KR101848537B1 - 저수조를 가진 밀봉된 냉각재 유동장 연료 전지 발전 장치를 위한 제어 시스템 - Google Patents

저수조를 가진 밀봉된 냉각재 유동장 연료 전지 발전 장치를 위한 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

시스템(10)은, 연료 전지(20)에 의해 발생되는 전력이 최대 연료 전지 전력 출력의 약 80% 내지 약 100% 사이일 때마다, 물(14)이 저수조(18A, 18B)로부터 반응물 스트림(16A, 16B)으로 이동하고, 연료 전지 전력이 최대 전력 출력의 약 75% 미만일 때마다, 물(14)이 반응물 스트림(16A, 16B)으로부터 저수조(18A, 18B)로 이동하도록, 애노드 유동장(28)과 캐소드 유동장(36) 중 적어도 하나의 내부의 반응물 스트림(16A, 16B)의 압력, 애노드 유동장(28) 및/또는 캐소드 유동장(36)을 통과하는 반응물 스트림(16A, 16B)의 유량, 밀봉된 냉각재 유동장(44)을 통과하는 냉각재 유체의 온도, 및 냉각재 유체의 유량 중 적어도 하나를 제어한다.

Description

저수조를 가진 밀봉된 냉각재 유동장 연료 전지 발전 장치를 위한 제어 시스템{CONTROL SYSTEM FOR A SEALED COOLANT FLOW FIELD FUEL CELL POWER PLANT HAVING A WATER RESERVOIR}
본 발명은 운송 차량, 휴대용 발전 장치 또는 고정식 발전 장치에서 사용하기에 적합한 연료 전지에 관한 것으로, 특히, 본 발명은 연료 전지를 통과하는 반응물 스트림 내에서 상대 습도를 제어하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
연료 전지는 잘 알려져 있으며, 일반적으로, 수소 농후 연료 스트림과 산소 함유 산화제 스트림으로부터 전력 장치로 전류를 생산하기 위해 사용된다. 연료 전지들은, 통상적으로, 전지 스택 조립체 내에 배열되며, 복수의 연료 전지들이 공통 매니폴드와, 제어기 및 밸브 등과 같은 다른 구성 요소들과 함께 배열되어 연료 전지 발전 장치를 형성하게 된다. 이러한 많은 발전 장치들은 대향하는 애노드 및 캐소드 촉매들과 지지재 사이에 고정된 전해질로서 "양성자 교환막"("PEM")을 포함하는 "막 전극 조립체"("MEA")를 이용한다.
종래 기술의 이러한 연료 전지 발전 장치에서는, 많은 어려움들이 발전 장치의 장기간 작동과 연관되어 있는 것으로 알려져 있다. 특히, 연료 전지의 작동 중에 발생하는 열을 제거하기 위해 MEA를 구비한 열교환기 내의 밀봉된 냉각재 유동장을 통해 냉각재 유체를 안내하는 냉각재 시스템을 포함한 연료 전지 발전 장치는 반응물 가스의 온도를 제어함으로써 인접한 MEA를 간접적으로 통과하는 반응물 가스 스트림의 상대 습도를 조심스럽게 제어하여야 한다. (본원에서의 목적을 위해, "밀봉된 냉각재 유동장"은 유체가 냉각재 유동장과 인접한 연료 전지 구성 요소 사이를 통과할 수 없다는 것을 의미한다.) 상대 습도가 너무 높으면, 전지의 작동 중에 캐소드 촉매에서 발생되는 물이 반응물 스트림으로 증발하는 대신 액체로서 축적될 것이다. 이는 반응물 스트림의 흐름을 감속하거나 완전히 중단시키는 플러딩(flooding)을 생성하며, 불량하거나 중단되는 연료 전지 작동으로 이어진다.
반면에, 반응물 스트림의 상대 습도가 너무 낮으면, MEA 내부의 PEM 전해질 내의 수분이 반응물 스트림으로 증발하여 PEM의 건조로 이어질 것이다. 이는 PEM을 통한 양성자의 이동을 느리게 하여, 전기 생산을 방해하게 된다. 또한, PEM의 건조는 PEM의 열화를 초래함으로써, 파열되거나 파괴된 막을 가스상 반응물이 돌파할 가능성이 있다. 이는 연료 전지의 성능을 저하시킬 뿐만 아니라, 반응 가스들이 혼합되어 가스들의 연소로 이어질 수 있는 위험이 있다.
따라서, 발전 장치의 연료 전지들을 통과하는 반응물 스트림의 상대 습도를 효율적으로 유지하는 밀봉된 냉각재 유동장을 가진 연료 전지 발전 장치가 필요하다.
본 발명은 산화제 및 수소 농후 연료 반응물 스트림으로부터 전류를 발생시키는 연료 전지 발전 장치를 위한 제어 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은, 반응물 스트림의 상대 습도가 1.00을 초과할 때마다, 연료 전지 내부의 반응물 스트림으로부터 유출되어 저수조로 유입되는 물의 이동을 제어한다. 저수조가 충만될 때마다, 초과분의 물이 전지를 빠져나간다. ("1.00"의 상대 습도는 반응물 스트림의 용량의 100%가 가스상 물을 유지하기 위해 사용되는 것을 의미한다.) 반응물 스트림의 상대 습도가 1.00 미만일 때마다, 시스템은 저수조로부터 유출되어 반응물 스트림으로 유입되는 물의 이동과, 연료 전지 내부의 PEM(양성자 교환막 전해질)을 제어한다. 또한, 제어 시스템은 연료 전지의 전력 출력과 반응물 스트림의 상대 습도를 조정한다. 특히, 연료 전지에 의해 발생되는 전력이 연료 전지의 최대 전력 출력의 약 80% 내지 약 100% 사이일 때마다, 수증기의 형태의 물이 저수조로부터 반응물 스트림으로 이동한다. 연료 전지에 의해 생산되는 전력이 연료 전지의 최대 전력 출력의 약 75% 미만일 때마다, 물이 반응물 스트림으로부터 저수조의 이용가능한(빈) 용적으로 이동한다. (본원에서의 목적을 위해, 단어 "약"은 플러스 또는 마이너스 10%를 의미한다.)
