KR20060092246A

KR20060092246A - 연료전지의 양극에 공급되는 액체 흐름에서 연료 농도를증가시키는 장치와 방법

Info

Publication number: KR20060092246A
Application number: KR1020067007543A
Authority: KR
Inventors: 안데르센 오데가드; 크리스토퍼 헤블링
Original assignee: 프라운호퍼-게젤샤프트 추르 푀르데룽 데어 안제반텐 포르슝 에 파우
Priority date: 2003-10-21
Filing date: 2004-10-21
Publication date: 2006-08-22
Also published as: DE10348879A1; EP1675674A1; US20070125696A1; WO2005039748A1; JP2007509472A; DE10348879B4

Abstract

본 발명은 연료전지 기술분야에서 연료를 알콜 직접 연료전지의 양극으로 공급하는 장치와 방법에 관한 것이다. 본 발명의 장치는 연료를 저장하는 연료 저장장치와, 관통 유동장치를 포함하고, 관통 유동장치의 벽은 적어도 부분적으로 연료가 침투가능한 막으로 구성되고, 연료와 운반성분의 혼합물은 연료 저장장치를 통하여 유도되고, 혼합물에서의 연료의 농도가 침투가능한 막 벽을 통한 연료의 확산에 의하여 증가된다.

Description

연료전지의 양극에 공급되는 액체 흐름에서 연료 농도를 증가시키는 장치와 방법{DEVICE AND METHOD FOR INCREASING THE CONCENTRATION OF FUEL IN A LIQUID FLOW SUPPLIED TO THE ANODE OF A FUEL CELL}

본 발명은 연료전지 기술분야에서 연료전지의 양극으로 희석된 연료를 공급하는 장치와 방법에 관한 것이다. 연료전지는 전기 에너지를 얻기 위하여 전기화학적 반응을 이용하는 장치이다. 과거 수십년 동안, 연료전지는 큰 주목을 받아왔다. 이것은 현재의 에너지 발생 시스템과 비교하여 폐가스와 폐기물의 전체적인 감소와 높은 잠재적 에너지 밀도에 기인한 것이다. 이러한 특성으로 인하여, 연료전지에 의한 에너지 발생 범위는 소형 휴대장치로부터 대형 에너지 발생장치에 이른다. 연료전지의 성분으로 사용되는 재료와 장치에 따라, 많은 재료가 전지용 연료로서 사용될 수 있다. 연료전지의 높은 에너지 밀도 때문에, 메탄올 또는 포름알데히드와 같은 유기재료 등이 연료로서 주목받는 후보들이다.

연료전지는, 전해 이온 도체에 의하여 서로 분리된 반응챔버에서 서로 별개로 발생되는 두 가지의 전기화학적 반응으로 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환 한다. 수소 작용의 폴리머 전해질 막 연료전지(PEMFC)에서, 수소는 양극에서 산화되어 양자(proton)로 된다. 양자는 전해질 막을 통하여 음극으로 이동하는 반면, 전자는 막의 전기절연 특성 때문에 거기에 체류하거나 또는 외부의 전기 회로로 이동하게 된다. 음극에서는 산소가 전자와 양자에 의하여 물로 환원되고, 물은 수소 작용 PEMFC의 유일한 방출물이다.

