KR20070065871A - 전기삼투펌프가 달린 연료전지 - Google Patents

전기삼투펌프가 달린 연료전지 Download PDF

Info

Publication number
KR20070065871A
KR20070065871A KR1020077004640A KR20077004640A KR20070065871A KR 20070065871 A KR20070065871 A KR 20070065871A KR 1020077004640 A KR1020077004640 A KR 1020077004640A KR 20077004640 A KR20077004640 A KR 20077004640A KR 20070065871 A KR20070065871 A KR 20070065871A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
pump
water
cathode
fuel cell
electroosmotic
Prior art date
Application number
KR1020077004640A
Other languages
English (en)
Inventor
후앙 지. 산티아고
조나단 포스너
프레드리히 비. 프린즈
티보 파비앙
존 이튼
차숙원
쿨렌 블루
김대중
히데아키 쯔루
준 사사하라
타다히로 쿠보타
유지 사이토
Original Assignee
더 보드 오브 트러스티스 오브 더 리랜드 스탠포드 주니어 유니버시티
혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 더 보드 오브 트러스티스 오브 더 리랜드 스탠포드 주니어 유니버시티, 혼다 기켄 고교 가부시키가이샤 filed Critical 더 보드 오브 트러스티스 오브 더 리랜드 스탠포드 주니어 유니버시티
Publication of KR20070065871A publication Critical patent/KR20070065871A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04164—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by condensers, gas-liquid separators or filters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B17/00—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04186—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of liquid-charged or electrolyte-charged reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04291—Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H01M8/04447—Concentration; Density of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04544—Voltage
    • H01M8/04559—Voltage of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04574—Current
    • H01M8/04589—Current of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04791—Concentration; Density
    • H01M8/04798—Concentration; Density of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04895—Current
    • H01M8/04917—Current of auxiliary devices, e.g. batteries, capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1009—Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
    • H01M8/1011—Direct alcohol fuel cells [DAFC], e.g. direct methanol fuel cells [DMFC]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

연료전지의 음극에서의 물의 범람은 연료전지의 공통적인 문제이다. EO 펌프를 이용해 음극측에서 물을 제거하면 연료전지의 출력을 개선할 수 있다. EO 펌프를 설치하면 공기채널과 공기호흡 음극의 디자인을 바꿔 에어펌핑 출력부하를 낮추고 산화제 투과를 높일 수 있다. 기체의 수화, 액체 반응제의 관리, 및 산화제의 전달 역시 전기삼투펌프로 조절할 수 있다. 전기삼투펌프에는 움직이는 부분이 전혀 없으며 연료전지의 1개 층으로 병합 가능하고 소형 연료전지에 적합하다.

