을 통하는 가스의 통과를 허용하지만, 그들의 확산을 제한하며, 이런 식으로, 채널(165)은 캐소드(32)로 산소와 같은 가스의 확산 속도를 버퍼한다. 마찬가지로, 채널(165)은 그것을 통하는 수증기의 통과를 허용하지만, 확산을 제한하며, 이런 식으로, 채널(165)은 캐소드(32)로부터 떨어진 물의 확산 속도를 버퍼함으로써, 캐소드(32)에서의 원하는 상대 습도가 유지된다. 채널(165)의 전체 사이즈(길이, 단면 영역, 기하학적 형상 등)는, 캐소드(32)로의 산소 및 캐소드(32)로부터 떨어진 물의 전체 확산 속도에 영향을 미치도록 조절될 수 있다. 미국 특허 제4,863,499호(Osendorf 등), 제5,997,614호(Tuma 등) 및 제6,491,741호(Tuma 등)의 모두는 여기에 포함되고, 필터 조립체(150) 또는 그의 변형에 포함하기에 적당한 완곡한 채널의 각종 형태를 기술하고 있다.
제 1 필터 조립체(100)의 제 3 실시예는, 필터 조립체(180)로서 도 9에 도시되어 있다. 제 1 필터 조립체(180)는 환경과 연료 전지 캐소드(32) 간에 선택적 투과성 장벽을 형성하고, 그것을 통하는 가스의 통과를 허용하며, VOC, 산성 가스, 베이스 가스 및, 그것을 통하는 미립자의 통과를 허용하지 않는다. 제 1 필터 조립체(180)는 또한, 캐소드로부터 떨어진 물의 이동을 관리한다.
필터 조립체(180)는, 정전 또는 막 여과 매체(196) 및 보호 스크림(scrim)의 2개의 층 간에 캡슐화된 흡착제 요소(194)를 갖는다. 특히, 흡착제 요소(194)는 여과 매체(196a, 196b)에 의해 피복되고 나서, 보호 스크림(192a, 192b)에 의해 피복된다.
상술한 필터 조립체(100) 및 필터 조립체(150)와 마찬가지로, 필터 조립체(180)는 캐소드(32)와 시스템(10)의 외부 대기 간의 통로를 제공하는 포트 또는 배기구 상에 배치된다. 바람직하게는, 모든 공기 또는 다른 산소제는 이런 포트 또는 배기구를 통과하여 캐소드(32)에 도달하도록 한다.
보호 스크림(192)은 또한 그것을 통하는 가스 분자의 통과를 허용하지만, 미립자 오염물의 통과를 억제한다. 스크림(192)을 통한 압력 강하는 일반적으로 최소이다. 보호 스크림(192)에 대한 적절한 재료의 예들은, 섬유 직물 재료 또는 부직포 재료, 종이 또는 셀룰로스 재료, 또는 유리 재료를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 보호 스크림(192)은 소수성, 친수성 또는 소유성 재료일 수 있지만, 스크림(192)은 이들 특성의 어느 것을 반듯이 갖지 않는다. 바람직한 보호 스크림(192)은, 명칭 "EN 0701457" 하에 도날드슨 컴파니사로부터 이용 가능한 직물 폴리에스테르 스크림이다. 다른 적당한 보호 스크림(192)은, 명칭 "EN 0701232" 하에 도날드슨으로부터 이용 가능한 부직포 폴리에스테르 스크림이다.
정전 매체 또는 막(196)은, 흡착제(194)를 보유하고, 그것을 통하는 가스 분자의 통과를 허용하지만, 미립자 오염물의 통과를 억제한다. 매체 또는 막(196)에 대한 적절한 재료의 예들은, 섬유 직물 재료 또는 부직포 재료, 종이 또는 셀룰로스 재료, 또는 유리 재료를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 다수의 층 또는 재료는 적층될 수 있거나, 층(196)을 형성하기 위해 제공될 수 있다. 바람직한 매체 또는 막(196)은 아크릴/폴리프로필렌 혼합물이다.
