KR101903803B1 - 연료전지시스템 - Google Patents

연료전지시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR101903803B1
KR101903803B1 KR1020137014677A KR20137014677A KR101903803B1 KR 101903803 B1 KR101903803 B1 KR 101903803B1 KR 1020137014677 A KR1020137014677 A KR 1020137014677A KR 20137014677 A KR20137014677 A KR 20137014677A KR 101903803 B1 KR101903803 B1 KR 101903803B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
fuel
hydrogen
cell system
source
Prior art date
Application number
KR1020137014677A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20140009239A (ko
Inventor
알랭 로젠즈바이그
커트 래쓰
앤드류 제이 큐렐로
Original Assignee
꼼미사리아 아 레네르지 아또미끄 에 오 에네르지 알떼르나띠브스
인텔리전트 에너지 리미티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 꼼미사리아 아 레네르지 아또미끄 에 오 에네르지 알떼르나띠브스, 인텔리전트 에너지 리미티드 filed Critical 꼼미사리아 아 레네르지 아또미끄 에 오 에네르지 알떼르나띠브스
Publication of KR20140009239A publication Critical patent/KR20140009239A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101903803B1 publication Critical patent/KR101903803B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/002—Shape, form of a fuel cell
    • H01M8/004—Cylindrical, tubular or wound
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M16/00—Structural combinations of different types of electrochemical generators
    • H01M16/003—Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers
    • H01M16/006—Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers of fuel cells with rechargeable batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04104—Regulation of differential pressures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H01M8/04208—Cartridges, cryogenic media or cryogenic reservoirs
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04231—Purging of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04492—Humidity; Ambient humidity; Water content
    • H01M8/04507—Humidity; Ambient humidity; Water content of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/30—Fuel cells in portable systems, e.g. mobile phone, laptop
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02B90/10—Applications of fuel cells in buildings
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Power Engineering (AREA)

Abstract

ON 또는 OFF 위치 간의 토글 스위치(32)를 갖는 연료전지시스템(10)이 제공된다. OFF 위치에서는 가스가 연료전지로부터 퍼지된다. 연료전지(12)는 수소연료공급원(14)을 포위할 수 있고 이는 상기 수소연료공급원을 대향하는 연료전지의 캐소드측을 갖는다. 또한, 연료전지(12) 및 수소연료공급원(14) 모두 가용공간을 최대화하는 유사한 형태인자를 가질 수 있다. 상기 형태인자는 실질적으로 타원형상임이 바람직하다. 본 연료전지시스템은 또한 압력조절기(26)를 구비할 수 있다.