오늘날 소형 전자장치에서 사용되는 충전가능한 배터리를 연료전지가 대체할 것으로 기대된다. 예를 들어, 휴대용 컴퓨터와 같은 휴대용 전자장치 분야에서, 연료전지가 나타내는 바와 같은 고에너지 밀도의 에너지 공급장치가 매우 바람직하고, 이것은 이 분야에서 배터리 충전에 필요한 부적절한 시간으로 인하여 불편하기 때문이다. 휴대용 컴퓨터 시스템용의 연료전지의 구체적인 예는 폴리머 전해질 막 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와 메탄올 직접 연료전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)가 있다. 상기 PEMFC는 수소로 작용하고, 고에너지 밀도를 갖지만, 불만족스러운 연료저장과, 열 및 물 처리와 같은 만족스럽게 해결되지 않고 있는 고려되어야 안정성과 같은 문제점이 있고, 여기에 적용되는 수소 분위기에서의 사용에 적합한 재료의 개발도 문제이다. 다른 한편으로, DMFC는 예를 들어 메탄올의 전해질 막 통과와 같은 연료 이동의 방해와 반응운동에 대한 문제점 때문에 보다 낮은 에너지 밀도를 갖는다. DMFC의 주요한 장점은 고에너지 밀도를 갖는 연료(메탄올)의 간편한 저장과, 전체 시스템의 구조의 단순함이다. DMFC에서, 양극에서의 전기화학적 반응은 메탄올과 물의 이산화탄소(CO₂)와, 수소이 온(H+) 및 전자(e-)로의 변환이다. 수소이온은 전해질로서 폴리머나 플라스틱 재료의 막을 통하여 음극으로 이동하는 한편, 자유 전자는 통상적으로 양극과 음극 사이에 연결되는 수용가장치(consumer unit)를 통하여 이동한다. 음극에서, 산소는 수소이온과 자유 전자와 반응하여 물을 형성한다. 그러므로, DMFC의 배출물은 오직 이산화탄소와 물만 포함한다. 그러한 메탄올 직접 연료전지는 예를 들어 미국 특허공보 US 5,599,638호에 개시되어 있다.

최근 수년간, 휴대용 장치용 연료전지 시스템의 여러 표준이 나타나고 있다. 그러나, 비교적 소용량의 에너지를 발생하는 배터리나 장치에 필적할 수 있게 하기 위하여 개발 노력이 더욱 필요하다. 높은 잠재적 에너지 밀도를 사용가능하게 하기 위하여(연료를 양극으로 공급하는), 더 나은 배터리 저장과 공급 시스템이 필요하다. 이 때, 개발 초점은 시스템 측면에, 예를 들어 안정된 작동을 가능하게 하는 제어 루틴의 개발과 적당한 구성 부품의 선택에 있다.

운반성분과 연료의 혼합물에서 연료전지용으로 의도된 연료농도를 변경시키는 장치는 본 기술분야에 이미 알려져 있다. 국제특허 WO 02/14212 A1은 물과 함께 연료를 혼합하는 방법과 관련 장치 및 이들의 사용에 대하여 개시하고 있다. 연료전지의 전력 제어를 확실하게 하기 위하여, 필수적으로 연료 혼합물을 정의된 유속으로 사용하여야 한다. 상기 특허에 따라 연료 혼합물을 생산하기 위하여, 적어도 여러 부분에서 다공질 재료로 만들어진 벽을 포함하는 중공체(hollow body)를 통하여 물을 펌핑하고, 연료는 한정된 유속으로 다공성 벽의 타측 영역으로 공급된다. 연료는 압력차로 인하여 다공성 벽의 전체 표면에 걸쳐 다공성 벽을 통과하고 침투 하여 균일한 혼합물로 된다. 해당 장치(10,20)에서, 중공체(1,21)의 적어도 다른 부분은 다공성 벽(2,22)을 갖는다. 이러한 형태의 장치는 작동 온도와 작동 압력이 미리 설정될 수 있는 메탄올 직접 연료전지(DMFC)에 사용되는 것이 바람직하다.

미국 특허 US 3,833,016호는 가스 샘플의 엄격한 제어가능한 확산을 위한 장치를 개시하고 있다. 예를 들어 폐가스와 같은 농축된 가스는 예를 들어 테플론으로 만들어진 침투가능한 막을 통하여 제어된 확산이 일어나도록 하여 고정밀도로 확산된다. 막은 원통축에 대하여 직각인 원통 형상의 하우징(housing) 속으로 도입되어 하우징을 두 부분으로 분할한다. 상기 하우징의 두 부분의 각각에는, 종 형상(bell-shaped)의 코어가 도입됨으로써, 그 단부 벽이 막으로부터 이격되어서 막의 양측에 가스 유동 통로를 형성하고, 상기 통로는 원통축에 대하여 가로방향으로 연장되어 가스가 막을 지나 유동할 수 있게 한다. 종 형상의 코어의 측벽은 원통형의 하우징으로부터 이격되어서 환형의 단면을 가지는 길이방향의 가스 유동 통로를 형성한다. 가스는 각각의 길이방향의 유동 통로를 통하여 안내되고, 각각의 코어의 단부 벽을 관통하여 연장된 파이프의 도움으로 각각의 가로방향의 통로를 통하여 안내된다. 전기가열요소가 하우징의 측벽에 장착되고, 그 가열요소는 온도 센서의 도움으로 제어되고, 온도센서는 침투 가능한 막에 인접한 원통축에 대하여 가로방향으로 연장된 가스 유동 통로에 장착된다. 전체 하우징은 절연재료로 둘러싸여서 하우징에서 정밀한 온도 제어가 가능하게 되어 있다. 본 발명과 대조적으로, 막은 가스 유동장치의 벽으로서 사용됨으로써, 가스 흐름이 막의 양측을 지나 유동하게 안내된다. 막은 연료와 운반 성분의 혼합물에서 액체 연료의 농도를 증가시키는 것 이 아니라, 가스 흐름을 희석하는 역할을 한다. 압력은 막의 양측에 작용된다.