Description

전기삼투펌프가 달린 연료전지{FUEL CELL WITH ELECTROOSMOTIC PUMP}
본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 구체적으로는 연료전지의 물, 산화제, 및 반응액의 관리에 관한 것이다.
휴대용 전자장치나 자동차를 비롯해 소형 고정발전기까지 높은 에너지밀도와 낮은 작동온도 및 불활성 반응생성물로 인해 양자교환막 연료전지가 에너지원으로 각광을 받고있다. 연료전지는 고에너지 상태의 반응분자에서 촉매를 거쳐 저에너지 상태의 생성분자로 에너지를 뽑아내는 원리로 동작한다. 수소연료전지(HFC)의 수소는 산소와 결합해 물, 열 및 전기에너지를 생산한다. 관련 화학반응은 2개의 촉매와 양극 및 음극에서 일어난다. HFC는 온실개스나 오염 없이 전기에너지를 생산하는 청정에너지원이다.
양자교환막 연료전지는 대개 양극, 이온선택막 및 음극을 구비한다. 양극과 음극은 소수성 기체확산층, 음극층 및 집전층을 갖추는 것이 일반적이다. 이온선택막은 양자는 통과시키되 전자와 음이온은 걸러내도록 설계된다.
HFC의 순 화학반응은:
2H2 _ 4H+ + 4e- (1)
4H+ + 4e- + O2 _ 2H2O (2)
(1)의 반응은 양극 촉매층에서 일어나고, (2)의 반응은 음극 촉매층에서 일어난다. HFC 동작의 기본원리는 비교적 간단하지만, 실제로는 연료전지의 성능을 제한하는 문제가 있다.
도 1은 기존의 수소연료전지(100)를 보여준다. 이 연료전지(100)는 반응제 덕트(102), 양극(104), 이온투과막(106), 음극(108) 및 산화제 덕트(110)를 구비한다. 이온투과막(106)은 약한 전도체로서 외부 부하(114)에 전자를 통과시켜 전력을 생산한다. 전류(112)는 양극(104)과 부하(114)를 통해 음극(108)으로 흐른다. 부하(114)는 배터리, 전동기, 기타 전자장치와 같이 연료전지를 사용하는 장치를 말한다. 반응제(116)는 반응제 덕트(102)로 들어가는데 순수한 건조수소일 수도 있고 수증기로 가습된 수소일 수도 있다. 사용되지 않은 반응제(116)는 출력 반응제(120)로 나간다. 이상적인 것은, 수소연료전지(100)의 경우, 출력 반응제(120)의 수소 부분압이 입력 반응제(116)에 비해 작은 것이다. 입력 산화제(118)는 산화제 덕트(110)로 들어가는데, 순수 산소이거나, 산소가 함유된 공기이거나, 수증기로 가습된 산소나 공기일 수도 있다. 미사용 산화제와 미소비 운반기체(공기의 경우 질소, 이산화탄소, 아르곤 등)는 물(124)과 함께 산화제(122)로서 덕트(110)를 나간다. 물은 열역학 상태에 따라 증기나 액체상태로 연료전지를 나간다.
산화제 공급원으로서 산소가 풍부한 공기를 일반 공기와 교체할 수 있다. 당업자라면 알 수 있겠지만, 순수 산소는 표준 공기중의 1/5로서 같은 연료전지 전류 밀도를 얻는다. 따라서, 도면의 산소 공급원은 산소가 풍부한 공기이거나 일반 공기이다.
이온투과막(106)으로는 미국 듀퐁사의 Nafion 상표로 판매되는 폴리퍼를루오로술폰산으로 만들어진 PEM(폴리머 교환막)이나 이온교환막이 바람직하다. 폴리머중에 존재하는 음이온(술폰산 음이온) 기로 이루어진 이온네트웍 경로를 따라 이온투과가 일어난다. 폴리머내의 이온을 액상 물이 둘러싸서 이온투과를 위한 도전경로를 형성하는 것이 바람직하다. 따라서, 이런 종류의 이온투과막(106)의 이온전도도는 이온투과막의 수화상태에 의해 결정된다. 이온투과막(106)의 이온전도도는 수분함량과 함께 증가한다. 연료전지의 성능에 있어서 이온투과막(106)의 수화상태는 아주 중요하다. 이런 이유로, 반응제에 수증기를 자주 쏘여 이온투과막이 건조해지는 것을 방지한다.
이온투과막(106)의 수화상태는 각종 투과 메커니즘의 영향을 받는다. 기존의 연료전지의 물 투과 메커니즘은 증발, 응축, 확산 및 전기삼투압이다. 이온투과막(106)과 반응제(116,118) 사이에서 일어나는 물의 증발/응축 속도는 (1) 반응제내 수증기의 부분압, (2) 기체와 막의 온도, (3) 기체의 유량과 속도, 및 (4) 이온투과막의 수화상태의 4가지 영향을 받는다. 일반적으로, 반응제를 가습하면 PEM의 건조가 방지된다. 작동중에 양극(104)에서 PEM(106)을 통해 음극(108)쪽으로 물을 삼투압으로 당기되 (H3O)+와 같은 수소와 물의 결합물 형태로 당긴다. 이 과정중에 수소양자에 의해 물분자가 이온투과막(106)을 통과한다. 연구에 의하면, 수소이온 이 통과할 때마다 1~5개의 물분자가 음극(108)을 향해 이동한다고 한다. 분자확산으로 인해 이온투과막(106) 내부에서 음의 농도구배로 물분자가 정렬된다. 물분자가 음극을 향해 이온삼투압으로 당겨지면서 음극에서 물이 생기므로, 분자확산 효과에 의해 양자쪽으로 물분자가 약간 당겨지게 된다. 이온투과막(106)의 수화상태를 항상 적절히 유지하는 것은 물 투과 메커니즘과 연관되어 문제가 된다. 이온투과막의 수화상태는 심지어 단일 연료전지 구조내부에서도 공간적으로 변할 수 있다. 경우에 따라서는 물을 배수하기 위해 기다랗고 구불구불한 산화제 채널을 채택하기도 한다. 이런 장치에서는 채널의 길이를 따라 출구쪽으로 갈수록 물의 비율이 점점 증가한다.
다른 일반 연료전지로 DMFC(direct methanol fuel cell)이 있다. DMFC는 반응제로서 메탄올-물 혼합물을 사용한다. DMFC의 음극측은 HFC와 동일하다. DMFC의 순 화학반응은:
CH3OH + H2O _ CO2 + 6H+ + 6e- (3)
6H+ + 6e- + 3/2O2 _ 3H2O (4)
(3)의 반응은 양극촉매층에서, (4)으 반응은 음극촉매층에서 일어난다. DMFC의 장점은 수소보다 에너지밀도가 높고, 저장이 쉬우며, 연료보급이 신속하다는데 있다. 이런 장점은 메탄올이 주로 실온 온도와 압력에서 액체상태이기 때문에 비롯한다. DMFC의 단점은 이산화탄소를 만들고 전력밀도가 낮다는 것이다. DMFC는 주로 휴대형 장치로 개발되었다.
도 2는 기존의 DMFC(200)를 보여준다. 이 연료전지(200)는 도 1의 수소연료전지(100)와 비슷하지만, 반응제(216)가 액상 메탄올과 물이다. 미사용 반응제와 이산화탄소의 혼합물(220)이 덕트(102)를 통해 양극측을 나간다. HFC와 마찬가지로 DMFC도 산화제로 공기를 사용하므로, 질소와 기타 미세 기체가 산화제에 존재한다. 양극을 나가는 혼합물(220)에는 메탄올, 물, 이산화탄소가 포함되어 있다.
HFC와 DMFC 둘다 음극(108)에서 생긴 물이 산소투과를 방해하고 높은 전류밀도에서 전지 전위를 낮춘다. 물이 생기는데 대한 현재의 방안은 산화제로 물을 제거하는 것이다. 이 방법에서는 채널을 지그재그 형태나 구불구불하게 배치하여 전극범람 효과를 줄인다. 실험에 의하면, 화학양론적 양의 2~60배의 산화제를 사용해야 치명적인 범람의 영향이 줄어든다고 한다. 이렇게 구불구불한 채널을 사용하면 큰 압력강하가 일어나고 산화제를 펌핑하는데 큰 동력이 필요하다. 산화제 펌핑동력은 연료전지에서 나오므로 연료전지 자체의 출력도 낮아진다. kW급 연료전지의 경우 출력의 25% 정도를 산화제 펌프에 손실하곤 한다.
본 발명은 액체를 운반하는데 전기삼투펌프를 사용하는 시스템에 관한 것으로, 능동 피드백 제어를 포함해 연료전지에 관련된 여러 방법에 대해 첨부 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
도 1은 기존의 수소연료전지의 개념도;
도 2는 기존의 DMFC의 개념도;
