KR102476291B1 - Pem 연료전지 - Google Patents

Pem 연료전지 Download PDF

Info

Publication number
KR102476291B1
KR102476291B1 KR1020197022379A KR20197022379A KR102476291B1 KR 102476291 B1 KR102476291 B1 KR 102476291B1 KR 1020197022379 A KR1020197022379 A KR 1020197022379A KR 20197022379 A KR20197022379 A KR 20197022379A KR 102476291 B1 KR102476291 B1 KR 102476291B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
process gas
water
gas supply
supercritical
fuel cell
Prior art date
Application number
KR1020197022379A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20190099063A (ko
Inventor
야노스 칸크사르
크리스토프 퀴겔리
스테판 자쿠벡
Original Assignee
아베엘 리스트 게엠베하
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 아베엘 리스트 게엠베하 filed Critical 아베엘 리스트 게엠베하
Publication of KR20190099063A publication Critical patent/KR20190099063A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102476291B1 publication Critical patent/KR102476291B1/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
    • 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
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • 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
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • 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
    • 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

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

Abstract

본 발명은 하나 이상의 공정 가스 공급장치(6, 7)에 의해, 하나 이상의 전기화학 컨버터, 특히 연료전지(3)에 공급되는 하나 이상의 공정 가스(1, 2)를 위한 공조 장치에 관한 것이다. 하나 이상의 공정 가스 공급장치(6, 7)는 가습제(4, 5)가 공정 가스(1, 2) 내에 유입될 수 있는 가습 유닛(8, 9)을 가진다. 초임계 상태에 있는 물이 가습제(4, 5)로서 공정 가스(1, 2) 내에 유입될 수 있다.

Description

PEM 연료전지
본 발명은 하나 이상의 전기화학 컨버터, 특히 연료전지에 공급되는 하나 이상의 공정 가스를 위한 공조 방법에 관한 것으로서, 공정 가스는 가습제에 의해 가습된다.
또한, 본 발명은 하나 이상의 공정 가스 공급장치에 의해, 하나 이상의 전기화학 컨버터, 특히 연료전지에 공급되는 하나 이상의 공정 가스를 위한 공조 장치에 관한 것으로서, 하나 이상의 공정 가스 공급장치는 가습제가 공정 가스 내에 유입될 수 있는 가습 유닛을 가진다.
또한, 본 발명은 하나 이상의 연료전지 내에서 수소를 함유하는 제1 공정 가스와 산소를 함유하는 제2 공정 가스로부터 전기 에너지를 생성하기 위한 에너지 변환 유닛에 관한 것으로서, 제1 공정 가스는 제1 공정 가스 공급장치에 의해 하나 이상의 연료전지에 공급되고, 제2 공정 가스는 제2 공정 가스 공급장치에 의해 하나 이상의 연료전지에 공급된다.
연료전지, 특히 저온 PEM 연료전지(LT PEMFC)의 효율 및 내구성, 및 작업 순서를 위해, 공정 가스(수소 및 공기)가 공조되어야 한다(conditioned). 온도, 압력 및 질량 유량, 습도도 작동 지점(operating point)에 따라 조절된다. 이때, 습도가 매우 중요한 역할을 수행하는데, 이는 오직 하나의 수성 막(aqueous membrane)이 수소 양이온(hydrogen cation)에 투과성을 지니기 때문이다. 특히 효율적이기 위하여 높은 습도 수준이 필요하다. 하지만, 가스 내의 물 방울(water droplet)은 연료전지 내에 미세한 가스 채널을 차단할 수 있으며, 그에 따라 반응물질(reactant)이 부족하게 되고 따라서 가역적 및 비가역적 성능 손실로 이어진다(여기서 비가역적 성능 손실은 성능 저하(degradation)로 알려져 있다). 게다가, 막은 물을 흡수하면 부풀어 오르고 이러한 과정은 기계적 응력(mechanical stress)과 관련 있는 배출과정(release) 동안에는 반대로 된다. 공정 가스의 상대 습도가 현저하게 변하면, 막이 주기적으로 부풀고(cyclic swelling) 수축(de-swelling)되어, 막을 손상시킬 수 있으며 비가역적인 성능 손실 및 성능 저하로 이어지게 된다.
적용 용도에 따라, 작동 동안(연료전지 시스템 내에서) 또는 테스트 스탠드(test stand) 상에서, 반응물질을 가습하기 위한 다양한 방법들이 있다. 연료전지 시스템에서, 술폰화된 테트라플루오로에틸렌 폴리머를 포함하는 가스-가스 막 가습기(gas-gas membrane humidifier)가 일반적으로 사용된다. 이 경우, 연료전지의 배출 가스는 공정 가스를 지나 유도되고(guided), 테플론 막에 의해 분리된다. 이 두 가스의 온도와 습도는 막에 걸쳐 동일하다. 상기 방법은 반응 시간이 느리고 조절하기가 좋지 못하며, 따라서 테스트 스탠드에 사용하기가 적절하지 못하다.
정지되어 있는 리서치 테스트 스탠드에 주로 사용되는 한 추가적인 방법은 소위 "버블러(bubbler)"로서 지칭된다. 이 경우, 가스는 가스를 가습하기 위하여 물을 포함하는 용기(container)를 통해 밑으로부터 송풍된다(blown). 상기 방법은, 매우 균일한 가습 상태를 구현하기에는 적합하지만, 동적 변화(dynamic change)는 거의 불가능하다.
우수한 반응 특성 및 우수한 조절성을 가지며 테스트 스탠드에 주로 사용되는 그 밖의 방법들은 직접 증발법, 물 유입법 및 수증기를 직접 유입시키는 방법이다. 먼저, 물이 가열된 플레이트 상에서 질량 흐름 컨트롤러(mass flow controller)에 의해 분사된다(sprayed). 물은 증발되고 그 뒤에 공정 가스에 첨가된다. 이 경우, 물을 잘 계량하는(good meterability) 것이 바람직한데, 그 이유는 물을 액체 형태로 첨가하기 때문이다. 하지만, 상기 가열된 플레이트는 비활성적이며, 물의 양에 따라 다소 강하게 가열해야 한다. 물의 양이 너무 빨리 증가하면, 플레이트도 너무 많이 냉각될 수 있으며 물은 챔버 내에 수거되기 시작한다. 게다가, 물이 유입되고 증기가 공정 가스에 공급되는 간에는 작동중지 시간(downtime)이 존재하는데, 그 이유는 액체 물이 우선적으로 증발되어야 하기 때문이다.
물 유입 시에, 물은 1 또는 2-요소(component) 노즐에 의해 가능한 최대한 미세하게 원자화되며(atomized) 공정 가스에 직접 공급된다. 계량성이 우수한 것이 바람직하지만, 증발 엔탈피는 공정 가스 자체로부터 제거되어야 한다. 이는 높은 상대 습도에서 열을 충분하게 공급하기 위하여 가스가 매우 과열되어야(superheated) 한다. 또한, 입자 증발(particle vaporization)은, 입자 표면에서 가스 내의 수증기 부분 압력에 대한 포화 부분 압력(saturation partial pressure)의 비율(ratio)에 따른다. 증발 과정은 균형(equilibrium) 상태에서 중지된다. 이 경우, 물 방울이 형성되는 것은 방지할 수 없거나 또는 방지한다 하더라도 매우 어렵다.
또 다른 방법에서, 수증기가 보일러에 생성되며 이 수증기는 밸브를 통해 공정 가스에 첨가된다. 높은 동적 특성 반응 시간이 짧은 것이 바람직하지만, 수증기를 우수하게 계량하는 것이 매우 어렵다.
또한, 위에서 기술한 방법들의 변형예들도 잘 알려져 있다. 이 모든 동적 작동 상태에서, 상기 방법들은 바람직하지 못한데, 물 방울이 생성될 수 있으며, 또는 습도의 좋지 못한 조절 퀄리티(오버슈팅 또는 언더슈팅)로 인해, 연료전지의 작동 상태에 바람직하지 못하거나 손상을 입힐 수 있다.
본 발명의 목적은, 앞에서 기술된 종래 기술의 문제들의 단점들을 해결하는 데 있다.
본 발명에 따르면, 이러한 문제들은, 초임계 상태(supercritical state)에 있는 물이 가습제(humidifying agent)로서 사용되는 공조 방법(conditioning method)에 의해 해결된다. 상기 방법에 의해, 공정 가스(process gas)의 상대 습도(relative humidity)는 높은 조절 퀄리티(control quality)와 신속한 반응 시간(response time)을 가질 수 있도록 조절될 수 있다. 상기 방법은, 공정 가스의 가습화(humidification) 과정이 요구되며 물 방울(water droplet) 형성을 방지할 수 있는 모든 전기화학 컨버터(electrochemical converter)에 사용될 수 있다. 본 발명은, 연료전지, PEMFC, DMFC, PAFC, AFC, DMFC, SOFC 등에 특히 바람직하다. 본 발명에 따른 방법은 저온 폴리머 전해질 막 연료전지(LT PEMFC)에 특히 적합하다.
한 바람직한 실시예에서, 가습제로서 공정 가스 내에 유입되는 초임계수(supercritical water)는 2800 kJ/kg보다 큰 비엔탈피(specific enthalpy)를 가진다. 어떠한 액체 물(liquid water)도 전혀 형성되지 않으며, 그 결과 등엔탈피 팽창(isenthalpic expansion)이 발생되는데, 그 이유는 상응하는 등엔탈피선(isenthalpic line)들이 습 증기 영역(wet vapor region)의 완전히 외부로 연장되기 때문이다.
가습제는 하나 이상의 가습 유닛(humidifying unit)에 의해 공정 가스 공급장치(process gas supply) 내에 유입되며, 하나 이상의 가습 유닛은 선택적으로는 인젝터(injector)로서 구성될 수 있는 실질적으로 등엔탈피의 스로틀(isenthalpic throttle)을 포함한다. 이에 따라, 신속하게 유입될 수 있으면서도 정확하게 조절될 수 있으며, 스로틀에 의해 유입되는 가습제의 양이 질량 흐름 컨트롤러(mass flow controller)를 사용하여 매우 정확하게 결정되고 조절될 수 있다.
본 명세서에, 흐름 채널(flow channel)의 횡단면(cross section)이 감소되는 것은, 일반적으로, 스로틀로서 지칭된다. 예를 들어, 스로틀은 구멍(aperture), 노즐(nozzle) 또는 인젝터(injector)로서 형성될 수 있다. 원형이 아닌 입구(inlet)와 일반적으로 원뿔형의 출구(outlet)를 가진 홀(hole)이 구멍(aperture)으로 지칭된다. 노즐은 흐름 경로(flow path)에 걸쳐 변경되는 횡단면을 가지며, 인젝터는 횡단면이 선택적으로 조절될 수 있으며 닫힐 수 있는 노즐, 구멍, 또는 스로틀이다.
하나 이상의 공정 가스를 위한 공조 장치(conditioning device)가 본 발명에 의해 제기된 문제를 해결하는데, 이러한 공조 장치에서, 초임계 상태에 있는 물이 가습제로서 공정 가스 내에 유입될 수 있다. 물은 예를 들어 스로틀에 의해 연속으로 흐를 수 있으며, 유입되는 물의 양을 압력에 의해 조절할 수도 있다.
가습 유닛은 공정 가스 공급장치 내로 개방되는 인젝터를 가지는 것이 바람직하다. 이때, 유입되는 양은 정확하게 계량될 수 있다(precisely metered). 이러한 계량은 커먼레일 시스템(common rail system)을 포함하는 내연기관에서도 발생하는 것과 유사하게 변환될 수 있다. 유입되는 양은, 예를 들어, 개방 빈도수(opening frequency)에서 간헐적인(intermittent) 개폐 시간을 이용하여 계량될 수 있다. 하지만, 가습제의 연속적인 공급을 보장하기 위하여, 각각 동일한 공정 가스 공급장치 내로 개방되는 복수의 인젝터가 제공될 수 있다. 이 경우, 작동(actuation)은, 항상 동일한 양의 가습제가 유입되도록, 일시적으로 차단되는(temporally offset) 방식으로 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 변환 유닛(energy conversion unit)은 위에서 기술된 장치를 가진다.
상기 에너지 변환 유닛에서, 복수의 연료전지가 하나 이상의 셀 블록(cell block)에 배열되는 것이 바람직한데, 제1 공정 가스 공급장치 및/또는 제2 공정 가스 공급장치는 각각 셀 블록의 복수의 연료전지들과 연결될 수 있다.
본 발명은 본 발명의 바람직한 실시예들을 개략적이고 비-제한적으로 도시한 도 1 내지 3을 참조하여 하기에서 상세하게 기술된다. 도면에서:
도 1은 본 발명에 따른 장치를 포함하는 연료전지의 개략도;
도 2는 복수의 적층된 연료전지로 구성되고 본 발명에 따른 장치가 제공된 셀 블록(11)의 개략도; 및
도 3은 물에 대한 T-S 다이어그램.
도 1을 보면, 본 발명에 따라, 연료전지(3)의 성징 및 디자인이 일반적으로 기술되고 도시된다.
도 1에 개략적으로 도시된 연료전지(3)는 PEM 연료전지(고체고분자형 연료전지: polymer electrolyte membrane fuel cell: PEMFC)로서, 이러한 PEM 연료전지는 고체 폴리머 연료전지(SPFC) 또는 폴리머 전해질 연료전지(PEFC)로도 지칭된다. 사용되는 전해질에 따라, 연료전지(3)는 실온으로부터 약 80℃까지의 온도 범위에서 작동되며, 최대 95℃(저온 PEMFC 또는 LT PEMFC)의 온도 또는 130℃ 내지 200℃(고온 PEMFC 또는 HT PEMFC)의 온도도 짧은 기간 동안 가능하다. 또한, HT PEMFC 및 LT PEMFC 사이에 MT PEMFC(중온 PEMFC)도 있다. MT PEMFC는 약 100℃-130℃ 사이의 온도 범위에서 작동된다. 하지만, 이러한 타입의 연료전지들 간에 구분은 명확하지 않으며, 그에 따라 확실하게 구분하는 것이 언제나 가능한 것은 아니다.
연료전지(3)는 실질적으로 중앙의 양성자-전도 막(12)으로 구성되는데, 상기 양성자-전도 막(12)의 제1 횡방향 표면(이는 도 1의 좌측면에 도시된 수소 쪽임)에는 애노드(13)가 배열되고, 상기 양성자-전도 막(12)의 제1 횡방향 표면의 맞은편에 있는 제2 횡방향 표면에는 캐소드(14)가 배열된다.
애노드(13) 쪽에서는, 제1 공정 가스 공급장치(6)에 의해, 애노드(13)의 제1 가스 확산 층(15)과 제1 분배 유닛(17)을 통해 제1 공정 가스(1)가 공급된다. 제1 공정 가스(1)(반응물질)는 예를 들어 수소 또는 수소-함유 가스이다. 탄화수소 화합물(에탄올, 메탄올, 메탄, 천연가스 등)도 공급될 수 있다. 이를 위하여, 수소의 내부에(연료전지 내에) 또는 외부에(개별 유닛으로서) 재배열(reformation)하는 것이 필요하다.
캐소드(14) 쪽에서는, 제2 공정 가스 공급장치(7)에 의해, 캐소드(14)의 제2 가스 확산 층(16)과 제2 분배 유닛(18)을 통해 제2 공정 가스(2)가 공급된다. 제1 공정 가스(2)는 산소이거나 또는 산소를 함유한다. 예를 들어, 제2 공정 가스(2)로서 공기가 사용될 수 있다.
제1 공정 가스(1)를 가습하기 위하여, 제1 가습 유닛(8)이 제1 공정 가스 공급장치(6)에 제공되며, 제1 가습 유닛(8)에 의해 제1 가습제(4)가 계량되어(metered) 제1 공정 가스(1)의 흐름 내에 유입될 수 있다. 이와 유사하게, 제2 공정 가스(2)를 가습하기 위하여, 제2 가습 유닛(9)이 제2 공정 가스 공급장치(7)에 제공되며, 제2 가습 유닛(9)에 의해 제2 가습제(5)가 계량되어 제1 공정 가스(1)의 흐름 내에 유입될 수 있다.
본 발명에 따르면, 제1 가습제(4) 및/또는 제2 가습제(5)로서 초임계수(supercritical water)가 사용되는데, 이러한 초임계수는 하나 이상의 수 처리 유닛(24)에 의해 가습 유닛(8, 9)들에 제공될 수 있다. 수 처리 유닛(24)은 물이 초임계 상태(supercritical state)가 되게 하여 그 물을 가습 유닛(8, 9)들에 제공한다. 불순물질(impurity)이 연료전지 또는 수 처리 유닛을 손상시키는 것을 방지하기 위하여, 초순수(ultrapure water)가 사용되는 것이 바람직하다. 가습 유닛(8, 9)들에 의해 출력된(output) 초임계수의 양은 측정 장치(26, 26')에 의해 결정될 수 있다. 이러한 중앙 수 처리 장치 외에도, 물은 각각의 가습 유닛에 비-중앙(decentralized) 방식으로 초임계 상태가 될 수도 있다.
가습제는 스로틀(27, 27')에 의해 관련 공정 가스 공급장치(7, 8) 내부로 흐르며, 필요 시에 스로틀(27, 27')의 형태를 최적화시킬 수 있는데, 스로틀은, 예를 들어, 구멍(aperture), 노즐(nozzle)의 형태로 또는 인젝터(injector)로서 구현될 수 있다. 스로틀(27, 27')에 의한 유입 과정은 실질적으로 등엔탈피(isenthalpic)로서 지칭될 수 있다.
본 명세서에서, 양성자-전도 막(12), 제1 가스 확산 층(15), 제2 가스 확산 층(16), 제1 분배 유닛(17) 및 제2 분배 유닛(18)으로 구성된 유닛은 연료전지(3)로서 지칭된다. 통상의 기술자에게 이미 잘 알려져 있는 것과 같이, 복수의 연료전지(3)는 셀 블록(11)을 형성하도록 조합될 수 있는데, 복수의 연료전지(3)들로 구성된 하나의 셀 블록(11)이 공통의 제1 공정 가스 공급장치(6)와 공통의 제2 공정 가스 공급장치(7)를 가질 수도 있다.
도 2는 복수의 연료전지(3)로 구성된 셀 블록(11)의 개략도이다. 2개의 연료전지(3)들 사이의 각각의 분배 유닛(17, 18)들이 서로에 대해 정지된 상태로 형성되는데, 예를 들어, 각 면에 제공된 흐름 홈(flow groove)을 가진 2극 플레이트(19) 방식으로 형성되는데, 이러한 흐름 홈에서 관련 공정 가스(1, 2)가 인접하게 배열된 가스 확산 층(15, 16)들로 이송된다. 또한, 선택적으로는, 냉각 채널(coolant channel)이 2극 플레이트(19)들 내에서 연장될 수 있지만, 이러한 냉각 채널들은 명확성을 위해 도 2에는 도시되지 않는다. 제1 공정 가스(1)는 도 2에서 상부로부터 바닥으로 연장되는 흐름 홈(20)들 내로 유입되며, 제2 공정 가스(2)는 도 2에서 수평 방향으로 연장되고 수직의 흐름 홈(20)들에 대해 맞은편 쪽에서 각각의 2극 플레이트(19)에 위치되는 흐름 홈(21)들 내로 유입된다. 공정 가스 공급장치(6, 7)와 함께 셀 블록(11)과 그 상부에 제공된 가습 유닛(8, 9)들로 구성된 유닛은 에너지 변환 유닛(10)을 형성한다.
본 발명에 따르면, 초임계수는 제1 및 제2 가습제(4, 5)로서 2개의 가습 유닛(8, 9)들에 의해 관련 공정 가스의 흐름 내에 유입된다. 가습 유닛(8, 9)들의 스로틀은 인젝터(22, 23)로서 구성되며, 그 결과 유입된 가습제(5)의 양이 신속하게 조절되고 계량될(scaled) 수 있다.
공정 가스(1, 2)를 가습할 때, 일반적으로 다음의 조건들에 유의해야 한다:
- 액체가 가스보다 더 잘 계량될 수 있다.
- 증발(evaporation)로 지칭되는, 액체로부터 가스 물리 상태로 전이되는 상 동안, 주변으로부터 에너지를 뺏는다(흡열 반응).
- 증발 엔탈피(evaporation enthalpy)는 온도의 함수로서 온도가 올라가면 감소된다.
- 임계점에서, 증발 엔탈피는 0이다.
- 증발은 끓음(boiling) 또는 기화(vaporizing)에 의해 발생할 수 있다.
- 주변 가스 내에 있는 물질의 온도에 따른 포화 증기 압력이 가스 내에 있는 물질의 현재 부분 압력(current partial pressure)보다 높을 때, 액체가 증발된다.
- 액체의 온도에 따른 포화 증기 압력이 가스 내에 있는 현재 가스 상태의 압력보다 높을 때, 끓음이 발생된다.
- 액체 및 가스 물은 습 증기(wet vapor) 영역에서 서로에 대해 나란하게(alongside one another) 존재한다.
본 방법에서, 초임계수(SCW)가 인젝터(22, 23)에 의해 연료전지의 공정 가스들에 직접적으로 추가된다. 이때, 초임계수는, 액체 물 없이, 예를 들어, 과정 중에 형성되는 물 방울(water droplet) 형태로 즉시(즉 필요한 엔탈피 변화 없이) 가스 상태로 변환된다.
이 경우, 2개의 상황이 이용되는데, 첫 번째로는, 초임계수의 밀도는 초임계수의 계량성(meterability)이 액체 물의 계량성과 비교할 수 있도록 용이하게 결정될 수 있다. 초임계수의 밀도는 대략적으로 액체 및 가스 물의 밀도 사이에 있으며, 그에 따라, 측정을 위해서, 코리올리 질량 유량 측정법(Coriolis mass flow measuring principle)과 같은 방법들이 사용될 수 있는데, 이러한 방법들은 고 매질 밀도(media density)에서 우수한 측정 결과를 구현하며, 그에 따라 고밀도에 바람직하다.
두 번째로, 물을 증발시키기 위한 엔탈피 증가는 초임계수의 내부 에너지에 이미 저장되어 있다(stored). 초임계수가 공정 가스 내에 등엔탈피 완화(isenthalpic relaxation) 동안, 물은 가스 상으로 직접 변환되어(transition) 습 증기 영역이 방지된다.
이러한 등엔탈피 완화 과정은 물의 T-S 다이어그램인 도 3에 도시된다. 물의 초임계 상태(Supercritical State of Water: SCW)로부터 진행하여, 완화는 등엔탈피선(25)을 따라 연장된다. 2800 kJ/kg보다 약간 큰 엔탈피에서, 상기 등엔탈피선(25)은 습 증기 영역의 완전히 외부로 연장되며, 따라서, 물의 완화 과정 동안에는, 즉 초임계 상태로부터 가스 물리 상태로의 변환 동안에는, 어떠한 액체 물도 형성되지 않는다.
상기 임계점 위의 물 영역(T-S 다이어그램에서 습 증기 영역의 상부 꼭지점 부분에 있는 영역)은 일반적으로 초임계 상태로 지칭된다. 일반적인 정의법에 따르면, 물이 647K보다 높은 온도 및 22.1MPa보다 큰 압력을 가지면 물은 초임계 상태에 있다고 지칭된다.
유입 양은 통상적인 방법으로 조절될 수 있다. 예를 들어, 유입 양은, 선형 컨트롤러(linear controller)를 이용하여, 및/또는 비선형 모델 세트에 의해, 특성 다이어그램(characteristic diagram) 기준에 따라 조절될 수 있다.
1 : 제1 공정 가스 2 : 제2 공정 가스
3 : 연료전지 4 : 제1 가습제
5 : 제2 가습제 6 : 제1 공정 가스 공급장치
7 : 제2 공정 가스 공급장치 8 : 제1 가습 유닛
9 : 제2 가습 유닛 10 : 에너지 변환 유닛
11 : 셀 블록 12 : 양성자-전도 막
13 : 애노드 14 : 캐소드
15 : 제1 가스 확산 층 16 : 제2 가스 확산 층
17 : 제1 분배 유닛 18 : 제2 분배 유닛
19 : 2극 플레이트 20,21 : 흐름 홈
22,23 : 인젝터 24 : 수 처리 유닛
25 : 등엔탈피선 26,26': 측정 장치
27,27': 스로틀

Claims (7)

  1. 하나 이상의 연료전지(3)에 공급되고 산소 또는 수소를 함유하는 하나 이상의 공정 가스(1, 2)를 위한 공조 방법(conditioning method)에 있어서,
    공정 가스(1, 2)는 가습제(4, 5)에 의해 가습되며,
    초임계 상태에 있는 물이 가습제(4, 5)로서 사용되고,
    초임계 상태에 있는 물의 등엔탈피 완화가 공정 가스(1, 2) 내에서 발생하며, 초임계수는 가스 상으로 직접 변환되고 습 증기 영역이 방지되며, 초임계수의 완화 동안에는 어떠한 액체 물도 형성되지 않는, 것을 특징으로 하는 공조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 가습제(4, 5)로서 공정 가스(1, 2) 내에 유입되는 초임계수는 2800 kJ/kg보다 큰 비엔탈피를 가지는 것을 특징으로 하는 공조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 가습제(4, 5)는 하나 이상의 가습 유닛(8, 9)에 의해 공정 가스 공급장치(6, 7) 내에 유입되며, 하나 이상의 가습 유닛(8, 9)은 선택적으로는 인젝터(22, 23)로서 구성되는 실질적으로 등엔탈피의 스로틀(27, 27')을 포함하는 것을 특징으로 하는 공조 방법.
  4. 하나 이상의 공정 가스 공급장치(6, 7)에 의해, 하나 이상의 연료전지(3)에 공급되고 산소 또는 수소를 함유하는 하나 이상의 공정 가스(1, 2)를 위한 공조 장치(conditioning device)에 있어서,
    하나 이상의 공정 가스 공급장치(6, 7)는 가습제(4, 5)가 공정 가스(1, 2) 내에 유입될 수 있는 가습 유닛(8, 9)을 가지며,
    초임계 상태에 있는 물이 가습제(4, 5)로서 공정 가스(1, 2) 내에 유입될 수 있고,
    초임계 상태에 있는 물의 등엔탈피 완화가 공정 가스(1, 2) 내에서 발생하며, 초임계수는 가스 상으로 직접 변환되고 습 증기 영역이 방지되며, 초임계수의 완화 동안에는 어떠한 액체 물도 형성되지 않는, 것을 특징으로 하는 공조 장치.
  5. 제4항에 있어서, 가습 유닛(8, 9)은 공정 가스 공급장치(6, 7) 내로 개방되는 인젝터를 가지는 것을 특징으로 하는 공조 장치.
  6. 하나 이상의 연료전지(3) 내에서 수소를 함유하는 제1 공정 가스(1)와 산소를 함유하는 제2 공정 가스로부터 전기 에너지를 생성하기 위한 에너지 변환 유닛(10)에 있어서,
    제1 공정 가스(1)는 제1 공정 가스 공급장치(6)에 의해 하나 이상의 연료전지(3)에 공급되고, 제2 공정 가스(2)는 제2 공정 가스 공급장치(7)에 의해 하나 이상의 연료전지(3)에 공급되며, 에너지 변환 유닛(10)은 청구항 제4항 또는 제5항에 따른 공조 장치를 가지는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 유닛(10).
  7. 제6항에 있어서, 복수의 연료전지(3)가 하나 이상의 셀 블록(11)에 배열되고, 제1 공정 가스 공급장치(6) 및/또는 제2 공정 가스 공급장치(7)는 각각 셀 블록(11)의 복수의 연료전지(3)들과 연결되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 유닛(10).
KR1020197022379A 2016-12-30 2017-12-01 Pem 연료전지 KR102476291B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ATA51197/2016 2016-12-30
ATA51197/2016A AT519349B1 (de) 2016-12-30 2016-12-30 PEM-Brennstoffzelle
PCT/EP2017/081122 WO2018121957A1 (de) 2016-12-30 2017-12-01 Pem-brennstoffzelle

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190099063A KR20190099063A (ko) 2019-08-23
KR102476291B1 true KR102476291B1 (ko) 2022-12-13

Family

ID=60627608

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020197022379A KR102476291B1 (ko) 2016-12-30 2017-12-01 Pem 연료전지

Country Status (8)

Country Link
US (1) US11641020B2 (ko)
JP (1) JP7140764B2 (ko)
KR (1) KR102476291B1 (ko)
CN (1) CN110114921B (ko)
AT (1) AT519349B1 (ko)
CA (1) CA3048938A1 (ko)
DE (1) DE112017006675A5 (ko)
WO (1) WO2018121957A1 (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020104553A1 (de) 2020-02-20 2020-07-09 FEV Software and Testing Solutions GmbH Konditionierungsvorrichtung für Luftversorgung von Brennstoffzellen
CN113074975A (zh) * 2021-03-30 2021-07-06 中氢铭创测控科技(武汉)有限公司 一种燃料电池加湿器测试装置
CN115207401B (zh) * 2022-09-14 2022-12-09 佛山市清极能源科技有限公司 一种燃料电池的氢气引射系统及其控制方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005044651A (ja) * 2003-07-23 2005-02-17 Nissan Motor Co Ltd 水素リッチガスの製造方法
KR100819969B1 (ko) * 2006-11-13 2008-04-07 현대자동차주식회사 연료전지 자동차의 가습 시스템

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4581105A (en) * 1984-06-20 1986-04-08 The Dow Chemical Company Electrochemical cell operating near the critical point of water
US6706429B1 (en) * 2000-06-13 2004-03-16 Hydrogenics Corporation Catalytic humidifier and heater, primarily for humidification of the oxidant stream for a fuel cell
JP2002216820A (ja) * 2001-01-15 2002-08-02 Eco Design Kk 超臨界水酸化反応による燃料電池
DE10162202B4 (de) 2001-12-18 2007-12-27 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Kohlenwasserstoff-Reformer
US8038743B1 (en) * 2002-11-27 2011-10-18 Drs Sustainment Systems, Inc. Systems and methods for supercritical water reformation of fuels and generation of hydrogen using supercritical water
JP2005097093A (ja) * 2003-08-20 2005-04-14 Chubu Electric Power Co Inc 燃料改質方法および燃料改質装置
JP3955017B2 (ja) * 2003-12-05 2007-08-08 三洋電機株式会社 燃料電池システム
EP2026901B1 (en) 2006-04-07 2017-02-22 Chart Industries, Inc. Supercritical process, reactor and system for hydrogen production
JP5807207B2 (ja) * 2010-11-12 2015-11-10 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 固体高分子形燃料電池システムの運転方法及び固体高分子形燃料電池システム
KR101776314B1 (ko) * 2011-07-18 2017-09-08 현대자동차주식회사 연료전지 스택의 활성화 장치 및 방법
KR101575416B1 (ko) * 2013-11-29 2015-12-21 현대자동차주식회사 연료전지 냉각장치와 이를 이용한 냉각방법
EP3164902B1 (en) * 2014-07-03 2019-01-09 Council of Scientific and Industrial Research Internal humidification in low temperature pem fuel cell by means of a wick
JP6133365B2 (ja) * 2014-08-01 2017-05-24 本田技研工業株式会社 燃料電池システムの運転方法
JP6363471B2 (ja) * 2014-10-31 2018-07-25 株式会社東芝 水素製造装置及び水素製造方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005044651A (ja) * 2003-07-23 2005-02-17 Nissan Motor Co Ltd 水素リッチガスの製造方法
KR100819969B1 (ko) * 2006-11-13 2008-04-07 현대자동차주식회사 연료전지 자동차의 가습 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
US11641020B2 (en) 2023-05-02
CN110114921A (zh) 2019-08-09
KR20190099063A (ko) 2019-08-23
DE112017006675A5 (de) 2019-12-12
AT519349B1 (de) 2018-06-15
JP2020516010A (ja) 2020-05-28
WO2018121957A1 (de) 2018-07-05
JP7140764B2 (ja) 2022-09-21
CA3048938A1 (en) 2018-07-05
CN110114921B (zh) 2022-06-21
AT519349A4 (de) 2018-06-15
US20220216488A1 (en) 2022-07-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Rosli et al. A review of high-temperature proton exchange membrane fuel cell (HT-PEMFC) system
US6406807B1 (en) Distribution of hydration fluid in a fuel cell
Hyun et al. Study of external humidification method in proton exchange membrane fuel cell
Hwang et al. An experimental study on the cathode humidification and evaporative cooling of polymer electrolyte membrane fuel cells using direct water injection method at high current densities
US6376110B1 (en) Method for regulating membrane moisture of a polymer electrolyte fuel cell, and a polymer electrolyte fuel cell
KR102476291B1 (ko) Pem 연료전지
CN101682065B (zh) 燃料电池系统及其运行方法
Kong et al. Experimental study on the start-up with dry gases from normal cell temperatures in self-humidified proton exchange membrane fuel cells
KR20100132194A (ko) 연료전지에서의 가스 습도 조절장치와 제어방법
Hasheminasab et al. Simultaneous investigation of PEMFC performance and water content at different flow rates and relative humidities
JP2001176529A (ja) 固体高分子型燃料電池本体および固体高分子型燃料電池発電システム
US20040115500A1 (en) Polymer electrolyte fuel cell and power-generating system with polymer electrolyte fuel cells
Lee et al. Effects of external humidification on the performance of a polymer electrolyte fuel cell
JP6138081B2 (ja) 燃料電池システム
Ijaodola et al. CFD model of the effects of non-humidification and humidification of reactant gas on membrane for PEMFC
JP2001135338A (ja) 燃料電池装置および燃料電池の運転方法
JP2001283887A (ja) 燃料電池装置、及び、燃料電池装置の運転方法
JP2015109234A (ja) 燃料電池モジュール
JP4601406B2 (ja) 燃料電池システム
Weizhong et al. Proton exchange membrane fuel cell with humidifying zone
US11289720B2 (en) Fuel cell having a variable water permeability
JP2001297786A (ja) 燃料電池装置、及び、燃料電池装置の運転方法。
Kandlikar et al. Current status and fundamental research needs in thermal management within a PEMFC stack
Aaltonen Design and testing of an existing proton exchange membrane fuel cell test bench for measurements of automotive-type stacks
Wang Modeling Analysis for Species, Pressure, and Temperature Regulation in Proton Exchange Membrane Fuel Cells

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right