KR101698329B1 - 에너지 효율적인 반응물 재순환식 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2개의 전극 공간(111, 112)을 포함하는, 2개의 반응물의 전기 화학적 변환을 위한 적어도 하나의 연료 전지(110)를 구비한 연료 전지 시스템(10)에 관한 것이며, 상기 연료 전지 시스템은 제 1 반응물을 제 1 전극 공간(111)에 공급하기 위한 공급 라인(20), 상기 제 1 전극 공간(111)으로부터 제 1 잔류 가스(90)를 배출하기 위한 배출 라인(25), 잔류 가스(90)를 배출 라인(25)으로부터 제 1 공급 라인(20) 내로 이송하기 위한 재순환 부재(30), 및 잔류 가스(90)를 연료 전지 시스템(10)의 주변으로 배출하기 위한 배출 밸브(50)를 포함한다. 본 발명에 따라, 연료 전지 시스템(10)은 배출 밸브(50)를 제어하기 위한 모니터링 유닛(60)을 포함하고, 재순환 부재(30)를 이용하여 잔류 가스를 이송하는데 필요한 에너지가 잔류 가스(90) 내의 제 1 반응물의 에너지 포텐셜을 초과하면, 상기 모니터링 유닛(60)은 배출 밸브(50)를 개방한다.

Description

에너지 효율적인 반응물 재순환식 연료 전지 시스템{Fuel cell system with energy-efficient reactant recycling}
본 발명은 청구범위 제 1 항의 전제부의 특징을 포함하는 2개의 반응물의 전기 화학적 변환을 위한, 2개의 전극 공간들을 포함하는 적어도 하나의 연료 전지를 구비한 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 연료 전지 시스템은 제 1 반응물을 제 1 전극 공간에 공급하기 위한 제 1 공급 라인, 잔류 가스를 상기 제 1 전극 공간으로부터 배출하기 위한 배출 라인, 잔류 가스를 배출 라인으로부터 제 1 공급 라인 내로 이송하기 위한 재순환 부재, 및 잔류 가스를 연료 전지 시스템의 주변으로 배출하기 위한 배출 밸브를 포함하고, 상기 잔류 가스는 제 1 반응물의 전기 화학적 미사용량을 포함한다. 또한, 본 발명은 청구범위 제 9 항의 특징을 포함하는 연료 전지 시스템의 작동 방법에 관한 것이다.
공지된 연료 전지들은 수소를 이용 가능한 전기 에너지로 변환하는데 이용된다. 이러한 전기 화학적 반응을 실시하기 위해, 연료 전지는 2개의 전극을 포함하고, 상기 전극들에는 수소 및 산소와 같은 2개의 반응물이 공급된다. 하나의 전극 - 양극 - 에 공급된 수소는 전자를 방출하면서 H+ 이온들로 분해된다. 전자들은 외부 회로를 통해 에너지를 얻는데 이용될 수 있는 한편, 양자들은 멤브레인 부재를 통해 제 2 전극 - 음극 - 으로 확산된다. 음극에는 이어서 산소와 양자의 반응이 일어날 수 있으므로, 결과물로서 물이 생성된다. 2개의 전극들은 멤브레인 부재와 함께 멤브레인-전극-유닛(MEA-Membrane Electrode Assembly)을 형성한다. 유동장 플레이트는, 전극의 활성면에 걸쳐 반응물을 분포시키고 기계적 안정성을 제공하는데 이용된다. 이를 가능하게 하기 위해, 공지된 유동장 플레이트는 채널을 포함한다. 멤브레인-전극-유닛과 유동장 플레이트 사이에 각각 하나의 가스 확산층이 배치된다. 이러한 가스 확산층은 반응물 수소 또는 산소를 전극의 전체 면에 걸쳐 균일하게 분포시키고 전극으로부터 반응 생성물 전류, 열 및 물을 방출하는 기능을 한다.
상기와 같은 연료 전지에서 음극 측에는 공기 공급이 이루어지고, 양극 측에 는 순수한 수소 공급이 이루어진다. 산소의 충분한 공급과 생성된 물의 배출을 보장하기 위해, 음극 측에 지속적인 유동이 보장된다. 효율 때문에, 양극측으로부터 주변으로 수소가 도달하지 않게 하려 한다. 이를 보장하기 위해, 양극측으로부터 배출되는 배기 가스가 주변으로 배출되는 것이 아니라, 재순환 팬에 의해 다시 양극의 유동장 플레이트의 유입 영역 내로 이송된다. 전기 화학적 변환의 범위에서, 양극측에 제공된 수소의 양 전체가 변환되지 않는다. 따라서, 양극의 배기 가스는 소정 량의 수소를 포함한다. 바람직하지 않게, 질소와 물은 음극으로부터 양극으로 확산될 수 있고, 따라서 양극에서 수소의 오염을 야기할 수 있다. 양극으로부터 외부 가스를 제거하기 위해, 출구에 있는 밸브가 개방된다. 이로 인해 바람직하지 않게, 원하는 오염뿐 아니라 이용되지 않은 수소가 제거된다.
본 발명의 과제는 상기 단점들을 극복하고, 특히 제공된 생성물을 효율적으로 이용하는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구범위 제 1 항의 특징을 포함하는 적어도 하나의 연료 전지를 구비한 연료 전지 시스템에 의해 해결된다. 또한, 상기 과제는 청구범위 제 9 항의 특징을 포함하는 적어도 하나의 연료 전지를 구비한 연료 전지 시스템의 작동 방법에 의해 해결된다. 이 장치의 다른 바람직한 실시예들은 각각의 종속 청구범위들에 제시된다. 본 발명에 따른 연료 전지 시스템과 관련해서 기술된 특징과 세부사항들은 물론 방법과 관련해서도 그리고 그 반대로도 적용된다. 청구범위 및 상세한 설명에 개별적으로 및/또는 임의로 조합하여 언급된 특징들은 본 발명에 있어서 중요하다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에서, 연료 전지 시스템은 배출 밸브를 제어하기 위한 모니터링 유닛을 포함하고, 재순환 부재를 이용하여 잔류 가스를 이송하는데 필요한 에너지가 잔류 가스 내의 제 1 반응물의 에너지 포텐셜을 초과하면, 상기 모니터링 유닛은 배출 밸브를 개방한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템 및 본 발명에 따른 방법의 핵심은, 잔류 가스 내의 반응물의 잔류에 따라 배출 밸브가 작동되는 것이다. 전류의 연속적인 생성을 가능하게 하기 위해, 연료 전지 시스템 및/또는 연료 전지에는 일정한 양의 수소가 공급된다. 이러한 수소의 어느 정도의 양이 양극 공간에서 전기 화학적으로 변환되는지가 대략 공지되어 있기 때문에, 얼마나 많은 양의 수소가 양극 공간으로부터 잔류 가스로서 배출되는지가 추정될 수 있다. 잔류 가스가 다시 양극 공간 내로 유입될 수 있도록, 이러한 수소 미사용량은 재순환 부재에 의해 다시 연료 전지의 공급 라인에 제공된다. 즉, 양극 공간에서 전기 화학 반응을 일으키기 위해, 수소 미사용량을 다시 양극 공간 내로 공급하는 것이 목적이다. 질소와 다른 요소들이 음극 공간으로부터 양극 공간 내로 확산됨으로써, 여기에서 이러한 불활성 성분을 포함하는 잔류 가스에 존재하는 수소의 농축이 이루어진다. 폐쇄된 시스템이기 때문에, 재순환 부재는 미사용 수소뿐만 아니라 잔류 가스의 다른 요소들인 예컨대 물과 질소를 제 1 공급 라인 방향으로 이송해야 한다. 수소 미사용량은 비교적 일정하고, 불활성 물질의 양이 증가하기 때문에, 재순환 부재는 증가한 에너지 양을 소비한다. 어떤 지점에서 재순환 부재의 필요 에너지는 잔류 가스에 남아 있는 제 1 반응물 - 수소- 에 의해 생성 가능한 에너지 포텐셜을 초과한다. 이러한 지점의 초과 후에는 잔류 가스를 거기에 포함된 제 1 반응물과 함께 계속 이송하는 것이 에너지적으로 더 이상 의미가 없다. 그 이유는 양극 공간 내의 제 1 반응물의 완전한 변환 시에도 그렇게 얻어진 전류는 배출 라인으로부터 제 1 공급 라인으로 잔류 가스 이송을 위한 재순환 부재의 필요 에너지를 커버하기에 충분하지 않기 때문이다.
본 발명의 범주에서 "필요 에너지"라는 표현은 재순환 부재의 작동을 위해 외부에서 공급되어야 하는 에너지량이다. 이 필요 에너지는 특수한 시간 범위(예컨대 1초의 몇 분의 일)에 관련될 수 있다. "에너지 포텐셜"이란, 본 발명의 범주에서 연료 전지에서 완전한 전기 화학적 변환 시에 잔류 가스 내에 존재하는 제 1 반응물로부터 얻어질 수 있는 전류량을 의미한다. 따라서 최적의 이용 시 제 1 반응물로부터 생성될 수 있는 전류량이다.
