KR101091661B1 - 연료전지용 캐소드의 카본 부식억제방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지용 캐소드의 카본 부식억제방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지의 중지시 연료전지 애노드 측의 수소/산소 계면 형성을 억제함으로써, 캐소드 측 카본 재질의 부식을 억제할 수 있도록 한 연료전지용 캐소드의 카본 부식억제장치에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 a)연료전지의 동작이 중지된 이후에 공기블로워가 공기공급원으로부터 받은 공기를 연료전지에 공급하는 단계; b)상기 연료전지 내의 공기압력을 측정하는 압력센서에서 설정압력값 도달 여부를 감지하는 단계; c)상기 설정압력값에 도달하면 제어부에서 상기 공기블로워와, 공기배기배관에 설치되어 공기배기배관의 공기흐름을 개폐하는 공기배기 솔레노이드밸브에 대해 제어신호를 전달하는 단계; d)상기 제어신호를 받으면 상기 공기블로워는 연료전지 내에 공기 공급을 멈추고, 상기 공기배기 솔레노이드밸브는 닫혀서 연료전지 내 산소가 모두 소진되도록 제어하는 단계; 를 포함하여 구성되어 애노드 측의 수소/산소 계면 형성을 억제하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 캐소드의 카본 부식억제방법을 제공한다.
연료전지, 애노드, 캐소드, 공기배기배관, 공기블로워, 솔레노이드밸브

Description

연료전지용 캐소드의 카본 부식억제방법{A Method for preventing carbon at the cathode in a fuel cell system}
도 1은 종래의 연료전지차 내 연료전지시스템의 일반적인 모식도이고,
도 2는 종래의 연료전지 내의 수소/산소 계면 형성을 설명하기 위한 개략도이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 캐소드의 카본 부식억제장치를 설명하기 위한 구성도이고,
도 4는 도 3의 공기배기배관에 설치된 안전밸브를 나타내는 개략도이고,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 캐소드의 카본 부식억제장치를 설명하기 위한 구성도이고,
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지용 캐소드의 카본 부식억제장치를 설명하기 위한 구성도이고,
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지용 캐소드의 카본 부식억제장치를 설명하기 위한 구성도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 연료전지 11 : 분리판
12 : 애노드 13 : 전해질막
14 : 캐소드 15 : 수소/공기/냉각수분배구조물
16 : 애노드유로 17 : 캐소드유로
18 : 냉각수유로 19 : 수소공급원
20 : 수소공급밸브 21 : 퍼지밸브
22 : 수소재순환블로워 23,25,27,30,31,33,35,38,39 : 배관
24 : 수소재순환차단밸브 26 : 공기블로워
28 : 공기배기배관 29 : 냉각수펌프
32 : 열교환기 34 : 냉각수차단밸브
36 : 공기배기 솔레노이드밸브 37 : 압력센서
40 : PRV 41 : 공기배기 열선내장형 솔레노이드밸브
42 : 저장탱크 43 : 물배출 열선내장형 솔레노이드밸브
44 : 공기공급 솔레노이드밸브 45 : 에너지 저장 및 소진장치
46 : 대기
본 발명은 연료전지용 캐소드의 카본 부식억제방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지의 중지시 연료전지 애노드 측의 수소/산소 계면 형성을 억제함으로써, 캐소드 측 카본 재질의 부식을 억제할 수 있도록 한 연료전지용 캐소드의 카본 부식억제방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지 자동차의 주동력(Main Power) 공급원인 연료전지는 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급 받아서 전기를 생산하는 장치이다.
도 1은 연료전지차 내 연료전지시스템의 일반적인 모식도로서, 연료전지(10)는 분리판(11), 애노드(12), 전해질막(13), 캐소드(14), 수소/공기/냉각수분배구조물(15), 애노드유로(anode flow field;)(16), 캐소드유로(cahtode flow field;)(17), 냉각유로(18)로 구성되어 있다.
