KR101997383B1 - 가습기를 포함하는 연료 전지 - Google Patents

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Abstract

본원은 적어도 하나의 가습기를 구비한 연료 전지 디바이스 및 또한 대응하는 연료 전지를 구비한 잠수함에 관한 것이다. 본원은 또한 가습기를 구비한 연료 전지 디바이스를 작동시키는 방법 및 잠수함에 대한 상기 방법의 실시에 관한 것이다.

Description

가습기를 포함하는 연료 전지 {FUEL CELL COMPRISING A HUMIDIFIER}
본원은 적어도 하나의 가습기 (humidifier) 를 구비한 연료 전지 디바이스 및 또한 대응하는 연료 전지를 구비한 잠수함에 관한 것이다. 본원은 또한 가습기를 구비한 연료 전지 디바이스를 작동하는 방법 및 잠수함에 대한 상기 방법의 실시에 관한 것이다.
비활성 가스 배출이 실시되는 순환 작동을 가진 연료 전지는 EP 2 840 636 A1 에 공지되어 있다.
가스 유동으로부터 성분들을 분리하는 방법은 WO 2010/056829 A2 에 공지되어 있다.
퍼징 가스 압력이 높은 멤브레인에서 수용성 가스 혼합물로부터 수소를 분리하는 방법은 EP 2 687 282 A1 에 공지되어 있다.
물 분리기 (water separator) 를 구비한 연료 전지 모듈은 US 2007/0065711 A1 에 공지되어 있다.
가스-액체 혼합물 유닛 및 가스-액체 분리 디바이스를 구비한 연료 전지 모듈은 DE 696 02 805 T2 에 공지되어 있다.
공기-흡입형 연료 전지 시스템의 작동을 위해 공정 공기를 제공하는 디바이스는 DE 43 18 818 C2 에 공지되어 있다.
공기 가습기 및 가스-액체 분리기를 구비한 연료 전지 시스템은 DE 603 13 309 T2 에 공지되어 있다.
비활성 가스는 연료 내부에서 전환되지 않고 비활성 방식으로 거동하는 가스이다. 가장 중요한 비활성 가스는 질소 (N2) 및 아르곤 (Ar) 이다. 기타로서는, 예를 들어 헬륨 (He) 또는 네온 (Ne) 이다. 다른 비활성 가스는 보다 무거운 천연 가스 또는 비-반응성 할로겐화 탄화수소일 수 있다.
연료 전지는 오늘날 클래식한 발전기들의 사용 (연소 기준) 이 종종 가능하지 않거나 제한된 방식으로만 가능한 분야에 사용된다. 예를 들어, 연료 전지는 외부 공기 독립적인 구동 시스템에서 전력 공급을 위한 잠수함에 사용된다. 이러한 적용을 위해, 연료 전지 디바이스들이 컴팩트하고 견고하며 자체 내장 방식으로 구성되는 것이 바람직하다.
연료 전지의 작동을 위한 추출물 (educts) 로서, 액체 산소로서 종종 저장되는 산소 및 금속 수소화물로서 종종 저장되는 수소가 규칙적으로 사용된다. 대안으로서, 산소 및 수소를 고압하에서 저장할 수 있다. 이러한 모든 공급원들에 공통적인 것은 추출물에는 실제로 물이 없다는 사실이다. 더욱이, 수소는 개질기에서 다른 화합물로부터 또한 생성될 수 있다.
하지만, 특히 폴리머 전해질 멤브레인 (PEM) 연료 전지들이 사용되면, 멤브레인의 안정성 및 그로 인한 연료 전지의 수명을 보장하기 위해 추출물의 가스는 연료 전지의 작동 온도에서 높은 레벨의 수분을 가질 필요가 있다.
본원의 목적은 추출물의 수분 함량을 간단하고 신뢰가능한 방식으로 조절하는 것이다.
상기 목적은 청구항 1 에 개시된 특징들을 가진 연료 전지 디바이스에 의해, 청구항 12 에 개시된 특징들을 가진 연료 전지를 작동시키는 방법으로, 청구항 15 에 개시된 특징들을 가진 잠수함으로, 그리고 청구항 16 의 특징들을 가진 방법의 실시로 달성된다. 유리한 개량들은 종속항들, 후속하는 설명 또한 도면으로부터 얻어진다.
본원에 따른 연료 전지 디바이스는 적어도 하나의 연료 전지, 적어도 하나의 제 1 물 분리기, 제 1 추출물 공급 라인 및 적어도 하나의 제 1 가습기를 포함한다. 연료 전지는 입구측 및 출구측, 또한 애노드측 및 캐소드측을 포함한다. 제 1 추출물 공급 라인은 제 1 가습기에 연결되고, 제 1 가습기는 연료 전지의 입구측에 연결된다. 연료 전지의 출구측은 제 1 물 분리기에 연결된다. 상기 디바이스는 제 1 물 분리기로부터 제 1 가습기에 물을 전달하는 제 1 물 전달 디바이스를 포함한다. 더욱이, 제 1 가습기는 캐소드측 연결부 외부에 배열된다.
제 1 가습기에 대한 제 1 물 분리기로부터의 물의 사용은 상기 디바이스에 매우 유리하다. 생성물 가스 유동으로 인해서, 제 1 물 분리기는 연료 전지의 출구측의 온도에서 제 1 근사값 (approximation) 으로 유지된다. 반응 동안에 배출되는 열로 인해서, 연료 전지의 출구측은 연료 전지의 입구측보다 더 고온이다. 추출물은 유리하게는 연료 전지의 입구측에서 이 온도로 가열된다. 따라서, 제 1 가습기에 공급되는 제 1 물 분리기의 물은 추출물 가스보다 더 고온이다. 그 결과, 물은 또한 이 물을 냉각하지 않으면서 추출물 가스 유동에서 물을 증발시키는데 필요한 에너지를 제공한다. 추가로, 더 차가운 추출물 가스 유동은 또한 물에 의해 목표 온도까지 추가로 가열될 수 있다.
제 1 가습기가 캐소드측 연결부 외부에 배열된다는 사실은, 보상되어야 하는 추가 압력 손실이 캐소드측 연결부에서 발생하지 않는 큰 장점을 가진다. 연료 전지의 출구측으로부터 배출되는 가스 유동이 이미 물로 포화되기 때문에, 제 1 가습기를 캐소드측 연결부 내부에 배열할 필요가 없다. 따라서, 연료 전지 내부에서 발생하는 압력 손실만이 캐소드측 연결부에서 보상되어야 한다.
본원의 다른 실시형태에서, 제 1 물 전달 디바이스는 제 1 열교환기를 포함한다. 제 1 열교환기는 연료 전지의 냉각수로 가열되는 것이 특히 바람직하다.
이로 인해서 추가의 에너지를 소비하지 않고서 물의 온도가 연료 전지의 출구측의 온도가 될 수 있기 때문에 이 실시형태는 특히 유리하다. 동시에, 연료 전지에서 발생된 열의 일부는 효율적인 방식으로 소산된다. 그 결과, 특히 컴팩트하고, 견고하며 대부분 자체 내장형 시스템이 가능하다.
본원의 다른 실시형태에서, 연료 전지 디바이스는 재순환 연료 전지 디바이스로서 구성된다. 상기 디바이스는, 특히 바람직하게는 캐소드측 연결부를 포함하고, 캐소드측 연결부는 연료 전지의 캐소드측의 출구측과 연료 전지의 캐소드측의 입구측 사이의 연결부이다. 상기 디바이스는 또한 애노드측 연결부를 포함하고, 애노드측 연결부는 연료 전지의 애노드측의 출구측과 연료 전지의 애노드측의 입구측 사이의 연결부이다. 제 1 물 분리기는 연료 전지에 축적된 물이 일반적으로 캐소드 가스 유동과 함께 배출되기 때문에 특히 바람직하게는 캐소드측 연결부에 배열된다.
재순환 연료 전지 디바이스의 사용은 다수의 장점을 가진다. 한편으로는, 소비되지 않은 추출물이 공정에 재공급되어, 전체 공정의 이익 (gains) 은 전적으로 증가될 수 있다. 다른 한편으로는, 전지를 통한 더 높은 가스 유동으로 인해, 축적된 물은 보다 신뢰가능하게 배출될 수 있다.
본원의 다른 실시형태에서, 물 피드백 라인은 제 1 가습기와 제 1 물 분리기 사이에 배열된다. 이러한 방식으로, 한편으로는 물의 잉여분이 배출될 수 있고, 다른 한편으로는 증발 공정으로 인해서 냉각된 물은 또한 제거되고 더 고온의 물로 대체될 수 있다. 물 서킷 (circuit) 에 의해서, 이 물은 또한 새로운 제 1 가습기에 재보급될 수 있다.
본원의 다른 실시형태에서, 제 1 가습기는 물 투과성 멤브레인을 포함하고, 제 1 가습기는 술폰화 테트라플루오로에틸렌 폴리머로 구성되는 멤브레인을 포함하는 것이 특히 바람직하다.
본원의 다른 실시형태에서, 제 1 가습기는 수조 (water bath) 로서 구성된다.
본원의 다른 실시형태에서, 상기 디바이스는 제 2 가습기를 포함한다. 예를 들어, 산소는 캐소드측상의 제 1 가습기를 통과하고, 수소는 애노드측상의 제 2 가습기를 통과한다. 그 결과로 인해서, 추출물 유동 둘 다는 가습된다.
본원의 다른 실시형태에서, 디바이스는 제 1 물 분리기로부터 제 2 가습기로 물을 전달하는 제 2 물 전달 디바이스를 포함한다. 대안으로 또는 추가적으로, 디바이스는 제 2 물 분리기로부터 제 2 가습기로 물을 전달하는 제 3 물 전달 디바이스를 포함할 수 있다. 물론, 예를 들어, 제 1 물 분리기 및 제 2 물 분리기로부터의 물을 합친 후 공통의 열교환기를 통하여 배향시키고 제 1 가습기 및 제 2 가습기로 분배될 수 있는 다른 실시형태들을 또한 상정할 수 있다. 그 결과로 인해서, 하나의 열교환기만을 필요로 하기 때문에, 이러한 구성이 간단해진다. 더욱이, 시스템은 대응하는 제어 밸브들과 조합하여 오직 하나의 전달 유닛, 예를 들어 펌프로 관리될 수 있고, 그 결과 소음 배출을 감소시킬 수 있다.
예시적인 재순환 연료 전지 디바이스는 적어도 하나의 연료 전지, 산소용 제 1 입구, 수소용 제 2 입구 및 제 1 물 분리기를 포함한다. 연료 전지는 입구측 및 출구측, 또한 애노드측 및 캐소드측을 포함한다. 입구측에서 추출물 (산소 및 수소) 은 연료 전지에 공급되고, 출구측에서 생성물 (물) 이 배출된다. 애노드측에서, 양성자 (H+) 를 형성하는 수소 (H2) 의 산화가 실시되고, 캐소드측상에서 산화물 (O2-) 을 형성하는 산소 (O2) 의 환원이 실시되며, 멤브레인을 통하여 양성자를 배향시킴으로써 물 (H2O) 이 형성된다. 산소용 제 1 입구는 연료 전지의 캐소드측의 입구측에 연결되고, 수소용 제 2 입구는 연료 전지의 애노드측의 입구측에 연결된다. 상기 디바이스는 캐소드측 연결부를 포함하고, 캐소드측 연결부는 연료 전지의 캐소드측의 출구측과 연료 전지의 캐소드측의 입구측 사이의 연결부이다. 상기 디바이스는 또한 애노드측 연결부를 포함하고, 애노드측 연결부는 연료 전지의 애노드측의 출구측과 연료 전지의 애노드측의 입구측 사이의 연결부이다. 캐소드측 연결부는 연료 전지에서 전환되지 않은 산소의 재순환을 위해 사용되고, 애노드측 연결부는 연료 전지에서 전환되지 않은 수소의 재순환을 위해 사용된다. 제 1 물 분리기는 캐소드측 연결부에 배열된다. 물 분리기는 연료 전지에 형성되는 물의 분리를 위해 사용되고 그리고 이를 서킷에서 제거한다. 상기 디바이스는 연료 전지의 캐소드측의 출구측에 배출 밸브 (release valve) 를 포함한다. 배출 밸브를 통하여, 연료 전지의 캐소드측의 출구측에서 배출되는 캐소드 가스 유동의 일부는 배출되어 서킷으로부터 제거될 수 있다. 이러한 배출을 통하여, 산소와 함께 도입되고 오염물로서 산소에 함유된 비활성 가스를 서킷으로부터 제거하여 압력 증가 및 연료 전지의 효율 저하를 특히 방지할 수 있다. 이러한 경우에, 캐소드 가스 유동내의 비활성 가스의 농도는 배출 밸브를 통하여 배출되는 비율의 양만큼 목표로 하는 방식으로 조절될 수 있다.
연료 전지는 특히 바람직하게는 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지 (PEM 연료 전지) 이다. 술폰화 테트라플루오로에틸렌 폴리머, 예를 들어 나피온 (DuPont) 또는 플레미온 (Asahi) 은 폴리머 전해질 멤브레인으로서 특히 바람직하게 사용된다.
연료 전지는 개별 연료 전지, 복수의 개별 연료 전지들 또는 소위 적층체의 병렬 연결부, 또는 복수의 개별 연료 전지들의 직렬 연결부일 수 있다.
옵션으로서, 예시적인 재순환 연료 전지 디바이스는 제 2 물 분리기를 포함할 수 있고, 제 2 물 분리기는 애노드측 연결부에 배열된다. 이 실시형태는 특히 바람직하다. 특히, PEM 연료 전지가 사용되면, 멤브레인의 수명을 연장하기 위해 추출액을 물로 농축시키는 것이 유리하다. 더욱이, 특정 멤브레인들을 통하여 물이 확산될 가능성이 있다. 따라서, 애노드 가스 유동 내의 물의 양을 조절하기 위해서, 제 2 물 분리기가 바람직하게 제공될 수 있다.
본원의 다른 실시형태에서, 디바이스는 연료 전지의 애노드측의 출구측에서 배출되는 애노드 가스의 완전한 재순환을 위해 구성된다. 연료 전지의 애노드측의 출구측에서 배출되는 애노드 가스의 완전한 재순환으로 인해, 수소 방출이 방지될 수 있다. 결과적으로, 재순환 연료 전지 디바이스의 하류측에 위치된 수소 산화 디바이스를 없앨 수 있다. 추가로, 수소는 완전히 전환되고, 그 결과로 인해 손실을 방지할 수 있다. 수소의 저장이 매우 고비용이기 때문에, 저장된 수소의 총 사용 및 전환이 특히 유리하다.
본원의 다른 실시형태에서, 캐소드측의 배출 밸브는 스로틀 밸브이다. 스로틀 밸브의 사용은 캐소드 가스 유동의 비교적 적은 부분이 분리되어 주변 공기로 배출되도록 한다. 그 결과, 주변 공기로 비교적 간단하고 비능동적으로 제어되는 비활성 가스의 배출이 가능하다.
본원의 다른 실시형태에서, 상기 디바이스는 제 1 산소 센서를 포함하고, 제 1 산소 센서는 주변 공기의 산소 농도를 검출한다. 주변 공기에서의 산소 농도가 임계 한계값을 초과하여 상승하면, 배출 밸브를 통하여 배출되는 캐소드 가스 유동의 양이 감소될 수 있다. 그 결과, 연료 전지에서의 비활성 가스의 농도가 확실하게 증가되고, 연료 전지의 효율이 감소된다. 하지만, 비활성 가스의 동일한 배출로 새로운 평형을 확립한 후에, 캐소드 가스 유동에서의 산소의 더 낮은 농도 및 그로 인해 주변 공기에서의 산소 농도가 15 % ~ 25 % 의 한계값 이하, 특히 바람직하게는 21 % 이하, 매우 특히 바람직하게는 사람들에게 해로운 한계값 이하로 유지될 수 있기 때문에, 산소 배출이 감소되는 효과를 또한 얻게 된다.
본원의 다른 실시형태에서, 디바이스는 제 2 산소 센서를 포함하고, 제 2 산소 센서는 연료 전지의 캐소드측의 출구측상의 산소 농도를 검출한다. 제 2 산소 센서의 사용은 최적의 비활성 가스 농도로 연료 전지 디바이스를 작동시키는데 유리하다. 이러한 경우에, 효율을 위해서는 가장 낮은 비활성 가스 농도로부터 최적으로 생성되고, 연료 전지의 수명을 최적화하기 위해 그리고 연료 전지의 일정한 성능을 위해 가능한 한 일정한 비활성 가스 농도 및 산소 방출을 최소화하기 위해서는 가능한 가장 높은 비활성 가스 농도로부터 최적으로 생성된다. 제 2 산소 센서의 도움으로, 캐소드 가스 유동 내의 산소 농도는 목표로 하는 방식으로 조절될 수 있고, 40 ~ 70 mol%, 바람직하게는 45 ~ 60 mol% 의 농도가 최적인 것으로 판명되었다.
추출물 가스는 일반적으로 실질적으로 건조한 상태, 즉 수분 함량 (상대 습도) 이 실질적으로 0 % 인 상태로 저장된다. 액체 산소, 금속 수소화물 탱크로부터의 수소, 또는 그 밖의 압축 가스 탱크로부터의 수소 또는 산소와 같은 통상적인 저장 형태는 저장 유형의 결과로서 실질적으로 수분을 포함하지 않는다. 하지만, 연료 전지의 멤브레인은 불충분하게 가습된 추출물로 작동하는 동안 수명이 단축된다. 따라서, 추출물을 가습하기 위해서, 특히 바람직하게는 물 함량을 실질적으로 포화시키기 위해서, 즉 수분 함량 (상대 습도) 을 80 ~ 100 %, 특히 바람직하게는 90 ~ 100 % 로 설정하는 것이 유리하다.
본원의 다른 실시형태에서, 상기 디바이스는 액체 산소용 저장 탱크를 포함한다. 액체 산소는 특히 효율적인 것으로 증명되었다. 가스성 산소는 바람직하게는 증발기 및 과열기에 의해 액체 산소로부터 생성된다.
본원의 다른 실시형태에서, 디바이스는 수소용 금속 수소화물 탱크를 포함한다. 금속 수소화물 저장 탱크에서 얻은 수소는 비활성 가스를 (거의) 포함하지 않는다. 그 결과, 연료 전지의 작동이 간략해진다. 더욱이, 금속 수소화물로서 저장된 수소는 가압된 수소 또는 액체 수소와 비교하여 잠수함에 저장하는 것이 더 간단하다.
수소 탱크의 대안으로 또는 추가적으로, 디바이스는 다른 공급 재료들로부터의 추출물을 생성하는 개질기 (reformer) 를 포함한다. 그 결과, 잠수함에 저장하기 위한 더 안전하고 간단한 형태의 추출물을 휴대하고 필요할 때만 추출물을 생성할 수 있다.
본원의 다른 실시형태에서, 캐소드측 연결부는 캐소드측 압축기를 포함하고, 애노드측 연결부는 애노드측 압축기를 포함한다. 압축기들은 연료 전지에서의 압력 손실을 보상하는데 사용된다. 압축기들은 특히 바람직하게는 냉각수로 가열되는 물 분리기의 각각의 하류측에 배열된다. 이러한 배열로 인해서, 압축기들 내부의 응축 효과가 방지된다. 보다 바람직한 실행으로서는 물 분리기 내부의 재순환 가스 유동의 온도를 연료 전지의 출구측에서 가스 유동이 가지는 온도에서부터 연료 전지의 입구측에서 가스 유동이 가지는 온도까지 낮추는 것이다. 연료 전지 내부의 반응 동안 열이 생성되기 때문에, 연료 전지 내부의 가스 유동이 가열되어 온도 구배를 생성한다. 가스는 바람직하게는 100 % 에 근접한 상대 습도를 가지기 때문에, 애노드측 연결부 또는 캐소드측 연결부에서 온도를 낮추는 경우에 응축이 발생할 것이다.
본원의 다른 실시형태에서, 연료 전지 디바이스는 제 3 입구를 포함하고, 제 3 입구는 연료 전지의 애노드측의 입구측에 연결되며, 비활성 가스는 제 3 입구를 통해 공급될 수 있다. 특히, 연료 전지를 작동시키기 위해서, 비활성 가스의 추가에 의해 원하는 비활성 가스 농도를 직접 조절하는 것이 유리하다. 이는, 애노드 가스의 밀도가 조성물, 예를 들어 순수한 수소로부터 예를 들어 50 % 수소와 50 % 아르곤으로 이루어진 혼합물로 급격히 변경될 수 있기 때문에 특히 유리하고, 이 밀도는 대략 10 배 증가한다. 그 결과, 유체 특성들, 예를 들어 압축기 내부의 거동이 크게 영향을 받는다. 따라서, 비활성 가스의 추가는 재순환 팬들의 일정한 조건에 유리하다.
본원의 다른 실시형태에서, 연료 전지 디바이스는 제 4 입구를 포함하고, 제 4 입구는 연료 전지의 캐소드측의 입구측에 연결되며, 비활성 가스는 제 4 입구를 통하여 공급될 수 있다. 또한, 캐소드 측에서는 연료 전지의 주행 동안 비활성 가스를 추가하는 것이 유리하다. 명백하게는, 캐소드 가스의 밀도 및 그로 인한 유체 특성은 캐소드측에서 그렇게 급격하게 변경되지 않지만, 비활성 가스의 증가된 부분은 산소의 변경된 부분 압력으로 인해서 연료 전지의 캐소드측의 변경된 전위를 유발한다. 가능한 한 일정한 작동을 가능하게 하고 그리하여 연료 전지의 최대 수명을 얻기 위해서, 캐소드측에 또한 비활성 가스를 추가하는 것이 유리하다.
다른 양태에서, 본원은 연료 전지 디바이스를 작동시키는 방법에 관한 것이고, 이 방법은 하기 단계들을 포함한다.
a) 연료 전지 디바이스에 추출물 가스를 도입하는 단계
b) 연료 전지 디바이스의 제 1 가습기에서 추출물 가스를 가습하는 단계
c) 연료 전지에서 추출물 가스를 반응시키는 단계
d) 제 1 물 분리기에서 생성물 가스 유동으로부터 물을 분리하는 단계.
단계 b) 에서 가습하기 위해서, 단계 d) 에서 분리된 물이 사용된다.
단계 d) 에서 분리된 물을 사용하는 장점은, 연료 전지의 출구측상의 출구 온도에 의해 증가되는 이의 열이 증발을 위한 에너지를 제공하고, 그에 따라서 생성물 유동을 간단하고 효율적인 방식으로 가습시킬 수 있다는 것이다.
본원의 다른 실시형태에서, 연료 전지의 폐열은 물을 가열하는데 사용된다. 연료 전지의 냉각수는 특히 바람직하게는 제 1 물 분리기에 의해 분리된 물을 가열하는 열교환기를 통하여 배향된다. 따라서, 제 1 가습기에서의 물이 증발을 위한 충분한 열을 제공할 수 있음을 보장해준다. 따라서, 연료 전지의 폐열이 가습에 사용되는 공정 관리의 결과로서, 이 방법은 에너지적으로 최적화된 방식으로 실시될 수 있다. 이 방법은 특히 바람직하게는 완전 수동적인 방식으로 제어될 수 있다.
본원의 다른 실시형태에서, 캐소드 가스 및 애노드 가스는 재순환된다. 캐소드 가스 유동의 일부는 연료 전지의 캐소드측의 출구측상의 재순환으로부터 제거되고 주변 공기로 배출된다. 애노드 가스 유동은 완전히 재순환된다.
애노드 가스 유동의 완전한 재순환의 결과로서, 수소가 환경으로 배출되는 것이 방지되며, 이는 다수의 장점을 가진다. 한편으로는, 잠재적으로 유해한 수소 (옥시하이드로겐 가스 형성 위험) 의 배출이 방지된다. 다른 한편으로는, 주변 공기로 배출되는 수소의 목표 산화를 위한 특별한 디바이스를 없앨 수 있다. 더욱이, 수소는 결과적으로 완전히 전환된다. 저장된 수소가 사용된다면, 산소는 비교적 간단한 방식으로, 예를 들면 액체 산소로서 저장될 수 있기 때문에 이는 특히 중요하다. 수소의 경우에, 저장은 저밀도 및 높은 인화성 때문에 비용이 많이 들고 어려우며, 이는 수소를 완전히 전환시키는 것이 유리한 이유이다.
본원의 다른 실시형태에서, 캐소드 가스 유동의 일부의 배출은 캐소드 가스 유동의 일부의 배출로 인해서 주변 공기 중의 산소 농도가 21 mol% +/- 5% 의 값을 초과하지 않도록 제어된다. 주변 공기 중의 산소 농도를 모니터링함으로써 그리고 캐소드 가스 유동의 일부의 배출을 능동적으로 제어함으로써, 재순환 연료 전지 디바이스의 환경, 특히 사람에 대한 위험을 최적으로 감소시킬 수 있다.
본원의 다른 실시형태에서, 캐소드 가스 유동의 일부로 배출되는 산소의 양은 연료 전지의 캐소드측의 출구측상의 비활성 가스 농도를 통하여 조절된다.
본원의 다른 실시형태에서, 연료 전지의 캐소드측의 출구측의 비활성 가스 농도는 캐소드 가스 유동의 일부로 배출되는 산소를 감소시키기 위해 증가된다.
캐소드 가스 유동의 일부의 배출을 감소시킴으로 인해서, 비활성 가스의 배출이 감소되어, 산소에 의해 불순물을 통하여 더 많은 비활성 가스가 서킷으로부터 배출되는 것보다 더 많이 서킷안으로 도입된다. 그 결과, 비활성 가스 농도는, 캐소드 가스 유동의 일부의 감소된 양으로 증가된 가스 농도로 인해서, 동일한 양의 비활성 가스가 도입됨에 따라 배출될 때까지 증가된다. 그 결과, 산소 배출이 감소된다.
그에 대응하여, 캐소드 가스 유동의 일부를 증가시킴으로써, 비활성 가스의 농도가 낮아질 수 있고, 그에 따라서 환경으로의 산소 배출이 증가될 수 있다.
본원의 다른 실시형태에서, 연료 전지의 캐소드측의 출구측상의 비활성 가스 농도는 40 ~ 70 mol%, 바람직하게는 45 ~ 60 mol%, 특히 바람직하게는 45 ~ 55 mol% 로 조절된다. 예를 들어 EP 2 840 636 A1 에서 얻어진 바와 같이, 이러한 범위는 바람직하지 않은데, 이는 이러한 범위에서 연료 전지의 출력의 손상이 이미 발생하기 때문이다. 하지만, 이러한 범위는 환경으로의 산소의 비교적 적은 배출로 비활성 가스의 일정한 배출이 가능하기 때문에 본원에 따라서 유리한 것으로 판명되었다. 산소 중의 비활성 가스 비율이 0.5 % 인 통상적인 함량 (기술적 순도 99.5 %) 으로, 사용된 산소의 약 0.5 % 의 비율이 주변 공기로 나가고 그에 따라서 또한 에너지 생성을 위해 손실된다.
본원의 다른 실시형태에서, 연료 전지의 캐소드측의 출구측상의 비활성 가스 농도 및 연료 전지의 애노드측의 출구측상의 비활성 가스 농도는 동일하게 조절된다. 동일한 비활성 가스 농도가 특히 바람직한데, 이는 특히 PEM 연료 전지의 경우에 연료 전지의 애노드측과 캐소드측을 분리하는 멤브레인을 통하여, 비활성 가스가 또한 확산될 수 있기 때문이다. 이러한 확산으로 인해서, 동일한 비활성 가스 농도의 경우에만 평형이 제공된다. 평형에 대한 편차가 클수록, 평형을 조절하기 위해 연료 전지 내부에서 더 많은 공정이 실행된다.
본원의 다른 실시형태에서, 재순환된 캐소드 가스 및 재순환된 애노드 가스는 압축된다. 재순환 가스를 압축함으로써, 연료 전지 내부의 압력 손실이 보상된다. 재순환된 애노드 가스의 압축은, 높은 비활성 가스 비율, 바람직하게는 40 ~ 70 mol%, 바람직하게는 45 ~ 60 mol%, 특히 바람직하게는 45 ~ 55 mol% 를 가진다면 특히 간단한 방식으로 실시될 수 있는데, 그 결과 애노드 가스는 기술적으로 압축하기가 비교적 간단한 비교적 높은 밀도를 갖기 때문이다. 높은 비활성 가스 비율로 인해서, 대략 일정한 밀도가 특히 실현될 수 있고, 이는 낮은 변수의 공정 조건을 유발한다.
본원의 다른 실시형태에서, 연료 전지의 캐소드측의 출구측상의 캐소드 가스 유동의 일부와 함께 재순환물로부터 제거되고 주변 공기로 배출되는 비활성 가스의 양은, 산소의 유입을 통하여 재순환 연료 전지 디바이스에 공급되는 비활성 가스의 양과 동일해지도록 선택된다. 이는 정지 상태에 대응한다.
다른 양태에서, 본원은 본원에 따른 연료 전지 디바이스를 가진 잠수함에 관한 것이다. 본원에 따른 연료 전지 디바이스는 잠수함에 특히 유리하다. 추출물을 가습하기 위해 분리된 물을 사용함으로써, 연료 전지 디바이스는 특히 컴팩트하고 견고하며 그에 따라서 잠수함에 사용하기에 특히 적합하다.
잠수함의 경우에, 특히 바람직하게는 재순환 연료 전지를 가진 잠수함이다.
다른 양태에서, 본원은 잠수함에 본원에 따른 방법을 실시하는 것에 관한 것이다.
본원의 특히 바람직한 실시형태에서, 본원에 따른 방법은 캐소드 가스 유동의 일부를 배출한 결과로서 배출되는 산소의 양이 잠수함 내부의 산소 소비량에 대응하도록 또는 그에 부족하도록 조절되도록 잠수함에 실시된다.
잠수함에 본원에 따른 방법을 실시하는 동안 비활성 가스 농도는 특히 바람직하게는 40 ~ 70 mol%, 바람직하게는 45 ~ 60 mol%, 특히 바람직하게는 45 ~ 55 mol% 로 조절되는 것이 명백하다. 이러한 비활성 가스 농도로 인해 연료 전지에 의해 배출되는 에너지는 요구되는 에너지량에 거의 상응하고 동시에 배출된 산소량은 승무원에 의해 소비된 산소량에 거의 상응함이 명백하다. 제 1 근사값에서의 에너지 및 산소 요구량은 보트의 크기와 그에 따른 승무원의 크기로 스케일링되므로, 대략적인 이러한 근사값은 보트의 크기와 무관하다.
본원에 따른 연료 전지 디바이스는 도면에 도시된 예시적인 실시형태들에 기초하여 이하 보다 자세히 설명된다.
도 1 은 제 1 연료 전지 디바이스의 개략도를 도시한다.
도 2 는 제 2 재순환 연료 전지 디바이스의 개략도를 도시한다.
연료 전지 디바이스는 도 1 에 개략적으로 도시된다. 연료 전지 디바이스는 캐소드측 (11) 및 애노드측 (12) 을 가진 연료 전지 (10) 를 포함한다. 캐소드측 (11) 에서, O2 에서 O2- 로의 환원이 실시되고, 애노드측 (12) 에서 H2 에서 H+ 로의 산화가 실시된다. 연료 전지 (10) 의 캐소드측 (11) 으로부터 배출되는 캐소드 가스는 제 1 물 분리기 (21) 안으로 배향되고, 동반된 물에서 액체 분리된다. 제 1 물 분리기 (21) 는 연료 전지 (10) 에 축적된 물을 배출할 수 있도록 배수구 (85) 를 포함한다. 제 1 물 분리기 (21) 에서 분리된 물의 적어도 일부는 압축기 (41) 및 열교환기 (43) 를 통하여 제 1 가습기 (51) 안으로 안내된다. 압축기 (41) 는 바람직하게는 펌프의 형태로 구성된다. 산소 탱크 (70) 로부터, 예를 들어 액체 산소에 대해, 산소는 과열기 (75) 를 통하여 제 1 가습기 (51) 안으로 배향된다. 산소는 거기에서 물을 흡수하고 연료 전지 (10) 의 캐소드측 (11) 안으로 도입된다. 다른 구성요소, 특히 애노드 부분은 간략화를 위해 생략된다. 열교환기 (43) 는 연료 전지 (10) 의 냉각수로 작동되는 것이 바람직하며, 그 결과 추가적인 에너지가 제 1 증발기안으로 도입되어야 한다.
예시적인 재순환 연료 전지 디바이스는 도 2 에 개략적으로 도시된다. 재순환 연료 전지 디바이스는 캐소드측 (11) 및 애노드측 (12) 을 가진 연료 전지 (10) 를 포함한다. 캐소드측 (11) 에서, O2 에서 O2- 로의 환원이 실시되고, 애노드측 (12) 에서 H2 에서 H+ 로의 산화가 실시된다. 연료 전지 (10) 의 캐소드측 (11) 으로부터 배출되는 캐소드 가스는 제 1 물 분리기 (21) 및 압축기 (31) 를 통하여 재순환된다. 연료 전지 (10) 의 애노드측 (12) 으로부터 배출되는 애노드 가스는 제 2 물 분리기 (22) 및 압축기 (32) 를 통하여 재순환된다. 배출 밸브 (15) 를 통하여, 캐소드 가스 유동의 일부는 주변 공기로 배출된다. 제 1 물 분리기 (21) 및 제 2 물 분리기 (22) 로부터의 물은 배수구 (85) 를 통하여 서킷으로부터 제거될 수 있다.
새로운 추출물을 공급하기 위해, 재순환 연료 전지 장치는 수소 탱크 (60), 바람직하게는 액체 산소용 산소 탱크 (70), 및 과열기 (75) 를 제공한다. 산소는 제 1 가습기 (51) 를 통하여 캐소드 서킷안으로 도입되고, 수소는 제 2 가습기 (52) 를 통하여 애노드 서킷안으로 도입된다. 제 1 가습기 (51) 및 제 2 가습기 (52) 는 바람직하게는 술폰화된 테트라플루오로에틸렌 폴리머, 예를 들어 나피온 (DuPont) 또는 플레미온 (Asahi) 으로 구성된 물 투과성 멤브레인을 바람직하게 포함한다. 제 1 가습기 (51) 에는 제 1 물 분리기 (21) 에서 분리된 물이 압축기 (41) 및 열교환기 (43) 를 통하여 공급된다. 제 2 가습기 (52) 에는 제 2 물 분리기 (22) 에서 분리된 물이 압축기 (42) 및 열교환기 (44) 를 통하여 공급된다. 압축기 (42) 는 바람직하게는 펌프의 형태로 구성된다. 물론, 물 분리기에서 분리된 물이 가습기들에 공급하기 위한 다른 모든 조합, 특히 제 1 물 분리기 (21) 에서 분리된 물이 압축기 (41) 및 열교환기 (43) 를 통하여 제 1 가습기 (51) 및 제 2 가습기 (52) 에 공급되는 것을 또한 상정할 수 있다.
열교환기 (43, 44) 는 연료 전지 (10) 로부터의 냉각수로 바람직하게 작동된다.
이 실시형태는 냉각수가 연료 전지 (10) 의 입구측에 존재하는 가장 높은 온도에서 연료 전지 (10) 를 나오기 때문에 특히 바람직하다. 따라서, 물 및 그에 따라서 물에 의해 가습되는 산소 또는 수소는 정확한 온도로 이미 예열된다. 그 결과, 능동적인 제어가 필요하지 않고, 시스템은 그 자체를 수동적으로 제어한다.
연료 전지를 작동시키기 위해, 비활성 가스는 비활성 가스 공급 라인 (80) 을 통하여 애노드 가스 서킷 및 캐소드 가스 서킷 안으로 도입될 수 있고, 그리하여 원하는 조건이 성립될 수 있다.
10 : 연료 전지
11 : 캐소드측
12 : 애노드측
15 : 배출 밸브
21 : 제 1 물 분리기
22 : 제 2 물 분리기
31 : 압축기
32 : 압축기
41 : 압축기
42 : 압축기
43 : 열교환기
44 : 열교환기
51 : 제 1 가습기
52 : 제 2 가습기
60 : 수소 탱크
70 : 산소 탱크
75 : 과열기
80 : 비활성 공급 라인
85 : 배수구

Claims (16)

  1. 적어도 하나의 연료 전지 (10), 적어도 하나의 제 1 물 분리기 (21), 제 1 추출물 공급 라인 및 적어도 하나의 제 1 가습기 (51) 를 구비한 연료 전지 디바이스로서,
    상기 연료 전지 (10) 는 입구측과 출구측, 및 애노드측 (12) 과 캐소드측 (11) 을 포함하고,
    상기 제 1 추출물 공급 라인은 상기 제 1 가습기 (51) 에 연결되며,
    상기 제 1 가습기 (51) 는 상기 연료 전지 (10) 의 입구측에 연결되고,
    상기 연료 전지 (10) 의 출구측은 상기 제 1 물 분리기에 연결되며,
    상기 연료 전지 디바이스는 상기 제 1 물 분리기 (21) 로부터 상기 제 1 가습기 (51) 안으로 물을 전달하는 제 1 물 전달 디바이스를 포함하고,
    상기 제 1 가습기 (51) 는 상기 캐소드측 연결부의 외부에 배열되고,
    상기 제 1 물 전달 디바이스는 제 1 열교환기 (43) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 디바이스.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    제 1 열교환기 (43) 는 상기 연료 전지 (10) 의 냉각수에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 디바이스는 재순환 연료 전지 디바이스로서 구성되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 디바이스.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 연료 전지 디바이스는 캐소드측 연결부를 포함하고,
    상기 캐소드측 연결부는 상기 연료 전지 (10) 의 캐소드측 (11) 의 출구측과 상기 연료 전지 (10) 의 캐소드측 (11) 의 입구측 사이의 연결부이며,
    상기 연료 전지 디바이스는 애노드측 연결부를 포함하고,
    상기 애노드측 연결부는 상기 연료 전지 (10) 의 애노드측 (12) 의 출구측과 상기 연료 전지 (10) 의 애노드측 (12) 의 입구측 사이의 연결부이며,
    상기 제 1 물 분리기 (21) 는 상기 캐소드측 연결부에 배열되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 가습기 (51) 와 상기 제 1 물 분리기 (21) 사이에 물 피드백 라인이 배열되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 가습기 (51) 는 물 투과성 멤브레인을 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 디바이스.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 가습기 (51) 는 술폰화된 테트라플루오로에틸렌 폴리머로 구성되는 멤브레인을 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 디바이스.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 가습기 (51) 는 수조 (water bath) 로서 구성되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 디바이스.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 디바이스는 제 2 가습기 (52) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 디바이스.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 연료 전지 디바이스는 상기 제 1 물 분리기 (21) 로부터 상기 제 2 가습기 (52) 로 물을 전달하는 제 2 물 전달 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 디바이스.
  12. 연료 전지 디바이스를 작동하는 방법으로서,
    a) 추출물 가스를 도입하는 단계
    B) 추출물 가스를 가습하는 단계
    c) 연료 전지 (10) 에서 상기 추출물 가스를 반응시키는 단계
    d) 생성물 가스 유동으로부터 물을 분리하는 단계를 포함하고,
    상기 단계 d) 에서 분리된 물은 상기 단계 b) 에서 가습을 위해 사용되고,
    상기 연료 전지의 폐열은 상기 단계 d) 에서 분리된 물을 가열하는데 사용되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 디바이스를 작동하는 방법.
  13. 삭제
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 연료 전지 디바이스를 작동하는 방법은 완전히 수동적으로 제어되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 디바이스를 작동하는 방법.
  15. 제 1 항에 따른 연료 전지 디바이스를 구비한 잠수함.
  16. 제 12 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 연료 전지 디바이스를 작동하는 방법은 제 15 항에 따른 잠수함에서 실시되는, 연료 전지 디바이스를 작동하는 방법.
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