KR102001703B1 - 내부 제어가능 연료 전지 - Google Patents
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Abstract
연료 전지 멤브레인에 연결된 액추에이터에 의해 연료 전지의 개선된 제어를 위한 연료 전지 및/또는 고압 전기 분해 전지 및 연료 전지 멤브레인 장치가 개시된다.
Description
본 발명은 제어가능 연료 전지 및 제어가능 고압 전기 분해 전지 및 특히 개선된 역학 및 동작 신뢰성을 갖는 제어가능 연료 전지 및 고압 전기 분해 전지에 관한 것이다.
효율적인 에너지 공급을 고효율로 제공하기 위해 연료 전지들이 사용된다. 그러나, 현재 사용되는 연료 전지들은 다른 에너지 발전소들, 예를 들어 응축 발전소들 또는 풍력 발전소들의 가용성보다 훨씬 아래에 있는 비교적 저가용성을 갖는다. 더욱이, 현재 사용되는 연료 전지들은 특히 고부하에서 및/또는 단락의 경우에 비교적 열악한 역학을 갖는다. 따라서, 복합 보호 기술이 연료 전지들에 사용되어야 한다. 연료 전지들은 통상 단기간 과부하 전력 공급을 보장할 수 있도록 더 크게 치수화되어야 하고, 따라서 그들은 동일한 최대 전력 레벨에서 더 큰 중량 및 비교적 저전력 밀도를 가질 것이다. 게다가, 연료 전지 멤브레인은 연료 전지 멤브레인을 손상시킬 수 있는 지속적인 고전류 부하가 있을 때 충분히 신속하게 셧 다운될 수 없다.
종래 기술로부터 다양한 타입들의 연료 전지들, 예를 들어 저온도 범위에 대한 AFC(alkaline fuel cells), PEFC(polymer electrolyte membrane fuel cells) 또는 PAFC(phosphoric acid fuel cells) 및/또는 고온도 범위에 대한 MCFC(melt carbonate fuel cells) 또는 SOFC(solid oxide ceramic fuel cells)가 알려져 있다. 그러한 연료 전지들은 예를 들어 K. Heuck, K. D. Dettmann, D. Schulz: Elektrische Energieversorgung [Electrical Power Supply], 8th edition, Wiesbaden, Vieweg, 2010, 22 페이지에 기재되어 있다. 게다가, 독일 특허 제11 2007 000 666 T5호는 연료 전지의 내부 상태를 감시하는 장치 및 방법에 대해 설명하고 있는데, 여기서는 측정된 값들이 예를 들어 전극 전류들을 측정하는 센서에 의해 기록된다. 더욱이, 미국 특허 제6,949,920 B2호는 연료 전지들의 전류 밀도를 측정하는 장치에 대해 설명하고 있는데, 여기서는 측정된 값들이 연료 전지들의 전극들 상에서 픽업된다.
본 발명의 목적은 연료 전지의 개선된 제어성을 제공하는 것이다.
본 발명은 독립항들에 따른 연료 전지 멤브레인 유닛, 그러한 연료 전지 멤브레인 유닛을 갖는 연료 전지 및 연료 전지 멤브레인 유닛을 갖는 고압 전기 분해 전지에 관한 것이며, 예시적 실시예들은 종속항들에 통합된다.
본 발명의 예시적 실시예에 따르면, 연료 전지 멤브레인 유닛이 연료 전지의 애노드와 캐소드 사이에 사용되도록 제공되며, 연료 전지 멤브레인 유닛은 연료 전지 멤브레인 및 연료 전지 멤브레인에 연결된 액추에이터를 제공하며, 액추에이터는 연료 전지 멤브레인에서 전류 밀도 분포를 제어하도록 설계된다.
따라서, 연료 전지는 멤브레인 상에서 제어에 의해, 예를 들어 전도성, 농도(consistency) 또는 액체로부터 고체로의 위상 전이와 같은 전해액의 속성의 제어에 의해 직접 영향을 받을 수 있다. 이러한 방법으로, 연료 전지의 멤브레인 상의 반응은 연료 전지의 멤브레인 내에 또는 그 위에 부가 제어 요소를 도입함으로써 영향을 받을 수 있다. 액추에이터의 형태인 제어 유닛 및/또는 제어 요소는 선택적으로 기계적으로, 전기적으로, 자기적으로, 광학적으로, 유압으로 또는 공압으로 구현될 수 있다. 연료 전지의 동작 성능은 지연 없이 작용하는 멤브레인에 대한 그러한 직접 제어로 개선될 수 있다. 특히 연료 전지의 수명이 내부 제어로 인해, 특히, 연료 전지가 위태로운 동작 상태들에서 신속히 셧다운될 수 있기 때문에, 증가될 수 있다. 더욱이, 연료 전지가 부하의 경우에 또는 전기 과부하의 경우에 나중까지 셧다운될 필요가 없고 따라서 더 많은 시간이 전기 공급에 이용가능하기 때문에 연료 전지의 가용성이 또한 증가된다. 게다가, 연료 전지가 이러한 내부 스위칭 가능성으로 인해 더 높은 반응 속도를 위해 치수화될 수 있고 그것이 전기 부하의 급격한 증가가 있을 때에도 밀리초 범위에서 매우 신속히 더 높은 전류 진폭들을 공급할 수 있기 때문에 역학의 증가가 또한 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 액추에이터는 전계 및/또는 자계를 발생시키는데 적합한 그리드 구조를 갖는다.
