KR20180088910A - 연료 전지 시스템을 위한 물 분리기가 통합된 가습기, 연료 전지 시스템 및 이를 포함한 차량 - Google Patents

연료 전지 시스템을 위한 물 분리기가 통합된 가습기, 연료 전지 시스템 및 이를 포함한 차량 Download PDF

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루네 슈택
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아우디 아게
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Abstract

본 발명은, 수증기 투과성 멤브레인(38) 및 물을 분리하기 위한 분리 요소들(48, 49)을 포함하는, 특히 연료 전지들(11)용의 물 분리기가 통합된 가습기(37)에 관한 것으로, 상기 멤브레인(38)이 제1 면(40) 상에서는 제1 습윤 가스 유량을 위한 제1 채널(41)과 접촉하고 제2 면(42) 상에서는 습윤될 제2 건조 가스 유량을 위한 제2 채널(43)과 접촉하며, 연료 전지의 작동 매체 유량과 배출가스 유량 간의 최적화된 수분 교환을 가능하게 하는 가습기를 제공하기 위해, 본 발명의 제안에 따라, 멤브레인(38)의 제1 면(40) 상에 복수의 별도의 분리 요소(48, 49)를 배치한다. 또한, 연료 전지 시스템 및 전술한 가습기를 포함하는 차량도 제공된다.

Description

연료 전지 시스템을 위한 물 분리기가 통합된 가습기, 연료 전지 시스템 및 이를 포함한 차량
본 발명은, 수증기 투과성 멤브레인 및 물을 분리하기 위한 분리 요소들(separating element)을 포함하는, 처리 가스(process gas)의 습윤을 위한, 특히 연료 전지용의 가습기로서, 상기 멤브레인이 제1 면(side) 상에서는 제1 습윤 가스 유량을 위한 제1 채널과 접촉하고 제2 면 상에서는 습윤될 제2 건조 가스 유량과 접촉하는, 가습기와; 가습기를 구비한 연료 전지 시스템과; 상기 가습기 및 상기 연료 전지 시스템을 포함하는 차량;에 관한 것이다.
연료 전지들은 전기 에너지를 발생시키기 위해, 물을 생성하는 산소와 연료의 화학 반응을 이용한다. 이를 위해, 연료 전지들은 핵심 구성요소로서, 이른바 멤브레인/전극 어셈블리(MEA: membrane electrode assembly)을 포함하며, 이 멤브레인/전극 유닛은 이온 전도성(대개 양성자 전도성) 멤브레인과 멤브레인의 양면에 각각 배치된 촉매 전극(애노드 및 캐소드)으로 이루어진 미세 구조이다. 촉매 전극들은 대부분 담지 귀금속, 특히 백금을 함유한다. 또한, 가스 확산층들(GDL)은 멤브레인/전극 어셈블리의 양면에서 멤브레인의 반대 방향으로 향해 있는 전극 면에 배치될 수 있다. 일반적으로 연료 전지는, 스택(stack)으로 배치되어 그 전기 출력들이 가산되는 복수의 MEA로 형성된다. 개별 멤브레인/전극 어셈블리들 사이에는 일반적으로 [유로판(flow field plate)으로도 지칭되는] 바이폴라 플레이트(bipolar plate)가 배치되며, 이 바이폴라 플레이트는 개별 전지들로 작동 매체, 다시 말해 반응 물질들의 공급을 보장하고, 통상 냉각에도 이용된다. 또한, 바이폴라 플레이트들은 멤브레인/전극 어셈블리들에 대한 전기 전도성 접촉에도 이용된다.
연료 전지의 작동 시, 연료(애노드 작동 매체), 특히 수소(H2), 또는 수소 함유 가스 혼합물은 바이폴라 플레이트의 애노드 측의 개방 유로를 경유하여 애노드로 공급되며, 여기서 H2에서 H+로의 전기 화학 산화가 일어나면서 전자들이 방출된다(H2 → 2H+ + 2e-). 반응 챔버들을 기밀하게 서로 분리하고 전기 절연하는 전해질 또는 멤브레인을 통해, 애노드 챔버로부터 캐소드 챔버 내로 양성자들(H+)의 [수결합성(water-bound) 또는 무수성(water-free)] 수송이 수행된다. 애노드 상에 공급된 전자들은 전기 라인을 경유하여 캐소드로 공급된다. 캐소드로는 바이폴라 플레이트의 캐소드 측 개방 유로를 경유하여 산소 또는 산소 함유 기체 혼합물(예: 공기)이 공급되며, 그럼으로써 전자들이 흡수되면서 O2에서 O2-로의 환원이 일어난다(½O2 + 2 e- → O2-). 이와 동시에, 캐소드 챔버 내에서는 산소 음이온들이 멤브레인을 경유하여 전달된 양성자들과 반응하면서 물이 생성된다(O2- + 2H+ → H2O).
