KR101233875B1 - 연료 전지 장치의 국부적 과열 방지 방법 및 이러한 연료 전지 장치를 구비한 연료 전지 시스템 - Google Patents

연료 전지 장치의 국부적 과열 방지 방법 및 이러한 연료 전지 장치를 구비한 연료 전지 시스템 Download PDF

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Abstract

냉각을 위해 액체 냉각제가 관류하는 연료 전지 장치(2)에서, 본 발명에 따라 연료 전지 장치(2)를 관류한 이후의 냉각제 압력이 사전 설정된 한계값에 도달하거나 미달하는지가 모니터링되며, 이 경우 한계값은 냉각제의 비등 평형 압력보다 크다. 비등 평형 압력에 도달하거나 미달할 경우 증기막 형성으로 인해 연료 전지(3)에 국부적 과열("hot spot")이 발생할 위험이 있다. 냉각제 압력을 모니터링함으로써, 연료 전지 장치(2)에서 상기와 같은 국부적 과열로 인한 손상을 확실히 방지할 수 있다.

Description

연료 전지 장치의 국부적 과열 방지 방법 및 이러한 연료 전지 장치를 구비한 연료 전지 시스템{METHOD FOR PREVENTING LOCAL OVERHEATING IN A FUEL CELL ARRANGEMENT AND FUEL CELL SYSTEM HAVING SUCH A FUEL CELL ARRANGEMENT}
본 발명은 냉각을 위해 냉각제가 관류하는 연료 전지 장치의 국부적 과열을 방지하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 이러한 연료 전지 장치를 구비한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지의 작동 시 생성되는 손실열은 연료 전지의 국부적 과열(소위 "hot spot")을 방지하기 위해 연료 전지의 활성 영역에서 완전히 제거되어야 한다. 이는 연료 전지의 전류 밀도가 높은 경우 연료 전지를 관류하는 액체 냉각제에 의해 가장 효율적으로 이루어진다.
고분자 전해질 멤브레인을 구비한 연료 전지(PEM 연료 전지)의 경우, 높은 비열과, 낮은 전기 도전성과, 양호한 매체 적합성 및 낮은 운영 경비의 이유로 주로 탈이온수가 냉각제로서 사용된다.
연료 전지 장치에서 연료 전지는 주로, 양극판의 중공 챔버를 통해 또는 연료 전지 장치의 소위 냉각 유닛을 통해 냉각제가 유동함으로써 냉각된다. 연료 전지 장치를 통해 유동하는 냉각제는 유동 중에 지속적으로 가열되어, 연료 전지 장치로부터의 배출 시 최고 온도에 이른다. 탈이온수를 냉각제로서 구비한 PEM 연료 전지의 경우 통상적 배출구 온도는 대략 80℃이다.
이러한 온도 상승으로 인해 증기압이 상승한다. 연료 전지에서 냉각제의 작동 압력이 냉각제의 비등 평형 압력에 도달하거나 미달하면, 연료 전지의 활성 영역으로부터 냉각제로의 열 방출에 사용되는 벽과 냉각제의 액체상 사이에 증기막이 형성될 수 있다. 그 결과, 냉각제로의 손실열 전달이 악화되며, 예컨대 PEM 연료 전지의 경우 멤브레인에 구멍이 형성될 때까지 멤브레인을 열적으로 손상시킬 수 있는 국부적 과열("hot spots")이 연료 전지에 발생할 수 있다.
따라서 본 발명의 목적은 상기 유형의 국부적 과열을 방지할 수 있는 방법 및 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 방법에 대한 목적은 청구범위 제1항에 따른 방법에 의해 달성된다. 상기 방법의 바람직한 실시예는 각각 청구범위 제2항 내지 제6항의 대상이다. 연료 전지 시스템에 대한 목적은 청구범위 제7항에 따른 연료 전지 시스템에 의해 달성된다. 연료 전지 시스템의 바람직한 실시예는 각각 청구범위 제8항 내지 제13항의 대상이다.
냉각을 위해 액체 냉각제가 관류하는 연료 전지 장치에서 국부적 과열을 방지하기 위한 본 발명에 따른 방법의 경우, 연료 전지 장치를 관류한 이후의 냉각제 압력이 냉각제의 비등 평형 압력보다 큰, 사전 설정된 한계값에 도달 또는 미달하는지를 모니터링한다. 증기막 형성 및 이로 인한 국부적 과열 방지를 위해서는, 전체 연료 전지 장치에서 냉각제 압력이 비등 평형 압력에 미달하지 않는 것이 필요하다. 이 경우 냉각제 압력은 연료 전지 장치를 관류한 이후 최저가 된다. 연료 전지 장치를 관류한 이후의 냉각제 압력이 모니터링되므로, 연료 전지 장치의 국부적 과열은 확실히 방지될 수 있다. 이 경우 상기 방법은 단 하나의 연료 전지를 구비한 연료 전지 장치뿐만 아니라 복수의 연료 전지들을 구비한 연료 전지 장치에도 적용될 수 있으며 즉, 연료 전지 장치는 단 하나의 연료 전지뿐만 아니라 복수의 연료 전지들도 포함할 수 있다.
이 경우 연료 전지(들)의 활성 영역에 더 가까운 지점에서 냉각제 압력을 측정할수록, 모니터링의 정확도는 더 높아진다. 따라서 연료 전지 또는 연료 전지들로부터 냉각제 배출 채널(이 경우 냉각제는 연료 전지 장치로부터 냉각제 배출 채널을 통해 배출된다)로 냉각제가 배출된 직후 냉각제 압력이 측정되는 것이 장점인데, 그 이유는 한편으로 측정을 위해 요구되는 압력 센서에 대한 접근성이 보장되고 다른 한편으로는 측정된 상기 압력이, 연료 전지로부터 배출되기 직전의 냉각제 압력에 상응하기 때문이다. 연료 전지(들)의 가장 뜨거운 지점과 압력 측정 지점 사이에 경우에 따라 존재하는 압력 손실은 상응하는 보정 인자에 의해 고려될 수 있다. 모니터링의 정확도는, 상기 보정 인자가 연료 전지 출력 및/또는 이에 따른 펌프의 회전수에 따라 결정됨으로써 더욱 향상될 수 있으며, 펌프는 연료 전지 장치를 통해 냉각제를 펌핑한다.
냉각제의 비등 평형 압력이 냉각제의 온도에 따르기 때문에, 한계값은 바람직하게 연료 전지 장치를 관류한 이후의 냉각제 온도에 따라 사전 설정된다. 이로써 모니터링의 정확도는 더욱 향상될 수 있다. 바람직하게는 냉각제 온도 역시 냉각제 배출 채널에서 측정된다. 연료 전지(들)의 가장 뜨거운 지점과 온도 측정 지점 사이에 경우에 따라 존재하는 온도차는 비등 평형 압력 또는 한계값의 결정 시 상응하는 보정 인자에 의해 고려될 수 있다.
상기 방법의 바람직한 실시예에 따라, 한계값에 도달하거나 미달하는 경우 연료 전지 장치로의 반응물의 공급이 차단된다. 이로써 연료 전지에서 전기 화학적 반응이 정지되며 연료 전지 장치에서 냉각제의 증기막 형성이 방지된다. 연료 전지 전압을 모니터링하기 위한 모니터링 장치가 제공되면, 통상적으로 상기 모니터링 장치로 인해 모듈은 불가피하게 차단되게 된다.
대안적으로, 한계값에 도달하거나 미달하는 경우 연료 전지 장치로부터 전기 전류를 공급받는 부하는 감소하거나 심지어 완전히 차단된다.
바람직하게 연료 전지 장치를 통해 관류하는 냉각제는 회로(circulation)에서 연료 전지 장치의 입력 측에 다시 제공되며, 냉각제는 냉각제 펌프에 의해 회로를 통해 펌핑된다.
