KR101532398B1 - 시스템 정지시 캐소드 퍼지되는 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 전지 스택(110)을 포함한 연료 전지 시스템(100)의 작동을 정지시키는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 ⅰ) 상기 연료 전지 스택(110)으로의 연료의 공급을 종료하는 단계, ⅱ) 상기 연료 전지 스택(110)을 통과하는 캐소드 유체 유로를 포함한 상기 연료 전지 시스템(100)의 캐소드 시스템과 유체 소통되어지도록 연결된 배출 라인(122) 상의 차단 밸브(120)를 닫는 단계, ⅲ) 상기 연료 전지 스택(110)의 캐소드 공기 입구 포트(126)와 유체 소통되어지도록 연결된 공기 압축기(133)를 사용하여 상기 캐소드 시스템를 가압하는 단계, ⅳ) 상기 캐소드 유로로부터 물을 방출하는 단계를 포함한다.

Description

시스템 정지시 캐소드 퍼지되는 연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM WITH CATHODE PURGE UPON SHUT-DOWN}
본 발명은 연료 전지 시스템의 작동 및 연료 전지 시스템에 관련된 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 배타적이지는 않지만 연료 전지 시스템을 정지시키기 위한 방안에 관한 것이다.
예컨대 프로톤 교환막(proton exchange membrane, PEM)을 기반으로 하는 연료 전지 스택을 포함하는 본 명세서에 설명되는 시스템 형태의 연료 전지 시스템의 작동에는 물이 필수적이다. 애노드 유로(anode flow path)로부터 PEM을 통해 운반된 프로톤(수소 이온)과 캐소드 유로(cathode flow path)에 존재하는 산소와의 반응은 물을 발생시킨다. 과잉의 물은 범람 및 그에 따른 성능 저하를 방지하기 위해 연료 전지 스택으로부터 제거될 필요가 있다. 그러나, 연료 전지의 최적 성능을 달성하기 위해서는 PEM의 수소화(hydration)를 유지하도록 적어도 캐소드 유로에 일정량의 물이 존재할 필요가 있다. 일정한 계획에 따라 물을 주입 및 제거하여 물을 관리하는 것은 또한 연료 전지 스택으로부터의 과잉의 열을 제거하기 위한 유용한 메카니즘을 제공할 수 있다.
성능을 최적화하기 위해, 물을 연료 전지 스택의 캐소드 유로 안으로 주입함으로써 이러한 연료 전지 시스템에서 물이 의도적으로 채용될 수 있다. 이러한 물 주입 연료 전지 시스템은 별도의 냉각 채널을 채용하는 다른 유형의 연료 전지 시스템에 비해 크기 및 복잡도가 감소하는 잠재적인 장점을 갖는다. 물은 예컨대 영국 특허 GB2409763에 기술된 바와 같이 물 분배 다기관을 통해 캐소드 유로 내에 직접 주입될 수도 있다.
물 주입 시스템의 경우에는, PEM의 오염 및 그로 인한 연료 전지 스택 성능 저하를 방지하기 위해, 캐소드 유로 내로 귀환 공급되는 어떠한 물도 높은 순도를 갖는 것이 중요하다. 그러나, 이러한 높은 순도 조건은 물의 어는점을 낮추기 위한 첨가제가 사용될 수 없다는 것을 의미한다. 구체적으로, 자동차 응용장치의 경우, 어는점 아래 통상적으로는 -20℃의 낮은 온도에서부터 내지 연료 전지가 실제로 사용될 수 있는 반복적인 환경까지 시동하는 것을 포함한 여러 조건이 있다. 고순도의 물이 0℃(1 bar의 기압에서)의 어는점을 가지므로, 연료 전지 시스템에 잔류되는 어떠한 물도, 충분한 시간이 주어지면, 연료 전지의 작동 종료 후에 얼게 될 것이다.
연료 전지 시스템 내의 얼음, 구체적으로는 캐소드 유로 내의 얼음은 연료 전지 스택이 적합하게 작동하는 것을 방해하거나 또는 심지어는 연료 전지 시스템이 전혀 작동하지 않도록 할 수 있다. 캐소드 유로의 어떠한 부분이 얼음으로 차단되면, 공기가 캐소드를 통과할 수 없고, 연료 전지가 어는점보다 높게 자체 가열할 수 없게 될 수도 있다. 그러므로, 전체 스택을 가열시키는 다른 방법이 필요하게 될 것이고, 이것은 연료 전지가 전기 동력의 공급을 개시하여 스스로 가열할 수 있게 되기 전에 외부 동력의 소모를 필요로 할 것이다.
US 6479177에 기술된 바와 같이, 연료 전지 스택의 차단시 퍼지(purge) 작용이 사용될 수 있다. 상기 기술문헌은 캐소드 유로로부터 분리된 물 냉각 경로를 포함하는 연료 전지 스택을 개시하고 있다. 가압 건성 질소 공급부가 연료 전지 스택의 온도를 어는점 밑으로 떨어뜨리기 전에, 연료 전지 스택으로부터의 물을 퍼지하는 데에 사용된다. 그러나, 이러한 방법은 차량 분야에 이용할 수 없거나 심지어는 바람직하지 않는 가압 질소의 공급을 필요로 한다.
본 발명의 목적은 상술한 문제들 중 하나 이상을 다루는데 있다.
제1 태양에 있어서, 본 발명은 연료 전지 스택을 포함한 연료 전지 시스템의 작동을 정지(shut-down)시키는 방법을 제공하는 것으로, 상기 방법은 ⅰ) 연료 전지 스택으로의 연료 공급을 종료하는 단계, ⅱ) 연료 전지 스택을 통과하는 캐소드 유체 유로를 포함한 연료 전지 시스템의 캐소드 시스템과 유체 소통되어지도록 연결된 배출 라인 상의 차단 밸브를 닫는 단계, ⅲ) 연료 전지 스택의 캐소드 공기 유입 포트와 유체 소통되어지도록 연결된 공기 압축기를 사용하여 캐소드 시스템을 가압하는 단계, ⅳ) 캐소드 유로로부터 물을 방출하는 단계를 포함한다.