현재 가장 많이 개발된 연료 전지 기술은, 멤브레인이 습윤된 폴리전해질(예: Nafion®)로 형성되고, 수결합성 전해질 전도가 수화 양성자들(hydrated proton)을 통해 일어나는 폴리머 전해질 멤브레인들(PEM)을 기반으로 한다. 상기 유형의 폴리머 전해질 멤브레인들은 양성자 전도를 위해 물의 존재에 의존한다. 이를 위해, 소정의 온도 미만에서, 음극성으로서 형성되는 생성수(product water)가 멤브레인의 습윤을 위한 수분원(source of moisture)으로서 여전히 충분할 수 있다. 그러나 이와 반대로, 온도가 상대적으로 더 높은 경우, 점점 더 많은 수분이 연료 전지 스택으로부터 캐소드 배출가스와 함께 배출된다. 여기서 연료 전지 멤브레인의 건조를 저지하기 위해, 수분 배출은 물의 능동적인 공급을 통해 보상되어야 한다.
따라서, 연료 전지로 공급될 처리 가스, 대개는 캐소드 챔버들로 공급될 공기를 습윤시키기 위해, 외부 가습 장치들(가습기들)을 이용하는 점이 공지되어 있다. 이 경우, 특히 스택으로부터 캐소드 챔버들의 배출 공기와 함께 배출되는 수분의 일부분이 재순환된다.
또한, 연료 전지 시스템의 애노드/캐소드 배출가스 경로는, 예컨대 애노드/캐소드 공급 경로 내의 압축기의 구동을 위해서 배출가스의 감압을 통해 에너지를 획득하기 위해, 터빈을 포함할 수 있다. 배출가스 내에 함유된 액상의 물(liquid water)에 의해 또는 응축수 형성에 의해 상기 터빈이 손상될 수 있다. 그러므로 터빈은 통상 배출가스 라인 내에서 가습기의 하류에, 그리고 경우에 따라 추가적인 물 분리기들의 하류에 배치된다. 종래 기술로부터 가습기와 물 분리기의 다양한 상대 배치들이 공지되어 있다.
DE 10 2012 018 863 A1호는, 연료 전지 쪽으로 유동하는 작동 매체 유량 및 연료 전지로부터 배출되는 배출가스 유량에 의해 관류되는 가스/가스 가습 장치를 개시하고 있으며, 여기서는 상기 작동 매체 유량 및 배출가스 유량이 가습 장치의 내부에서 수증기 투과성 멤브레인에 의해 분리된다. 또한, 가스/가스 가습 장치는 통합된 물 분리기를 추가로 포함하며, 이 물 분리기는 습윤 배출가스의 유동 방향으로 멤브레인들의 하류에 통합되어 있다.
연료 전지 시스템 내에 이와 유사하게 구성된 가습기가 DE 102013003599 A1호에 개시되어 있으며, 여기서는 충격 보호(impact protection)를 통해, 가습기 내로 유입되는 습윤 가스가 곧바로 멤브레인들에 충돌하지 않고 상기 멤브레인이 액상의 물에 의해 막히는 점이 방지된다.
DE 102012014611 A1호는, 액상의 물이 통과할 수 있음으로써 가스 유량으로부터 분리될 수 있는 친수성 멤브레인을 이용하는 연료 전지 시스템을 위한 분리기를 기술하고 있다.
분리기들이 하류에 배치되는 전술한 가습기들의 경우, 가습기의 균일하게 습윤된 멤브레인이 신뢰성 있게 보장될 수 없다는 단점이 있다.
한편, 본 발명의 과제는, 종래 기술의 단점들을 적어도 부분적으로 극복하면서 연료 전지의 작동 매체 유량과 배출가스 유량 간의 최적화된 수분 교환을 가능하게 하는 연료 전지 시스템용 가습기를 제안하는 것이다.
본 발명에 따라서, 수증기 투과성 멤브레인 및 물(수증기)을 분리하기 위한 분리 요소들을 포함하며 처리 가스들의 습윤을 위한, 특히 연료 전지용 가습기가 제공되며, 상기 멤브레인이 제1 면 상에서는 수증기를 함유함에 따라 습윤 상태인 제1 습윤 가스 유량을 위한 제1 채널과 접촉하고, 제2 면 상에서는 습윤될 제2 건조 가스 유량을 위한 제2 채널과 접촉하며, 이때 복수의 별도의 분리 요소가 멤브레인의 제1 면 상에 배치된다.
따라서, 바람직하게는, 예컨대 연료 스택 또는 연료 전지 시스템의 경우, 연료 전지 스택에서 배출되는 배출 공기의 습기의 일부분이 연료 전지 스택을 위한 건조 공급 공기로 전달될 수 있으며, 그럼으로써 고온에서의 작동 시에도 연료 전지들의 출력 밀도 및 유효수명이 증가하게 된다. 언급한 연료 전지들의 출력 밀도 및 유효수명의 증가 외에도, 물 분리가 자주 필요한데, 그 이유는 연료 전지 시스템들의 경우, 배출 공기에서 잔여 에너지, 예컨대 열 에너지 및 압력 에너지를 회수하기 위해, 배출 공기가 터빈을 통해 안내되는데, 이때 물방울이 상기 터빈을 손상시킬 수도 있기 때문이다.
또한, 가습기 내에 물 분리기를 통합시킴으로써, 경우에 따라 가습기의 하류에 배치되는 단 하나의 추가 물 분리기만이 요구될 수 있게 된다.
본 발명에 따른 가습기 내에서의 이용을 위해 적합한 친수성 멤브레인들은 통상의 기술자에게 공지되어 있다. 예컨대 멤브레인은 나피온(nafion)을 함유할 수 있거나, 나피온으로 형성될 수 있다.
바람직하게 본 발명에 따른 가습기는 평면 멤브레인을 포함하는 플레이트형 가습기이며, 전술한 구조들은, 멤브레인 표면의 확대를 통해 다양한 연료 전지 시스템들의 각각의 정해진 조건들에 바람직하게 매칭될 수 있는 가습기 스택을 얻기 위해, 제1 채널, 제2 채널, 멤브레인 및 분리 요소들로 반복되는 방식으로 형성될 수 있다.
분리 요소들은, 전체 표면에 걸쳐서 멤브레인을 습윤시키는 물을 분리하기 위해, 바람직하게는 멤브레인의 표면에 걸쳐 분포되어 배치되며, 그럼으로써 바람직하게는 가습기의 효율이 증가할 수 있으면서도, 의도치 않은 압력 변동을 초래할 수도 있는 가스 유량의 속도 감소는 동반되지 않는다.
분리 요소들은 바람직하게는 복수의 유동 웨브(flowing web)에 의해 멤브레인에 접하는 방식으로 고정되며, 유동 웨브들은 또한 두 가스 유량 간의 최적의 수분 교환을 수반하기 위해, 멤브레인에 걸쳐 목적한 대로 가스 유량을 안내한다. 또한, 유동 웨브들은 바람직하게는 추가로 분리 요소들로서도 이용될 수 있다.
분리 요소들도 바람직하게는 멤브레인의 지지 또는 안정화를 위해 이용된다.
또한, 상응하는 유동 웨브들은, 습윤될 가스 유량의 방향을 조절하기 위해, 멤브레인의 제2 면 상에도 제공될 수 있다.
유동 웨브들은 바람직하게는 직선으로 연장되지만, 예컨대 유동 웨브들도 마찬가지로 적어도 부분적으로 분리 요소들로서 이용되어야 하는 경우에는 직선으로 안내되지 않는 유동 웨브들의 바람직한 실시형태도 제공된다.
분리 요소들은 바람직하게는 제1 채널의 높이에 상응하는 높이를 갖는다. 이와 반대로, 유동 웨브들도 상기 높이를 가질 수는 있지만, 상대적으로 더 낮은 높이를 가질 수도 있는데, 그 이유는 높이가 상대적으로 더 낮은 경우에서도 가스 유량의 방향 조절이 수행되기 때문이다. 유동 웨브들도 적어도 부분적으로 분리 요소로서 설계된 경우, 제1 채널의 높이에 상응하는 높이가 바람직하다.
분리 요소들, 및 경우에 따른 유동 웨브들도 바람직하게는 적어도 부분적으로 멤브레인과 접촉하는 방식으로 액체 용적을 수용할 수 있도록 형성되며, 그럼으로써 바람직하게는, 연료 전지 시스템의 정해진 작동 상태들에서 배출 공기 내에 물이 더 적을 때에도, 습윤을 위한 물이 항상 충분하게 제공된다.
상기 유형의 분리 요소들의 형성을 위해, 상기 분리 요소들은 중력과 관련하여 물을 수용할 수 있는 함몰부를 포함해야 한다. 상기 함몰부는 멤브레인 쪽으로, 그리고 바람직하게는 채널의 벽부 쪽으로 개방되어 형성된다.
본 발명의 특히 바람직한 실시형태에 따라 가습기는, 멤브레인을 통과하지 않으면서 멤브레인 상에서 흘러내리는 분리된 물을 집수하기 위한 집수 용기를 포함한다. 상기 집수 용기는 멤브레인의 영역 내에 배치되고, 제1 채널과 연결된다. 상기 집수 용기가 연료 전지 시스템의 정해진 작동 상태들에서 발생하는 모든 물을 수용할 수는 없기 때문에, 상기 집수 용기는 바람직하게는, 과류부로서 그리고/또는 제어 가능한 배출 밸브로서 형성될 수 있는 배출 개구부를 포함한다.
집수 용기의 영역에서는, 분리 요소들이 오직 분리를 위해서만 이용되는 것으로 충분하며, 추가로 액체 용적의 수용을 위해서는 이용되지 않는다.
또한, 상기 집수 용기는 더 많은 물이 요구되는 작동 상태들을 위해 물 저장 탱크로서도 이용된다. 이를 위해, 멤브레인은 바람직하게, 물을 끌어당기기 위해 상기 멤브레인이 간접적으로 또는 직접적으로 집수 용기 내부에까지 도달하도록 형성된다.
이미 상술한 것처럼, 분리 요소들 및 경우에 따라 유동 웨브들도, 멤브레인과 접촉하는 방식으로 액체 용적을 수용할 수 있도록 형성될 수 있다. 본 실시형태의 경우, 집수 용기에 인접하여 위치하는 분리 요소들 및 경우에 따라 유동 웨브들은 순수 분리 요소들로서 구현될 수 있다.
한 바람직한 실시형태에 따라서, 분리 요소들 및/또는 유동 웨브들이 다공성 재료로 형성될 수 있고, 이를 통해 물이 멤브레인 근처에서 저장되었다가 필요할 때 배출될 수 있다.
또한, 멤브레인은 제1 면 상에 부분적으로 다공성 코팅층을 구비하며, 상기 코팅층이 습윤 가스에 의해 과류된 후에 비로소 바람직하게 분리 요소들이 계속 이용될 수 있다. 코팅층은 바람직하게는 분리 요소들로부터 분리되는 물을 위해 집수 용기 안쪽으로 돌출되며, 그럼으로써 일종의 심지 효과(wick effect)를 통해, 코팅층을 경유하여, 분리된 물이 전체 멤브레인으로 공급된다.
가습기는, 제1 가스 유량 및 제2 가스 유량이 교차 유량으로, 역류로, 또는 병행류로 안내되는 방식으로 형성될 수 있다. 전술한 유동 웨브들은 그에 상응하게 설계된다.
또한, 본 발명에 따라서 연료 전지 스택을 포함하는 연료 전지 시스템도 청구되며, 연료 전지 스택은, 이 연료 전지 스택으로 애노드 작동 매체를 공급하기 위한 애노드 공급 경로 및 연료 전지 스택으로부터 애노드 배출가스를 배출하기 위한 애노드 배출가스 경로를 구비한 애노드 공급부와; 연료 전지 스택으로 캐소드 작동 매체를 공급하기 위한 캐소드 공급 경로 및 연료 전지 스택으로부터 캐소드 배출가스를 배출하기 위한 캐소드 배출가스 경로를 구비한 캐소드 공급부;를 포함하며, 가습기는 애노드 공급부 및/또는 캐소드 공급부 내에 배치된다.
본 발명의 대상은 또한 본 발명에 따른 가습기 또는 연료 전지 시스템을 구비한 차량이다.
본 발명의 또 다른 바람직한 구현예들은 종속 청구항들에서 언급되는 나머지 특징들에서 분명하게 제시된다.
본 출원에서 언급되는 본 발명의 다양한 실시형태들은, 상세하게 다른 사항이 상술되지 않는 한, 바람직하게 서로 조합될 수 있다.
본 발명은 하기에서 관련된 도면들에 따르는 실시예들에서 설명된다.
도 1은 가습기를 포함하는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개략도이다.
도 2는 분리 요소들 및 선형 유동 채널들을 포함하는 본 발명에 따른 가습기의 개략적 단면도이다.
도 3은 제2 실시형태에 따라서 분리 요소들 및 선형 유동 채널들을 포함하는 본 발명에 따른 가습기의 개략적 단면도이다.
도 4는 액체 용적을 수용하도록 구성되는 분리 요소들, 및 선형 유동 채널들을 포함하는 본 발명에 따른 가습기의 개략적 단면도이다.
도 5는 제2 실시형태에 따르는 액체 용적을 수용하도록 구성되는 분리 요소들, 및 선형 유동 채널들을 포함하는 본 발명에 따른 가습기의 개략적 단면도이다.
도 6은 액체 용적을 수용하도록 구성된 분리 요소들과 파형 유동 채널들을 포함하는 본 발명에 따른 가습기의 개략적 단면도이다.
도 7은 분리 요소들 및 액체 용적을 수용하도록 형성된 하나의 다공성 분리 요소를 포함하는 본 발명에 따른 가습기의 개략적 단면도이다.
도 1에는, 본 발명의 한 바람직한 구현예에 따른, 전체적으로 100으로 표시된 연료 전지 시스템이 도시되어 있다. 연료 전지 시스템(100)은, 연료 전지 시스템(100)을 통해 전기 에너지를 공급받는 전기 트랙션 모터를 포함하는, 별도로 도시되지 않은 차량, 특히 전기 자동차의 부분이다.
연료 전지 시스템(100)은 핵심 구성요소로서 스택 형태로 배치되는 복수의 개별 전지(11)를 구비한 연료 전지 스택(10)을 포함한다. 각각의 개별 전지(11)는 각각 하나의 애노드 챔버(12) 및 하나의 캐소드 챔버(13)를 포함하며, 이들 챔버는 이온 전도성 폴리머 전해질 멤브레인(14)을 통해 서로 분리된다(상세도 참조). 애노드 챔버 및 캐소드 챔버(12, 13)는, 연료 전지 변환의 각각의 부분 반응을 촉진시키는 각각의 촉매 전극, 즉 애노드 및 캐소드(미도시)를 포함한다. 애노드 전극 및 캐소드 전극은 촉매 물질, 예컨대 백금을 포함하며, 이 촉매 물질은 큰 비표면적(specific surface area)을 갖는 전기 전도성 캐리어 재료 상에서, 예컨대 탄소 기반 재료 상에서 지지되는 방식으로 존재한다. 또한, 2개의 상기 멤브레인/전극 어셈블리 사이에는 "15"로 표시된 각각 하나의 바이폴라 플레이트가 배치되며, 이 바이폴라 플레이트는 애노드 및 캐소드 챔버(12, 13) 내로 작동 매체의 공급에 이용되고 그 외에 개별 연료 전지들(11) 간의 전기 연결부를 형성한다.
연료 전지 스택(10)에 작동가스들을 공급하기 위해, 연료 전지 시스템(100)은 한편으로 애노드 공급부(20)를 포함하고 다른 한편으로는 캐소드 공급부(30)를 포함한다.
애노드 공급부(20)는, 연료 전지 스택(10)의 애노드 챔버들(12) 내로 애노드 작동 매체(연료), 예컨대 수소의 공급에 이용되는 애노드 공급 경로(21)를 포함한다. 이런 목적을 위해, 애노드 공급 경로(21)는 연료 전지 스택(10)의 애노드 유입구와 연료 저장부(23)를 연결한다. 또한, 애노드 공급부(20)는, 연료 전지 스택(10)의 애노드 배출구를 경유하여 애노드 챔버들(12)로부터 애노드 배출가스를 배출하는 애노드 배출가스 경로(22)를 포함한다. 연료 전지 스택(10)의 애노드 측들(12)에서의 애노드 작동압은 애노드 공급 경로(21) 내에서 작동 수단(24)을 통해 조정될 수 있다. 더 나아가, 애노드 공급부(20)는 도시된 것처럼 애노드 공급 경로(21)와 애노드 배출가스 경로(22)를 연결하는 연료 재순환 라인(25)을 포함할 수 있다. 연료의 재순환은 통상 대부분 초화학량론적으로(hyperstoichiometrically) 사용된 연료를 스택으로 회수하여 이용하기 위한 것이다. 연료 재순환 라인(25) 내에는 예시로서 재순환율을 조정할 수 있는 압축기(26)가 배치된다.
캐소드 공급부(30)는, 산소 함유 캐소드 작동 매체, 특히 주변환경에서 흡입되는 공기를 연료 전지 스택(10)의 캐소드 챔버들(13)로 공급하는 캐소드 공급 경로(31)를 포함한다. 또한, 캐소드 공급부(30)는, 연료 전지 스택(10)의 캐소드 챔버들(13)로부터 캐소드 배출가스(특히 배출 공기)를 배출하고 이를 경우에 따라 미도시한 배출가스 시스템으로 공급하는 캐소드 배출가스 경로(32)도 포함한다.
캐소드 작동 매체의 이송 및 압축을 위해, 캐소드 공급 경로(31) 내에는 압축기(33)가 배치된다. 도시된 실시예에서, 압축기(33)는 주로 전동기에 의해 구동되는 압축기로서 구성되며, 이런 압축기의 구동은 상응하는 전력 전자 장치(35)를 구비한 전기 모터(34)를 통해 수행된다. 또한, 압축기(33)는 캐소드 배출가스 경로(32) 내에 배치되는 (경우에 따라 가변식 터빈 기하구조를 가진) 터빈(36)에 의해 보조하는 방식으로, 하나의 공통 샤프트(미도시)를 통해 구동될 수 있다.
또한, 연료 전지 시스템(100)은 본 발명에 따른 가습기(37)를 포함한다. 가습기(37)는 한편으로 캐소드 작동가스에 의해 관류될 수 있도록 캐소드 공급 경로(31) 내에 배치된다. 다른 한편으로, 상기 가습기는, 캐소드 배출가스에 의해 관류될 수 있도록 캐소드 배출가스 경로(32) 내에 배치된다. 가습기(37)는, 평면으로 형성된 복수의 수증기 투과성 멤브레인(38)을 포함한다. 이 경우, 멤브레인들(38)의 일측 면은 비교적 건조한 캐소드 작동가스(공기)에 의해 과류되고, 타측 면은 비교적 습한 캐소드 배출가스(배출가스)에 의해 과류된다. 캐소드 배출가스 내 수증기의 상대적으로 더 높은 부분 압력에 의해 작동이 이루어지면, 멤브레인을 경유하여 캐소드 작동가스 내로 수증기의 과류가 발생하며, 이런 방식으로 캐소드 작동가스가 습윤된다.
가습기(37)의 하류에 배치되는 캐소드 배출가스 경로의 부분은 터빈(36)의 상류에 추가로 물 분리기(38)를 포함하며, 이 물 분리기는, 여전히 가습기(37)를 관류한 후 캐소드 배출가스 내에서 함께 이송되는 수증기에 의한 손상으로부터 터빈을 보호한다.
애노드 및 캐소드 공급부(20, 30)의 다양한 또 다른 세부사항들은 간소화된 도 1에는 명확성을 위해 도시되어 있지 않다. 따라서, 애노드 배출가스 경로(22) 내에도, 연료 전지 반응에서 발생하는 생성수를 응축하여 배출하기 위해 물 분리기가 장착될 수 있다. 마지막으로 애노드 배출가스 라인(22)은 캐소드 배출가스 라인(32) 내로 통해 있을 수 있으며, 그럼으로써 애노드 배출가스 및 캐소드 배출가스는 하나의 공통 배출가스 시스템을 통해 배출된다. 또한, 캐소드 공급부(30)는, 캐소드 배출가스 라인(32)과 캐소드 공급 라인(31)을 연결하는, 다시 말해 연료 전지 스택(10)의 바이패스를 나타내는 웨이스트게이트 라인(wastegate line)도 포함할 수 있다.
연료 전지 시스템(100)의 모든 작동 수단(24, 26, 38)은 가변 또는 비가변 밸브들 또는 플랩들로서 형성될 수 있다. 상응하는 추가 작동 수단들은, 연료 전지 스택(10)을 주변환경으로부터 절연시킬 수 있도록 하기 위해, 라인들(21, 22, 31 및 32) 내에 배치될 수 있다.
도 2 내지 도 7에 도시된 가습기(37)의 실시형태들은 더 나은 개요를 위해 매우 간소화되어 사시도로 도시되어 있지만 정확하게 도시되어 있지는 않다. 도면 평면에는 항상 멤브레인(38)이 위치되며, 이 멤브레인은 제1 면(40) 상에서 제1 습윤 가스 유량(도 1에 대해 설명한 것처럼 캐소드 배출가스)을 포함한 제1 채널(41)에 접하고, 제2 면(42) 상에서는 습윤될 제2 가스 유량(캐소드 작동가스)을 포함하는 제2 채널(43)에 접한다. 다시 말해, 도 2 내지 도 7에서 멤브레인에 대한 상면도의 경우, 제1 습윤 가스 유량이 채널(41) 내에서 유동하는 제1 면(40)이 확인된다. 화살표(44)로 표시된 분리된 물은 중력(g)의 방향으로 멤브레인(38)을 경유하여 안내된다. 멤브레인(38)과 제1 및 제2 채널(41, 43)은 하나의 프레임(45) 내에 고정되는데, 이 프레임은 미도시한 하우징의 부분이다. 또한, 프레임(45)은 액상의 물을 위한 집수 용기(46)도 포함하며, 액상의 물은 멤브레인(38)의 영역에서 분리되어 화살표(44)로 지시된 것처럼 중력(g)에 따라 집수 용기(46)가 배치되어 있는 멤브레인(38)의 하단부에 도달하여 상기 집수 용기 내로 안내된다. 가습기(37)의 상기 구성을 통해, 집수 용기(46) 내에 있는 물을 통해, 연료 전지 시스템(100)의 상응하는 작동 상태들에서 단지 제1 가스 유량의 적은 수분 함량만이 제공될 때에도, 멤브레인(38)이 심지 효과를 통해 집수 용기로부터 중력(g)에 대항하여 멤브레인(38)의 건조 영역들 내로 물을 이송함으로써, 멤브레인(38)의 습윤이 실행될 수 있다. 집수 용기는, 과량의 물을 배출하기 위해, 여기서는 도시되지 않은 과류부, 배수 밸브 등을 포함할 수 있다.
습윤 가스 유량이 그를 따라 안내되는 멤브레인(38)의 제1 면(40) 상에는, 도 2 내지 도 5, 및 도 7에서 확인할 수 있는 것처럼, 선형 유동 웨브들(47)이 서로 평행하게 배치되며, 이들 유동 웨브는 멤브레인(38)의 전체 표면에 걸쳐서 가스 유량을 안내하고 멤브레인(38)을 지지한다. 유동 웨브들(47)은 바람직하게는 습윤 가스 유량을 포함한 제1 채널(41)보다 더 낮은 높이를 보유하며, 그럼으로써 액상의 물은 쉽게 집수 용기(46)에 도달할 수 있게 된다. 유동 웨브들(47) 상에는, 도 2, 도 3, 도 7에 도시된 것처럼, 분리 요소들(48)이 배치되며, 이 분리 요소들 상에서는 습윤 가스 유량 내에서 함께 이송된 물이 분리되고 그 다음 멤브레인(38)을 경유하여 중력의 방향으로 배출되면서 상기 멤브레인을 습윤한다. 분리 요소들(38) 상에서는, 기재한 것처럼, 액상의 물의 분리가 수행되고, 이와 동시에 멤브레인(30)도 습윤 가스 유량 자체를 통해 표면에서 습윤된다. 이는 가습기(37)의 모든 실시형태에 적용된다. 분리 요소들(48)은 서로 겹쳐서(도 2), 또는 서로 오프셋되어(도 3) 유동 웨브들(47) 상에 배치될 수 있다. 또한, 분리 요소들은, 예컨대 전형적으로 다른 영역들보다 더 건조한 멤브레인(38)의 영역들을 분리 요소들(48)을 이용하여 상대적으로 더 집중적으로 습윤되도록 보조하기 위해, 멤브레인(38)의 표면에 걸쳐서 불균일하게 분포되기도 한다. 분리 요소들(48)의 높이는, 바람직하게는 최대한 높은 효율을 달성하면서 멤브레인(38)을 지지하기 위해, 제1 채널의 높이에 상응한다. 또는 분리 요소들(48)이 서로 상이한 높이를 가질 수도 있으며, 그럼으로써 멤브레인(38)의 표면에 걸쳐서 목표한 바대로 정해진 영역들이 상대적으로 더 집중적으로 습윤될 수 있게 된다.
집수 용기(46)의 영역에도 마찬가지로 분리 요소들(48)이 제공되지만, 여기서는 바람직하게 유동 웨브들(47)이 필요하지 않으며, 그럼으로써 분리 요소들(48)은 유동 웨브들(47)의 이용 없이 멤브레인(38)에 접하는 방식으로 배치된다. 이는 도 2 내지 도 7에 따른 모든 실시형태에 관계한다.
가습기(37)의 분리 요소들(48)의 특히 바람직한 실시형태가 도 4에 도시되어 있으며, 여기서 분리 요소들(48)은, 멤브레인(38)에 접하여 액상의 물의 정해진 용적(액체 용적)을 수용하는 방식으로 형성된다. 이는, 분리 요소들(48) 내에 중력(g)의 방향으로 분리된 물을 수용할 수 있는 함몰부가 형성되는 것을 통해 달성된다. 분리 요소들(48) 또는 그 함몰부들은 멤브레인(38) 쪽으로 개방되어 형성되며, 그럼으로써 물은 분리 요소들(48)의 함몰부들 내에서 멤브레인(38)과 직접 접촉하게 된다. 바람직하게 함몰부를 포함한 분리 요소들(48)의 높이는 제1 채널(41)의 높이에 상응하며, 그럼으로써 함몰부들은 타측 면에서 바람직하게는 제1 채널(41)의 벽부를 통해 범위 한정된다. 상기 면에서, 함몰부들은 폐쇄되도록 형성될 수도 있지만, 이를 통해 제조 비용이 증가하므로, 개방된 구현이 선호된다. 집수 용기(46)의 영역 내 분리 요소들(48)은 함몰부를 포함하지 않고 형성될 수 있는데, 그 이유는 여기서 집수 용기(46) 내의 물이 멤브레인(38)의 습윤을 위해 제공되기 때문이다.
도 5에는 도 4에 대한 대안으로, 멤브레인(38)에 접하여 액상의 물의 정해진 용적(액체 용적)을 수용할 수 있는 방식으로 형성되는 분리 요소들(48)의 구성이 도시되어 있다. 여기서 상기 분리 요소들(48)은 꺾인 재료 스트립으로 형성되며, 그 꺾임부는 액상의 물의 수용을 위한 함몰부를 형성한다. 이런 경우, 물은 상술한 실시형태들에서처럼 멤브레인(38) 및 제1 채널(41)의 벽부와 직접 접촉한다. 집수 용기(46)의 영역 내 분리 요소들(48)은, 도 4에 기재한 것처럼, 함몰부를 포함하지 않고 형성된다.
도 6에는, 유동 웨브들(47)이 파형으로 형성됨으로써 바람직하게는 습윤 가스가 멤브레인의 상대적으로 더 큰 영역에 걸쳐 안내되고 훨씬 더 균일한 습윤이 달성될 수 있는 가습기(37)의 일 실시형태가 도시되어 있다. 유동 웨브들(47)의 파형 구성에 매칭되어, 상기 유동 웨브들 상에는 마찬가지로 물의 수용을 위한 함몰부들을 포함하는 분리 요소들(48)이 제공된다. 함몰부들의 측면 경계부들은 도 4 및 도 5의 실시형태들과 유사하게 형성된다. 파형 유동 웨브들(47)의 최고 지점 상에는 추가 분리 요소들(49)이 배치되고, 이 추가 분리 요소들은 오직 물만을 분리하지만, 상기 물은 멤브레인(38)과 접촉하지 않은 상태로 유지된다. 집수 용기(46)의 영역 내 분리 요소들(48)은 도 4에서 기재한 것처럼 함몰부를 포함하지 않고 형성된다.
도 7의 가습기(37)의 실시형태에서, 멤브레인(38)의 일부분은 다공성 층(50)으로 코팅되며, 이 다공성 층에 의해 가스 유량의 습기의 대부분이 수용되어 습윤을 위해 균일하게 멤브레인(38) 상으로 방출된다. 다공성 코팅층(50)이 통과되었을 때 맨 먼저 가스 유량에 의해 과류되는 멤브레인(38)의 일 부분에 다시 유동 웨브들(37) 상에 배치된 분리 요소들(48)이 제공되며, 그럼으로써 다공성 코팅층(50)과 접촉을 통해 분리되지 않았던 물의 부분이 가스 유량에서 제거될 수 있게 된다. 분리 요소들(48)에서 분리된 물은 집수 용기(46) 내에 도달하고, 이 집수 용기 안쪽으로 다공성 코팅층(50)을 구비한 멤브레인(38)이 돌출되어 있어 상기 물을 다시 끌어당기며, 그럼으로써 상기 물도 멤브레인(38)에 걸쳐서 분포될 수 있게 된다. 집수 용기(46)의 영역에는, 도 4에서 기재한 것처럼 함몰부를 포함하지 않는 분리 요소들(48)이 형성되어 있지 않다.
100: 연료 전지 시스템
10: 연료 전지 스택
11: 개별 전지
12: 애노드 챔버
13: 캐소드 챔버
14: 폴리머 전해질 멤브레인
15: 바이폴라 플레이트
20: 애노드 공급부
21: 애노드 공급 경로
22: 애노드 배출가스 경로
23: 연료 탱크
24: 작동 수단
25: 연료 재순환 라인
26: 압축기
30: 캐소드 공급부
31: 캐소드 공급 경로
32: 캐소드 배출가스 경로
33: 압축기
34: 전기 모터
35: 전력 전자 장치
36: 터빈
37: 가습기
38: 멤브레인
39: 분리기
40: 제1 면
41: 제1 채널
42: 제2 면
43: 제2 채널
44: 화살표
45: 프레임
46: 집수 용기
47: 유동 웨브
48: 분리 요소
49: 추가 분리 요소
50: 다공성 코팅층
g: 중력

Claims (10)

  1. 수증기 투과성 멤브레인(38) 및 물을 분리하기 위한 분리 요소들(48, 49)을 포함하며 처리 가스를 습윤하기 위한, 특히 연료 전지들(11)용의 가습기(37)로서, 상기 멤브레인(38)이 제1 면(40) 상에서는 제1 습윤 가스 유량을 위한 제1 채널(41)과 접촉하고 제2 면(42) 상에서는 습윤될 제2 건조 가스 유량을 위한 제2 채널(43)과 접촉하는, 가습기에 있어서,
    복수의 별도의 분리 요소(48, 49)가 멤브레인(38)의 제1 면(40) 상에 배치되는 것을 특징으로 하는, 가습기(37).
  2. 제1항에 있어서, 분리 요소들(48) 중 적어도 일부분은 멤브레인(38)과 접촉하는 방식으로 액체 용적을 수용하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 가습기(37).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 멤브레인(38)의 제1 면(40) 상에는, 분리 요소(48, 49)를 지지하는 복수의 유동 웨브(47)가 배치되며, 제2 면(42) 상에서도, 제1 면(40)의 유동 웨브들(47)에 대응되어 배치될 수 있는 유동 웨브들(47)이 멤브레인(38) 상에 배치될 수 있는 것을 특징으로 하는, 가습기(37).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 유동 웨브들(47) 중 적어도 일부가 분리 요소들로서 형성되는 것을 특징으로 하는, 가습기(37).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 가습기(37)는 플레이트형 가습기이며, 분리 요소들(48, 49)은 멤브레인(38)을 지지하도록 형성될 수 있는 것을 특징으로 하는, 가습기(37).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 가습기(37)는 제1 채널(40), 제2 채널(43) 및 멤브레인(38)으로 이루어진 복수의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 가습기(37).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 가습기(37)는 분리된 물을 집수하기 위한 집수 용기(46)를 포함하며, 상기 집수 용기는 상기 제1 채널(40)과 연결되고, 과류부 및/또는 제어 가능한 배출 밸브로서 형성될 수 있는 분리된 액상의 물을 위한 배출 개구부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 가습기(37).
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멤브레인(38)은 상기 제1 면(40) 상에 부분적으로 다공성 코팅층(50)을 구비하는 것을 특징으로 하는, 가습기(37).
  9. 연료 전지 시스템(100)에 있어서,
    - 연료 전지 스택(10);
    - 연료 전지 스택(10)으로 애노드 작동 매체를 공급하기 위한 애노드 공급 경로(21) 및 연료 전지 스택(10)으로부터 애노드 배출가스를 배출하기 위한 애노드 배출가스 경로(22)를 구비한 애노드 공급부(20);
    - 연료 전지 스택(10)으로 캐소드 작동 매체를 공급하기 위한 캐소드 공급 경로(31) 및 연료 전지 스택(10)으로부터 캐소드 배출가스를 배출하기 위한 캐소드 배출가스 경로(32)를 구비한 캐소드 공급부(30); 및
    - 애노드 공급부(20) 및/또는 캐소드 공급부(30) 내에 배치되는 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 가습기(37); 및 선택적으로
    - 연료 전지 스택(10)에서 배출되는 습윤 배출 공기의 유동 방향으로 가습기(37)의 하류에 배치되는 터빈(36);을 포함하는, 연료 전지 시스템(100).
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 가습기(37) 및/또는 제9항에 따른 연료 전지 시스템(100)을 구비한 차량.
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