KR20210013701A - 반응물을 가습하기 위한 방법 및 이 방법을 실행하기 위한 연료 전지 시스템 - Google Patents

반응물을 가습하기 위한 방법 및 이 방법을 실행하기 위한 연료 전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 가습기(10)와 유체공학적으로 연결된 연료 전지 스택(2)을 갖는 연료 전지 시스템(1) 내에서 반응물을 가습하기 위한 방법에 관한 것이며, 이 경우 가습기(10)는 그 표면(12)에 채널들(13)이 형성되어 있는 멤브레인(11)을 구비한다. 채널들(13) 중 하나 이상에 액체 물(liquid water)을 임시로 저장하기 위한 저장 요소(14)가 할당되어 있으며, 이 경우 상기 방법은 다음 단계들, 즉:
- 연료 전지 스택(2)으로부터 액체 물을 추출하고, 이 액체 물을 가습기(10)로 공급하는 단계,
- 액체 물의 적어도 일부분을 저장 요소(14) 내로 받아들이고, 이 부분을 저장 요소 내에 임시로 저장하는 단계, 및
- 액체 물을 증발시키고 증발된 액체 물을 이용해서 연료 전지 스택(2)에 공급될 반응물을 가습함으로써, 저장 요소(14)를 적어도 부분적으로 비우는 단계를 포함하며, 이 경우 액체 물이 연료 전지 스택(2)에서 애노드측뿐만 아니라 캐소드측에서도 추출된다. 또한, 본 발명은, 이 방법을 실행하기 위한 연료 전지 시스템(1)에 관한 것이다.

Description

반응물을 가습하기 위한 방법 및 이 방법을 실행하기 위한 연료 전지 시스템
본 발명은, 가습기와 유체공학적으로 연결된 연료 전지 스택을 갖는 연료 전지 시스템 내에서 반응물을 가습하기 위한 방법에 관한 것으로, 이 경우 가습기는 표면에 채널이 형성되어 있는 멤브레인을 구비하며, 채널들 중 하나 이상에 액체 물(liquid water)을 임시로 저장하기 위한 저장 요소가 할당되어 있고, 상기 방법은 다음 단계들, 즉:
- 연료 전지 스택으로부터 액체 물을 추출하고, 이 액체 물을 가습기로 공급하는 단계,
- 액체 물의 적어도 일부분을 저장 요소 내로 받아들이고, 이 부분을 저장 요소 내에 임시로 저장하는 단계, 및
- 액체 물을 증발시키고, 증발된 액체 물을 이용해서 연료 전지 스택에 공급될 반응물을 가습함으로써, 저장 요소를 적어도 부분적으로 비우는 단계를 포함한다.
본 발명은, 또한 이 방법을 실행하기 위한 연료 전지 시스템과도 관련이 있으며, 이 연료 전지 시스템은, 애노드 가스의 애노드측 공급을 위한 애노드 공급 라인 및 애노드 오프 가스를 방출하기 위한 애노드 오프 가스 라인과 연결되고, 캐소드 가스의 캐소드측 공급을 위한 캐소드 공급 라인 및 캐소드 오프 가스 라인과 연결된 연료 전지 스택을 갖는다. 캐소드 오프 가스 라인은 가습기와 유체공학적으로 연결되고, 가습기는 표면에 채널이 형성되어 있는 수증기 투과성 멤브레인을 구비하며, 이때, 채널들 중 하나 이상에 액체 물을 임시로 저장하기 위한 저장 요소가 할당된다.
DE 10 2015 122 144 A1호는, 가습기를 갖는 연료 전지 시스템을 기술한다. 액체 물은 캐소드측에서 캐소드 배출 라인으로부터 가습기에 공급된다. 또한 가습기는 액체 물을 수용하기 위한 저장 요소를 갖는 유동장을 포함하며, 이 유동장은 멤브레인을 통해 건조한 캐소드 가스로 송출되어 이 캐소드 가스를 가습한다.