제2 태양에 있어서, 본 발명은 연료 전지 시스템을 제공하는 것으로, 상기 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택과, 캐소드 공기 입구 라인, 연료 전지 스택 내의 캐소드 용적부 및 캐소드 출구 라인이 직렬로 연결되어, 공기가 연료 전지 스택을 통과할 수 있도록 하는, 캐소드 유체 유로를 포함한 캐소드 시스템과, 캐소드 공기 입구 라인과 유체 소통되어지도록 연결된 공기 압축기와, 물 귀환 라인을 통해 캐소드 유로로부터 물을 수용할 수 있는 단열 저장 용기를 포함하는 바, 상기 연료 전지 시스템은 시스템 작동 정지시 캐소드 유로로부터 물 귀환 라인을 통해 저장 용기로 물을 방출할 수 있다.
제3 태양에 있어서, 본 발명은 역류 방지 안전 밸브를 제공하는 것으로, 상기 역류 방지 안전 밸브는 제1 공급 포트와, 제2 공급 포트와, 제1 공급 포트와 제2 공급 포트 사이에 연장되는 주 유체 경로 내에 위치되어, 유체를 제1 공급 포트에서 제2 공급 포트로 유동시키고, 역방향으로의 유체의 유동을 막을 수 있는, 체크 밸브와, 주 유체 경로와 유체 소통되어지도록 연결된 바이패스 유체 경로(bypass fluid passage)와, 바이패스 유체 경로와 퍼지 포트 사이의 바이패스 유체 경로의 일 단부에 대항하여 위치되는 실링 밸브(sealing valve)를 포함하는 바, 상기 실링 밸브는 바이패스 유체 경로를 통해 주 유체 경로로부터 퍼지 포트로 유체가 유동하는 것을 방지하기 위하여 제1 공급 포트 내의 유체 압력이 제2 공급 포트의 유체 압력을 초과할 때 바이패스 유체 경로에 대해 밀폐를 유지할 수 있고, 제2 공급 포트의 유체 압력이 제1 공급 포트의 유체 압력을 초과할 때 바이패스 유체 경로를 통해 제2 공급 포트로부터 퍼지 포트로 유체가 유동할 수 있도록 한다.
제4 태양에 있어서, 본 발명은 연료 전지 시스템을 제공하는 것으로, 상기 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택과, 캐소드 공기 입구 라인, 연료 전지 스택 내의 캐소드 용적부 및 캐소드 출구 라인이 직렬로 연결되어, 공기가 연료 전지 스택을 통과할 수 있도록 하는, 캐소드 유체 유로를 포함한 캐소드 시스템과, 물 분리기와 직렬로 캐소드 유체 유로의 캐소드 출구 라인에 연결된 열 교환기를 포함하는 바, 상기 물 분리기의 물 배출 출구 라인이 제1 물 귀환 라인에 의해 물 저장 용기에 연결된다.
도 1은 전체 연료 전지 시스템 내부의 다양한 구성요소의 배치의 계통도를 나타낸다.
도 2는 전형적인 물 저장 용기(water containment vessel)의 계통도를 나타낸다.
도 3은 전형적인 역류 방지 안전 밸브의 절개 사시도를 나타낸다.
도 4a 및 도 4b는 도 3의 역류 방지 안전 밸브의 작용을 개략적으로 나타낸다.
도 5a 및 도 5b는 캐소드 출구 스트림 액체 분리(cathode exit stream liquid separation)에 대한 2가지 대안적인 구성을 개략적으로 나타낸다.
다음으로, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 예시를 통해 설명하기로 한다.
도 1은 연료 전지 스택(110) 및 다른 관련 부품을 포함하는 일례의 연료 전지 시스템(100)의 개략도이다. 연료 전지 스택(110)은 이 연료 전지 스택을 통과하는 캐소드 유로를 가지며, 이 캐소드 유로는 공기 유입구 라인(123)에 도달하여 캐소드 공기 유입구(126)에서 연료 전지 스택 내로 진입하는 공기 유입구(124)를 포함한다. 연료 전지 스택(110) 내에서 내부 캐소드 용적부(도시하지 않음)를 통과한 후, 캐소드 유로는 연료 전지 스택(110)을 빠져나와 캐소드 출구 라인(121) 내로 진입하고 캐소드 배출 라인(122) 및 배출 차단 밸브(120)를 경유하게 된다. 정상적인 작동 동안에는, 배출 차단 밸브(120)는 부분적으로 또는 전체적으로 개방되어 있다. 냉각 팬(139)이 연관되어 있는 열교환기(130) 및 물 분리기(131)와 같은 각종 부품이, 캐소드 유로에서 캐소드 출구 라인(121) 및 캐소드 배출 라인(122)에 또는 그 일부분에 연결될 수도 있다. 온도 센서(TX1, TX2, TXx3, TX5) 및 압력 센서(PX1, PX2) 또한 제공될 수 있으며, 이들은 캐소드 유로의 유입구 라인(123) 및 출구 라인(121)을 모니터하도록 적합한 장소에 연결된다.
제공된 관점에서의 "캐소드 시스템"이라는 표현은, 연료 전지 스택 내의 캐소드 용적부와 연관되는 연료 전지 시스템(100)의 이들 캐소드 시스템을 포괄하는 것으로 이해될 수 있다. 이들은, 유입구, 유출구, 내부 유로, 및 물 분배 구조체 등의 연료 전지의 각종 내부 부품뿐만 아니라, 유체 및 가스 양자를 위한 각종 유입구, 유출구, 재순환 라인, 및 배출 라인 등의 캐소드 용적부와 유체 방식으로 연통하는 부품을 포함한다. "캐소드 유로"라는 용어는, 공기 유입구(124)로부터 공기 압축기(133), 유입구 라인(123), 연료 전지 스택(110)의 캐소드 용적부, 및 캐소드 출구 라인(121)을 경유하는 유체 유로를 포함하는 캐소드 시스템의 서브세트를 포괄하는 것으로 이해될 수 있다. "애노드 시스템" 및 "애노드 유로"라는 용어는 애노드 용적부와 관련된 연료 전지 시스템(100)의 각종 부품을 참조하여 마찬가지로 해석될 것이다.