Description

연료전지시스템 {FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 일반적으로 연료전지시스템에 관한 것으로, 특히 연료전지를 포함하는 시스템으로서 수소저장장치 또는 수소발생장치를 수납하도록 된 것이다. 수소는 조절되고 연료전지로 이송되어 여기서 전기에너지로 변환되며, 이는 모든 전자장치에 전력을 공급하거나 배터리나 장치를 충전하는데 사용될 수 있다.
연료전지는 연료 및 산화제와 같은 반응물의 화학적 에너지를 직접 직류(DC) 전기로 변환하는 장치이다. 연료전지는 리튬 이온전지와 같은 휴대용 전력저장장치뿐만 아니라 화석연료의 연소와 같은 통상적인 전력발전보다도 더 효율적이어서 그 응용이 증가하고 있다. 특히, 연료전지의 한 용도로서는 휴대전화, PDA(personal digital assistant), 개인게임장치, GPS(global positioning device), 재충전 배터리 등의 가전장치의 전하를 보충하기 위한 충전장치용 수소연료공급원이다.
공지된 연료전지는 알칼리 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체산화물 연료전지 및 효소 연료전지를 포함한다. 연료전지는 일반적으로 수소(H2)로 가동되며 또한 비순수 수소연료를 소비할 수도 있다. 비순수 수소 연료전지는 메탄올을 사용하는 직접형 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cells: DMFC) 등의 직접산화형 연료전지(direct oxidation fuel cell), 또는 고온에서 탄화수소를 사용하는 고체산화물형 연료전지(solid oxide fuel cells: SOFC)를 포함한다. 수소연료는 압축된 형태로 저장될 수 있거나, 또는 알콜이나 탄화수소 또는 수소연료 및 부산물로 개질되거나 변환될 수 있는 기타 수소함유물질 등의 화합물 내에서 저장될 수 있다. 수소는 또한 수소화붕소나트륨(NaBH4) 등의 물이나 알콜과 반응하여 수소 및 부산물을 생산하는 화학적 수소화물 내에 저장될 수도 있다. 수소는 또한 제1압력 및 온도에서 란타늄 펜타니켈(lanthanum pentanickel: LaNi5) 등의 금속수소화물에 흡착 또는 흡수될 수도 있다.
대부분의 수소연료전지는 양자교환막(proton exchange membrane) 또는 폴리머 전해질막(polymer electrolyte membrane)(PEM)을 구비하고, 이를 통해 수소의 양자는 흐를 수 있지만 전자는 외부회로(이는 유리하게는 휴대폰, PDA(personal digital assistant), 컴퓨터, 전동공구, 또는 전자흐름이나 전류를 사용하는 모든 장치로 될 수 있다)를 흐르도록 하게 된다. 상기 연료전지 반응은 다음과 같이 표현될 수 있다:
연료전지의 애노드에서의 반쪽 반응:
H2 → 2H+ ＋ 2e-
연료전지의 캐소드에서의 반쪽 반응:
2(2H+ ＋ 2e-) ＋ O2 → 2H2O
일반적으로 PEM은 듀퐁사의 Nafion? 등의 폴리머로 제조되며, 이는 대략 0.05~0.50mm 두께범위의 과플루오르화 술폰산 폴리머(perfluorinated sulfonic acid polymer) 또는 기타 적절한 막으로 된다. 애노드는 일반적으로 백금-루테늄 등의 촉매 박막층이 표면에 도포된 테플론화 카본 페이퍼 지지체(Teflonized carbon paper support)로 만들어진다. 캐소드는 일반적으로 백금입자가 상기 막의 일 측면에 결합된 가스확산전극으로 된다.
일반적으로, 수소연료공급원은 연료전지로부터 이격되어 배치되며 연료전지는 개별 전지(cell)의 스택을 포함한다. 이러한 배치는 제한된 공간의 사용, 특히 휴대형 가전장치용으로는 적합하지 않다. 미국특허 제US 6,506,511호, 미국특허출원공개 제US 2009/0258266호 및 미국특허 제US 7,442,462호에서는 연료전지로 포위된 연료원을 개시한다. 그러나, 이들 문헌은 연료원과 연료전지 간의 공간을 극대화하지 못한다. 따라서, 가용 공간의 사용을 최적화하는 소형 연료전지시스템에 대한 요구가 있다.
본 발명은 ON 또는 OFF 위치 간의 토글 스위치(32)를 갖는 연료전지시스템(10)에 관한 것이다. OFF 위치에서는 가스가 연료전지로부터 퍼지된다. 연료전지(12)는 연료원(14)을 포위할 수 있고 이는 연료원을 대향하는 연료전지의 캐소드측을 갖는다. 또한, 연료전지(12) 및 연료원(14) 모두 가용공간을 최대화하는 유사한 형태인자(form factor)를 가질 수 있다. 상기 형태인자는 실질적으로 타원형상임이 바람직하다. 본 연료전지시스템은 또한 압력조절기(26)를 구비할 수 있다.
본 도면은 본 명세서의 일부를 이루며 이와 함께 이해되어야하고, 비슷한 도면부호는 다음 다양한 도면에서 비슷한 부분들을 가리키는데 사용된다:
도 1은 본 발명 연료전지시스템의 단면도.
도 2는 도 1의 연료전지시스템과 사용될 수 있는 예시적 수소발생장치 또는 수소저장장치의 사시도.
도 3은 도 1의 수소전지 충전장치의 확장단면도로서 이의 상부를 도시하는 도면.
도 4는 본 발명에 사용된 토글 스위치의 사시도.
도 5a는 본 발명의 다른 구현예의 정면도;
도 5b는 도 5a의 연료전지시스템의 연료전지의 애노드측;
도 5c는 도 5a의 저면도.
도 1은 연료전지시스템(10)을 도시하며 이는 배터리 충전기일 수 있다. 도시하듯이, 연료전지시스템(10)은 수소연료공급원(14)(도 2에 도시)을 수납하도록 된 연료전지(12)를 구비한다. 수소연료공급원(14)은 어떤 형태로든 압축수소를 저장하거나 전술한 수소흡수성 수소화물 내에서 압축수소를 저장할 수 있고, 메탄올, 기타 알콜, 탄화수소를 개질하거나, 또는 금속수소화물(수소화붕소 나트륨, 알루미늄 수소화물 또는 마그네슘 수소화물 등)과 물 또는 알콜 간의 화학반응으로부터 현장에서 수소를 발생할 수 있다. 예시적 수소연료공급원(14)은 미국 디자인특허출원 제29/359,037호(2010. 4. 5 출원), 미국 특허출원 제12/829,801호(2010. 7. 2 출원) 및 제 12/829,827호(2010. 7. 2 출원), 국제특허출원공개 제WO 2010/051557호 및 제WO 2010/075410호에 기술되어 있다.
본 발명의 제1구현예에 의하면, 연료전지(12)는 수소연료공급원(14) 주위를 헐겁게 포장하도록 하는 바람직한 크기 및 용적으로 되며, 수소연료공급원(14)의 외형에 매칭된다. 도 1에 도시하듯이 뚜껑(16)이 열리면, 수소연료공급원(14)은 이의 수소밸브(18)가 연료전지시스템(10)의 대응하는 수소밸브(20)와 결합될 때까지 그 저부부터 연료전지시스템(10) 내로 삽입된다. 적합한 수소밸브(18)(20)는 전술한 바 있는 국제특허출원공개 제WO 2010/051557호 및 제WO 2010/075410호와, 제WO 2009/026441호 및 제WO 2009/026439호에 기술되어 있다. 그러나, 공지된 수소밸브라면 모두 본 발명에서 사용될 수 있다.
뚜껑(16)은 연료전지시스템(10)의 저부(22)와 밀봉을 이루지 않는다. 따라서, 필요한 산화제(예를 들어, 대기로부터의 산소)는 연료전지시스템(10)으로 인입하여 연료전지(12)의 내면인 캐소드 측에서 반응할 수 있다. 또는 대신에 산화제는 저장되어 연료전지(12)의 캐소드 측으로 이송될 수 있다. 임의로, 스프링(24)이 제공되어 수소연료공급원(14)이 에너지를 저장하기 위해 삽입될 때 압축되며, 압축된 스프링(24)은 수소연료공급원(14)의 연료전지시스템(10)으로부터의 방출 및 회수를 돕게 된다.
수소연료가 밸브(18)(20)를 통해 이송된 후, 연료의 압력은 압력조절기(26)에 의해 조절된다. 압력조절기(26)는 실질적으로 수소밸브(20)의 출구로되는 유입구(28)에서 다양한 입구압력으로 수소연료를 취하며, 수소연료가 바람직하게 실질적으로 일정한 압력으로 조절기 출구(30)에서 압력조절기(26)를 나오도록 상기 압력을 수정한다. 압력조절기(26)를 사용하는 한 이점은 연료전지(12)가 실질적으로 일정한 압력으로 수소연료를 수용하는 것이고, 이는 연료전지(12)의 수명향상뿐만 아니라 성능향상을 극대화한다. 예시적 조절기로는 미국특허출원 제US 2006/174952호, 국제특허출원공개 제WO2009/026441호 및 제WO2009/026439호에 기술되어 있다.