미국 특허 US 0,127,141 A1는 다수의 벽을 갖는 연료 용기와 공급 시스템을 개시한다. 상기 미국 특허는 메탄올 직접 연료전지에 사용될 수 있는 연료 용기와 연료 공급장치를 개시하고 있다. 상기 연료 용기와 공급장치는 바람직한 실시예에서, 연료가 수성 메탄올/물 혼합물 또는 순수한 메탄올중 어느 한 형태로 연료전지에 공급된다. 연료가 연료전지에서 외부로 안내되기 전에, 연료를 함유하는 물질은 첨가제와 혼합된다. 외측 용기와 가요성 기구(flexible balloon) 사이의 공간에 의하여 정의된 혼합챔버에 첨가제가 채워지고, 전체 공급장치가 파열되면 연료를 함유하는 물질이 첨가제와 혼합된다. 상기 미국 특허의 일 실시예에서, 내측 탱크가 가요성 기구이다. 침(needle)을 구비한 개시된 파열장치는, 용기를 사용하거나 재충전할 필요가 있을 때, 순수한 형태의 연료를 회수하고 모든 잔존 연료가 첨가제와 혼합되도록 가요성의 기구를 찢어 개방시킨다.

독일 특허 DE 35 08 153호는 메탄올/물 혼합물이 탱크의 도움으로 공급되는 연료전지 시스템을 개시하고 있다. 미리 정해진 메탄올 농도를 설정하기 위하여, 특정량의 메탄올이 제어장치의 도움으로 첨가된다.

메탄올 직접 연료전지(DMFC)에서, 메탄올과 물의 수소는 아래 반응식에 따라 사용된다:

CH₃OH + H₂O → CO₂ + 6H⁺ + 6e^-

그러므로 메탄올과 물의 혼합물을 양극으로, 이상적으로는 1:1의 몰비로 공 급해야 한다. DMFC의 가장 큰 문제점중 하나는 막 또는 전해질을 통한 메탄올의 간섭이다. 중합체 또는 플라스틱 재료의 막 또는 전해질에서의 양자(수소이온)의 이동은 물에 의하여 수행된다. PEMFC에서, 각각의 양자는 예를 들어 2개 내지 3개의 물분자를 양극으로부터 음극으로 운반된다. 메탄올과 물 사이의 물리적 유사성(예를 들어, 분자의 크기와 쌍극자 모멘트)의 결과로, DMFC에서의 두 액체는 전해질을 양극으로부터 음극으로 이동한다. 이것은 음극에서 혼합 전압(potential)을 초래하여 전체적으로 낮은 전지 전압을 초래한다. 이러한 손실을 최소화하기 위하여, 최근 통상적으로 사용되는 메탄올과 물의 체적 혼합비율은 1:20 내지 1:10 (vol/vol) 사이이다.

메탄올 직접 연료전지의 전체 반응식을 보면, 작용 동안에 물이 생성됨을 알 수 있다.

CH₃OH + 3/2 0₂ → 2H₂O + CO₂

이것은 물이 재충전될 필요가 없다는 것을 의미한다. 그러므로, 메탄올을 필요량으로 장치에 공급하면 적당하다. 근자에는 이것은 (1) 이미 희석된 연료를 저장하거나 또는 (2) 하나는 물용이고 다른 하나는 농축된 메탄올용의 두 개의 탱크의 사용에 의하여 충족된다.

