KR101169828B1 - 연료 전지 동력 장치를 위한 오염물 제거 방법 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 동력 장치(10)를 위한 오염물 제거 방법은 작동 주기 동안 전력을 발생시키도록 장치를 작동시키는 단계와, 그런 다음, 오염물 제거 주기 동안 장치(10)의 작동을 종결시키는 단계와, 그런 다음, 장치 연료 전지(12)의 최적 전기적 발생이 연료 전지 전극들(24, 42)에 의해 흡착된 오염물에 의해 적어도 5%만큼 감소될 때마다, 연료 전지의 전극들(24, 42)에 의해 흡착된 오염물들을 산화시킴으로써 오염물 제거 주기 동안 장치(10)의 연료 전지(12)를 오염물 제거하는 단계를 포함한다. 오염물들을 산화시키는 단계는 유동 산소에, 가열된 유동 산소에, 일련의 시동-정지 사이클들에, 그리고 가변하도록 제어된 전위들에 전극들(24, 42)을 노출시키는 단계를 포함하는 다양한 단계들에 의해 달성될 수 있다.
Figure R1020077016020
연료 전지 동력 장치, 오염물 제거, 전극, 유동 산소, 전위

Description

연료 전지 동력 장치를 위한 오염물 제거 방법{DECONTAMINATION PROCEDURE FOR A FUEL CELL POWER PLANT}
본 발명은 운송 차량, 휴대 가능한 동력 장치 또는 고정식 동력 장치에의 사용에 적합한 연료 전지 동력 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 동력 장치의 연료 전지 전극들로부터 오염물을 제거하기 위해 장치의 작동 주기들 사이에 오염물 제거 주기의 실시를 제공하는 연료 전지 동력 장치를 위한 오염물 제거 방법에 관한 것이다.
연료 전지 동력 장치들은 공지되어 있고, 통상 수소 함유 환원액 연료 및 산소 함유 산화제 반응물 기류로부터 발전기 및 운송 차량과 같은 전력 장치에 전력을 발생시키는데 사용된다. 종래의 연료 전지 동력 장치에서는, 장치의 연료 전지의 전극에 의해 오염물이 흡착되어, 동력 장치의 성능을 저하시킬 수 있다는 것이 공지되어 있다. 특히, 황화수소는 다양한 수소 연료에 공유되어 있고, 연료 전지를 통과할 때에 애노드 촉매 독(poison)이 된다는 것이 공지되어 있다. 매우 적은 농도의 황화수소일지라도 시간에 걸쳐 심각한 연료 전지 성능 손실을 유발할 것이다. 다른 공지된 오염물들은 또한 연료 전지 전극들에 의해 흡착되는 암모니아, 및 공동 소유의(commonly owned) 미국 특허 제6,316,135호에 개시된 화합물과 같은 "직접 부동액(direct antifreeze solution)"의 유기 화합물을 포함한다.
연료 전지로부터 오염물들을 제거하는 공지된 방법은, 2002년 5월 19일에 오꼬(Oko) 등에 의해 허여된 미국 특허 제6,358,639호에 개시된 바와 같이 연료 전지가 작동하지 않을 때에 연료 전지를 통해 유기 용매, 과산화물 또는 오존수(ozonated water)와 같은 액체 제거 물질(substance)을 통과시키는 단계를 포함한다. 그러나, 이런 방법은 복잡하고 고비용의 액체 펌핑 및 밸브 시스템의 사용과 연료 전지의 작동의 상당한 중단을 필수적으로 포함한다. 2001년 10월 9일에 허여된 미국 특허 제6,299,996호는 제1 작동 상태로부터 시스템의 연료 전지를 스위칭하는 3개의 밸브들을 갖고, 연료는 제2 작동 상태로 애노드 유동장 판을 통과하며, 산화제 가스 공급은 애노드 유동장 판을 통해 흐르는 시스템의 사용을 개시하고 있다. 이 시스템은 또한 다수의 위치를 갖는 여러 복잡한 밸브들 및 정교한 유로들을 필요로 한다.
따라서, 연료 전지 동력 장치의 작동이 장기간 중단될 필요 없이 연료 전지 전극들로부터 오염물들을 효과적으로 제거할 수 있고, 고비용의 복잡한 밸브 및 유로 장치를 필요로 하지 않는 오염물 제거 방법에 대한 필요가 있다.
본 발명은 연료 전지 동력 장치를 위한 오염물 제거 방법이고, 상기 장치는 수소 함유 환원액 연료 및 산소 함유 산화제 반응물 기류로부터 전력을 발생시키는 적어도 하나의 연료 전지를 포함한다. 동력 회로는 연료 전지로부터 주요 전기 부하로 전력을 배향시키기 위해 연료 전지에 연결된다. 연료 전지는 전해질의 대향측 상에 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하고, 애노드 유동장은 수소 연료가 연료 전지를 통해 그리고 애노드 전극에 인접하게 유동하도록 배향시키기 위해 애노드 전극과 유체 연통하며, 캐소드 유동장은 산화제 기류가 연료 전지를 통해 그리고 캐소드 전극에 인접하게 유동하도록 배향시키기 위해 캐소드 전극과 유체 연통한다.
오염물 제거 방법은 연료 전지에 주요 전기 부하를 연결함으로써 작동 주기 동안 전력을 발생시키도록 연료 전지 동력 장치를 작동시키는 단계와, 캐소드 유동장을 통해 산화제의 유동을 배향하는 단계와, 애노드 유동장을 통해 수소 연료의 유동을 배향하는 단계를 포함한다. 연료 전지의 전력 발생이 전극의 오염에 의해 적어도 5%만큼 감소되는 것과 같이 소정량 감소될 때마다, 작동 주기는 종결되고 연료 전지로부터 전기 부하를 연결 해제함으로써 오염물 제거 주기가 시작된다. 다음에, 작동 주기 동안 전극 상에 흡착된 오염물들을 산화시킴으로써 연료 전지는 오염물 제거 주기 동안 오염물 제거된다. 그런 다음, 장치를 작동시키도록 연료 전지에 주요 전기 부하를 재연결함으로써 오염물 제거 주기는 종결된다. 오염물 제거 주기는 연료 등에서의 오염물에 근거하여 연료 전지 동력 장치에 대한 특정 유지 관리(maintenance) 스케줄의 일부로서 조정될 수 있다.
바람직한 작동 방법에 있어서, 오염물 제거 방법은 오염물 제거 주기 동안 정체된 대기와 같은 산소 함유 산화제에 애노드 유동장 및 캐소드 유동장을 개방함으로써 오염물을 산화시키는 단계를 더 포함한다. 애노드 및 캐소드 유동장을 산소 함유 산화제에 개방하는 단계는, 연료 전지의 정지(shut down) 시에 공기에 의한 애노드 유동장의 패스트 퍼지(fast purge)가 기술되어 있는 미국 특허 공개 제2003/0134164호 하에서 2003년 7월 17일에 공개된 공동 소유의 미국 특허 출원 제10/305,300호에 개시되어 있는 방법을 이용하여 유동을 수소 함유 유체로부터 산화제 함유 유체로 천이시킴으로써 실행되는 것이 바람직하다. 추가의 바람직한 방법은 연료 전지의 애노드 유동장 및 캐소드 유동장을 통해 산화제의 유동을 배향시킴으로써 오염물을 산화시키는 단계를 더 포함한다. 추가의 바람직한 방법은 연료 전지의 애노드 유동장 및 캐소드 유동장을 통해 가열된 산화제의 유동을 배향시키기 전에 산화제를 가열함으로써 오염물을 산화시키는 단계를 포함한다. 산화제의 유동은 산화제 송풍기 또는 압축기에 의해서 또는 가압된 산화제의 공급에 의해서 등과 같은, 유동을 제공하는 공지된 방법들에 의해 애노드 유동장을 통해 배향될 수 있다.
가열된 산화제는 연료 전지의 산화제 유입구와 유체 연통하는 공지된 히터에 의해 가열될 수 있다. 또한, 애노드 유동장을 통한 산화제 또는 가열된 산화제의 유동은, 연료 전지 전극의 더 빠르고 더 효과적인 오염물 제거를 달성하기 위하여 산화제의 유동이 연료 전지 배출(exhaust) 재순환 루프를 통해 연료 전지를 떠나고 그리고 애노드 및 캐소드 유동장을 통해 연료 전지로 돌아오도록 배향함으로써 촉진될 수 있다. 연료 전지 자체는 오염물 제거 방법을 향상시키는, 당업계의 공지된 임의의 다른 편리한 방법에 의해 가열될 수 있다. 이런 방법들은 연료 전지에 인접되게 유동하는 가열된 냉각제를 이용하는 단계나, 또는 연료 전지가 정상 작동 온도에서 또는 대략 정상 작동 온도인 동안에 오염물 제거 방법을 실행하는 단계를 포함한다.
오염물 제거 방법의 추가의 대안적인 방법은 미국 특허 공개 제2003/0134165호 하에서 2003년 7월 17일에 공개되고 연료 전지를 시동(start up)시키기 위해 주요 전기 부하를 연결함으로써 후속되는 수소 함유 유체에 의해 애노드 유동장 내의 공기를 패스트 퍼지하는 것을 개시하고 있는, 미국 특허 출원 제10/305,301호에 개시되어 있는 방식으로 연료 전지의 시동을 위해 그리고 연료 전지의 정지를 위해서 바람직하게는 상기한 미국 특허 출원 제10/305,300호에 개시되어 있는 방식으로 애노드 유동장을 통한 유동을 수소 함유 유체와 산소 함유 유체 사이에서 교번시킴으로써 적어도 2 사이클 그리고 10 사이클보다는 적게 실행됨으로써 오염물들을 산화시키는 단계를 더 포함한다.
오염물 제거 방법은 또한 애노드 유동장을 통해 수소 연료의 유동을 배향시키고, 애노드 및 캐소드 전극에 직류 전압의 공급원을 연결하며, 약 0.9 볼트 초과 약 1.6 볼트 미만으로 애노드 전극에 비해 캐소드 전극의 전위를 증가시키도록 직류 전압을 인가시킴으로써, 오염물을 산화시키는 단계를 포함한다. 추가적으로, 애노드 및 캐소드 전극에의 직류 전압의 인가는 5회 내지 20회 사이에서 단속적으로 사이클링될 수 있다. 이 방법은 또한 적당한 전압, 주파수 및 전류의 교류 동력원에 의해 실행될 수 있다.
오염물 제거 방법의 다른 대안은 상기한 미국 특허 출원 제10/305,300호에 개시되어 있는 연료 전지의 정지를 위한 방법에 따라서 다시 애노드 유동장 및 캐소드 유동장을 산소 함유 산화제에 개방함으로써 오염물을 산화시키는 단계를 포함한다. 그런 다음, 직류 전압의 공급원의 양단자(positive terminal)는 전극의 하나에 연결되고, 직류 전압의 공급원의 음단자(negative terminal)는 다른 전극에 연결된다. 전극에 인가된 직류 전압은 연료 전지의 전압이 약 0.0 볼트와 약 0.5 볼트 사이이도록, 애노드 전극의 전위는 애노드 공기 전위 이상이도록, 그리고 캐소드 전극의 전위는 캐소드 공기 전위 이하이도록 제어된다. 추가적으로, 직류 전압 공급원의 양단자 및 음단자는, 양단자가 대향 전극에 연결되고 음단자가 대향 전극에 연결되도록 교대로 반전될 수 있다. 이 반전(reversal)은 바람직한 방법에 있어서 5회 내지 20회 사이에서 발생할 수 있다.
오염물 제거 방법은 또한 제2 연료 전지가 정상 작동을 지속하는 동안 동력 장치의 제1 연료 전지 상에서 상기한 단계들을 실시하는 단계를 포함한다. 예를 들면, 큰 발전기에 대해서, 연료 전지는 2 이상의 연료 전지 스택 조립체로 배열될 수 있고, 연료 전지 스택 조립체 각각은 공지되어 있는 바와 같이 반응물 기류 및 전력의 유동을 배향하기 위한 통상의 매니폴딩 및 유동 구조를 이용한다. 본 발명은 제2 연료 전지 또는 제2 연료 전지 스택 조립체가 작동 주기에 있고 제1 전기 부하에 연결되어 있는 동안, 제1 전기 부하에 연결된 작동 주기에 있지 않은 제1 연료 전지 또는 제1 연료 전지 스택 조립체 상에 상기한 오염물 제거 방법을 실시하는 단계를 포함한다. 이에 따라서, 제2 연료 전지 또는 연료 전지 스택 조립체는 오염물 제거 방법의 효율을 향상시키기 위해 제1 연료 전지 또는 제1 연료 전지 스택 조립체 상에 상기한 오염물 제거 방법을 실시하기에 필요한 임의의 전력을 공급할 수 있다.
본 발명의 연료 전지 동력 장치의 오염물 제거 방법은 오염물 제거 주기 각각에 대한 작동 주기의 특정 기간을 갖는 맞춤 설계된 유지 관리 스케줄을 통해 실시될 수 있다. 소정 동력 장치에 대한 이런 유지 관리 스케줄은 동력 장치의 구성, 장치의 작동 파라미터 및 장치에 사용되는 특정 연료에 근거한 특별한 동력 장치의 기대되는 필요를 충족하도록 맞춤 설계될 수 있다. 맞춤 설계된 유지 관리 스케줄은 동력 손실의 약 20% 감소와 같이 미리 결정된 레벨에 도달할 때 오염물 제거 주기를 개시하도록 설계된 제어 계획에 의해 설정될 수 있다. 이런 맞춤 설계된 유지 관리 스케줄은 본 오염물 제거 방법이 매우 연장된 작동 시에 장치의 성능의 상당한 저하 없이 장치의 연료 전지 전극들로부터 실제적으로 모든 오염물들을 제거하는 것이 가능하게 한다.
따라서, 본 발명의 일반적인 목적은 종래 기술의 단점들을 극복하는 오염물 제거 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 보다 구체적인 목적은 복잡하고 고비용의 밸브 및 정교한 유로의 필요 없이 장치의 연료 전지 전극의 오염물들을 제거하기 위해 유지 관리 스케줄 내에서 이용될 수 있는 연료 전지 동력 장치를 위한 오염물 제거 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 연료 전지 동력 장치를 위한 오염물 제거 방법의 이들 및 다른 목적들 및 이점들은 이하의 설명이 첨부 도면들과 연관하여 읽혀질 때 보다 용이하게 명백해질 것이다.
도1은 본 발명의 연료 전지 동력 장치를 위한 오염물 제거 방법의 실시에 적합한 연료 전지 동력 장치의 단순화된 개략 대표도이다.
도2는 황화수소 오염물에 노출하기 전, 황화수소 오염물에 노출된 후 및 본 발명의 오염물 제거 방법의 바람직한 방법을 실시한 후의 연료 전지에 대한 전지 전압 대 전류 밀도의 도면을 도시한 그래프이다.
도3은 황화수소에 의한 캐소드 전극의 오염물로 인한 연료 전지 성능의 감소, 및 본 발명의 오염물 제거 방법의 실시 후에 연료 전지 성능 감소의 회복을 도시하는 그래프이다.
도면들을 상세히 참조하면, 본 발명의 연료 전지 동력 장치를 위한 오염물 제거 방법의 실시에 적합한 연료 전지 동력 장치가 도1에 도시되어 있고, 일반적으로 참조 번호 10으로 명시된다. 장치(10)는 수소 함유 환원액 연료 및 산소 함유 산화제 반응물 기류로부터 전력을 발생시키는 적어도 하나의 연료 전지(12)를 포함한다. 수소 연료는 연료 유입구 밸브(20)를 포함하는 연료 유입구(16)를 통해 연료 저장원(14)으로부터 배향된다. 그런 다음, 연료는 당업계에 공지된 방식으로 연료를 연료 전지(12)의 애노드 전극(24)에 인접하게 통과하도록 배향하는 연료 전지(12)의 애노드 유동장(22)을 통과한다. 그런 다음, 연료는 연료 유출구 밸브(28)를 갖는 연료 유출구(26)를 통해 연료 전지의 외부로 배출된다.
마찬가지로, 산화제는 산화제 유입구 밸브(34)를 포함하는 그리고 산화제의 유동 속도 및 압력을 증가시키기 위한 산화제 송풍기 또는 압축기(36), 및 산화제 히터(38)를 또한 포함할 수 있는 산화제 유입구(32)를 통해 대기와 같은 산화제 공급원(30)으로부터 배향된다. 산화제 유입구(32)는 산화제가 캐소드 전극(42)에 인접하게 통과하도록 배향하는 캐소드 유동장(32)을 통과하는 연료 전지(12) 내로 산화제를 배향한다. 산화제 유출구(44)는 산화제 유출구 밸브(46)를 통해 캐소드 유동장(40) 외부로 산화제를 배향한다. 당업계에 공지된 고체 양자 교환 막(proton exchange membrane)과 같은 전해질(48)은 연료 전지(12) 내에서 애노드 전극(24)과 캐소드 전극(42) 사이에 고정된다.
동력 장치(10)는 또한 연료 전지(12) 내로 되돌아 가는 연료 전지(12)에서 방출되는 연료 전지 반응물의 유동을 배향하는 연료 전지 배출 재순환 루프 수단을 포함할 수 있다. 연료 전지 배출 재순환 루프 수단은 연료 재순환 루프(50)에 고정된 연료 재순환 송풍기(52)와 산화제 유입구 밸브(20) 하류의 연료 유출구(16)와 연료 유입구(26) 사이에서 유체 연통하게 고정된 연료 재순환 루프(50)를 포함할 수 있다. 배출 재순환 루프 수단은 또한 산화제 유입구 밸브(34)로부터 하류의 산화제 유입구(32)와 산화제 유출구(44) 사이에서 유체 연통하게 고정되고, 산화제 재순환 루프(54)에 고정된 산화제 재순환 송풍기를 갖는 산화제 재순환 루프(54)를 가질 수 있다. 산화제 교차(cross-over) 수단은 또한 산화제 유입구(32)로부터 연료 유입구(16)로의 산화제의 유동을 선택적으로 유도하기 위해 산화제 유입구(32)와 연료 유입구(16) 사이에 고정될 수도 있다. 산화제 교차 수단은 또한 연료 유입구 밸브(20) 및 산화제 유입구 밸브(34)로부터 하류의 연료 유입구(16)와 산화제 유입구(32) 사이에서 유체 연통하게 고정된 산화제 교차 라인(58) 및 산화제 교차 밸브(60)와 같은 기능을 할 수 있는, 당업계에 공지된 임의의 장치를 포함할 수 있다.
동력 회로(80)는 연료 전지(12)와 그리고 주요 전기 부하(82) 및 주요 전기 부하 스위치(84)와 전기 연통하게 고정된다. 동력 회로는 또한 보조 부하 스위치(88)를 폐쇄함으로써 작동될 수 있는 저항성 부하와 같은 보조 부하(86)를 포함한다. 추가적으로, 직류 전압 공급원(90)은 직류 라인(92A, 92B)을 통해 직류 제어기(94)에 고정된다. 직류 제어기(94)는 단순히 연결 및 연결 해제하는데 그리고 동력 회로(80)와 같이 직류 전압 공급원(90)으로부터 애노드 전극(24) 및 캐소드 전극(42)으로 직류의 인가를 제어하는데 사용될 수 있다. 추가적으로, 직류 제어기는 도1에 도시된 바와 같이 동력 회로(80)를 통해 그리고 당업계에 공지된 다른 방법과 같이, 특별히 직류 양단자(96)가 애노드 전극(24)에 라인(92A)을 통해 연결되도록 그리고 직류 음단자(98)가 캐소드 전극(42)에 라인(92B)을 통해 연결되도록 배향하는데 사용될 수 있다.
직류 제어기(94)는 또한 상기한 기능들을 실행할 수 있고, 애노드 전극(24) 및 캐소드 전극(42)의 전위를 측정하는데 또한 사용될 수 있고, 또한 전극들(24, 42)의 측정된 전위에 반응하여 전극들(24, 42)에의 전류의 인가를 제어하거나 또는 전류의 인가를 종결할 수 있는, 오염물 제거 주기 동안 일련의 직류의 단속적인 인가를 위해 애노드 전극(24) 및 캐소드 전극(42)에 직류의 단속적인 인가를 선택적으로 할 수 있는, 당업계에 공지된 임의의 제어기 수단일 수 있다. 직류 전압 공급원(90)은 배터리, 그리드와 같은 외부 교류 공급원과 전기 연통하는 인버터, 또는 동력 회로(80)와 전기 연통하는 인버터 등과 같은 직류 전압을 공급할 수 있는, 당업계에 공지된 임의의 장치일 수 있다. 연료 전지에의 동력 공급원은 또한 조건들이 이런 디바이스를 보장하면 교류 동력 디바이스를 포함할 수 있다.
상기한 연료 전지 동력 장치(10)는 작동 주기 동안 전력을 발생시키도록 장치(10)에 의한 본 발명의 오염물 제거 방법이 제1 작동을 실시하는데 사용될 수 있다[어구 "작동 주기(operating period)"는 본 명세서에서 특정 주기를 의미함]. 다음에, 연료 전지의 최적 전력 발생이 애노드 전극(24) 및/또는 캐소드 전극(42)의 오염에 의한 것을 포함하는 임의의 이유에 의해 적어도 5%만큼과 같이 소정량 감소될 때마다, 작동 주기는 종결되고 오염물 제거 주기는 연료 전지(12)로부터 주요 부하(82)를 연결 해제하도록 주요 부하 스위치(84)를 개방함으로써 시작된다. 연료 전지(12)의 애노드 전극(24) 및/또는 캐소드 전극(42)의 제1의 바람직한 오염물 제거 방법에 있어서, 수소 함유 연료의 유동은 연료 유입구 밸브(20)를 폐쇄함으로써 종결되고, 공기는 교차 밸브(60)를 개방함으로써 또는 당업계에 공지된 임의의 방법에 의한 것과 같이 애노드 유동장(22) 내로 유동하도록 허용된다. 연료 전지(12)에의 손상을 최소화하기 위하여, 애노드 유동장(22) 내로의 공기의 이동은 상기한 미국 특허 출원 제10/305,301호에 개시되어 있는 정지 방법을 따르는 것이 바람직할 것이다. 애노드 전극(24) 및 캐소드 전극(42) 모두에 공기를 가짐으로써, 전극들 모두는 동일한 시간에서 오염물 제거된다. 이런 공기/공기 모드에 있어서, 캐소드 전극(42) 전위를 억제하는 수소 연료가 존재하지 않기 때문에, 전극들(24, 42) 모두는 (표준 기준 수소 전극과 비교하여) 정상 연료 전지(12) 개방 회로 전위 이상의 전극 전위로 상승시킬 수 있다. 이런 공기/공기 모드에 있어서, 전극들(24, 42) 모두는 약 1.0 볼트와 약 1.25 볼트 사이의 전위로 상승시킬 수 있다. 이 방법에 의한 전극들(24, 42)의 오염물 제거는, 교차 밸브(60)를 폐쇄함으 로써 그리고 연료 유입구 밸브(30)를 개방함으로써 상기한 산소 함유 산화제와 수소 연료 사이의 애노드 유동장(22)을 통해 유동을 교번시키는 추가적인 단계에 의해, 또는 연료 전지(12)가 최적 전력 발생으로 복귀할 때까지 산화제 반응물 기류와 수소 반응물 기류 사이의 애노드 유동장(22)을 통해 교번 유동을 달성하는 당업계에 공지된 임의의 방법을 통해, 1.0 내지 1.25 볼트 범위에서 전극들(24, 42)의 전위를 사이클링함으로써 향상될 수 있다. 추가적인 방법에 있어서, 교번 유동은 효율을 목적으로 적어도 2 사이클 그리고 10 사이클보다는 적게 사이클링될 수 있다. 이 단계에 의해, 전압 상한은 애노드 전극(24) 상의 수소 연료 및 캐소드 전극(42) 상의 산소 함유 산화제에 의한 이론적인 개방 회로 전압이다.
연료 전지(12)의 제2의 바람직한 오염물 제거 방법에 있어서, 주요 전기 부하(82)를 연결 해제함으로써의 정시 시에, 연료 유입구 밸브(60)는 수소가 애노드 전극(24) 상에 남아 있고 공기가 캐소드 전극(42) 상에 남아 있도록 개방된 채로 남아 있다. 다음에, 직류 전압 공급원(90)은 캐소드 전극(42)이 표준 수소 전극과 비교하여 약 0.9 볼트와 약 1.6 볼트 사이의 전압을 달성하도록 제어기(94)에 의해 제어된다. 이 방법은 교차 밸브(60)가 사용되지 않고 처리 동안 전극들(24, 42)이 그 정상 수소 및 산소 반응물 상에 남아 있기 때문에 이전의 방법보다 덜 복잡하다. 그러나, 이 오염물 제거 방법은 캐소드 전극(42)의 오염물 제거에만으로 제한된다. 직류 전압 제어기(94)는 전극들(24, 42)에 대한 전압 제한을 설정한다. 추가적으로, 애노드 및 캐소드 전극으로의 직류 전압의 인가는 5회 내지 20회 사이에서 단속적으로 사이클링될 수 있다.
제1의 바람직한 방법과 유사한, 연료 전지(12)의 제3의 바람직한 오염물 제거 방법에 있어서, 주요 전기 부하(82)를 연결 해제함으로써의 정지 시에, 수소 함유 연료의 유동은 연료 유입구 밸브(20)를 폐쇄함으로써 종결되고, 공기는 교차 밸브(60)를 개방함으로써 또는 당업계에 공지된 임의의 방법에 의해서와 같이 애노드 유동장(22) 내로 유동하도록 허용된다. 연료 전지(12)에의 손상을 최소화하기 위하여, 애노드 유동장(22) 내로의 공기의 이동은 상기한 미국 특허 출원 제10/305,301호에 개시되어 있는 정지 방법을 따르는 것이 바람직할 것이다. 그런 다음, 직류 전압 공급원(90)은, 각 전극이 제어기 단자들(96, 98) 사이에서 제어기(94)를 통해 전류를 반전시키는 것과 같이 표준 기준 수소 전극에 대해 약 1.0 볼트의 전위와 약 1.6 볼트의 전위 사이에서 교번식으로 상승 및 하강하도록 연료 전지(12) 전극들(24, 42)을 구동하기 위해 제어기(94)에 의해 제어된다. 애노드 전극(24) 및 캐소드 전극(42)이 상기한 전압 범위 사이에서 제어기(94)에 의해 교번되는 동안, 공기와 같은 산소 함유 산화제는 애노드 유동장(22) 및 캐소드 유동장(40) 모두를 통해 최소 유동으로 배향된다. 공기의 유동은 약 10 ㎃/cm2 내지 50 ㎃/cm2 사이의 전류를 유지하는데 필요한 것보다 크지 않다. 동시에, 애노드 전극(24)과 캐소드 전극(42) 사이의 전압 차이는, 전압 차이가 약 0.5 볼트로 제한되도록 제어기(94)에 의해 제어된다. 0.5 볼트 차이에 달하면, 제어기(94)는 애노드 및 캐소드 전극(24, 42)으로 직류 유동의 방향을 반전한다.
상기한 모든 오염물 제거 방법에 있어서, 오염물 제거 방법들이 어느 전극에 단속적인 손상을 야기하지 않을 것을 보장하도록 특별한 주의를 기울여야 한다. 상기한 미국 특허 출원 제10/305,300호 및 제10/305,301호에 서술되어 있는 연료 전지(12) 시동 및 정지 방법을 이용함으로써 손상은 방지될 수 있다. 이들 특허 출원 모두는 본 발명의 모든 권리의 양수인에 의해 소유된다. 상기한 임의의 방법들을 이용하는 오염물 제거 주기의 기간은 최적 전력 출력으로 연료 전지(12)를 복귀시키기에 적합하다. 추가적으로, 본 명세서의 목적을 위해서, 단어 "약(about)"은 플러스 또는 마이너스 10%를 의미하는 것이다.
전극들(24, 42)의 오염물을 산화시킴으로써 오염물을 제거하는 상기한 방법들을 포함하는 상기한 오염물 제거 방법은 또한, 제1 연료 전지(12)가 오염물 제거 주기에 있고 제2 연료 전지(미도시)가 작동 주기에 있는 동안 제1 연료 전지(미도시) 상에 실시될 수 있다. 전력 공급원을 필요로 하는 임의의 오염물 제거 방법들에 대해 전력을 제공함으로써 향상된 효율을 제공한다. 복수의 연료 전지들을 갖는 연료 전지 동력 장치가 모든 연료 전지들이 작동함과 함께 피크 커패시티에서 작동하고, 장치는 또한 낮은 요구(demand)를 공급하기 위해 작동하고, 연료 전지들의 일부는 작동하지 않을 수 있는, 전력의 요구가 불규칙한 것은 공지되어 있다. 본 명세서에서 효율을 목적으로, 복수의 연료 전지들을 갖는 연료 전지 동력 장치가 당업계에 공지된 2 이상의 연료 전지 스택 조립체에 배열된 이들 연료 전지들을 가질 수 있다는 설명은 이해될 것이다. 더욱이, 복수의 연료 전지 스택 조립체들(미도시)을 갖는 이런 연료 전지 동력 장치가 임의의 오염물 제거 방법 및 본 명세서에 서술된 방법들을 실시하면, 상기 방법들은, 다른 또는 제2 연료 전지 스택 조 립체가 오염물 제거 방법을 위해 필요한 임의의 전기 및 장치에 의해 필요한 임의의 전기를 제공하도록 작동되는 동안에 전기가 발생하지 않은 제1 연료 전지 스택 조립체 상에서 가장 실행되기 쉬울 것이다. 그 후에, 제2 또는 작동 연료 전지 스택 조립체는, 제1 연료 전지 스택 조립체가 작동하여 오염물 제거 방법을 수행하는 장치 및 제2 연료 전지 스택 조립체에 의해 필요한 임의의 전기를 제공하는 동안 오염물 제거 주기로 가도록 제어된다. 이 방식으로, 발전기로서 제공되는 연료 전지 동력 장치는 그 정상적인 작동 요구 조건의 임의의 중단 없이 규칙적인 오염물 제거 방법을 실시할 수 있다. 본 명세서에서의 목적을 위하여, 이런 구성은 제2 연료 전지가 작동 주기에 있는 동안 제1 연료 전지(12)가 오염물 제거 주기에 있는, 제1 연료 전지(12) 및 제2 연료 전지(미도시)를 갖는 연료 전지 동력 장치로서 단순히 특징지어질 것이다.
도2는 상기한 오염물 제거 방법의 산화 방법들 중 하나의 5분만의 적용 후에 사전 오염물 작동 성능으로 연료 전지의 완전한 회복을 설명하는 테스트를 도시한 것이다. 약 섭씨 65도(이하 ℃)의 연료 전지로부터의 배출 시의 산화제 온도와 함께, 340 cm3/분(cubic centimeter per minute; ccm)의 냉각제 유동과 함께, 그리고 반응물 기류로서의 수소 가스 및 대기와 함께 작동하는 테스트 연료 전지는, 도2의 참조번호 100에서 다이아몬드 형상 데이터 플롯으로 명시된 바와 같은 다양한 전류 밀도에서의 전지 전압의 플롯을 생성했다. 애노드 반응물 기류 내에서 2시간 동안 10 ppm(part per million)의 농도에서 황화수소에 노출한 후, 상당히 저하된 연료 전지의 성능이 참조번호 102의 정사각형 형상의 플롯으로 명시된 바와 같이 다양한 전류 밀도에서 전지 전압의 플롯을 생성하고 있다. 다음에, 본 발명의 오염물 제거 방법은 테스트 연료 전지에 적용되었고, 전극 오염물을 산화시키는 단계는 애노드 전극에 직류 공급원의 양단자를 연결하는 단계와, 전극 모두에 산화제를 갖는 연료 전지의 캐소드 전극에 직류 공급원의 음단자를 연결하는 단계를 포함하였다. 직류는 연료 전지의 전압이 약 5분 동안 약 0.4 볼트로 유지되도록 전지에 인가되었다. 본 발명의 오염물 제거 방법의 이들 단계들의 실시 후에, 다양한 전류 밀도에서의 전지 전압의 측정은 참조번호 100으로 도2에 나타낸 연료 전지의 원(original) 플롯 위에 완전히 놓여 있는 참조번호 104로 명시된 도2의 선에 도시된 바와 같이 플롯들을 생성했다. 이는 상기한 단계들에 의해서 단지 5분 안에 연료 전지의 완전한 회복을 표시한다.
도3은 이산화황에 의한 캐소드 전극의 오염으로 인해 연료 전지의 성능의 저하를 나타내는 추가적인 실험 결과들을 도시한 것이다. 참조번호 106의 플롯들은 700 시간 작동 후에 연료 전지에서의 쇠퇴를 나타내고, 참조번호 108의 다른 플롯들은 감소된 성능의 기준선을 나타낸다. 참조번호 110의 플롯들은 참조번호 110의 어구 "회복 처리(Recovery Treatment)"로 표시된 오염물 제거 방법의 적용 후에 향상된 연료 전지 성능을 나타낸다. 향상된 성능은 수소는 애노드 전극(24)에 남아 있고 공기는 캐소드 전극(24)에 남아 있는, 상기한 제2의 바람직한 오염물 제거 방법에 의해 달성되었다.
명백한 바와 같이, 본 발명의 오염물 제거 방법은 특별한 연료 전지 동력 장 치의 작동 요구 조건 및 특정 반응물 기류의 성질에 근거한 각 오염물 제거 주기에 대한 작동 주기의 특정 기간을 갖는 맞춤 설계된 유지 관리 스케줄을 용이하게 제공한다. 동력 운송 차량에 사용되는 연료 전지 동력 장치에 대해서, 맞춤 설계된 유지 관리 스케줄은, 버스와 같은 운송 차량이 사용되지 않을 때 유사한 정지 간격에 통합될 수 있다. 예를 들면, 연료 전지 동력 장치 동력 공급 버스가 매일 18시간 동안의 작동 주기를 가지면, 유지 관리 주기는 각 작동 주기 후에 또는 매 30 작동 주기에 한번과 같이 오염물 제거 요구 조건에 따르는 특정 수의 작동 주기 후에 실시되도록 제어될 수 있다. 추가적으로, 동력 발전기로서 이용되는 연료 전지 동력 장치에 대해서, 맞춤 설계된 유지 관리 스케줄은, 하나의 연료 전지 또는 연료 전지 스택 조립체가 장치의 다른 연료 전지 또는 전지 스택 조립체가 작동 주기 내에 있을 동안 오염물 제거 주기를 수행하고 있는 것으로 이용될 수 있다.
본 발명은 설명된 오염물 제거 방법 및 방법들에 대해 개시되어 있지만, 본 발명이 이들 실시예들에 한정되지 않는다는 것은 이해될 것이다. 예를 들면, 연료 전지 동력 장치(10)가 교차 라인(58) 및 밸브(60)와, 산화제 및 연료 재순환 루프(54, 50)로 도시되었지만, 많은 서술된 전극 오염물 산화 방법들이 연료 유입구 밸브(20)가 단순히 대기에 유동장(22, 40)의 개방을 허용하는 동안 산화제 유입구 밸브(34), 산화제 유출구 밸브(46) 및 연료 유출구 밸브(28)를 단순히 개방함으로써 실현될 수 있다는 것은 이해될 것이다. 따라서, 본 발명의 범주를 결정하기 위해서 전술한 설명보다는 오히려 다음의 청구항들이 주로 참조되어야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 수소 함유 환원액 연료 및 산소 함유 산화제 반응물 기류로부터 전력을 발생시키는 적어도 하나의 연료 전지(12)와, 전해질(48)의 대향측 상에 애노드 전극(24) 및 캐소드 전극(42)을 포함하는 연료 전지(12)로부터 제1 전기 부하(82)로 전력을 배향시키는 동력 회로(80)와, 수소 연료가 연료 전지(12)를 통해 그리고 인접 애노드 전극(24)에 인접하게 유동하도록 배향시키기 위해 애노드 전극(24)과 유체 연통하는 애노드 유동장(22)과, 산화제 기류가 연료 전지(12)를 통해 그리고 캐소드 전극(42)에 인접하게 유동하도록 배향시키기 위해 캐소드 전극(42)과 유체 연통하는 캐소드 유동장(40)을 포함하는 연료 전지 동력 장치(10)를 위한 오염물 제거 방법이며,
    a. 연료 전지(12)에 주요 전기 부하(82)를 연결하고, 캐소드 유동장(40)을 통해 산화제의 유동을 배향시키며, 애노드 유동장(22)을 통해 수소 연료의 유동을 배향시킴으로써, 작동 주기 동안 전력을 발생시키도록 연료 전지 동력 장치(10)를 작동시키는 단계와,
    b. 그런 다음, 연료 전지(12)의 최적 전력 발생이 적어도 5%만큼 감소될 때마다, 연료 전지(12)로부터 전기 부하(82)를 연결 해제함으로써 오염물 제거 주기 동안 장치(10)의 연료 전지(12)의 작동을 종결시키는 단계와,
    c. 그런 다음, 애노드 유동장(22)을 통해 수소 연료의 유동을 종결하고, 작동 주기 동안 애노드 전극(24) 및 캐소드 전극(42) 중 적어도 하나에 흡착된 오염물들을 산화시키기 위해, 표준 수소 기준 전극과 비교하여 전극들(24, 42)의 전위가 1.0 볼트와 1.25 볼트 사이에서 증가하도록 애노드 유동장(22)을 통해 산소 함유 산화제 기류의 유동을 배향시킴으로써, 오염물 제거 주기 동안 연료 전지(12)의 오염물을 제거하는 단계를 포함하는 연료 전지 동력 장치(10)를 위한 오염물 제거 방법.
  2. 제1항에 있어서, 연료 전지(12)의 오염물 제거 단계 동안 그리고 애노드 유동장(22)을 통해 산화제 함유 산화제 기류의 유동을 배향시키는 단계 후에, 연료 전지(12)가 최적 전력 발생으로 복귀될 때까지 산소 함유 산화제 기류와 수소 함유 연료 기류 사이에서 애노드 유동장(22)을 통해 유동을 교번시킴으로써 전극들(24, 42)의 전위를 사이클링(cycling)하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 동력 장치(10)를 위한 오염물 제거 방법.
  3. 제1항에 있어서, 산화제 반응물 기류와 수소 반응물 기류 사이에서 애노드 유동장(22)을 통한 유동을 적어도 2 사이클을 사이클링하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 동력 장치(10)를 위한 오염물 제거 방법.
  4. 제1항에 있어서, 연료 전지(12)의 오염물 제거 단계 동안, 연료 전지(12)의 애노드 유동장(22) 및 캐소드 유동장(40)을 통해 가열된 산소 함유 산화제의 유동을 배향시키기 전에 산소 함유 산화제를 가열하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 동력 장치(10)를 위한 오염물 제거 방법.
  5. 제1항에 있어서, 연료 전지(12)의 오염물 제거 단계 동안, 연료 전지(12)의 애노드 유동장(22) 및 캐소드 유동장(40)을 통해 산소 함유 산화제의 유동을 배향시키는 동안 연료 전지(12)를 가열하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 동력 장치(10)를 위한 오염물 제거 방법.
  6. 삭제
  7. 수소 함유 환원액 연료 및 산소 함유 산화제 반응물 기류로부터 전력을 발생시키는 적어도 하나의 연료 전지(12)와, 전해질(48)의 대향측 상에 애노드 전극(24) 및 캐소드 전극(42)을 포함하는 연료 전지(12)로부터 제1 전기 부하(82)로 전력을 배향시키는 동력 회로(80)와, 수소 연료가 연료 전지(12)를 통해 그리고 인접 애노드 전극(24)에 인접하게 유동하도록 배향시키기 위해 애노드 전극(24)과 유체 연통하는 애노드 유동장(22)과, 산화제 기류가 연료 전지(12)를 통해 그리고 캐소드 전극(42)에 인접하게 유동하도록 배향시키기 위해 캐소드 전극(42)과 유체 연통하는 캐소드 유동장(40)을 포함하는 연료 전지 동력 장치(10)를 위한 오염물 제거 방법이며,
    a. 연료 전지(12)에 주요 전기 부하(82)를 연결하고, 캐소드 유동장(40)을 통해 산화제의 유동을 배향시키며, 애노드 유동장(22)을 통해 수소 연료의 유동을 배향시킴으로써, 작동 주기 동안 전력을 발생시키도록 연료 전지 동력 장치(10)를 작동시키는 단계와,
    b. 그런 다음, 연료 전지(12)의 최적 전력 발생이 적어도 5%만큼 감소될 때마다, 연료 전지(12)로부터 전기 부하(82)를 연결 해제함으로써 오염물 제거 주기 동안 장치(10)의 연료 전지(12)의 작동을 종결시키는 단계와,
    c. 그런 다음, 애노드 및 캐소드 전극들(24, 42)에 직류 전압 공급원(90)을 연결하고, 작동 주기 동안 캐소드 전극(42) 상에 흡착된 오염물들을 산화시키기 위해, 표준 수소 기준 전극과 비교하여 애노드 전극(24)에 대한 캐소드 전극(42)의 전위가 0.9 볼트와 1.6 볼트 사이로 증가하도록 직류 전압을 인가함으로써, 오염물 제거 주기 동안 연료 전지(12)의 오염물을 제거하는 단계를 포함하는 연료 전지 동력 장치(10)를 위한 오염물 제거 방법.
  8. 제7항에 있어서, 연료 전지(12)의 오염물 제거 단계 동안, 표준 수소 기준 전극과 비교하여 애노드 전극(24)에 대한 캐소드 전극(42)의 전위가 0.9 볼트와 1.6 볼트 사이로 변화하도록 5회 내지 20회 사이에서 직류 전압을 단속적으로 사이클링시키기 위해 직류 제어기(94)를 사용하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 동력 장치(10)를 위한 오염물 제거 방법.
  9. 삭제
  10. 수소 함유 환원액 연료 및 산소 함유 산화제 반응물 기류로부터 전력을 발생시키는 적어도 하나의 연료 전지(12)와, 전해질(48)의 대향측 상에 애노드 전극(24) 및 캐소드 전극(42)을 포함하는 연료 전지(12)로부터 제1 전기 부하(82)로 전력을 배향시키는 동력 회로(80)와, 수소 연료가 연료 전지(12)를 통해 그리고 인접 애노드 전극(24)에 인접하게 유동하도록 배향시키기 위해 애노드 전극(24)과 유체 연통하는 애노드 유동장(22)과, 산화제 기류가 연료 전지(12)를 통해 그리고 캐소드 전극(42)에 인접하게 유동하도록 배향시키기 위해 캐소드 전극(42)과 유체 연통하는 캐소드 유동장(40)을 포함하는 연료 전지 동력 장치(10)를 위한 오염물 제거 방법이며,
    a. 연료 전지(12)에 주요 전기 부하(82)를 연결하고, 캐소드 유동장(40)을 통해 산화제의 유동을 배향시키며, 애노드 유동장(22)을 통해 수소 연료의 유동을 배향시킴으로써, 작동 주기 동안 전력을 발생시키도록 연료 전지 동력 장치(10)를 작동시키는 단계와,
    b. 그런 다음, 연료 전지(12)의 최적 전력 발생이 적어도 5%만큼 감소될 때마다, 연료 전지(12)로부터 전기 부하(82)를 연결 해제함으로써 오염물 제거 주기 동안 장치(10)의 연료 전지(12)의 작동을 종결시키는 단계와,
    c. 그런 다음, 애노드 유동장(22)을 통해 수소 연료의 유동을 종결한 후 애노드 유동장(22)을 통해 산소 함유 산화제 기류의 유동을 배향시킴으로써 오염물 제거 주기 동안 연료 전지(12)의 오염물을 제거하는 단계와,
    d. 그런 다음, 애노드 및 캐소드 전극(24, 42)에 직류 전압 공급원(90)을 연결하고, 전극들 사이의 전압 차이가 0.5 볼트로 제한되도록 전극들(24, 42)에의 직류 전압의 인가를 제어하며, 그런 다음, 전압 차이가 0.5 볼트 증가할 때마다, 직류 공급원(90)으로부터 애노드 및 캐소드 전극(24, 42)으로 전류 유동의 방향을 반전시키도록 직류 전압의 인가를 제어하는 단계와,
    e. 전극들(24, 42)에 직류 전압이 인가되는 것을 제어하는 동안, 애노드 유동장(22) 및 캐소드 유동장(40)을 통해 산소 함유 산화제 기류의 최소 유동을 배향하는 단계를 포함하는 연료 전지 동력 장치(10)를 위한 오염물 제거 방법.
  11. 제10항에 있어서, 연료 전지(12)의 오염물 제거 단계 동안, 연료 전지(12)의 애노드 유동장(22) 및 캐소드 유동장(40)을 통해 가열된 산소 함유 산화제의 유동을 배향하기 전에 산소 함유 산화제를 가열하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 동력 장치(10)를 위한 오염물 제거 방법.
  12. 제10항에 있어서, 연료 전지(12)의 오염물 제거 단계 동안, 연료 전지(12)의 애노드 유동장(22) 및 캐소드 유동장(40)을 통해 산소 함유 산화제의 유동을 배향하는 동안 연료 전지(12)를 가열하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 동력 장치(10)를 위한 오염물 제거 방법.
  13. 삭제
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