따라서, 연료 전지 멤브레인이 전계 및/또는 자계 효과에 의해 제어될 수 있다. 전계 및/또는 자계를 발생시키기 위한 상응하는 구조들이 특히 비교적 작게 유지될 수 있어, 본질적으로 연료 전지의 구조적 체적의 증가도 없다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 액추에이터는 수평 그리드 및 수직 그리드를 갖는다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 수평 그리드는 그것이 수직 그리드에 대해 본질적으로 90°만큼 회전되도록 배열된다. 수평 그리드 및 수직 그리드는 서로에 대해 90°와 다른 각도를 형성할 수도 있다는 점이 여기서 주목되어야 한다.
따라서, 상응하는 멤브레인 영역에 대해 멤브레인의 균일한 제어가 가능하다. 그리드 구조들이 연료 전지 멤브레인 내에 및/또는 그 위에 비교적 용이하게 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수평 그리드 및 수직 그리드는 서로 접하여 겹쳐져 놓여 있다.
따라서, 비교적 작은 설계 높이가 달성될 수 있다. 특히, 멤브레인 내의 또는 2개의 부분 멤브레인 사이의 배열에서, 수평 그리드 및 수직 그리드의 조합이 용이하게 사전 제조될 수 있다. 수평 그리드 및 수직 그리드가 서로 직접 인접하는지에 관계없이 서로 절연될 수 있어, 수평 그리드 및 수직 그리드가 서로 개별적으로 제어될 수 있다는 점이 여기서 이해되어야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 그리드 구조의 적어도 일부는 연료 전지 멤브레인에 내장된다.
따라서, 멤브레인은 그 내부에서 제어될 수 있다. 수평 그리드 또는 수직 그리드 또는 심지어 그리드들 둘 다가 연료 전지 멤브레인 안에 내장될 수 있다는 점이 여기서 주목되어야 한다. 수평 그리드 및 수직 그리드는 차례로 서로 접하여 겹쳐져 놓여 있을 수 있고 연료 전지 멤브레인 내에서 서로 거리를 두고 이격될 수도 있다. 수평 그리드 및 수직 그리드 둘 다는 연료 전지 멤브레인의 주 표면들과, 즉 애노드 및/또는 캐소드에 면하는 표면들과 본질적으로 평행하게 연장된다는 점이 이해된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수평 그리드 및 수직 그리드는 연료 전지 멤브레인의 대향 표면들 상에 배열된다.
따라서, 연료 전지 멤브레인에는 상응하는 수평 그리드 구조 및/또는 수직 그리드 구조가 비교적 용이하게 제공될 수 있고 연료 전지 멤브레인이 이러한 그리드 구조에 의해 그 표면들 위에서 제어될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 액추에이터는 연료 전지 멤브레인을 제어하는 압력에 의해 작용될 때 전계 및/또는 자계를 발생시키도록 구성된 피에조 소자를 갖는다.
따라서, 압력 인가에 의해 액추에이터에서 전압 및/또는 전류를 발생시키는 것이 가능하여, 연료 전지 멤브레인 내에 및/또는 그 위에 전계 및/또는 자계를 발생시키는 것이 가능하다. 피에조 소자는 멤브레인의 외부로부터의 힘으로 작용될 수 있지만, 예를 들어 상응하는 전압 및/또는 전류를 발생시키기 위해 압력을 공압 또는 유압 시스템과 같은 2차 장치들에 의해 피에조 소자에 직접 인가하는 것도 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수평 그리드 및/또는 수직 그리드 중 적어도 하나는 병렬로 연결된 복수의 피에조 소자들을 갖는 그리드로 구체화될 수 있다.
따라서, 복수의 피에조 소자들의 분포에 상응하는 균일한 전계 및/또는 자계를 발생시키는 것이 가능하다. 예를 들어 직류 전류 및/또는 전압 연결에 의해 전기적으로 연결될 수 있는 전술된 그리드와 대조적으로, 수평 그리드 및/또는 수직 그리드는 예를 들어 병렬로 연결된 복수의 피에조 소자들에 의해 공압으로 또는 유압으로 제어될 수 있어, 외부로부터 병렬로 연결된 복수의 피에조 소자들의 그리드로의 전기 전류 연결들이 절대적으로 불필요하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 액추에이터는 반도체 층 및 광섬유를 가지며, 광섬유는 광전 효과로 인해 반도체의 p-n 구조 상에 연료 전지 멤브레인을 제어하는 전계 및/또는 자계를 발생시키도록 설계된다.
따라서, 액추에이터는 광 트리거링에 의해 용이하게 제어될 수 있고 반드시 전기 연결들을 가져야 하는 것은 아니다. 특히, 액추에이터는 간단한 전기 절연 광섬유 구조로 트리거될 수 있으며, 이는 예를 들어 광전 효과로 인해 반도체 상에 외부 광 펄스들 및/또는 광 신호들에 의해 전압을 발생시킨다. 트리거링은 전통적인 광을 통해 달성되지만, 예를 들어 레이저 광과 같은 간섭광을 통해서도 달성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 액추에이터는 적어도 하나의 전계 효과 트랜지스터 구조를 가지며, 이 구조는 게이트를 통해 연료 전지 멤브레인을 제어하는 전계 및/또는 자계를 제어하도록 설계된다.
따라서, 연료 전지 멤브레인의 빠른 제어가 낮은 제어 성능만으로도 달성될 수 있다. 전계 효과 트랜지스터 구조는 특히 절연 층 전계 효과 트랜지스터 구조일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 애노드, 캐소드 및 애노드와 캐소드 사이에 배열된 연료 전지 멤브레인 유닛을 갖는 연료 전지가 일차로 화학적으로 이차로 전기적으로 에너지 흐름에 의한 동작을 위해 상술된 형태로 공급된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 애노드, 캐소드 및 상술된 바와 같은 애노드와 캐소드 사이에 배열된 연료 전지 멤브레인 유닛을 갖는 고압 전기 분해 전지가 일차로 전기적으로 이차로 화학적으로 에너지 흐름에 의한 동작에 이용가능해진다.
따라서, 높은 역학 및 개선된 제어성을 갖는 연료 전지 뿐만 아니라, 반대 반응 프로세스에서, 고압 전기 분해 전지를 제공하는 것이 가능하다.
따라서, 본 발명의 아이디어는 연료 전지가 연료 전지 멤브레인 내에 또는 그 위에 직접 제어될 정도로 연료 전지 및/또는 고압 전기 분해 전지의 제어를 개선하는 것으로 간주될 수 있어, 역학의 손실을 초래하는 더 긴 반응 시간들이 배제되거나 적어도 감소될 수 있다.
후술되는 본 발명의 실시예들이 연료 전지 멤브레인 유닛, 연료 전지 및 또한 고압 전기 분해 전지에 동일하게 관련된다는 점이 주목되어야 한다.
물론, 개별 특징들이 서로 결합될 수도 있어, 개별 효과들의 합을 초과하는 어느 정도까지 유리한 효과들이 달성될 수도 있다.
본 발명의 이러한 및 다른 양태들은 후술되는 예시적 실시예들을 참조하여 설명되고 예시될 것이다.
예시적 실시예들은 이하의 도면들을 참조하여 후술될 것이다.
도 1은 종래 기술로부터의 연료 전지의 U/I 특성 라인 및 P/I 특성 라인의 곡선들을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 연료 전지 멤브레인 유닛 및/또는 연료 전지의 개략적 설계를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수평 그리드 및/또는 수직 그리드의 기본 구조를 도시한다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예들에 따른 연료 전지 멤브레인에 대한 그리드 배열의 가능한 실시예들을 예시한다.
도 5a 내지 도 5c는 상응하는 도 4a 내지 도 4c의 개략 단면도들 및 측면도들을 도시한다.
도 6a는 반도체 층 및/또는 트랜지스터 구조 층을 갖는 연료 전지 멤브레인의 기본 설계를 도시한다.
도 6b는 트랜지스터 구조 배열의 기본 설계의 단면도를 도시한다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 층 및 광섬유 층의 기본 설계를 도시한다.
도 7b는 도 7a에 따른 기본 설계의 단면도를 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 병렬로 연결된 피에조 소자들을 갖는 수평 그리드 및/또는 수직 그리드를 도시한다.
도 9a 내지 도 9c는 단면도 및/또는 측면도로 도 6a 내지 도 8에 도시된 배열들 중 하나에 따른 연료 전지 멤브레인에 대한 액추에이터의 기본 배열을 도시한다.
도 1은 종래 기술로부터의 연료 전지의 U/I 특성 라인 및 P/I 특성 라인의 곡선들을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 연료 전지 멤브레인 유닛 및/또는 연료 전지의 개략적 설계를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수평 그리드 및/또는 수직 그리드의 기본 구조를 도시한다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예들에 따른 연료 전지 멤브레인에 대한 그리드 배열의 가능한 실시예들을 예시한다.
도 5a 내지 도 5c는 상응하는 도 4a 내지 도 4c의 개략 단면도들 및 측면도들을 도시한다.