도 3은 EO 펌프를 갖춘 수소 연료전지의 개념도;
도 4는 반응제 운반채널이 달린 전기삼투펌프의 단면도;
도 5는 전기삼투펌프 기판의 단면도;
도 6은 전기삼투펌프의 작동원리도;
도 7A는 전기삼투펌프를 갖춘 수소 연료전지의 개념도;
도 7B는 건조 산화제 가습을 위해 전기삼투펌프를 갖춘 연료전지의 개념도;
도 7C는 건조수소와 건조산화제 둘다를 가습하기 위한 전기삼투펌프를 갖춘 연료전지의 개념도;
도 7D는 건조반응제 가습을 위한 채널판의 개념도;
도 8은 EO 펌프를 갖춘 DMFC의 개념도;
도 9는 EO 펌프가 달린 DMFC의 개념도;
도 11은 반응제를 가습하는데 사용되는 장치의 개념도;
도 12는 DMFC의 반응제를 가습하고 혼합하는 장치의 개념도;
도 13은 능동적인 물 조절 개념도;
도 14는 발전 개념도;
도 15는 액체 운반 개념도;
도 16은 전기삼투펌프를 사용해 산화제를 펌핑하는 개념도;
도 17은 적층 시스템에서 전기삼투펌프 여러개를 이용하는 개념도;
도 18A는 산화제 채널층의 개념도;
도 18B는 다른 산화제 채널층의 개념도;
도 19는 반응개스 채널이 평행한 전기삼투펌프의 개념도;
도 20은 전기삼투펌프를 내장한 공기호흡형 연료전지의 개념도;
도 21은 전기삼투펌프를 내장한 공기호흡형 연료전지의 부분단면도.
연료전지에 사용되는 물, 액체연료 혼합물, 액체 산화제 등의 액체를 운반하는데 전기삼투펌프를 이용하는 시스템과, 능동적인 피드백 컨트롤을 포함해 연료전지에 관련된 여러 방법에 대해 설명한다. 전기삼투펌프는 전기역학 펌프라고도 하는 장치로서 미세한 기공이나 채널을 통한 전기삼투현상을 이용해 액체유량과 상당한 구동압력을 일으키는 장치이다. 전기삼투펌프는 움직이는 부분이 없으며 크기는 수미크론에서 수미터에 이른다. 전기삼투펌프를 연료전지에 이용하면 연료전지의 효율,안정성 및 전력속 밀도(power density)를 개선할 수 있다. 전기삼투(EO; electroosmotic) 펌프를 연료전지의 한개 층으로 연료전지에 합치거나 외부장치로 설치할 수 있다. EO 펌프는 음극에서 생긴 물을 없애서 범람효과를 줄이는데 이용된다. 제거된 물은 시동을 걸 때와 같이 PEM이 건조한 작동상태에서 건조한 반응액을 가습하는데 사용되거나, PEM을 직접 가습하는데 사용된다. 생성물로서의 물은 DMFC의 메탄올-물 혼합물로 리사이클될 수 있다. EO 펌프는 DMFC의 경우 반응액 혼합물을 운반하고 음극에서의 반응제로서 공기를 옮기는데 사용되기도 한다.
도 3은 EO 펌프를 갖춘 수소 연료전지의 개념도이다. 수소 연료전지(300)의 EO 펌프(330)는 음극(308)과 배수덕트(310) 사이에 위치하는 층이다. 펌프(330)에 있는 채널(334)을 통해 산화제(318)를 음극(308)에 공급한다. 산화제(334)는 채널(334)을 통해 펌프(330)를 나간다. 펌프(330)는 음극(308)에서 덕트(310)로 또는 그 반대로 물(312)을 보낸다. 과잉의 물(314)은 시스템을 나간다. 전류(336)는 양극(304)에서 부하(338)를 통해 음극(308)으로 흐른다. 덕트(302)를 통해 양극(304)에 반응제(316)를 공급하고, 사용되지 않은 반응제(320)는 덕트(302)를 나간다.
연료전지와 전기삼투펌프(330)를 결합하면 음극에서 범람하는 물을 제거하여 연료전지(300)의 전류부하를 증가시킬 수 있다. 또, 시스템의 화학량론적으로 산화제 유량을 필요한만큼 줄일 수 있다. EO 펌프의 결합으로, 산화제 운반채널의 디자인을 꾸불꾸불하거나 지그재그 형태와 같이 음극 범람을 줄이는 디자인으로 제한하지 않아도 된다. 이런 이유로 EO 펌프를 결합하면 전체 펌핑 파워가 줄어든다. EO 펌프(330)의 소비전력은 연료전지(300)의 생산전력에 비해 작다. 연료전지의 생산전력과 EO 펌프의 소비전력은 기존의 모델[Larminie & Dicks, Yao]에서 구할 수 있다. 예를 들어, 0.5V-1A에서 500mW를 생산하는 연료전지(300)는 5.7 ㎕/min의 물을 생산하고 EO 펌프(330)를 이용해 이 물을 없애는데 2.5㎼의 전력을 소비한다. 반면에, 처리수를 없애는데 공기펌프를 이용하는 미니어처 연료전지에서, 공기펌프는 연료전지가 생산한 전력의 절반 이상을 쉽게 소비한다.
Laminie & Dicks의 모델은 "Fuel Cell Systems Explained"에 2003년 J. Wiley에 의해 공개되었고 본 발명에서 참고하였다. 마찬가지로, S. Yao와 J.G. Santiago의 모델도 "Porous Glass Electroosmotic Pumps: Theory,"란 타이틀로 Journal of Colloid and Interfacial Science(2003)에 공개되었으며 본 발명에서 참고하였다.
도 4는 반응제 운반채널(334)이 달린 전기삼투펌프(330)의 단면도로서, 도 3의 펌프(330)를 내려다본 것이다. 펌프(330)에는 다공성 기판(408), 채널(334), 펌프 양극(402) 및 음극(404)이 포함된다. 펌프의 양극(402)과 음극(404)은 이곳에 걸린 전위의 바이어스에 따라 극성이 바뀌기도 한다. 채널(334)과 펌프의 전극(402,404) 모두 다공성의 도전 라이닝(406)을 갖추고 있다. 다공성 도전라이닝은 불활성 때문에 백금으로 이루어지는 것이 일반적이다. 도면에서 처리수인 물(412)과 전기장(410)을 볼 수 있다. 채널(334) 안에 물(412)과 산화제(318)이 있다. 채널(334) 안의 물(412)은 전기장(410)을 따라 흐르고 전기삼투압에 의해 음극(404) 외부 표면으로 흐른다. 도 4에서 410으로 표시된 전기장은 일반적인 표시이고 실제 전기장은 다공성 기판(408)의 형상, 펌프의 양극(402)과 음극(404)의 형상, 다공성 도전층인 라이닝(406)의 패턴과 도전율, 다공성 기판중의 수분함량 및 인가된 전위에 따라 변할 수 있다. 펌프의 양극(402)과 음극(404) 및 다공성 도전층은 연속적일 필요는 없고 구간별로 패턴화될 수 있다. 구간마다 인가되는 전위가 서로 독립적일 수 있다. 펌프의 양극(402)이 도 3에 도시된 연료전지(300)의 음극(308)이나 양극(304)일 수도 있다. 연료전지(300)의 음극(308)이나 양극(304)을 펌프의 양극(402)이나 음극(404)으로 사용하면 EO 펌프 연료전지(300)에 필요한 층수를 줄일 수 있다.
도 5는 전기삼투펌프 기판(408)의 단면도로서 길이 L, 면적 A, 체적 ∀, 채 널의 평균길이 L e , 채널의 총체적 ∀ e 이고, 뱀처럼 구불구불한 채널을 특별히 "사형 채널"로 표시했다.
도 6은 전기삼투펌프의 작동원리를 보여준다. 도면에는 (기공일 수도 있는) 사형 채널(602), 전압원(604), 양극(606), 음극(608), 확대부(610), 대전된 다공벽(612) 및 전해질내의 전기이중층(614)이 도시되어 있다. 화살표는 전해질의 비례 전기력을 나타낸다.