연료전지시스템(10) 내의 조절기 출구(30)에 근접하여 이의 하류에는 토글 스위치(32)(도 4에 가장 잘 도시됨)가 핀(34)에 회전가능하게 장착된다. 토글 스위치(32)는 회전가능한 평탄 원통체에 적어도 3개의 개구를 포함한다. 개구(36)는 토글 스위치(32)의 회전이동을 지지하도록 핀(34) 주위에 정합하도록 크기 및 용적을 갖는다. 연료개구(38)는 수소연료가 출구(30)로부터 연료전지(12)의 애노드측 또는 외부면으로 인입할 수 있도록 제공된다. 퍼지(purge) 개구(40)는 과잉수소가 연료전지(12)의 매니폴드(48)를 나올 수 있거나 또는 퍼지(purge) 될 수 있도록 제공되며, 이로써 과잉 수증기나 수적(水滴) 부산물 및/또는 기타 기상 불순물이 연료전지(12)로부터 제거되어 연료전지(12)의 촉매기판상에 불활성 스팟이 형성되는 것을 방지하거나 최소화한다. 토글 스위치(32)는 램 면(즉, 캠)(42)과 손가락-동작가능 부분(44)을 더 포함한다. 토글 스위치(32)는 도 4에 도시하듯이 ON 위치와 OFF 위치 간에서 회전할 수 있으며, 상기 ON 위치에서는 연료개구(38)가 조절기 출구(30)와 연료전지 유입구(39)와 정렬하여 수소연료를 토글 스위치를 통과시킨다. 이러한 위치에서, 램 면(42)은 전기적 ON-OFF 스위치(43)의 탄지 암을 ON 위치로 민다. 이는 연료전지시스템(10)에 연료가 연료전지(12)로 이송되고 있으며 전기가 생산되고 있다는 것을 나타낸다. O링 등의 밀봉부재(46)는 수소연료가 탈출하지 않도록 연료개구(38)와 조절기 출구(30) 간에 제공된다. 도 3에 도시하듯이, 개구(38)는 경사지게 배치된다; 그러나, 개구(38)는 선형 또는 곡선일 수 있고 어떤 방향으로든지 배향될 수 있다.
토글 스위치(32)는 예를 들어 화살표 "A" 방향에서 OFF 위치로 회전하여 개구(38)를 조절기 출구(30)에서 어긋나게 함으로써 수소연료의 흐름을 방해할 수 있다. 또한, OFF 위치에서 램 면(42)은 더이상 ON-OFF 스위치(43)의 탄지 암과 정렬되지 않고 이 스위치는 OFF 위치로 전환되며, 조절기 출구(30)은 이제 토글 스위치(32)의 중실부에 바로 대향함으로써 수소연료의 유동이 정지하도록 한다. OFF 위치에서 바람직한 차단 시퀀스를 개시하는 신호를 주도록 다른 전기적 접촉이 제공될 수 있고, ON 위치에서는 다른 전기적 접촉이 바람직한 시동 시퀀스 또는 기타 소프트웨어나 펌웨어를 개시할 수 있다. 이러한 바람직한 시퀀스는 "핫 스왑(hot-swap)" 절차를 포함할 수 있고, 예시적 "핫 스왑" 절차로는 미국특허 제7,655,331호에 개시되어 있다. 바람직하게는, 스위치(43) 상의 아암은 OFF 위치로 탄지된다. 연료전지 유입구(39)는 이제 퍼지 개구(40)와 정렬하고 미반응 수소는 연료전지(12)의 다른 측으로부터 배기될 수 있다. 일 구현예에서, 미사용된 수소연료를 배기하기 위하여 통기개구(40)가 통기(47)와 정렬된다.
토글 스위치(32)는 전기 또는 전자 스위치일 수 있고, 본 발명은 어느 특정 토글 스위치에 한정되지 않는다.
도 1을 참조하면, 수소연료는 연료전지 유입구(39)를 통과한 후 연료전지(12)의 외면 또는 애노드를 포위하는 수소 매니폴드(48)에 인입한다. 또는 대신에 연료전지의 캐소드측은 연료전지의 외면상에 있을 수 있고 매니폴드(48)는 연료전지의 내면상의 애노드에 수소를 공급한다. 전술했듯이 수소 및 산소는 연료전지(12)에서 반응하여 전기를 생산한다. 또한, 수소 매니폴드는 밸브(50)를 포함할 수 있고 이는 시스템(10)이 차단되면 미반응한 수소를 퍼지하는 퍼지밸브일 수 있다. 이에 의해 수소는 비작동 동안 애노드측으로부터 제거될 수 있고 이로써 형성될 수 있는 미반응 수소 및/또는 잠재적 유독가스가 촉매기판이나 그 작동에 부작용을 주지 않게 된다. 밸브(50)는 또한 수소 매니폴드(48) 내의 압력이 소정 임계값을 초과하면 개방하는 체크 밸브일 수도 있다. 또한, 밸브(50)는 연료전지 반응으로 생산된 수증기/수적 부산물도 퍼지할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 연료전지시스템(10)은 또한 집적회로(IC: Integrated Circuit) 칩(52)을 구비할 수 있고 이는 메모리 저장용량을 포함할 수 있다. 상기 집적회로(IC) 칩(52)은 전술한 바람직한 시동 및 차단 시퀀스, 소프트웨어 및 펌웨어를 포함하여(이에 한정되지 않는다) 연료전지시스템(10)의 작동을 제어하는 미리 설치된 소프트웨어를 수용할 수 있다. 또한, IC 칩(52)은 연료전지시스템(10)이 전력을 공급하는 전자장치용 소프트웨어 업데이트를 수용할 수도 있다. 이에 부가하거나 또는 이 대신에, IC 칩(52)은 연료전지 타입, 연료 타입, 연료 게이지, 온도 게이지, 연료농도 게이지, 연료 순도 등 연료전지시스템(10)의 작동에 필요한 정보를 저장한다. 연료전지시스템(10)이 전력을 공급하는 전자장치는 자신의 프로세서로 하여금 IC 칩(52)에 저장된 정보에 액세스하도록 하여 IC 칩(52)에 저장된 소프트웨어를 사용할 수 있다. 적절한 연료전지용 메모리 장치 및 프로세서는 미국특허 제7,655,331호에 기술되어 있다.
기술했듯이, 연료전지장치(10)는 전기를 필요로 하는 장치라면 모두 직접 전력을 공급할 수 있다. 연료전지시스템은 전기출력수준을 제어하기 위해 전력제어칩을 구비할 수 있다. 이러한 전력제어칩 및 연료전지시스템은 미국특허출원 제US 2009/0311561호에 기술되어 있다.
또한, 연료전지시스템(10)은 독립형 충전지나 전자장치내에 보관된 충전지를 재충전하는 충전장치일 수 있다. 또한, 연료전지시스템(10)은 시스템(10)이 작동하지 않을 때 출력 전압 및 전류를 버퍼링하거나 내부 클럭을 유지하거나 또는 비상전력을 공급하기 위해 캐패시터의 내부 배터리를 충전할 수도 있다. 예를 들어, 시스템(10)은 연료전지시스템(10)을 충전지에 연결하는데 적합한 USB 슬롯(54)(내부 전자연결부들은 명료함을 위해 생략함)을 포함한다.
본 발명의 다른 측면에서, 유용가능한 공간을 극대화하기 위해 연료전지시스템(10)은 수소연료공급원(14) 형상에 유사한 형상을 가진다. 즉, 연료전지시스템(10) 및 수소연료공급원(14) 모두 예를 들어 장치의 상면 및 저면을 포함하지 않는 적어도 일측에 유사한 형태인자(form factor)를 갖는다. 바람직하게는, 이 두 장치는 도 1~2에 도시하듯이 타원형을 갖는다. 타원형은 유리하다. 왜냐면, 이는 예를 들어 원통상이나 원형과 비교하여 주어진 체적에 대해 더 넓은 표면적을 제공하기 때문이다. 연료전지(12)는 더 많은 표면적과 함께 더 많은 전기를 발생할 것이다. 또한, 타원형은 예를 들어 타원형에 유사하게 더 높은 표면적을 제공하는 능형(菱形) 단면(diamond cross section)에 비교해도 더 인체공학적이다. 연료전지(12)는 내면 또는 외면 상에 캐소드를 구비할 수 있다. 연료전지(12) 및 수소연료공급원(14) 간의 공간 역시 최소화됨이 바람직하다.
연료전지시스템(10)의 다른 구현예를 도 5a~5c에 도시한다. 본 구현예에서, 연료전지시스템(10)의 연료전지(12)는 적어도 1조의 연료전지(12a)(12b)를 포함하고, 도 5a 및 5c에 도시하듯이 연료전지(12a)(12b)는 이들의 캐소드측(60) 또는 산화제측이 서로 대향하도록 배열된다. 상기 두 캐소드측(60) 간에는 공간이 제공되며, 이로써 팬(64)은 산화제(산소)를 캐소드측(60)으로 전달하기 위해 강제적이고 제어되는 대기를 제공할 수 있다. 습도센서가 상기 공간에 제공되어 연료전지(12a)(12b)의 성능을 모니터하고 제어함이 바람직하다. 바람직하게는, 팬(64)은 전기 생산율이나 수소 소모율에 따라 가변하는 속도를 갖는다. IC 칩(52)에 배치될 수 있는 제어기는 팬(64)의 속도를 조절할 수 있다. 팬(64)은 연료전지(12a)(12b)에 의해 전력을 공급받는 것이 바람직하다. 또는, 대신에 팬(64)은 적어도 연료전지(12a)(12b)가 작동될 때까지 배터리나 다른 전기저장장치에 의해 전력을 얻거나 상시로 배터리 등으로 전력을 얻을 수 있다.
도 1~4에 도시한 구현예와 유사하게, 본 구현예에서는 수소연료공급원(14)은 수소밸브와 압력조절기와 토글 스위치(한꺼번에 요소 "66"으로 도시되고 이에 작동적으로 연결된 ON-OFF 스위치(43)을 갖는다)를 통해 연료전지시스템(10)과 연결된다. 본 구현예에서 매니폴드(48)는 각 연료전지(12a)(12b)의 애노드(68)로 수소연료를 전달하기 위한 2개의 분기를 구비한다(도 5a 및 5b에 가장 잘 도시됨). 매니폴드(48)는 더 고르게 수소연료를 분배하도록 복수의 분기(70)를 갖는 것이 바람직하다. 적절한 수소분배방법론은 전술한 바 있는 미국특허출원 제2009/0311561호에도 기술되어 있다.
연료전지(12a)(12b) 모두에 연결되는 퍼지/통기 밸브(50)는 도시하듯이 제1구현예에서 기술한 바와 마찬가지로 본 구현예에서도 제공된다. 전기부품(들)(예를 들어 도 5c의 요소(72) 등)이 제공될 수 있다. 도 5a~5c에 도시하듯이, 연료전지시스템(10)은 도 1~4의 구현예와 유사하게 하우징 내에 수납될 수 있다.
본 발명 설계의 이점은 수소연료공급원(14)이 금속 수소화물(수소화붕소 등)과 물 간의 발열성인 화학반응을 통해 수소연료를 생산하면, 그 생산된 열이 작동 동안 연료전지(12)의 온도 및/또는 습도를 조절하는데 사용될 수 있다는 점이다. 연료전지(12)의 캐소드측 또는 산화제측은 연료전지시스템(10)의 내부에 있기 때문에, 대기는 연료전지(12)를 위해 더 바람직한 온도범위로 데워질 수 있고 대기의 상대습도 또한 상기 생산된 열로 조절될 수 있다.
본 설계의 다른 이점은 연료전지(12)의 캐소드측이 연료전지시스템(10)의 내부에 있기 때문에 이것이 외부환경으로의 노출이나 사용자의 직접적 접촉에 의한 가능한 물리적 손상으로부터 보호될 수 있다는 점이다. 이로써 연료전지(12)의 수명과 성능이 향상된다. 연료전지는 공기흡입형이므로, 이의 성능이 대기의 질에 따라 크게 영향을 받을 수 있다. 또한, 수소연료공급원(14)이 열을 발생하지 않거나 또는 연료전지시스템(10)에 대해 너무 많은 열을 발생하지 않을 때, 수소연료공급원(14)은 히트 싱크로서 작동할 수 있다. 또한, 수소연료공급원(14)은 예를 들어 사용시 가능한 충격 동안에 연료전지시스템(10)에 부가의 일체 구조를 제공할 수 있다.
본 명세서 및 구현예들은 이하 특허청구범위에 기재된 본 발명의 진정한 범위 및 정신과 이의 등가물과 함께 예시적인 것으로만 간주되어야 한다. 본 발명의 기타 구현예들은 본 명세서와 이에 개시된 본 발명의 실시로부터 해당 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 명백할 것이다. 또한, 한 구현예의 요소나 특징은 다른 구현예들에서 사용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 교환가능한 수소연료공급원과;
    연료전지와;
    변부의 일부에 형성된 캠을 갖는 회전가능한 평탄 원통체와, 상기 평탄 원통체를 관통하는 적어도 하나의 개구와, 액츄에이터부를 포함하는 토글 스위치를 포함하고,
    상기 액츄에이터부가 제1위치 내로 이동되면 수소가 연료전지로 제공되고 전기적 ON/OFF 스위치가 상기 캠에 의해 활성화되며, 상기 액츄에이터가 제2위치로 이동되면 수소가 상기 연료전지로부터 퍼지되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    집적회로(IC) 칩을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 집적회로(IC) 칩은 상기 연료전지시스템의 정보 또는 상기 연료전지시스템을 구동하기 위한 소프트웨어를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지시스템은 독립형 배터리 또는 전자장치 내에 보관된 배터리를 충전하기 위한 전기를 발생하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지는 2개의 연료전지를 포함하며 상기 2개의 연료전지의 캐소드측들은 서로 대향하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 2개의 연료전지의 캐소드측들에게로 팬이 산화제를 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 팬의 속도는 가변적인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  10. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    습도센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
KR1020137014677A 2010-12-14 2011-12-13 연료전지시스템 KR101903803B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US42293410P 2010-12-14 2010-12-14
US61/422,934 2010-12-14
PCT/US2011/064659 WO2012082747A1 (en) 2010-12-14 2011-12-13 Fuel cell system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140009239A KR20140009239A (ko) 2014-01-22
KR101903803B1 true KR101903803B1 (ko) 2018-10-02

Family

ID=46245073

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020137014677A KR101903803B1 (ko) 2010-12-14 2011-12-13 연료전지시스템

Country Status (8)

Country Link
US (2) US9276271B2 (ko)
EP (1) EP2652827B1 (ko)
JP (1) JP6074662B2 (ko)
KR (1) KR101903803B1 (ko)
CN (1) CN103262322B (ko)
BR (1) BR112013014054A8 (ko)
CA (1) CA2819256A1 (ko)
WO (1) WO2012082747A1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9023545B2 (en) * 2013-03-15 2015-05-05 Societe Bic Method for operating a fuel cell system
US9680171B2 (en) 2013-03-15 2017-06-13 Intelligent Energy Limited Methods for operating a fuel cell system

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007123163A (ja) * 2005-10-31 2007-05-17 Nitto Denko Corp 燃料電池及び電源供給システム
JP2007242606A (ja) * 2006-02-14 2007-09-20 Angstrom Power Inc 燃料電池デバイスおよびその方法

Family Cites Families (39)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4885437A (en) 1988-03-11 1989-12-05 Gleason Reel Corp. Rotating cam limit switch
US5336570A (en) * 1992-08-21 1994-08-09 Dodge Jr Cleveland E Hydrogen powered electricity generating planar member
US5771476A (en) * 1995-12-29 1998-06-23 Dbb Fuel Cell Engines Gmbh Power control system for a fuel cell powered vehicle
JP3142115B2 (ja) * 1996-05-30 2001-03-07 株式会社小林製作所 シャワー洗浄装置のミスト飛散防止装置
EP0813264A3 (en) 1996-06-14 2004-02-25 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Fuel cell system, fuel feed system for fuel cell and portable electric appliance
US6041762A (en) * 1996-08-16 2000-03-28 Impco Technologies, Inc. Control module for natural gas fuel supply for a vehicle
US5983986A (en) * 1996-09-04 1999-11-16 Macintyre; Kenneth Reid Regenerative bed heat exchanger and valve therefor
GB9810440D0 (en) 1998-05-16 1998-07-15 Secr Defence Multi element fuel cell system
CA2460241A1 (en) * 2001-09-18 2003-03-27 Dupont Canada Inc. Modular fuel cell cartridge and stack
US6713201B2 (en) 2001-10-29 2004-03-30 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Systems including replaceable fuel cell apparatus and methods of using replaceable fuel cell apparatus
US6881508B2 (en) * 2002-05-30 2005-04-19 Plug Power, Inc. Apparatus and method for controlling a fuel cell system
JP3880898B2 (ja) * 2002-07-18 2007-02-14 本田技研工業株式会社 水素パージ制御装置
US20040035055A1 (en) 2002-08-21 2004-02-26 Tianli Zhu Sulfur control for fuel processing system for fuel cell power plant
JP2004119027A (ja) * 2002-09-24 2004-04-15 Canon Inc 燃料電池用の燃料供給装置、燃料電池および燃料電池用の燃料供給システム
JP2004273427A (ja) * 2003-02-20 2004-09-30 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
US8613297B2 (en) * 2003-07-29 2013-12-24 Societe Bic Fuel supply systems having operational resistance
US8002853B2 (en) * 2003-07-29 2011-08-23 Societe Bic Hydrogen-generating fuel cell cartridges
US7344571B2 (en) 2003-08-14 2008-03-18 The Gillette Company Hydrogen generator
US7470477B2 (en) 2003-08-14 2008-12-30 Delphi Technologies, Inc. Cascaded fuel cell stacks for fast start-up and anode coking control
CA2540330A1 (en) 2003-09-29 2005-04-14 Utc Fuel Cells, Llc Compliant stack for a planar solid oxide fuel cell
US7510794B2 (en) * 2004-03-02 2009-03-31 Mti Microfuel Cells, Inc. Conformable fuel cell
JP2005294065A (ja) 2004-03-31 2005-10-20 Toshiba Corp 燃料電池ユニット、情報処理装置および情報処理装置の電源制御方法
JP2005322495A (ja) * 2004-05-07 2005-11-17 Honda Motor Co Ltd 燃料電池の起動装置
US7217470B2 (en) * 2004-05-11 2007-05-15 Societe Bic Cartridge with fuel supply and membrane electrode assembly stack
US7687090B2 (en) * 2004-11-30 2010-03-30 Corning Incorporated Fuel cell device assembly and frame
CA2589909A1 (en) 2004-12-09 2006-06-15 Pemery Corp. Polymer electrolyte membrane fuel cell with tandem fuel tanks and inertial trigger
US20060194099A1 (en) * 2005-02-28 2006-08-31 Antig Technology Co, Ltd. Flexible fuel cell
US20070072042A1 (en) * 2005-09-23 2007-03-29 Duhane Lam Portable fuel cell power source
TWI355454B (en) * 2005-09-30 2012-01-01 Honda Motor Co Ltd Vehicular cooling system
JP4945145B2 (ja) * 2006-02-20 2012-06-06 株式会社Ｅｎｅｏｓセルテック 燃料電池発電装置
US20070246373A1 (en) * 2006-04-20 2007-10-25 H2 Pump Llc Integrated electrochemical hydrogen separation systems
US20070281194A1 (en) * 2006-05-31 2007-12-06 Jeffrey Earl Cortright Portable fuel cell assembly
MX2009000085A (es) * 2006-07-11 2009-02-26 Bic Soc Ensamble mejorado de celdas de combustible.
US8822888B2 (en) * 2006-11-16 2014-09-02 Societe Bic Fuel cartridge for fuel cells
US7785727B2 (en) * 2007-01-19 2010-08-31 Gm Global Technology Operations, Inc. Combined anode inlet, anode bleed, and anode flow shift valve mechanism
US20080248371A1 (en) * 2007-04-03 2008-10-09 Yuan Ze University Fuel cell with a passage structure
US8105720B2 (en) * 2007-11-27 2012-01-31 GM Global Technologies LLC Humidity sensing device for use in fuel cell systems
KR101039848B1 (ko) 2008-04-14 2011-06-09 삼성전기주식회사 연료 카트리지 및 이를 구비한 연료 전지 발전 시스템
KR100981993B1 (ko) * 2008-06-30 2010-09-13 삼성전기주식회사 전력공급장치 및 이를 구비한 휴대용 전자기기