제어 시스템은 애노드 촉매 표면과 대향하는 캐소드 촉매 표면 사이에 배치된 양성자 교환막("PEM")을 가진 막 전극 조립체("MEA")를 포함하는 적어도 하나의 연료 전지를 포함한다. 상기 애노드 촉매 표면에 인접한 연료 유입 라인으로부터 수소 농후 연료 반응물 스트림의 흐름을 애노드 배기 스트림으로서 애노드 배기관을 통해 애노드 유동장의 외부로 안내하기 위해, 상기 애노드 촉매 표면 및 상기 연료 유입 라인과 유체 소통하도록 애노드 유동장이 형성된다. 또한, 상기 캐소드 촉매에 인접한 산화제 유입 라인으로부터 산화제 스트림의 흐름을 캐소드 배기 스트림으로서 캐소드 배기관을 통해 캐소드 유동장의 외부로 안내하기 위해, 상기 캐소드 촉매 표면 및 산화제 소오스와 유체 소통하도록 캐소드 유동장이 형성된다.
냉각재 루프의 유입구로부터 냉각재 유동장을 통해 그리고 냉각재 루프의 유출구를 통해 냉각재 유동장 외부로 냉각재 유체를 안내하기 위해, 상기 애노드 유동장과 상기 캐소드 유동장 중 적어도 하나와 열교환 관계로 밀봉된 냉각재 유동장이 고정된다. 상기 냉각재 루프는 냉각재 루프 펌프, 냉각재 루프 유량 제어기, 및 상기 냉각재 유동장 내부에서 상기 냉각재 유체의 온도를 제어하기 위한 냉각재 루프 열교환기를 포함한다. 또한, 상기 애노드 유동장과 상기 캐소드 유동장 중 적어도 하나와 유체 소통하도록 저수조가 고정되며, 상기 저수조는 상기 밀봉된 냉각재 유동장으로부터 유체 격리(fluid isolation)로 고정된다. 상기 저수조는 당해 저수조로부터 상기 적어도 하나의 애노드 및 캐소드 유동장들을 통과하는 반응물 스트림으로 물을 이동시키고, 상기 적어도 하나의 애노드 및 캐소드 유동장들을 통과하는 반응물 스트림으로부터 당해 저수조로 물을 이동시키도록 구성된다.
상기 애노드 유동장과 상기 캐소드 유동장 중 적어도 하나를 통과하는 반응물 스트림과 유체 소통하도록 상대 습도 센서가 고정된다. 또한, 상기 상대 습도 센서와, 연료 유입 라인에 고정된 연료 유입 밸브; 산화제 유입 라인에 고정된 산화제 유입 밸브; 산화제 유입 라인에 고정된 산화제 송풍기; 애노드 배기관에 고정된 애노드 배기 밸브; 캐소드 배기관에 고정된 캐소드 배기 밸브; 냉각재 루프 펌프; 냉각재 루프 유량 제어기; 및 냉각재 루프 열교환기 중 적어도 하나와 소통하도록 상대 습도 제어기가 고정된다. 상기 상대 습도 센서는 상기 애노드 유동장과 상기 캐소드 유동장 중 적어도 하나를 통과하는 반응물 스트림들 중 적어도 하나의 상대 습도를 결정하기 위한 상대 습도 센서 수단일 수도 있다. 따라서, 상기 상대 습도 센서 수단은 상대 습도를 감지하기 위한 장치이거나, 연료 전지 작동 파라미터를 측정하는 센서들과 같이, 상술한 기능을 수행할 수 있으며, 감지된 측정값을 이용하여 반응물 스트림들 중 적어도 하나의 상대 습도를 산출할 수 있는 임의의 장치 또는 장치의 조합일 수 있다.
상대 습도 제어기는, 연료 전지에 의해 발생되는 전력이 연료 전지의 최대 전력 출력의 약 80% 내지 약 100% 사이일 때마다, 물이 저수조로부터 반응물 스트림과 PEM으로 이동하고, 연료 전지에 의해 생산되는 전력이 연료 전지의 최대 전력 출력의 약 75% 미만일 때마다, 물이 반응물 스트림 또는 PEM으로부터, 저수조 용적이 이용가능다면, 저수조로 이동하도록, 반응물 스트림의 압력; 반응물 스트림의 유량; 밀봉된 냉각재 유동장 내에서 냉각재의 온도; 밀봉된 냉각재 유동장을 통과하는 냉각재 유체의 유량 중 적어도 하나를 선택적으로 제어하도록 구성된다. 대안적인 실시예에서, 상기 제어 시스템은, 연료 전지의 최대 전력 출력의 80%를 초과하여 작동하면서 저수조가 고갈되는 경우, 디-레이트 파워(de-rate power) 기능을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 상기 저수조는 상기 애노드 및 캐소드 유동장들 중 적어도 하나와 유체 소통하도록 고정된 별도의 다공성 본체 내에 형성되거나 인접하여 형성된 공극들을 포함한다.
제어 시스템의 작동에 있어서, 부하에 의해, 예컨대, 운송 차량의 전기 모터에 의해, 전기에 대한 수요가 증가함에 따라, 연료 전지에 의해 발생되는 전류 밀도가 증가함으로써, MEA(막 전극 조립체) 내에서의 열 발생이 증가하여, MEA와 유동장들 내부에서의 온도가 상승하게 된다. 이와 같이 상승한 온도는 반응물 스트림 내부의 상대 습도를 감소시키며, 이로 인해, 저수조 내에 보관된 물이 반응물 스트림으로 증발하여 상대 습도를 증가시키게 된다. 상기 상대 습도 제어기는, 연료 전지의 전력 출력이 연료 전지의 최대 전력 출력의 약 75%에 도달할 때까지, 상기 애노드 및 캐소드 유동장들 중 적어도 하나의 내부에서 반응물 스트림들의 상대 습도를 1.00을 초과하여 유지하도록 구성된다. 반응물 스트림들의 상대 습도가 1.00을 초과할 때, 연료 전지로부터 생산되는 물은 저수조가 충만될 때까지 저수조로 이동하며, 초과분의 물은 연료 전지로부터 캐소드 배기 스트림 내부로 제거된다. 연료 전지 전력 출력이 최대 잠재 전력 출력의 약 80% 내지 100% 사이로 증가함에 따라, 온도가 증가하고 상대 습도가 감소함으로써, 저수조 내에 보관된 물이 반응물 스트림으로 증발한다.