도 6a는 반도체 층 및/또는 트랜지스터 구조 층을 갖는 연료 전지 멤브레인의 기본 설계를 도시한다.
도 6b는 트랜지스터 구조 배열의 기본 설계의 단면도를 도시한다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 층 및 광섬유 층의 기본 설계를 도시한다.
도 7b는 도 7a에 따른 기본 설계의 단면도를 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 병렬로 연결된 피에조 소자들을 갖는 수평 그리드 및/또는 수직 그리드를 도시한다.
도 9a 내지 도 9c는 단면도 및/또는 측면도로 도 6a 내지 도 8에 도시된 배열들 중 하나에 따른 연료 전지 멤브레인에 대한 액추에이터의 기본 배열을 도시한다.
도 1은 종래 기술로부터의 연료 전지에서의 전압과 전류 사이 및 전력과 전류 사이의 관계를 예시하는 전형적인 특성 라인을 도시한다. 전압은 전형적으로 전류가 증가함에 따라 감소한다. 도 1에 도시된 종래 기술로부터의 연료 전지의 특성 라인들은 표준화된 형태, 즉 퍼어 유닛(per unit)(p.u.)으로 각각 그려진 전압 및 전류 뿐만 아니라 전력에 대한 곡선들이다. 과부하가 있을 때, 특성 라인은 실선으로 여기에 도시된 곡선으로부터 파선에 따라 도시된 곡선으로 변화된다. 중부하(heavy load)가 있을 때, 전압 강하가 0.3의 전류에서 발생한다. 마찬가지로, 0.3의 전류가 있을 때, 고부하에서, 예를 들어 과부하 또는 강한 동적 부하에서와 같이 성능 저하가 발생한다. 높은 과부하에서의 이러한 결점들은 본 발명에 따른 연료 전지 멤브레인 유닛 및/또는 연료 전지 및 고압 전기 분해 전지에 의해 다루어진다. 도 2는 상응하는 배열을 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 연료 전지 멤브레인을 갖는 연료 전지 배열의 개략적 설계를 도시한다. 거기에 도시된 배열은 또한 고압 전기 분해 전지에 대해 유효하다는 점이 주목되어야 한다. 여기서 도 2에 도시된 실시예에서, 연료 전지(2)는 연료 전지 멤브레인(10) 및/또는 연료 전지 멤브레인 배열(1)로 구성된다. 연소 가스를 애노드 및/또는 캐소드에 운반하기 위한 상응하는 가스 도체 플레이트들과 각각 접촉하는 애노드(4) 및 캐소드(5)가 연료 전지 멤브레인에 인접한다. 연료 전지 멤브레인(10)에 동작가능하게 연결된 액추에이터(20)가 도 2에 도시된 연료 전지 멤브레인 배열(1) 내에 위치한다. 이러한 액추에이터(20)는 연료 전지 멤브레인(1) 내에 또는 그 위에 배열될 수 있다. 도 2는 액추에이터(20)가 연료 전지 멤브레인 내에 있는 장치를 도시한다. 도 2에 도시된 배열은 그리드 배열(30)의 실시예에서의 액추에이터를 예시하며, 그리드 배열은 여기서 수평 그리드(31) 및 수직 그리드(32)를 갖는다. 그러나, 부가 도면들을 참조하여 또한 후술되는 바와 같이, 액추에이터가 멤브레인의 표면 상에 배열될 수도 있고 액추에이터가 그리드 구조(30)와 다른 요소들로 구성될 수도 있다는 점이 이해되어야 한다. 도 2에 예시된 배열에서, 제어 유닛은 그리드 구조에 연결되고 특히 수평 그리드를 트리거하는 트리거 장치(41)가 수평 그리드(31)에 연결되며, 이 수평 그리드는 이러한 트리거 장치에 의해 그에 상응하게 트리거될 수 있다. 따라서, 신호가 수평 그리드에 대한 트리거 장치(41)로부터 수평 그리드로 송신될 수 있다. 유사하게, 수직 그리드(32)가 수직 그리드에 대한 트리거 장치(42)에 연결되어, 수직 그리드를 트리거하기 위한 상응하는 신호가 트리거 장치(42)로부터 수직 그리드(32)로 송신될 수 있다. 이러한 방법으로, 2개의 그리드(31, 32)는 연료 전지 멤브레인의 트리거를 수행할 수 있도록 서로 개별적으로 트리거될 수 있다. 상응하는 연소 가스가 탄소 분리기들이라고도 알려져 있는 가스 도체 플레이트들을 통해 연료 전지로 보내져서, 애노드(4) 및 캐소드(5), 즉 연료 전지 멤브레인(1)을 통해 연소가 발생할 수 있으며, 이러한 연소는 애노드(4) 및/또는 캐소드(5) 상에 전압을 야기하는데, 이는 전기 컨슈머(consumer)(50)에 공급하는 데 사용될 수 있다. 도 2에서, 이러한 컨슈머는 부하 저항기(RL)로 식별된다. 전압은 연료 전지의 감시를 위해 애노드(4) 및/또는 캐소드(5)에서 전압계(43)를 사용하여 측정될 수 있다. 마찬가지로, 전류는 상응하는 전류계(44)에 의해 결정될 수 있다. 게다가, di/dt 속도가 상응하는 장치(45)에 의해 결정될 수 있다. 연료 전지의 길이는 여기서 L로 주어진다. 예를 들어, 단락들을 포함하는 동적 프로세스들을 검출하기 위해, 전류 상승 속도 di/dt가 또한 전류 및 전압에 더하여 측정되어야 한다. 전류의 증가, 즉 전류 상승이 있을 때, 연료 전지의 멤브레인 상의 전류 밀도 분포는 외부 제어 변수에 의해 액추에이터로 보다 균일하게 될 수 있다. 이렇게 하기 위해, 여기서 도 2의 그리드 구조(30)의 형태인 액추에이터(20)가 사용된다. 그럼에도 불구하고, 전지 상의 백분율 전류 부하(Iz) 또한 인자(k)를 갖는 Iz = kㆍL에 따라 연료 전지의 길이 연장(L)으로부터 결정될 수도 있다. 인자(k)는 연료 전지 및 냉각 타입의 실시예에 의존한다. 그러나, 백분율 전류 부하는 인자(m)를 갖는 Iz = mㆍT에 따라 연료 전지의 온도 증가(T)로부터 결정될 수도 있다. 인자(m)는 연료 전지 및 냉각 타입의 실시예에 의존한다. 따라서, 도 2에 도시된 것과 같은 배열에 의해, 출력 전압, 출력 전류 및/또는 전류 상승 속도의 측정 값들의 변화에 신속히 응답하는 것이 가능하다. 이러한 응답은 연료 전지의 멤브레인 상의 동적 전류 밀도 분포를 통한 "파워 부스트(power boost)"에 상응한다. 이러한 방법으로, 높은 국부 전류 밀도를 전하기 위해 연료 전지를 과치수화하는 것이 더 이상 필요하지 않다. 전류 밀도 분포의 제어는 예를 들어 전계 또는 자계를 발생시킴으로써 달성될 수 있다. 연료 전지는 출력 전류, 출력 전압 및 전류 상승 속도를 감시함으로써 감시될 수 있다.
도 3은 멤브레인 그리드가 2개의 구성요소, 즉 수직 그리드(32) 및 수평 그리드(31)로 구성되는 본 발명의 일 실시예를 도시한다. 상응하는 그리드는 수평 그리드의 상단 및 하단에서 및/또는 우측 및 좌측에서 수직 그리드로의 상응하는 연결들을 통해 제어될 수 있다. 이러한 2개의 그리드는 예를 들어 겹쳐서 배치되고 서로로부터 90°각만큼 오프셋될 수 있다. 그러나, 임의의 다른 각들이 사용될 수도 있다. 그리드 바들은 도면들에 도시되지 않는 만곡 또는 파형을 가질 수도 있다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 연료 전지 멤브레인(10)에 대한 수평 그리드(31) 및/또는 수직 그리드(32)의 배열을 갖는 상응하는 실시예들을 설명한다. 도 4a에 따르면, 수평 그리드 및 수직 그리드는 연료 전지 멤브레인(10)의 2개의 대향 측 상에 배열될 수 있다. 상응하는 연결들을 통해, 90°각 또는 다른 각들에서 서로로부터 오프셋되도록 배열되는 2개의 그리드는 상응하는 연결들을 통해 제어될 수도 있다. 도 4b는 2개의 그리드(31 및 32)가 겹쳐서 배열되는 배열을 도시한다. 그러나, 이러한 2개의 그리드가 서로 개별적으로 제어되는 것을 허용하도록 서로로부터 전기적으로 절연될 수 있다는 점이 여기서 이해되어야 한다. 연료 전지 멤브레인에서의 전류 밀도 분포는 생성된 전계를 통해 변경되고 그것에 의해 제어될 수 있다. 도 4c는 수평 그리드(31) 및 수직 그리드(32)가 연료 전지 멤브레인(10) 내부에 배열되는 다른 실시예를 도시한다. 이러한 배열에 의해, 수평 그리드 및 수직 그리드는 겹쳐서 배열되지만 서로로부터 절연될 뿐만 아니라 서로 거리를 두고 이격될 수 있다. 그리드 배열 및 연료 전지 멤브레인(10)의 구조 설계는 도 5a 내지 도 5c에 예시된다.
도 5a 내지 도 5c는 수직 그리드와 수평 그리드 및 연료 전지 멤브레인을 갖는 도 4a 내지 도 4c에 도시된 배열을 통한 단면도 및/또는 측면도를 도시한다. 도 5a에서, 수평 그리드(31) 및 수직 그리드(32)는 연료 전지 멤브레인(10)의 2개의 대향 측 상에 위치한다. 그리드 구조(20)의 상응하는 제어에 의해, 이것은 자계 및/또는 전계가 연료 전지 멤브레인(10) 내에서 생성되는 것을 허용하여, 멤브레인(10)에서 전류 밀도 분포의 제어를 야기한다. 그러나, 2개의 그리드(31 및 32)는 도 5b에 도시된 바와 같이, 연료 전지 멤브레인(10)의 일측 상에 배열될 수도 있다. 액추에이터, 즉 그리드 구조(30)는 여기서 연료 전지 멤브레인의 2개의 측 중 하나에 배열된다. 더욱이, 수직 그리드(32) 및 수평 그리드(31)는 연료 전지 멤브레인(10) 내부에 배열될 수도 있어, 그리드 구조(30)가 연료 전지 멤브레인(10) 내에 완전히 내장된다. 도 5c에 도시된 배열에서, 2개의 그리드(31 및 32)는 서로 거리를 두고 이격되지만 그들은 선택적으로 필요할 수 있는 임의의 절연을 고려하여 서로 접하여 겹쳐져 놓여 있을 수도 있다.
그러나, 액추에이터 또는 제어 요소는 아래에 설명되는 바와 같이, 도전성 그리드에 의한 것과 다른 어떤 방식으로 구현될 수도 있다.
도 6a는 연료 전지 멤브레인(10)에 반도체 층(24)으로서 적용되는 반도체 배열의 구조 설계를 도시한다. 이러한 반도체 층(24)은 전계 효과 트랜지스터 구조로서 설계될 수 있으며, 그 단면도는 도 6b에 상세히 도시된다. 상응하는 구조가 소스(S), 게이트(G) 및 드레인(D)으로 구성되는 반도체 층(24)에 적용된다. 트랜지스터의 상응하는 전도성이 게이트(27)를 제어함으로써 설정될 수 있어, 전계 및/또는 자계를 발생시키기 위해 게이트(27)의 트리거를 통해 전류 흐름이 생성될 수 있다. 이러한 방법으로, 반도체 층의 형태, 특히 트랜지스터 구조(26)의 형태인 액추에이터는 게이트에 걸친 비교적 낮은 제어 전압에 의해 제어될 수 있다. 전계 효과 트랜지스터는 특히 절연 층 전계 효과 트랜지스터로 구체화될 수 있다. 반도체 층은 예를 들어 기상 증착에 의해, 예를 들어 10㎛의 두께를 갖는 얇은 층으로, 또는 예를 들어 100㎛의 두께를 갖는 적층 절단 층(laminated cut layer)으로 구체화될 수 있다.
도 7a는 반도체 층(24)이 연료 전지 멤브레인(10)에 적용되는 본 발명의 다른 실시예를 도시하며; 여기에 도시된 실시예에서, 이것은 예를 들어 감광성 층일 수 있다. 감광성 반도체 층(24)을 제어하기 위해 광학 층(25)이 적용될 수 있다. 도 7b는 상응하는 층 구조를 도시한다. 반도체 층(24)은 n 도핑된 층(24n) 및 p 도핑된 층(24p)의 계층화의 형태로 연료 전지 멤브레인(10)에 적용되어, 광섬유 층(25)이 이러한 반도체 층(24) 위에 배열된다. 광에 의한 상응하는 조사를 통해, 전압이 광전 효과에 의해 발생되고 트리거에 사용될 수 있어, 반도체 층(24) 및 광섬유(25)의 계층화는 연료 전지 멤브레인(10)의 전류 밀도 분포가 제어될 수 있는 액추에이터를 형성한다.
그러나, 액추에이터는 예를 들어 상응하는 압력 인가 하에 전계를 발생시키기 위해 전압을 갖는 피에조 소자로서 구체화될 수도 있다. 그러한 배열은 도 8에 도시된다. 도 8은 병렬로 연결된 복수의 피에조 소자들(21, 22, 23)로 구성되는 수직 그리드(32) 뿐만 아니라 병렬로 연결된 복수의 피에조 소자들(21, 22, 23)로 구성되는 수평 그리드(31)를 도시한다. 피에조 소자들은 도 8에 표시된 바와 같이, 병렬 뿐만 아니라 직렬로 배선될 수 있다. 상응하는 압력 인가에 의해 전계를 공급할 수 있는 액추에이터(20)가 이러한 방법으로 공급될 수 있고 연료 전지 멤브레인에서 전류 밀도 분포를 제어하기 위해 사용될 수 있다.
도 9a 내지 도 9c는 상응하는 액추에이터, 특히, 도 6a, 도 7a 및 도 8에 따른 액추에이터가 연료 전지 멤브레인(10)을 참조하여 어떻게 배열될 수 있는지에 대한 기본 설계들을 도시한다. 도 9a는 연료 전지 멤브레인의 2개의 주 측면 둘 다에 액추에이터의 적용을 도시한다. 그러나, 대안적으로, 상응하는 액추에이터가 도 9b에 예시된 바와 같이, 멤브레인(10) 일측 상에만 배열될 수도 있다. 게다가, 액추에이터(20)는 도 9c에 예시된 바와 같이, 연료 전지 멤브레인(10)의 내부에, 특히 피에조 소자들, 광섬유들을 갖는 반도체 층 또는 또한 트랜지스터 반도체 층의 형태로 배열될 수도 있다. 액추에이터가 반드시 연료 전지 멤브레인의 주 표면들과 배향될 필요는 없고 에지들을 통해 작동할 수도 있다는 점이 주목되어야 한다.
전도성, 농도 및 위상 전이를 통한 전해액의 속성의 제어는 본 발명에 따른 연료 전지 멤브레인 상에 및/또는 연료 전지 멤브레인 내에 직접 그러한 액추에이터의 배열을 통해 달성될 수 있다. 대안으로서, 그러한 액추에이터가 다른 형태들로, 예를 들어 플라스틱, 금속 또는 반도체 재료 및/또는 그러한 재료들의 조합으로 제조된 액추에이터로 구현될 수도 있다는 점이 주목되어야 한다. 대안적으로, 그러한 제어 요소는 메모리 금속 그리드로 구체화될 수도 있다. 액추에이터는 기계적으로, 마이크로기계적으로, 전기적으로, 자기적으로, 광학적으로, 유압으로 또는 공압으로 설계될 수 있다. 게다가, 그것은 온도의 변화를 통해 제어될 수 있다. 따라서, 연료 전지의 동작 성능은 지연 없이 작용하는 멤브레인의 직접 제어로 개선된다. 특히, 연료 전지의 수명은 그것이 내부적으로 제어되고 위태로운 동작 상태들에서, 예를 들어 높은 멤브레인 온도에서 신속히 셧다운될 수 있을 때 증가된다. 게다가, 연료 전지의 가용성은 부하의 경우 및/또는 전자 또는 전기 과부하의 경우에 나중까지 그것이 셧다운될 필요가 없으므로 증가되고, 따라서 더 긴 시간 기간 동안 전기를 공급하는 것이 이용가능하다. 더욱이, 역학은 또한 더 높은 반응 속도가 달성될 수 있기 때문에 증가된다. 게다가, 연료 전지가 고장의 경우에 짧은 시간 기간 동안 더 큰 전류 진폭을 공급할 수 있고 따라서 연료 전지를 보호하기 위해 과전류 시간 보호 장치가 사용될 수 있기 때문에 연료 전지의 보호 기술은 크게 간략화될 수 있다. 연료 전지는 이러한 새로운 타입의 제어로 인해 짧은 시간 기간 동안 더 큰 전류들, 소위 과부하 전류들을 공급할 수도 있고, 따라서 전체 시스템은 더 작은 치수들로 설계될 수 있어, 이러한 실시예의 연료 전지가 더 적은 중량 및 따라서 동일한 최대 전력에서 더 높은 전력 밀도를 가질 것이다. 멤브레인이 더 신속하게 셧다운될 수 있는 사실 때문에, 특히 연료 전지가 더 높은 온도들에서 더 제어된 방식으로 동작할 수 있고 위험 요소의 위험이 신속한 셧다운 선택으로 인해 최소화될 수 있으므로, 전체 동작 신뢰성이 증가될 수 있다.
용어 "포함하다"는 다른 요소들을 배제하지 않고, 단수를 나타내는 용어는 다른 요소들을 배제하지 않는다는 점이 주목되어야 한다.
본 명세서에 사용된 참조 번호들은 이해성을 증가시키기 위해서만 사용되고 결코 제한적인 것으로서 간주되지 않아야 하고, 본 발명의 보호 범위는 청구항들에 의해 정의된다.