캐소드 공기 유입구 라인(123)에 연결된 공기 압축기(133)는 캐소드 유로에 압축 공기를 제공한다. 공기 유입구 열교환기(134), 유량 계측기(135), 하나 이상의 공기 필터(136, 137), 및 공기 히터(138)와 같은 다른 부품이 공기 유입구(124)와 연료 전지 스택(110) 사이의 캐소드 유입구 라인(123)에 제공될 수도 있다. 공기 유입구 열교환기(134)는 연료 전지 시스템(100)의 작동 동안 냉각제 라인(141)으로부터의 냉각제로 공기 압축기(133)로부터의 공기를 예열하기 위해 냉각제 라인(141), 3-방향 밸브(142), 및 온도 센서(TX7)와 함께 사용될 수 있다. 공기 유입구 열교환기(134)를 통과하는 냉각제 라인(141)은 공기 압축기(133) 이후의 에어 스트림으로부터 열을 추출하도록 구성된 별도의 냉각 회로를 형성한다. 이 냉각제 라인(141)은, 연료 전지 시스템(100)의 시동 동안 캐소드 공기 유입구 라인(123)에서의 공기 유입 스트림으로부터 열을 추출하는 것을 방지하기 위해, 연료 전지 스택(110)이 정상 작동 온도에 도달한 후에 작동되는 것이 바람직하다. 냉각제 라인(141)에서의 냉각제의 우회는 3-방향 밸브(142)의 사용을 통해 달성될 수 있으며, 이에 의해 냉각제가 열교환기(134)로 전달되는지의 여부에 대한 제어가 가능하게 된다. 냉각제 라인(141)이 캐소드 시스템에 공급되는 물과는 분리되어 있으므로, 고순도 물에 대한 조건이 전술한 것과 상이하게 된다. 따라서, 냉각제 라인(141)에 사용되는 냉각제는 사용되는 냉각제의 어는점을 낮추기 위해 글리콜과 같은 첨가제를 포함할 수도 있다.
대표적으로 수소와 같은 기체 상태의 연료가 압력 감소 밸브(151) 및 바람직하게는 평상시 닫혀 있는 솔레노이드 작동식 밸브(normally closed solenoid-actuated valve) 형태의 작동식 밸브(152)를 경유하여 연료 전지 시스템에 주입된다. 연료 공급부(150)는, 수소 가스 형태일 경우에는, 예컨대 차량의 후방측을 향하여 가압 탱크의 형태로 통상적으로 연료 전지 시스템으로부터 원거리에 위치된다. 추가의 솔레노이드 작동식 밸브(153) 및 압력 감소 밸브(154)가 연료 공급부(150)와 연료 전지 스택(110)의 애노드 유입구(156) 사이의 애노드 유로의 연료 유입구 라인(155)에서 연료 전지 스택(110)에 더 인접하여 제공될 수 있다. 따라서, 연료 공급부 부근에 한 세트의 밸브(151, 152)와 연료 전지 스택(110)에 근접한 다른 세트의 밸브(153, 154)로 이루어진 2개의 별도 세트의 밸브가 애노드 유입구(156)에 도달하는 형태로 제공되며, 그 사이에는 중간 가압 연료 라인(119)을 갖는다. 압력 감소 밸브(154)는 물을 사용하지 않는 연료 가스(dry fuel gas)의 압력을 연료 전지 스택(110)에 주입하기에 적합한 레벨로 조절한다. 압력 감소 밸브(154)는 사전 설정된 압력 설정치가 적용되는 수동 장치인 것이 바람직하지만, 능동적으로 제어되는 장치가 사용될 수도 있다. 연료 히터(145)가 필요에 따라 예컨대 도 1에 도시된 바와 같이 가압 연료 라인(119)에서 작동식 밸브(153) 앞에 제공되거나, 또는 이와 달리 연료 유입구 라인(155)에서 압력 감소 밸브(154)의 앞과 뒤 중의 하나에 제공될 수도 있다.
추가의 작동식 밸브(161)가 애노드 출구 라인(165)에 제공된다. 솔레노이드를 통한 전류의 통과에 의한 밸브(152, 153, 161)의 작동이 특정한 정도의 가열을 제공할 것이지만, 각각의 작동식 밸브(152, 153, 161)는 밸브를 필요한 만큼 제상(defrost)하기 위해 국부적 히터 수단이 제공될 수 있다. 바람직하게는, 각각의 작동식 밸브(152, 153, 161)는 안전장치가 되어 있도록(fail-safe) 구성된다. 즉, 솔레노이드를 통과하는 전류에 의해 작동될 때에만 개방할 것이다.
애노드 유로 내의 연료의 압력을 모니터 및 경감하기 위해, 압력 센서(PX1) 및/또는 압력 경감 밸브(157)가 제공될 수 있다. 압력 경감 밸브(157)는 애노드 유로 내의 압력이 안전 작동 레벨을 초과할 때에 개방되어 압력 경감 배출 라인(158)을 통해 애노드 유로로부터 유체를 방출하도록 설정되는 것이 바람직하다.
애노드 출구 라인(165)에 추가의 수동 작동 밸브(162)가 제공될 수 있으며, 이 밸브(162)는 예컨대 애노드 유로의 감압(depressurisation)을 보장하기 위해 서비스 동안 사용된다. 연료 전지 스택(110)의 애노드 유로에서의 물의 형성(water build-up)은 예컨대 캐소드측으로부터의 PEM을 통한 물의 확산의 결과로서 발생할 수 있다. 그 결과, 애노드 배출 물 분리기(163)가 애노드 배출 라인(164)에 제공되어 애노드 배출 라인(164)에 제공된 어떠한 물을 분리할 수 있다. 이 물은 방출되거나 또는 필요한 경우 재순환될 수 있다. 연료 전지 스택(110)의 작동 동안, 밸브(161)는 통상적으로 닫힌 상태로 유지되며, 애노드 유체 경로로부터의 어떠한 증가된 물을 방출하기 위해 단속적으로만 개방된다.