보다 높은 에너지 밀도를 위하여 상기 (2)에서와 같이 농축된 메탄올의 저장이 바람직하다. 그러나, 상기 (2)는 공급 및 혼합 시스템을 보다 복잡하게 한다. 각각의 탱크는 공급 제어용 펌프를 필요로 하고, 탱크는 연료전지로의 희석된 연료 의 흐름을 보장하기 위하여 혼합 탱크와 연료농도 센서가 결합되어야 한다. 그러므로, 농축된 메탄올을 저장함으로써, 높은 수율의 에너지 밀도를 얻을 수 있지만, 그러나 보다 복잡한 시스템으로 인한 비용이 고가인 문제가 있다. 실제로 작용을 최적화하기 위하여, 양극에서 소비되는 메탄올의 양을 단순히 부가함으로써 메탄올 농도를 부하의 변화에 대하여 균등하게 하는 것이 필요하다. 미국 특허 US 0,086,193 A1 (메탄올 직접 연료전지에서의 메탄올 농도의 센서 없는 최적화 장치와 방법)은 이것을 보여주고 있다. 상기 미국 특허는 메탄올 센서를 필요로 하지 않는 메탄올 직접 연료전지에서의 메탄올 농도 제어용 장치와 방법을 개시하고 있다. 이는, 메탄올 농도를 능동적으로 제어하기 위하여, 예를 들어 연료전지의 짧은 회로 전류나 연료 공급장치의 말단에 인접한 양극에서의 전압, 개방 회로의 전압, 수용가기구에서의 전압차 등과 같은 연료전지의 하나 이상의 작용 변수를 사용하여 수행된다.

상술한 바와 같이, 예를 들어 물과 연료/메탄올의 혼합물과 같은, 희석된 연료를 알콜 직접 연료전지나 메탄올 직접 연료전지로 공급하는 것이 바람직하다. 이것은 메탄올의 방해로 인한 전압 손실이 감소되기 때문에 전지로 얻을 수 있는 에너지를 증가시킨다. 메탄올의 희석은 그러나 다른 문제점을 유발시킨다.

* 물을 저장하고 처리하기 위하여 필요한 구조와 공정 때문에, 연료전지 시스템의 구성이 보다 복잡해지고 제조 비용의 증가를 초래한다.

* 연료전지의 잠재적, 상업적 이용에 대한 중요한 요소인 연료전지 시스템의 단위 체적당 에너지가 감소된다.

본 발명의 목적은 운반 성분과 연료의 혼합물에서의 연료전지용 연료의 농도를 증가시키거나 변화시키는 관통 유동 방법에서 작동하는, 작동이 간편하고 구조가 단순화된 장치를 제공하는 것이다. 상기 운반 성분과 연료의 혼합물은 연료전지의 양극으로 공급된다.

본 발명의 목적은 특허청구범위 제1항에 따른 장치와 제26항에 따른 방법에 의하여 달성된다. 본 발명에 따른 장치와 방법 및 용도에 대한 유익한 개선은 각각의 종속항에 기술되어 있다.

예를 들어 연료전지에서 사용되는, 운반 성분과 연료의 혼합물에서 연료의 농도를 증가시키는 본 발명에 따른 연료농도 증가장치는 다음과 같은 구성 요소를 포함한다. 예를 들어 탱크와 같은 연료 저장장치에서, 적어도 하나의 관통 유동장치(throughflow device)가 배치되고, 그 유동장치에 의하여 운반 성분과 연료의 혼합물은 연료 저장장치를 통하여 이동된다. 상기 관통 유동장치가 연료가 침투가능한 또는 반침투성의 이동 특성을 갖는 막으로 형성되는 것 또는 관통 유동장치가 그러한 막을 갖는 것이 중요하다. 상기 운반 성분과 연료의 혼합물은 관통 유동장치를 통하여 이동되고, 연료에 대한 막의 확산 특성이 이용된다는 점에서, 이러한 막의 도움으로, 연료 저장장치에 위치하는 바람직하게 농축된 연료가 운반 성분과 연료의 혼합물에 첨가된다. 연료 저장장치에 저장된 연료는 막으로 구성된 관통 유동장치를 통하여 또는 관통 유동장치의 막 부분을 통하여 확산되고, 관통 유동장치는 예를 들어 원형 단면을 갖는 관통 유동장치에서 유리하게 채널에 관계함으로써, 그 결과 운반 성분과 연료의 혼합물에서 또는 양극 공급 흐름에서 연료의 농도가 관통 유동장치를 통한 통로에서 증가된다.