1: 연료 전지 멤브레인 유닛
2: 연료 전지
4: 애노드
5: 캐소드
6: 가스 도체 플레이트들
10: 연료 전지 멤브레인
11: 멤브레인 표면
12: 멤브레인 표면
20: 액추에이터
21: 피에조 소자
22: 피에조 소자
23: 피에조 소자
24: 반도체 층
24p: p 도핑된 반도체 영역
24n: n 도핑된 반도체 층
25: 광섬유
26: 전계 효과 트랜지스터 구조
27: 전계 효과 트랜지스터의 게이트
30: 그리드 구조
31: 수평 그리드
32: 수직 그리드
41: 수평 그리드의 컨트롤
42: 수직 그리드의 컨트롤
43: 전압 측정
44: 전류 측정
45: di/dt 측정
50: 부하, 컨슈머
S: 소스
D: 드레인
G: 게이트
U: 전압
I: 전류
P: 전력
L: 연료 전지의 길이
RL: 부하 저항기, 컨슈머
p.u.: 퍼어 유닛
2: 연료 전지
4: 애노드
5: 캐소드
6: 가스 도체 플레이트들
10: 연료 전지 멤브레인
11: 멤브레인 표면
12: 멤브레인 표면
20: 액추에이터
21: 피에조 소자
22: 피에조 소자
23: 피에조 소자
24: 반도체 층
24p: p 도핑된 반도체 영역
24n: n 도핑된 반도체 층
25: 광섬유
26: 전계 효과 트랜지스터 구조
27: 전계 효과 트랜지스터의 게이트
30: 그리드 구조
31: 수평 그리드
32: 수직 그리드
41: 수평 그리드의 컨트롤
42: 수직 그리드의 컨트롤
43: 전압 측정
44: 전류 측정
45: di/dt 측정
50: 부하, 컨슈머
S: 소스
D: 드레인
G: 게이트
U: 전압
I: 전류
P: 전력
L: 연료 전지의 길이
RL: 부하 저항기, 컨슈머
p.u.: 퍼어 유닛
Claims (12)
- 연료 전지(2) 내의 애노드(4)와 캐소드(5) 사이에 사용되는 연료 전지 멤브레인(membrane) 유닛으로서, 상기 연료 전지 멤브레인 유닛(1)은,
연료 전지 멤브레인(10),
상기 연료 전지 멤브레인에 연결되고, 전해액(electrolyte)의 속성들의 제어에 의해 상기 연료 전지 멤브레인(10)에서 균일한 전류 밀도 분포를 제어하도록 설계된 액추에이터(20)
를 포함하는, 연료 전지 멤브레인 유닛. - 제1항에 있어서,
상기 액추에이터(20)는 전계 및 자계 중 적어도 하나를 발생시키는 그리드(30)를 포함하는, 연료 전지 멤브레인 유닛. - 제1항에 있어서,
상기 액추에이터(20)는 수평 그리드(31) 및 수직 그리드(32)를 포함하며, 상기 수평 그리드는 상기 수직 그리드에 대해 90°만큼 회전되도록 배열되는, 연료 전지 멤브레인 유닛. - 제3항에 있어서,
상기 수평 그리드(31) 및 상기 수직 그리드(32)는 서로 접하여 겹쳐져 놓여 있고 서로로부터 절연되는, 연료 전지 멤브레인 유닛. - 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 그리드 구조(30, 31, 32)의 적어도 일부가 상기 연료 전지 멤브레인(10)에 내장되는, 연료 전지 멤브레인 유닛. - 제3항에 있어서,
상기 수평 그리드(31) 및 상기 수직 그리드(32)는 상기 연료 전지 멤브레인(10)의 서로 대향하는 표면들(11, 12) 상에 배열되는, 연료 전지 멤브레인 유닛. - 제1항 내지 제4항 또는 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 액추에이터(20)는 상기 연료 전지 멤브레인(10)을 제어하는 압력의 영향 하에 전계 및 자계 중 적어도 하나를 발생시키도록 설계된 피에조 소자(piezo element)(21, 22, 23)를 포함하는, 연료 전지 멤브레인 유닛. - 제3항, 제4항 또는 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수평 그리드(31) 및 상기 수직 그리드(32) 중 적어도 하나는 병렬로 연결된 복수의 피에조 소자들(21, 22, 23)을 갖는 그리드로서 구성되는, 연료 전지 멤브레인 유닛. - 제1항 내지 제4항 또는 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 액추에이터(20)는 반도체 층(24) 및 광섬유(25)를 포함하며, 상기 광섬유는 상기 연료 전지 멤브레인(10)을 제어하기 위해 광전 효과로 상기 반도체의 p-n 구조 상에 전계 및 자계 중 적어도 하나를 발생시키도록 설계된, 연료 전지 멤브레인 유닛. - 제1항 내지 제4항 또는 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 액추에이터(20)는 상기 연료 전지 멤브레인(10)을 제어하기 위해 게이트(27)를 통해 전계 및 자계 중 적어도 하나를 제어하도록 설계된 적어도 하나의 전계 효과 트랜지스터 구조(26)를 포함하는, 연료 전지 멤브레인 유닛. - 연료 전지로서,
애노드(4),
캐소드(5), 및
일차로 화학적 에너지에서 이차로 전기적 에너지로의 에너지 흐름을 갖는 동작을 위해 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배열되는 제1항 내지 제4항 또는 제6항 중 어느 한 항에 따른 연료 전지 멤브레인 유닛(1)
을 포함하는, 연료 전지. - 고압 전기 분해 전지로서,
애노드(4),
캐소드(5), 및
일차로 전기적 에너지에서 이차로 화학적 에너지로의 에너지 흐름을 갖는 동작을 위해 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배열되는 제1항 내지 제4항 또는 제6항 중 어느 한 항에 따른 연료 전지 멤브레인 유닛(1)
을 포함하는, 고압 전기 분해 전지.
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