연료전지에 맞는 전기삼투펌프는 (독일 Robu Glasfilter-Geraete GmbH의) 다공성 붕규산유리 프릿(frit), 소결유리, 표면에 얇은 절연 산화물 층을 입힌 다공성 실리콘, (유리섬유 필터지를 포함한) 유리섬유재, 파이버그래스, 산화알루미늄, 다공성 용융실리카 및 다공성 폴리머층을 이용해 제작될 수 있다. 대표적인 펌핑매체는 두께 1~4mm, 공극률 0.4, 굴곡비 1.4, 공극크기 0.6~1.2 ㎛이다. 물을 포화상태까지 흡수할 정도로 친수성이 높은 것을 펌핑매체로 사용하는 것이 좋다. 액체상태의 물은 표면적이 큰 친수성 다공 펌핑매체를 통한 모세관 현상에 의해 처음에는 연료전지의 음극면이나 기체확산층에서 운반된다. 물이 계속해서 다공성 물질의 표면을 적시면서 전기삼투펌프(330)의 양극(402)과 음극(404) 사이를 완전히 적신다. 이런식으로 펌핑 기판(408)이 마련되면, 전기삼투압에 의해 물이 연료전지(300)의 음극(308)이나 양극(304)에 출입한다. 이렇게 흐르는 물은 도 4에 표시된 전기장(410)과 일치한다. 펌핑매체의 워터브리지(414)가 끊어지면, 펌프를 통한 전류 흐름이 단절되면서 펌프가 더이상 전력을 소비하지 않는다. 이런식으로 펌프(330) 가 자가조절되고, 전기삼투펌프의 동작에 필요한 전압은 대개 2~100 V이다.
도 7A는 전기삼투펌프를 갖춘 수소 연료전지의 예를 보여준다. 이 연료전지(700)는 도 3의 연료전지와 비슷하지만, 제2 전기삼투펌프(702)가 더 달려있고, 이 펌프에는 수소를 유도하고 흐르게 하는 채널(704)이 있다. 펌프를 통해 물(706)을 저수조(707)에 출입시키면서 연료막(306)의 적당한 수화상태를 유지한다. 또, 펌프(702)를 통해 저수조(707)에서 건조수소와 접촉하는 지역으로 물을 보내 건조수소류(316)를 가습할 수 있다. 반대로, 펌프(702)를 이용해 가습된 수소류(316)에서 응축된 운반채널(704)에서 잉여 물을 없앨 수도 있다.
도 7B는 건조 산화제(318) 가습을 위해 전기삼투펌프(330)를 갖춘 연료전지의 일례이다. 전기삼투펌프(330)를 통해 액상의 물(312)이 음극에서 710 영역으로 흐르고, 이곳에서 건조 산화제(318)와 접촉한다. 산화제는 수증기로 포화된 가습채널(710)을 통해 산화제 채널(310)을 지나 음극(308)과 반응하여 전류를 생산한다.
도 7C는 건조수소(316)와 건조산화제(318) 둘다를 가습하기 위한 전기삼투펌프(330)를 갖춘 연료전지의 일례를 보여준다. EO 펌프(330)는 액상 물(312)을 음극에서 채널판(720)으로 보내고, 이곳을 건조 반응제가 흐른다. 채널판(720)은 다공부위로서 이곳을 통해 건조반응제 채널로 물이 흐를 수 있다. 반응제는 수증기로 포화된 채널판을 통해 도관(722,724)을 지나고, 산화제 채널(310)과 수소채널(302)을 지나 음극(308)과 양극(304)에 반응한다. 반응제는 기체투과막에 의해 서로간에 절연된다. 도 7D는 건조반응제 가습을 위한 채널판(720)의 일례를 보여준다. 건조한 산화제와 수소는 채널판(720)을 지나고 각각의 채널(732,730)을 통과한다. 포화 된 산화제는 음극면을 가로지르고 EO 펌프(330) 내부나 부근의 채널을 통과한다.
도 8은 EO 펌프(330)를 갖춘 DMFC(800)의 일례를 보여준다. 이 연료전지는 도 3의 연료전지(300)와 비슷하되, 수소 대신 메탄올과 물을 연료로 사용한다. DMFC(800)의 EO펌프(330)층은 음극(308)과 배수덕트(310) 사이에 위치한다. 펌프(330)의 채널(334)은 산화제(318)를 음극(308)에 공급하기 위한 것이다. 배출 산화제(322)는 채널(334)을 통해 펌프(330)를 나간다. 펌프(330)에 의해 음극(308)과 덕트(310) 사이에 물(312)이 순환할 수 있다. 잉여 물(314)은 시스템을 나간다. 메탄올과 물로 이루어진 반응제(820)가 반응제 덕트(802)로 들어간다. 반응제(816)는 이산화탄소, 물, 미소비 메탄올로 이루어진 것으로서 덕트(802)를 나간다.
DMFC의 성능과 관련해서 물 관리는 아주 중요하다. 운반체계는 PEM HFC와 비슷하지만, 양극측에서의 물의 증발과 응축이 없다는 점에서 틀리다. DMFC의 다른 문제는 메탄올-물의 연료 혼합물 관리에 있다. 순수 메탄올을 저장할 때 높은 에너지밀도를 얻을 수 있고 메탄올 농도가 3M 정도일 때 PEM DMFC의 작동상태가 적절하다. 이런 이유로, 음극에서 물을 회수해 양극(304)을 나가는 메탄올-물 혼합물 및 원래 저장되어 있던 순수 메탄올과 섞는 것이 좋다.
도 9는 EO 펌프가 달린 DMFC의 일례를 보여준다. 이 연료전지(900)는 도 8의 연료전지(800)와 비슷하지만, 제2 전기삼투펌프(902)를 양극 부근에 배치한 점에서 차이가 난다. 이 펌프(902)의 채널(904)은 순수 메탄올(920)이나 메탄올-물 혼합물을 받기 위한 것으로서, 이곳을 통해 반응제 혼합물이 양극(304)으로 이동하고 물(816)이 양극(304)에서 나온다. 이 펌프(902)는 연료전지(900)의 양극측에 물(906), 순수 메탄올 또는 메탄올-물 혼합물을 공급하여 연료전지의 성능을 최적화한다.
도 10의 DMFC(1000)는 도 9의 연료전지와 비슷하지만, 메탄올과 물의 반응제 혼합물(1020)을 전기삼투펌프(1002)를 통해 공급하는 점에서 다르다. 반응제 혼합물을 이렇게 순환시키면 수동 공급시스템에 메탄올이 결핍되고 이산화탄소 기체가 축적되기 때문에 전위의 저하가 방지된다.
도 11은 수소(316)와 산화제(318) 가습용 전기삼투펌프에서 히수된 물을 이용하는 시스템을 보여준다. 이 연료전지(1102)의 순 생산 물은 EO 펌프에서 제거된다. 잉여 물은 도관(1108)을 통해 2개의 반응제 가습 저수조(1110,1112)로 펌핑된다. 건조수소는 저장소(1104)에서 도관(1114)을 통해 가습저수조(1110)로 보내진 다음, 스파징(sparging)이나 분무와 같은 다양한 방법으로 1114에서 가습된다. 수증기로 포화된 수소는 수소반응제 인입 비아(1116)를 통과하여 연료전지에서 전류를 생산한다. 건조 산화제는 부분 대기압으로 공기를 흡입하는 저장소(1106)에서 도관(1118)을 통해 가습용 저수조(1112)로 보내진다. 건조산화제는 스파징이나 분무와 같은 다양한 방법으로 저수조(1112)에서 가습될 수 있다. 수증기로 포화된 산화제는 산화제 반응제 인입비아(1120)를 통과하면서 전류를 생산한다.
도 12는 DMFC에서 반응제와 산화제를 가습하는 예를 보여준다. 연료전지(1202)의 제1 전기삼투펌프(1204)는 양극측에서 물이나 메탄올을 관리하기 위한 것이고, 제2 전기삼투펌프(1206)는 음극측에서 물을 관리하기 위한 것이며, 제3 전기삼투펌프(1208)는 메탄올 공급원(1214)에서 혼합실(1216)로 메탄올을 보내기 위 한 것이고, 제4 전기삼투펌프(1210)는 물(1108)을 가습기(1112)나 혼합실(1216)로 보내기 위한 것이며, 제5 전기삼투펌프(1212)는 메탄올과 물의 혼합물을 연료전지(1202)에 보내기 위한 것이다. 이런 펌프(1204,1206,1208,1210,1212)는 다르게 조합해도 된다. 컨트롤러는 센서(1222)를 통해 연료전지의 전위나 메탄올 농도를 감시하고 펌프(1204,1206,1208,1210,1212)를 제어한다.
도 13은 능동적 물 관리도로서, 1302에서 연료전지의 전류라 전위를 감시하고, 1304에서는 전기삼투펌프에서 소비된 전류를 감시하며, 1306에서는 제어알고리즘이 입력값을 받아 제어신호를 보내고, 1308에서는 펌프에 걸린 전위를 변화시키면서 전기삼투 펌핑의 방향과 속도를 조절한다.
EO 펌프에서 소비된 전류나 연료전지의 전위나 전류를 감시하고 피드백하여 EO 펌프에 걸린 전위와 바이어스를 조절할 수 있다. 펌프에 걸린 바이어스와 전위는 물흐름 방향과 속도를 결정한다. 제어 알고리즘에서 하나 이상의 입력값을 이용해 EO 펌프의 전위와 바이어스를 결정할 수도 있다. 이런 알고리즘은 아날로그 PID 컨트롤러나 다른 종류의 프로그래머블 디지털 컨트롤러에 채용된다.