이와 같은 저수조 내에 보관된 물의 증발은 저수조와 이에 인접한 MEA를 냉각시키는 데도 도움이 된다. 또한, 높은 상대 습도와 반응물 스트림의 증발 냉각은 연료 전지 발전 장치가 높은 전류 밀도에서 높은 냉각재 출구 온도로 작동할 수 있도록 한다. 이는 연료 전지 발전 장치 자체를 냉각시키기 위한 연료 전지 발전 장치에서의 기생 전력 수요를 저감하고, 라디에이터 크기를 축소할 것이다. 또한, 초과분의 물에 의한 플러딩을 방지하기 위해, 산화제 반응물 스트림 유량, 반응물 스트림 압력 등을 변화시킴으로써, 낮은 전류 출력에서 최대 상대 습도로의 연료 전지의 작동이 제어될 수 있다.
저수조는, 연료 전지에 대해 높은 전력 수요가 예상될 때, 1.00 또는 약 1.00으로 반응물 스트림의 상대 습도를 유지하기에 충분한 물을 보관하기 위한 적절한 용적을 형성한다. 즉, 특수한 연료 전지, 예컨대, 운송 차량을 위한 연료 전지 또는 고정식 발전 장치를 위한 연료 전지는 높은 전력 출력의 예측가능한 지속 기간을 가질 것이다. 저수조에 의해 형성되는 저수 용적은 이와 같이 미리 정해진 높은 전력 출력의 지속 기간 동안 반응물 스트림의 상대 습도를 1.00 또는 약 1.00으로 유지하도록 구성된다. 저수조에 의해 형성되는 바람직한 저수 용적은 약 5분 동안 반응물 스트림의 상대 습도를 1.00 또는 약 1.00으로 유지하기에 적절한 용적이다. 미리 정해진 높은 전력 출력의 지속 기간이 경과한 후, 예컨대, 5분의 지속 기간이 경과한 후, 제어 시스템은 연료 전지의 최대 전력 출력의 약 75% 미만으로 작동하도록 연료 전지를 복귀시키는 디-레이트 기능을 개시할 수 있다. 본 제어 시스템의 저수조 또는 저수조들은, 반응물 유동장으로부터 물을 흡수하고 물의 제거를 대체로 용이하게 함으로써, 연료 전지의 작동을 돕는다. 본 발명은 전술한 바와 같은 그리고 이하에 보다 상세하게 후술하는 바와 같은 발전 장치의 연료 전지를 통과하는 반응물 스트림의 유효 상대 습도를 유지하기 위해 연료 전지 발전 장치를 작동시키는 방법을 또한 포함한다.
따라서, 본 발명의 일반적인 목적은 종래 기술의 결함을 극복하는 저수조를 가진 밀봉된 냉각재 유동장 연료 전지 발전 장치를 위한 제어 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 구체적인 목적은, 발전 장치의 연료 전지 내부에서 반응물 스트림의 최적의 상대 습도를 효율적으로 유지하는 저수조를 가진 밀봉된 냉각재 유동장 연료 전지 발전 장치를 위한 제어 시스템을 제공하는 것이다.
첨부도면과 함께 후술하는 설명을 숙독함으로써, 저수조를 가진 밀봉된 냉각재 유동장 연료 전지 발전 장치를 위한 본 발명의 제어 시스템의 여타 목적과 장점을 보다 용이하게 이해할 것이다.
도 1은 본 발명의 저수조를 가진 밀봉된 냉각재 유동장 연료 전지 발전 장치를 위한 제어 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 2는 연료 전지로부터 유출되는 반응물 스트림의 상대 습도를 전압, 전류 밀도 및 열의 함수로서 나타낸 그래프이다.
도 3은 연료 전지의 작동 온도의 증가에 따른 도 2의 그래프의 반응물 스트림의 상대 습도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도면을 상세하게 참조하면, 저수조를 가진 밀봉된 냉각재 유동장 연료 전지 발전 장치를 위한 제어 시스템이 도 1에 도시되어 있으며, 참조 부호(10)로 포괄적으로 표시되어 있다. 시스템(10)은 산화제 및 수소 농후 연료 반응물 스트림으로부터 전류를 발생시키는 연료 전지 발전 장치(12)에 적용된다. 상기 시스템(10)은, 반응물 스트림(16A, 16B)의 상대 습도가 1.00을 초과할 때마다, 반응물 스트림(16A, 16B)으로부터 유출되어 저수조(18A, 18B)로 유입되는 물(14)의 이동을 제어한다. ("1.00"의 상대 습도는 반응물 스트림(16A, 16B)의 용량의 100%가 가스상 물을 유지하기 위해 사용되는 것을 의미한다.)