캐소드 물 주입 라인(125)에 연결된 애노드 물 주입 유입구(127)가 연료 전지 스택(110)에 제공된다. 캐소드 물 주입 라인(125)이 그 길이의 일부 또는 전체를 따라 가열될 수 있으며, 물 저장 용기(140) 및 캐소드 물 주입 유입구(127) 사이에 연장한다. 캐소드 물 주입 유입구(127)를 향해 주입 라인(125)을 통과하는 물을 가열하기 위해 주입 라인(125)의 특정 영역에 열을 가하도록 히터(129)가 제공될 수 있다. 동작 동안 주입 라인(125) 상의 배압(back-pressure)을 모니터하기 위해 캐소드 물 주입 라인(125)에 추가의 압력 센서(PX4)가 제공될 수 있다.
캐소드 출구 라인(121)으로부터의 물은 필요한 경우 히터(143)가 설치된 물 펌프(132)로 펌핑되어 물 귀환 라인(128)을 통해 물 저장 용기(140)를 향하게 되는데, 이의 구체적인 설명은 도 2를 참조로 하여 이하에서 제공된다. 과잉의 물은 연료 전지 시스템(100)으로부터 물 오버플로우 라인(144)을 통해 물 저장 용기(140)의 외부로 방출된다.
도 2는 도 1의 물 저장 용기(140)의 개략적인 단면도를 나타내고 있다. 물 저장 용기(140)는 단열 벽(210) 및 리드(lid)(211)를 포함하며, 이 리드(211) 또한 단열될 수 있다. 바람직하게, 물 저장 용기(140)의 단열 벽(210)은 2개의 벽 사이에 공기 또는 발포 폴리스티렌(expanded polystyrene)과 같은 진공 또는 기타 단열 층을 갖는 2중 벽 구조로 되어 있다. 단열 벽(210)의 내측면(215)은 스테인레스강과 같은 내부식성 재료로 이루어질 수 있어서, 물 저장 용기 내의 물(212)의 오염을 방지할 수 있다.
리드(211)의 목적은 물 저장 용기(140) 내에 수납된 다양한 요소에 대한 연결을 허용하면서, 우수한 단열도를 유지하는데 있다. 통상적으로, 리드(211)는 추가의 단열 발포층을 포함한 유리 강화 나일론으로 제조되어진다. 라인(125, 144, 128)을 통과시킬 수 있는 리드의 포트는, 시스템의 정지시, 잔류하는 모든 물이 물 저장 용기 안으로 역류하도록 바람직하게 구성될 수 있다. 이는 직경이 적당히 큰 파이프의 사용을 수반하므로, 상기 파이프의 내부 보어를 채워 상기 라인을 막히게 할 물방울이 형성되지 않는다. 바람직하게, 리드에는 어떠한 고정 장치(fittings)도 사용되지 않기 때문에, 리드(211)를 관통하는 파이프는 예리한 만곡부를 포함하지 않는다. 따라서, 일반적인 관점에서, 물 저장 용기(140)와 캐소드 물 주입 입구부(cathode water injection inlet)(127) 사이에 연장되는 물 주입 라인(125), 및 캐소드 출구 라인(cathode exit line)(121)과 물 저장 용기(140) 사이에 연장되는 배출 라인(exhaust line)(128)은 모두 내부 보어를 갖는 파이프를 포함하는 바, 캐소드 시스템으로부터 물이 방출된 후 물방울은 상기 보어에 채워지지 않는다.
물 저장 용기(140) 내의 온도 조절식 가열 요소(236)가 어는 점 이상으로 물 저장 용기(140) 내의 물(212)의 온도를 유지시킬 수 있다. 수위 센서(233)가 물 저장 용기 내에서의 물(212)의 수위를 나타내는 신호를 제공한다. 더욱 신속한 가열을 공급하여 결빙된 물(212)을 해동하기 위해, 온도 조절식 가열 요소(235) 외에도, 히터(237)가 설치된다. 물의 상태를 고상에서 액상으로 바꾸는데 필요한 에너지 요구량 때문에, 일반적으로 상기 히터(237)는 온도 조절식 가열 요소(236)보다 더 높은 정격 전력, 예컨대 약 180W 이상의 정격 전력을 필요로 한다. 온도 조절식 가열 요소(236)는 물 저장 용기(140) 내의 물(212)의 온도가 세트 포인트(set point) 이상에서 유지되는 것을 보장하도록 되어 있다. 이러한 세트 포인트는, 물이 결빙되지 않도록 하기 위해, 통상 5℃이다. 온도 조절식 가열 요소(236)는 12V 전원 공급 장치에 의해 구동되며, 소정의 기간 동안 작동하도록 설정될 수 있다. 따라서, 이러한 기간 동안에, 물 저장 용기 내의 물이 액상으로 유지되는 것이 보장될 수 있다. 장기간 영하의 대기 온도에서, 온도 조절식 가열 요소(236)의 배터리 전원을 절약하기는 불가능하다. 그렇게 되면, 물(212)은 결빙되어, 고전력의 히터(237)를 통해 해동해야 할 것이다. 온도 조절식 히터는, 최대 열 출력이 물 저장 용기로부터의 최대 정격 손실보다 약간 더 크도록, 통상 정격 전력을 갖는다. 통상적인 정격 전력은 2W 내지 4W의 범위에 있다.
수중 서미스터를 바람직하게 포함할 수 있는 온도 센서(TX4)가 물 저장 용기(140) 내의 물(212)의 온도를 감지할 수 있도록 설치된다.
오버플로우 라인(overflow line)(144)이 설치되어, 물 저장 용기 내의 물의 수위가 미리 설정된 양을 초과하는 경우 저장 용기로부터 과잉의 물을 방출한다.