본 발명의 기본은 연료가 침투가능한 또는 반침투성 막에서의 물질의 바람직한 투과 특성을 이용하는 것이고, 막은 메탄올 직접 연료전지의 저장 및 공급장치에 사용된다는 것이다. 연료의 희석된 양극 공급 흐름은 연료 탱크내에 도입된 이러한 막 관통 유동장치를 통하여 도입된다는 점에서, 연료(알콜)는 양극 공급 흐름에 수동적으로 첨가될 수 있다.

본 발명의 제1 실시예에서, 본 발명에 따른 장치는 관통 유동장치가 연료/운반 성분 혼합물의 많은 유동을 허용함으로써 혼합물에서의 연료 농도가 수배로 증가된다. 이것은 예를 들어 나선형 형태로 형성될 수 있는 복수의 관통 유동 통로 에 의하여 바람직하게 얻어질 수 있다.

다른 바람직한 실시예에서, 다수의 관통 유동장치 또는 다수의 채널이 연료 저장장치 또는 연료 탱크를 통하여 안내된다. 각각의 관통 유동장치는 여러 형상과 크기를 가질 수 있고, 연료 탱크에 대하여 임의의 방식으로 배향될 수 있다. 또한 오직 하나의 관통 유동장치의 존재가 적용될 수 있는 것은 말할 필요도 없다.

본 발명에 따른 장치의 다른 바람직한 실시예에서, 연료전지의 음극에서 생성되는 물은 재사용되어 연료전지의 양극 공급 흐름에 첨가된다. 다른 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 장치의 연료탱크에는, 각각 공간적으로 독립된 방향형태의 작용 또는 공간적 방향과 독립된 작용을 할 수 있도록 하기 위하여, 예를 들어 발포재 또는 다른 재료로 만들어진 안정화 또는 지지수단이 제공된다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 발포재 또는 다른 지지재료는 연료가 침투가능한 또는 반침투성 막 관통 유동장치 주위로 배치되고, 그 관통 유동장치는 물리적 방향성과 무관하게 작용할 수 있다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 필터가 연료 탱크 및/또는 관통 유동장치의 유입부 및/또는 배출부에 삽입된다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 본 발명의 장치에는 연료 탱크용의 단열 및/또는 가열수단이 제공된다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 본 발명의 장치는 연료전지에 열적으로 또는 물리적으로 연결된다.

본 발명에 따른 장치는 또한 물이 아닌 다른 운반 성분으로, 연료 탱크에서 더 또는 덜 농축된 연료로, 임의 형태의 양극 공급 흐름 및 흐름 속도로, 연료가 침투가능한 또는 반침투성이고 다른 어떠한 재료로 만들어질 수 있는 막으로 및/또는 이미 언급한 메탄올에 더하여 예를 들어 에탄올과 같은 다른 연료로 사용되거나 작동될 수 있음은 당연하다.

종래 기술에 대하여, 상기 기술한 본 발명의 연료농도를 증가시키는 장치는 아래와 같은 일련의 이점을 갖는다.

* 본 발명의 장치로 복수의 펌프 사용에 의하여, 복잡한 방식의 연료 공급 시스템을 형성하지 않고도 메탄올을 농축된 형태로 저장할 수 있다. 이것은 시스템에 에 요구되는 체적을 감소시키고, 시스템의 에너지 밀도를 증가시킨다. 액체가 작용하는 알콜 직접 연료전지의 연료 공급 시스템은, 양극으로의 연료 공급을 위하여 오직 하나의 펌프만을 필요로 하기 때문에 구성이 단순화된다. 연료전지 시스템은 구성에 있어서 보다 치밀화되고 단순화되며, 따라서 보다 경제적이다.

* 본 발명에 따른 장치에서, 간편한 방법으로 연료/물의 혼합물의 양극 공급 흐름에 수동적으로 메탄올을 첨가할 수 있다.

* 본 발명의 장치에서는 저에너지 소비 요소가 필요하다.

본 발명에 따른 장치는 이어지는 실시예중 하나에서 설명된 바와 같이 연료전지용 연료의 농도를 증가시키기 위하여 사용될 수 있다.

실시예와 관련된 도면은 장치를 구성하는 부품 또는 요소들과 동일하거나 대응된 부품에 대하여 동일한 번호를 부여한다.

도 1은 연료를 유도하는 침투가능한 막을 포함하는 채널이 관통하는 연료 수용 탱크를 나타내는 개략도.

도 2는 도 1에 도시된 장치에서 연료의 농도 증가를 설명하기 위한 개략도.

3차원으로 도시된 도 1은 농축된 메탄올이 채워진 입방체 탱크(1)를 나타낸다. 원형의 단면을 갖는 관통 유동 채널(2)은 탱크(1)의 좌측벽(1A)을 통하여 탱크(1) 내로 안내된다. 관통 유동 채널의 벽은 DuPont^TM, Nafion®의 산성 (H⁺) 형태 의 퍼플루오로설폰산/폴리테트라플로오로에탄 공중합체 막을 포함한다. 원통형의 관통 유동 채널(2)의 원통축은 탱크(1)의 좌측벽(1A)과 우측벽(1B)에 대하여 직각으로 배치되어 있고, 그 관통 유동 채널은 우측벽(1B)을 통하여 탱크(1) 밖으로 안내된다. 좌측으로부터, 유입부(3)를 통하여 메탄올과 물의 혼합물이 관통 유동 채널(2)로 유입된다. 이어서, 탱크(1)에 배치된 관통 유동 채널(2) 부분을 통하여 흐른 다음, 그 혼합물은 우측의 배출부(4)를 통하여 관통 유동 채널(2) 밖으로 유도된다. 관통 유동 채널(2)의 벽은 메탄올이 침투할 수 있는 막을 포함한다. 그러므로, 입방체는 농축된 메탄올이 채워진 메탄올 저장 탱크(1)를 나타낸다. 양극의 공급 흐름, 즉 물과 메탄올의 혼합물은 채널(2) 내로 유도된다. 메탄올이 침투할 수 있는 막을 포함하는 벽은 메탄올 저장 탱크(1)로부터 메탄올이 채널(2) 속으로, 따라서 물과 메탄올의 혼합물로 확산되는 것을 가능하게 한다. 양극 공급 흐름에서의 메탄올 농도는 공급 흐름이 메탄올 탱크(1)를 통하여 흘러나갈 때까지 계속하여 증가된다. 이러한 시스템의 구성으로, 제2 펌프가 필요 없고, 농축된 메탄올이 저장됨과 동시에 양극 공급 흐름은 보다 낮은 메탄올 농도를 갖게 된다.

도 2는 원형의 단면을 갖는 채널(2)을 통하여 메탄올과 물의 혼합물이 지나는 동안의 메탄올 농도의 증가를 보여준다. 도면은 2차원으로 도시된 탱크(1)를 나타내고, 3차원 도시에서, 상기 채널(2)은 탱크(1)의 좌측벽(1A)과 우측벽(1B)을 관통하여 연장되어 있고, 또한 상대적으로 낮은 초기 메탄올 농도를 가지는 메탄올과 물의 혼합물의 도입부(3)는 좌측으로부터 채널(2) 내로 유입되고, 증가된 메탄올 농도를 갖는 메탄올과 물의 혼합물의 배출부(4)는 채널(2) 밖으로 배출된다. 메탄 올 농도(5)의 증가는 채널 내부의 음영이 좌측에서 우측으로 진하게 도시하는 것으로 개략적으로 도시되어 있다. 탱크로부터 채널로의 메탄올의 확산은 화살표(6)로 표시되어 있다. 따라서, 도 2는 탱크(1) 내부에 배치된 채널(2) 영역에서 혼합물이 유동하는 동안 혼합물에서의 메탄올 농도의 증가를 보여준다. 메탄올이 침투할 수 있는 채널(2)의 막 벽을 통한 메탄올 확산은 저장 탱크(1)에서의 메탄올 농도와 채널(2)에서의 양극 공급 흐름에서의 메탄올 농도의 차이에 기초하여 이루어진다. 농축된 메탄올은 24.6 몰(몰 메탄올/리터)이고, 최적의 양극 공급 흐름은 1-2 몰 농도, 즉 20부의 물에 대한 약 1부의 메탄올 (vol/vol)을 갖는다. 메탄올이 침투할 수 있는 막을 통한 메탄올의 투과는 또한 온도, 압력 및 막의 두께에 의존한다. 그러므로, 채널로부터 배출되는 혼합물의 배출부(4)의 메탄올 농도는 상기한 특성에 더하여, 탱크내에 배치되어 메탄올에 작용하는 막 영역에서 또는 충전된 탱크내의 채널의 길이와 흐름속도에 의하여 결정된다.

Claims

연료가 저장될 수 있는 적어도 하나의 연료 저장장치(1)와,

연료 저장장치(1)를 통하여 연료와 운반 성분의 혼합물을 유도하기 위하여 연료 저장장치(1)에 적어도 부분적으로 배치된 적어도 하나의 관통 유동장치(2)를 갖고,

상기 관통 유동장치(2)는 연료가 침투하거나 반침투할 수 있지만 운반 성분은 침투할 수 없는 적어도 하나의 막을 포함하거나 또는 막의 투과 특성으로 인하여 연료가 연료와 운반 성분의 액상 혼합물에 수동적으로 첨가될 수 있는 막을 포함하는,

연료와 운반 성분의 액체 혼합물의 연료농도(5)를 증가시키는 연료농도 증가장치.
제1항에 있어서, 상기 장치가 연료전지에 배치되거나 및/또는 연료와 운반 성분의 혼합물을 교환하기 위한 연료전지에 대한 연료교환 연결구를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료농도 증가장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연료전지는 메탄올 직접 연료전지인 것을 특징으로 하는 연료농도 증가장치.
제2항 또는 제3항에 있어서, 연료전지의 음극에서 생성되는 물은 연료와 운반 성분의 혼합물로 혼합되는 것을 특징으로 하는 연료농도 증가장치.
제1항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 저장장치(1)에 저장된 연료 및/또는 연료와 운반 성분의 혼합물을 가열하기 위하여 가열장치가 배치되고, 및/또는 연료전지에 물리적으로 또는 열적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 연료농도 증가장치.
제1항 내지 제5항중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 저장장치(1)에 단열수단이 일체화되거나 또는 배치되는 것을 특징으로 하는 연료농도 증가장치.
제1항 내지 제6항중 어느 한 항에 있어서, 상기 단열수단은 단열재료를 포함하고 및/또는 단열수단은 그 사이에 진공이 형성된 벽을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료농도 증가장치.
제1항 내지 제7항중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료와 운반 성분의 혼합물이 관통 유동장치(2)를 통하여, 혼합물에서 연료농도(5)가 여러 번에 걸쳐 수배로 증가되도록 유도될 수 있는 것을 특징으로 하는 연료농도 증가장치.
제1항 내지 제8항중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 저장장치(1)는 용기 및 /또는 탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료농도 증가장치.
제1항 내지 제9항중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 저장장치(1)는 순수한 또는 농축된 형태의 연료를 저장하는 것을 특징으로 하는 연료농도 증가장치.
제1항 내지 제10항중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 저장장치(1)는 운반 성분의 연료를 포함하고, 연료는 50 내지 100%, 바람직하게는 75 내지 100%의 농도로 존재하는 것을 특징으로 하는 연료농도 증가장치.
제1항 내지 제11항중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 저장장치(1)에 적어도 하나의 지지장치 및/또는 안정화장치가 배치되는 것을 특징으로 하는 연료농도 증가장치.
제1항 내지 제12항중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지장치 또는 안정화장치의 적어도 하나는 발포재를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료농도 증가장치.
제1항 내지 제13항중 어느 한 항에 있어서, 상기 막은 산(H+) 형태의 퍼플루오로설폰산/폴리테트라플루오로에틸렌 공중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료농도 증가장치.
제1항 내지 제14항중 어느 한 항에 있어서, 상기 관통 유동장치(2)를 통과하는 운반성분과 연료 혼합물의 관통 유동 속도는 0.1 내지 1000 ㎖/분, 바람직하게는 1 내지 100 ㎖/분 범위의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 연료농도 증가장치.
제1항 내지 제15항중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지장치는 관통 유동장치(2)의 임의의 공간 배향성을 이루도록 관통 유동장치(2)에 또는 주위에 배치된 것을 특징으로 하는 연료농도 증가장치.
제1항 내지 제16항중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지장치는 발포재를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료농도 증가장치.
제1항 내지 제17항중 어느 한 항에 있어서, 상기 관통 유동장치(2)는 적어도 하나의 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료농도 증가장치.
제1항 내지 제18항중 어느 한 항에 있어서, 상기 채널은 원형 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 연료농도 증가장치.
제1항 내지 제19항중 어느 한 항에 있어서, 상기 관통 유동장치(2)에 적어도 하나의 필터가 배치된 것을 특징으로 하는 연료농도 증가장치.
제1항 내지 제20중 어느 한 항에 있어서, 상기 운반 성분 및/또는 연료는 액체를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료농도 증가장치.
제1항 내지 제21항중 어느 한 항에 있어서, 상기 운반성분은 물, 수증기 및/또는 다른 재료와의 그들의 혼합물로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료농도 증가장치.
제1항 내지 제22항중 어느 한 항에 있어서, 상기 운반 성분은 산, 바람직하게는 황산을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료농도 증가장치.
제1항 내지 제23항중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료는 알콜을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료농도 증가장치.
제1항 내지 제24항중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료는 메탄올 및/또는 에탄올을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료농도 증가장치.
연료가 적어도 일부분 채워진 공간에 적어도 하나의 관통 유동장치(2)를 배치하고, 그리고

