KR20080042177A - 재순환 반응 가스를 연료 전지에 공급하기 위한 장치 - Google Patents

재순환 반응 가스를 연료 전지에 공급하기 위한 장치 Download PDF

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KR20080042177A
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클라우스 라이스터
베레나 휙커
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칼 프로이덴베르크 카게
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Abstract

재순환 반응 가스(3)를 연료 전지(2)에 공급하기 위한 장치(1)는 습기가 공급될(3) 반응 가스용 제 1 인입구(5) 및 습기 캐리어(7)를 위한 제 2 인입구(6)를 가진 급습기(4)를 포함하고, 필터 설비(8)는 제 1 인입구(5) 및/또는 제 2 인입구(6)에 미리 접속된다.

Description

재순환 반응 가스를 연료 전지에 공급하기 위한 장치{ARRANGEMENT FOR SUPPLYING A FUEL CELL WITH RECYCLED REACTION GAS}
본 발명은 습기가 공급될 반응 가스를 위한 제 1 인입구 및 습기 캐리어를 위한 제 2 인입구를 가진 급습기(humidifier)를 포함하는 재순환 반응 가스를 연료 전지에 공급하기 위한 장치에 관한 것이다.
상기 장치들은 일반적으로 공지되었다. 예를들어 폴리머 전해질 막 연료 전지들(PEM 전지들) 같은 특정 종류의 연료 전지들의 경우, 연료 전지 막의 영구적 습기 공급은 최대 효율성을 달성하기 위하여 필요하다. 습기 공급은 물로 연료 전지에 공급되는 가스를 풍부하게 함으로써 달성되고, 상기 풍부함은 급습기에 의해 발생한다. 급습기가 최적의 효율성에 도달하고 습기가 제어 가능하게 전달되도록 하기 위하여, 일정한 공급 흐름이 요구된다. 이런 목적을 위하여, 가스 전달 설비는 주로 급습기의 전면에 접속된다. 그러나, 서지시 동작하는 가스 전달 설비들은 현재, 급습기에 대한 공급 스트림이 균일하지 않도록 존재한다. 게다가, 압력 서지들은 너무 이른 마모 및 해어짐을 유도할 수 있다. 때때로, 단지 제한된 양의 구조적 공간이 이용 가능하여 급습기는 주로 바람직하지 않은, 예를들어 불균일 또는 비대칭 공급 스트림을 유발할 수 있다.
본 발명은 급습기에 대한 공급 스트림을 개선하는 장치를 제공하는 임무를 바탕으로 한다.
이 임무를 달성하기 위하여, 필터 설비는 제 1 인입구 및/또는 제 2 인입구에 미리 접속된다. 필터 설비는 예를들어 비직물 재료의 입자 필터 형태를 가지며, 흐름의 원할화를 발생시키는 압력 이퀄라이저(equaliser)를 형성한다. 이런 필터 설비는 모바일 연료 전지들이 동적으로 동작되고 결과적으로 동적으로 발생되는 압력 변동들이 발생할 수 있기 때문에 모바일 애플리케이션의 경우 특히 바람직하다; 동일한 것은 소형 상비 장비들에 적용할 수 있다. 미리 접속된 가스 전달 장비의 가능한 가스 서지들은 필터 장비에서 감쇄된다. 급습기로의 원할한 공급 스트림에 의해, 습기의 전달은 개선되어 작은 구조적 공간 요구가 달성될 수 있다. 필터 설비는 와이어 네팅(netting), 짜여진 구조, 관통된 격자 또는 격판들을 나타낼 수 있다. 이들 필터 설비들은 필터 설비에 대한 공급 효과를 가짐과 별개로 추가의 개선된 흐름을 유도한다. 바람직하게, 필터 설비는 입자 필터 형태를 가진다. 이것은 너무 이른 마모 및 해어짐 또는 급습기의 효율성 손실을 유도할 수 있는 입자들을 필터링하기 위하여 사용된다. 이 경우, 캐소드 측 반응 가스로서 연료 전지에 공급되는 주변 공기는 한편으로 정화되고, 습기 캐리어를 형성하는 캐소드 오프 가스는 또한 다른 한편으로 정화될 수 있다. 캐소드 오프 가스는 정화된 캐소드 오프 가스가 급습기에 공급되도록 필터 설비에 유지된 연료 전지로부터의 오염물들을 포함할 수 있다.
필터 설비는 화학 필터를 포함할 수 있다. 화학 필터는 예를들어 산 및/또는 염기 가스들을 필터링하고 손상을 주는 가스들의 효과에 의한 급습기 및 연료 전지들의 너무 이른 마모 및 해어짐을 방지한다.
필터 설비는 활성화된 탄소 층을 포함할 수 있다. 그 다음 필터 설비는 입자 필터 및 하나의 필터 유니트를 형성하기 위하여 결합될 수 있는 활성화된 탄소를 포함한다. 추가 필터 설비는 활성화된 탄소층을 포함한다. 이 경우, 활성화된 탄소는 장비에 따라 흡착 필터 및/또는 흡수 필터를 형성한다. 활성화된 탄소는 폭넓게 다른 화학 성분들 및 입자들을 필터링하기 위하여 적당하다. 활성화된 탄소 대신 또는 부가하여, 다른 흡수제들은 또한 추가 필터 설비에 제공될 수 있다. 이들 흡수제들은 또한 물리적 흡수 및/또는 화학적 흡수에 의해 작동할 수 있다. 예를들어 주입된 탄소, 실리콘 이산화물, 알루미노실리케이트들, 알루미늄 산화물들 또는 이온 교환기는 또한 고려할 수 있다.
필터 설비는 미세 필터를 포함할 수 있다. 미세 필터에 의해, 미세 입자 및 액체 성분들은 정화될 매체로부터 필터될 수 있다. 활성화된 탄소 층은 하류쪽 미세 필터에 접속될 수 있고 활성화된 탄소 입자들을 유지한다.
필터 설비는 정전기적 효과 필터 층을 포함할 수 있다. 미세 입자들은 저압 손실을 갖는 정전기적 효과 필터 재료로 필터될 수 있다. 정전기 상호작용의 결과로서, 구멍들은 비충전 필터 재료의 경우보다 동일한 필터 성능을 가지며 더 크게 형성될 수 있다. 필터 매체는 가스 스트림에서 간단한 수단에 의해 배열될 수 있고 쉽게 대체할 수 있다.
급습기는 막 급습기 형태를 가질 수 있다. 막 급습기들의 경우, 가스의 습기 스트림 및 습기가 공급될 가스의 스트림은 물에 침투성인 막에 의해 분리된다. 본래, 습기의 운송은 모세관 힘들 또는 확산 힘들에 의해 발생할 수 있다. 양쪽 메카니즘들은 마주하는 오염물들에 민감하다. 막을 통한 운송 동안, 막의 인터페이스 현상은 매우 중요하다. 이런 인터페이스 현상은 표면의 오염물들에 의해 영향을 받는다; 예를들어, 막의 친수성 작용 및 습식 작용은 오염시 변화한다. 구멍들은 입자들에 의해 막힐 수 있다. 기능 그룹들은 오염물들 또는 유독 물질들에 의해 방해받을 수 있다. 막 급습기의 경우, 캐소드측의 물 함유 폐기 공기는 바람직하게 물의 독립된 공급이 생략될 수 있도록 습기 공급을 위하여 사용될 수 있다. 부가적으로, 개선된 노이즈 감소 효과는 흐름 설계 및 급습기의 주변 막들의 결과로서 필터 설비와 결합하여 얻어진다. 다른 실시예들에서, 급습기는 스프레이 급습기 형태를 가질 수 있다. 스프레이 급습기들은 애노드 가스가 산소, 예를들어 대기중 산소와 연관되어 반응하기 때문에, 만약 애노드 가스의 습기 공급이 발생하면 바람직하다. 스프레이 수분 공급의 경우, 수분 공급은 예를들어 노즐들을 통하여 액체 습기를 스프레잉함으로써 발생한다. 캐소드 오프 가스로부터 응축된 물은 상기 물로서 사용될 수 있다. 액체 물을 사용할 때, 특히 캐소드 오프 가스로부터 얻어진 물을 사용할 때, 사전 정화는 오염물들로 인해 노즐들이 막힐 수 있기 때문에 필요하다. 주변 공기로부터 형성된 캐소드 가스에 습기 공급 중에, 주변 공기로부터의 오염물들이 자체적으로 노즐들 상에 증착하여 급습기의 동작에 혼란을 유도하기 때문에 정화는 또한 필요하다.
급습기는 중공 섬유들을 포함할 수 있다. 중공 섬유들은 매우 큰 표면을 가지므로, 높은 습기 공급 성능은 작은 공간을 요구하는 작은 수의 중공 섬유들로 달성될 수 있다. 중공 섬유들의 경우, 예를들어 가스의 습기 스트림은 섬유들 주변으로 통과되고, 다른 가스 스트림, 예를들어 습기가 공급될 스트림은 섬유들의 안쪽을 통과된다. 중공 섬유 급습기들의 경우, 사전 필터링은, 중공 섬유들이 내부를 관통하는 입자들에 의해 막히거나 파괴될 수 있는 작은 단면을 가지기 때문에 부가적으로 바람직하다.
상기 장치는 사전에 장착할 수 있는 유니트를 형성할 수 있다. 연료 전지들에 장착하기 전에 보다 필터 설비 및 급습기의 유니트가 결합되는 모듈 타입 구조는 보다 적은 부품들이 장착될 필요가 있기 때문에 연료 전지들의 장착을 용이하게 한다.
상기 장치는 하우징 내에 배열될 수 있다. 필터 장치 및 급습기의 유니트는 하우징에 특히 컴팩트 방식으로 미리 장착되고, 그 결과 장착은 추가로 단순화된다. 필터 설비 및 급습기를 접속하기 위하여 접속부들, 예를들어 튜브들 및 호스들은 생략될 수 있다.
가스 전달 설비는 상기 장치의 전면에 접속될 수 있다. 가스 전달 설비에 의해, 가스 스트림의 압력 및 전달 증가는 발생한다. 가스 전달 설비의 장비에 따라, 압력 서지들은 발생할 수 있고 급습기의 전면에 접속된 필터 설비에서 감쇄된다. 막 펌프들은 전달될 매체가 이들의 경우 완전히 밀봉되기 때문에 가스 전달 설비들로서 주로 사용된다. 그러나, 압력 맥동들은 급습기에 공급되는 흐름이 균일하도록 필터 설비에서 감쇄되고, 그 결과 최적의 효율성에 도달하고 만족스럽게 제어할 수 있다.
사전 필터는 공기 전달 설비의 전면에 접속될 수 있다. 사전 필터는 가스 전달 설비로 입자들의 침투를 방지하고 상기 장치가 너무 이르게 손상 및 해어지는 것을 방지한다.
사운드 흡수기는 공기 전달 설비의 전면에 접속될 수 있다. 가스 전달 설비에 의해 특히 발생되는 사운드 방출들은 사운드 흡수기에 의해 방지된다.
반응 가스는 연료 전지의 캐소드 가스를 형성할 수 있다. 산소 함유 매체, 예를들어 PEM 연료 전지들의 경우 주변 공기는 캐소드에 공급된다. 비록 캐소드측으로 물의 공급이 애노드 측쪽으로 공급 효과를 나타내지 못하지만, 캐소드 폐기 공기가 습기를 공급하기 위하여 안전하게 사용될 수 있기 때문에 기술적으로 보다 간단하다.
반응 가스는 연료 전지의 애노드 가스를 형성할 수 있다. 연료, 일반적으로 수소는 애노드로 통과된다. PEM 연료 셀들의 경우, 건조가 막의 저항을 증가시키고 결과적으로 성능의 손실을 유도하기 때문에 애노드 측에 습기를 공급할 필요가 있을 수 있다. 그러나, 산소가 연료 전지의 파괴를 유도하는 수소-산소 반응 형태로 제어되지 않은 방식으로 수소와 반응할 수 있기 때문에, 반응 가스로 전달되지 않는 것이 보장될 필요가 있다.
필터 설비는 센서 설비를 포함할 수 있다. 센서 설비에 의해, 필터 설비 상태는 모니터될 수 있고 측정된 파라미터들은 급습기 또는 연료 전지를 제어하기 위한 평가 유니트에 이용할 수 있다. 이런 처리 동안, 특히 온도, 습기 및 관통하여 흐르는 유체의 흐름 비율은 센서 설비에서 측정될 수 있다. 이들 파라미터들에 의해, 필터 설비의 감소하는 필터 성능 및 결과적으로 필터 설비의 필요한 대체는 신호될 수 있다.
본 발명에 따른 장치의 몇몇 특정 실시예들은 도면들에 의해 하기에 추가로 상세히 설명될 것이다. 이들은 각각의 경우를 도시한다.
도 1은 캐소드 가스에 습기를 공급하기 위한 본 발명에 따른 장치를 도시한다.
도 2는 캐소드 오프 가스를 정화하기 위한 부가적인 필터 설비를 가진 장치를 도시한다.
도 3은 전면에 접속된 사전 필터 및 사운드 흡수기를 가진 장치를 도시한다.
도 4는 캐소드 가스에 습기를 공급하기 위한 장치를 도시한다.
도 5는 하우징에 사전 장착 가능한 유니트로서 하나의 장치를 도시한다.
도 1은 재순환된 반응 가스(3)를 연료 전지(2)에 공급하기 위한 장치(1)를 도시한다. 반응 가스(3)는 캐소드측에서 연료 전지(2)에 공급되는 설계의 경우 주변 공기이다. 장치(1)는 제 1 인입구(5) 및 제 2 인입구(6)를 가진 막 급습기로서 형성된 급습기(4)로 구성된다. 제 1 인입구(5)에서 급습기(3)에 공급될 반응 가스 및 제 2 인입구(6)에서 습기 캐리어(7)는 급습기(4)에 도입된다. 습기 캐리어 들(7)은 물 함유 캐소드 폐기 가스에 의해 형성된다. 이런 설계의 경우, 필터 설비(8)는 제 1 인입구(5)의 전면에 접속된다. 필터 설비(8)는 입자 필터로서 형성되고 편평한 표면으로서 형성된 비직물 재료로 구성된다. 필터 설비(8)는 비직물 재료 층에 부가하여, 활성화된 탄소(10) 층에 의해 형성된 화학 필터(9)를 나타낸다. 게다가, 필터 설비는 정전기 효과 필터 재료(12)에 의해 형성된 미세 필터(11)를 나타낸다. 막 펌프로서 형성된 가스 전달 설비(15)는 상기 장치(1)의 전면에 접속된다.
도 2에 따른 장치(1)는 도 1로부터의 장치(1)에 대응하고, 부가적인 필터 설비(8)는 이 설계의 경우 제 2 인입구(6)의 전면에 접속된다. 습기 캐리어(7)에 의해 형성된 캐소드 오프 가스는 부가적인 필터 설비에 의해 정화된다.
도 3은 도 2에 따른 장치(1)를 도시하고, 사전 필터(16)는 가스 전달 설비(15)의 전면에 접속되고, 사운드 흡수기(17)와 결합된다. 작은 공간 요구의 결과로서, 이런 장치는 특히 모바일 애플리케이션들에 적당하다.
도 4는 재순환된 반응 가스(3)를 연료 전지(2)에 공급하기 위한 장치(1)를 도시한다. 이 설계의 경우, 반응 가스(3)는 애노드측상 연료 전지(2)에 공급되는 수소이다. 장치(1)는 제 1 인입구(5) 및 제 2 인입구(6)를 가진 막 급습기로서 형성된 급습기(4)로 구성된다. 습기가 공급될 반응 가스(3)는 제 1 인입구(5)에 공급되고 습기 캐리어(7)는 제 2 인입구(6)에서 급습기(4)에 도입된다. 습기 캐리어(7)는 물 함유 캐소드 폐기 공기에 의해 형성된다. 이런 설계의 경우, 필터 설비(8)는 제 2 인입구(6)의 전면에 접속된다.
도 5는 사전 장착 가능한 유니트로서 형성된 장치(1)를 도시한다. 필터 설비(8) 및 급습기(4)는 하우징(14) 내에 배열된다. 필터 설비(8)는 사전 필터(15) 및 플리트(pleat) 필터로서 형성된 입자 필터(16)를 포함한다. 활성화된 탄소 층에 의해 형성된 화학 필터(9)는 입자 필터(16) 하류에 접속된다. 미세 필터(11)를 형성하는 정전기 효과 필터 층(12)은 화학 필터(9) 하류에 접속된다. 필터 설비(8)의 하류에는 센서 설비(18)가 배열된다. 급습기(4)는 막 급습기 형태를 가지며, 다수의 물 침투성 중공 섬유들은 급습기(4) 내에 제공된다. 이런 장치(1)는 사운드 흡수기로서 동작한다.

Claims (16)

  1. 습기가 공급될 반응 가스(3)를 위한 제 1 인입구(5) 및 습기 캐리어(7)를 위한 제 2 인입구(6)를 가진 급습기(4)를 포함하는, 재순환된 반응 가스(3)를 연료 전지(2)에 공급하기 위한 장치(1)로서,
    필터 설비(8)는 제 1 인입구(5) 및/또는 제 2 인입구(6)의 전면에 접속되는,
    재순환 반응 가스를 연료 전지에 공급하기 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 필터 설비(8)는 입자 필터를 포함하는,
    재순환 반응 가스를 연료 전지에 공급하기 위한 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 필터 설비(8)는 화학 필터(9)를 포함하는,
    재순환 반응 가스를 연료 전지에 공급하기 위한 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필터 설비(8)는 활성화된 탄소 층(10)을 포함하는,
    재순환 반응 가스를 연료 전지에 공급하기 위한 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필터 설비(8)는 미세 필터(11)를 포함하는,
    재순환 반응 가스를 연료 전지에 공급하기 위한 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 필터 설비(8)는 정전기 효과 필터 층(12)을 포함하는,
    재순환 반응 가스를 연료 전지에 공급하기 위한 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 급습기(4)는 막 급습기 형태를 가지는,
    재순환 반응 가스를 연료 전지에 공급하기 위한 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 급습기(4)는 중공 섬유들(13)을 포함하는,
    재순환 반응 가스를 연료 전지에 공급하기 위한 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치(1)는 사전 장착 가능 유니트를 형성하는,
    재순환 반응 가스를 연료 전지에 공급하기 위한 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치(1)는 하우징(14) 내에 배열되는,
    재순환 반응 가스를 연료 전지에 공급하기 위한 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 전달 설비(15)는 장치(1)의 전면에 접속되는,
    재순환 반응 가스를 연료 전지에 공급하기 위한 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 사전 필터(16)는 가스 전달 설비(15)의 전면에 접속되는,
    재순환 반응 가스를 연료 전지에 공급하기 위한 장치.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 사운드 흡수기(17)는 가스 전달 설비(15)의 전면에 접속되는,
    재순환 반응 가스를 연료 전지에 공급하기 위한 장치.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응 가스(3)는 연료 전지(2)의 캐소드 가스를 형성하는,
    재순환 반응 가스를 연료 전지에 공급하기 위한 장치.
  15. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응 가스(3)는 연료 전지(2)의 애노드 가스를 형성하는,
    재순환 반응 가스를 연료 전지에 공급하기 위한 장치.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필터 설비(8)는 센서 설비(18)를 포함하는,
    재순환 반응 가스를 연료 전지에 공급하기 위한 장치.
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