물 귀환 라인(water return line)(128)으로부터의 물이 필터(234)를 통해 물 저장 용기(140)에 유입된다. 펌프(230, 231, 240)가 또 다른 필터(214)와 역류 방지 안전 밸브(213)를 거쳐 물 저장 용기(140)로부터 캐소드 물 주입 라인(125)으로 물(212)을 펌프한다. 유량계(235)가 캐소드 물 주입 라인(125)을 통과하는 물의 양을 측정할 수 있다.
바람직하게, 펌프는 동력부(231)가 물 저장 용기(140)의 저장 용적부 외부에 위치되어 물 자장 용기 내부의 물(212)과 직접 접촉하지 않도록 구성될 수 있다. 동력부(231)와 펌프 헤드(230) 사이의 샤프트(240)에 의해, 동력부(231)가 펌프 헤드(230)를 구동시킬 수 있다. 적어도 입구, 출구 및 임펠러를 포함한 펌프 헤드는, 결빙된 물 속에 잠겨진 후 물이 해동되면 펌프가 다시 작동할 수 있도록, 바람직하게 구성될 수 있다. 바람직하게, 동력부(231)는 영하의 온도에서도 작동될 수 있을 것이다.
펌프 헤드(230)는 물 저장 용기(140) 내의 물(212) 속에 잠겨지도록 위치된다. 이러한 장점으로는, 특히 시스템 정지 후 물(212)이 플라스크 내에 유지되어 있는 경우, 펌프 헤드(230)가 시스템 정지 동안 퍼지되거나, 시스템 개시 동안 가열될 필요 없다는 것이다. 바람직하게, 펌프 헤드(230)는 저열질량을 가질 수 있다. 펌프 헤드(230) 내의 얼음의 해빙은 물이 해동할 때 주변 물로부터 전달된 열에 의해 이루어진다. 또한, 바람직하게는, 펌프 헤드(230)는 얼음 생성으로 인한 팽창을 조절하도록 되어 있다. 얼음이 해빙되면, 펌프 헤드(230)는 그 작동이 손상되지 않고 원래의 형태로 복귀된다.
역류 방지 안전 밸브(213)는, 펌프가 작동할 때, 물이 펌프 헤드(230)로부터 캐소드 물 주입 라인(125)을 지나 캐소드 물 주입 입구부(127) 쪽으로 흐를 수 있게 하여, 상기 밸브에 걸쳐 유동 방향으로 압력 강하가 발생된다. 그러나, 펌프가 정지되어, 캐소드 물 주입 라인(125) 내의 압력이 상승되면, 상기 밸브(213)에 의해 물이 퍼지 포트(purge port)(238)를 지나 물 저장 용기(140)로 역유동할 수 있다.
역류 방지 안전 밸브(213)의 목적은 시스템(100)의 정지 동안 물이 연료 전지 스택(110) 및 연결 라인으로부터 물 저장 용기(140)로 다시 유입될 수 있도록 하는데 있다. 캐소드 배출 밸브(120)를 닫으면, 연료 전지 스택(110) 내의 물은 공기 압축기(133)로부터 배압을 받으며 다시 연료 전지 스택(110)의 안에서 밖으로 캐소드 물 주입 입구부(127)를 지나 물 주입 라인(125)을 거쳐 물 저장 용기(140) 쪽으로 보내질 수 있다. 그러나, 만일 저장 용기 내에 역류 방지 안전 밸브(213) 없이 기어 펌프가 사용된다면, 펌프 헤드(230)를 통해 물을 다시 밀어내는데 필요한 압력으로 인해 물은 유동하지 않을 것이다. 따라서, 역류 방지 안전 밸브(213)는 정상 작동시 물이 상기 역류 방지 안전 밸브를 통해 펌프에서 연료 전지 스택(110)으로 유동하도록 구성된다. 펌프 헤드(230)가 작동되지 않을 경우 저배압(예컨대, 약 300mBar.g)을 받게 되면, 격막이 열려, 물이 퍼지 포트(238)를 통해 플라스크로 다시 유입될 수 있다.
역류 방지 안전 밸브(213)의 전형적인 실시예가 도 3에서 절개 단면도로 도시되어 있다. 정상 작동시, 물은 역류 방지 안전 밸브(213)를 통해 물 저장 용기(140)로부터 화살표(301)의 방향으로 유동한다. 물은 제1 공급 포트(314)를 거쳐 체크 밸브(213)을 지나, 제2 공급 포트(320)을 통해 역류 방지 안전 밸브(213)의 외부로 유동하여 캐소드 물 주입 라인(125)으로 향한다.
제1 공급 포트(314)에서의 물의 압력은 연결 통로(313), 및 예컨대 격막(321) 형태의 실링 밸브(sealing valve)와 덮개면(323)으로 둘러싸인 캐비티(311)로의 이동 통로(312)를 통해 전달된다. 이렇게 전달된 압력은 바이패스 경로(bypass passage)(318)의 면에 대해 격막(321)의 실링면(317)을 유지하므로, 유체가 제2 공급 포트(320)와 격막(321) 이면의 저압 캐비티(315) 사이를 유동하지 못하게 한다.
일단, 물 저장 용기 펌프(230)가 고장나면, 제1 공급 포트(314)에서의 압력 감소, 및 연료 전지 스택(110)의 캐소드 용적부에서의 압력 상승으로 인한 제2 공급 포트(320)에서의 압력 상승에 의해, 체크 밸브(316)가 닫힐 수 있다. 제2 공급 포트에서의 압력 상승에 의해, 바람직하게 고무와 같은 탄성재로 이루어진 격막(321)은 구부러져, 바이패스 경로(318)와 저압 캐비티(315) 사이의 경로를 개방할 수 있다. 그러면, 물은 제2 공급 포트(320)에서 바이패스 경로(318)를 거쳐 저압 캐비티(315) 안으로 유동하는 한편, 퍼지 경로(322)를 거쳐 퍼지 포트(238)를 지나 역류 방지 안전 밸브(213) 밖으로 방출될 수 있다. 역방향으로의 전체 유동 방향은 화살표(302)로 나타내어진다.
역류 방지 안전 밸브의 구성에 의해, 물이 연료 전지 스택의 캐소드 용적부 및 캐소드 물 주입 라인으로부터 방출될 수 있는 한편, 물 저장 용기(140) 내의 펌프 헤드(230)는 물이 채워질 상태가 될 수 있다. 만일, 물 저장 용기 내의 물(212)이 결빙되어 있지 않으면, 펌프 헤드(230)는 연료 전지 스택(110)의 캐소드 용적부 안으로의 주입을 위해 물을 즉시 펌핑하기 시작할 준비 상태가 된다.
도 4a 및 도 4b는 역류 방지 안전 밸브(213)에 의해 이루어질 수 있는 2가지 상이한 작용 방식을 개략적으로 나타내고 있다. 도 4a에서는 퍼지 작용이 도시되어 있는 바, 여기서는 연료 전지 스택으로부터의 저압 공기가 제2 공급 포트(320)를 통해 역류 방지 안전 밸브(213)로 들어가고, 제1 공급 포트(314)로는 어떠한 유동도 존재하지 않는다. 상기 저압 공기는 격막(321)을 구부러질 수 있게 하여, 물 저장 용기(140)의 저수기로의 운반을 위해 바이패스 경로(318)를 거쳐 퍼지 포트(238)를 통해 밸브 밖으로 방출될 수 있다. 체크 밸브(316)는 제1 공급 포트(314) 쪽으로 유동되지 못하게 한다.
도 4b에서는 역류 방지 안전 밸브(213)의 물 운반 작용이 도시되어 있는 바, 여기서는 물 저장 용기(140)의 저수기로부터 펌핑된 고압수가 제1 공급 포트(314)를 통해 밸브(213)로 들어간다. 연결 경로(313)를 통해 고압 캐비티(311)로 전달되는 압력은 격막(321)을 바이패스 경로(318)에 대해 닫힘 위치로 유지한다. 물은 체크 밸브(316)를 지나 제2 공급 포트(320)를 통해 역류 방지 안전 밸브(213) 밖으로 방출된다. 퍼지 포트(238)를 통해서는 어떠한 유동도 일어나지 않는다.
도 5a 및 도 5b는 캐소드 출구 배출 및 물 주입 라인의 2가지 대안적인 구성을 개략적으로 나타내고 있다. 도 5a에 따르면, 물 분리기(131)는 먼저 캐소드 출구 라인(121)과 긴밀하게 연결되고, 이와 직렬로 열 교환기(130)의 앞면에 연결되며, 2개의 물 배출 라인(128a, 128b)이 펌프(132a, 132b)를 통해 물을 물 저장 용기(140)로 보내는데 사용된다. 도 5b에 따르면, 물 분리기(131)는 열 교환기(130)의 뒷면에 직렬로 연결되고, 단일 펌프(132)가 물 귀환 라인(128)을 통해 물을 물 저장 용기(140)로 펌핑하는데 사용된다.
도 5a의 구성에 따르면, 캐소드 출구 스트림은 캐소드 출구 라인(121)을 통해 사이클론식 물 분리기(131)로 보내지고, 이 사이클론식 물 분리기(131)는 포화 공기를 열 교환기(130)로 보내기 전에 액체 함량을 제거한다. 열 교환기(130)가 포화 공기 스트림을 냉각시키는 결과, 액상으로 바뀐 활수(entrained water) 부분이 얻어진다. 귀환된 물을 물 저장 용기(140)로 보내기 위해 2개의 펌프(132a, 132b)가 사용되는데, 하나의 펌프(132a)는 물 귀환 라인(128a)을 통해 물 분리기(131)의 베이스부에 연결되고, 나머지 다른 하나의 펌프(132b)는 물 귀환 라인(128b)을 통해 열 교환기(130)의 출구 매니폴드 박스에 연결된다. 연료 전지가 정상 작동하는 동안, 가변 차단 밸브(120)가 열림 상태로 유지된다. 그러나, 연료 전지 시스템의 정지시, 상기 가변 차단 밸브는 닫혀져, 캐소드 유로에 배압을 가한다. 이러한 경우, 압축기(133)(또는 소정의 유량 세트 포인트에 따라 공기를 연료 전지에 공급하는 기타 다른 장치)는 고정된 공기 유량을 유지하기 어려워진다. 물 분리기(131)는, 상기 배압에 의한 시스템 정지 단계 동안, 물 퍼지 라인(510)을 통해 (통상 대기로) 물 분리기(131)로부터 물을 방출할 수 있도록 개방되는, 압력 릴리프 밸브(도시되지 않음)를 포함한다. 시스템 정지시 캐소드 유로에 배압을 가하기 전에, 펌프(132a)는 통상적으로 몇 초 동안 물 분리기(131)로부터 방출된 물의 대부분을 퍼지하도록 되어 있다.
도 5b의 구성에 따르면, 사이클론식 물 분리기(131)가 열 교환기(130) 뒤에 위치된 것을 제외하고, 작용은 도 5a의 것과 유사하다. 이에 따르면, 캐소드 출구 스트림의 액체 요소는 열 교환기(130)를 지나간다. 또한, 귀환된 물을 물 저장 용기(140)로 다시 전달하는데 단 하나의 펌프(132) 만이 필요하다. 이러한 구성의 한가지 장점으로, 열 교환기(130)의 입구가 바닥에서 어느 정도 떨어진 부분이라면, 시스템 정지 후 열 교환기 내에 남아있는 잔류하는 모든 물은 열 교환기의 하부를 차지하도록 떨어질 것이라는 점이다. 열 교환기(130)가 영하의 온도의 영향 하에 있다면, 상기 잔류하는 물은 결빙될 것이다. 그러나, 열 교환기의 나머지 부분의 캐소드 유로를 통해 여전히 유체의 유동이 가능한데, 이는 하부에 있는 결빙된 물을 가열하여 해동할 것이다.
각각의 경우, 퍼지 포트(510)는 사이클론식 물 분리기가 건성 퍼지될 수 있도록 하고, 이후 저온에서의 저장을 가능하게 한다.