연료와 운반 성분의 혼합물을, 연료가 침투가능하거나 반침투가능하지만 운반성분은 침투할 수 없는 막을 포함하는 적어도 하나의 관통 유동장치(2)를 통하여 유도하여, 막의 투과 특성으로 연료와 운반 성분의 혼합물로부터 수동적으로 연료가 첨가되는,

연료와 운반성분의 액체 혼합물의 연료농도를 증가시키는 연료농도 증가방법.
제26항에 있어서, 제1항 내지 제25항중 어느 한 항에 따른 연료농도 증가장치를 사용하는 연료농도 증가방법.
제26항 또는 제27항에 있어서, 상기 연료와 운반 성분의 혼합물이 관통 유동장치(2)를 통하여 혼합물에서의 연료농도가 여러 번에 걸쳐 수배로 증가시키도록 유도되는 것을 특징으로 하는 연료농도 증가방법.
제26항 내지 제28항중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료와 운반성분의 혼합물은 농도가 증가된 다음 연료전지의 양극으로 유도되는 것을 특징으로 하는 연료농도 증가방법.
제26항 내지 제29항중 어느 한 항에 있어서, 연료전지의 음극에서 생성되는 물은 연료와 운반성분의 혼합물로 도입되어 재사용되는 것을 특징으로 하는 연료농도 증가방법.
제26항 내지 제30항중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 및/또는 연료와 운반성분의 혼합물 및/또는 운반성분을 가열하는 것을 특징으로 하는 연료농도 증가방법.
제26항 내지 제31항중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료와 운반성분의 혼합물은 관통 유동장치(2)를 통하여 유도되기 전 및/또는 후에 여과되는 것을 특징으로 하는 연료농도 증가방법.
연료전지의 양극으로의 연료 공급 흐름을 변화시키는 제1항 내지 제25항중 어느 한 항에 따른 장치의 사용.
제33항에 있어서, 메탄올 직접 연료전지용으로 사용하는 장치의 사용.
연료전지의 양극으로의 연료 공급 흐름을 변화시키는 제26항 내지 제32항중 어느 한 항에 따른 방법의 사용.
제35항에 있어서, 메탄올 직접 연료전지용으로 사용하는 방법의 사용.