또한, 연료 전지 시스템에서는 일반적으로 액체 물이 생성되며, 이는 연료 전지 스택 내로 유입되는 경우에 작동을 저해할 수 있고 스택을 손상시킬 수 있다. 이와 같은 이유로, 액체 물은 통상적으로 분리기 내에 수집되고, 밸브의 스위칭을 통해 연속적으로 가스 흐름 내로 또는 도로상으로 배출됨에 따라 대부분 이용되지 않는다.
본 발명의 과제는, 가습기의 구조적 크기가 줄어들 수 있는 동시에 반응물의 적정 가습이 가능해지는 반응물 가습 방법 및 이 방법을 실행하기 위한 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제의 방법 관련 부분은 청구항 1의 특징들을 갖는 방법에 의해 해결된다. 방법의 합목적적인 개선예들을 갖는 바람직한 실시예들은 이 방법의 종속 청구항들에 명시되어 있다.
특히, 액체 물은 연료 전지 스택에서 애노드측에서뿐만 아니라 캐소드측에서도 추출된다. 유동장 내에 액체 물을 임시로 저장하고 차후에 추출함으로써, 가습기 멤브레인을 통해 전달되는 액체 물이 덜 필요하게 되고, 이로 인해 멤브레인의 면적 및 그 결과로 가습기의 구조적 크기가 줄어들 수 있다. 액체 물이 캐소드측에서뿐만 아니라 애노드측에서도 가습기에 공급됨으로써, 더 큰 부피의 액체 물이 가습기 내에 저장되어 필요 시 추출될 수 있다. 이와 같이, 여하간에 애노드 챔버 및 캐소드 챔버 내에서 생성되는 물이 사용되지 않은 채 배출될 필요가 없고, 오히려 계속 사용될 수 있다.
바람직한 일 실시예에서는, 멤브레인의 습도가 사전 설정된 또는 사전 설정 가능한 임계값에 미달하는 경우, 저장 요소로부터 액체 물을 비우는 공정이 수행된다. 이 임계값은 가습기의 전기 전도도에 의해 결정될 수 있다. 대안적으로, 저장 요소로부터 유래하는 액체 물은 규칙적인 시간 사이클로 자동으로 비워질 수도 있다. 또 다른 대안적인 일 실시예에서는, 액체 물이 연료 전지 스택으로부터 공급되지 않거나 공급될 수 없는 경우에, 또는 더 높은 물 수요가 존재하는 작동 모드에서 연료 전지 시스템이 작동하는 경우에, 저장 요소가 비워진다.
상기 과제의 연료 전지 시스템 관련 부분은, 청구항 3의 특징들을 갖는 연료 전지 시스템에 의해서 해결된다. 연료 전지 시스템의 합목적적인 개선예들을 갖는 바람직한 실시예들은 이 시스템의 종속 청구항들에 명시되어 있다.
특히, 애노드 오프 가스 라인과 연결된 액체 물 공급 라인이 제공되고, 이 액체 물 공급 라인은 애노드측에서 액체 물을 가습기 내로 공급하기 위해 가습기와 간접적으로 또는 직접적으로 연결되어 있다. 이로써, 애노드측에서 생성되는 물도 이용되지 않은 채 연료 전지 시스템으로부터 방출되지 않으며, 오히려 하나 이상의 저장 요소 내에 임시로 저장되도록 하기 위해 가습기에 공급될 수 있게 된다. 이와 같이 하나 이상의 저장 요소 내에 액체 물을 효과적으로 임시 저장함으로써, 액체 물을 추출할 때 반응물의 가습이 이루어질 수 있으며, 이로 인해 가습기의 멤브레인을 통한 물 전달이 덜 필요해지고, 그 결과 멤브레인 면적 및 이와 더불어 가습기의 구조적 크기도 축소될 수 있다. 이때, 일 실시예에서는, 가습기가 수분 공급 라인을 위한 추가 연결부를 구비함으로써, 애노드 오프 가스 라인은 수분 공급 라인을 통해 가습기와 직접 연결될 수 있다. 대안적이고 바람직한 일 실시예에서는, 수분 공급 라인이 캐소드 오프 가스 라인과 그리고/또는 캐소드 공급 라인과 연결됨으로써, 애노드 오프 가스 라인이 가습기와 간접적으로 연결된다. 특히 바람직하게, 수분 공급 라인은 압축기 하류에서 캐소드 공급 라인과 연결된다. 이는, 가습기의 2개 측으로부터의 액체 물의 공급을 가능하게 하고, 유동장 내에서 액체 물의 더욱 균일한 충전 및 저장을 유도한다. 이 경우, 액체 물 라인 내에서 애노드 오프 가스 라인으로의 연결부에, 그리고/또는 캐소드 오프 가스 라인으로의 연결부에, 그리고/또는 캐소드 공급 라인으로의 연결부에 각각, 가습기 내로의 액체 물의 공급을 제어하기 위해 밸브로서 형성된 액추에이터가 배치되는 것이 특히 바람직하다. 특히, 채널들에 할당된 복수의 저장 요소가 제공됨으로써, 저장된 액체 물을 갖는 더 큰 유동장 및 이로써 가습기의 구조적 크기가 축소되었을 때 반응물의 균일한 가습이 가능해지는 것이 바람직하다. 저장 요소들은 전체 표면에 걸쳐 (규칙적으로) 분포될 수 있거나, 대안적으로 표면의 개별 영역에, 특히 매우 건조한 영역에 배치될 수 있다.
특히, 표면에 배열된 복수의 유동 브릿지에 의해 채널이 형성되어 있는 것, 그리고 유동 브릿지들 중 하나 이상이 채널들 사이의 압력 균등화를 위해 유동 브릿지의 종방향 연장부에 대해 수직으로 연장되는 연결 채널을 구비하는 것이 바람직하다. 이는, 저장될 액체 물의 더욱 균일한 분포를 가능하게 하고, 가습기의 개선된 안정성을 유도한다. 이 경우, 특히 하나 이상의 저장 요소가 채널 내에 형성되고, 그리고/또는 유동 브릿지상에 형성되어 배열되는 구성이 가능하다. 이와 관련하여, 연결 채널의 수가 저장 요소의 수에 맞추어 조정되는 것이 바람직하다.
또한, 저장 요소 내의 액체 물의 표면 장력이 액체 물의 연결 채널 통과를 방해하도록, 연결 채널의 직경이 선택되는 것이 바람직하다. 이는, 액체 물이 저장 요소 내에 보유될 수 있게 한다.
바람직하게, 유동 브릿지들은, 제1 직경을 갖는 넓은 채널 및 제1 직경에 비해 더 작은 직경을 갖는 좁은 채널이 형성되거나 존재하는 방식으로, 상호 배열된다. 특히, 좁은 채널들 중 하나 이상이 넓은 채널들 중 하나에 인접해서 배열되는 것이 바람직하다. 이는, 액체 물이 넓은 채널에서보다 좁은 채널에서 더 높은 속도로 이동할 수 있게, 즉, 좁은 채널에서의 정압이 넓은 채널에서의 정압보다 더 낮을 수 있게 한다. 연결 채널들을 통해 압력 균등화가 달성되고, 액체 물이 저장기 내로 흡입된다.
대안적인 일 실시예에서는, 유동 브릿지상에 형성되거나 배치되고, 그 내부에 액체 물이 수용될 수 있는 포켓으로서 저장 요소가 형성되는 구성이 제안된다. 이 포켓은 넓은 채널 내에서 바람직하게 유동 방향과 반대되는 방향을 향해 개방된 상태로 형성된다.
특히 간단히 제조될 멤브레인의 일 실시예에서는, 저장 요소가 2개의 융기부 사이에 있는 포켓으로서 형성되도록, 채널들 중 하나 내에 2개 이상의 융기부가 형성된다. 이들 융기부는 예를 들어 노브(knob)로서 형성될 수 있다.
또 다른 대안적인 일 실시예에서는, 저장 요소가 2개의 융기부 사이에 구성된 포켓으로서 형성되도록, 넓은 채널들 중 하나에 2개 이상의 융기부가 형성된다. 특히, 복수의 융기부가 넓은 채널들 내에 배열될 수 있다.
본 발명의 또 다른 장점들, 특징부들 및 세부 사항들은 청구항들, 바람직한 실시예들에 대한 이하의 설명 및 도면을 참조하여 나타난다.
도 1은 연료 전지 시스템의 개략도이다.
도 2는 가습기 멤브레인의 제1 실시예의 개략도이다.
도 3은 가습기 멤브레인의 제2 실시예의 개략도이다.
도 4는 가습기의 멤브레인의 제3 실시예의 개략도이다.
도 1은, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템(1)을 보여준다. 연료 전지 시스템(1)은, 더 상세히 도시되지 않은 차량, 특히 연료 전지 시스템(1)에 의해 전기 에너지를 공급받는 전기 견인 모터(electric traction motor)를 구비한 연료 전지 차량의 부분이다.
연료 전지 시스템(1)은, 스택 형태로 배열된, 상세히 도시되지 않은 복수의 연료 전지를 구비한 연료 전지 스택(2)을 핵심 구성 요소로서 포함한다. 각각의 연료 전지에는 애노드 챔버(18) 및 캐소드 챔버(19)가 할당되며, 이 경우 애노드와 캐소드는 이온 전도성 고분자 전해질 멤브레인에 의해 상호 분리되어 있다. 이와 같은 멤브레인/전극 어셈블리들 사이에는 상세히 도시되지 않은 바이폴라 플레이트가 각각 하나씩 배치되며, 이 바이폴라 플레이트는 반응물을 애노드 챔버 및 캐소드 챔버(18, 19) 내로 공급하는 데 이용되고, 나아가 개별 연료 전지들 간의 전기적 연결을 생성한다.
연료 전지 스택(2)에 반응물을 공급하기 위해, 연료 전지 스택(2)은 애노드측에서, 애노드 가스 저장기(22)로부터 수소 함유 애노드 가스를 공급하기 위한 애노드 공급 라인(20) 및 반응되지 않은 애노드 가스를 배출하기 위한 애노드 오프 가스 라인(21)과 연결된다.
연료 전지 스택(2)의 애노드측에서의 애노드 작동 압력은 애노드 공급 라인(20) 내의 제1 액추에이터(23)를 통해 조정될 수 있다. 더 나아가, 연료 전지 시스템(1)은 도시된 바와 같이 애노드측에 연료 재순환 라인(24)을 구비할 수 있으며, 이 연료 재순환 라인은 애노드 오프 가스 라인(21)을 애노드 공급 라인(20)과 연결한다. 대부분 초과 화학량론적으로 사용되는 연료를 연료 전지 스택(2)으로 역이송하여 사용하기 위해, 연료의 재순환이 통상적이다. 연료 재순환 라인(24) 내에는, 도면에 도시되지 않은, 재순환 속도를 조정할 수 있는 재순환 팬이 배치될 수 있다. 제2 액추에이터(29)도 존재할 수 있다.
캐소드측에서는, 연료 전지 스택(2)이 산소 함유 캐소드 가스를 공급하기 위해 캐소드 공급 라인(4)과 연결되어 있다. 캐소드 가스를 이송 및 압축하기 위해, 건조 공급 라인(9)으로서 형성된 캐소드 공급 라인(4)의 부분에는 압축기(3)가 배치되어 있다. 도시된 실시예에서는, 압축기(3)가 주로 전기 모터에 의해 구동되는 압축기(3)로서 형성되어 있으며, 이 압축기의 구동은 상응하는 파워 전자 장치(25)가 장착된 전기 모터(26)를 통해 수행된다.
압축기(3)를 통해, 주변으로부터 흡입된 캐소드 가스가 건조 공급 라인(9)에 의해 가습기(10)로 안내된다. 캐소드 공급 라인(4)의 제2 부분은, 가습기(10)를 연료 전지 스택(2)과 연결하고, 가습된 캐소드 가스를 연료 전지 스택(2)의 캐소드 챔버들(18)로 전달한다. 더 나아가서는, 액체 물 및 반응되지 않은 캐소드 가스가 캐소드 오프 가스 라인(5)을 통해 역으로 가습기(10)로 안내되거나, 경우에 따라서는 반응되지 않은 캐소드 오프 가스(특히 배출 공기)가 연료 전지 스택(2)의 캐소드 챔버(18)로부터 도시되지 않은 배기 시스템에 공급된다. 마지막으로 가습기(10)는, 내부에 터빈(28)이 배치된 가습기 배출 라인(27)을 더 구비하며, 상기 터빈은 가습기 배출 라인(27)을 통해 흐르는 가습기 배출 가스에 의해 구동되고, 이로 인해 다시 미도시된 공통 샤프트를 이용해서 압축기(3)의 구동을 지원한다. 가습기 배출 라인(27)은 도시되지 않은 물 분리기를 터빈(28) 상류에 추가로 구비하며, 이 물 분리기는 가습기(10)를 통과한 후에도 계속해서 캐소드 오프 가스 내에 동반되는 수증기에 의한 손상으로부터 터빈(28)을 보호한다.
더욱이, 애노드 오프 가스 라인(21)이 액체 물 공급 라인(7)에 의해 캐소드 오프 가스 라인(5)과 연결됨으로써, 애노드 오프 가스 라인(21)을 가습기(10)와 간접적으로 연결하는 액체 물 공급 라인(7)도 제공된다. 또한, 액체 물 공급 라인(7)은 압축기(3) 하류에서 캐소드 공급 라인(4)과, 즉, 건조 공급 라인(9)과 연결된다. 이는, 연료 전지 스택(2)의 캐소드측에서 생성되는 액체 물(product water)뿐만 아니라, 애노드측에서 생성되는 액체 물도 가습기(10) 내로 공급될 수 있게 한다. 이때, 액체 물 공급 라인(7) 내에는, 애노드 오프 가스 라인(21)으로부터의 액체 물 공급을 제어하기 위한 제3 액추에이터(30), 캐소드 오프 가스 라인(5) 내로의 액체 물 공급을 제어하기 위한 제4 액추에이터(31), 및 캐소드 공급 라인(4) 내로의 또는 건조 공급 라인(9) 내로의 액체 물의 공급을 제어하기 위한 제5 액추에이터(32)가 배치되어 있다.
가습기(10)는, 평탄하게 형성된 복수의 수증기 투과성 멤브레인(11)을 구비한다. 이 경우, 비교적 건조한 캐소드 가스가 멤브레인(11)의 일 측을 통과해서 흐르고, 비교적 습한 캐소드 오프 가스(배출 가스)가 타측을 통과해서 흐른다. 캐소드 오프 가스 내에서의 더 높은 수증기 분압에 의해 수증기가 구동되어, 멤브레인(11)을 통과하여 캐소드 작동 가스 내로 넘어가고, 이러한 방식으로 캐소드 작동 가스가 가습된다.
마지막으로, 건조 공급 라인(9)은 바이패스 액추에이터를 구비하는 바이패스 라인(34)을 통해 가습기 배출 라인(27)과 연결되어 있다.
도 2 내지 도 4는, 가습기(10)의 멤브레인(11) 표면(12)의 다양한 디자인을 매우 단순화된 도면으로 보여준다. 여기서는, 액체 물을 함유하는 가스 흐름을 유동 방향(35)을 따라 관류시키기 위한 복수의 채널(13)이 표면(12) 상에 형성되어 있다. 채널들(13)은 표면(12)에 배열된 유동 브릿지들(6)에 의해 형성되고, 이들 유동 브릿지에는 액체 물을 임시로 저장하기 위해 복수의 저장 요소(14)가 할당된다.
도 2에 도시된 멤브레인(11)의 실시예에서, 유동 브릿지(6)는, 제1 직경을 갖는 넓은 채널(15) 및 제1 직경에 비해 더 작은 직경을 갖는 좁은 채널(16)이 형성되는 방식으로 배열되어 있다. 유동 브릿지(6) 상에서는, 포켓으로서 형성된 저장 요소(14)가 넓은 채널(15) 내에 배열되어 있다. 이들 저장 요소는 바람직하게 유동 방향(35)과 반대인 방향을 향해 개방된 상태로 형성되어 있다. 가스 흐름이 좁은 채널(16)에서보다 넓은 채널(15)에서 더 느린 속도로 이동함으로써, 좁은 채널(16) 내에서는 넓은 채널(15) 내에서보다 낮은 정압이 존재하게 된다. 각각의 넓은 채널(15)은 좁은 채널(16)에 인접해서 배열되어 있고, 제1 좁은 채널(16)을 형성하는 2개의 유동 브릿지(6)는 각각 서로 교대로 오프셋되어 배열되어 있다. 이는 다시, 저장 요소들(14)이 서로 오프셋되어 배열되고, 그에 상응하게 더 크게 형성될 수 있게 한다. 그 결과, 저장 요소들(14)에 의해 형성된 유동장이 더 큰 액체 물 저장 용량을 갖게 된다. 이로 인해 역시 가습기(10)의 구조적 크기가 줄어들 수 있다. 유동 브릿지(6)는, 좁은 채널과 넓은 채널(15, 16) 사이의 압력 균등화를 위해, 유동 브릿지(6)의 종방향에 대해 수직으로 연장되는 복수의 연결 채널(8)을 구비한다. 이는, 액체 물이 저장 요소(14) 내로 흡입되도록 한다. 또한, 연결 채널(8)의 직경은, 저장 요소(14) 내의 액체 물의 표면 장력이 액체 물의 연결 채널(8) 통과를 방해하도록 선택된다.
도 3에 도시된 가습기(10)의 제2 멤브레인(11)도 마찬가지로 표면(12) 상에 넓은 채널(15) 및 좁은 채널(16)을 구비한다. 하지만, 각각 하나의 좁은 채널(16)이 또 다른 하나의 좁은 채널(16) 및 하나의 넓은 채널(15)에 인접하여 배열되어 있다. 매 두 번째 유동 브릿지(6)만이 유동 브릿지(6)의 종방향 연장부에 대해 수직으로 형성된 복수의 연결 채널(8)을 구비한다. 또한, 넓은 채널(15) 내에서는 복수의 융기부(17)가 유동 브릿지들(6) 중 하나의 옆에 형성되어 있으며, 유동 브릿지(6) 상의 융기부들(17) 사이에는 각각 하나의 연결 채널(8)이 형성되어 있다. 이로 인해, 융기부들(17) 사이에 저장 요소(14)가 포켓으로서 형성된다. 또한, 연결 채널들(8)에 의해 액체 물이 저장 요소(14) 내로 흡입되어 그 내부에 보유된다.
도 4는, 특히 간단하게 제조될, 가습기(10)의 멤브레인(11)의 제3 실시예를 보여준다. 본 실시예는, 채널들(13)이 거의 동일한 직경을 갖도록, 유동 브릿지들(6)이 상호 배열되어 있다는 점에서 다른 실시예들과 구별된다. 또한, 유동 브릿지들(6) 상에는 융기부들(17)이, 이들 융기부(17) 사이에 저장 요소(14)가 형성되도록 형성되어 있다.
이때, 연료 전지 시스템(1) 내에서 반응물을 가습하기 위한 방법은 다음 단계들을 포함한다:
먼저, 연료 전지 스택(2)으로부터 액체 물이 제거된다. 이 단계는, 애노드측에서 액체 물이 애노드 챔버(19)로부터 액체 물 공급 라인(7)에 의해 캐소드 오프 가스 라인(5) 내로 또는 캐소드 공급 라인(4) 내로, 그리고 이로써 가습기(10)로 안내됨으로써 수행될 뿐만 아니라, 캐소드측에서도 액체 물이 캐소드 챔버(18)로부터 캐소드 오프 가스 라인(5)에 의해 가습기(10) 내로 안내됨으로써 수행된다. 이와 같이 가스 흐름에 의해 멤브레인(11) 내로 안내된 액체 물은, 표면(12)에 형성된 채널들(13)을 통해 흐르고, 적어도 부분적으로 저장 요소(14) 내로 또는 저장 요소(14)의 일부분 내로도 수용되어 임시 저장된다. 마지막으로, 저장 요소(14)가 그 내부에 들어 있는 액체 물의 증발에 의해 적어도 부분적으로 비워지고, 연료 전지 스택(2)에 공급될 캐소드 가스가 상기 증발된 액체 물에 의해 가습된다. 이때, 비움 단계는 특히, 연료 전지 시스템(1)이 더 많은 물이 요구되는 작동 모드에서 작동할 때, 또는 멤브레인(11)이 사전 설정된 또는 사전 설정 가능한 습도 임계값에 미달할 때 실시된다.
저장 요소들에 의해 형성된, 가습기(10)의 멤브레인(11)의 유동장 내에 액체 물이 임시 저장되었다가 차후 추출되는 방식을 통해, 상기 멤브레인(11)을 통한 액체 물 전달이 덜 요구되며, 이로 인해 멤브레인의 면적 및 그와 더불어 가습기(10)의 구조적 크기도 줄어들 수 있다.
1: 연료 전지 시스템
2: 연료 전지 스택
3: 압축기
4: 캐소드 공급 라인
5: 캐소드 오프 가스 라인
6: 유동 브릿지
7: 액체 물 공급 라인
8: 연결 채널
9: 건조 공급 라인
10: 가습기
11: 멤브레인(가습기)
12: 표면
13: 채널
14: 저장 요소
15: 넓은 채널
16: 좁은 채널
17: 융기부
18: 애노드 챔버
19: 캐소드 챔버
20: 애노드 공급 라인
21: 애노드 오프 가스 라인
22: 애노드 가스 저장기
23: 제1 액추에이터
24: 연료 전지 재순환 라인
25: 파워 전자 장치
26: 전기 모터
27: 가습기 배출 라인
28: 터빈
29: 제2 액추에이터
30: 제3 액추에이터
31: 제4 액추에이터
32: 제5 액추에이터
33: 바이패스 액추에이터
34: 바이패스 라인
35: 유동 방향

Claims (10)

  1. 가습기(10)와 유체공학적으로 연결된 연료 전지 스택(2)을 갖는 연료 전지 시스템(1) 내에서 반응물을 가습하기 위한 방법으로서, 상기 가습기(10)는 표면(12)에 채널들(13)이 형성되어 있는 멤브레인(11)을 구비하고, 채널들(13) 중 하나 이상에 액체 물(liquid water)을 임시로 저장하기 위한 저장 요소(14)가 할당되어 있으며, 다음 단계들:
    - 연료 전지 스택(2)으로부터 액체 물을 추출하고, 이 액체 물을 가습기(10)로 공급하는 단계,
    - 액체 물의 적어도 일부분을 저장 요소(14) 내로 받아들이고, 이 부분을 저장 요소 내에 임시로 저장하는 단계, 및
    - 액체 물을 증발시키고, 증발된 액체 물을 이용해서 연료 전지 스택(2)에 공급될 반응물을 가습함으로써, 저장 요소(14)를 적어도 부분적으로 비우는 단계를 포함하는, 반응물 가습 방법에 있어서,
    액체 물이 연료 전지 스택(2)에서 애노드측뿐만 아니라 캐소드측에서도 추출되는 것을 특징으로 하는, 반응물 가습 방법.
  2. 제1항에 있어서, 멤브레인(11)의 습도가 사전 설정된 또는 사전 설정 가능한 임계값에 미달하는 경우, 저장 요소(14)로부터 액체 물을 비우는 공정이 수행되지는 것을 특징으로 하는, 반응물 가습 방법.
  3. 애노드 가스의 애노드측 공급을 위한 애노드 공급 라인(20) 및 애노드 오프 가스를 방출하기 위한 애노드 오프 가스 라인(21)과 연결되어 있고, 캐소드 가스의 캐소드측 공급을 위한 캐소드 공급 라인(4) 및 캐소드 오프 가스 라인(5)과 연결되어 있는 연료 전지 스택(2)을 구비하며, 제1항 또는 제2항에 따른 방법을 실시하기 위한 연료 전지 시스템(1)으로서, 캐소드 오프 가스 라인(5)이 가습기(10)와 유체공학적으로 연결되어 있고, 가습기(10)는 표면(12)에 채널(13)이 형성된 수증기 투과성 멤브레인(11)을 구비하며, 이때 채널들(13) 중 하나 이상에 액체 물을 임시로 저장하기 위한 저장 요소(14)가 할당되어 있는, 연료 전지 시스템에 있어서,
    애노드 오프 가스 라인(21)과 연결된 액체 물 공급 라인(7)이 제공되고, 이 액체 물 공급 라인은 애노드측에서 액체 물을 가습기(10)로 공급하기 위해 가습기(10)와 간접적으로 또는 직접적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템(1).
  4. 제3항에 있어서, 액체 물 공급 라인(7)이 캐소드 오프 가스 라인(5)과, 그리고/또는 캐소드 공급 라인(4)과 연결되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템(1).
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 채널들(13)은 표면(12)에 배열된 복수의 유동 브릿지(6)에 의해 형성되며, 유동 브릿지들(6) 중 하나 이상이 채널들(13) 사이의 압력 균등화를 위해 유동 브릿지(6)의 종방향 연장부에 대해 수직으로 연장되는 연결 채널(8)을 구비한 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템(1).
  6. 제5항에 있어서, 연결 채널(8)의 직경은, 저장 요소(14) 내의 액체 물의 표면 장력이 액체 물의 연결 채널(8) 통과를 방해하도록 선택되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템(1).
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 유동 브릿지들(6)는, 제1 직경을 갖는 넓은 채널(15) 및 제1 직경에 비해 더 작은 직경을 갖는 좁은 채널(16)이 형성되는 방식으로 상호 배열되며, 좁은 채널들(16) 중 하나 이상이 넓은 채널들(15) 중 하나에 인접해서 배열되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템(1).
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 저장 요소(14)는 유동 브릿지(6) 상에 형성되었거나 배치된 포켓으로서 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템(1).
  9. 제7항에 있어서, 채널들(13) 중 하나 내에 2개 이상의 융기부(17)가 형성되되, 저장 요소(14)가 2개의 융기부(17) 사이에 형성된 포켓으로서 형성되는 방식으로 구현되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템(1).
  10. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 저장 요소(14)가 2개의 융기부(17) 사이에 형성된 포켓으로서 형성되도록, 넓은 채널들 중 하나 내에 2개 이상의 융기부(17)가 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템(1).
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