KR102010688B1 - 재순환 연료 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반응물의 방출을 감소시킨 재순환 연료 전지 디바이스에 관한 것이다. 본원은 또한 재순환 연료 전지 디바이스의 애노드 가스 스트림을 전체적으로 재순환하는 방법에 관한 것이다. 본원은 또한 대응하는 연료 전지를 구비한 잠수함 및 잠수함에 탑재되어 상기 방법의 실시에 관한 것이다.

Description

재순환 연료 전지 {RECIRCULATION FUEL CELL}
본원은 반응물의 방출을 감소시킨 재순환 연료 전지 디바이스에 관한 것이다.
비활성 가스가 제거된 순환 유형의 연료 전지는 EP 2 840 636 A1 에 공지되어 있다.
반응물 출구를 가진 연료 전지는 US 2007/0065711 A1 에 공지되어 있다.
비활성 가스는 연료 전지 내부에서 반응하지 않고 비활성으로 거동하는 가스이다. 가장 중요한 비활성 가스로서는 질소 (N2) 및 아르곤 (Ar) 이다. 다른 예로서는 예를 들어 헬륨 (He) 및 네온 (Ne) 을 포함한다. 다른 비활성 가스에는 보다 무거운 희가스 및 비반응성 할로겐화 탄화수소를 포함할 수 있다.
반응물, 특히 수소가 환경으로 방출되는 것은, 특히 폐쇄된 공간에서 연료 전지를 작동시킬 때, 가장 특히 잠수함 내부에서 불리한 것으로 판명되었다. 밀폐된 공간에서, 수소와 산소 둘 다의 배출은 첫 번째 경우에 폭발 가스의 형성 및 두 번째 경우에 독성 농축물의 형성으로 인해 중요할 수 있다. 화재 위험 또한 증가할 수 있다.
본원에서 다루어지는 문제는 공정에서 반응물, 특히 수소의 방출을 최소화하면서 반응물과 함께 도입된 비활성 가스를 연료 전지로부터 배출하는 문제이다.
이러한 문제는 청구항 1 에 특정된 특징들을 가진 재순환 연료 전지 디바이스, 청구항 10 에 특정된 특징들을 가진 재순환 연료 전지를 작동하는 방법, 청구항 17 에 특정된 특징들을 가진 잠수함 및 청구항 19 에 특정된 특징들을 가진 방법의 실시에 의해 해결된다. 유리한 개량은 종속항들, 이하의 설명 및 도면에서 얻어질 수 있다.
본원에 따른 재순환 연료 전지 디바이스는 적어도 하나의 연료 전지, 산소용 제 1 입구, 수소용 제 2 입구, 및 제 1 물 분리기를 포함한다. 연료 전지는 애노드측 및 캐소드측과 함께 입력측 및 출력측을 포함한다. 반응물 (산소 및 수소) 은 입력측의 연료 전지에 공급되고, 생성물 (물 (water)) 은 출력측에서 배출된다. 수소 (H2) 에서 양성자 (H+) 로의 산화는 애노드측에서 실시되는 반면, 산소 (O2) 에서 산화물 (O2-) 로의 환원은 캐소드측에서 실시되며, 멤브레인을 형성하는 물 (H2O) 을 통하여 양성자를 통과시킨다. 산소용 제 1 입구는 연료 전지의 캐소드측의 입력측에 연결되고, 수소용 제 2 입구는 연료 전지의 애노드측의 입력측에 연결된다. 상기 디바이스는 캐소드측 연결부를 포함하고, 캐소드측 연결부는 연료 전지의 캐소드측의 출력측과 연료 전지의 캐소드측의 입력측 사이의 연결부이다. 상기 디바이스는 애노드측 연결부를 더 포함하고, 애노드측 연결부는 연료 전지의 애노드측의 출력측과 연료 전지의 애노드측의 입력측 사이의 연결부이다. 캐소드측 연결부는 연료 전지에서 반응되지 않은 산소를 재순환시키는데 사용되는 반면, 애노드측 연결부는 연료 전지에서 반응되지 않은 수소를 재순환시키는데 사용된다. 제 1 물 분리기는 캐소드측 연결부에 배열된다. 물 분리기는 연료 전지에 형성되는 물을 분리하는데 사용되고 그리고 이를 서킷에서 제거한다. 연료 전지의 캐소드측의 출력측에서, 디바이스는 공정 가스의 연속적인 방출을 위한 가스 배출 밸브를 포함한다. 연료 전지의 캐소드측의 출력측으로부터 나오는 캐소드 가스 스트림의 일부는 가스 배출 밸브를 통하여 배출되어 서킷으로부터 제거될 수 있다. 특히, 산소와 함께 도입되고 불순물로서 산소에 함유된 비활성 가스는 이 출구를 통하여 서킷으로부터 제거될 수 있고, 이에 의해 산소 부분압의 감소로 인해서 연료 전지의 효율 저하를 방지할 수 있다. 캐소드 가스 스트림의 비활성 가스의 농도는 가스 배출 밸브를 통하여 배출되는 부분의 양을 통하여 선택적으로 조절될 수 있다. 연속 배출은 배출된 산소의 양을 선택적으로 조절하도록 한다. 이는 또한 비활성 가스 농도가 가변적인 경우에도 안정적인 작동 상태를 향상시킨다.
연료 전지는 특히 바람직하게는 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지 (PEM 연료 전지) 이다. 술폰화 테트라플루오로에틸렌 폴리머, 예를 들어 나피온 (Nafion) (DuPont) 또는 플레미온 (Flemion) (Asahi) 은 폴리머 전해질 멤브레인으로서 특히 바람직하게 사용된다.
연료 전지는 개별 연료 전지, 병렬로 연결된 다수의 개별 연료 전지들 또는 적층체, 즉 직렬로 연결된 다수의 개별 별개의 연료 전지들일 수 있다.
재순환 연료 전지 디바이스는 선택적으로 제 2 물 분리기를 포함할 수 있고, 제 2 물 분리기는 애노드측 연결부에 배열된다. 특히 PEM 연료 전지를 사용하면, 멤브레인의 유효 수명을 연장시키기 위해 반응물에 물을 추가하는 것이 유리하다. 물은 또한 어떠한 멤브레인들을 통하여 확산될 수 있다. 따라서, 물의 양을 더 감소시키기 위해서, 제 2 물 분리기는 바람직하게는 애노드 가스 스트림에 제공될 수 있다.
본원의 다른 실시형태에서, 상기 디바이스는 연료 전지의 애노드측의 출력측으로부터 나오는 애노드 가스를 전체적으로 재순환시키도록 구성된다. 연료 전지의 애노드측의 출력측으로부터 나오는 애노드 가스를 전체적으로 재순환시킴으로써 수소의 방출을 방지할 수 있다. 이는 재순환 연료 전지 디바이스로부터 하류측에 수소 산화 디바이스를 제공할 필요성을 방지한다. 추가로, 수소는 완전히 반응되어, 손실을 방지할 수 있다. 수소를 저장하는 것이 매우 복잡하기 때문에, 저장된 수소를 전체적으로 사용하고 전환하는 것이 특히 바람직하다.
본원의 다른 실시형태에서, 캐소드측의 가스 배출 밸브는 스로틀 밸브이다. 스로틀 밸브의 사용은 캐소드 가스 스트림의 비교적 적은 부분이 분리되어 주변 공기로 배출되도록 한다. 이러한 방식으로, 주변 공기에 대한 비활성 가스의 비교적 간단하고 능동적으로 규제되지 않은 배출이 가능하다.
본원의 다른 실시형태에서, 가스 배출 밸브는 비활성 가스 농도를 조절하도록 조절될 수 있다. 비활성 가스 농도는 가스의 배출을 변경함으로써 선택적으로 그리고 안전하게 조절될 수 있다. 가스의 배출이 감소되면, 재순환 연료 전지 디바이스의 비활성 가스 농도가 증가한다. 비활성 가스 농도가 높을수록, 환경으로 산소가 덜 배출된다. 가스 배출을 증가시키면 반대의 효과가 나타난다. 이러한 방식으로, 배출된 산소의 양은 환경에서 산소 소비로 직접 조절될 수 있다.
본원의 다른 실시형태에서, 상기 디바이스는 제 1 산소 센서를 포함하고, 제 1 산소 센서는 주변 공기의 산소 농도를 검출한다. 주변 공기의 산소 농도가 임계 한계를 초과하여 상승하면, 가스 배출 밸브를 통하여 배출되는 캐소드 가스 스트림의 양이 감소될 수 있다. 이는 연료 전지의 비활성 가스의 농도를 증가시켜, 연료 전지의 효율을 감소시킨다. 하지만 동시에, 새로운 평형이 확립되자마자, 비활성 가스의 배출이 동일하게 유지되면, 캐소드 가스 스트림의 더 낮은 산소의 농도로 인해서 산소의 배출이 감소되어, 주변 공기 중의 산소 농도는 15 % ~ 25 % 의 한계값 이하, 특히 바람직하게는 21 % 이하, 가장 특히 바람직하게는 인간의 건강에 해로운 한계값 이하로 유지될 수 있다.
다른 실시형태에서, 가스 배출 밸브는 제 1 산소 센서에 의해 검출된 바와 같이 주변 공기 중의 산소 농도에 기초하여 비활성 가스 농도를 조절하도록 조절될 수 있다. 환경 중의 산소 농도가 증가하면, 예를 들면 가스의 배출이 감소되고, 재순환 연료 전지 디바이스의 비활성 가스 농도가 증가한다. 이는 가스의 배출을 통하여 산소를 덜 배출시킨다. 환경 중의 산소 농도가 떨어지면, 가스의 배출이 증가될 수 있고, 재순환 연료 전지 디바이스의 비활성 가스 농도가 떨어진다. 이는 가스의 배출을 통하여 산소를 더 배출시킨다.
본원의 다른 실시형태에서, 디바이스는 제 2 산소 센서를 포함하고, 제 2 산소 센서는 연료 전지의 캐소드측의 출력측상의 산소 농도를 검출한다. 제 2 산소 센서의 사용은 최적의 비활성 가스 농도로 재순환 연료 전지 디바이스를 작동시키는데 유리하다. 효율을 위해서는 가장 낮은 비활성 가스 농도로부터 최적으로 결정되고, 산소 방출을 최소화하기 위해서는 가능한 가장 높은 비활성 가스 농도로부터 최적으로 결정되며, 연료 전지의 유효 수명 그리고 연료 전지에 의한 일정한 전력 출력을 최적화하기 위해서는 가능한 가장 일정하게 하는 것이다. 제 2 산소 센서는 캐소드 가스 스트림의 산소 농도를 선택적으로 조절하는데 사용될 수 있고, 40 ~ 70 mol%, 바람직하게는 45 ~ 60 mol% 의 농도가 최적인 것으로 판명되었다.
본원의 다른 실시형태에서, 상기 디바이스는 제 1 가습기를 포함하고, 제 1 가습기는 산소용 제 1 입구에 연결된다.
본원의 다른 실시형태에서, 상기 디바이스는 제 2 가습기를 포함하고, 제 2 가습기는 수소용 제 2 입구에 연결된다.
반응 가스는 통상적으로 실질적으로 건조한 상태, 즉 수분 함량 (상대 습도) 이 실질적으로 0 % 인 상태로 사용된다. 액체 산소, 금속 수소화물 저장 시스템으로부터의 수소 또는 압축 가스 탱크로부터의 수소 또는 산소와 같은 일반적인 저장 형태는, 이들이 저장되는 방식으로 인해서, 사실상 수분을 포함하지 않는다. 하지만 건조 반응물이 사용되면, 연료 전지 멤브레인은 더 짧은 유효 수명을 가진다. 따라서, 반응물을 습윤시키는 것이 유리하고, 특히 물 함량을 실질적으로 포화시키는 것, 즉 수분 함량 (상대 습도) 을 80 ~ 100 %, 특히 바람직하게는 90 ~ 100 % 로 형성하는 것이 유리하다.
본원의 다른 실시형태에서, 상기 디바이스는 액체 산소용 제 1 저장 용기를 포함한다. 액체 산소는 특히 효율적인 것으로 증명되었다. 가스성 산소는 바람직하게는 증발기 및 과열기를 사용하여 액체 산소로부터 얻어진다.
본원의 다른 실시형태에서, 디바이스는 수소용 금속 수소화물 저장 시스템을 포함한다. 금속 수소화물 저장 시스템에서 얻은 수소는 사실상 비활성 가스를 포함하지 않는다. 이는 연료 전지의 작동을 간략화시킨다. 더욱이, 가압된 수소 또는 액체 수소와 비교하여, 금속 수소화물로서 저장된 수소는 취급하기가 훨씬 쉬우며 저장 수율이 더 높다. 대안으로 또는 추가적으로, 디바이스는 개질기 가스를 생성하기 위한 개질기를 포함한다. 개질기에서, 예를 들어 디젤은 물 및/또는 산소와 함께 수소 및 일산화탄소 또는 이산화탄소로 전환된다.
본원의 다른 실시형태에서, 캐소드측 연결부는 캐소드측 압축기를 포함하고, 애노드측 연결부는 애노드측 압축기를 포함한다. 압축기들은 연료 전지에서의 압력 손실을 보상하는데 사용된다. 압축기는 특히 바람직하게는 물 분리기들의 하류측에 배열된다. 이러한 배열은 압축기들 내부의 응축을 방지한다. 더욱이, 재순환된 기체 스트림의 온도는 물 분리기 내부에서 연료 전지의 출력측에서의 가스 스트림에 의해 나타나는 온도에서부터 연료 전지의 입력측에서의 가스 스트림에 의해 나타나는 온도까지 바람직하게 감소된다. 연료 전지 내부의 반응 동안 열이 형성되기 때문에, 가스 스트림이 연료 전지 내부에서 가열되어, 온도 구배를 생성한다. 가스는 바람직하게는 100 % 에 근접한 상대 습도를 가지기 때문에, 애노드측 또는 캐소드측 연결부에서의 온도를 낮추면 응축이 발생할 것이다.
본원의 다른 실시형태에서, 재순환 연료 전지 디바이스는 제 3 입구를 포함하고, 제 3 입구는 연료 전지의 애노드측의 입력측에 연결되며, 비활성 가스는 상기 제 3 입구를 통해 공급될 수 있다. 특히 연료 전지를 시동할 때, 비활성 가스를 추가함으로써 원하는 비활성 가스 농도를 직접 조절하는 것이 유리하다. 이는, 애노드 가스의 밀도가 조성물; 예를 들어 순수한 수소로부터 예를 들어 50 % 수소와 50 % 아르곤의 혼합물에 따라서 크게 변경될 수 있기 때문에 특히 유리하고, 예를 들어 이 밀도는 대략 10 배 증가한다. 유체 특성들, 예를 들어 압축기 내부의 거동이 이에 의해 크게 영향을 받는다. 따라서, 연료 전지를 시동할 때 비활성 가스를 추가하는 것이 유리하다.
본원의 다른 실시형태에서, 재순환 연료 전지 디바이스는 제 4 입구를 포함하고, 제 4 입구는 연료 전지의 캐소드측의 입력측에 연결되며, 비활성 가스는 제 4 입구를 통하여 공급될 수 있다. 캐소드측에서도 연료 전지를 시동할 때 비활성 가스를 추가하는 것이 유리하다. 캐소드 가스의 밀도 및 그에 따른 유체 특성들이 캐소드측에서 광범위하게 변화하지는 않지만, 비활성 가스의 증가된 비율은 산소의 변경된 부분압으로 인해 연료 전지의 캐소드측에서 변경된 전위를 유발한다. 가능한 일정한 작동을 보장하고 그리고 그에 따라서 연료 전지의 최대 유효 수명을 얻기 위해서, 비활성 가스를 추가하는 것이 또한 캐소드측에서 유리하다.
다른 양태에서, 본원은, 캐소드 가스가 재순환되고 애노드 가스가 재순환되는 재순환 연료 전지 디바이스를 작동하는 방법에 관한 것이다. 캐소드 가스 스트림의 일부는 연료 전지의 캐소드측의 출력측에서 재순환물로부터 연속적으로 제거되고 주변 공기로 배출된다. 애노드 가스 스트림은 전체적으로 재순환된다. 연속 배출은 배출된 산소의 양을 선택적으로 조절하도록 한다. 이는 또한 비활성 가스 농도가 가변적인 경우에도 안정적인 작동 상태를 향상시킨다.
애노드 가스 스트림을 전체적으로 재순환시키는 것은 대기 중으로의 수소의 배출을 방지하며, 이는 다수의 장점과 관련되어 있다. 첫째로, 잠재적으로 위험한 수소의 배출 (폭발 가스 형성의 위험) 을 방지할 수 있다. 둘째로, 주변 공기로 배출되는 수소를 특별히 산화시키는 특별한 디바이스가 필요하지 않다. 셋째로, 수소는 이런 방식으로 전체적으로 전환된다.
본원의 다른 실시형태에서, 비활성 가스 농도는 가스 배출 밸브를 통하여 가스의 배출에 의해 조절된다.
본원의 다른 실시형태에서, 가스 배출 밸브를 통한 가스의 배출에 의해 배출되는 산소의 양은 주변 공기 중의 산소 농도가 대략 일정하게 유지되도록 조절된다. 대략 일정하다는 것은 ±4 mol%, 바람직하게는 ±2 mol% 의 산소 농도의 변화를 의미하는 것으로 이해된다.
본원의 다른 실시형태에서, 캐소드 가스 스트림의 일부의 배출은, 캐소드 가스 스트림의 일부의 배출을 통하여 주변 공기 중의 산소 농도가 25 mol%, 바람직하게는 23 mol%, 특히 바람직하게는 21 mol% 의 값을 초과하지 않도록 조절된다. 주변 공기 중의 산소 농도를 모니터링함으로써 그리고 애노드 가스 스트림의 일부의 배출을 능동적으로 조절함으로써, 재순환 연료 전지 디바이스의 환경, 특히 인간에 대한 위험을 최적의 방식으로 감소시킬 수 있다.
본원의 다른 실시형태에서, 캐소드 가스 스트림의 일부로 배출되는 산소의 양은 연료 전지의 캐소드측의 출력측에서 비활성 가스 농도를 통하여 조절된다.
본원의 다른 실시형태에서, 연료 전지의 캐소드측의 출력측에서 비활성 가스 농도는 캐소드 가스 스트림의 일부로 배출되는 산소를 감소시키기 위해 증가된다.
캐소드 가스 스트림의 일부의 배출을 감소시킴으로써, 비활성 가스의 배출이 감소되어, 산소 중의 불순물을 통하여 비활성 가스가 서킷으로부터 방출되기 보다는 서킷안으로 더 도입된다. 이러한 방식으로, 비활성 가스 농도는, 캐소드 가스 스트림의 일부의 감소된 양으로 인해서, 증가된 비활성 가스 농도를 통하여 동일한 양의 비활성 가스가 도입됨에 따라 배출될 때까지 증가한다. 산소의 배출은 이러한 방식으로 감소된다.
그에 상응하여, 캐소드 가스 스트림의 일부를 증가시킴으로써, 비활성 가스의 농도가 낮아질 수 있고, 따라서 환경으로의 산소의 배출이 증가될 수 있다.
본원의 다른 실시형태에서, 연료 전지의 캐소드측의 출력측에서 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 명백한 바와 같이, 이러한 범위는 연료 전지의 출력이 이미 이 범위에서 손상되기 때문에 바람직하지 않다. 그럼에도 불구하고, 이 범위는, 환경에 비교적 낮은 산소 배출로 비활성 가스를 일정하게 배출할 수 있기 때문에, 본원에 따라서 유리한 것으로 판명되었다. 산소 중의 비활성 가스 비율이 0.5 % 인 통상적인 함량 (기술적 순도 99.5 %) 으로, 사용된 산소의 0.5 % 의 비율만이 주변 공기로 배출되어 에너지 생성으로 손실된다.
본원의 다른 실시형태에서, 연료 전지의 캐소드측의 출력측상의 비활성 가스 농도 및 연료 전지의 애노드측의 출력측상의 비활성 가스 농도는 동일하게 되도록 조절된다. 동일한 비활성 가스 농도가 특히 바람직한데, 이는 특히 PEM 연료 전지의 경우에 연료 전지의 캐소드측으로부터 애노드측을 분리하는 멤브레인을 통하여 비활성 가스가 또한 확산될 수 있기 때문이다. 이러한 확산은 동일한 비활성 가스 농도에서만 평형이 유지된다는 것을 의미한다. 평형에 있어서 편차가 클수록, 평형을 이루기 위해 연료 전지 내부에서 더 많은 공정이 실시된다.
본원의 다른 실시형태에서, 재순환된 캐소드 가스 및 재순환된 애노드 가스는 압축된다. 재순환 가스를 압축하는 것은 연료 전지 내부의 압력 손실을 보상한다. 재순환된 애노드 가스는 일정하게 높은 비율, 바람직하게는 40 ~ 70 mol%, 바람직하게는 45 ~ 60 mol%, 특히 바람직하게는 45 ~ 55 mol% 의 비활성 가스를 함유하면 특히 용이하게 압축될 수 있는데, 이는 애노드 가스가 그 후에 비교적 높은 밀도를 가져, 압축하기가 기술적으로 용이해지기 때문이다.
본원의 다른 실시형태에서, 연료 전지의 캐소드측의 출력측에서 캐소드 가스 스트림의 일부와 함께 재순환물로부터 제거되고 주변 공기로 배출되는 비활성 가스의 양은, 산소 입구를 통하여 재순환 연료 전지 디바이스에 공급되는 비활성 가스의 양과 동일해지도록 선택된다. 이는 정적 상태에 대응한다.
본원의 다른 실시형태에서, 비활성 가스의 농도는 일정하게 유지된다. 본원의 의미 내에서 일정하다는 것은 ±3 vol% 의 범위 내에서 변동하는 농도이다.
다른 양태에 있어서, 본원은 본원에 따른 재순환 연료 전지 디바이스를 구비한 잠수함에 관한 것이다. 본원에 따른 재순환 연료 전지 디바이스는 특히 잠수함에 유리하다. 반응물의 배출 감소는 폐쇄된 환경, 주변 공기의 제한된 체적 및 환경을 떠나지 못하는 인접한 지역에서 일하는 사람들 때문에 특히 유리하다. 실제 위험은 수소 배출을 방지함으로써 최소화된다. 산소 배출을 감소하는 것은 마찬가지로 산소 농도의 상승을 방지할 수 있고, 이는 또한 승무원에게 해로울 수 있다.
본원의 다른 실시형태에서, 재순환 연료 전지 디바이스는 잠수함의 DC 네트워크에 연결하기 위한 전기 연결부를 포함한다.
본원의 다른 실시형태에서, 재순환 연료 전지 디바이스는 가스 배출 밸브를 통하여 잠수함의 승무원에게 공기 공급을 위한 호흡 가스, 특히 산소를 제공한다.
다른 양태에 있어서, 본원은 잠수함에 탑재되어 본원에 따른 방법의 실시에 관한 것이다.
본원의 특히 바람직한 실시형태에서, 본원의 방법은 캐소드 가스 스트림의 일부의 배출에 의해 배출되는 산소의 양이 잠수함 내부에서 소비된 산소의 양에 대응하도록 또는 그 보다 적도록 조절되도록 잠수함에 탑재되어 실시된다.
본원의 방법이 잠수함에 탑재되어 실시될 때, 비활성 가스 농도는 특히 바람직하게는 40 ~ 70 mol%, 바람직하게는 45 ~ 60 mol%, 특히 바람직하게는 45 ~ 55 mol% 로 조절되는 것이 발견되었다. 이러한 비활성 가스 농도로, 연료 전지에 의해 배출되는 에너지는 필요한 에너지의 양에 대략 상응하고 동시에 배출된 산소의 양은 승무원에 의해 소비된 산소의 양에 거의 상응하는 것으로 발견되었다. 제 1 근사값으로서 에너지 및 산소 요구량은 선박의 크기와 그에 다른 승무원의 크기에 비례하기 때문에, 이 값은 대략 선박의 크기와 무관하다.
본원에 따른 재순환 연료 전지 디바이스는 도면에 도시된 실시형태를 참조하여 보다 상세히 설명된다.
도 1 은 재순환 연료 전지 디바이스의 개략도이다.
도 1 은 재순환 연료 전지 디바이스의 일 실시예를 개략적인 형태로 도시한다. 재순환 연료 전지 디바이스는 캐소드측 (11) 및 애노드측 (12) 을 가진 연료 전지 (10) 를 포함한다. O2 에서 O2- 로의 환원은 캐소드측 (11) 에서 실시되는 반면, H2 에서 H+ 로의 산화는 애노드측 (12) 에서 실시된다. 연료 전지 (10) 의 캐소드측 (11) 으로부터 나오는 캐소드 가스는 제 1 물 분리기 (21) 및 압축기 (31) 를 통하여 재순환된다. 연료 전지 (10) 의 애노드측 (12) 으로부터 나오는 애노드 가스는 제 2 물 분리기 (22) 및 압축기 (32) 를 통하여 재순환된다. 캐소드 가스 스트림의 일부는 가스 배출 밸브 (15) 를 통하여 연속적으로 또는 주기적으로 주변 공기로 배출된다. 물은 배수구 (85) 를 통하여 제 1 물 분리기 (21) 및 제 2 물 분리기 (22) 로부터 서킷으로부터 제거될 수 있다.
새로운 반응물의 공급을 위해, 재순환 연료 전지 장치는 수소 탱크 (60) 및 바람직하게는 액체 산소용 산소 탱크 (70) 를 가진다. 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 제조된 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. 물론, 특히 제 1 가습기 (51) 및 제 2 가습기 (52) 에 제 1 물 분리기 (21) 에서 분리된 물이 압축기 (41) 및 열교환기 (43) 를 통하여 공급되는 것, 물 분리기에서 분리된 물이 가습기들에 공급되는 모든 다른 조합을 또한 상정할 수 있다.
열교환기 (43, 44) 는 연료 전지 (10) 로부터의 냉각수로 바람직하게 작동된다. 이 실시형태는 냉각수가 연료 전지 (10) 의 출력측에 있는 가장 높은 온도로 연료 전지 (10) 를 나오기 때문에 특히 바람직하다. 따라서, 물 및 그에 따라서 물과 함께 도입되는 산소 또는 수소는 정확한 온도로 이미 예열된다. 냉각수는 연료 전지 (10) 의 입력측에서 우세한 온도로 조절된다. 이는 시스템이 그 자체로 수동적으로 조절되기 때문에 적극적인 조절이 필요하지 않음을 의미합니다.
연료 전지를 시동하기 위해, 비활성 가스는 원하는 조건이 설정되도록 비활성 가스 공급기 (80) 를 통하여 애노드 가스 서킷 및 캐소드 가스 서킷안으로 도입될 수 있다.
10 : 연료 전지
11 : 캐소드측
12 : 애노드측
15 : 가스 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 가스 공급기
85 : 배수구

Claims (20)

  1. 적어도 하나의 연료 전지 (10), 산소용 제 1 입구, 수소용 제 2 입구 및 제 1 물 분리기 (21) 를 구비한 재순환 연료 전지 디바이스로서,
    상기 연료 전지 (10) 는 애노드측 (12) 과 캐소드측 (11) 과 함께 입력측 및 출력측을 포함하고,
    상기 산소용 제 1 입구는 상기 연료 전지 (10) 의 상기 캐소드측 (11) 의 입력측에 연결되며,
    상기 수소용 제 2 입구는 상기 연료 전지 (10) 의 상기 애노드측 (12) 의 입력측에 연결되고,
    상기 재순환 연료 전지 디바이스는 캐소드측 연결부를 포함하며,
    상기 캐소드측 연결부는 상기 연료 전지 (10) 의 상기 캐소드측 (11) 의 출력측과 상기 연료 전지 (10) 의 상기 캐소드측 (11) 의 입력측 사이의 연결부이고,
    상기 재순환 연료 전지 디바이스는 애노드측 연결부를 포함하며,
    상기 애노드측 연결부는 상기 연료 전지 (10) 의 상기 애노드측 (12) 의 출력측과 상기 연료 전지 (10) 의 상기 애노드측 (12) 의 입력측 사이의 연결부이고,
    상기 제 1 물 분리기 (21) 는 상기 캐소드측 연결부에 배열되며,
    상기 연료 전지 (10) 의 상기 캐소드측 (11) 의 출력측에서 상기 재순환 연료 전지 디바이스는 공정 가스의 연속적인 배출을 위한 공정 가스용 가스 배출 밸브 (15) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 재순환 연료 전지 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 재순환 연료 전지 디바이스는 상기 연료 전지 (10) 의 상기 애노드측 (12) 의 출력측으로부터 나오는 상기 애노드 가스를 전체적으로 재순환시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 재순환 연료 전지 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐소드측 (11) 의 상기 가스 배출 밸브 (15) 는 스로틀 밸브인 것을 특징으로 하는, 재순환 연료 전지 디바이스.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 재순환 연료 전지 디바이스는 제 1 산소 센서를 포함하고, 상기 제 1 산소 센서는 주변 공기 중의 산소 농도를 검출하는 것을 특징으로 하는, 재순환 연료 전지 디바이스.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 가스 배출 밸브 (15) 는 상기 제 1 산소 센서에 의해 검출된 바와 같이 주변 공기 중의 산소 농도에 기초하여 비활성 가스 농도를 조절하도록 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는, 재순환 연료 전지 디바이스.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항, 제 5 항 및 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재순환 연료 전지 디바이스는 제 2 산소 센서를 포함하고, 상기 제 2 산소 센서는 상기 연료 전지 (10) 의 상기 캐소드측 (11) 의 출력측상의 산소 농도를 검출하는 것을 특징으로 하는, 재순환 연료 전지 디바이스.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항, 제 5 항 및 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재순환 연료 전지 디바이스는 제 1 가습기 (51) 를 포함하고, 상기 제 1 가습기 (51) 는 상기 산소용 제 1 입구에 연결되는 것을 특징으로 하는, 재순환 연료 전지 디바이스.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항, 제 5 항 및 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재순환 연료 전지 디바이스는 제 2 가습기 (52) 를 포함하고, 상기 제 2 가습기 (52) 는 상기 수소용 제 2 입구에 연결되는 것을 특징으로 하는, 재순환 연료 전지 디바이스.
  10. 재순환 연료 전지 디바이스를 작동하는 방법으로서,
    캐소드 가스가 재순환되고,
    애노드 가스가 순환되며,
    캐소드 가스 스트림의 일부는 연료 전지 (10) 의 캐소드측의 출력측에서 재순환물로부터 연속적으로 제거되고 주변 공기로 배출되며,
    상기 애노드 가스 스트림은 전체적으로 재순환되는 것을 특징으로 하는, 재순환 연료 전지 디바이스를 작동하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    비활성 가스 농도는 가스 배출 밸브 (15) 를 통하여 가스의 배출에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는, 재순환 연료 전지 디바이스를 작동하는 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    가스 배출 밸브 (15) 를 통한 가스의 배출에 의해 배출되는 산소의 양은 주변 공기 중의 산소 농도가 일정하게 유지되도록 조절되는 것을 특징으로 하는, 재순환 연료 전지 디바이스를 작동하는 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 캐소드 가스 스트림의 일부의 배출을 통하여 주변 공기 중의 산소 농도는 25 mol% 의 값을 초과하지 않는 것을 특징으로 하는, 재순환 연료 전지 디바이스를 작동하는 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 연료 전지 (10) 의 캐소드측 (11) 의 출력측에서 비활성 가스 농도는 캐소드 가스 스트림의 일부로 배출되는 산소를 감소시키기 위해 증가되는 것을 특징으로 하는, 재순환 연료 전지 디바이스를 작동하는 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 연료 전지 (10) 의 캐소드측 (11) 의 출력측에서 비활성 가스 농도는 40 ~ 70 mol% 로 조절되는 것을 특징으로 하는, 재순환 연료 전지 디바이스를 작동하는 방법.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 연료 전지 (10) 의 캐소드측 (11) 의 출력측에서 캐소드 가스 스트림의 일부와 함께 재순환물로부터 제거되고 주변 공기로 배출되는 비활성 가스의 양은, 산소 입구를 통하여 재순환 연료 전지 디바이스에 공급되는 비활성 가스의 양과 동일해지도록 선택되는 것을 특징으로 하는, 재순환 연료 전지 디바이스를 작동하는 방법.
  17. 제 1 항에 따른 재순환 연료 전지 디바이스를 구비한 잠수함.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 재순환 연료 전지 디바이스는 가스 배출 밸브를 통하여 상기 잠수함의 승무원에게 공기 공급을 위한 호흡 가스를 제공하는 것을 특징으로 하는, 잠수함.
  19. 제 10 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재순환 연료 전지 디바이스를 작동하는 방법은 제 17 항에 따른 잠수함에 탑재되어 실시되는 것을 특징으로 하는, 재순환 연료 전지 디바이스를 작동하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    캐소드 가스 스트림의 일부의 배출에 의해 배출되는 산소의 양이 상기 잠수함 내부에서 소비된 산소의 양에 대응하도록 또는 그 보다 적도록 조절되는 것을 특징으로 하는, 재순환 연료 전지 디바이스를 작동하는 방법.
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