냉각을 위해 액체 냉각제가 관류할 수 있는 연료 전지 장치를 구비한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 연료 전지 장치를 관류한 이후의 냉각제 압력이, 냉각제의 비등 평형 압력보다 큰 사전 설정된 한계값에 도달하는지 또는 미달하는지 모니터링하기 위한 모니터링 장치를 포함한다.
바람직하게 냉각제 압력을 측정하기 위한 압력 센서는 연료 전지 장치의 냉각제 배출 채널에 배치되는데, 그 이유는 상기 지점에서 한편으로 센서에 대한 접근성이 보장되고 다른 한편으로는 측정된 상기 압력이, 연료 전지 또는 연료 전지들로부터 배출되기 직전의 냉각제 압력에 대략 상응하기 때문이다. 연료 전지(들)의 가장 뜨거운 지점과 압력 측정 지점 사이에 경우에 따라 존재하는 압력 손실은 상응하는 보정 인자에 의해 고려될 수 있다. 모니터링의 정확도는 상기 보정 인자가 연료 전지 출력 및/또는 이에 따른 펌프의 회전수에 따라 결정될 수 있을 때 더욱 향상될 수 있으며 펌프는 연료 전지 장치를 통해 냉각제를 펌핑한다.
바람직하게 모니터링 장치는 연료 전지 장치를 벗어날 때의 냉각제 온도를 측정하기 위한 온도 센서를 추가로 포함하며, 모니터링 장치에서는 측정된 온도에 따라 한계값이 사전 설정될 수 있다. 마찬가지로 냉각제 배출 채널에 온도 센서를 배치하는 것이 바람직하다. 이로써 모니터링의 정확도가 더욱 향상될 수 있다. 연료 전지(들)의 가장 뜨거운 지점과 온도 측정 지점 사이에 경우에 따라 존재하는 온도차는 비등 평형 압력 또는 한계값의 결정 시 상응하는 보정 인자에 의해 고려될 수 있다.
모니터링 장치에는 온도에 따라 한계값을 결정하기 위해, 온도에 대한 비등 평형 압력의 종속성을 나타내는 냉각제의 증기압 곡선이 저장될 수 있다.
사전 설정된 한계값에 도달 또는 미달하는 경우 연료 전지 장치로의 반응물 공급이 모니터링 장치에 의해 차단될 수 있는 것이 장점이다. 연료 전지 전압을 모니터링하기 위한 모니터링 장치가 제공되면, 통상적으로 상기 모니터링 장치로 인해 모듈은 불가피하게 차단되게 된다.
대안적으로, 사전 설정된 한계값에 도달하거나 미달하는 경우, 연료 전지 장치로부터 전기 전류를 공급받는 부하는 모니터링 장치에 의해 감소하거나 심지어 완전히 차단될 수 있다.
이 경우 연료 전지 시스템은, 연료 전지 장치를 통해 유동하는 냉각제가 연료 전지 장치의 입력 측에 다시 제공될 수 있도록 하는 냉각제 회로를 포함할 수 있으며, 회로에는 회로를 통해 냉각제를 펌핑하기 위한 냉각제 펌프가 배치된다.
본 발명에 따른 방법 및 그 바람직한 실시예를 위해 언급한 고려 사항들 및 장점들은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템과 그 바람직한 실시예들에 상응하게 적용된다.
본 발명과, 청구범위 종속항의 특징에 따른 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예들은 이하에서 도면에 도시된 실시예들을 기초로 더 자세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 제1 실시예의 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 제2 실시예의 도면이다.
도 1에 간단히 개략적으로 도시된 연료 전지 시스템(1)은 연속적으로 적층된 PEM 연료 전지(3)의 블록(2')을 포함하는 연료 전지 장치(2)를 포함하며, 냉각제는 연료 전지들을 동시에 관류할 수 있다.
개별 연료 전지(3)로의 냉각제의 공급은 냉각제 분배 채널(4)에 의해 실행되고, 연료 전지(3)로부터의 냉각제의 배출은 냉각제 수집 채널(5)에 의해 실행된다.
이 경우 냉각제는 회로(6) 내에서 안내되며 즉, 수집 채널(5)에 의해 연료 전지 장치로부터 배출될 수 있는 냉각제는 회로(6)를 통해 연료 전지 장치(2)에 즉, 냉각수 분배 채널(4)에 다시 제공될 수 있다. 회로(6)에 배치된 냉각제 펌프(7)는 회로(6)를 통한 냉각제의 펌핑에 사용된다. 냉각제 펌프(7)의 토출 용량은 가변 회전수의 엔진에 의해 제어될 수 있다. 냉각제의 냉각을 위해 회로(6)에 배치된, 예컨대 열 교환기와 같은 또 다른 부품들은 도면의 간략화를 위해 도시하지 않는다.
모니터링 장치(8)는, 연료 전지 장치(2)를 관류한 이후의 냉각제 압력이 냉각제의 비등 평형 압력보다 더 큰, 사전 설정된 한계값에 도달하거나 미달하는지를 모니터링하기 위해 사용된다. 이를 위해 모니터링 장치(8)는 압력 센서(9)와 온도 센서(10)를 포함하며, 상기 센서들은 실제 연료 전지 스택의 외부에서 냉각제 수집 채널(5)의 출력 측 단부에 배치되는데 즉, 연료 전지 장치(2)로부터의 냉각제 배출에 사용되는 수집 채널(5)을 냉각제가 벗어나기 직전의 지점에 배치된다. 상기 지점에는 연료 전지(3)의 활성 영역으로부터의 배출 시 냉각제 온도에 대략 상응하는 냉각제 온도가 제공된다.
모니터링 장치(8)에서는 측정된 온도와 안전성 여유도(safety margin)에 따라 압력에 대한 한계값이 사전 설정될 수 있다. 이를 위해서는 측정된 온도에 대한 비등 평형 압력의 종속성을 나타내는 증기압 곡선이 모니터링 장치(8)에 저장된다. 연료 전지(3)의 가장 뜨거운 지점과 압력 센서(9) 또는 온도 센서(10)의 지점 사이에 경우에 따라 존재하는 압력 손실 및 온도차는 한계값의 결정 시 상응하는 보정 인자에 의해 고려될 수 있다.
압력 센서(9)에 의해 측정된 냉각제의 압력이 결정된 한계값에 미달하면, 모니터링 장치에 의해 반응물 공급 밸브(11, 12)가 폐쇄되므로 연료 전지 장치(2)로의 반응물의 공급 즉, 본원에서는 수소(H2)와 산소(O2)의 공급이 차단될 수 있다.
연료 전지 시스템(1)의 작동 시 액체 냉각제, 예컨대 탈이온수는 분배 채널(4)을 통해 연료 전지 장치(2)의 연료 전지(3)를 통과하여 평행하게 유동한다. 연료 전지 장치(2)를 벗어날 때의 냉각제 온도와, 저장된 증기압 곡선과, 경우에 따라서는 안전성 여유도에 기초해서, 연료 전지 장치를 벗어날 때의 냉각제 압력에 대한 한계값이 모니터링 장치(8)에 의해 결정되며 상기 한계값은 냉각제의 비등 평형 압력보다 크다. 연료 전지 장치(2)를 벗어날 때의 냉각제의 압력이 상기 한계값에 미달하는지가 모니터링된다.
한계값에 미달하는 경우 연료 전지 장치(2)에는 냉각제의 증기 형성의 위험이 있으므로, 전지(3)에 국부적 과열이 발생함으로써 전지의 멤브레인이 손상될 수 있다. 이는 한계값이 미달되는 경우 연료 전지 장치(2)로의 반응물의 공급이 모니터링 장치(8)에 의해 차단됨으로써 방지된다.