연료전지 구동 시 수소는 수소공급원(19)으로부터 공급되고, 수소공급 솔레노이드밸브(20) 및 배관(38)을 거쳐서 연료전지(10)의 애노드유로(16)로 공급된다.
연료인 수소의 이용률을 높이기 위해 미반응된 수소를 재순환 시키며, 이 과정은 퍼지밸브(21)를 닫은 상태에서 수소재순환블로워(22)을 가동시키게 되면, 연료전지내에서 미반응된 수소는 배관(23)을 따라 이동하고 수소재순환블로워(22) 및 수소재순환 차단 밸브(24)를 거쳐 연료전지 애노드유로(16)으로 들어가게 된다.
정해진 시간에 수소퍼지밸브(21)를 열어 전해질막(13)을 통해 넘어온 질소와 수분을 배출시킨다.
공기는 대기(46)로부터 공급되고 배관(25)을 거쳐 공기블로워(26)에 공급되고, 공기블로워는 조건에 따라 유량을 제어하여 배관(27)을 통해 연료전지의 캐소드유로(17)로 공급되게 된다.
애노드유로(16)의 수소(H2)는 애노드(12)의 촉매에서 H+ 이온과 e-으로 변환되고, 전해질막(13)을 통해 캐소드(14)측으로 넘어가게 된다. 캐소드유로에 존재하는 O2가 캐소드(14)의 촉매에서 O-이온으로 변환되고, 상기 H+ 이온과 O-이온이 반응해서 H20로 변환되게 된다.
캐소드유로(17)에 공급된 공기 중 O2를 사용하게 되고, 캐소드유로(17)는 공기중의 산소 농도보다 낮은 산소농도상태(질소가 많음)가 되고, 이 공기는 공기배기배관(28)를 통해 나가게 된다.
연료전지(10)의 냉각을 위해 냉각유로(18)에 냉각수를 공급해서 연료전지를 냉각하게 된다. 최적의 온도를 유지하기 위해 냉각수펌프(29)를 조건에 따라 구동시키며, 냉각수펌프가 구동될 경우에는 냉각수유로(18)에 있는 고온의 냉각수가 배관(30)을 통해 냉각수펌프(29)로 들어가고, 배관(31)를 통해 열교환기(32)에서 냉각 되게 된다.
냉각된 냉각수는 배관(33)과 냉각수 차단밸브(34)를 거쳐 배관(35)을 따라 다시 냉각수유로(18)로 들어가 연료전지를 냉각시키게 된다.
그러나, 연료전지의 중지 시 애노드유로에 공기중의 산소가 유입되었을 경우, 도 2(미국특허 2003/034165A1)에 도시한 바와 같이 연료전지 내부에 부분적으로 수소/산소 계면이 형성되어, 캐소드 측의 카본 서포트(carbon support) 재질이 부식되어 없어짐으로써, 연료전지의 성능이 급격이 저하된다.
상기 연료전지의 중지시 수소/산소 계면 형성에 의한 성능저하를 줄이기 위해 미국특허 2003/034165A1, 2003/0129462 A1, 2003/0031966 A1에 개시된 여러가지 방법들을 정리하면 다음과 같다.
1. 장치 추가
1) 저항 (미국특허 2003/034165A1)
2) 가스 버너(미국특허 2003/0031966 A1)
3) 수소재순환블로워 내 수소가스버너(미국특허 2003/0129462 A1)
4) 질소봄베
2. 연료전지 스타트 업/셧다운(start up/shut down)프로세스
1) 셧다운 시 애노드 질소 퍼징, 공기퍼징(미국특허 2003/034165A1)
2) 스타트 업시 애노드 측 수소 공급 먼저 실시(미국특허 2003/034165A1)
3) 수소재순환 블로워 내 수소가스버너에 수소공급하여 산소제거(미국특허 2003/0129462 A1)
그런데, 가스버너는 수소가스를 태우는 역할을 하나, 안전상에 문제가 있을 수 있고 추가 적인 장치가 많이 필요하게 된다. 이러한 추가적인 장치는 전력을 소모하게 되고, 장치를 구성하는데 있어서 차량의 레이아웃상 공간을 많이 차지하게 되는 문제점이 있다.
또한 수소라인을 구성할 경우에 피팅 등으로 라인구성을 해야 하기 때문에, 수소누출에 대한 안전성 문제를 일으킬 수 있게 된다.
그리고, 질소봄베를 사용하는 것은 차량에서 추가적인 장치 및 질소가 소진 되었을 경우 재충전을 해야 하는 문제점이 있을 수 있다.
상기 연료전지의 셧다운 시 프로세스의 경우에 공기퍼징을 하는 경우 특허의 기본 개념인 애노드 측의 수소/산소 계면이 어쩔 수 없이 일어날 수 밖에 없고, 애노드 측이 공기로 채워지는 시간을 단축시키는 상황이 되어서 스타트 업 시 애노드 측에 수소가 공급되었을 때 항상 수소/산소 계면이 형성되어 연료전지의 성능을 저하시킬 수 있다.
예를 들어 기존 특허들을 활용하지 않은 상태에서 셧다운 후 바로 스타트 업을 하는 경우에 애노드 측은 수소로 가득차 있기 때문에 셧다운 시 와 스타트 업 시 2번의 수소/산소 계면 형성이 일어 나지 않는다.
따라서, 기존의 특허 방법을 사용할 경우에 인위적인 장치와 퍼징절차 등을 통해 연료전지의 장기내구성능에 좋지 못한 영향을 미칠 수 있다.
또한, 연료전지 스타트 업/셧다운 프로세스의 경우에 시동 및 중지시 많은 시간을 필요로 하게 되므로, 운전편의성이 좋지 않게 되는 문제점이 있다.
그리고, 수소배기측과 공기배기측이 대기에 노출 되었을 경우에 외부의 오염물질에 의해 연료전지가 손상될 가능성이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 공기배기배관에 압력센서 및 공기배기 솔레노이드밸브를 설치하고, 압력센서에 의해 공기배기배관의 압력을 감지하여 공기블로워를 통해 일정한 압력에 도달할 때까지만 공기를 공급하여 애노드 및 캐소드 측에서 산소를 모두 소진시킴으로써, 애노드 측에서는 수소만 남고 캐소드 측에서는 질소만 남게하여 연료전지의 중지시 수소/산소 계면 형성에 의한 캐소드 측의 카본 부식을 방지할 수 있도록 한 연료전지용 캐소드의 카본 부식억제방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지용 캐소드의 카본 부식억제방법에 있어서,
a)연료전지의 동작이 중지된 이후에 공기블로워가 공기공급원으로부터 받은 공기를 연료전지에 공급하는 단계; b)상기 연료전지 내의 공기압력을 측정하는 압력센서에서 설정압력값 도달 여부를 감지하는 단계; c)상기 설정압력값에 도달하면 제어부에서 상기 공기블로워와, 공기배기배관에 설치되어 공기배기배관의 공기흐름을 개폐하는 공기배기 솔레노이드밸브에 대해 제어신호를 전달하는 단계; d)상기 제어신호를 받으면 상기 공기블로워는 연료전지 내에 공기 공급을 멈추고, 상기 공기배기 솔레노이드밸브는 닫혀서 연료전지 내 산소가 모두 소진되도록 제어하는 단계; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서, 상기 d)단계에서 상기 제어신호를 받으면 상기 공기블로워 및 연료전지 사이에 설치된 공기공급 솔레노이드밸브도 닫혀서 연료전지 내 산소가 모두 소진되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직한 구현예로서, 상기 연료전지 내 산소가 빠르게 소진되도록 연료전지에 에너지 저장 및 소진장치가 연결된 것을 특징으로 한다.
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이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
첨부한 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 캐소드의 카본 부식억제장치를 설명하기 위한 구성도이고, 도 4는 도 3의 공기배기배관에 설치된 안전밸브를 나타내는 개략도이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 캐소드의 카본 부식억제장치를 설명하기 위한 구성도이고, 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지용 캐소드의 카본 부식억제장치를 설명하기 위한 구성도이고, 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지용 캐소드의 카본 부식억제 장치를 설명하기 위한 구성도이다. 여기서, 앞서 도시된 도면에서와 동일한 참조부호는 동일한 기능을 하는 동일한 부재를 가리킨다.
종래에는 다음과 같은 문제점이 있다.
1) 복잡한 구조의 장치(저항,수소재순환라인의 수소버너, 질소탱크)
2) 복잡한 스타트 업/셧다운 프로세스에 의한 시동/중지 시간 과다
3) 인위적인 장치에 의한 짧은 시간동안의 스타트 업/셧다운 시 애노드측의 공기 유입에 의한 내구성능 저하
4) 수소배기/공기배기 측의 대기노출에 의한 연료전지 오염에 의한 내구성능저하
즉, 건조한 대기 상태에서 연료 전지 내부에 수분이 모두 증발될 수 있으며, MEA의 가습수가 증발되어 성능저하가 발생할 수 있다.
또한, 장기방치 시 주변 대기의 오염물질(CO, HC,O3,H2S,) 및 유기(Organic) 물질이 연료전지(10) 내부로 침투하여 연료전지(10)의 성능이 영구적으로 감소할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하면서 셧다운시 애노드(12) 측의 수소/산소 계면 형성을 동시에 억제할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 공기배기배관(28)에는 압력센서(37) 및 공기배기 솔레노이드밸브(38)가 설치되어 있다.
통상적으로 연료전지(10) 운전시에 연료전지에서 배출되는 공기는 공기배기 배관(28)을 통과하여 외부로 배출되게 된다.
상기 연료전지(10) 시동 오프 시에는 연료전지에서 전기를 공급하는 단자가 단락되면서 연료전지는 개방회로전압(OCV;Open Circuit Voltage) 상태로 된다.
이때, 수소가 수소공급밸브(20)를 통해 수소공급배관(38)을 거쳐 연료전지(10)에 계속 공급되며, 수소배기밸브(21)는 닫힘 상태로 되어 연료전지에서 반응에 참여한 후 잔류수소는 수소재순환 블로워(22)에 의해 수소가 계속 재순환 된다.
여기서, 상기 압력센서(37)는 공기배기배관(28)의 공기 압력을 측정하고, 제어부가 압력센서(37)로부터 감지신호를 입력받아 공기블로워(26)에 제어신호를 보내어 일정 압력에 도달할때까지 공기블로워(26)가 작동하여 연료전지(10)에 공기를 공급하고, 일정 압력에 도달하게 되면 공기블로워(26)의 작동이 멈추고 공기배기 솔레노이드밸브(36)가 닫히게 된다.
이때 설정압력 값은 절대압 1.01 bar이상 3 bar 이하에서 사용가능하나, 일반적으로 1.1bar에서 2.0 bar 사이에서 사용되는 것이 바람직하다.
이와 같은 구성에 의해 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지(10)에서 수소 및 산소의 반응과정을 설명하면 다음과 같다.
1. 애노드(12) 측에서의 수소 및 산소의 반응
애노드(12) 및 수소배기배관(39)에는 수소로 가득 차 있고, 수소가 캐소드(14) 측에서 넘어오는 산소와 반응을 해서 애노드(12) 측에서 물로 변하게 된다. 즉 2개의 H2분자가 1개의 O2분자와 반응해서 2개의 H2O로 변하게 된다.
이때 애노드(12) 측은 이러한 반응이 지속적으로 일어나게 되면, 점점 수소가 고갈되고, 압력이 떨어지게 된다.
2. 캐소드(14) 측에서 수소 및 산소의 반응
또한, 캐소드(14) 및 공기배기배관(28)에는 공기로 가득 차 있고, 공기 중의 산소가 애노드(12) 측에서 넘어오는 수소와 반응해서 캐소드(14) 측에서 물로 변하게 된다. 즉 2개의 H2분자가 1개의 O2분자와 반응해서 2개의 H2O로 변하게 된다.
이때 캐소드(14)측은 이러한 반응이 지속적으로 일어나게 되면, 점점 공기중의 산소가 고갈되고, 압력이 떨어지게 된다.
상기와 같은 반응은 공기공급배관(28), 캐소드유로(17), 공기배기배관(28)에 있는 공기 중에 있는 산소가 모두 소진될 때까지 진행된다.
상기 모든 산소가 소진되게 되면 공기 중의 산소의 비율이 약 20% 정도이므로, 공기공급배관(27), 캐소드유로(17) 및 공기배기배관(28)의 압력이 설정압력보다 20% 정도 낮아지게 된다.
이때 애노드(12)측과 캐소드(14)측의 압력차가 ±1 bar이내로 관리가 되는 것이 일반적이나, 그 압력차이가 0.5 bar이내 인 것이 더욱 바람직하다.
따라서, 상기 모든 산소가 없어진 이후에는 캐소드(14) 내부는 모두 질소(N2)로 차 있게 되고, 애노드(12) 측은 수소로 차 있어서 수소공급원(19)에서 바로 수소를 공급해도 수소/산소 계면 형성이 일어나지 않아 애노드(12)측의 수소/산 소 계면 형성에 의한 캐소드(14) 측의 카본 부식을 방지 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예는 공기배기 솔레노이드밸브(36)와 압력센서(37) 이외에 압력센서 오작동 시 또는 공기블로워의 오작동에 의한 과압력을 방지하기 위해 안전밸브인 압력안전장치(PRV;Pressure Relief Valve)(40)를 장착함으로써, 연료전지 내 MEA를 보호할 수 있다.
상기 PRV(40)는 기계적으로 일정압력이상에서 작동하여 높은 압력으로의 공급을 차단해준다.
상기와 같은 구조에서 수소/공기반응에 의해 생성된 물의 양이 많을 경우 내부에 물이 많아서 공기배기 솔레노이드밸브가 겨울철에 빙결될 수 있다.
상기와 같은 문제점을 방지하기 위해 본 발명의 다른 실시예에 따른 공기배기배관에는 열선내장형 솔레노이드밸브(41)가 장착될 수 있다. 즉, 상기 공기배기 솔레노이드밸브(36)의 내부에 열선이 설치될 수 있다.
또한, 상기 공기배기배관(28)에 생성된 물을 저장하기 위한 저장탱크(42)가 열선내장형 솔레노이드밸브(41)의 앞쪽에 설치될 수 있고, 저장탱크(42)의 물배출을 위해 저장탱크의 하부에 물배출용 열선내장형 솔레노이드밸브(43)가 설치될 수 있다.
이와 같은 저장탱크(42) 및 물배출용 열선내장형 솔레노이드밸브(43)의 추가구성은 다른 모든 실시예에 적용 가능하다.
본 발명의 또 다른 실시예는 연료전지(10) 내부에서 반응하는 공기의 양을 최소화 시켜서, 캐소드(14)측이 질소로 가득차는 시간을 줄일 수 있도록 하기 위해 공기 블로워(26)와 연료전지(10) 사이에 공기공급 솔레노이드밸브(44)를 제공한다.
이때, 상기 압력센서(37)는 공기배기배관(28)의 공기 압력을 측정하고, 제어부가 압력센서(37)로부터 감지신호를 입력받아 공기블로워에 제어신호를 보내어 일정 압력에 도달할때까지 공기블로워(26)가 작동하여 연료전지(10)에 공기를 공급하고, 일정 압력에 도달하게 되면 공기블로워(26)의 작동이 멈추고 공기배기 솔레노이드밸브(36) 및 공기공급 솔레노이드밸브(44)가 닫히게 된다.
이와 같은 공기공급 솔레노이드밸브(44)의 추가구성은 모든 실시예에 적용 가능하다.
본 발명의 또 다른 실시예는 연료전지(10) 내에서 반응하는 공기 중 산소를 빠르게 소진시키기 위해 연료전지(10)와 연결되는 에너지 저장 및 소진 장치(45)를 제공한다.
상기 에너지저장장치는 배터리 및 슈퍼캡 등 전기를 저장할 수 있는 모든 장치를 포함한다. 또한, 상기 에너지 소진장치는 차량 내 모든 부품에 적용될 수 있다.
따라서, 상기 에너지 저장 및 소진 장치를 이용하여 연료전지 내에서 반응하는 공기 중의 산소를 빠르게 소진함으로써, 애노드(12) 측의 수소/산소 계면 형성에 의한 캐소드(14) 측의 카본 부식을 방지할 수 있다.
한편, 연료전지용 캐소드의 카본 부식억제방법은, a)연료전지의 동작이 중지된 이후에 공기블로워가 공기공급원으로부터 받은 공기를 연료전지에 공급하는 단계; b)이 연료전지 내의 공기압력을 측정하는 압력센서에서 설정압력값 도달 여부를 감지하는 단계; c)이 설정압력값에 도달하면 제어부에서 공기블로워와, 공기배기배관에 설치되어 공기배기배관의 공기흐름을 개폐하는 공기배기 솔레노이드밸브에 대해 제어신호를 전달하는 단계; d)그 제어신호를 받으면 공기블로워는 연료전지 내에 공기 공급을 멈추고, 공기배기 솔레노이드밸브는 닫혀서 연료전지 내 산소가 모두 소진되도록 제어하는 단계; 를 포함하여 구성되고, 이러한 방법을 통하여 애노드 측의 수소/산소 계면 형성에 의한 캐소드 측의 카본 부식을 방지할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야 에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 캐소드의 카본 부식억제방법에 의하면, 압력센서 및 공기배기 솔레노이드밸브를 이용하여 캐소드 측의 공기 압력을 감지하고 일정한 압력에 도달할 때까지만 공기를 공급한 후, 수소와 산소의 반응에 의한 물 생성으로 산소를 모두 소진시킴으로써, 연료전지 중지시 애노드 측의 수소/산소 계면 형성에 의한 캐소드 측의 카본 부식을 방지하여 연료전지의 내구성 및 성능을 향상시킬 수 있다.

Claims (7)

  1. 연료전지용 캐소드의 카본 부식억제방법에 있어서,
    a)연료전지의 동작이 중지된 이후에 공기블로워가 공기공급원으로부터 받은 공기를 연료전지에 공급하는 단계;
    b)상기 연료전지 내의 공기압력을 측정하는 압력센서에서 설정압력값 도달 여부를 감지하는 단계;
    c)상기 설정압력값에 도달하면 제어부에서 상기 공기블로워와, 공기배기배관에 설치되어 공기배기배관의 공기흐름을 개폐하는 공기배기 솔레노이드밸브에 대해 제어신호를 전달하는 단계;
    d)상기 제어신호를 받으면 상기 공기블로워는 연료전지 내에 공기 공급을 멈추고, 상기 공기배기 솔레노이드밸브는 닫혀서 연료전지 내 산소가 모두 소진되도록 제어하는 단계;
    를 포함하여 구성되는 연료전지용 캐소드의 카본 부식억제방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 d)단계에서 상기 제어신호를 받으면 상기 공기블로워 및 연료전지 사이에 설치된 공기공급 솔레노이드밸브도 닫혀서 연료전지 내 산소가 모두 소진되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 캐소드의 카본 부식억제방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 연료전지 내 산소가 빠르게 소진되도록 연료전지에 에너지 저장 및 소진장치가 연결된 것을 특징으로 하는 연료전지용 캐소드의 카본 부식억제방법.
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US11/986,920 US20080318099A1 (en) 2007-06-21 2007-11-27 Apparatus for preventing carbon corrosion at cathod in fuel cell
DE200710057488 DE102007057488A1 (de) 2007-06-21 2007-11-29 Vorrichtung zum Verhindern von Kohlenstoffkorrosion an der Kathode einer Brennstoffzelle
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Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101874323B (zh) * 2007-11-22 2012-08-29 松下电器产业株式会社 燃料电池系统及其运行方法
KR20100030154A (ko) * 2008-09-09 2010-03-18 삼성전자주식회사 연료전지 시스템 및 그 공기공급방법
US20110143241A1 (en) * 2009-12-11 2011-06-16 Gm Global Technology Operations, Inc. Fuel cell operational methods for oxygen depletion at shutdown
JP5621577B2 (ja) * 2010-12-20 2014-11-12 アイシン精機株式会社 燃料電池システム
DE102011105054A1 (de) 2011-06-21 2012-12-27 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle sowie Brennstoffzelle
KR101551024B1 (ko) 2013-12-23 2015-09-08 현대자동차주식회사 연료 전지 시스템의 시동 제어 방법
CN104754462B (zh) * 2013-12-31 2019-02-01 上海晨兴希姆通电子科技有限公司 音量自动调节装置及方法和耳机
DE102014205033A1 (de) 2014-03-18 2015-09-24 Volkswagen Ag Katalysatorschicht für eine Brennstoffzelle und Verfahren zur Herstellung einer solchen
CN104166100A (zh) * 2014-06-16 2014-11-26 弗尔赛（上海）能源科技有限公司 燃料电池测试台的供气系统
DE102018131160A1 (de) * 2018-12-06 2020-06-10 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zur Verringerung der Kohlenstoffkorrosion in einem Brennstoffzellenstapel sowie Kraftfahrzeug
CN111313128B (zh) * 2018-12-11 2021-06-22 中国科学院大连化学物理研究所 一种通信基站用铝空气电池和控制方法
CN111106369B (zh) * 2019-12-13 2021-06-18 潍柴动力股份有限公司 燃料电池的排杂方法、排杂装置及排杂系统
CN112952154B (zh) * 2021-01-29 2022-06-10 上海捷氢科技股份有限公司 燃料电池的氢腔气体置换控制方法及其氢腔置换系统
KR102580540B1 (ko) * 2021-08-12 2023-09-19 엘지전자 주식회사 연료전지 시스템
CN113782785B (zh) * 2021-08-12 2023-05-02 西安交通大学 一种基于碳电容分析的燃料电池碳腐蚀在线诊断方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2854138B2 (ja) * 1992-03-13 1999-02-03 デーベーベー フューエル セル エンジンズ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング 改良された反応体供給と制御系を備えた一定電圧の燃料電池
US20050112454A1 (en) * 2003-11-25 2005-05-26 Victor Gurin Alkaline electrolyte fuel cells with improved hydrogen-oxygen supply system

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3669314A (en) * 1970-09-11 1972-06-13 Harford E Goings Under dash hot and cold drink dispenser
JP4543440B2 (ja) * 1997-12-22 2010-09-15 株式会社エクォス・リサーチ 水直噴型燃料電池システム
US6451467B1 (en) * 2000-06-30 2002-09-17 Plug Power Inc. Flow control subsystem for a fuel cell system
JP3700512B2 (ja) * 2000-01-25 2005-09-28 日産自動車株式会社 燃料電池システム
US6635370B2 (en) * 2001-06-01 2003-10-21 Utc Fuel Cells, Llc Shut-down procedure for hydrogen-air fuel cell system
US6939633B2 (en) * 2003-09-17 2005-09-06 General Motors Corporation Fuel cell shutdown and startup using a cathode recycle loop

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2854138B2 (ja) * 1992-03-13 1999-02-03 デーベーベー フューエル セル エンジンズ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング 改良された反応体供給と制御系を備えた一定電圧の燃料電池
US20050112454A1 (en) * 2003-11-25 2005-05-26 Victor Gurin Alkaline electrolyte fuel cells with improved hydrogen-oxygen supply system

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