*바람직하게는, 소량의 물이 0℃ 이하인 물 분리기(131)로 들어갈 때, 물이 결빙되지 않도록, 사이클론식 물 분리기(131)의 열 관성(thermal inertia)은 낮다.
선택적으로, 압력 릴리프 밸브가 이송 펌프(132, 132a, 132b)가 필요하지 않을 정도까지 시스템의 배압을 증가시키는데 압력 릴리프 밸브가 사용될 수 있다. 그러나, 이 경우에, 캐소드 물 출구 라인(121) 내의 내압이 물 배출 라인을 통해 물을 물 저장 용기(140) 쪽으로 보내는 것을 보장하기 위해, 사이클론식 릴리프 밸브 및 퍼지 포트(510)는 장착되지 않을 수도 있다. 만일, 어떠한 이송 펌프(132)도 장착되어 있지 않다면, 캐소드 출구 라인으로부터 방출된 물이 단일 물 배출 라인(128)을 통해 유동하는 것을 보장하는데, 도 5b에 도시된 구성은 더 바람직할 수 있다.
연료 전지 시스템(100)이 작동하는 동안(도 1 및 도 2 참조), 캐소드 물 주입 라인(125) 및 캐소드 물 주입 입구부(127)를 지나 캐소드 유로를 통해 물 저장 용기(140)로부터의 물이 펌핑된다. 연료 전지 스택(110) 내의 캐소드 용적부를 통과한 후, 물은 연료 전지 스택(110) 외부로 방출되어, 캐소드 물 출구 라인(121)을 통해 열 교환기(130)로 들어간다. 배출 가스와 응축수의 혼합물이 물 분리기(131)를 통과한다. 그러면, 응축수는 물 귀환 라인(128)을 통해 물 저장 용기(140) 안으로 들어간다. 과잉의 물은 물 오버플로우 라인(144)을 통해 방출된다. 배출 가스는 캐소드 유로 내의 압력을 제어하도록 적어도 일부 열리는 배출 차단 밸브(120)를 통해 방출된다.
도 1에 따르면, 연료 가스가 애노드 입구(156) 및 연료 전지 스택(110) 내의 애노드 용적부(도시되지 않음)로 공급된다. 밸브(153, 161)가 애노드 용적부 내의 소정의 압력을 유지하기 위해 작동된다. 애노드 출구(159)에 연결된 수동 밸브(162)는 닫힌 상태에 있다. 선택적으로, 애노드 배출 스트림으로부터 방출된 물이 또 다른 물 분리기(163)에 의해 액상과 기상으로 나뉜다.
연료 전지 시스템(100)이 정지되면, 연료 공급 라인(155) 상의 솔레노이드 작동식 밸브(153)가 닫힘으로써 연료 전지 스택(110)으로의 연료 공급이 먼저 차단된다. 그러면, 캐소드 배출 라인(122) 상의 차단 밸브(120)는 닫히지만, 공기 압축기(133)는 계속해서 작동된다. 실제로, 차단 밸브(120)가 닫히기 전에, 공기가 캐소드 유로를 통한 공기의 배출 시간이 필요하다. 그 후, 캐소드 유로 내의 압력은 상승한다. 바람직하게, 물 배출 라인 펌프(132)는 차단 밸브가 닫힌 후 잠시 동안 작동을 계속하여, 물이 계속해서 물 저장 용기(140) 쪽으로 유동한다. 물 저장 용기 펌프(230)의 작동이 종료되면, 그 결과 캐소드 물 주입 라인(125)으로의 물의 공급이 중단된다.
또한, 애노드 유로의 짧은 퍼지 작용이 시스템의 정지 동안 애노드 유로 내에 들어있는 물을 방출하는데 사용될 수 있으며, 물이 열린 애노드 출구 밸브(161)를 통해 방출된 후에는, 연료 전지 스택(110)의 애노드 용적부가 감압될 수 있다.
캐소드 유로를 통해 방출되는 공기가 잔류하는 물을 연료 전지 스택(110)의 캐소드 용적부 외부로 방출시켜, 캐소드 출구 라인(121)을 통해 열 교환기(130)를 거쳐 물 분리기(131)로 보낸다. 펌프(132)는 물을 물 분리기(131)로부터 물 귀환 라인(128)을 통해 물 저장 용기(140) 안으로 펌핑한다. 차단 밸브(120)가 닫히면, 캐소드 공기 압력은 상승할 것인데, 이 상승된 압력은 물을 연료 전지 스택(110)의 캐소드 용적부 외부로 방출시켜, 캐소드 물 주입 입구부(127)를 지나 캐소드 물 주입 라인(125)을 거쳐 역류 방지 안전 밸브(213)의 퍼지 포트(238)를 통해 물 저장 용기(140) 쪽으로 보낸다.
캐소드 유로에서 물 저장 용기(140) 쪽으로 이동하는 물을 퍼지하는 능력은 내부 형성부 및 물 분배 통로 내에 포획될 수 있는 물을 제거할 수 있다. 전형적인 크기의 차량용 연료 전지 스택은 캐소드 유로로부터 약 30㎖의 물을 제거할 수 있다. 질소 퍼지 공급부보다 오히려 공기 압축기(133)의 사용은 요구되는 부품의 수를 줄이고, 연료 전지 스택의 외부에의 과도한 건조를 방지한다. 그러면, 연료 전지 스택의 격막은 시스템이 후속 개시 작동을 하는데 더욱 적합한 상태로 유지될 수 있다. 시스템 정지시 공기 압축기의 시기적절한 작동은 영하 조건에서의 역효과를 방지하기 위한 충분한 물의 제거와 격막의 탈수 사이에 균형을 제공하도록 최적화될 수 있다. 전형적인 연료 전지 시스템에 대한 공기 압축기는 배출 차단 밸브(120)를 닫은 후에도 약 1분 내지 2분간 작동될 수 있다. 또한, 수소 가스가 애노드 유로로부터 과잉의 물을 퍼지하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 첨부된 청구항에 규정된 것처럼 본 발명의 범위 내에 포함될 수 있다.