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007123163A (ja) * 2005-10-31 2007-05-17 Nitto Denko Corp 燃料電池及び電源供給システム
JP2007242606A (ja) * 2006-02-14 2007-09-20 Angstrom Power Inc 燃料電池デバイスおよびその方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20130316259A1 (en) 2013-11-28
KR20140009239A (ko) 2014-01-22
JP2013546155A (ja) 2013-12-26
EP2652827A1 (en) 2013-10-23
US9276271B2 (en) 2016-03-01
CN103262322B (zh) 2016-08-10
JP6074662B2 (ja) 2017-02-08
US20160156047A1 (en) 2016-06-02
CN103262322A (zh) 2013-08-21
CA2819256A1 (en) 2012-06-21
EP2652827B1 (en) 2017-09-06
WO2012082747A1 (en) 2012-06-21
EP2652827A4 (en) 2016-08-10
BR112013014054A8 (pt) 2018-02-06
BR112013014054A2 (pt) 2016-09-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6059286B2 (ja) 発電機の遮断弁
EP1396471B1 (en) Hydrogen generating apparatus
US6268077B1 (en) Portable fuel cell power supply
Gervasio et al. Room temperature micro-hydrogen-generator
US20050008907A1 (en) Fuel cell system
JP2010504604A (ja) 改良燃料電池組立体
US20070253875A1 (en) Hydrogen supply for micro fuel cells
JP2007214097A (ja) 燃料電池スタック
US20090325009A1 (en) Electric power supply apparatus and portable electronic device having the same
KR101903803B1 (ko) 연료전지시스템
KR101148260B1 (ko) 연료전지 시스템
JPWO2007139059A1 (ja) 燃料電池
TW200818593A (en) Fuel cell
US20080292917A1 (en) Portable electronic device with integrated fuel cell
JP2010103033A (ja) 燃料電池
US20100055528A1 (en) Fuel cell system
JP2018502719A (ja) 浮揚性触媒担体を具備するガス発生器
JPWO2008102424A1 (ja) 燃料電池
KR100709246B1 (ko) 연료 전지 시스템
JP4678108B2 (ja) 直接ジメチルエーテル形燃料電池
JP2007335225A (ja) 燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法
JP2009087713A (ja) 燃料電池システムおよび電子機器
JP2010238539A (ja) 燃料電池システム
JP2007335247A (ja) 燃料電池を有する電子機器
KR20060098240A (ko) 고분자 전해질형 연료 전지

Legal Events

Date Code Title Description
N231 Notification of change of applicant
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant