KR20090021284A

KR20090021284A - 연료전지의 물관리장치

Info

Publication number: KR20090021284A
Application number: KR1020087031076A
Authority: KR
Inventors: 티버 파비안; 션 리스터; 쥬앙 지. 산티아고; 컬린 부에; 준 사사하라; 타다히로 구보타
Original assignee: 더 보드 오브 트러스티스 오브 더 리랜드 스탠포드 주니어 유니버시티; 혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2006-05-25
Filing date: 2007-05-25
Publication date: 2009-03-02
Also published as: US20070284253A1; JP5154549B2; EP2030278A2; WO2007139965A3; CA2651036A1; JP2009538511A; WO2007139965A2

Abstract

본 발명은 연료전지의 내부에서 외부까지 심지가 뻗어있고 심지 외부는 물관리를 위해 EO(electroosmotic) 펌프에 수압으로 연결되어 있는 연료전지에 관한 것이다. 이 장치는 PEM 연료전지의 내부에서 외부에 걸쳐있되, 기체확산층과 전극 사이에 위치하는 친수성 물 운반요소를 갖추고 있다. 이 운반요소는 연료전지 밖에 있으면서 물 운반요소에 수압으로 연결된 중간심지와, 연료전지 내부의 유동을 위한 채널을 포함한다. 이 장치는 EM 펌프를 더 구비하는데, 이 펌프는 연료전지 외부에 위치하여 중간심지에 수압으로 연결되어, 상기 운반요소를 통해 상기 채널과 기체확산층으로부터 과잉 물을 능동적으로 제거한다.

Description

연료전지의 물관리장치{FUEL CELL WATER MANAGEMENT}

본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 구체적으로는 연료전지의 내부에서 외부까지 심지가 뻗어있고 심지 외부는 물관리를 위해 EO(electroosmotic) 펌프에 수압으로 연결되어 있는 연료전지에 관한 것이다.

PEM(proton exchange membrane) 연료전지는 폴리머 전해막 연료전지라고도 하는데 막의 습도를 적절히 유지하려면 습도가 높은 기체가 필요하다. PFSA(perfluorosulfonic acid)형 막을 갖춘 PEM 연료전지(예; Nafion®)는 이온전도도를 적절히 유지하기 위해 물 활동성이 높아야 하므로 물관리가 지속적인 과제였다. 반응기체를 가습하면 막의 습도가 적절히 유지되므로, 음극에서의 산화환원반응으로 생긴 물의 대부분이 액체형태이다. 액체 물이 촉매층과 기체확산층(GDL; gas diffusion layer)을 침투하면서 촉매에 대한 산소의 확산을 막으면 많은 문제가 생기는데, 특히 모세관 현상으로 GDL에서 물이 빠져나올 때 문제가 크다. 기체채널에 물이 차면 GDL 표면을 덮어, 채널을 따라 압력차를 증가시키며 물의 분포와 안정성을 해친다. 유동채널의 리브 바로 밑의 GDL에 상당한 플러딩(flooding)이 일어나는데, 특히 여러개의 채널이 나란히 꾸불꾸불 배치된 시스템에서 주로 일어난다.

현재 플러딩을 완화하는데 공기를 과잉 투입하는 꾸불꾸불한 채널 디자인을 이용한다. 공기량은 시스템의 물을 강제로 배출시킬 정도로 크게 하며, 꾸불꾸불한 채널은 음극에 물을 모으기 위해서인데, 이런 채널은 유동 불안정성을 최소화한다. 꾸불꾸불한 디자인은 채널당 유량을 증가시켜, 물을 배출시킨다. 화학반응에 필요한 양의 몇배의 양으로 공기를 공급하여, 출구에서의 산소분압을 증가시킨다. 이들 디자인에 필요한 압력차보다 큰 압력을 걸면 플러딩이 줄어드는데, 이는 압력강하가 국부적인 상대습도를 낮추어, 음극출구 부근에서의 증발량을 늘리기 때문이다. 유량과 압력을 높이면 연료전지의 가장 큰 기생부하의 하나인 공기유동에 기여한다. 강제공기 연료전지를 소형화하면 기생부하 문제가 커지는데, 이는 소형화된 펌프와 송풍기가 대형펌프보다 훨씬 작은 영향을 미치기 때문이다. 채널을 평행하게 하면 꾸불꾸불한 채널에 비해 압력차를 줄일 수 있다. 평행 채널 디자인은 채널 가공을 단순화하고 새로운 조립방법도 가능하다. 그러나, 순수한 팽행채널 구조는 공기류가 불안정하고 플러딩이 증가하므로 비실용적이다. 대개, 산소는 평행채널 플러딩을 막는데 필요한 것보다 4배 이상이다.

지금까지, 수동방식으로 추가 요소를 사용해 플러딩을 완화시키는 방법이 여러가지 있었다. 한가지 방법은, 산화제 채널에서 물을 제거하는데 폐수채널을 이용하고 물흡수층이 얇은 특징을 갖는 복합 유동판을 이용한다. 그러나, 이런 디자인에서는 새로운 요소에 의한 오옴손실이 상당히 커서 전력밀도를 개선하지 못한다.

다른 방법은, 압력차를 이용해 능동적으로 연료전지에 물을 출입시키는 능동적 물관리 방법이다. 막에 병합된 심지에 물을 고압으로 공급하여 막에 직접 물을 주입해서 전해질의 물 함량을 능동적으로 관리하는 FEM 연료전지가 있다. 이 방식에서는 기생부하가 커지고 연료전지 크기가 커져 문제가 있다.

한편, 다공판을 통해 물을 제거하고, 다공성 쌍극판 내부의 물 채널을 통해 물을 냉각하고 제거하는 디자인도 있다. 기체와 물 사이에 압력차가 생기면 공기채널에서 물을 빼내 물운반을 전단으로 하는 내부채널로 보낸다. 이 방식에서는 내부에 전용 물채널이 형성된 완전한 다공판이 필요하고, 이 경우 체적 전력밀도가 비교적 낮아져 두꺼운 다공판을 필요로 한다.

따라서, 과잉 공기량과 큰 압력차를 낮추거나 없애 연료전지의 기생부하는 줄이면서 전력밀도는 개선하는 물관리장치를 개발할 필요가 있다. 또, 이런 장치로 연료전지를 소형화할 필요가 있는데, 고압공기는 기생부하 문제를 키우고 소형펌프와 송풍기의 효율은 낮춘다. 또, 평행 채널을 사용해 채널의 압력차를 줄이는 물관리장치가 필요한데, 이 경우 채널가공이 간단해진다. 또, 평행채널 플러딩을 일으키지 않고도 산소량을 4배 미만으로 할 수 있는 물관리장치가 필요하다.

발명의 요약

본 발명은 PEM 연료전지의 물관리장치에 관한 것이다. 이 장치는 PEM 연료전지의 내부에서 외부에 걸쳐있되, 기체확산층과 전극 사이에 위치하는 친수성 물 운반요소를 갖추고 있다. 이 운반요소는 연료전지 밖에 있으면서 물 운반요소에 수압으로 연결된 중간심지와, 연료전지 내부의 유동을 위한 채널을 포함한다. 이 장치는 EM 펌프를 더 구비하는데, 이 펌프는 연료전지 외부에 위치하여 중간심지에 수압으로 연결되어, 상기 운반요소를 통해 상기 채널과 기체확산층으로부터 과잉 물을 능동적으로 제거한다.

본 발명에 따르면, EO 펌프가 중간심지에 수압으로 연결된 2차 다공층, 다공성 펌핑요소, 2개 이상의 전극, 및 2차 다공층, 다공성 펌핑요소 및 전극들을 중간심지 둘레에 고정하여 연료전지에서 물을 제거하기 위한 하우징을 포함한다.

본 발명의 특징에 의하면, 2차 다공층이 펌프와 연료전지 사이의 절연체이거나, 펌프에 대한 입자필터이다. 또, 이런 2차 다공층이 폴리비닐알콜 스폰지, 유리섬유, 면종이, 면, 펠트천, 폴리우레탄 포움, 셀룰로스 아세테이트, 가교 폴리비닐 필로리딘 및 폴리아크릴아미드로 이루어진 군에서 선택된 재료로 만들어진다. 또, 다공성 펌핑요소가 유리입자로 포장된 융합된 실리카 캐필러리, 다공성 붕규산유리, 중합된 다공성 단일체, 미세가공되고 양극에칭된 다공성 실리콘, 알루미늄 산화물, 다공성 실리콘 및 다공성 티타늄 산화물로 이루어진 군에서 선택된 재료로 만들어진다. 또, EO 펌프의 다공성 펌핑요소에 전위가 걸리고, 이 전위는 펌핑요소의 동이온층에 인력을 유도할 정도의 크기이며, 상기 동이온층과 물 사이의 점성작용에 의해 대량유동이 생긴다. 또, 다공성 펌핑요소의 전위가 시간이 따라 변하면서 연료전지에 대한 기생부하를 낮춘다. 또, 이런 전위가 플러딩이나 드라이아웃이 감지되거나 임박했을 때 작동되어, 연료전지에 대한 기생부하를 낮추도록 한다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 연료전지가 연료전지 스택이어서 단위 연료전지를 2개 이상 구비한다. 이 경우, 연료전지가 펌프와 여러층의 운반요소들 사이에 배치된 심지를 구비하고, 펌프에 의해 심지가 작동한다. 또, 이런 심지가 연료전지 외부에 배치된 유전체 심지이고, 유전체 심지가 물로 포화되었을 때 운반요소와 펌프를 수압으로 연결하며 연료전지와 펌프를 절연하기도 한다. 또, 이런 유전체 심지가 폴리비닐알콜 스폰지, 유리섬유, 면종이, 면, 펠트천, 폴리우레탄 포움, 셀룰로스 아세테이트, 가교 폴리비닐 필로리딘 및 폴리아크릴아미드로 이루어진 군에서 선택된 재료로 만들어진다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 운반요소가 전도성 심지이다. 이런 전도성 심지가 탄소섬유, 탄소종이, 알루미늄 포움, 스테인리스스틸 포움 및 니켈 포움으로 이루어진 군에서 선택된 재료로 만들어진다.

본 발명의 또다른 특징에 의하면, 운반요소가 연료전지의 쌍극판과 기체확산층 사이에 배치된 다공성 친수성 물 운반층이어서, 상기 물 운반층이 외부 EO 펌프에 수압으로 연결된다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 운반요소가 다공성 친수성 물운반층인데, 물운반층은 일부분이 절개되거나 소수성 부분이 배열되어 있는 패턴이며, 상기 물운반층이 수압적으로 연속성을 가져 연료전지의 기체확산층과 전극 사이에 배치되고 또한 외부 EO 펌프에 수압으로 연결된다.

본 발명의 또다른 특징에 의하면, EO 펌프는 채널에 저습도 기체와 건조기체를 사용할 때 MEA(membrane electrode assembly)를 가습하도록 배치되거나, 연료전지의 양극의 수소를 가습하도록 배치된다.

또, 이런 EO 펌프가 연료전지의 음극과 양극 사이에 물을 능동적으로 분배한다.

도 1은 연료전지와 EO펌프 어셈블리(100)의 부분단면도이다.

도 2는 물 운반요소(104)를 통해 물을 능동적으로 제거하는 PEM 연료전지(102)의 부분단면도로서, 외부 EO펌프(106)에 의해 물(108)이 인입된다.

도 3은 음극(111)과 운반요소(104)를 부분적으로 보이는 사시도로서, 운반요소(104)는 연료전지(102)의 쌍극판(302)과 기체확산층(112) 사이에 배치된 다공성 친수성 물운반층이다.

도 4는 2개의 기체확산층(112) 사이에 MEA(134)를 배치한 PEM 연료전지(102)의 물 이동 현상(400)을 보여주는 단면도이다.

도 5는 연료전지(102)에 무시할 정도의 기생부하가 작용하는 동안 MEA(134)의 수화와 플러딩을 보여주는 연료전지의 물 관리 메커니즘(500)의 단면도이다.

도 1은 연료전지와 EO펌프 어셈블리(100)의 부분단면도이다. 어셈블리(100)에서 연료전지(102)에는 친수성 물운반요소(104)가 있고 외부 EO펌프(106)에 물(108)이 흐른다. 친수성 운반요소(104)는 음극(111)과 기체확산층(112)의 음극채널(110a)에서 물방울(108)을 흡수하는데, 음극채널(110a)의 리브(114) 밑에 물(108)이 모인다. 물(108)로 포화된 친수성 운반요소(104)에 물(108)을 가압하는 압력을 가하지 않는 더이상 물을 제거할 수 없다. 이런 가압작용을 외부 EO펌프(106)이 한다. EO펌프(106)와 친수성 운반요소(104)는 2차 다공층(116)을 통해 수압으로 연결되어 있고, 2차 다공층은 운반요소(104)와 다공성 펌핑요소(118) 사 이에 압축커플러 역할을 하며, 다공성 펌핑요소는 펌프(106)가 입자(예; 탄소 잔류물)로 막히는 것을 방지한다. 또, 부도체성 다공성 펌핑요소(118)는 펌프(106)를 연료전지(102)에서 절연하는데 도움이 된다. 본 발명에 의하면, 운반요소(104)에서 물(108)을 제거할 때 음극채널(110a)내의 공기압 구배를 이용하기 위해 EO펌프(106)를 공기출구(도시 안됨) 가까이 배치한다. EO펌프(106)에는 2개 이상의 전극(120)과 하나의 하우징(124)이 있는데, 하우징(124)은 2차 다공층(116), 다공성 펌핑요소(118), 연료전지에서 물을 제거하는 중간심지(126) 주변의 전극(118)을 고정한다. 중간심지(126)는 운반요소(104)에 수압적으로 연결되어 운반요소(104) 중에서도 연료전지(102) 바깥 부분을 대표한다. 또, 양극채널(110b)가 달린 양극(130), 기체확산층(112) 사이에 배치된 MEA(134; membrane electrode assembly), 및 기체확산층(112)을 둘러싸 기체를 밀봉하는 시일(136)을 더 볼 수 있다.

도 1b는 운반요소(104)와 EO펌프(106)를 포함한 어셈블리(126)의 전개사시도이다. EO펌프(106)에 수압으로 연결된 중간심지(126)가 달린 친수성 다공성 유동판으로 운반요소(104)가 도시되어 있다. 또, 운반요소(104)를 지지하는 것은 단단한 흑연판(128)이다.

도시된 바와 같이, 2차 다공층(116)에 달린 수평탭은 펌프의 양극(120a; 펌프 입구)과 다공성 펌핑요소(118) 사이에 위치하고, 2차 다공층(116)의 반대쪽 수평탭은 하우징(124)과 운반요소(104)의 중간심지(126) (또는 연료전지(102) 외부의 운반요소 부분) 사이에 위치한다. 2차 다공층(116)은 친수성이 높고 유체저항을 낮추기 위해 기공이 10㎛ 이상으로 비교적 크다. 2차 다공층(116)의 비압축 공극율은 90%이다. 하우징(124)을 이루는 2개의 판은 2차 다공층(116)과 펌핑요소(118)의 경계면과 펌핑요소를 둘다 압축한다. 하우징 양극판(124b)에는 전해질에서 생긴 산소가 빠져나가도록 최대 1mm의 작은 구멍들이 있다. 하우징 음극판(124a)에는 물이 빠져나가는 더 큰 구멍들이 있다.

2차 다공층(116)은 EO펌프(106)와 연료전지(102) 사이의 절연재일 수 있다. 2차 다공층(116)은 펌프(104)에 대한 입자필터 역할을 하여 폴리비닐알콜 스폰지, 유리섬유, 면종이, 펠트천, 폴리우레탄 포움, 셀룰로스 아세테이트, 가교 폴리비닐 필로리돈 또는 폴리아크릴아미드로 만들 수 있다. 또, 다공성 펌핑요소(118)는 유리입자로 포장된 융합된 실리카 캐필러리, 다공성 붕규산유리, 중합된 다공성 단일체, 미세가공되고 양극에칭된 다공성 실리콘, 알루미늄 산화물, 다공성 실리콘 또는 다공성 티타늄 산화물로 만들 수 있다.

EO펌프(106)는 다공성 펌핑요소의 동이온층에 인력(Columbic force)을 일으키기에 충분한 전위를 다공성 펌핑요소(118)에 걸어주지만, 동이온과 물 사이의 점성 작용은 대량유동(도시 안됨)을 일으킨다. 다공성 펌핑요소(118)에 걸린 전위는 시간에 따라 변하면서 연료전지(102)의 기생부하를 낮춘다.

도 2는 물 운반요소(104)를 통해 물을 능동적으로 제거하는 PEM 연료전지(102)의 부분단면도로서, 외부 EO펌프(106)에 의해 물(108)이 인입된다. 보다시피, 물은 리브(114) 밑의 기체확산층(112)과 채널(110a)에서 제거되어(도 1a 참조), 운반요소(104)와 EO펌프(106)를 수압으로 연결하는 심지(200)로 보내진다. 연료전지(102)를 크게 가로질러 전류(206)가 흐른다. 도 2b에 도시된 연료전지 스 택(204)에는 연료전지(102)가 적어도 2개 있다. 연료전지 스택(204)의 심지(200)는 EO펌프(106)와 다층의 운반요소(104) 사이에 위치하는데, 이 심지(200)는 EO펌프(106)에 의해 작동된다. 자동차용의 대형 연료전지(102)를 고려할 때, 포화에 대한 급속반응이 중요하고, 이 경우 (2점쇄선으로 표시한) EO펌프(106) 여러대를 심지(200)에 연결해 물의 이동경로를 최소화한다. 심지(200)는 연료전지(102) 외부에 배치된 유전체 심지일 수도 있다. 유전체 심지(200)가 물로 포화되면, 운반요소(104)와 펌프(106)가 연결되고, 연료전지(104)의 전기장은 펌프(106)의 전기장과 절연된다. 본 발명에 의하면, 유전체 심지(200)를 폴리비닐알콜 스폰지, 유리섬유, 면종이, 면, 펠트천, 폴리우레탄 포움, 셀룰로스 아세테이트, 가교 폴리비닐 필로리딘 또는 폴리아크릴아미드로 만들 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 채널(110)에 건조기체와 저습기체를 사용할 때 MEA(134)를 가습하도록 EO펌프(106)를 배치한다. 또, 연료전지(102)의 양극채널(110b)에 있는 수소를 가습하거나, 음극(111)과 양극(130) 사이에 물을 능동적으로 배포하도록 EO펌프(106)를 배치하기도 한다.

본 발명에 의하면, 운반요소(104)가 전도성 심지일 수도 있고, 이 경우 탄소섬유, 탄소종이, 알루미늄 포움, 스테인리스스틸 포움, 니켈 포움을 포함한 재료로 운반요소를 만들 수 있다. 도 3은 음극(111)과 운반요소(104)를 부분적으로 보이는 사시도로서, 운반요소(104)는 연료전지(102)의 쌍극판(302)과 기체확산층(112) 사이에 배치된 다공성 친수성 물운반층이다. 운반요소는 외부의 EO펌프(106)에 수압으로 연결된다. 여기서는 운반요소(104)가 기체투과부(304) 패턴을 갖도록 도시되 어 있는데, 기체투과부(304)는 친수성 운반요소(104) 중에서도 국부적인 소수성 구역이거나 절개하여 형성된 것이고, 이 경우에도 운반요소 자체는 여전히 수압적으로 연속성을 갖는다. 기체투과부(304)의 역할은 운반요소(104)가 물로 포화되었을 때에도 기체확산층(112)의 기체를 채널(110a)로 신속히 확산시키는 것이다. 운반요소(104)가 음극(111)에 전기(206)를 보내면서, 쌍극판(302)의 일부분은 EO펌프(106)에 수압으로 연결되었을 때 연료전지(102)에서 물(108)을 운반한다. 본 발명의 도시된 실시예(300)의 장점은 얇고 쌍극판(302)과 독립적이며, 전기저항이 낮다는 것이다.

도 4는 2개의 기체확산층(112) 사이에 MEA(134)를 배치한 PEM 연료전지(102)의 물 이동 현상(400)을 보여주는 단면도로서, MEA(134)의 막(402)은 음극촉매층(401)과 양극촉매층(403)의 2층으로 이루어진다. 도시된 바와 같이, 연료전지(102) 내부에서 액체와 물이 이동되는데, 각각의 장소마다 자체적인 이동기작이 있다. 음극(111)에서 생긴 물은 증기확산(404)과 액체 모세관현상(406)에 의해 채널(110a)로 이동한다. 증기와 액체는 상변화현상(408)으로 결합된다. 일단 채널(110a)에 들어온 물(108)은 증기이동(410)과 액체이동(412)에 의해 연료전지(102)에서 제거된다. 또다른 물(108)이 양극(130)에서 음극(111)으로 이동하거나(도 1 참조), 그 반대로 이동하는데, 이때 확산력-수압(414)과 전기삼투압(416)이 작용한다. 이들 메커니즘이 부적절하게 물(108)을 제거하면 플러딩이 일어나고 성능이 악화되어, 음극촉매층(401)에 산소가 도착하는 것을 제한한다. EO펌프(106)와 심지형 운반요소(104)를 PEM 연료전지(102)에 결합함으로써, 물을 제거할 때의 제한사항들을 극복할 수 있다.

도 5는 연료전지(102)에 무시할 정도의 기생부하가 작용하는 동안 MEA(134)의 수화와 플러딩을 보여주는 연료전지의 물 관리 메커니즘(500)의 단면도이다. 전도성 운반요소(104)는 운반요소(104)가 불포화일 때 모세관현상(404)에 의해 물(108)을 신속히 흡수한다. 도시된 바와 같이, 운반요소(104)에는 공기수화부(502), 물재분배부(504) 및 물제거부(506)가 있다. 입구(508)로 공급되는 공기의 상대습도가 100% 미만이면, 출구(510) 부근에서 운반요소(104)에 흡수된 물(108)은 모세관현상(404)에 의해 상류의 건조부로 재분배되고, 이동안 물(108)이 증발하면서 공기를 가습하고 MEA(134)의 전도도를 높인다. 증발할 때의 상변화 잠열은 연료전지(102)에서 생긴 열을 없앤다. 유전체 심지(200)와 EO펌프(106)를 포함한 시스템 전체가 물(108)로 완전히 포화되면, EO펌프 회로(132)가 폐쇄되고(도 1 참조) EO펌프(106)가 작동한다. 펌프(106)는 잉여 물(108)을 제거하는 압력구배를 일으킨다. 이 경우, 음극(111)과 양극(130) 사이에 물(108)이 분배되도록 양극(130)의 수소를 가습하도록 EO펌프(106)를 배치하는데, EP펌프에서 제거된 물(108)은 수소 입구(512)의 수소(도시 안됨)를 가습하도록 양극(130)을 향한다.

Claims

a. PEM 연료전지의 내부에서 외부에 걸쳐있되, 기체확산층과 전극 사이에 위치하는 친수성 물 운반요소; 및

b. EM 펌프;를 포함하고,

상기 물 운반요소는 i) 상기 연료전지 밖에 있으면서 물 운반요소에 수압으로 연결된 중간심지와, ii) 상기 연료전지 내부의 유동을 위한 채널을 포함하며;

상기 펌프는 연료전지 외부에 위치하여 중간심지에 수압으로 연결되어, 상기 운반요소를 통해 상기 채널과 기체확산층으로부터 과잉 물을 능동적으로 제거하는 것을 특징으로 하는 PEM 연료전지의 물관리장치.
제1항에 있어서, 상기 EO 펌프가,

a. 상기 중간심지에 수압으로 연결된 2차 다공층;

b. 다공성 펌핑요소;

c. 2개 이상의 전극; 및

d. 상기 2차 다공층, 다공성 펌핑요소 및 전극들을 중간심지 둘레에 고정하여 연료전지에서 물을 제거하기 위한 하우징;을 포함하는 것을 특징으로 하는 PEM 연료전지의 물관리장치.
제2항에 있어서, 상기 2차 다공층이 상기 펌프와 연료전지 사이의 절연체인 것을 특징으로 하는 PEM 연료전지의 물관리장치.
제2항에 있어서, 상기 2차 다공층이 상기 펌프에 대한 입자필터인 것을 특징으로 하는 PEM 연료전지의 물관리장치.
제2항에 있어서, 상기 2차 다공층이 폴리비닐알콜 스폰지, 유리섬유, 면종이, 면, 펠트천, 폴리우레탄 포움, 셀룰로스 아세테이트, 가교 폴리비닐 필로리딘 및 폴리아크릴아미드로 이루어진 군에서 선택된 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 PEM 연료전지의 물관리장치.
제2항에 있어서, 상기 다공성 펌핑요소가 유리입자로 포장된 융합된 실리카 캐필러리, 다공성 붕규산유리, 중합된 다공성 단일체, 미세가공되고 양극에칭된 다공성 실리콘, 알루미늄 산화물, 다공성 실리콘 및 다공성 티타늄 산화물로 이루어진 군에서 선택된 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 PEM 연료전지의 물관리장치.
제2항에 있어서, 상기 EO 펌프의 다공성 펌핑요소에 전위가 걸리고, 이 전위는 펌핑요소의 동이온층에 인력을 유도할 정도의 크기이며, 상기 동이온층과 물 사이의 점성작용에 의해 대량유동이 생기는 것을 특징으로 하는 PEM 연료전지의 물관리장치.
제7항에 있어서, 상기 다공성 펌핑요소의 전위가 시간이 따라 변하면서 연료전지에 대한 기생부하를 낮추는 것을 특징으로 하는 PEM 연료전지의 물관리장치.
제7항에 있어서, 상기 전위가 플러딩이나 드라이아웃이 감지되거나 임박했을 때 작동되어, 연료전지에 대한 기생부하를 낮추는 것을 특징으로 하는 PEM 연료전지의 물관리장치.
제1항에 있어서, 상기 연료전지가 연료전지 스택이어서 단위 연료전지를 2개 이상 구비한 것을 특징으로 하는 PEM 연료전지의 물관리장치.
제10항에 있어서, 상기 연료전지가 펌프와 여러층의 운반요소들 사이에 배치된 심지를 구비하고, 상기 펌프에 의해 심지가 작동하는 것을 특징으로 하는 PEM 연료전지의 물관리장치.
제11항에 있어서, 상기 심지가 연료전지 외부에 배치된 유전체 심지이고, 유전체 심지가 물로 포화되었을 때 운반요소와 펌프를 수압으로 연결하며 연료전지와 펌프를 절연하는 것을 특징으로 하는 PEM 연료전지의 물관리장치.
제12항에 있어서, 상기 유전체 심지가 폴리비닐알콜 스폰지, 유리섬유, 면종 이, 면, 펠트천, 폴리우레탄 포움, 셀룰로스 아세테이트, 가교 폴리비닐 필로리딘 및 폴리아크릴아미드로 이루어진 군에서 선택된 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 PEM 연료전지의 물관리장치.
제1항에 있어서, 상기 운반요소가 전도성 심지인 것을 특징으로 하는 PEM 연료전지의 물관리장치.
제14항에 있어서, 상기 전도성 심지가 탄소섬유, 탄소종이, 알루미늄 포움, 스테인리스스틸 포움 및 니켈 포움으로 이루어진 군에서 선택된 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 PEM 연료전지의 물관리장치.
제1항에 있어서, 상기 운반요소가 연료전지의 쌍극판과 기체확산층 사이에 배치된 다공성 친수성 물 운반층이어서, 상기 물 운반층이 외부 EO 펌프에 수압으로 연결된 것을 특징으로 하는 PEM 연료전지의 물관리장치.
제1항에 있어서, 상기 운반요소가 다공성 친수성 물운반층인데, 물운반층은 일부분이 절개되거나 소수성 부분이 배열되어 있는 패턴이며, 상기 물운반층이 수압적으로 연속성을 가져 연료전지의 기체확산층과 전극 사이에 배치되고 또한 외부 EO 펌프에 수압으로 연결되는 것을 특징으로 하는 PEM 연료전지의 물관리장치.
제1항에 있어서, 상기 EO 펌프가 상기 채널에 저습도 기체와 건조기체를 사용할 때 MEA(membrane electrode assembly)를 가습하도록 배치된 것을 특징으로 하는 PEM 연료전지의 물관리장치.
제1항에 있어서, 상기 EO 펌프가 연료전지의 양극의 수소를 가습하도록 배치된 것을 특징으로 하는 PEM 연료전지의 물관리장치.
제1항에 있어서, 상기 EO 펌프가 연료전지의 음극과 양극 사이에 물을 능동적으로 분배하는 것을 특징으로 하는 PEM 연료전지의 물관리장치.