흡착제(194)는, 흡착제(114) 및 흡착제(164)와 유사하며, 산소 또는 질소와 같은 가스의 통과를 허용하지만, 탄화 수소(VOC), 산성 가스 및 베이스 가스를 흡수한다.
필터 조립체(180)는 연료 전지 조립체에 보다 더 적절하고, 이 연료 전지 조립체는, 이와 같은 조립체가 캐소드에 산소를 제공하기 위해 확산에 의존하지 않을 시에, 구동 또는 가압 산화제 흐름(예컨대, 펌프된 공기)을 이용한다. 조립체(180)와 유사한 필터 조립체에 관한 부가적인 상세 사항은, 예컨대, 미국 특허 제5,997,618호 및 제6,077,335호(Isogawa 등)에서 검색될 수 있고, 이들 양자 모두는 여기서 참조로 포함된다.
상술하고, 도 5, 6A, 6B, 7, 8 및 9에 도시된 제 1 필터 조립체(100)의 실시예에서, 필터 조립체는 단일 유닛이었다. 필터 조립체는 다수의 유닛으로 구성될 수 있다. 예컨대, 제 1 유닛은, 그것을 통하는 가스 확산을 제공하지만, 그것을 통하는 미립자를 억제하며, 배기구 위에 배치될 수 있다. 예컨대, 흡착제를 가져, 화학적 오염물을 흡수하고, 습도를 조절하는 제 2 유닛은 배기구로부터 멀리 떨어진 위치에 배치될 수 있다. 공기 입구 배기구로부터 멀리 떨어져 배치될 수 있는 흡착제 부분의 예들은, 미국 특허 제5,876,487호(Dahlgren 등), 제6,143,058호(Dahlgren 등) 및 제6,214,095호(Logan 등)에 개시된 것을 포함하며, 이들 모두는 여기에 포함된다.
애노드측 상의 필터 조립체
도 1에서, 연료 전지(30)의 애노드측은 제 2 필터 조립체(200)를 포함한다. 제 2 필터 조립체(200)는 그것을 통하는, 산소, 질소, 이산화탄소 등과 같은 가스 분자의 통과를 허용하지만, 메탄올과 같은 액체가 그것을 통과하지 못하게 하도록 구성되고 배치된다. 제 2 필터 조립체(200)는, 일반적으로, 연료 전지(30)로부터 연료, 물 등의 통과를 허용하지 않지만, 대기 물질 및 연료 전지 반응 부산물의 통과를 허용한다.
도 4는 연료 전지의 일부의 확대도로서, 특히, 용기 내의 메탄올원(50)이 제 2 필터 조립체(200)와 함께 도시되어 있다. 용기(50)는 액체 메탄올을 보유하고, 애노드(34)에 인접하여 구성되며, 선택적으로, 애노드(34)는 용기(50)의 내부 체적을 정하는 벽을 형성할 수 있다. 내부 표면(51) 및 외부 표면(53)을 가진 용기(50)는다량의 액체 메탄올(44) 및 가스 이산화탄소(46) 및 다른 가스 물질을 보유한다. 이산화탄소(46)는 애노드(34)에서 반응의 부산물이다. 용기(50)는 그 내에 적어도 하나의 개구(55)를 가지며, 이 개구는 용기(50)의 내부 체적과 시스템(10)의 외부 사이에 배기구를 제공한다. 도 4에 도시된 실시예에서, 용기(50)는 3개의 개구를 포함한다. 용기(50)으로부터의 메탄올의 용도로 인해, 용기(50)는 메탄올의 첨가를 위한 포트를 포함하거나, 용기(50)는 캐소드(34)와 관계로부터 제거 및 교체 가능할 수 있어, 사용된(spent) 용기(50)를 새로운 또는 풍부한 용기(50)으로 교체할 수 있다.
용기(50)의 개구(55)에 제공된 제 2 필터 조립체(200)는 메탄올(44)과 시스템(10)의 외부 사이에 선택적 투과성 장벽을 제공한다. 바람직하게는, 제 2 필터 조립체(200)는 산소, 질소 및 이산화탄소와 같은 가스 분자의 통과를 허용한다. 포름산 및 포름알데히드와 같이, 애노드(34)에서의 반응의 부산물은 또한 제 1 필터 조립체(100)를 투과한다. 제 2 필터 조립체(200)는 용기(50)의 내부 표면(51) 또는 외부 표면(53) 상에 배치되어 고정될 수 있다.
제 2 필터 조립체(200)의 바람직한 구성은 막 필터이며, 이는 또한 일반적으로 소수성 및/또는 소유성 물질로 제조되는 라벨 필터로서 지칭된다. 소수성 및/또는 소유성 물질은 그것을 통하는 가스 분자의 통과를 허용하지만, 그것을 통하는 액체 메탄올과 같은 액체의 통과를 허용하지 않는다. 적당한 재료의 예들은, 평창된 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리프로필렌 및 폴리플루오르화비닐리덴(PVDF)을 포함하며, 이들 재료는 그것을 통하는 완곡한 구멍 또는 통로를 가진다. 이들 재료는 소수성 및/또는 소유성 특성을 증대시키는 후 처리제 또는 다른 피복제를 포함할 수 있다.
PTFE는, 브랜드명 "Tetratex" 하에 도날드슨 컴파니사 및, 브랜드명 "Gore Tex" 하에 W.L. Gore & Assoc.로부터 상업적으로 이용 가능하다. PTFE는 여러 구멍 사이즈를 가진 다수의 두께로 이용 가능하다. 제 2 필터 조립체(200)에 대한 소수성 및/또는 소유성 재료의 바람직한 두께는 약 12-260 마이크로미터이다. 이와 같은 두께를 가진 재료의 경우, 0.1-2 마이크로미터의 구멍이 적절하고, 0.05 마이크로미터 만큼 작은 구멍 및 0.01 마이크로미터도 적절할 수 있다.
적절히 평창된 PTFE막의 특정 예들은, 0.1 마이크로미터 구멍을 가진 87 마이크로미터 두께의 "MD5834", 0.2 마이크로미터 구멍을 가진 87 마이크로미터 두께의 "MD5897", 0.7 마이크로미터 구멍을 가진 87 마이크로미터 두께의 "EN 0701417", 1 마이크로미터 구멍을 가진 87 마이크로미터 두께의 "EN 0701552", 0.35-0.4 마이크로미터 구멍을 가진 200 마이크로미터 두께의 "EN 0701405", 및 0.35 마이크로미터 구멍을 가진 250 마이크로미터 두께의 "EN 0701341"을 포함하며, 이들 모두는 도날드슨 컴파니사로부터 이용 가능하다. 적절한 폴리프로필렌 막의 특정 예는 0.1 마이크로미터 구멍을 가진 87 마이크로미터 두께의 "EN 0701516"이다. 적절한 PVDF 막의 특정 예는 1 마이크로미터 구멍을 가진 87 마이크로미터 두께의 "MD 5915"이다. "MD 5915", "EN 0701341" 및 "EN 0701516"는 소유성 처리로 이용 가능하여, 메탄올의 리펠런스(repellence)를 증대시킨다.
바람직하게는, 제 2 필터 조립체(200)는 용기(50) 내의 전체 개구(55)를 피복하여, 고체 밀봉을 제공하도록 내부 표면(51) 또는 외부 표면(53)으로 약간 연장시킨다. 바람직하게는, 제 2 필터 조립체(200)는 개구(55)를 지나 약 1 내지 10 mm 연장시킨다.
접착제는 일반적으로 제 2 필터 조립체(200)를 용기(50), 내부 표면(51) 또는 외부 표면(53)에 고정시킨다. 접착제가 내부 표면(51)에 도포되도록 구성되면, 액체 메탄올과 접촉하여, 접착제는 메탄올에 저항하고, 제 2 필터 조립체(200)의 의도된 동작 수명을 저하, 가용화 또는 용해하지 않는다. 릴리스 라이너(release liner) 또는 다른 피일 가능(peelable) 층은 제 2 필터 조립체(200)를 배치하기 전에 접착제 상에 제공될 수 있고, 릴리스 라이너는 필터를 용기(50) 상의 적절한 위치에 부착하기 전에 제거된다. 제 2 필터 조립체(200)를 용기(50)에 고정하는 다른 메카니즘은 또한 이용될 수 있고, 필터 조립체(200)는 열 본딩(예컨대, 초음파 본딩 또는 히트) 또는 기계적 수단에 의해 고정될 수 있다.
제 2 필터 조립체(200)는 흡착제 또는 흡착제 재료를 포함할 수 있다. 이와 같은 흡착제는, 물질을, 필터 조립체(200)를 통해 대기로 통과시키기 보다는 흡착하기 위해 포함될 수 있다. 예컨대, 포름산 및 포름알데히드(formadehyde), 애노드(34)에서의 반응의 부산물은 흡착제에 의해 흡착된다. 어떠한 흡착제는 원하는 오염물을 영구히 보유하거나, 시간 외 오염물을 방출할 수 있다. 흡착제는, 피복제, 첨가제, 함침제, 또는 오염물과 반응하는 다른 처리제를 포함하여, 이들을 중화시킬 수 있다. 적당한 흡착제의 예들은, 활성 탄소, 활성 알루미나, 분자체, 이온 교환 수지 또는 다른 기능 수지 및 고분자, 규조토, 실리카 겔 또는 점토를 포함한다. 어떤 흡착제는 바람직하게는 흡착제를 포함하도록 소수성 재료와 같은 재료에 의해 싸이거나 둘러싸인다.
필터 조립체(100, 100', 150)가 원형 또는 원통형으로 도시되었지만, 제 1 필터 조립체 및 제 2 필터 조립체, 또는 그의 어떤 부분은 타원형, 직각형, 8각형, 별형 등과 같이 어떤 적당한 기하학적 형상 또는 외형 형상일 수 있음을 알 수 있다.
부가적으로, 필터 조립체(100, 100', 150)가 단일 배기구 또는 포트(115, 165)를 갖는 것으로 도시되었지만, 어떤 제 1 필터 조립체 또는 제 2 필터 조립체는 다수의 배기구 또는 포트를 가질 수 있는 것으로 이해된다.
필터 조립체의 각종 특정 예들은 아래에 제공된다.
예시적인 필터 조립체
예 1. 도 5 및 6A에 도시된 실시예와 유사한 적당한 제 1 필터 조립체(100)의 특정 예가 제공된다. PTFE 및 폴리에틸렌에 의해 사전 적층되고, 기본 재료에 의해 함침되는 활성 탄소 재료(114)는 한 시트(sheet)의 재료로부터 8.5 mm의 직경을 가진 원형으로 다이 컷(die cut)되었다. 흡착제 도트(114)는, 약 200 마이크로미터의 두께 및, 약 0.35 마이크로미터의 구멍 사이즈를 가진 평창된 PTFE의 층(112)으로 피복되었다. 이와 같은 PTFE 재료는 명칭 EN0701405 하에 도날드슨 컴파니사로부터 이용 가능하다. 계층 구조체는 11.9 mm 직경의 원형으로 다이 컷되었다. 압력 감지 접착제는 PTFE의 반대측에 도포되어, 6.4 mm의 내부 직경을 가진 고리형 접착 영역을 제공하였다. 필터 조립체의 전체 두께는 약 0.75 mm이었다. 실리콘없는 릴리스 라이너는 PSA 상에 제공되었다. 여기에 기술된 단계는 교번 순서로 행해질 수 있다.
이와 같은 필터 조립체(100)는, 명칭 "Adsorbent Breather Filter" 또는 "ABF" 하에 도날드슨 컴파니사로부터 상업적으로 이용 가능하다. "ABF" 필터는, 직경이 10 내지 100 mm로서, 도날드슨으로부터 이용 가능하다.
예 2. 도 7 및 8에 도시된 실시예와 유사한 적당한 제 1 필터 조립체(150)의 다른 특정 예가 제공된다. 활성 탄소는 흡착제 질량(164)을 제공하도록 태블릿(tablet) 내에 성형된다. 이 태블릿은, 개방측의 대향측에 성형된 확산 채널을 가진 5개의 측면 직각형의 플라스틱 하우징(155) 내에 배치되었다. 약 25 마이크로미터의 두께 및, 약 1.5 마이크로미터의 구멍 사이즈를 가진 PTFE 막(162)의 한 피스는 태블릿 위에 배치되었다. 압력 감지 접착제는 확산 채널(165)을 가진 하우징의 측면에 부착되고, 채널의 단부(165A)를 피복하지 않았다. 여기에 기술된 단계는 교번 순서로 행해질 수 있다.
이와 같은 필터 조립체(150)는, 명칭 "Adsorbent Breather Assembly" 또는 "ABA" 하에 도날드슨 컴파니사로부터 상업적으로 이용 가능하다. "ABA" 필터는, 치수가 4 내지 50 mm(폭, 길이 및 높이)로서, 도날드슨으로부터 이용 가능하다. 원통형 "ABA" 필터는 또한, 치수가 4 내지 50 mm(직경), 4 내지 15 mm(높이)로서, 이용 가능하다. 각종 기하학적 형상이 이용 가능하다.
예 3. 도 9에 도시된 실시예와 유사한 적당한 제 1 필터 조립체(180)의 다른 특정 예가 제공된다. 구슬형 활성 탄소는 흡착제 질량(194)을 제공하도록 다이 컷되었다. 질량(194)은 흡착제 질량의 각 측면 상에 아크릴/폴리프로필렌 다층 정전 여과 매체(196)로 피복되었다. 약 127 마이크로미터의 두께를 가진 직물 폴리에스테르 스크림의 층(192)은 각 여과 매체층 위에 배치되었다. 여과 매체 층 및 스크림의 에지(edge)는 초음파 용접에 의해 밀봉되어, 주변 밀봉을 흡착제 질량(194) 주변에 형성하였다.
이와 같은 필터 조립체(180)는, 명칭 "Adsorbent Recirculation Filter" 또는 "ARF" 하에 도날드슨 컴파니사로부터 상업적으로 이용 가능하다. "ARF" 필터는, 치수가 4 내지 10 mm(폭 및 길이)이고, 전체 두께가 약 2 내지 20 mm이며, 약 1 내지 5 mm의 밀봉에서의 외부 주변 두께로서, 도날드슨으로부터 이용 가능하다. 각종 기하학적 형상이 이용 가능하다.
예 4. 적당한 제 2 필터 조립체(200)의 특정 예가 제공된다. 약 200 마이크로미터의 두께 및, 약 0.35 마이크로미터의 구멍 사이즈를 가진 평창된 PTFE 막(112)는 4.4 mm의 직경을 가진 원형 형상으로 다이 컷되었다. 이와 같은 PTFE 재료는 명칭 EN0701405 하에 도날드슨 컴파니사로부터 이용 가능하다. 압력 감지 접착제는 원형 주변에 부착되어, 1.5 mm의 내부 직경을 가진 고리형 접착 영역을 제공하였다. 필터 조립체의 전체 두께는 약 0.75 mm이었다. 여기에 기술된 단계는 교번 순서로 행해질 수 있다.
이와 같은 필터 조립체(200)는, 명칭 "Standard Breather Filter" 또는 "SBF" 하에 도날드슨 컴파니사로부터 상업적으로 이용 가능하다. "SBF" 필터는, 직경이 4 내지 100 mm로서, 도날드슨으로부터 이용 가능하다. 각종 기하학적 형상이 이용 가능하다.
예 5. 흡착제 재료를 포함하는 적당한 제 2 필터 조립체(200)의 특정 예는, 예 1에서 상술한 바와 같이, ABF이다.
상술한 설명 및 예들은 연료 전지에 사용하기 위한 광범위한 특정 예들의 필터 조립체를 제공하였다. 본 발명의 많은 특징 및 이점이, 본 발명의 구조 및 기능의 상세 사항과 함께, 상술되었지만, 본 기술은 단지 설명을 위한 것이고, 첨부한 청구범위가 규정되는 항목의 일반적인 의미에 의해 표시된 전체 범위까지 본 기술의 원리 내에서 재료의 타입 및 부품의 형상, 사이즈 및 배치 문제에서 변형이 상세하게 행해질 수 있음을 이해하게 된다.

Claims (20)

  1. (a) 산화제 흡기 포트 및 애노드와 유체 연결된 캐소드를 가진 휴대형 연료 전지; 및
    (b) 산화제 흡기 포트 및 캐소드와 유체 연결하여 배치되며,
    (i) 미립자 제거 특징물(feature) 및 화학적 흡착제 특징물 중 적어도 하나; 및
    (ii) 물 버퍼 특징물
    을 포함하는 필터 조립체
    를 포함하고,
    (c) 상기 필터 조립체는 상기 연료 전지 내에 구조되고 구성됨으로써, 상기 흡기 포트를 통해 입력하는 산화제가 상기 필터 조립체를 통과하고, 캐소드로부터 수증기가 물 버퍼 특징물에 의해 관리되어, 원하는 습도 레벨을 획득하는, 연료 전지 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터 조립체는 상기 미립자 제거 특징물 및 상기 화학적 흡착제 특징물 모두를 포함하는, 연료 전지 조립체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 필터 조립체는 상기 미립자 제거 특징물, 상기 화학적 흡착제 특징물 및 상기 물 버퍼 특징물을 가진 일부(one portion)를 포함하는, 연료 전지 조립체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 필터 조립체는 하우징을 포함하고, 상기 미립자 제거 특징물, 상기 화학적 흡착제 특징물 및 상기 물 버퍼 특징물이 상기 하우징 내에 보유되는, 연료 전지 조립체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 하우징은 확산 채널의 적어도 일부를 한정하는, 연료 전지 조립체.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 필터 조립체는 상기 미립자 제거 특징물을 가지는 제 1 부분 및, 상기 화학적 흡착제 특징물 및 상기 물 버퍼 특징물을 가지는 제 2 부분을 포함하는, 연료 전지 조립체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 미립자 제거 특징물은 막인, 연료 전지 조립체.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 막은 PTFE인, 연료 전지 조립체.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 막은 PVDF인, 연료 전지 조립체.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 화학적 흡착제 특징물은 활성 탄소를 포함하는, 연료 전지 조립체.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 화학적 흡착제 특징물은 함침된 활성 탄소를 포함하는, 연료 전지 조립체.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지는 전자 장치에 접속되어, 상기 전자 장치에 전력을 제공하는, 연료 전지 조립체.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 전자 장치는 셀 전화, 개인용 계산 장치 또는 랩탑 컴퓨터 중 하나인, 연료 전지 조립체.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 휴대형 연료 전지는 2 kg 미만의 중량을 가지는, 연료 전지 조립체.
  15. (a) 휴대용 직접 메탄올 연료 전지로서,
    (i) 캐소드,
    (ii) 애노드 및,
    (iii) 상기 애노드와 유체 접촉되는 액체 메탄올원으로서, 상기 메탄올은 배기구를 가진 구역 내에 보유되고, 상기 배기구는 상기 구역의 내부 및 상기 구역의 외부 사이의 유체 접촉을 제공하는, 액체 메탄올원
    을 포함하는 휴대용 직접 메탄올 연료 전지; 및
    (b) 상기 배기구 내에 배치되고, 상기 구역의 내부 및 상기 구역의 외부 사이에 유체 연결을 위해 구성되며, 선택적으로 투과 가능한 소수성 및/또는 소유성 특징물을 포함하는 필터 조립체
    를 포함하는 연료 전지 조립체.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 선택적으로 투과 가능한 소수성 및/또는 소유성 특징물은 막인, 연료 전지 조립체.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 막은 PTFE인, 연료 전지 조립체.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 막은 PVDF인, 연료 전지 조립체.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 필터 조립체는 흡착제 특징물은 더 포함하는, 연료 전지 조립체.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 휴대형 연료 전지는 2 kg 미만의 중량을 가지는, 연료 전지 조립체.
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