KR100798130B1 - 연료 전지 스택용 전지 유지 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에는 연료 전지 스택의 전지를 유지하는 방법 및 장치가 개시되어 있다. 상기 장치는 연료 전지 스택의 적어도 하나의 전지를 가로질러 낮은 임피던스를 부여하는 수단, 예를 들면 스위치 및 펄스 발생기를 포함하는 연료 전지 유지 장치를 포함한다. 펄스 발생기는 예를 들면 스위치가 폐쇄될때 낮은 임피던스를 부여하는 수단을 통하여 적어도 하나의 전지의 캐소드를 펄스할 수 있다. 상기 방법은 연료 전지 스택의 전지를 투과적으로 유지하고, 연료 전지 스택의 복수의 전지 캐소드를 순차적으로 펄스하고, 전지의 캐소드를 순차적으로 펄스하는 동안 연료 전지 스택의 부하에 동력을 제공하는 전지의 일정수를 유지시키는 것을 포함한다.
연료 전지 스택, 유지, 펄스 발생기, 임피던스, 캐소드

Description

연료 전지 스택용 전지 유지 장치{Cell Maintenance Device for Fuel Cell Stacks}
본 발명은 연료 전지, 보다 상세하게는 연료 전지 스택용 전지 유지 장치에 관한 것이다.
연료 전지 기술은 화석 연료의 연소를 사용하는 보다 상용화된 에너지 소스를 위한 대체 에너지 소스이다. 연료 전지는 연료 및 산소로부터 일반적으로 전기, 물 및 열을 생성한다. 보다 상세하게는, 연료 전지는 화학적 산화-환원 작용을 통하여 전기를 제공하고, 청정성 및 효율성 측면에서 다른 형태의 동력 발생장치보다 현저한 장점을 갖는다. 일반적으로, 연료 전지는 연료로 수소를 사용하고, 산화제로 산소를 사용한다. 동력 발생은 반응물의 소비 속도에 비례한다.
연료 전지의 보다 광범위한 사용을 방해하는 심각한 단점으로는 수소 기반시설이 널리 보급되지 못했다는 것이다. 수소는 비교적 낮은 부피 에너지 밀도를 가지며, 대부분의 동력 발생 시스템에서 현재 사용되고 있는 탄화수소에 비하여 저장과 수송측면에서 보다 용이하지 않다. 이와 같은 어려움을 극복하는 한가지 방법으 로는 탄화수소를 연료 전지용 공급물로 사용될 수 있는 수소가 풍부한 기체 스트림으로 전환시키는 "연료 처리장치" 또는 "개질장치"를 사용하는 것이다. 천연가스, LPG, 가솔린 및 디젤과 같은 탄화수소-기반 연료는 대부분의 연료 전지용 연료로 사용하기 위해서 전환단계를 필요로한다. 현재의 기술은 최초 전환공정과 여러개의 세척 공정이 결합된 다단계 공정을 사용한다. 최초 공정은 가장 흔하게는 증기 개질(SR), 자열 개질(ATR), 촉매적 부분 산화(CPOX) 또는 비촉매적 부분 산화(POX)이다. 세척 공정은 일반적으로 탈황화, 고온 물-기체 전환, 저온 물-기체 전환, 선택적 CO 산화 또는 선택적 CO 메탄화의 조합으로 이루어진다. 대체가능한 다른 공정들은 수소 선택적 막 반응기 및 필터를 포함한다.
결국, 여러 형태의 연료들이 사용될 수 있다. 이와 같은 연료중 일부는 화석 연료와 혼용되지만, 이상적인 연료는 수소이다. 만일 연료가 예를 들면 수소이면, 연소가 매우 깨끗하게 이루어지고, 실질적인 물질로서, 열 방산 및/또는 소비 및 전기 소모 후에 오직 물만이 남게 된다. 가장 용이하게 이용할 수 있는 연료들(예를 들면 천연가스, 프로판 및 가솔린) 및 심지어 흔히 사용되지 않는 연료들(예를 들면 메탄올 및 에탄올)은 자신들의 분자 구조에 수소를 포함한다. 그러므로, 일부 연료 전지 기구들은 특정 연료를 처리하여 연료 전지의 연료로 사용되는 비교적 순수한 수소 스트림을 생성하는 "연료 처리장치"를 사용한다.
연료 처리장치와 함께 사용되는 양자 교환막(PEM) 연료 전지에서 발생되는 한가지 문제점은 귀금속 촉매화 반응기의 백금 촉매상에 과산화수소를 형성하는 것이다. PEM 연료 전지의 퇴조에 기여하는 하나의 방식으로는 연료 전지의 아노드 (anode)에서 과산화 수소의 형성에 기인한다. 과산화 수소는 현재 PEM 연료 전지의 수명을 제한한다. 이와 같은 기작은 1960년대에 A.B. LaConti에 의해 처음으로 해명되었다. "막 분해 기작(중합제 전해질 막 연료 전지 및 시스템, PEMFC)", A.B. LaConti, M. Hamdan 및 R.C. McDonald, 연료 전지 핸드북, Vol. 3, CH 49, pp 647-662, W. Vielstich, A. Lamm 및 H. Gasteiger 출판, Wiley, Chichester UK, 2003 참조. 과산화수소는 연료 전지막을 공격하는 강산화제이다. 과산화수소는 일반적으로 연료 전지 캐소드(cathode)로부터 아노드로 산소를 확산시킴으로써 제조된다. 도 1의 그래프는 매우 낮은 산소 부분압을 갖더라도 아노드 포텐셜(~0.0 볼트)에서 과산화 부분압이 매우 높을 수 있다는 것을 나타내고 있다. 만일 아노드 포텐셜이 200 밀리볼트까지 상승하면 과산화 농도는 3 크기 순서만큼 떨어진다.
보다 상세하게는, 산화백금은 산소 환원에 대하여 비교적 비활성 촉매이다. 백금은 아래의 평형 관계에 따라 수화 산화물 Pt(OH)2를 생성한다:
Pt + H2O → PtO + 2H+ + 2e-
PtO + H2O → Pt(OH)2
수화산화물을 생성하는 평형 포텐셜을 아래와 같이 주어진다:
E0 = 0.98-0.0591 pH
수용액에서의 전자화학 평형 아틀라스(2차판), M.J.N. Pourbaix, NACE, Houston, TX 1974, page 379 ("Pourbaix"). 포베(Pourbaix)는 또한 고급 산화물이 생성되는 방식을 나타내고 있다. 또한, 포베(Pourbaix)는 Pt, PtO, PtO2 및 Pt2+ 이온간의 복합 관계를 나타내고 있다.
이와 같은 반응 및 관계의 결과가 도 2에 도시되어 있으며, 이는 포베(Pourbaix)로부터 변형된다. 도 2는 Pt가 부식되지 않는 곳에서의 이뮤니티 도메인과 Pt가 안정한 수화 산화물로 부식되는 곳에서의 패시베이션 도메인을 나타내고 있다. 산화물은 산소 환원에 대하여 특별히 촉매적이지는 않다. 도 2를 관찰하면 실선(200) 이하로 캐소드 포텐셜을 떨어뜨리면 산화백금이 불안정화되고, 금속을 안정화시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 만약에 캐소드 포텐셜이 200 이상으로 올라가제 되면 상기 산화물은 안정화되고, 상기 금속은 불안정화될 것이다. 지역적인 pH가 공정에 영향을 주기때문에 상기 공정은 또한 복잡하다. 높은 전류 조건하에서 발생될 수 있는(예를 들면 캐소드 양자 소비로부터)것으로 pH가 증가되면 낮은 캐소드 포텐셜에서의 산화물 생성에 유리할 것이다.
상기에서 언급한 문제점 및 다른 유사한 문제점들이 40년 넘게 알려져 왔다. 이와 같은 시간동안 본 기술분야에서 이와 같은 도전에 대한 기술적으로 용이하고, 경제적으로 실행가능한 해결책을 찾으려고 노력해왔다. 이와 같은 문제점은 기설치된 기반시설들을 사용하여 이미 매우 낮은 가격으로 동력을 발생하고 제공할 수 있는 대체 기술로부터의 경쟁에 의해 더욱 심화된다. 여러가지 접근들이 제시되고 있지만 상업적으로 수용가능한 것은 아직까지 알려지 있지 않다.
본 발명은 앞서 언급한 하나 또는 모든 문제점들을 해결하거나 적어도 감소 시키는 것에 관한 것이다.
발명의 요약
본 발명은 연료 전지 스택의 전지를 유지하는 방법 및 장치를 포함한다. 상기 장치는 연료 전지 스택의 적어도 하나의 전지를 가로질러 낮은 임피던스를 부과하는 예컨대 스위치 같은 수단 및 펄스 발생기를 포함하는 연료 전지 유지 장치를 포함한다. 펄스 발생기는 낮은 임피던스 부과 수단을 통하여 예를 들면 스위치가 폐쇄될 경우 적어도 하나의 전지의 캐소드를 펄스할 수 있다. 상기 전지 유지 방법은 연료 전지 스택의 전지를 투과적으로(transparently) 유지하고, 연료 전지 스택에서 다수의 전지들의 캐소드를 순차적으로 펄스하고, 전지의 캐소드를 순차적으로 펄스하는 동안에 연료 전지 스택의 부하(load)에 동력을 제공하는 일정수의 전지를 유지시키는 것을 포함한다.
본 발명의 실시예를 하기에 기술한다. 분명하게 하기 위하여, 현실적인 실시예의 모든 특징들을 본 명세서에 기술하지는 않았다. 물론 어떠한 현실적인 실시예의 개발에 있어서, 일 실시예로부터 다른 실시예까지 다양할 수 있는 시스템 관련 및 사업 관련 제약을 갖는 승낙과 같은 개발자들의 특정 목적을 달성하기 위하여 수많은 실시예 특이적 결정들이 이루어져야 한다는 것을 이해할 수 있다. 또한, 이와 같은 개발자의 노력은 심지어 복잡하고 시간 소모적이더라도 이와 같은 개시의 이익을 갖는 당업자들에게는 정해진 임무로 이해될 것이다.
도면에 관하여, 도 3은 본 발명의 일 실시예(300)를 도시하고 있다. 일 실시예(300)에서, 연료 전지 유지 장치(303)는 연료 전지 스택(309)의 전지(306)(오직 하나만 표시된)를 유지시킨다. 연료 전지 유지 장치(303)는 스위치(312)와 펄스 발생기(315)를 포함한다. 스위치(312)는 연료 전지 스택(309)의 적어도 하나의 전지(306)를 단락시킬 수 있는 계전기(318)와 계전기(310)를 구동시킬 수 있는 유전체로 절연된 드라이버(321)를 포함한다. 일 실시예에서, 계전기(318)는 공지된 솔리스-스테이트(solid-state) 계전기일 수 있다. 펄스 발생기(315)는 스위치(312)가 폐쇄될 경우 스위치(312)를 통하여 연료 전지 스택(309)의 적어도 하나의 전지(306)의 캐소드(324)를 펄스할 수 있다. 펄스 발생기(315)는 아래에서 보다 자세하게 설명될 디지털 펄스를 발생시킨다.
스위치(312)는 폐쇄되어있을때 전지(306)를 가로질러 낮은 임피던스를 제공하며, 이는 유동에 대한 외부 전류를 유발한다. 이후 외부 전류는 전지 전압을 원하는 값으로 낮추며, 이는 하기에서 보다 상세하게 논의될 것이다. 결국, 만일 전지(306)를 가로질러 낮은 임피던스를 도입할 수 있는 일부 다른 기작을 사용한다면 일부 실시예에서 스위치(312)가 생략될 수 있다. 결국, 실시예 및 도면에 의하지만, 스위치(312)는 이의 캐소드가 펄스될때 전지(306)를 가로질러 낮은 임피던스를 부과하는 하나의 수단이다.
전지(306)의 캐소드(324)를 펄스하기 위한 도 3의 실시예에 도시된 이와 같은 접근은 복수의 전지(306)를 커버하는 것이 추정될 수 있다. 이와 같은 실시예(400)가 도 4A에 도시되어 있다. 도 4A에 있어서, 연료 전지 유지 장치는 복수의 스위치(312)를 포함한다. 각각의 스위치(312)는 펄스 발생기(315)가 각각의 전지(306)의 캐소드(324)를 펄스할 수 있도록 폐쇄된다. 이와 같은 실시예에서, 제어회로(406)는 스위치(312)를 연속적으로 폐쇄하여 전지(306)의 캐소드(324)가 연속적으로 펄스된다. 펄스는 멀티플렉서(multiplexer)를 통하여 드라이버에 전달된다. 또한, 펄스는 드라이버를 순차적으로 선택하는 멀티플렉서를 어드레스하는 카운터(counter)를 클락(clock)하는데도 사용되며, 이는 하기에서 보다 상세하게 설명될 것이다.
일부 실시예에 있어서, 연료 전지 스택(309)의 다수의 전지(306)의 캐소드(324)는 동일한 스위치(312)를 통하여 펄스 발생기(315)에 의해 펄스될 수 있다. 이와 같은 일 실시예가 도 4B에 도시되어 있다. 오직 하나의 스위치(312)만이 존재하기 때문에 도 4A의 실시예(300)에 있는 제어 회로(406)에 대한 대응물을 필요하지 않다. 그러나, 실시예(412)는 실시예(300)가 도 4A에서 추정되는 방식과 유사한 방식으로 연료 전지 스택(309)의 교차하는 부가 전지(306)가 추정될 수 있다. 이와 같은 실시예에서, 실시예(300)의 제어 회로(406)에 대한 대응물이 스위치(312)의 연속 작동을 제어하기 위하여 사용되어져야 한다.
펄스 발생기(315)에 의한 펄스 출력의 전자적 특징들은 본 발명의 성능에 영향을 줄 수 있다. 0.6V 이하의 전지 전압에서 캐소드 백금 촉매는 수산화물이 존재하지 않으며, 공정에서 촉매가 활성화된다. 그러나, 이와 같은 펄스 효능에 대한 전지 전압의 펄스, 펄스 크기 및 충격 계수(duty cycle) 효과는 본 기술분야에 알려져 있지 않았다.
도 5는 펄스를 갖는 전지 동작과 정상 전류를 갖는 전지 동작을 비교하는 성능 도면을 나타내고 있다. 성능 도면은 전류 펄스가 전지 성능의 현저한 개선을 야기시킨다는 것을 나타내고 있다. 이와 같은 데이터는 각 전압에서의 평균 전류 밀도인 것을 주지하여야 한다. 하기에 나타난 도면에 대한 펄스 조건은 다음과 같다: 매 120초당 5초동안의 0.05V 펄스. 도 5에 도시된 바와 같이 성능은 보다 짧고 보다 빈번한 펄스에 의해 개선되며, 곡선(500)은 전류가 상승된 연료 전지의 성능을 나타내고, 곡선(505)은 정상 연료 전지의 성능을 나타낸다. 도면은 150℉ 전지 온도, 120℉ 포화온도, 캐소드상의 10 psig 배압, 아노드상의 8 psig 배압, 20% Uh 및 30% Uo조건하에서 2.5" x 2.5" 단일 그래파이트 전지상에서 수행된 시험을 통하여 작성되었다. 이와 동일한 조건들은 하기에 나타난 정보를 생성하는 것에도 사용되었다.
펄스 크기는 하나의 중요한 전자 특성이다. 펄스는 120초마다 5초 동안 하나의 전지를 가로질러 0.4 V 및 0.05 V로 다양하다. 표 1은 2단 및 3단에서 펄스 후 10초 및 30초에서의 전류 밀도를 나타내고 있다. 0.3V와 0.4 V 펄스 모두 안정한 지점에 도달할 정도로 충분히 길게 작동하지 않았다는 것을 주지하여야 한다. 평균 전류 밀도는 표 1에 표시된 수치보다 더욱 감소되었다. 모두에서 동일하게, 전지당 전자 포텐셜이 낮을수록 성능이 향상되었다. 실질적인 이유로, 전지당 0.2V 이하로 내려가기는 힘들지만 회로가 전지가 0.3V 이하로 내려가는 것이 가능하도록 한다. 도 4B에 도시된 실시예(412)에서와 같이, 일부 실시예에서 낮은 전압/높은 전류 요구조건은 한번에 하나 이상의 전지를 펄스하기 위하여 필요할 수 있다.
펄스 크기에 따는 전류 밀도
펄스 크기(V) 베이스 전지 전압(V) J10(ASF) J30(ASF)
0.05 0.7 670 650
0.1 0.7 670 640
0.2 0.7 660 640
0.3 0.7 660 635
0.4 0.7 615 600
펄스의 길이 및 주파수도 중요하다. 전지 성능은 각각의 펄스후 감소한다. 도 6에 0.2V에서 1초 펄스 직후의 전류 감소를 나타내는 일반적인 예가 도시되어 있다. 전지는 감소 주기 동안에 0.7V를 유지한다. 이와 같은 플롯은 펄스간의 주기가 짧을수록 유리하다는 것을 타낸다. 유동, 온도, 압력이 일정하게 유지되는 동안에 더욱 짧고 더욱 큰 주파수를 갖는 펄스가 보다 긴 펄스 및 보다 긴 주기와 비교되었다. 그 결과를 표 2에 기재하였다. 표의 마지막 컬럼은 전지 전압이 0.7V로 유지되는 시간동안에 각 펄스간의 평균 전류 밀도를 나타낸다. 전지로부터의 동력은 (1-충격계수)* 평균 동력에 의해 계산될 수 있다. 결국, 짧은 주파수 펄스는 긴 주파수 펄스보다 우수하다. 그러나, 전지의 전기용량은 펄스의 짧기한계를 제한한다. 상위 결과(700)와 하위 결과(703)가 각각 전류와 전압을 나타내는 도 7에 도시된 오실로스코프 데이터에서 도시될 수 있는 것과 같이, 전지 전압이 기선(baseline) 상태로 다시 상승하기 위하여 70-100 ms가 필요하다. 유사하게, 전지의 전기 용량은 속도를 제한하며, 전지 전압은 펄스 수준까지 감소한다. 도 7에서, 전압을 0.4V까지 감소시키기 위해서는 약 100 ms가 필요하다.
펄스 길이 및 주파수
펄스 길이(s) 펄스 크기(V) 펄스 주파수 충격 계수 평균 J@0.7V
5 0.2 1/150 3.33% 550
2 0.2 1/60 3.33% 584
1 0.2 1/30 3.33% 602
0.5 0.2 1/15 3.33% 607
도 7은 약 32 mΩ 내지 약 12mΩ의 부하 저항성 변화에 대한 전지의 반응을 도시하고 있다. 완전한 크기의 전지는 0.4V까지 감소하기 위하여 회로의 낮은 저항성을 요구한다. 전지의 전기용량에 기인하여 전지의 전압 변화가 전류 변화보다 더욱 느리다는 것을 알 수 있다. 또한, 단락후 처음에는 전지 전압이 펄스 수준까지 감소하기 전에 회로를 통하여 다소 높은 전류를 구동시킬 필요가 있다는 것을 알 수 있다.
전지는 0.5초 펄스폭, 15초 주기 및 3.33% 충격계수로 0.2V 내지 0.8V사이에서 순환되었다. 결과(800)가 시간에 따른 전압을 나타내고, 결과(803)가 시간에 따른 전류를 나타내는 도 8에 도시된 바와 같이, 전지는 0.8 V에서 300 ASF 근처의 평균 전류 밀도를 유지하였다. 펄스가 중단될 경우, 전류 밀도는 180 ASF 이하까지 감소하며, 펄스가 재시작될 때까지 계속 감소한다. 펄스 재시작 지점에서 전지의 전류 밀도는 300 ASF 근처까지 상승한다.
본 발명의 실시예는 연료 전지의 크기, 연료 전지의 성능 및 전지가 피크 사이에서 작동하는 전압에 의존할 것이다. 표 3은 스택용 전지 유지 장치를 설계할 때 고려해야할 여러가지 사항들을 나타내고 있다. 일반적으로, 600 내지 1200 ASF의 전지 전류 밀도가 유동을 일정하게 유지하고 26 암페어(600 ASF)로 설정한 상태에서 전지 포텐셜을 0.2V까지 이르게할 정도로 충분하다. 실험이 매우 낮은 이용하에서 수행되기 때문에 전류에 요구되는 실질적인 값은 시험을 통해 예상되는 값보다 낮을 것으로 보인다. 하기에 표시된 값들은 다소 적은 기류를 사용하여 수행된 실험에 기초한 최상의 예상값들이다. 다른 고려사항들은 하기를 포함한다.
- 일부 실시예에서 펄스 전압(0.2V)은 외부 회로를 통하여 충분한 전류를 유도하기에 충분하지 않을 수 있으며, 그러므로 동시에 하나의 전지 이상을 펄스하거나, 일부 실시예(예를 들면 도 4B의 실시예(312))에서 전지당 하나 이상의 회로를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, MOSFET 스위치를 통하여 충분한 전류를 구동하기 위해서는 연료 전지에 의해 공급되는 드레인-소스(Drain-to-Source) 전압(Vds)을 증가시키는 것이 바람직할 수 있다. Vds의 추가는 하나 이상의 전지, 예를 들면 2,3 또는 그이상의 전지와 연결된 MOSFET 스위치를 펄스함으로써 용이하게 달성된다.
- 바람직한 펄스 전압에 도달하기 위하여 스택을 통한 보다 큰 전류는 회로를 통한 필요로하는 전류량을 감소시킨다. 예를 들면, 표 3의 1 및 2열은 전지당 0.8V 및 300 ASF에서의 스택 작동에 대한 경우 및 전지당 0.7V 및 500 ASF에서의 스택 작동에 대한 경우이다. 0.8V 전지를 0.2V로 유도하기 위하여, 외부 회로를 통하여 72 암페어가 필요하다. 0.7V 전지를 0.2V로 유도하기 위하여, 외부 회로를 통하여 오직 40 암페어가 필요하다.
유사하게, 보다 작은 전지 크기는 전지를 적당한 전압(0.3V 이하)으로 유도하기 위해 필요한 전류량을 감소시킨다.
여전히, 다른 고려사항들이 다른 실시예에서 존재한다.
예상값
J스택 전지 영역(ft2) 스택 전류 V펄스 I전체 ASF 부스트 I회로
300 0.16 48 0.2 120 750 72
500 0.16 80 0.2 120 750 40
300 0.1 30 0.2 75 750 45
500 0.1 50 0.2 75 750 25
도 9는 본 발명이 연료 전지 스택(906)의 부하(미도시)에 대하여 투과적인 방식으로 연료 전지 스택(906)의 전지(903)를 유지시키기 위하여 사용되는 일 실시예(900)를 도시하고 있다. 연료 전지 스택(906)은 복수의 전지(9030-903N)를 포함한다. 각각의 전지(9030-903N)는 전지(9030-903N)를 가로질러서 평행하게 전기적으로 연결된 각각의 스위치(9120-912N)를 갖는다. 각각의 스위치(912)는 금속 산화물 반도체, 및 전자 눈사태(avalanche) 다이오드(918)(오직 하나만 표시됨)와 평행하게 위치한 필드효과 트랜지스터(MOSFET, 오직 하나만 표시됨)(915)를 포함한다. MOSFET(915) 및 전자 눈사태 다이오드(918)는 함께 도 3에서의 계전기(318)의 기능을 수행한다. 상기에서 기재한 바와 같이, MOSFET(915) 및 전자 눈사태 다이오드(918)는 함께 솔리드-스테이트 계전기로 패키지화될 수 있다. 그러나, 일부 실시예는 MOSFET(915)와 전자 눈사태 다이오드(918)가 분리된 것이나 MOSFET(915) 및 전자 눈사태 다이오드(918)가 단일의 패키지로 통합된 것을 사용할 수 있다. 각각의 스위치(9120-912N)는 MOSFET(915)와 전자 눈사태 다이오드(918)를 구동하는 유전체로 절연된 다이오드(921)(오직 하나만 표시됨)를 포함한다.
펄스 발생기(924)는 일련의 펄스(927)를 발생하며, 펄스의 특징들은 앞서 기술된 고려사항들 측면에서 결정된다. 제어 회로(933)에서의 카운터(930)는 클락으로서 펄스 트레인(pulse train)을 수용한다, 즉. 펄스 트레인은 또한 카운터(930)를 구동한다. 카운트(즉, Q0-QN)는 제어회로(933)의 멀티플렉서(936)에 대한 출력물이고, 이것은 또한 COM 입력에서 펄스 트레인을 수용한다. 멀티플렉서(936)는 카운터(930)의 카운트에 의해 측정된 선택된 라인(CH0-CHN)상에 펄스 트레인을 출력한다. 결국, 각각의 시간에서 펄스 발생기(924)는 펄스(927)를 발생하고, 카운터(930)의 카운트가 증가하고, 멀티플렉서(936)는 펄스(927)의 출력물로서 다음의 라인(CH0-CHN)을 선택한다. 카운터(930)가 N까지 계산할경우 0으로 리셋된다. 펄스 발생기(924)에 의해서 발생되는 펄스 트레인에서의 각각의 펄스(927)에 대하여 하나의 전지(9030-903N)가 펄스된다. 이와 같은 실시예에서 주어진 시간하에 하나 이상의 전지(9030-903N)가 펄스되지는 않는다.
그러므로, 각 전지(9030-903N)에 대한 캐소드(9390-939N)는 한번에 연속적이고 계속적으로 각각 펄스된다. 즉, 펄스는 하나의 전지(9030-903N)를 온 오프하지 않고 하나의 전지(9030-903N)로부터 다른 전지로 스위치된다. 하나 및 단지 하나의 전지(9030-903N)가 어떤 주어진 시간에 펄스되기 때문에, 연료 전지(906)용 부하는 전지(9030-903N)의 N-1로부터의 동력을 수용한다. 그러나, 두개의 전지 또는 그 이상의 전지(9030-903N)는 이와 같은 방식, 즉 연속적이고 계속적으로 일부 실시예에서 펄스될 수 있다. 그러므로, 펄스되지 않는 전지(9030-903N)의 수가 일정하게 남아있기 때문에 전지(9030-903N)의 유지가 부하에 대하여 투과적이며, 부하에 대한 동력은 일정한 수준으로 남아 있는다.
도 9의 실시예(900)는 예를 들면 펄스 발생기(924), 카운터(930) 및 멀티플렉서(936)의 전자 회로에 DC 동력을 제공하기 위하여 사용되는 연료 전지 스택(906)으로부터의 전압 회귀(942)를 포함한다. 전압 조절장치(945)는 전자 회로에 의해 사용되는 수준으로 회귀된 전압을 조절하기 위하여 전압 회귀(942)에 제공된다. 그러므로, 실시예(900)는 전자 회로용 외부 동력 공급원을 필요로하지 않는다. 그러나, 일부 실시예는 외부 동력원을 제공하고 전압 회귀(942)를 제거할 수도 있다.
본 발명은 연료 전지 스택에서 전지의 캐소드상에 과산화수소를 생성하는 것 이외의 다른 유지 이슈를 어드레스하기 위하여 사용될 수 있다. 예를 들면, 일부 연료 전지 응용에서의 또 다른 문제점은 촉매상에 일산화탄소가 축적되는 것이다. PEM 연료 전지 아노드에서 존재할 경우, 일산화탄소는 바람직하게는 촉매 표면상에서 흡수된다. 수소 산화가 가능한 표면이 감소되고, 산화가 가능한 영역이 완전한 촉매 표면이 이용가능할 경우보다 더욱 높은 지역적 전류 밀도하에서 작동되어져야만 한다. 일산화탄소에 의해 커버되는 표면 영역 분획은 흡착 등온선에 의해 제어된다. 온도가 높을 수록 일산화탄소에 의해 커버되는 표면 영역이 감소한다.
이것은 또한 귀금속 촉매 반응기에도 적용된다. 이와 같은 반응기들은 선택적 산화장치 또는 바람직한 산화장치로 불리운다. 이와 같은 반응기는 기체 스트림으로부터 소량의 일산화탄소를 제거하기 위하여 사용된다. 이와 같은 반응기에 촉매 입자는 연료 전지 아노드에 대하여 기술한 바와 같이 동일한 화학흡착 현상에 의해 특징지워진다. 일산화탄소와 산소 사이에 경쟁적 흡착이 존재한다. 이와 같은 반응기에서 온도가 증가할 수록 일산화탄소에 의해 커버되는 표면적이 감소되고, 보다 많은 표면적이 산화에 대하여 이용가능하다. 이산화탄소로의 일산화탄소의 화학적 산화속도는 아래와 같이 주어진다:
NCO2 d/dt = k[O2]/[CO]
상기식에서, NCO2 d/dt는 이산화탄소의 생성 속도이고;
[O2]는 산소 농도이고; 및
[CO]는 일산화탄소 농도이다.
S. Benson, 화학적 동역학의 기초(Foundation of Chemical Kinetics). 이것은 반응 속도가 일산화탄소 농도와 반비례한다는 것을 의미한다.
일산화탄소의 산화가 활발한 발열반응이기때문에 종종 선택적 산화 반응기가 충분한 산소가 화학흡착된 일산화탄소를 흡착 및 반응할 수 있도록 충분히 높은 온도 지점에서 "열점(hot spot)"을 생성할 수 있다. 공지의 선택적 산화장치는 일반적으로 반응기 말단에 "열점"을 갖도록 설계된다. 이것은 모든 산소가 사라질때 고온 기체를 촉매로부터 제거한다. 만일 산소가 제거될때 고온 기체가 촉매와 접촉할 수 있다면 다시 전환되어 수소 및 이산화탄소로부터 일산화탄소를 생성한다. 이것은 선택적 산화장치에서 유동을 다양하게 하기 어렵게 만든다. 이는 부하 변화 조건하에서 수행하기를 원하기 때문이다.
도 3에 관하여, 본 발명에서 사용된 기술은 아노드(327) 및 캐소드(324)를 동시에 펄스한다. 과산화수소의 생성이 모든 연료 전지에서 이슈인 반면에, 일산화탄소의 생성은 개질 연료 스트림을 사용하는 실시예에서 주된 이슈이다. 반대로, 일산화탄소의 생성은 연료 전지 스택이 순수한 수소에 의해 연료화되는 경우에는 이슈가 되지 않는다. 결국, 모든 실시예가 캐소드(324) 이외에도 아노드(327)를 펄스하는 것은 아니다.
이것으로 상세한 설명을 마친다. 본 명세서에 개시된 실시예는 오직 예시적인 것이며, 본 발명은 변형 및 달리 실시될 수 있지만, 본 명세서의 개시를 통해 이익을 얻는 당업자에게는 명백한 등가의 방법이다. 또한, 청구항에 기술된 것 이외에 본 명세서에 기술된 상세한 제조 및 설계에 제한되지는 않는다. 그러므로, 본 명세서에 개시된 특정 실시예들은 변경 또는 변형될 수 있으며, 이와 같은 모든 변형은 본 발명의 사상 및 범위내에 있다고 사료된다. 따라서, 본 명세서에서 보호받고자 하는 사항들을 하기의 청구범위에 기술하고자 한다.
본 발명은 첨부된 도면과 관련된 기술내용을 참조하여 이해될 수 있으며, 유사한 참조번호는 유사한 부재를 나타낸다.
도 1은 종래에 알려진 산소 대 전극 포탠셜의 부분압 그래프이다.
도 2는 종래에 알려진 25℃에서 백금의 부식(corrosion), 이뮤니티(immunity) 및 패시베이션(passivation)에 관한 이론적 도메인을 도시하고 있다.
도 3은 본 발명에 따른 연료 전지 유지 장치의 일 실시예를 도시하고 있다.
도 4A 및 도 4B는 본 발명의 다른 실시예를 도시하고 있다.
도 5는 펄스를 가진 전지 동작과 정상 전류를 갖는 전지 동작을 비교한 성능도면을 나타내고 있다.
도 6은 펄스 수령후 전지 전류 대 시간의 그래프이다.
도 7은 시간에 따른 전지 전압 및 전지 전류의 그래프이다.
도 8은 시간에 따른 전류 밀도 및 세포 전압의 그래프이다.
도 9는 연료 전지 스택의 전지가 연료 전지 스택의 부하에 대하여 투과적으로 유지되는 본 발명의 일 실시예를 도시하고 있다.
본 발명은 다양한 변형을 할 수 있고, 대체 형태로 대체될 수 있지만 도면은 예로서 본 명세서에 상세히 기술된 특정 실시예를 도시하고 있다. 그러나, 특정 실시예에 관한 본 명세서의 기술은 본 발명을 개시된 특정 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 이와 반대로 첨부된 청구항에 의해 한정된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위내에서 모든 변형, 등가물 및 대체물을 포함하려는 의도이다.

Claims (54)

  1. 스위치; 및
    스위치가 폐쇄될 때 상기 스위치를 통하여 연료 전지 스택의 적어도 하나의 전지의 캐소드를 펄스할 수 있는 펄스 발생기를 포함하는 연료 전지 유지 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 스위치는
    연료 전지 스택의 전지를 단락시킬 수 있는 계전기; 및
    상기 계전기를 구동시킬 수 있는 유전체로 절연된 드라이버를 포함하는 연료 전지 유지 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 계전기가 솔리드-스테이트 계전기를 포함하는 연료 전지 유지 장치.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 계전기는 연료 전지 스택의 제2 전지를 추가로 단락시킬 수 있는 연료 전지 유지 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    제2 스위치; 및
    펄스 발생기 출력이 전달되는 제1 및 제2 계전기를 제어하는 제어회로를 추가적으로 포함하고,
    상기 제2 스위치가 폐쇄될 때 상기 펄스 발생기는 상기 제2 스위치를 통하여 제2 전지의 캐소드를 펄스할 수 있는 연료 전지 유지 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제2 스위치는 연료 전지 스택의 적어도 제2 전지를 단락시킬 수 있는 제2 계전기; 및
    펄스 발생기 출력에 반응하는 제2 계전기를 구동할 수 있는 제2의 유전체로 절연된 드라이버를 포함하는 연료 전지 유지 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 제1 계전기 및 제2 계전기 중에서 적어도 하나가 연료 전지 스택의 제3 전지 및 제4 전지 중 하나를 추가적으로 단락시킬 수 있는 연료 전지 유지 장치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 스위치 및 상기 펄스 발생기 중 적어도 하나가 상기 연료 전지 스택으로 부터 회귀되는 동력을 수신할 수 있는 연료 전지 유지 장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 스위치 및 상기 펄스 발생기 중 적어도 하나와 연결되어 있고, 상기 연료 전지 스택으로부터 회귀되는 동력을 수신할 수 있는 전압 제어기를 추가적으로 포함하는 연료 전지 유지 장치.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 펄스 발생기가 스위치가 폐쇄될 때 제2 전지의 캐소드를 펄스할 수 있는 연료 전지 유지 장치.
  11. 연료 전지 스택 중 적어도 하나의 전지를 단락시킬 수 있는 적어도 하나의 계전기;
    상기 계전기를 구동할 수 있는 유전체로 절연된 드라이버; 및
    상기 유전체로 절연된 드라이버가 상기 전지를 단락시키는 계전기를 폐쇄할 때 상기 계전기를 통하여 상기 전지의 캐소드를 펄스할 수 있는 펄스 발생기를 포함하는 연료 전지 유지 장치.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 계전기가 솔리드-스테이트 계전기를 포함하는 연료 전지 유지 장치.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 계전기는 연료 전지 스택의 제2 전지를 추가로 단락시킬 수 있는 연료 전지 유지 장치.
  14. 제 11항에 있어서,
    연료 전지 스택 중 적어도 제2 전지를 단락시킬 수 있는 제2 계전기;
    펄스 발생기 출력에 반응하는 제2 계전기를 구동할 수 있는 제2의 유전체로 절연된 드라이버; 및
    펄스 발생기 출력이 전달되는 제1 및 제2 계전기를 제어하는 제어회로를 추가적으로 포함하는 연료 전지 유지 장치.
  15. 제 14항에 있어서, 제1 계전기 및 제2 계전기 중 적어도 하나가 연료 전지 스택의 제3 전지 및 제4 전지 중 하나를 추가로 단락시킬 수 있는 연료 전지 유지 장치.
  16. 제 11항에 있어서, 상기 계전기, 상기 유전체로 절연된 드라이버 및 상기 펄스 발생기 중 적어도 하나가 상기 연료 전지 스택으로부터 회귀되는 동력을 수신할 수 있는 연료 전지 유지 장치.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 계전기, 상기 유전체로 절연된 드라이버, 상기 펄스 발생기 중 적어도 하나가 상기 연료전기 스택으로 부터 회귀되는 동력을 수신할 수 있는 전압 제어기를 추가적으로 포함하는 연료 전지 유지 장치.
  18. 제 11항에 있어서, 상기 펄스 발생기가 상기 유전체로 절연된 드라이버가 상기 전지를 단락시키는 계전기를 폐쇄할 때 상기 계전기를 통하여 제2 전지의 캐소드를 펄스할 수 있는 연료 전지 유지 장치.
  19. 전지를 따라 전기적으로 평형하게 연결되어 있는 적어도 하나의 계전기;
    상기 계전기를 구동할 수 있도록 상기 계전기에 작동가능하게 연결되어 있는 유전체로 절연된 드라이버; 및
    상기 유전체로 절연된 드라이버가 상기 계전기를 폐쇄할 때 상기 계전기를 통하여 상기 전지의 캐소드를 펄스할 수 있는 상기 유전체로 절연된 드라이버에 전기적으로 연결되어 있는 펄스 발생기를 포함하는, 적어도 하나의 연료 전지를 포함하는 연료스택용 연료 전지 유지 장치.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 계전기가 솔리드-스테이트 계전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 유지 장치.
  21. 제 19항에 있어서, 상기 계전기가 추가적으로 연료 전지 스택의 제2 전지를 따라 평행하게 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 유지 장치.
  22. 제 19항에 있어서,
    연료전기 스택의 제2 전지를 따라 평행하게 전기적으로 연결되어 있는 제2 계전기;
    펄스 발생기 출력에 반응하는 제2 계전기를 구동할 수 있는 제2의 유전체로 절연된 드라이버; 및
    상기 펄스 발생기 출력이 전달되는 제1 계전기 및 제2 계전기를 제어할 수 있는 제어 회로를 추가적으로 포함하는 연료전기 유지 장치.
  23. 제 22항에 있어서, 제1 계전기 및 제2 계전기 중 적어도 하나가 상기 연료 전지 스택의 제3 전지 및 제4 전지를 따라 평행하게 추가적으로 전기적으로 연결되어 있는 연료 전지 유지 장치.
  24. 제 19항에 있어서, 상기 연료 전지 스택부터 펄스 발생기, 계전기 및 유전체로 절연된 드라이버 중 적어도 하나까지의 동력 회귀를 추가적으로 포함하는 연료 전지 유지 장치.
  25. 제 24항에 있어서, 상기 동력 회귀는 전압 제어기를 포함하는 연료 전지 유지 장치.
  26. 제 19항에 있어서, 상기 계전기는 제2 전지를 따라 평행하게 전기적으로 연결되어 있으며; 및
    상기 펄스 발생기는 유전체로 절연된 드라이버가 계전기를 페쇄할 때 상기 계전기를 통하여 제2 전지의 캐소드를 펄스할 수 있는 유전체로 절연된 드라이버에 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 유지 장치.
  27. 복수의 전지를 포함하는 연료 스택;
    각 스위치가 적어도 하나의 전지를 따라 평행하게 전기적으로 연결되어 있는 복수의 스위치를 포함하는 스위치 뱅크;
    각 스위치가 폐쇄될 때 상기 전지의 캐소드에 펄스를 발생시킬 수 있는 펄스 발생기; 및
    스위치가 순차적으로 개폐되는 스위치 뱅크와 펄스 발생기 사이에 직렬로 전기적으로 연결되어 있는 제어 회로를 포함하는 기구.
  28. 제 27항에 있어서, 각 스위치는 연료 전지 스택 중 적어도 하나의 전지를 단락시킬 수 있는 계전기; 및
    상기 계전기를 구동할 수 있는 유전체로 절연된 드라이버를 포함하는 기구.
  29. 제 28항에 있어서, 상기 계전기는 솔리드-스테이트 계전기를 포함하는 기구.
  30. 제 28항에 있어서, 상기 계전기는 상기 연료 전지 스택의 제2 전지를 추가적 으로 단락시킬 수 있는 기구.
  31. 제 27항에 있어서, 상기 각 스위치는 복수의 전지를 단락시킬 수 있는 기구.
  32. 제 27항에 있어서, 상기 스위치 뱅크 및 상기 펄스 발생기 중 적어도 하나가 상기 연료 전지 스택으로부터 회귀되는 동력을 수신할 수 있는 기구.
  33. 제 32항에 있어서, 상기 스위치 뱅크 및 펄스 발생기 중 적어도 하나가 상기 연료 전기 스택으로부터 회귀되는 동력을 수신할 수 있는 전압 제어기를 추가적으로 포함하는 기구.
  34. 제 27항에 있어서, 상기 전지가 양자 교환막 연료 전지(proton exchange membrane fuel cell)인 것을 특징으로 하는 기구.
  35. 제 27항에 있어서,
    상기 제어회로가 클락(clock)에 의해 구동되는 카운터; 및
    상기 펄스 발생기의 출력을 상기 카운터의 카운트에 반응하는 스위치에 다중송신하는 멀티플렉서를 포함하는 기구.
  36. 연료 전지 스택에 복수의 전지의 캐소드를 순차적으로 펄스하는 단계; 및
    상기 전지의 캐소드를 순차적으로 펄스하는 동안에 연료 전지 스택의 부하에 동력을 제공하는 전지의 일정수를 유지시키는 단계를 포함하는 연료 전지 스택을 투과적으로(transparently) 유지하는 방법
  37. 제 36항에 있어서, 상기 펄스하는 단계는
    펄스 트레인을 발생시키는 단계; 및
    펄스 트레인을 전지에 순차적으로 공급하는 단계를 포함하는 방법.
  38. 제 37항에 있어서, 상기 펄스 트레인을 전지에 순차적으로 공급하는 단계가
    그들의 캐소드를 펄스하도록 상기 펄스 트레인을 연료 전지 스택의 제1 전지에 공급하는 단계; 및
    그들의 캐소드를 펄스하도록 상기 펄스 트레인의 공급을 연료 전지스택의 제 1 전지로부터 제2 전지로 스위치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  39. 제 36항에 있어서, 상기 전지의 캐소드를 순차적으로 펄스하는 단계가
    그들의 캐소드를 펄스하도록 상기 펄스 트레인을 연료 전지 스택의 제1 전지에 공급하는 단계; 및
    그들의 캐소드를 펄스하도록 상기 펄스 트레인의 공급을 연료 전지스택의 제1 전지로부터 제2 전지로 스위치하는 단계를 포함하는 방법.
  40. 펄스 트레인을 발생시키는 단계; 및
    그들의 캐소드를 펄스하도록 상기 펄스 트레인을 연료 전지 스택의 제1 전지에 공급하는 단계; 및
    그들의 캐소드를 펄스하도록 상기 펄스 트레인의 공급을 연료 전지스택의 제1 전지로부터 제2 전지로 스위치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  41. 제 40항에 있어서, 상기 펄스 트레인을 제1 전지에 공급하는 단계는 상기 펄스 트레인에 상기 펄스를 카운트하는 단계를 포함하고,
    상기 공급을 스위치하는 단계는 상기 카운트에 반응하여 상기 공급을 스위치 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  42. 제 40항에 있어서,
    그들의 캐소드를 펄스하도록 상기 펄스 트레인을 제1 전지에 공급하는 단계가 그들의 캐소드를 펄스하도록 상기 펄스 트레인을 제1 전지를 포함하는 상기 연료 전지 스택의 제1 페어(pair) 전지에 공급하는 단계를 포함하고; 및
    그들의 캐소드를 펄스하도록 상기 펄스 트레인의 공급을 연료 스택의 제1 전지로부터 제2 전지로 스위치하는 단계가 그들의 캐소드를 펄스하도록 상기 펄스 트레인의 공급을 제1 페어 전지로부터 제2 전지를 포함하는 제2 페어(pair) 전지로 스위치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  43. 연료 전지 스택의 적어도 하나의 전지를 가로질러 낮은 임피던스를 부여하는 수단; 및
    낮은 임피던스를 부여하는 수단을 통하여 적어도 하나의 전지의 캐소드를 펄스할 수 있는 펄스 발생기를 포함하는 연료 전지 유지 장치.
  44. 제 43항에 있어서, 상기 낮은 임피던스를 부여하는 수단은 폐쇄될 때 낮은 임피던스를 부여하는 스위치 및 펄스 발생기로부터 펄스를 수용하는 수용부를 포함 하는 연료 전지 유지 장치.
  45. 제 44항에 있어서, 상기 스위치는
    연료 전지 스택의 전지를 단락시킬 수 있는 계전기; 및
    상기 계전기를 구동시킬 수 있는 유전체로 절연된 드라이버를 포함하는 연료 전지 유지 장치.
  46. 제 45항에 있어서, 상기 계전기를 솔리드-스테이트 계전기를 포함하는 연료 전지 유지 장치.
  47. 제 45항에 있어서, 상기 계전기는 연료 전지 스택의 제2 전지를 추가적으로 단락시킬 수 있는 연료 전지 유지 장치.
  48. 제 43항에 있어서,
    연료 전지 스택의 적어도 제2 전지를 가로질러 낮은 임피던스를 부여하는 제2 수단; 및
    낮은 임피던스를 부여하는 제1 및 제2 수단이 펄스 발생기 출력을 전달하도록 제어할 수 있는 제어회로를 포함하는 연료 전지 유지 장치.
  49. 제 48항에 있어서, 상기 낮은 임피던스를 부여하는 제2 수단은 폐쇄될 때 낮은 임피던스를 부여하는 제2 스위치 및 펄스 발생기로부터 펄스를 수용하는 수용부를 포함하는 연료 전지 유지 장치.
  50. 제 49항에 있어서, 상기 제2 스위치는
    연료 전지 스택의 적어도 제2 전지를 단락시킬 수 있는 제2 계전기; 및
    펄스 발생기 출력에 반응하는 제2 계전기를 구동시킬 수 있는 유전체로 절연된 제2 드라이버를 포함하는 연료 전지 유지 장치.
  51. 제 50항에 있어서, 제1 계전기 및 제2 계전기 중에서 적어도 하나가 연료 전지 스택의 제3 전지 및 제4 전지 중에서 하나를 추가적으로 단락시킬 수 있는 연료 전지 유지 장치.
  52. 제 43항에 있어서, 낮은 임피던스를 부여하는 수단 및 펄스 발생기 중에서 적어도 하나가 연료 전지로부터 회귀된 동력을 수신할 수 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 유지 장치.
  53. 제 52항에 있어서, 상기 스위치와 상기 펄스 발생기 중 적어도 하나와 연결되어 있고, 상기 연료 전지 스택으로부터 회귀되는 동력을 수신할 수 있는 전압 제어기를 추가적으로 포함하는 연료 전지 유지 장치.
  54. 제 43항에 있어서, 상기 펄스 발생기는 낮은 임피던스를 부여하는 수단을 통하여 제2 전지의 캐소드를 펄스할 수 있는 연료 전지 유지 장치.
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