Claims (19)

  1. 연료 전지 스택을 포함하는 연료 전지 시스템의 작동을 정지(shut-down)시키는 방법으로서,
    ⅰ) 상기 연료 전지 스택으로의 연료의 공급을 중지하는 단계,
    ⅱ) 상기 연료 전지 스택을 통과하는 캐소드 유체 유로를 포함하는 상기 연료 전지 시스템의 캐소드 시스템과 유체 연통되도록 연결된 배출 라인 상의 차단 밸브를 닫는 단계,
    ⅲ) 상기 연료 전지 스택의 캐소드 공기 입구 포트와 유체 연통되도록 연결된 공기 압축기를 사용하여 상기 캐소드 시스템을 가압하는 단계,
    ⅳ) 상기 연료 전지 스택의 캐소드 물 주입 입구부와 유체 연통되도록 연결된 캐소드 물 주입 라인을 통해서 상기 캐소드 유체 유로로부터 물을 방출하는 단계
    를 포함하는,
    연료 전지 시스템 작동 정지 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    단계 ⅳ)는, 물 분리기, 열 교환기, 및 물 귀환 라인 중 하나 이상을 통해 상기 캐소드 유체 유로로부터 물을 방출하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 시스템 작동 정지 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 캐소드 유체 유로로부터 단열 저장 용기로 물을 방출하는, 연료 전지 시스템 작동 정지 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 캐소드 유체 유로의 배출 라인 내의 상기 물 분리기를 통해 상기 단열 저장 용기로 물을 방출하는, 연료 전지 시스템 작동 정지 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 단열 저장 용기는 상기 단열 저장 용기로부터 상기 연료 전지 스택의 물 주입 입구부로 물을 공급할 수 있는 펌프를 포함하는, 연료 전지 시스템 작동 정지 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 펌프의 펌프 헤드가 상기 단열 저장 용기 내의 물속에 잠기는, 연료 전지 시스템 작동 정지 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 펌프의 동력부가 상기 단열 저장 용기의 물 저장 용적부 외부에 위치된, 상기 동력부는 구동축에 의해 펌프 헤드와 연결되어 있는, 연료 전지 시스템 작동 정지 방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 공기 압축기는, 상기 연료 전지 스택과 상기 단열 저장 용기 사이의 상기 배출 라인 및 상기 물 주입 라인 내에 들어있는 모든 물이 실질적으로 상기 단열 저장 용기 안으로 방출될 때까지 작동되는, 연료 전지 시스템 작동 정지 방법.
  9. 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    ⅴ) 상기 단열 저장 용기 내의 물을 온도 조절식 가열 요소에 의해 사전 설정된 온도 이상으로 유지하는 단계
    를 더 포함하는, 연료 전지 시스템 작동 정지 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 온도 조절식 가열 요소는 상기 차단 밸브를 닫은 후 작동 불능 상태가 되는, 연료 전지 시스템 작동 정지 방법.
  11. 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단열 저장 용기는, 상기 연료 전지 시스템의 정지 후, 상기 단열 저장 용기 내의 물을 해동할 수 있는, 히터를 포함하는, 연료 전지 시스템 작동 정지 방법.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 캐소드 유체 유로로부터 방출된 물은 상기 물 분리기를 통과하기 전 상기 열 교환기를 통해 상기 단열 저장 용기로 들어가는, 연료 전지 시스템 작동 정지 방법.
  13. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공기 압축기는, 상기 차단 밸브를 닫은 후 사전 설정된 시간 동안 작동되거나, 또는 상기 캐소드 유체 유로 내의 물이 사전에 정해진 수위에 도달할 때까지 작동되는, 연료 전지 시스템 작동 정지 방법
  14. 연료 전지 스택,
    캐소드 공기 입구 라인, 상기 연료 전지 스택 내의 캐소드 용적부, 및 캐소드 출구 라인이 직렬로 연결되어, 공기가 상기 연료 전지 스택을 통과할 수 있도록 하는, 캐소드 유체 유로를 포함한 캐소드 시스템,
    상기 캐소드 공기 입구 라인과 유체 연통되도록 연결된 공기 압축기, 및
    상기 캐소드 유체 유로로부터 캐소드 물 귀환 라인을 통해 물을 수용하고, 캐소드 물 주입 라인을 통해 상기 연료 전지 스택의 캐소드 물 주입 입구부에 물을 공급하도록 되어 있는 단열 저장 용기
    를 포함하고,
    시스템 작동 정지시, 상기 캐소드 물 주입 라인을 통해 상기 캐소드 유체 유로로부터 상기 단열 저장 용기 내로 물을 방출하도록 되어 있는,
    연료 전지 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 단열 저장 용기는 상기 연료 전지 스택의 캐소드 물 주입 입구부를 포함한 물 주입 라인과 유체 소통되어지도록 연결되고, 상기 물 주입 라인은 상기 연료 전지 스택의 캐소드 용적부로부터 상기 단열 저장 용기로 물을 이동시킬 수 있도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 물 주입 라인은, 밸브 전후의 압력차가 상기 연료 전지 시스템의 작동 시의 밸브 전후의 압력차로부터 역전될 때, 상기 캐소드 유체 유로로부터 상기 단열 저장 용기로 물이 흐르도록 하는, 역류 방지 안전 밸브(reverse flow relief valve)를 포함하는, 연료 전지 시스템.
  17. 제14항에 있어서,
    물 분리기와 직렬로 상기 캐소드 유체 유로의 상기 캐소드 출구 라인에 연결된 열 교환기
    를 더 포함하고,
    상기 물 분리기의 물 배출 출구 라인이 제1 물 귀환 라인에 의해 물 저장 용기에 연결되는, 연료 전지 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 열 교환기의 물 배출 출구가 제2 물 귀환 라인에 의해 상기 물 저장 용기에 연결되는, 연료 전지 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 물 귀환 라인 및 상기 제2 물 귀환 라인 각각에 물 펌프를 포함하는, 연료 전지 시스템.
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