바람직한 제 1 변형 실시예에서, 모니터링 유닛은 집적 회로를 포함한다. 상기 집적 회로는 특히 마이크로컨트롤러 또는 FPGA(Field Programmable Gate Array)일 수 있다. 이러한 방식으로 형성된 모니터링 유닛은, 연료 전지 시스템 및/또는 배출 밸브를 제어하고 모니터링 하기 위한 소프트웨어 프로그램을 실행하는데 이용된다. 또한, 모니터링 유닛이 연료 전지 내에서 발생된 전류 및/또는 전압을 측정하는 것이 바람직한 것으로 입증되었다. 전압의 측정을 위해 적절한 측정 장치가 연료 전지의 2개의 전극들 사이에 및/또는 연료 전지 시스템의 전극들 사이에 배치될 수 있다. 또한, 전류는 연료 전지의 전극들 사이에 있는 라인에서 유도적으로 측정될 수 있다. 이로 인해 모니터링 유닛은 전기 화학적으로 발생된 전류를 측정하는 것이 가능하다.
다른 바람직한 변형 실시예에서, 모니터링 유닛은 제 1 센서 부재를 포함하고, 상기 제 1 센서 부재는 연료 전지에 공급된 제 1 반응물의 제 1 양을 측정한다. 제 1 센서 부재는 질량 유량 센서일 수 있고, 상기 센서는 제 1 공급 라인 내의 제 1 반응물의 양을 측정한다. 따라서 질량 유량, 즉 제 1 반응물의 양을 여러 다른 측정 변수로부터 모델을 이용해서 계산하는 것도 가능하다. 모니터링 유닛은 제 1 센서 부재를 이용하여 연료 전지에 공급되는 제 1 반응물의 양을 제어할 수 있다.
다른 바람직한 변형 실시예는, 모니터링 유닛이 잔류 가스 내에 존재하는 제 1 반응물의 제 2 양을 측정하는 제 2 센서 부재를 포함하는 것을 특징으로 한다. 제 2 센서 부재는 직접 또는 간접적으로 에너지 포텐셜을 측정하는데 이용된다. 연료 전지 시스템은 리턴 라인을 포함하고, 상기 리턴 라인은 잔류 가스를 양극 영역으로부터 제 1 공급 라인으로 리턴시키는데 이용된다. 이로써, 제 2 센서 부재는 이 리턴 라인 내에 배치된다. 제 2 센서 부재는 잔류 가스 내에 존재하는 제 2 반응물의 양을 측정하는 측정 센서일 수 있다.
다른 바람직한 실시예는, 모니터링 유닛이 에너지 포텐셜을 직접 또는 간접적으로 전류 및/또는 제 1 반응물의 제 1 양 및/또는 제 1 반응물의 제 2 양으로부터 결정하는 것을 특징으로 한다. 반응물 공급에 의해 산화제 및 연료가 연료 전지에 공급되고, 이로써 전기가 발생한다. 흔히 산화제로서 연료 전지에 공급되는 주변 공기가 사용된다. 물론, 이러한 주변 공기는 산화제 외에 산소 및 다른 불활성 성분들, 예컨대 CO, CO2, N2 및 H2O도 포함한다. 연료 전지의 효율적인 작동을 보장하기 위해, 연료 전지에 초과량의 산화제와 연료가 제공된다. 산화제와 연료의 초과량 X는 하기 식으로 정의된 λ으로 측정된다:
λ = [연료 전지에 공급된 X (mol/sec).]/.[연료 전지에서 소비된 X (mol/sec)].
연료의 효율적인 이용을 달성하기 위해 비율은 가능한 거의 1이어야 한다. 소비된 연료는 전류로부터도 계산될 수 있다. 그 이유는 전류가 연료의 전기 화학적 변환에 의해 발생되기 때문이다. 제 1 반응물의 제 1 및 제 2 양의 측정에 의해 모니터링 유닛은 제 1 반응물의 얼마나 많은 양이 전기 화학적으로 변환되었는지를 측정할 수 있다. 이것은, 모니터링 유닛에 의해 전류가 측정됨으로써 이루어질 수 있다. 전류 및 제 1 양과 제 2 양의 차이는 연료 전지에서 변환된 제 1 반응물의 양에 대한 직접적인 정보를 제공한다. 제 1 센서 부재를 통해 모니터링 유닛에는 제 1 연료 전지에 공급되었던 제 1 양이 얼마나 많은지에 대한 정보가 제공된다. 잔류 가스에 남아있는 제 1 반응물의 제 2 양은 발생된 전류에 대한 정보를 이용하여 또는 직접 측정될 수 있다. 잔류 가스에 남아 있는 제 1 반응물의 상기 제 2 양은 에너지 포텐셜에 정비례한다. 따라서 잔류 가스 내에 존재하는 제 1 반응물의 제 2 양으로부터 에너지 포텐셜을 결정하기 위해, 에너지 전지의 기술적 특성들에 의존하는 하나의 스케일링 인자만 필요하다.
바람직한 변형 실시예는, 재순환 부재가 이송 장치를 포함하고, 상기 이송 장치는 유동-기술적으로 잔류 가스의 압축을 위해 형성되는 것을 특징으로 한다. 재순환 부재는, 배출 라인에 의해 제 1 전극 공간으로부터 배출된 잔류 가스가 다시 제 1 공급 라인으로 이송되게 한다. 바람직하게 상기 재순환 부재는 펌프 등과 같은 이송 장치를 포함한다. 동시에 상기 이송 장치는 스로틀로 작용하는 연료 전지의 압력 손실을 극복하기 위해 잔류 가스를 압축하는데 이용된다.
다른 바람직한 실시예는 모니터링 유닛이 직접 또는 간접적으로 이송 장치 및/또는 재순환 부재의 전력 소비를 측정하는 것을 특징으로 한다. 잔류 가스의 양은 작동 지속 시간이 늘어날수록 증가한다. 따라서 이송 장치 및/또는 재순환 부재는 잔류 가스를 배출 라인으로부터 제 1 공급 라인으로 이송하기 위해 더 많은 전력 소비를 필요로 한다. 이송 장치 및/또는 재순환 부재의 전력 소비는 직접 또는 간접적으로 잔류 가스의 이송에 필요한 에너지와 관련된다. 본 발명에 따라, 이송 장치 및/또는 재순환 부재는 잔류 가스에 남아 있는 제 1 반응물에 의해 생성될 수 있는 것보다 더 많은 에너지 및/또는 전류를 소비하지 않는다. 이러한 양이 초과되면, 본 발명에 따라 모니터링 유닛에 의해 배출 밸브가 개방된다. 그러면 잔류 가스는 연료 전지의 주변으로 유동하고, 이송 장치 및/또는 재순환 부재에 의해 이동되지 않아도 된다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 다른 바람직한 실시예는, 연료 전지 시스템이 펌프 장치를 포함하고, 상기 펌프 장치는 유동 기술적으로 공급 라인 내에 배치되며, 공급될 제 1 반응물 및/또는 잔류 가스의 압축을 위해 형성되는 것을 특징으로 한다. 제 1 반응물은 일반적으로 탱크로부터 연료 전지 시스템에 공급된다. 탱크는 압축 가스 저장기 또는 흡착식 저장기일 수 있다. 제 1 반응물이 균일한 압력으로 연료 전지 시스템에 공급되는 것을 보장하기 위해, 전술한 펌프 장치를 사용하는 것이 바람직한 것으로 입증되었다. 상기 펌프 장치는 제 1 반응물을 압축하고, 소정의 압력에 따라 연료 전지 시스템에 및/또는 연료 전지에 공급하는데 이용된다. 잔류 가스는 재순환 부재에 의해 제 1 공급 라인으로 안내되기 때문에, 펌프 장치는 잔류 가스의 압축을 위해 형성되도록 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 과제는
- 작동 상태에서 연료 전지 내에서 2개의 반응물들이 전기 화학적으로 변환되고,
- 2개의 반응물들은 2개의 공급 라인을 통해 2개의 전극 공간에 공급되고,
- 잔류 가스 내의 제 1 반응물의 전기 화학적으로 사용되지 않은 양이 제 1 전극 공간으로부터 배출되고,
- 재순환 부재는 제 1 전극 공간의 제 1 공급 라인으로 잔류 가스를 이송하고,
- 잔류 가스의 이송에 필요한 에너지가 잔류 가스 내의 제 1 반응물의 에너지 포텐셜을 초과하면, 잔류 가스는 배출 밸브에 의해 연료 전지 시스템의 주변으로 배출되는,
여기에 공개된, 적어도 하나의 연료 전지를 구비한 연료 전지 시스템의 작동 방법에 의해 해결된다.
연료 전지 시스템과 관련해서 설명된 모든 특징들은 본 발명에 따른 방법에도 적용되고 그 반대로도 적용된다.
전기 화학적 반응의 범위에서, 불활성 성분들이 생성될 수 있고 및/또는 반응물들 중 하나에 의해 잔류 가스에 공급될 수 있다. 특히, 연료 전지의 주변 공기에 의해 추가된 질소일 수 있다.
불활성 성분들의 양과 잔류 가스의 양은 연료 전지 시스템의 작동 상태 중에 증가한다. 에너지적으로 바람직하지 않은 잔류 가스의 이송을 저지하기 위해 본 발명에 따라, 잔류 가스의 이송에 필요한 에너지가 잔류 가스 내의 제 1 반응물의 에너지 포텐셜보다 높으면, 배출 밸브는 잔류 가스를 연료 전지 시스템의 주변으로 배출한다. 본 발명에 따라, 바람직한 다른 방법 단계에서 잔류 가스의 이송에 필요한 에너지는 기술적 변수, 특히 연료 전지의 전류 또는 잔류 가스의 이송을 위해 제공된 재순환 부재의 전력 소비로부터 결정될 수 있다. 바람직하게 연료 전지의 생성된 전류 또는 재순환 부재의 전력 소비는 전류계 및/또는 유사하게 형성된 측정 장치에 의해 측정된다.
다른 바람직한 방법 단계는 에너지 포텐셜이 잔류 가스 내의 제 1 반응물의 제 2 양으로부터 결정되는 것을 특징으로 한다. 에너지 포텐셜은 잔류 가스의 추가 이송이 바람직한지의 여부 또는 배출 밸브의 개방이 실시되어야 하는지의 여부에 대한 기준으로서 사용된다. 에너지 포텐셜은 바람직하게 직접 또는 간접적으로, 연료 전지 내에서 잔류 가스 내의 제 1 반응물로부터 생성될 수 있는 전류로부터 결정될 수 있다. 따라서 에너지 포텐셜은 연료 전지에서 제 1 반응물의 완전한 변환 시 생성될 수 있는 전류를 반영한다.
바람직하게 상기 방법은 하기 단계들을 포함한다:
- 연료 전지에 공급된 제 1 반응물의 제 1 양을 측정하는 단계,
- 연료 전지에서 제 1 반응물의 전기 화학적으로 변환된 양을 결정하는 단계,
- 공급된 제 1 양과 전기 화학적으로 변환된 양의 비를 계산하는 단계 및,
- 잔류 가스 내의 제 1 반응물의 제 2 양을 측정하는 단계.
상기 단계들은, 에너지 포텐셜 및/또는 잔류 가스 내의 제 1 반응물의 제 2 양을 측정하는데 이용된다. 개별 단계들에 기초하여, 배출 밸브를 개방하고 잔류 가스를 연료 전지의 주변으로 배출하는 시점이 주어지는지의 여부가 결정된다.
전술한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 여기에 공개된 방법들 중 하나에 따라 작동되는 것이 특히 바람직하다.
본 발명의 다른 장점들, 특징들 및 세부 사항들은 본 발명의 실시예의, 도면을 참고로 하는 하기 설명에서 설명된다. 청구범위 및 상세한 설명에 언급된 특징들은 각각 개별적으로 및/또는 임의의 조합으로 본 발명에 중요할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템을 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 다른 개략도.
도 1에는 2개의 연료 전지들(110)을 구비한 연료 전지 시스템(10)이 도시된다. 상기 연료 전지들(110)은 하우징(120) 내에 서로 인접하게 배치된다. 각각의 연료 전지들(110)은 제 1 전극 부재(130)와 제 2 전극 부재(131)를 포함한다. 2개의 전극 부재들(130, 131) 사이에 이온 투과성 멤브레인(142)이 배치된다. 전극 부재(130, 131)에 2개의 상이한 반응물이 제공됨으로써, 전기 화학 반응을 통해 전류가 발생된다. 2개의 반응물들은 흔히 상이한 유체 형태로 제공된다. 2개의 해당 전극 반응들은 다음과 같다:
H2 → 2H+ + 2e- (양극 반응)
2H+ + 2e- + ½O2 → H2O (음극 반응)
반응물 산소는 주변 공기 형태로 연료 셀에 공급될 수 있다. 하나의 라인 부재에 의해 다양한 연료 전지들(110)이 직렬 연결됨으로써, 높은 전압이 달성될 수 있고, 상기 전압은 전기 모터와 같은 부하 부재에 제공될 수 있다. 전극 부재(130)에서 반응물의 균일한 분포를 달성하기 위해, 연료 전지들(110)의 각각의 전극 공간들은 유동장 플레이트(140)를 갖는다.
하기에서 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 연료 전지(110)를 참고로 설명되고, 상기 연료 전지는 반응물로서 수소와 산소를 사용한다. 물론 이것이 본 발명을 제한하는 것은 아니다. 오히려, 반응물로서 수소와 산소의 선택은 본 발명을 설명하는 데에만 이용된다. 다른 반응물을 사용하는 다른 연료 전지들도 본 발명에 따른 방법 및/또는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템과 함께 사용될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 반응물은 제 1 공급 라인(20)을 통해 제 1 전극 공간(111)에 공급된다. 이와 동시에 제 2 반응물은 제 2 공급 라인(21)을 통해 제 2 전극 공간(112) 내로 공급된다. 여기에 설명된 실시예에서, 제 1 공급 라인(20)을 통해 수소가 제 1 전극 공간(111) 내로 - 하기에서 양극 공간이라고도 함 - 공급된다. 그렇게 제공된 수소는 산소와 전기 화학적으로 반응할 수 있다. 이러한 산소는 제 2 공급 라인(21)을 통해 연료 전지(110)에 공급된다. 일반적으로 이를 위해 주변 공기가 제 2 공급 라인(21)을 통해 제 2 전극 공간(112) 내로 공급된다. 도시된 바와 같이, 멤브레인과 전극 부재들에서 전기 화학 반응이 이루어질 수 있다. 제 2 전극 공간(112)으로부터 - 하기에서 음극 공간이라고도 함 - 남아 있는 공기가 음극 배출 라인(26)을 통해 배출된다. 또한, 상기 음극 배출 라인(26)을 통해 연료 전지(110)에서 전기 화학 반응시 생기는 물의 일부가 배출된다.
바람직하지 않게, N2와 같은 불활성 성분들은 멤브레인 부재(142)를 통해 제 2 전극 공간(112)으로부터 제 1 전극 공간(111)으로 확산되어 거기에서 농축된다. 잔류 가스 내의 이러한 불활성 성분들의 농도가 높을 경우에 상기 잔류 가스의 재순환에도 불구하고 연료 전지(110)의 공급 부족이 나타나고, 이것은 전압 강하를 일으킬 수 있다. 이를 저지하기 위해, 배출 밸브(50)가 개방되어, 잔류 가스가 연료 전지(110)로부터 플러싱된다. 이러한 과정은 도 2에 도시된다.
도 2는 연료 전지(110)의 제 1 전극 공간(111)의 개략도를 도시한다. 본 발명에 따라, 상기 전극 공간(111)은 특히 중요한데, 그 이유는 상기 전극 공간에서 제 1 반응물이 변환되기 때문이다. 상기 제 1 반응물, 이 경우 수소는 유입 밸브(55)를 통해 제 1 공급 라인(20) 내로 흐른다. 제 1 센서 부재(61)는 연료 전지에 공급된 수소의 제 1 양을 측정한다. 상기 수소는 제 1 전극 공간(111) 내로 흐르고, 거기에서 전기 화학적으로 변환된다. 연료 전지(110)의 안전한 작동이 가능하도록, 수소의 제 1 양은 실제로 연료 전지(110) 내에서 변환된 양보다 크게 선택된다. 따라서 배출 라인(25)을 통해 잔류 가스가 배출되고, 상기 잔류 가스는 특히 제 1 반응물의 전기 화학적으로 미사용된 양을 포함한다. 수소는 고가의 반응물이기 때문에, 효율을 위해 상기 잔류 가스가 배출 라인(25)을 통해 주변으로 배출되지 않고 리턴 라인(32)에 의해 다시 제 1 공급 라인(20)에 공급되는 것이 바람직한 것으로 입증되었다. 이로써 회로는 연료 전지(110)를 통해 배출된 수소가 다시 전기 화학적 반응에 공급되는 것을 보장한다.
리턴 라인(32)에 재순환 부재(30)가 통합되고, 상기 재순환 부재는 제 1 전극 공간(111)의 제 1 공급 라인(20) 내로 잔류 가스(90)를 이송하는데 이용된다. 본 발명에 따라, 재순환 부재에 이송 장치(31)가 통합되고, 상기 이송 장치는 유동 기술적으로 잔류 가스(90)의 압축을 위해 형성된다. 잔류 가스(90)는 우선적으로 2개의 성분, 즉 제 1 반응물의 미사용분(92)과 불활성 성분(91)을 포함한다. 상기 불활성 성분(91)은 주변 공기와 함께 연료 전지(110)에 도달하는 질소이다. 주변 공기는 산화제로서 형성된 제 2 반응물을 연료 전지 내로 안내하는데 이용된다. 주변 공기가 순수한 산소만 포함하는 것이 아니기 때문에, 다른 기체 성분들도 함께 연료 전지 내로 이송된다. 특히 주변 공기의 질소는 멤브레인을 통해 제 1 전극 공간(111) 내로 확산될 수 있고, 잔류 가스(90)의 결정적인 부분을 형성한다. 재순환 부재(30)는, 상기 잔류 가스(90)를 연료 전지의 출구로부터 다시 제 1 공급 라인(20)으로 이송하는데 이용된다. 유입 밸브(55)의 적절한 조절에 의해 공급된 수소의 양과 잔류 가스 내의 상기 수소의 농도는 거의 일정하다. 물론 시간이 흐를수록 잔류 가스 내의 불활성 성분(91)의 양이 증가한다. 따라서, 시간에 따라서 점점 더 큰 체적의 잔류 가스(90)가 재순환 부재(30)를 순환해야 한다. 잔류 가스(90)의 이송에 필요한 에너지는 시간이 흐를수록 증가한다. 선행기술에는 배출 밸브(50)가 규정된 누설률을 가짐으로써, 잔류 가스(90)가 영구적으로 연료 전지의 주변(51)으로 배출되는 것이 공지되어 있다. 물론, 이러한 실시예는 원치 않는 성분뿐만 아니라, 사용되지 않은 제 1 반응물이 주변(51)으로 배출되는 단점을 갖는다.
이러한 단점을 극복하기 위해 본 발명에 따라, 연료 전지 시스템(10)은 도 3에 도시된 바와 같이, 배출 밸브(50)를 제어하기 위해 모니터링 유닛(60)을 포함한다. 재순환 부재(30)를 이용하여 잔류 가스(90)를 이송하는데 필요한 에너지가 잔류 가스(90) 내의 제 1 반응물의 에너지 포텐셜을 초과하면, 모니터링 유닛(60)은 배출 밸브(50)를 개방한다. 필요 에너지란, 잔류 가스(90)를 배출 라인(25)으로부터 제 1 공급 라인(20)으로 이송하기 위해 재순환 부재(30) 및/또는 이송 장치(31)가 필요로 하는 전류 양 및/또는 전압 양이다. 적절한 측정 장치가 모니터링 유닛(60) 또는 재순환 부재(30) 내에 배치될 수 있다. 도 3에는 이것은 재순환 부재(30)에 연결되고, 재순환 부재(30)용 제어 전압을 공급하는 조정기(40)에 의해 명확해진다. 상기 제어 전압은 모니터링 유닛(60)에 의해 측정될 수 있다. 제 1 공급 라인(20)에 제 1 센서 부재(61)가 통합되고, 제 1 센서 부재(61)는 연료 전지(110)에 공급된 제 1 반응물의 제 1 양을 측정하는데 이용된다. 또한, 제 2 센서 부재(62)는 리턴 라인(32)에 배치된다. 상기 제 2 센서 부재(62)는 잔류 가스 내의 제 1 반응물의 제 2 양을 측정하는데 이용된다. 제 2 양은 제 1 반응물의 미사용분(92)이다. 이렇게 잔류 가스 내의 제 1 반응물의 제 2 양 및/또는 미사용분(92)을 측정함으로써 모니터링 유닛(60)은 제 1 반응물의 상기 양으로부터 최대로 생성될 전력량을 계산할 수 있다. 최적의 경우에 연료 전지(110)에서 잔류 가스(90) 내의 제 1 반응물의 미사용분(92) 및/또는 제 2 양의 완전한 변환이 이루질 수 있는 것을 가정할 수 있다. 이러한 반응에 의해 주어지는, 잔류 가스 내의 제 1 반응물의 에너지 포텐셜은 잔류 가스(90)의 이송을 위한 실제 필요 에너지와 비교된다. 재순환 부재(30)의 필요 에너지가 잔류 가스 내의 제 1 반응물의 에너지 포텐셜을 초과하면, 모니터링 유닛(60)은 배출 밸브(50)를 개방한다. 이로 인해 잔류 가스(90)는 연료 전지(110)의 주변(51)으로 유동한다.
10 연료 전지 시스템
20 공급 라인
25 배출 라인
30 재순환 부재
50 배출 밸브
90 잔류 가스
110 연료 전지
111, 112 전극 공간

Claims (12)

  1. 2개의 반응물들의 전기 화학적 변환을 위한 적어도 하나의 연료 전지(110)를 구비한 연료 전지 시스템으로서, 상기 연료 전지 시스템 내에서 상기 연료 전지(110)는 2개의 전극 공간들(111, 112)을 포함하고,
    제 1 반응물을 제 1 전극 공간(111)에 공급하기 위한 제 1 공급 라인(20),
    상기 제 1 반응물의 전기 화학적으로 사용되지 않은 양을 포함하는 잔류 가스(90)를 상기 제 1 전극 공간(111)으로부터 배출하기 위한 배출 라인(25),
    상기 잔류 가스(90)를 상기 배출 라인(25)으로부터 상기 제 1 공급 라인(20) 내로 이송하기 위한 재순환 부재(30), 및
    상기 잔류 가스(90)를 상기 연료 전지 시스템(10)의 주변으로 배출하기 위한 배출 밸브(50)를 포함하는, 상기 연료 전지 시스템에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템(10)은 배출 밸브(50)를 제어하기 위한 모니터링 유닛(60)을 포함하고,
    상기 재순환 부재(30)를 이용하여 상기 잔류 가스(90)를 이송하는데 필요한 에너지가 상기 잔류 가스(90) 내의 상기 제 1 반응물의 에너지 포텐셜을 초과하면, 상기 모니터링 유닛(60)은 상기 배출 밸브(50)를 개방하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 모니터링 유닛(60)은 상기 연료 전지(110)에서 생성된 전류를 측정하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 모니터링 유닛(60)은 제 1 센서 부재(61)를 포함하고, 상기 제 1 센서 부재(61)는 상기 연료 전지(110)에 공급된 상기 제 1 반응물의 제 1 양을 결정하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 모니터링 유닛(60)은 제 2 센서 부재(62)를 포함하고, 상기 제 2 센서 부재(62)는 잔류 가스(90) 내의 상기 제 1 반응물의 제 2 양을 결정하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 모니터링 유닛(60)은 상기 에너지 포텐셜을 전류 및/또는 상기 제 1 반응물의 제 1 양 및/또는 제 2 양으로부터 직접 또는 간접적으로 결정하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 재순환 부재(30)는 이송 장치(31)를 포함하고, 상기 이송 장치(31)는 상기 잔류 가스(90)를 압축하기 위해 유동 기술적으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 모니터링 유닛(60)은 직접 또는 간접적으로 상기 이송 장치(31)의 전력 소비를 측정하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 연료 전지 시스템(10)은 펌프 장치를 포함하고, 상기 펌프 장치는 상기 제 1 공급 라인(20) 내에 유동 기술적으로 배치되고 공급될 제 1 반응물 및/또는 잔류 가스를 압축하기 위해 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  9. 적어도 하나의 연료 전지(110)를 구비한 연료 전지 시스템의 작동 방법으로서,
    - 작동 상태에서 상기 연료 전지(110) 내에서 2개의 반응물들이 전기 화학적으로 변환되고,
    - 상기 2개의 반응물들은 2개의 공급 라인들(20, 21)에 의해 2개의 전극 공간(111, 112)에 공급되고,
    - 잔류 가스(90) 내의 제 1 반응물의 전기 화학적으로 사용되지 않은 양이 제 1 전극 공간(111)으로부터 배출되고,
    - 재순환 부재(30)는 상기 제 1 전극 공간(111)의 제 1 공급 라인(20) 내로 상기 잔류 가스(90)를 이송하고 및,
    - 잔류 가스를 이송하는데 필요한 에너지가 상기 잔류 가스(90) 내의 제 1 반응물의 에너지 포텐셜을 초과하면, 상기 잔류 가스(90)는 배출 밸브(110)에 의해 상기 연료 전지 시스템(10)의 주변으로 배출되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 필요한 에너지는 상기 잔류 가스(90)의 이송을 위해 제공된 재순환 부재(30)의 전력 소비량 또는 연료 전지(110)의 전류로부터 결정되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 방법은 하기 단계들,
    - 상기 연료 전지(110)에 공급된 상기 제 1 반응물의 제 1 양을 결정하는 단계,
    - 상기 연료 전지(110)에서 전기 화학적으로 변환된 상기 제 1 반응물의 양을 결정하는 단계,
    - 공급된 제 1 양과 전기 화학적으로 변환된 양의 비율을 계산하는 단계, 및
    - 상기 잔류 가스(90) 내의 상기 제 1 반응물의 제 2 양을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  12. 제 1 항에 따른 연료 전지 시스템(10)으로서, 상기 연료 전지 시스템(10)은 제 9 항에 따른 방법에 따라 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
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