도 14는 발전방식의 일례를 보여준다. 1402에서 첫번째 반응제를 양극에 공급하고, 1404에서 두번째 반응제를 음극에 공급하며, 1406에서 전기삼투펌프를 사용해 연료전지의 음극측에서 물을 제거하고, 1408에서는 양극과 음극에서 일어나는 화학반응의 조합으로 전력을 생산하며, 1410에서는 제거된 물을 이용해 첫번째나 두번째 반응제를 수증기로 포화시킨다.
도 15는 액체를 운반하는 방식을 설명한다. 1502에서는 액상 메탄올과 물을 양극에 공급하고, 1504에서 음극에 산화제를 공급하며, 1506에서 한가지 이상의 액체를 전기삼투펌프를 사용해 제거한다.
도 16은 연료전지에 산화제를 공급하는데 전기삼투펌프를 이용하는 경우를 보여준다. 도시된 층들은 순서대로, 음극(1602), 산화제 채널(1604), 매니폴드(1606), 상단 저수조(1608), 전기삼투펌프(1610) 및 하단 저수조(1612)이다. 양극이나 이온투과막은 도시되지 않았다. 이런 배열에서, 펌프(1610)에 의해 물이 하단저수조(1612)에서 상단저수조(1608)를 통해 매니폴드(1606)로 이동한다. 매니폴드(1606)에 물이 차면 산화제 기체가 산화제 채널(1604)을 통과하여 연료전지에서 나간다. 이어서, 펌프(1610)에 의해 매니폴드(1606)나 상단 저수조(1608)에서 물이 펌핑되어 새로운 산화제를 산화제 채널(1604)로 흡입한다. 이 사이클은 반복된다. 따라서, 저수조(1608,1612)내부의 물과 펌프(1610)는 산화제 채널(1604)에 대해 산화제를 통과시키는 일종의 격막으로 작용한다. 이런 시스템은 허파와 비교할 수 있는데, 여기서는 주변에서 주고받는 공기가 산화제이다. 이 경우 전기삼투펌프의 출력을 줄일 수 있으면서, 물이 아닌 액체를 펌핑하는데 유리할 수 있다. 공기와 펌핑 액체 사이의 경계면은 피스톤, 유막 또는 박막일 수 있다.
도 17은 평탄한 펌프와 평탄하지 않은 펌프를 적층한 시스템을 보여준다. 여러 채널(1718)을 갖춘 양극(1702), 이온투과막(1704), 여러 채널(1720)을 갖춘 음극(1706), 산단 전기삼투펌프(1708), 수평한 전기삼투펌프(1726), 하단 전기삼투펌프(1710), 여러 채널(1722)을 갖춘 음극(1712), 이온투과막(1714), 및 여러 채널(1724)을 갖춘 양극(1716)을 도면에서 볼 수 있다. 메탄-물 혼합물이나 수소와 같은 반응제가 양극 채널(1718,1724)로 들어간다. 산화제는 음극채널(1720,1722)로 들어간다. 펌프(1708,1710)에 의해 이들 펌프와 음극(1706,1712)의 경계면에 수직 방향으로 음극에서 각각 물이 나온다. 이런 수직의 물흐름으로 인해 음극채널(1720,1722)에서 과잉의 물이 제거된다. 적층된 연료전지 구조에서 처리수를 없애기 위해, 수평 펌프(1726)에 의해 펌프(1708,1710)와 각각의 음극(1706,1712) 사이의 경계면에 평행한 방향으로 처리수가 이동한다. 따라서, 전기삼투펌프를 이용해 평면방향과 비평면 방향으로 물을 운반함으로써, 적층된 연료전지에서 처리수(물)를 제거할 수 있다.
도 17의 연료전지는 2개의 연료전지를 마주보게 배치한 것으로, 양극-막-음극의 층상구조가 이웃한 연료전지끼리 다르지만, 같게 구성할 수도 있다. 이 경우, 처리수(물)를 한쪽 전지의 음극에서 이웃 전지의 양극으로 펌핑할 수 있거나, 각 연료전지의 양극과 음극 양쪽에서 저수조나 그 반대로 펌핑할 수 있다.
도 18A는 산화제 채널층의 일부분이 전기삼투펌프인 경우를 보여준다. 이 전개도에서 음극(308)을 볼 수 있고, 채널층(1800)에는 채널이 형성된 고체기체 전달판(1802; 도체이면서 집전기 역할을 함), 전기삼투펌프(1804), 채널입구(1806) 및 채널출구(1808)가 포함된다. 이런 구성에서, 산화제는 채널입구(1806)로 들어가서 채널의 구불구불한 경로를 통과하여 채널출구(1808)로 나간다. 채널을 통과하는 산화제와 함께 채널내의 물이 움직인다. 전기삼투펌프(1804)가 없는 채널층의 경우, 출구(1808) 부근에 모인 물이 산화제의 흐름을 심각하게 방해하여 음극에 도달하는 산화제 양을 크게 감소시킨다. 출구(1808) 가까이 펌프(1804)를 설치하면 전달판에 수직 방향으로 처리수를 제거할 수 있다. 채널층(1800)의 일부분을 EO 펌프(1804)로 하면, 채널층(1800)의 기본 부위인 전달판(1802)에 최소의 저항으로 전류가 흐르도록 한다는 장점이 있다. EO 펌프(1804)는 비교적 약한 도체이므로 이런 구성이 유리하다.
도 18B는 산화제 채널층의 다른 예를 보여준다. 이 경우 채널판(1820,1822)은 쌍극 구성을 갖는다. 전개도에서는 2개의 채널판(1820,1822)을 볼 수 있지만, 음극(308)이나 양극(304)은 볼 수 없다. 음극(308)은 상부 채널판(1820) 위에 있고, 인접 연료전지의 양극(304)은 하부 채널판(1822) 밑에 있을 것이다. 산화제와 반응제가 상하 채널판(1820,1822) 사이에서 섞이는 것을 방지하는 층도 도시되지 않았다.
이런 구성에서는 보통 음극(308)에서 넘쳐나는 물을 양극(304)쪽으로 펌핑하고, 양극에서 건조 수소(316)를 향해 증발된다. 또, 반응제를 산화제 반대로 흐르게 하여 건조 수소 입구(1820)를 물(1808)로 포화된 산화제 부근에 둘 수 있다는데서 장점이 있다. 한편 과잉의 물은 구멍(1814)을 통해 시스템에서 배출될 수도 있다. 이렇게 일부분이 EO 펌핑면인 쌍극 반응제 전달판은 연료전지의 적층구조에도 유리하다. 이런 디자인은 집전판의 전기저항을 최소화하기도 한다.
도 19는 전기삼투펌프의 일례를 보여준다. 이 펌프(1900)의 채널(1902)을 통해 반응제나 산화제가 양극이나 음극을 통과할 수 있다. 입구(1904)와 출구(1908)를 통해 유체가 펌프를 통과한다. 입구(1904)에서 출구(1906)까지의 이동경로는 도 18의 입구(1806)에서 출구(1808)까지의 이동경로에 비해 좀더 직선적이고 평행하 다. 이렇게 채널을 평행하게 하면 구불구불한 채널에 비해 에너지를 크게 절약할 수 있다.
도 20은 전기삼투펌프가 매립된 공기호흡형 연료전지의 일례를 보여준다. 공기호흡형 연료전지(2000)는 반응제(예; 가습된 수소, 메탄올-물 혼합물)를 공급받는 양극(304), 이온투과막(306), 연료전지 음극(308), 다공성 기판(2002), EO 펌프(2004) 및 큰 표면적의 친수성 증발층(2006)을 구비한다. 음극(308)은 촉매층, 기체확산층 및 집전층으로 구성된다. 다공성 기판(2002)의 재질은 흑연이나 스테인리스 스틸처럼 연료전지의 전류를 모을 수 있는 도체가 바람직하다. 다공성 기판(2002)을 금이나 백금의 불활성 물질로 코팅하여 산화와 부식을 방지한다. 음극(308)의 일부는 다공성 기판(2002), EO 펌프(308) 및 증발층(2006)을 관통하는 일련의 오리피스(2008)를 통해 대기에 노출된다. 그 결과, 대기중의 산소(2010)가 오리피스(2008)를 통해 음극(308)까지 자유롭게 확산될 수 있다. 산소가 결핍된 공기(2012)가 대기로 돌아간다.
도 21은 공기호흡형 연료전지의 부분단면도이다. 여기서 대기중의 산소는 음극(308)에서 양자 및 전자와 반응하여 물을 생성한다. 이렇게 생긴 물은 연료전지의 집전기와 EO 펌프 양극의 역할을 동시에 하는 다공성 기판(2002)으로 흡수된다. 다공성 기판(20020내의 물은 EO 펌프(2004)에 의해 표면적이 큰 친수성 증발층(2006)으로 펌핑된다. 이 층(2006)의 물은 대기(2014)로 증발된다.

Claims (62)

  1. 양극;
    이온투과막;
    음극; 및
    전기삼투펌프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 음극과 펌프 사이의 경계면에 수직인 방향으로 펌프에 의해 물이 이동하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 양극, 이온투과막, 음극 및 펌프가 연료전지를 이루는 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 연료전지가 두개 이상 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 연료전지가 두개 이상 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제3항에 있어서, 연료전지의 각 층에 평행한 평면에 수직 방향으로 펌프에 의해 물이 이동하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제3항에 있어서, 연료전지의 각 층에 평행한 방향으로 펌프에 의해 물이 이동하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 펌프에 의해 반응기체가 음극으로 이동하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 양극에 수소를 공급하는 채널이 상기 펌프에 형성된 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 펌프에 의해 채널에서 물이 제거되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제9항에 있어서, 상기 펌프에 의해 건조 수소를 가습하는 물이 채널에 공급되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 펌프가 양극과 접촉하여 액상 반응제 혼합물을 양극에 공급하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 액상 반응제 혼합물을 양극에 공급하기 위한 채널이 상기 펌프에 형성된 것을 특징으로 하는 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 양극에 액상 반응제 혼합물을 공급하기 위한 불투과성 채널이 양극에 형성되고, 액상 반응제 혼합물이 전기삼투펌프에 의해 양극 채널에 공급되며, 이런 전기삼투펌프가 시스템의 한개 층인 것을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 전기삼투펌프가 액상 반응제 혼합물을 이동시키는 액체를 펌핑하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 펌핑된 액체와 이동한 액상 반응제 사이의 경계면이 이온투과막, 기포 또는 피스톤을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  17. 제1항에 있어서, 상기 양극이 촉매층, 기체확산층 및 집전층을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  18. 제1항에 있어서, 상기 음극이 촉매층, 기체확산층 및 집전층을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  19. 제1항에 있어서, 상기 이온투과막이 이온선택막인 것을 특징으로 하는 시스 템.
  20. 제19항에 있어서, 상기 이온투과막이 고체 폴리머 전해질인 것을 특징으로 하는 시스템.
  21. 제1항에 있어서, 상기 전기삼투펌프가 산화제를 음극에 공급하기 위한 채널을 갖는 것을 특징으로 하는 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 상기 채널에 다공성 도전층을 라이닝한 것을 특징으로 하는 시스템.
  23. 제21항에 있어서, 상기 채널이 음극과 이온삼투펌프의 경계면에 평행한 것을 특징으로 하는 시스템.
  24. 제1항에 있어서, 상기 이온삼투펌프가 다공성 유리 프릿을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  25. 제1항에 있어서, 상기 이온삼투펌프가 유리섬유 직물을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  26. 제1항에 있어서, 상기 이온삼투펌프가 다공성 폴리머 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  27. 제1항에 있어서, 상기 이온삼투펌프가 다공성 실리콘 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  28. 제1항에 있어서, 상기 이온삼투펌프가 다공성 산화알루미늄 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  29. 제1항에 있어서, 다공성 도전층에 음극전류가 모이는 것을 특징으로 하는 시스템.
  30. 제1항에 있어서, 도선에 음극전류가 모이는 것을 특징으로 하는 시스템.
  31. 제1항에 있어서, 다공성 금속호일에 음극전류가 모이는 것을 특징으로 하는 시스템.
  32. 제1항에 있어서, 상기 전기삼투펌프가 기체확산층에서 직접 물을 제거하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  33. 제1항에 있어서, 상기 전기삼투펌프가 음극에 대해 물을 운반하고 또한 산화제를 이동시키는 것을 특징으로 하는 시스템.
  34. 제33항에 있어서, 산화제가 공기인 것을 특징으로 하는 시스템.
  35. 제33항에 있어서, 산화제가 산소가 풍부한 공기인 것을 특징으로 하는 시스템.
  36. 제1항에 있어서, 제1항에 있어서, 상기 전기삼투펌프의 외측 표면 일부분이 다공성 도전층을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  37. 제36항에 있어서, 다공성 도전층이 다공성 백금인 것을 특징으로 하는 시스템.
  38. 제1항에 있어서, 상기 전기삼투펌프가 친수성이자 자흡식 펌프인 것을 특징으로 하는 시스템.
  39. 제1항에 있어서, 상기 전기삼투펌프가 자가조절형 펌프인 것을 특징으로 하는 시스템.
  40. 제1항에 있어서, 상기 전기삼투펌프에서 제거된 물을 이용해 수증기로 반응기체를 수화시키는 것을 특징으로 하는 시스템.
  41. 제1항에 있어서, 상기 전기삼투펌프에서 제거된 처리수인 물을 반응제로서 메탄올과 결합시키고, 시스템 자체가 DMFC인 것을 특징으로 하는 시스템.
  42. 제1항에 있어서, 상기 전기삼투펌프가 물 배출구 가까이 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
  43. 제42항에 있어서, 상기 전기삼투펌프의 평탄 영역이 이온삼투막의 평탄 영역의 일부분이고, 시스템에서 다른 적층 시스템으로 흐르는 전류와 관련된 전기저항이 최소화되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  44. 제1항에 있어서, 상기 전기삼투펌프가 다공성 음극 집전층을 통해 물을 제거하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  45. 제1항에 있어서, 음극 기체확산층과 음극 촉매층의 일부분이 대기에 직접 노출되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  46. 제45항에 있어서, 전기삼투펌프의 위에 표면적이 큰 친수층을 배치하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  47. 제1항에 있어서, 금속철망으로 음극전류를 모으는 것을 특징으로 하는 시스템.
  48. 전기삼투펌프로 연료전지에서 능동적으로 물을 조절하는 방법에 있어서:
    연료전지의 상태를 감시하는 단계; 및
    이런 감시상태를 기반으로 수량과 수량 방향에 영향을 주도록 전기삼투펌프에 걸리는 전위를 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  49. 제48항에 있어서, 감시단계에서 전기삼투펌프에 흐르는 전류를 감시하는 것을 특징으로 하는 방법.
  50. 제48항에 있어서, 감시단계에서 연료전지에서 생긴 전류를 감시하는 것을 특징으로 하는 방법.
  51. 제48항에 있어서, 감시단계에서 연료전지의 전압을 감시하는 것을 특징으로 하는 방법.
  52. 연료전지에서 전력을 생산하는 방법에 있어서:
    첫번째 반응제를 양극에 공급하는 단계;
    두번째 반응제를 음극에 공급하는 단계;
    전기삼투펌프를 이용해 연료전지의 음극측에서 물을 제거하는 단계; 및
    양극과 음극에서 일어나는 복합 화학반응을 기초로 전력을 생산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  53. 제52항에 있어서, 제거된 물을 이용해 수증기로 첫번째와 두번째 반응제를 수화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  54. 연료전지를 작동시키는 방법에 있어서:
    양극 반응제 혼합물을 양극에 공급하는 단계;
    산화제를 음극에 공급하는 단계; 및
    전기삼투펌프로 액체를 이동시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  55. 제54항에 있어서, 상기 반응제 혼합물이 액상 메탄올과 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  56. 제54항에 있어서, 상기 반응제 혼합물이 포름산과 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  57. 제54항에 있어서, 배출수의 일부를 양극 반응제 혼합물용의 물로 사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  58. 제54항에 있어서, 상기 전기삼투펌프가 연료전지의 음극측에서 나오는 물을 제거하는 것을 특징으로 하는 방법.
  59. 제54항에 있어서, 상기 전기삼투펌프가 배출수를 반응제 혼합물에 공급하는 것을 특징으로 하는 방법.
  60. 제54항에 있어서, 상기 전기삼투펌프가 반응제 혼합물에 메탄올을 공급하는 것을 특징으로 하는 방법.
  61. 제54항에 있어서, 상기 전기삼투펌프가 반응제 혼합물을 양극에 순환시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  62. ⒜ 첫번째 전기삼투펌프;
    ⒝ 양극;
    ⒞ 이온선택막;
    ⒟ 음극; 및
    ⒠ 두번째 전기삼투펌프;를 포함하되,
    연료전지의 각각의 층으로서 ⒜, ⒝, ⒞, ⒟, ⒠의 순서로 배치되고;
    첫번째 전기삼푸펌프는 양극 근처의 연료전지에서 물을 제거하거나 공급하며;
    두번째 전기삼투펌프는 음극 근처의 연료전지에서 물을 제거하거나 공급하고;
    첫번째 전기삼투펌프의 첫번째 내부 채널 세트를 통해 반응제를 양극에 보낼 수 있으며;
    두번째 전기삼투펌프의 두번째 내부 채널 세트를 통해 산화제를 음극에 보낼 수 있고;
    두번째 펌프는 두번째 내부채널 세트의 내부와 두번째 펌프의 외부표면에 배치된 다공성 백금층을 갖는 다공성 유리 프릿(frit)을 포함하며;
    두번째 펌프에서 제거된 물을 반응제와 산화제 기체에 노출시켜 반응제와 산화제 기체를 수증기로 포화시키고;
    두번째 펌프가 양극, 음극 및 펌핑 매체를 포함하며;
    펌핑매체는 전기삼투압을 일으키는 표면전하를 지원하고;
    두번째 펌프가 자가조절형이자 자흡식인 것을 특징으로 하는 방법.
KR1020077004640A 2004-08-04 2005-07-29 전기삼투펌프가 달린 연료전지 KR20070065871A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US10/912,527 US7799453B2 (en) 2004-08-04 2004-08-04 Fuel cell with electroosmotic pump
US10/912,527 2004-08-04