반응물 스트림(16A, 16B)의 상대 습도가 1.00 미만일 때마다, 시스템(10)은 저수조(18A, 18B)로부터 유출되어 반응물 스트림(16A, 16B)으로 유입되는 물(14)의 이동을 제어한다. 또한, 제어 시스템(10)은 연료 전지(20)의 전력 출력과 반응물 스트림(16A, 16B)의 상대 습도를 조정한다. 특히, 연료 전지(20)에 의해 발생되는 전력이 연료 전지(20)의 최대 전력 출력의 약 80% 내지 약 100% 사이일 때마다, 저수조(18A, 18B)들 중 적어도 하나로부터 반응물 스트림(16A, 16B)들 중 적어도 하나로 물(14)이 이동한다. 연료 전지(20)에 의해 생산되는 전력이 연료 전지(20)의 최대 전력 출력의 약 75% 미만일 때마다, 반응물 스트림(16A, 16B)들 중 적어도 하나로부터 저수조(18A, 18B)들 중 적어도 하나로 물(14)이 이동한다. (본원에서의 목적을 위해, 단어 "약"은 플러스 또는 마이너스 10%를 의미한다.) 바람직한 실시예에서, 연료 전지(20)는, 그 작동 시간의 50% 동안, 그리고, 바람직하게는, 그 작동 시간의 75% 동안, 반응물 스트림(16A, 16B)들 중 적어도 하나로부터 저수조(18A, 18B)들 중 적어도 하나로 물(14)이 이동하도록, 구성된다. 이에 따라, 연료 전지(20)가 그 작동 시간의 50% 동안, 그리고, 바람직하게는, 연료 전지(20)의 작동 시간의 75% 동안, 그 최대 전력 출력의 약 75% 미만을 생산하도록, 제어 시스템(10)과 연료 전지(20)가 구성될 것이다.
제어 시스템(10)은 MEM의 애노드 촉매 표면(24)과 대향하는 캐소드 촉매 표면(26) 사이에 배치된 양성자 교환막(23)("PEM")을 가진 막 전극 조립체(22)("MEA")를 포함하는 적어도 하나의 연료 전지(20)를 포함한다. 상기 애노드 촉매 표면(24)에 인접한 연료 유입 라인(30)을 통해 연료 저장 소오스(32)으로부터 수소 농후 연료 반응물 스트림의 흐름을 애노드 배기 스트림으로서 애노드 배기관(34)을 통해 애노드 유동장(28)의 외부로 안내하기 위해, 상기 애노드 촉매 표면(24) 및 상기 연료 유입 라인(30)과 유체 소통하도록 애노드 유동장(28)이 형성된다. 또한, 상기 캐소드 촉매 표면(26)에 인접한 산화제 유입 라인(40)으로부터 산화제 반응물 스트림의 흐름을 캐소드 배기 스트림으로서 캐소드 배기관(42)을 통해 캐소드 유동장(36)의 외부로 안내하기 위해, 상기 캐소드 촉매 표면(26) 및 산화제 소오스(38)(예컨대, 대기 또는 산화제 저장 용기(38))와 유체 소통하도록 캐소드 유동장(36)이 형성된다.
냉각재 루프(48)의 냉각재 유입구(46)로부터 밀봉된 냉각재 유동장(44)을 통해 그리고 냉각재 루프(48)의 냉각재 유출구(50)를 통해 유동장(44) 외부로 냉각재 유체를 안내하기 위해, (도 1에 도시된 바와 같이) 상기 애노드 유동장(28)과 상기 캐소드 유동장(36) 중 적어도 하나와 열교환 관계로 밀봉된 냉각재 유동장(44)이 고정된다. 상기 냉각재 루프(48)는 냉각재 루프 펌프(52), 가능하다면, 냉각재 루프(48)와 냉각재 유동장(44)을 통과하는 냉각재 유체의 유량을 제어하기 위한 냉각재 유량 제어 밸브(53), 및 냉각재 유동장(44)을 통과하는 냉각재 유체의 온도를 제어하기 위한 냉각재 루프 열교환기(54)를 또한 포함한다.
애노드 유동장(28)과 캐소드 유동장(36) 중 적어도 하나와 유체 소통하도록 적어도 하나의 저수조(18A, 18B)가 고정되며, 상기 저수조는 밀봉된 냉각재 유동장(44)으로부터 유체 격리로 고정된다. 상기 저수조(18A, 18B)는 당해 저수조(18A, 18B)로부터 적어도 하나의 애노드 유동장(28) 및 캐소드 유동장(36)에 위치한 반응물 스트림(16A, 16B)으로 물을 이동시키고, 상기 적어도 하나의 애노드 유동장(28) 및 캐소드 유동장(36)에 위치한 반응물 스트림(16A, 16B)으로부터 당해 저수조(18A, 18B)로 물을 이동시키도록 구성된다. 예컨대, 반응물 스트림이 캐소드 유동장(36)을 통과하는 산화제 반응물 스트림(16A)인 경우, 캐소드 유동장(36)에 인접하여 고정된 저수조(18A)가 스트림(16A)의 상대 습도에 따라 산화제 반응물 스트림(16A) 내외로 물(14)을 이동시킨다. 도 1은 MEA(22)의 대향하는 표면들에 인접한 저수조(18A, 18B)들을 도시하고 있다. 그러나, 저수조(18A, 18B)들은 반응물 스트림(16A, 16B)들 중 적어도 하나와 유체 소통하기만 하면 다른 위치에 배치될 수도 있다.
애노드 유동장(28)과 캐소드 유동장(36) 중 적어도 하나를 통과하는 반응물 스트림과 유체 소통하도록 상대 습도 센서(60)가 고정될 수 있다. 바람직하게, 상대 습도 센서(60)는 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이 캐소드 배기관(42) 내부의 캐소드 배기 스트림과 소통하도록 고정된다. 상대 습도 센서(60)는 www.sensirion.com으로부터 입수할 수 있는 Sensirion SHT10이거나, 반응물 스트림(16A, 16B)의 상대 습도를 감지하고 감지된 상대 습도를 전달할 수 있는 당업계에 공지된 임의의 구조일 수 있다.
전술한 바와 같이, 상대 습도 센서(60)는 애노드 유동장(28)과 캐소드 유동장(36) 중 적어도 하나를 통과하는 반응물 스트림(16A, 16B)들 중 적어도 하나의 상대 습도를 결정하기 위한 상대 습도 센서 수단(60)일 수도 있다. 따라서, 상기 상대 습도 센서 수단(60)은 전술한 바와 같이 상대 습도를 감지하기 위한 장치이거나, 연료 전지 작동 파라미터를 측정하는 측정 장치들(미도시)과 같이, 상술한 기능을 수행할 수 있으며, 감지된 측정값을 이용하여 반응물 스트림들 중 적어도 하나의 상대 습도를 산출할 수 있는 임의의 장치 또는 장치의 조합일 수 있다.
또한, 제 1 소통 라인(64)을 통해 상대 습도 센서(60)와 소통하도록 상대 습도 제어기(62)가 고정된다. (용어 "소통 라인"에 의하면, 기술된 구성 요소들이 당업계에 공지된 임의의 장치, 예컨대, 전기 와이어, 광섬유, 전자기파, 시각적 표시에 응답하여 인간 운영자에 의해 작동되는 기계적 밸브 등을 통해, 서로 소통한다는 것을 의미하며, 이들은 모두 해치선(64)과 후술하는 다른 해치선으로 표시되어 있다.) 상대 습도 제어기는 상술한 기능을 수행하는 당업계에 공지된 임의의 제어기 수단, 예컨대, 컴퓨터, 전자기계 컨트롤, 전자기계 신호 또는 라디오파 신호에 응답하는 유압 컨트롤, 시각적 신호 또는 라디오 신호에 응답하는 인간 운영자 등일 수 있다. 또한, 상대 습도 제어기(62)는 다음과 같은 구성 요소들 중 적어도 하나와 소통하도록 고정된다. 제어기(62)는, 연료 유입 라인(30)에 고정된 연료 유입 밸브(68)와 제 2 소통 라인(66)을 통해 고정될 수 있으며; 산화제 유입 라인(40)에 고정된 산화제 유입 밸브(72)와 제 3 소통 라인(70)을 통해 고정될 수 있고; 산화제 유입 라인(40)에 고정된 산화제 송풍기(76)와 제 4 소통 라인(74)을 통해 고정될 수 있으며; 냉각재 루프(48) 냉각재 제어 밸브(43), 냉각재 루프 펌프(52) 및/또는 냉각재 루프 열교환기(54)와 제 5 소통 라인(78)을 통해 고정될 수 있고; 캐소드 배기관(42)에 고정된 캐소드 배기 밸브(82)와 제 6 소통 라인(80)을 통해 고정될 수 있으며; 애노드 배기관(34)에 고정된 애노드 배기 밸브(86)와 제 7 소통 라인(84)을 통해 고정될 수 있고; 반응물 배기 가스 재생 라인에 고정된 반응물 배기 가스 유량 제어기, 예컨대, 애노드 배기 가스 재생 라인(91)에 고정된 반응물 배기 가스 유량 제어기(89)와 제 8 소통 라인(88)을 통해 고정될 수 있다. 애노드 재생 라인(91)은 애노드 배기관(34)과 연료 유입 라인(30) 사이에 고정되며, 반응물 배기 가스 유량 제어기는 송풍기(89), 이젝터(ejector), 또는 연료 전지 반응물 배기 가스의 유량을 제어할 수 있는 임의의 다른 장치일 수 있다.
상대 습도 제어기(62)는, 연료 전지(20)에 의해 발생되는 전력이 연료 전지(20)의 최대 전력 출력의 약 80% 내지 약 100% 사이일 때마다, 물(14)이 저수조(18A, 18B)로부터 반응물 스트림(16A, 16B)으로 이동하고, 연료 전지(20)에 의해 생산되는 전력이 연료 전지(20)의 최대 전력 출력의 약 75% 미만일 때마다, 물(14)이 반응물 스트림(16A, 16B)으로부터 저수조(18A, 18B)로 이동하도록, 애노드 유동장(28) 및/또는 캐소드 유동장(36) 내부의 반응물 스트림(16A, 16B)의 압력; 애노드 유동장(28) 및/또는 캐소드 유동장(36)을 통과하는 반응물 스트림(16A, 16B)의 유량; 밀봉된 냉각재 유동장(44) 내에서 냉각재 유체의 온도; 밀봉된 냉각재 유동장(44)을 통과하는 냉각재 유체의 유량 중 적어도 하나를 선택적으로 제어하도록 구성된다.
상대 습도 제어기(62)는 상대 습도 센서(60)로부터 수신된 정보에 응답하여 상술한 파라미터들 중 하나 이상을 제어할 수 있거나, 제어기(62)는 연료 전지 발전 장치(12)의 다른 작동 특성에 응답하여 파라미터들 중 하나 이상을 제어하도록 단순하게 조정될 수 있다. 예컨대, 발전 장치(12)가 고정식 발전 장치로서의 역할을 하도록 구성되어 거의 정상 상태 전류 출력으로 작동하면, 상대 습도에 주로 영향을 미치는 변수들은 대기 조건이 될 것이다. 따라서, 상대 습도 센서(62) 장치가 필요하지 않을 수 있으며, 감지된 다른 정보에 의해 또는 단순히 연료 전지 전류 출력에 응답하여 반응물 스트림(16A, 16B)의 가변적인 상대 습도를 생성하도록 전술한 다른 상대 습도 센서 수단에 의해 연료 전지 발전 장치(12)가 조정될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 저수조(18A, 18B)는 MEA(22)의 애노드 촉매 표면(24)과 유체 소통하도록 고정된 소수성의 애노드 다공성 본체(90)에 형성된 공극들과, MEA(22)의 캐소드 촉매 표면(26)과 유체 소통하도록 고정된 소수성의 캐소드 다공성 본체(92)에 형성된 공극들을 포함한다. 대안적인 저수조(18A) 또는 저수조(18A, 18B)들은 전술한 반응물 스트림(16A, 16B) 내외로 물을 이동시킬 수 있는 대안적인 구조(미도시), 예컨대, 중공 섬유, 가스 확산층 내의 친수성 조립체를 포함할 수 있다.
제어 시스템(10)의 작동에 있어서, 부하(미도시)에 의해 전기에 대한 수요가 증가함에 따라, 연료 전지(20)에 의해 발생되는 전류 밀도가 증가함으로써, MEA(22)에 의해 생산되는 열이 증가하고 애노드 유동장(28)과 캐소드 유동장(36)으로 전달되어, 온도가 상승하게 된다. 이와 같이 상승한 온도는 반응물 스트림(16A, 16B) 내부의 상대 습도를 감소시키며, 이로 인해, 저수조(18A, 18B) 내에 보관된 물(14)이 반응물 스트림(16A, 16B)으로 증발하여 반응물 스트림(16A, 16B)의 상대 습도를 증가시키게 된다. 상기 상대 습도 제어기(62)는, 연료 전지(20)의 전력 출력이 연료 전지(20)의 최대 전력 출력의 약 75%에 도달할 때까지, 애노드 및 캐소드 유동장(26, 36)들 중 적어도 하나의 내부에서 반응물 스트림(16A, 16B)들의 상대 습도를 1.00을 초과하여 유지하도록 구성된다. 반응물 스트림(16A, 16B)들의 상대 습도가 1.00을 초과할 때, 연료 전지(20)로부터 생산되는 물은 저수조(18A, 18B)의 이용가능한 용적으로 이동하며, 어떤 초과분의 물(14)은 연료 전지(20)로부터 캐소드 배기관(42)으로부터 유출되는 캐소드 배기 스트림 내부로 제거된다. 연료 전지(20)의 전력 출력이 미리 정해진 연료 전지의 최대 잠재 전력 출력의 약 80% 내지 100% 사이로 증가함에 따라, 연료 전지(20) 내부의 온도가 증가하고 그로 인해 상대 습도가 감소함으로써, 저수조(18A, 18B) 내에 보관된 물(14)이 반응물 스트림(16A, 16B)으로 증발한다.
또한, 저수조(18A, 18B)는, 연료 전지(20)에 대해 높은 전력 수요가 예상될 때, 1.00 또는 약 1.00으로 반응물 스트림(16A, 16B)의 상대 습도를 유지하기에 충분한 물을 보관하기 위한 적절한 저수 용적을 형성한다. 특수한 연료 전지(20), 예컨대, 운송 차량(미도시)을 위한 연료 전지 또는 고정식 발전 장치(미도시)를 위한 연료 전지는 높은 전력 출력의 예측가능한 미리 정해진 지속 기간을 가질 것이다. 저수조(18A, 18B)에 의해 형성되는 저수 용적은 이와 같이 미리 정해진 높은 전력 출력의 지속 기간 동안 반응물 스트림(16A, 16B)의 상대 습도를 1.00 또는 약 1.00으로 유지하기 위해 적절한 용적의 물(14)을 보관하는 치수로 구성된다. 저수조(18A, 18B)에 의해 형성되는 바람직한 저수 용적은 약 5분 동안 반응물 스트림의 상대 습도를 1.00 또는 약 1.00으로 유지하기에 적절한 용적이다. 미리 정해진 높은 전력 출력의 지속 기간이 경과한 후, 예컨대, 5분의 지속 기간이 경과한 후, 제어 시스템은 연료 전지의 최대 전력 출력의 약 75% 미만으로 작동하도록 연료 전지를 복귀시키는 디-레이트 기능을 개시할 수 있다.
도 2는 전류 밀도의 증가에 응답하여 연료 전지로부터 유출되는 캐소드 스트림의 상대 습도 변화를 도시한 그래프에서 모사 분극 곡선을 나타내고 있다. 도 2에서 모사된 연료 전지 성능은 모사된 연료 전지 캐소드 유동장에 인접한 밀봉된 냉각재 유동장을 통과하는 냉각재 유체의 65℃의 고정된 온도에서 320㎠의 PEM에 대해 도 2의 발열량을 산출한다. 정상 상태에서의 상대 습도는 플롯 라인(100)으로 표시되어 있고; 연료 전지의 열은 플롯 라인(102)으로 표시되어 있으며; 연료 전지의 전압은 플롯 라인(104)으로 표시되어 있고; 냉각재 출구에서의 냉각재 유체의 온도는 플롯 라인(106)으로 표시되어 있다. 도 2는 반응물 스트림의 상대 습도가 약 1.5 A/㎠의 (수평축에 도시된 바와 같은) 전류 밀도에서 1.0을 초과하여 유지되는 것을 나타내고 있다. 그 다음, 상대 습도는 1.5 A/㎠를 초과하는 전류 밀도에서 1.0 미만으로 감소한다. 상술한 바와 같이, 연료 전지가 1.5 A/㎠를 초과하는 전류 밀도로 작동할 때마다, 반응물 스트림의 상대 습도가 1.0 미만으로 떨어지면, 연료 전지로부터 물이 증발하여 PEM의 수화를 감소시키고, 그로 인해, 연료 전지 성능의 감소와 PEM의 유해한 수화 순환을 초래하게 된다.
도 3은 유량이 도 2에 도시된 유량의 대략 2/3이 되도록 밀봉된 냉각재 유동장을 통한 냉각재 유체의 흐름이 1.5로 나누어진 모사된 연료 전지 성능에 대하여 도 2에서 설명한 것과 동일한 플롯 라인들을 나타내고 있다. 이는 연료 전지를 떠나는 냉각재 유체의 온도 증가를 초래하고, 더욱 중요하게는, 도 3에 플롯 라인(100)으로 도시된 상대 습도를 약 1.1 A/㎠에서 1.0 미만으로 감소시킨다. 따라서, 도 3에 도시된 연료 전지의 성능은 냉각재 유체의 유량을 변화시킴으로써 냉각재 유체의 온도를 제어하는 것이, 연료 전지의 전류 밀도 또는 전력 출력이 연료 전지의 최대 전류 출력의 80%를 초과하도록 증가할 때, 연료 전지를 통과하는 반응물 스트림의 상대 습도를 1.0 이상으로 유지하기 위해 본 발명의 상대 습도 제어기(62)가 이용할 수 있는 다양한 방법들 중 하나임을 나타낸다.
본 발명은 연료 전지(20)를 통과하는 반응물 스트림(16A, 16B)의 유효 상대 습도를 유지하기 위해 밀봉된 냉각재 유동장 연료 전지 발전 장치(12)를 작동시키는 방법을 또한 포함한다. 연료 전지 발전 장치(12)를 이와 같이 작동시키는 방법은, 연료 전지(20)에 의해 발생되는 전력이 연료 전지(20)의 최대 전력 출력의 약 80% 내지 약 100% 사이일 때마다, 물(14)이 저수조(18A, 18B)로부터 반응물 스트림(16A, 16B)으로 이동하고, 연료 전지(20)에 의해 생산되는 전력이 연료 전지(20)의 최대 전력 출력의 약 75% 미만일 때마다, 물(14)이 반응물 스트림(16A, 16B)으로부터 저수조(18A, 18B)로 이동하도록, 애노드 유동장(28) 및/또는 캐소드 유동장(36) 내부의 반응물 스트림(16A, 16B)의 압력; 애노드 유동장(28) 및/또는 캐소드 유동장(36)을 통과하는 반응물 스트림(16A, 16B)의 유량; 밀봉된 냉각재 유동장(44) 내에서 냉각재 유체의 온도; 밀봉된 냉각재 유동장(44)을 통과하는 냉각재 유체의 유량 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 포함한다.
상기 연료 전지 발전 장치(12)를 작동시키는 방법은, 연료 전지(20)의 미리 정해진 높은 전력 출력의 지속 기간 동안 반응물 스트림(16A, 16B)의 상대 습도를 약 1.00으로 유지하기 위해 적절한 양의 물(14)을 저수조(18A, 18B)에 저장하는 단계를 또한 포함할 수 있다. 적절한 양의 물(14)을 저장하는 단계는 연료 전지(20)의 5분의 높은 전력 출력의 지속 기간 동안 반응물 스트림(16A, 16B)의 상대 습도를 1.0 또는 약 1.0으로 유지하기 위해 적절한 용적의 물(14)을 저장하는 단계를 또한 포함할 수 있다.
밀봉된 냉각재 유동장 연료 전지 발전 장치(12)를 위한 제어 시스템(10)의 개시되고 도시된 실시예들과 관련하여 본 발명을 상술하였으나, 본 발명은 그러한 변형들과 개시된 실시예들로 제한되지 않음을 이해하여야 한다. 따라서, 본 발명의 범위를 결정하기 위해서는 상술한 설명보다는 후술한 특허청구범위를 주로 참조하여야 한다.

Claims (10)

  1. 산화제 반응물 스트림(16A)과 수소 농후 연료 반응물 스트림(16B)으로부터 전류를 발생시키는 연료 전지 발전 장치(12)를 위한 제어 시스템(10)이며,
    a. 적어도 하나의 연료 전지(20)로서, 막 전극 조립체(22)의 애노드 촉매 표면(24)과 대향하는 캐소드 촉매 표면(26) 사이에 배치된 양성자 교환막(23)을 가진 막 전극 조립체(22)와, 상기 애노드 촉매 표면(24)에 인접한 연료 유입 라인(30)으로부터 수소 농후 연료 반응물 스트림(16B)의 흐름을 애노드 배기 스트림으로서 애노드 배기관(34)을 통해 애노드 유동장(28)의 외부로 안내하기 위해, 상기 애노드 촉매 표면(24) 및 상기 연료 유입 라인(30)과 유체 소통하도록 형성된 애노드 유동장(28)과, 상기 캐소드 촉매 표면(26)에 인접한 산화제 유입 라인(40)으로부터 산화제 반응물 스트림(16A)의 흐름을 캐소드 배기 스트림으로서 캐소드 배기관(42)을 통해 캐소드 유동장(36)의 외부로 안내하기 위해, 상기 캐소드 촉매 표면(26) 및 산화제 소오스(38)와 유체 소통하도록 형성된 캐소드 유동장(36)을 포함하는, 적어도 하나의 연료 전지(20);
    b. 냉각재 루프(48)의 냉각재 유입구(46)로부터 냉각재 유동장(44)을 통해 그리고 냉각재 루프 유출구(50)를 통해 냉각재 유체를 안내하기 위해, 상기 애노드 유동장(28)과 상기 캐소드 유동장(36) 중 적어도 하나와 열교환 관계로 고정된 밀봉된 냉각재 유동장(44)으로서, 상기 냉각재 루프는 상기 냉각재 유동장(44) 내에서 냉각재 유체의 온도를 제어하도록 구성된, 냉각재 유동장(44);
    c. 상기 애노드 유동장(28)과 상기 캐소드 유동장(36) 중 적어도 하나와 유체 소통하도록 고정되고, 상기 밀봉된 냉각재 유동장(44)으로부터 유체 격리로 고정된 적어도 하나의 저수조(18A, 18B)로서, 상기 저수조(18A, 18B)는 당해 저수조(18A, 18B)로부터 적어도 하나의 애노드 유동장(28) 및 캐소드 유동장(36)에 위치한 반응물 스트림(16A, 16B)으로 물을 이동시키고, 상기 적어도 하나의 애노드 유동장(28) 및 캐소드 유동장(36)에 위치한 반응물 스트림(16A, 16B)으로부터 적어도 하나의 저수조(18A, 18B)로 물(14)을 이동시키도록 구성된, 적어도 하나의 저수조(18A, 18B); 및
    d. 상기 연료 전지(20)에 의해 발생되는 전력이 연료 전지(20)의 미리 정해진 최대 전력 출력의 80% 내지 100% 사이일 때마다, 물(14)이 저수조(18A, 18B)로부터 반응물 가스 스트림(16A, 16B)으로 이동하고, 연료 전지(20)에 의해 생산되는 전력이 연료 전지(20)의 미리 정해진 최대 전력 출력의 75% 미만일 때마다, 물(14)이 반응물 가스 스트림(16A, 16B)으로부터 저수조(18A, 18B)로 이동하도록, 반응물 스트림(16A, 16B)의 압력, 반응물 스트림(16A, 16B)의 유량, 밀봉된 냉각재 유동장(44) 내에서 냉각재 유체의 온도 중 적어도 하나를 선택적으로 제어하기 위해 연료 전지(12)와 소통하도록 고정된 상대 습도 제어기(62)를 포함하고,
    제어 시스템(10)은, 연료 전지(20)의 최대 전력 출력의 80%를 초과하여 작동하는 미리 정해진 기간 이후나 연료 전지(20)의 최대 전력 출력의 80%를 초과하여 작동하면서 저수조(18A, 18B)가 고갈되는 경우에 연료 전지(20)의 최대 전력 출력의 75% 미만으로 작동하도록 연료 전지(20)를 복귀시키는 디-레이트 파워 기능을 구비하는,
    제어 시스템(10).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드 유동장(28)과 상기 캐소드 유동장(36) 중 적어도 하나를 통과하는 반응물 스트림(16A, 16B)과 소통하도록 고정되고, 상기 반응물 스트림(16A, 16B)의 상대 습도에 대해 감지된 정보를 상기 제어기(62)에 전달하기 위해 상기 상대 습도 제어기(62)와 소통하도록 고정된 상대 습도 센서(60) 수단을 더 포함하는,
    제어 시스템(10).
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 상대 습도 센서(60) 수단은 상기 캐소드 배기관(42)과 소통하도록 고정된,
    제어 시스템(10).
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 상대 습도 제어기(62)는 연료 유입 라인(30)에 고정된 연료 유입 밸브(68), 산화제 유입 라인(40)에 고정된 산화제 유입 밸브(72), 산화제 유입 라인(40)에 고정된 산화제 송풍기(76), 애노드 배기관(34)에 고정된 애노드 배기 밸브(86), 캐소드 배기관(42)에 고정된 캐소드 배기 밸브(82), 냉각재 루프(48) 중 적어도 하나와 소통하도록 또한 고정된,
    제어 시스템(10).
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 저수조(18A, 18B)는 막 전극 조립체(22)의 캐소드 촉매 표면(26)과 유체 소통하도록 고정된 캐소드 다공성 본체(92)와 막 전극 조립체(22)의 애노드 촉매 표면(24)과 유체 소통하도록 고정된 애노드 다공성 본체(92) 중 적어도 하나에 형성된 공극들을 더 포함하는,
    제어 시스템(10).
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 저수조(18A, 18B)는, 연료 전지(20)의 미리 정해진 최대 전력 출력의 80% 내지 100% 사이인 연료 전지(20)의 미리 정해진 전력 출력의 지속 기간 동안, 반응물 스트림(16A, 16B)의 상대 습도를 1.00으로 유지할 수 있는 용적의 물(14)을 보관하는 치수로 구성된 저수 용적을 형성하는,
    제어 시스템(10).
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 저수조(18A, 18B)는, 연료 전지(20)의 미리 정해진 최대 전력 출력의 80% 내지 100% 사이인 연료 전지(20)의 미리 정해진 전력 출력의 지속 기간이 5분이 될 때마다, 반응물 스트림(16A, 16B)의 상대 습도를 1.0으로 유지하기 위해 적절한 저수 용적을 형성하는,
    제어 시스템(10).
  8. 연료 전지(20)를 통과하는 반응물 스트림(16A, 16B)의 상대 습도 레벨을 유지하기 위해 제 1 항의 밀봉된 냉각재 유동장 연료 전지 발전 장치(12)를 작동시키는 방법이며,
    a. 애노드 유동장(28)과 캐소드 유동장(36) 중 적어도 하나의 내부의 반응물 스트림(16A, 16B)의 압력; 애노드 유동장(28)과 캐소드 유동장(36) 중 적어도 하나를 통과하는 반응물 스트림(16A, 16B)의 유량; 밀봉된 냉각재 유동장(44)을 통과하는 냉각재 유체의 온도; 밀봉된 냉각재 유동장(44)을 통과하는 냉각재 유체의 유량 중 적어도 하나를 제어함으로써,
    b. 연료 전지(20)에 의해 발생되는 전력이 연료 전지(20)의 최대 전력 출력의 80% 내지 100% 사이일 때마다, 물(14)이 저수조(18A, 18B)로부터 반응물 스트림(16A, 16B)으로 이동하고, 연료 전지(20)에 의해 생산되는 전력이 연료 전지(20)의 최대 전력 출력의 75% 미만일 때마다, 물(14)이 반응물 스트림(16A, 16B)으로부터 저수조(18A, 18B)로 이동하도록 하는 단계와,
    c. 연료 전지(20)의 최대 전력 출력의 80%를 초과하여 작동하는 미리 정해진 기간 이후나 연료 전지(20)의 최대 전력 출력의 80%를 초과하여 작동하면서 저수조(18A, 18B)가 고갈되는 경우에 연료 전지(20)의 최대 전력 출력의 75% 미만으로 작동하도록 연료 전지(20)를 복귀시키는 디-레이트 파워 기능을 개시하는 단계를 포함하는,
    밀봉된 냉각재 유동장 연료 전지 발전 장치를 작동시키는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    연료 전지(20)의 미리 정해진 최대 전력 출력의 80% 내지 100% 사이인 연료 전지(20)의 미리 정해진 전력 출력의 지속 기간 동안, 반응물 스트림(16A, 16B)의 상대 습도를 1.00으로 유지할 수 있는 용적의 물(14)을 저수조(18A, 18B) 내에 저장하는 단계를 더 포함하는,
    밀봉된 냉각재 유동장 연료 전지 발전 장치를 작동시키는 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    물이 반응물 스트림(16A, 16B)으로부터 저수조(18A, 18B)로 이동하도록 제어하는 단계는, 막 전극 조립체(22)의 캐소드 촉매 표면(26)과 유체 소통하도록 고정된 캐소드 다공성 본체(92)와 막 전극 조립체(22)의 애노드 촉매 표면(24)과 유체 소통하도록 고정된 애노드 다공성 본체(90) 중 적어도 하나에 형성된 공극들로 물이 이동하도록 물을 제어하는 단계를 포함하는,
    밀봉된 냉각재 유동장 연료 전지 발전 장치를 작동시키는 방법.
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