도 2에 도시된 연료 전지 시스템(20)은, 냉각제의 압력에 대한 한계값이 미달되는 경우 연료 전지 장치(2)로의 반응물의 공급이 차단되는 것이 아니라, 연료 전지 장치(2)로부터 전기 전류를 공급받는 부하(21)가 감소한다는 점에서 도 1에 도시된 연료 전지 시스템(1)과 구별된다.
전기 부하(21)의 감소는 모니터링 장치(8)에 의해 제어 라인(23)을 통해 이루어진다.

Claims (13)

  1. 냉각을 위해 탈이온수가 관류하는 연료 전지 장치(2)에서 국부적 과열을 방지하기 위한 방법에 있어서,
    연료 전지 장치(2) 내의 증기막 형성을 방지하기 위해, 연료 전지 장치(2)를 관류한 이후의 탈이온수 압력이 탈이온수의 비등 평형 압력보다 큰, 사전 설정된 한계값에 도달하거나 미달하는지를 모니터링하며,
    사전 설정된 한계값에 도달하거나 미달하는 경우,
    연료 전지 장치(2)로의 반응물(H2, O2)의 공급이 차단되는 단계 및
    연료 전지 장치(2)로부터 전기 전류를 공급받는 부하(21)가 감소하거나 차단되는 단계
    중 하나 이상의 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 장치의 국부적 과열 방지 방법.
  2. 제1항에 있어서, 탈이온수 압력은 연료 전지 장치(2)로부터 탈이온수가 배출되는데 사용되는 냉각제 배출 채널(5)에서 측정되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 장치의 국부적 과열 방지 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 압력에 대한 한계값은 연료 전지 장치(2)를 관류한 이후의 냉각제 온도에 따라, 사전 설정되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 장치의 국부적 과열 방지 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 연료 전지 장치(2)를 통해 관류하는 탈이온수는 회로(6)에서 연료 전지 장치(2)의 입력 측에 다시 제공되며, 탈이온수는 냉각제 펌프(7)에 의해 회로(6)를 통해 펌핑되는 것을 특징으로 하는, 연료 장치의 국부적 과열 방지 방법.
  7. 냉각을 위해 탈이온수가 관류할 수 있는 연료 전지 장치(2)를 구비한 연료 전지 시스템(1)에 있어서,
    연료 전지 장치(2) 내의 증기막 형성을 방지하기 위해, 연료 전지 장치(2)를 관류한 이후의 탈이온수 압력이 탈이온수의 비등 평형 압력보다 큰, 사전 설정된 한계값에 도달하거나 미달하는지를 모니터링하기 위한 모니터링 장치(8)가 제공되며,
    사전 설정된 한계값에 도달 또는 미달하는 경우 모니터링 장치는,
    연료 전지 장치(2)로의 반응물(H2, O2) 공급을 차단하는 동작 및
    연료 전지 장치(2)로부터 전기 전류를 공급받는 부하(21)를 감소시키거나 차단하는 동작
    중 하나 이상의 동작을 수행할 수 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 탈이온수 압력을 측정하기 위한 압력 센서(9)가 연료 전지 장치(2)의 냉각제 배출 채널(5)에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 모니터링 장치(8)는 연료 전지 장치(2)를 관류한 이후의 탈이온수의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(10)를 포함하며, 모니터링 장치(8)에서는 측정된 온도에 따라 압력에 대한 한계값이 사전 설정될 수 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 모니터링 장치(8)에는 온도에 따라 한계값을 결정하기 위해, 온도에 대한 비등 평형 압력의 종속성을 나타내는 탈이온수의 증기압 곡선이 저장되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제7항 또는 제8항에 있어서, 연료 전지 장치(2)를 통해 관류하는 탈이온수가 연료 전지 장치(2)의 입력 측에 다시 제공될 수 있도록 하는 냉각제 회로(6)가 제공되며, 회로(6)에는 회로(6)를 통해 탈이온수를 펌핑하기 위한 냉각제 펌프(7)가 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
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