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20070065871A true KR20070065871A (ko) 2007-06-25

Family

ID=35757781

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020077004640A KR20070065871A (ko) 2004-08-04 2005-07-29 전기삼투펌프가 달린 연료전지

Country Status (6)

Country Link
US (1) US7799453B2 (ko)
EP (1) EP1779456A2 (ko)
JP (1) JP4922933B2 (ko)
KR (1) KR20070065871A (ko)
CA (1) CA2575779A1 (ko)
WO (1) WO2006017404A2 (ko)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100949337B1 (ko) * 2008-02-19 2010-03-26 삼성에스디아이 주식회사 유체 회수장치 및 이를 구비한 연료전지 시스템
KR101040864B1 (ko) * 2007-10-30 2011-06-14 삼성에스디아이 주식회사 유체 회수장치 및 이를 채용한 연료전지 시스템
KR101230891B1 (ko) * 2010-10-14 2013-02-07 현대자동차주식회사 연료전지용 가습장치 및 이를 보조가습장치로 이용하는 연료전지 시스템
WO2018062897A1 (ko) * 2016-09-28 2018-04-05 서강대학교산학협력단 무전원 자가구동 전기삼투펌프
WO2018151430A1 (ko) * 2017-02-20 2018-08-23 삼성에스디아이 주식회사 전기침투 펌프를 포함하는 전지 모듈
KR20180096505A (ko) * 2017-02-20 2018-08-29 삼성에스디아이 주식회사 전기침투 펌프를 포함하는 전지 모듈

Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4569096B2 (ja) * 2003-11-13 2010-10-27 日産自動車株式会社 燃料電池の冷却装置
US7449260B2 (en) * 2003-12-23 2008-11-11 Utc Power Corporation Fuel cell stack including hydrogen pumping fuel cells
US8246817B2 (en) * 2004-06-10 2012-08-21 Ford Motor Company Deionization filter for fuel cell vehicle coolant
JP2006147179A (ja) * 2004-11-16 2006-06-08 Toshiba Corp 燃料電池ユニット
WO2007037421A1 (ja) * 2005-09-30 2007-04-05 Kyocera Corporation 燃料電池及び当該燃料電池を備えた電子機器
US20070284253A1 (en) * 2006-05-25 2007-12-13 Tibor Fabian Fuel cell water management
JP5034396B2 (ja) * 2006-09-14 2012-09-26 カシオ計算機株式会社 電気浸透材の支持構造、電気浸透流ポンプ、発電装置及び電子機器
JP4893195B2 (ja) * 2006-09-27 2012-03-07 カシオ計算機株式会社 送液装置の接続構造体、燃料電池型発電装置及び電子機器
JP2008235243A (ja) * 2006-12-28 2008-10-02 Toshiba Corp 燃料電池
JP5025288B2 (ja) * 2007-03-05 2012-09-12 株式会社東芝 燃料電池システム及び電子機器
JP2009026673A (ja) 2007-07-23 2009-02-05 Toshiba Corp 燃料電池
WO2009038198A1 (ja) * 2007-09-19 2009-03-26 Kabushiki Kaisha Toshiba 燃料電池
JP2009087543A (ja) * 2007-09-27 2009-04-23 Toshiba Corp 燃料電池
US8173080B2 (en) 2008-02-14 2012-05-08 Illumina, Inc. Flow cells and manifolds having an electroosmotic pump
JP2010033901A (ja) * 2008-07-29 2010-02-12 Toshiba Corp 燃料電池システム及び電子機器
US8252250B2 (en) * 2008-11-26 2012-08-28 Illumina, Inc. Electroosmotic pump with improved gas management
WO2010124263A2 (en) * 2009-04-24 2010-10-28 Old Dominion University Research Foundation Electroosmotic pump
EP2579977A4 (en) * 2010-06-09 2017-09-13 Empire Technology Development LLC Adjustable pressure microreactor
JP2013533584A (ja) * 2010-06-18 2013-08-22 ジービーシー・サイエンティフィック・イクウィップメント・プロプライエタリー・リミテッド ナノ多孔性真空ポンプ
TWI456230B (zh) * 2010-10-21 2014-10-11 Atomic Energy Council 開放式平板型固態氧化物燃料電池單元檢測裝置
US9103331B2 (en) 2011-12-15 2015-08-11 General Electric Company Electro-osmotic pump
US10072342B2 (en) * 2013-08-28 2018-09-11 Nuvera Fuel Cells, LLC Integrated electrochemical compressor and cascade storage method and system
DE102013218700A1 (de) * 2013-09-18 2015-03-19 Robert Bosch Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Entfeuchtung eines Batteriegehäuses sowie Batteriegehäuse, Batterietrennvorrichtung und Batteriesystem
US20150221964A1 (en) * 2014-02-01 2015-08-06 Daimler Ag Freeze start-up method for fuel cell system

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5234776A (en) * 1990-08-03 1993-08-10 Fuji Electric Co., Ltd. Solid polymer electrolyte fuel cell system with ribbed configuration
JPH05283094A (ja) * 1992-03-31 1993-10-29 Toshiba Corp 燃料電池
US5534363A (en) * 1994-03-22 1996-07-09 Rockwell International Corporation Hollow artery anode wick for passive variable pressure regenerative fuel cells
US5773160A (en) * 1994-06-24 1998-06-30 Ballard Power Systems Inc. Electrochemical fuel cell stack with concurrent flow of coolant and oxidant streams and countercurrent flow of fuel and oxidant streams
US5952119A (en) * 1997-02-24 1999-09-14 Regents Of The University Of California Fuel cell membrane humidification
US6485851B1 (en) * 1997-09-23 2002-11-26 California Institute Of Technology Power generation in fuel cells using liquid methanol and hydrogen peroxide
US6117577A (en) * 1998-08-18 2000-09-12 Regents Of The University Of California Ambient pressure fuel cell system
US6503432B1 (en) * 2000-03-02 2003-01-07 E. I. Du Pont De Nemours And Company Process for forming multilayer articles by melt extrusion
US6824900B2 (en) * 2002-03-04 2004-11-30 Mti Microfuel Cells Inc. Method and apparatus for water management of a fuel cell system
US6503651B1 (en) * 2000-04-19 2003-01-07 Tvn Systems, Inc. Methodology and apparatus for supply of reactant fluids to and purging of product and inert fluids from cells of fuel cell stack
US6727016B2 (en) * 2001-08-09 2004-04-27 Motorola, Inc. Direct methanol fuel cell including a water recovery and re-circulation system and method of fabrication
US6942018B2 (en) * 2001-09-28 2005-09-13 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Electroosmotic microchannel cooling system
WO2003066684A2 (en) * 2002-01-18 2003-08-14 The Regents Of The University Of Michigan Porous polymers: compositions and uses thereof
US7235164B2 (en) * 2002-10-18 2007-06-26 Eksigent Technologies, Llc Electrokinetic pump having capacitive electrodes
US7147955B2 (en) 2003-01-31 2006-12-12 Societe Bic Fuel cartridge for fuel cells

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101040864B1 (ko) * 2007-10-30 2011-06-14 삼성에스디아이 주식회사 유체 회수장치 및 이를 채용한 연료전지 시스템
KR100949337B1 (ko) * 2008-02-19 2010-03-26 삼성에스디아이 주식회사 유체 회수장치 및 이를 구비한 연료전지 시스템
KR101230891B1 (ko) * 2010-10-14 2013-02-07 현대자동차주식회사 연료전지용 가습장치 및 이를 보조가습장치로 이용하는 연료전지 시스템
US8541139B2 (en) 2010-10-14 2013-09-24 Hyundai Motor Company Humidifier including an auxiliary humidifier utilzing electroosmosis
WO2018062897A1 (ko) * 2016-09-28 2018-04-05 서강대학교산학협력단 무전원 자가구동 전기삼투펌프
WO2018151430A1 (ko) * 2017-02-20 2018-08-23 삼성에스디아이 주식회사 전기침투 펌프를 포함하는 전지 모듈
KR20180096505A (ko) * 2017-02-20 2018-08-29 삼성에스디아이 주식회사 전기침투 펌프를 포함하는 전지 모듈

Also Published As

Publication number Publication date
JP4922933B2 (ja) 2012-04-25
WO2006017404A3 (en) 2009-04-09
CA2575779A1 (en) 2006-02-16
EP1779456A2 (en) 2007-05-02
US7799453B2 (en) 2010-09-21
WO2006017404A2 (en) 2006-02-16
JP2008509526A (ja) 2008-03-27
US20060029851A1 (en) 2006-02-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4922933B2 (ja) 電気浸透ポンプを備えた燃料電池
US7407721B2 (en) Direct oxidation fuel cell operating with direct feed of concentrated fuel under passive water management
JP2703824B2 (ja) 電気化学燃料電池の除水方法
KR100528340B1 (ko) 액체연료 혼합장치 및 이를 적용한 직접액체연료 전지
JPH06275284A (ja) 固体高分子電解質膜型燃料電池
WO2006071680A2 (en) Controlled direct liquid injection vapor feed for a dmfc
JPH06231793A (ja) 固体高分子電解質型燃料電池
JP2006173106A (ja) 直接メタノール燃料電池における水の流れ及び分配を制御する方法
JP4180404B2 (ja) 燃料電池、酸化剤配流板
JPH09283162A (ja) 固体高分子型燃料電池
JP3447875B2 (ja) 直接メタノール型燃料電池
JPH07320753A (ja) 固体高分子電解質膜型燃料電池
JP2000208156A (ja) 固体高分子型燃料電池システム
JP2012532426A (ja) 高温高分子電解質膜燃料電池における液体電解質損失の低減
KR102152207B1 (ko) 습도조절이 용이한 연료전지용 공기공급장치
US20060115696A1 (en) Hydrogen gas humidity control apparatus, fuel cell, hydrogen gas humidity controlling method, and humidity control method for fuel cell
JP2001185169A (ja) 固体高分子型燃料電池
JP2020128561A (ja) 水素生成システム
JP2005135763A (ja) 燃料電池および燃料電池用セパレータ
JP2004103592A (ja) 燃料電池
JP4278349B2 (ja) 燃料電池
US8426076B2 (en) Fuel cell
JP2000251900A (ja) 燃料電池用セルユニット及び燃料電池
KR100514393B1 (ko) 고효율의 모세관형가습장치
KR20230111294A (ko) 연료전지의 스택 활성화 장치용 가습기

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid