KR102537544B1 - 압력 불균형으로부터 보호되는 연료 전지 - Google Patents

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제프리 브라운
매튜 크라울리
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윌리엄 제이. 스나이더
프레드 씨. 장케
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Abstract

연료 전지 시스템은 연료 전지를 포함한다. 연료 전지는 애노드 공급 가스를 수용하도록 구성된 애노드 입구 및 애노드 배기를 출력하도록 구성된 애노드 출구를 갖는 애노드를 포함한다. 연료 전지는 캐소드 입구 및 캐소드 출구를 갖는 캐소드를 더 포함한다. 연료 전지 시스템은, 애노드 배기를 수용하고 고압 애노드 배기를 출력하도록 구성된 애노드 송풍기를 더 포함한다. 연료 전지 시스템은, 애노드 송풍기로부터 하류에서 고압 애노드 배기의 일부를 수용하고 애노드 송풍기로부터 상류에서 고압 애노드 배기의 일부를 출력하도록 구성된 애노드 송풍기 재순환 라인을 더 포함한다. 연료 전지 시스템은 송풍기 재순환 라인에 배치된 제1 밸브를 더 포함하되, 제1 밸브는 연료 전지의 애노드가 부족압일 때 개방되도록 구성된다.

Description

압력 불균형으로부터 보호되는 연료 전지
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2018년 8월 21일자로 출원된 미국 특허 가출원 제62/720,400호 및 2018년 12월 21일자로 출원된 미국 특허 가출원 제62/784,210호에 대한 우선권을 주장하며, 이들은 모두 전문이 참조에 의해 본 명세서에 원용된다.
본 출원은 일반적으로 연료 전지 시스템의 분야에 관한 것이며, 보다 구체적으로 연료 전지의 애노드와 캐소드 사이의 압력 불균형으로부터 보호되는 시스템에 관한 것이다.
종래의 연료 전지 시스템에서, 애노드 배기 처리 시스템이 포함될 때, 애노드 송풍기는 일반적으로 연료 전지의 애노드로부터 캐소드로의 압력 밸런스를 제공하기 위해 포함된다. 압력 밸런스는 애노드 압력이 수 인치의 수주 차이(water column difference) 내에서 캐소드 압력과 거의 동일하다는 것을 의미한다. 시스템 작동에서의 업셋(upset) 동안, 예를 들어 연료 전지 전력 출력이 급격히 증가하거나 감소할 때, 압력 불균형은 연료 전지 애노드 배기의 체적 유량에서의 순간적인 감소 또는 증가로부터 기인한다. 더욱이, 애노드 송풍기는 일반적으로 애노드 배기 유량에서의 이러한 증가 또는 감소를 보상하기 위해 속도를 감소시키거나 또는 속도를 증가시키는데 몇 초 걸린다. 이러한 지연 동안, 애노드 송풍기에 공급되는 애노드 배기의 유량은 애노드 송풍기로 흡입되는 유량에 대해 (전력 감소의 경우에)불충분하거나 또는 (전력 증가의 경우에) 너무 크다. 유량에서의 급격한 차이는 캐소드에서의 압력에 대해 애노드 압력의 감소 또는 증가(즉, 애노드 부족압(anode under-pressurization) 또는 애노드 과압(anode over-pressurization)를 초래한다. 애노드 부족압 또는 과압은 전형적으로 연료 전지 매니폴드 및/또는 연료 전지 매니폴드 밀봉부를 손상시키는 것에 의해 연료 전지에 대한 손상을 유발하는데 충분할 정도로 심각할 수 있다.
일부 연료 전지 매니폴드 설계에서, 애노드와 캐소드 사이의 압력에서의 차이로서 측정된 -7 인치의 수주 압력(water-column pressure: iwc)보다 큰(즉, 더욱 큰 음의) 애노드 부족압은 잠재적으로 연료 전지를 손상시킬 수 있는 것으로서 간주된다. -10 iwc보다 큰 부족압은 연료 전지 손상을 유발할 가능성이 있는 것으로 간주된다. -15 iwc보다 큰 애노드 부족압은 연료 전지 손상을 유발할 가능성이 매우 높은 것으로 간주된다. 연료 전지 손상은 연료 전지 매니폴드 및 매니폴드 밀봉부의 손상으로 제한될 수 있다. 애노드 부족압의 경우에, 보다 심각한 손상은 매니폴드 붕괴로부터 기인하여, 연료 전지의 추가 구성 요소(예를 들어, 내부 연료 전달 시스템)에 대한 기계적 손상을 유발할 수 있거나, 또는 다른 방식으로 전지를 손상(예를 들어, 전지에 대한 전기 단락)시킬 수 있다. 부족압으로 인한 손상을 수리하는 것은 매우 비용이 많이들 수 있으며, 때로는 연료 전지 자체의 가치를 초과할 수 있다.
부족압과 유사하게, 애노드 과압은 연료 전지 시스템을 손상시킬 수 있다. 과압은 연료 전지 출력이 급격히 증가할 때 발생하여, 애노드 송풍기에서의 보상 속도 증가를 능가하는 애노드 배기 체적 유량에서의 대응하는 증가를 유발할 수 있다. 애노드 과압의 다른 원인은 연료 전지가 정상 운전(steady operation)에 있는 동안 애노드 배기 라인에서의 송풍기 고장 또는 밸브의 고장이다. 추가적으로, 잘못되어 연료 전지 애노드 내로의 높은 유량이 있으면(예를 들어, 과도하게 높은 질소 퍼지), 연료 전지 전력 플랜트가 정지되고 연료 전지 애노드가 환기 라인을 통해 제어된 퍼지를 위해 차단된 동안, 애노드 과압이 발생할 수 있다.
+7 iwc보다 큰 애노드 과압(더욱 큰 양의)은 연료 전지 매니폴드 개스킷을 잠재적으로 손상시킬 수 있는 것으로 간주된다. +10 iwc보다 큰 과압은 손상을 유발할 가능성이 높은 것으로 간주되고, +15 iwc보다 큰 과압은 손상을 유발할 가능성이 매우 높은 것으로 간주된다. 과압으로 인한 손상은 일반적으로 매니폴드 개스킷 재료를 파괴하는 것(blowing out)을 포함한다.
애노드 송풍기 주위의 재순환 라인을 이용하여 연료 전지 시스템에서 애노드 부족압을 제한하거나 완전히 피하고, 수위 조정 수밀봉부(level-adjusting water seal) 또는 압력차 릴리프 밸브와 같은 배압 제어 시스템을 통해 애노드 배기를 환기시키는 것에 의해 애노드 과압을 완전히 피하는 것이 유리할 수 있다. 애노드 부족압 및 애노드 과압을 모두 방지하거나 제한하는 것에 의해, 연료 전지 손상 및 후속의 고비용의 수리가 회피될 수 있다.
일 실시형태는 연료 전지를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 연료 전지는 애노드 공급 가스를 수용하도록 구성된 애노드 입구 및 애노드 배기를 출력하도록 구성된 애노드 출구를 갖는 애노드를 포함한다. 연료 전지는 캐소드 입구 및 캐소드 출구를 갖는 캐소드를 더 포함한다. 연료 전지 시스템은, 애노드 배기를 수용하고 고압 애노드 배기를 출력하도록 구성된 애노드 송풍기를 더 포함한다. 연료 전지 시스템은, 애노드 송풍기로부터 하류에서 고압 애노드 배기의 일부를 수용하고 애노드 송풍기로부터 상류, 바람직하게는 애노드 배기 처리 장비로부터 상류에서 고압 애노드 배기의 일부를 출력하도록 구성된 송풍기 재순환 라인을 더 포함한다. 연료 전지 시스템은 송풍기 재순환 라인에 배치된 제1 밸브를 더 포함하되, 제1 밸브는 연료 전지의 애노드가 부족압일 때 개방되도록 구성되며, 이에 따라 애노드 과압 및 부족압으로부터 연료 전지 시스템을 보호한다.
일 실시형태는 연료 전지를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 연료 전지는 애노드 공급 가스를 수용하도록 구성된 애노드 입구 및 애노드 배기를 출력하도록 구성된 애노드 출구를 갖는 애노드를 포함한다. 연료 전지는 캐소드 입구 및 캐소드 출구를 갖는 캐소드를 더 포함한다. 연료 전지 시스템은, 애노드 배기를 수용하고 고압 애노드 배기를 출력하도록 구성된 애노드 송풍기를 더 포함한다. 연료 전지 시스템은 애노드 송풍기로부터 하류에서 고압 애노드 배기의 일부를 수용하고 애노드 송풍기로부터 상류, 바람직하게는 애노드 배기 처리 장비로부터 상류에서 고압 애노드 배기의 일부를 출력하도록 구성된 송풍기 재순환 라인을 더 포함한다. 연료 전지 시스템은 제어 시스템 및 송풍기 재순환 라인에 배치된 제1 밸브를 더 포함하되, 제1 밸브는 제1 밸브가 애노드 부족압을 방지하기 위해 제어 시스템으로부터 신호를 수신할 때 개방되도록 구성된다.
일 실시형태는 연료 전지를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 연료 전지는 애노드 공급 가스를 수용하도록 구성된 애노드 입구 및 애노드 배기를 출력하도록 구성된 애노드 출구를 갖는 애노드를 포함한다. 연료 전지는 캐소드 입구 및 캐소드 출구를 갖는 캐소드를 더 포함한다. 연료 전지 시스템은, 애노드 배기를 수용하고 고압 애노드 배기를 출력하도록 구성된 애노드 송풍기를 더 포함한다. 연료 전지 시스템은, 애노드 송풍기로부터 하류에서 고압 애노드 배기의 일부를 수용하고 애노드 송풍기로부터 상류에서 고압 애노드 배기의 일부를 출력하도록 구성된 송풍기 재순환 라인을 더 포함한다. 연료 전지 시스템은 송풍기 재순환 라인에 배치된 제1 밸브를 더 포함하되, 제1 밸브는 연료 전지의 애노드가 부족압일 때 개방되도록 구성되고, 이에 의해 애노드 부족압으로부터 연료 전지를 보호한다. 연료 전지 시스템은, 제1 밸브에 신호를 전송하여, 연료 전지 애노드가 부족압일 때 제1 밸브를 개방되도록 하는 제어 시스템을 더 포함할 수 있다. 시스템은 캐소드 입구 압력에 의해 조절된 수위를 갖는 것에 의해 연료 전지 애노드 압력을 제한하는 수위 조정 수밀봉부를 더 포함하고, 이에 의해 송풍기가 목적하는 애노드-캐소드 압력차를 유지할 수 없을 때인 업셋 동안 과잉 애노드 배기 가스를 대기로 환기시키는 동시에 목적하는 애노드 압력을 유지하는 것에 의해 애노드 과압으로부터 연료 전지 시스템을 보호한다.
다른 실시형태는 연료 전지를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 연료 전지는 애노드 공급 가스를 수용하도록 구성된 애노드 입구 및 애노드 배기를 출력하도록 구성된 애노드 출구를 갖는 애노드를 포함한다. 연료 전지는 캐소드 입구 및 캐소드 출구를 갖는 캐소드를 더 포함한다. 연료 전지 시스템은, 애노드 배기를 수용하고 고압 애노드 배기를 출력하도록 구성된 애노드 송풍기를 더 포함한다. 연료 전지 시스템은, 애노드 송풍기로부터 하류에서 고압 애노드 배기의 일부를 수용하고 애노드 송풍기로부터 상류에서 고압 애노드 배기의 일부를 출력하도록 구성된 송풍기 재순환 라인을 더 포함한다. 연료 전지 시스템은 송풍기 재순환 라인에 배치된 제1 밸브를 더 포함하되, 제1 밸브는 연료 전지의 애노드가 부족압일 때 개방되도록 구성되며, 이에 의해 애노드 부족압으로부터 연료 전지를 보호한다. 연료 전지 시스템은, 제1 밸브에 신호를 전송하여, 연료 전지 애노드가 부족압일 때 제1 밸브를 개방하는 제어 시스템을 더 포함할 수 있다. 시스템은 송풍기가 목적하는 애노드-캐소드 압력차를 유지할 수 없을 때인 업셋 동안 과잉 애노드 배기 가스를 대기로 환기시키는 동시에 상기 캐소드 입구 압력에 대해 애노드 출구 압력을 유지하는 것에 의해 캐소드 입구 압력에 대해 애노드 출구 압력을 유지하고, 이에 의해 애노드 과압으로부터 연료 전지를 보호하는 압력차 조절기를 더 포함한다.
다른 실시형태는 애노드 입구에서 애노드 공급 가스를 수용하는(receiving) 단계, 캐소드 입구에서 캐소드 공급 가스를 수용하는 단계, 애노드 출구로부터 애노드 배기를 출력하는 단계를 포함하는, 연료 전지 시스템에서 압력을 제어하는 방법에 관한 것이다. 방법은 애노드 입구 또는 애노드 출구 중 하나에서 제1 압력을 측정하는 단계, 캐소드 입구에서 제2 압력을 측정하는 단계, 및 제1 압력과 제2 압력 사이의 제1 압력차를 결정하는 단계를 더 포함한다. 방법은 송풍기 입구에서 애노드 배기를 수용하는 단계, 송풍기 속도 제어기에 의해 제1 압력차를 제어하는 단계를 더 포함한다. 방법은 애노드 송풍기 입구에서보다 더 높은 압력으로 송풍기 출구로부터 애노드 배기를 출력하는 단계, 및 송풍기 입구로부터 상류에서 고압 애노드 배기를 출력하도록 구성된 송풍기 재순환 라인에서 고압 애노드 배기의 적어도 일부를 수용하는 단계를 더 포함한다.
연료 전지 시스템의 또 다른 양태는 애노드로부터 애노드 배기를 수용하도록 구성된 애노드 배기 라인, 물이 부분적으로 채워진 용기, 애노드 배기 라인으로부터 멀리 연장되고, 수밀봉부 수직 홈통(water seal downpipe) 출구가 물에 배치되도록 적어도 일부가 용기 내로 대체로 아래를 향해 연장되는 수밀봉부 수직 홈통, 및 흘수선(waterline) 위의 용기에 한정되고 애노드 배기를 출력하도록 구성된 환기구에 관한 것이다.
연료 전지 시스템의 또 다른 양태는 수밀봉부 수직 홈통 출구의 수직 위치에 관하여 한정되는 용기에서의 수위에 관한 것이다. 수위는 수밀봉부 수직 홈통 출구에서 수밀봉 압력을 제공하여서, 제1 압력차가 수밀봉 압력보다 클 때 애노드 배기가 환기구를 통해 출력된다.
연료 전지 시스템의 또 다른 양태는 애노드로부터 애노드 배기를 수용하도록 구성된 애노드 배기 라인, 애노드 배기 라인으로부터 연장되는 압력 릴리프 라인, 및 압력 릴리프 라인에 배치되고 애노드 배기를 환기시키도록 구성된 압력 릴리프 밸브에 관한 것이다.
연료 전지 시스템의 또 다른 양태는 압력 릴리프 밸브로부터 상류에서 압력 릴리프 라인 주위에 배치된 히트 싱크에 관한 것으로, 히트 싱크는 애노드 배기로부터 열을 흡수하도록 구성된다.
도 1은 애노드 부족압 보호 시스템 또는 애노드 과압 보호 시스템이 없는, 애노드 부스터 송풍기의 속도에 의해 제어되는 애노드-캐소드 압력차를 갖는 연료 전지 시스템의 개략도이다.
도 2는 예시적인 실시형태에 따라서, 애노드 부족압 및 애노드 과압을 모두 방지하기 위해 압력 보호 시스템이 추가된, 도 1에 도시된 것과 같은 연료 전지 시스템의 개략도이다.
도 3은 예시적인 실시형태에 따라서, 애노드 과압을 방지하기 위해 연료 전지 시스템의 작동시에 업셋 동안 애노드 배기 가스를 수용하고 이를 대기로 환기시키도록 구성된 연료 전지 시스템을 위한 수위 조정 수밀봉 장치를 포함하는 배압 제어 시스템의 하나의 예시적인 실시형태의 개략도이다.
도 4는 다른 예시적인 실시형태에 따라서, 애노드 과압을 방지하기 위해 연료 전지 시스템의 작동시에 업셋 동안 애노드 배기 가스를 수용하고 이를 대기로 환기시키도록 구성된 압력차 조절 밸브 장치를 포함하는 배압 제어 시스템의 다른 실시형태의 개략도이다.
도 5는 추가의 예시적인 실시형태에 따라서, 애노드 과압을 방지하기 위해 연료 전지 시스템의 작동시에 업셋 동안 애노드 배기 가스를 수용하고 이를 대기로 환기시키도록 구성된, 도 4에 도시된 압력차 조절 밸브 장치의 변형예의 개략도이다.
도 6은 예시적인 실시형태에 따라서, 압력 서지 보호 시스템이 있는 연료 전지 시스템의 개략도이다.
도 7은 다른 예시적인 실시형태에 따라서, 압력 서지 보호 시스템이 있는 연료 전지 시스템의 개략도이다.
도 8은 압력 서지 보호 시스템으로부터 보호되지 않는 연료 전지 시스템에서의 압력 서지를 도시하는 플롯이다.
도 9는 압력 서지 보호 시스템으로부터 보호되는 연료 전지 시스템에서의 압력 서지를 도시하는 플롯이다.
일반적으로 도면을 참조하면, 다양한 예시적인 실시형태에 따른 연료 전지 시스템이 도시되어 있다. 연료 전지 시스템은 연료 전지, 및 연료 전지 시스템의 다른 부분에서 사용하기 위해 또는 배출을 위해 연료 전지에 의해 출력된 애노드 배기를 처리하거나 또는 변환하기 위한 애노드 배기 처리 시스템을 포함한다. 연료 전지 시스템은 애노드 송풍기 속도 제어기에 의해 연료 전지 애노드 압력을 연료 전지 캐소드 압력과 매우 유사하게 유지하도록 구성된 애노드 송풍기를 포함한다. 애노드 송풍기 속도 제어기는 애노드 압력과 캐소드 압력의 차이를 측정하고, 윈하는 압력차를 유지하기 위해 송풍기 속도를 조정한다. 이러한 압력 제어에도 불구하고, 연료 전지 전력 출력에서의 급격한 감소 또는 증가, 애노드 송풍기 고장 또는 애노드 배기 처리 장비에서의 업셋과 같은 다양한 이벤트는 압력차가 사양을 벗어나게 하고, 이는 연료 전지에 대한 손상을 초래할 수 있다. 따라서, 연료 전지 시스템은 추후에 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이 연료 전지 애노드와 연료 전지 캐소드 사이의 압력 불균형을 최소화하거나 또는 제거하도록 구성된 연료 전지 압력 보호 시스템을 포함할 수 있다.
연료 전지 시스템은 애노드와 캐소드 사이에서 연료 전지에 압력 밸런스를 제공하도록 구성된 애노드 송풍기(예를 들어, 부스터 송풍기, 압축기 등)를 포함한다. 구체적으로, 애노드 송풍기는 애노드 배기 처리 시스템의 추가된 압력 강하를 상쇄하고/하거나, 고압 연료 전지에서 추가의 처리 또는 사용을 위하여 처리된 애노드 배기를 고압 영역으로 밀어낸다. 예를 들어, 고효율 연료 전지 시스템(예를 들어, 직접 연료 전지("DFC")를 갖는 연료 전지 시스템)에서, 제1(예를 들어, 상단의) 연료 전지로부터의 애노드 배기는 애노드 배기 스트림으로부터 상당한 양의 물을 응축시켜 제거하도록 냉각된다. 이어서, 처리된 애노드 배기는 애노드 송풍기로 공급되어, 스트림을 제1 연료 전지보다 높은 압력에서 작동하는 제2(예를 들어, 바닥의) 연료 전지로 강제한다. 애노드 송풍기는 또한 시스템에 특정된 애노드 배기 가스 처리로부터의 압력 강하를 극복하고, 고압 서브 시스템으로 애노드 배기를 보내도록 탄소 포집(예를 들어, 애노드 배기에서 이산화탄소 수확) 또는 수소 포집(예를 들어, 애노드 배기에서 수소 수확)을 위해 연료 전지 시스템에서 요구될 수 있다.
이제 도 1을 참조하면, 연료 전지 애노드 입구(108) 또는 연료 전지 애노드 출구(110)에서의 압력이 애노드 송풍기(124)에 의해 캐소드 입구(112)의 압력과 유사하도록 제어된 연료 전지 시스템(100)은 특정 실시형태없이 기준 구성으로 도시된다. 연료 전지 시스템(100)은 애노드(104) 및 캐소드(106)를 갖는 연료 전지(102)를 포함한다. 애노드(104)는 애노드 공급 가스를 수용하도록 구성된 애노드 입구(108), 및 애노드 배기를 출력하도록 구성된 애노드 출구(110)를 포함한다. 애노드 입구 압력(P1)은 애노드 입구(108)에서(예를 들어, 애노드 공급 가스를 수용하기 위해 애노드 입구(108)에 결합된 애노드 입구 매니폴드에서) 애노드 공급 가스의 압력으로서 정의될 수 있다. 애노드 출구 압력(P2)은 애노드 출구(110)에서(예를 들어, 애노드 배기를 수용하기 위해 애노드 출구(110)에 결합된 애노드 출구 매니폴드에서) 애노드 배기의 압력으로서 정의될 수 있다.
캐소드(106)는 캐소드 공급 가스를 수용하도록 구성된 캐소드 입구(112) 및 캐소드 배기를 출력하도록 구성된 캐소드 출구(114)를 포함한다. 캐소드 입구 압력(P3)은 캐소드 입구(112)에서(예를 들어, 캐소드 공급 가스를 수용하기 위해 캐소드 입구(112)에 결합된 캐소드 입구 매니폴드에서) 캐소드 공급 가스의 압력으로서 정의될 수 있다. 캐소드 입구 압력(P3)은 또한 예를 들어 연료 전지(102)가 용기 내에서 밀봉되고 캐소드 공급 가스가 캐소드(106)로의 도입을 위해 용기에 공급될 때 연료 전지(102)를 수용하는 용기의 압력으로서 정의될 수 있다. 이러한 구성에서, 용기는 캐소드 매니폴드로서 작동할 수 있다.
제1 압력차 전송기(116)는 애노드 입구 압력(P1)과 캐소드 입구 압력(P3) 사이의 제1 압력차(P4)를 측정한다. 유사하게, 제2 압력차 전송기(118)는 애노드 출구 압력(P2)과 캐소드 입구 압력(P3) 사이의 제2 압력차(P5)를 측정한다. 제1 및/또는 제2 압력차 전송기(116, 118)는 제어 시스템(120)(예를 들어, 컴퓨터)과 유선 또는 무선으로 통신하고, 제어 시스템은 제1 및/또는 제2 압력차(P4, P5)의 측정치를 수신하고, 애노드(104)와 캐소드(106) 사이의 압력차를 제어하기 위해 연료 전지 시스템(100)의 다양한 양태를 제어한다. 구체적으로, 압력 보호를 위한 실시형태가 없는 기준 연료 전지 시스템은 116 또는 118에서 측정된 압력차에 응답하여 송풍기 속도의 조절에 의해 캐소드 압력과 유사하게 애노드 압력을 제어한다. 예를 들어, 애노드 압력이 캐소드 압력에 비해 낮으면, 압력차(P4 또는 P5)는 목적하는 압력차보다 작을 것이며, 애노드 송풍기 속도 제어기(130)는 속도를 줄이도록 제어 시스템(120)에 의해 명령받을 것이다. 반대로, 애노드 압력이 캐소드 압력에 비해 높으면, 압력차(P4 또는 P5)는 목적하는 압력차보다 클 것이며, 애노드 송풍기 속도 제어기(130)는 속도를 높이도록 제어 시스템(120)에 의해 명령받는다. 본 출원이 제1 압력차(P4)에 기초하여 연료 전지 시스템(100)을 제어하는 것을 설명하였지만, 동일한 구조 및 방법이 제2 압력차(P5)를 제어하기 위해 적용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들어, 다양한 연료 전지 시스템은 제1 압력차(P4) 및/또는 제2 압력차(P5) 중 하나 또는 둘 모두에 기초하여 연료 전지 시스템(100)의 부분을 측정하고 제어할 수 있다.
애노드 배기가 애노드(104)로부터 출력된 후에, 애노드 배기는 애노드 배기 매니폴드(110)를 통해 애노드 배기 라인(121)(예를 들어, 도관)으로 공급되어, 애노드 배기에서 특정 성분(예를 들어, 부산물)을 반응 또는 분리하는 것에 의해 애노드 배기를 처리하도록 구성된 처리 시스템(122)으로 공급된다. 예를 들어, 처리 시스템(122)은 애노드 배기 중의 일산화탄소와 수증기를 반응시켜 추가적인 수소를 형성할 수 있고, 처리 시스템(122)은 애노드 배기 중의 물, 이산화탄소 또는 수소 중 적어도 하나를 분리하여 별개로 출력하는 동시에, 애노드 배기를 냉각할 수 있다. 이어서, 처리 시스템(122)은 처리된 애노드 배기(즉, 처리된 스트림)를 출력한다.
연료 전지 시스템(100)은 송풍기 입구(126) 및 송풍기 출구(128)를 갖는 애노드 송풍기(124)를 더 포함한다. 애노드 송풍기(124)는 송풍기 입구(126)에서 처리된 스트림을 수용하도록 구성된다. 애노드 송풍기(124)는 처리된 스트림을 압축하여, 송풍기 출구(128)로부터 출력되는 처리된 스트림의 압력을 증가시킨다(즉, 고압 애노드 배기). 송풍기 입구 압력(P6)은 송풍기 입구(126)에서 처리된 스트림의 압력으로서 정의될 수 있고, 송풍기 출구 압력(P7)은 송풍기 출구(128)에서 처리된 스트림의 압력으로서 정의될 수 있다. 작동 동안 애노드 송풍기(124)에 처리된 스트림을 통과시킨 후에, 송풍기 출구 압력(P7)은 송풍기 입구 압력(P6)보다 높다. 이어서, 처리된 스트림은 연료 전지 시스템으로부터 추가 처리, 수집 또는 배출을 위해 연료 전지 시스템(100)으로부터 출력된다.
속도 제어기(130)는 애노드 송풍기(124)의 속도를 제어하고 제어 시스템(120)에 연결되어서, 애노드 송풍기(124)는 제1 및/또는 제2 압력차 전송기(116, 118)에서 취해진 측정치에 기초하여 제어될 수 있다.
배압 제어 시스템
이제 도 2를 참조하면, 다른 실시형태에 따르면, 연료 전지 시스템(200)은 적어도 하나의 애노드 부족압 보호 시스템(234) 및 적어도 하나의 애노드 과압 보호 시스템(또는 배압 제어 시스템)(236)을 포함한다. 애노드 부족압 보호 시스템(234)은 예를 들어, 애노드 송풍기(224)의 속도에서의 변화에 의해 즉시 충족되지 않는 애노드 출구 체적 유량에서의 급격한 감소에 의해 유발될 것으로서, 연료 전지(202)에서 과잉 애노드 부족압 서지를 방지하도록 구성된다.
여전히 도 2를 참조하면, 애노드 부족압 보호 시스템(234)은 송풍기 재순환 라인(246)을 포함한다. 송풍기 재순환 라인(246)은 송풍기 출구(228)로부터 하류에서의 연료 전지 시스템(200)의 일부를 송풍기 입구(226)로부터 상류에서의 연료 전지 시스템(200)의 일부에 (예를 들어, 연료 전지 애노드 출구(210)와 송풍기 입구(226) 사이에서) 유체 흐름 가능하게 연결한다. 송풍기 재순환 라인(246)은 송풍기 출구(228)로부터 고압 처리된 스트림의 적어도 일부를 송풍기 입구(226)에서의 부족압 스트림으로 다시 이동시키도록 구성되고, 이에 의해 애노드 부족압을 감소시키거나 또는 제거하기 위해 애노드 출구 매니폴드(210)에서의 압력을 증가시킨다. 도 2는 송풍기 재순환 라인(246)이 연료 전지 애노드 배기 라인(221)에서 애노드 출구(210)와 처리 시스템(222) 사이의 연료 전지 시스템(200)의 일부에 연결되는 것을 도시하지만, 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 송풍기 재순환 라인(246)은 처리 시스템(222)으로부터 하류 또는 처리 시스템(222) 내의 임의의 중간 지점에서의 연료 전지 시스템(200)의 일부에 연결될 수 있다.
송풍기 재순환 라인(246)은 송풍기 재순환 라인(246)을 따라서 직렬로 연결된 제1 밸브(248) 및 제2 밸브(250)를 포함한다. 제1 밸브(248)는 제어 시스템(220)에 연결된 자동화 밸브이며, 개방하라는 명령을 수신할 때까지 폐쇄 위치에서 유지된다. 연료 전지 시스템(200)이 애노드 부족압을 가질 때, 제1 또는 제2 압력차 전송기(216, 218) 중 적어도 하나는 연료 전지 시스템(200)이 애노드 부족압 상태에 있다는 것을 제어 시스템(220)에 신호한다. 이어서, 제어 시스템(220)은 개방하라는 신호를 제1 밸브(248)에 전송하고, 이 시점에서, 제1 밸브(248)는 폐쇄 위치로부터 개방 위치로 이동한다. 예시적인 실시형태에 따르면, 제1 밸브(248)는 제어 시스템(220)으로부터 신호를 수신한 후 약 200 밀리 초 내에 개방되도록 구성될 수 있다. 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 제1 밸브(248)는 연료 전지 시스템(200)에서 애노드 부족압 상태의 제1 검출이 발생한 후 약 200 밀리 초 이내에 개방되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 밸브(248)는 제1 또는 제2 압력차(P4, P5) 중 적어도 하나가 대략 -2 iwc라는 것을 감지할 때 개방될 수 있다. 제1 밸브(248)가 개방될 때, 고압 애노드 배기는 송풍기 출구(228)로부터 송풍기 재순환 라인(246)을 통해 연료 전지 애노드 배기 라인(221)으로 이동한다. 제1 밸브(248)는 또한 연료 전지 시스템(200)이 연료 전지(202)에서의 전기 부하의 손실 또는 제1 밸브(248)로의 전력 손실을 감지할 때 개방되도록 구성될 수 있다. 제1 밸브(248)는 또한 제어 시스템으로부터의 신호가 모든 전기 부하 또는 특정 비율의 전기 부하를 강하시키도록 연료 전지에 명령할 때 개방되도록 구성될 수 있다.
제2 밸브(250)는 압력 제어 밸브이며, 이는 애노드 부족압시에 제1 밸브(248)를 개방하는 영향이 연료 전지 시스템(200) 작동 조건에 따라서(예를 들어, 사전 결정된 개방시에) 제2 밸브(250)의 개방을 사전 설정하는 것에 의해 제어될 수 있도록, 송풍기 재순환 라인(246)을 통과하여 애노드 배기 라인(221)에 수용되는 처리된 스트림의 유동을 제한하도록 구성된다. 예를 들어, 제1 밸브(248)가 개방될 때, 고압 처리된 스트림은 송풍기 재순환 라인(246)을 통해 송풍기(224)로부터의 상류에 있는 위치로 재순환되며, 이는 연료 전지(202)에서 과압(예를 들어, 배압)으로 이어질 수 있다. 제2 밸브(250)는 제1 밸브(248) 개방시에 연료 전지(202)에서 과압을 제한하기 위해 송풍기 재순환 라인(246)에서의 체적 유량을 제어한다. 예시적인 실시형태에 따르면, 제2 밸브(250)는 사전 설정 수동 밸브, 오리피스, 연료 전지(202)의 전력 출력에 기초하여 그 위치(예를 들어, 개방 또는 폐쇄 백분율)를 변경하도록 구성된 자동화 밸브, 또는 다른 적절한 밸브일 수 있다. 비록 도 2가 제1 밸브(248)로부터 하류에 배치된 제2 밸브(250)를 도시했지만, 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 제2 밸브(250)는 제1 밸브(248)로부터 상류에 배치될 수 있다.
제3 압력차 전송기(232)는 송풍기 출구 압력(P7)과 송풍기 입구 압력(P6) 사이의 제3 압력차(P8)를 측정한다. 제1 및 제2 압력차 전송기(216, 218)와 같이, 제3 압력차 전송기(232)는 제어 시스템(220)과 유선 또는 무선으로 통신한다. 제1 밸브(248)가 개방되고 송풍기 출구(228)로부터 출력된 고압 처리된 스트림이 부족압 애노드 배기 라인(221)으로 다시 재순환될 때, 애노드 송풍기(224)는 애노드(204)와 캐소드(206) 사이의 제1 및/또는 제2 압력차(P4, P5)를 더 이상 효과적으로 제어할 수 없을 수 있다. 이러한 이유 때문에, 일부 구성에서, 제1 밸브(248)가 개방될 때, 송풍기 속도는 단지 감소(즉, 감속) 또는 중단될 수 있고, 증가(즉, 가속)되지 않을 수 있다. 이러한 애노드 송풍기(224)의 감속은 제3 압력차(P8)에서의 강하를 측정하는 것에 의해 측정될 수 있다. P8의 크기는 제1 밸브(248)를 폐쇄하는 것이 안전한 때를 결정하도록 사용될 수 있으며, 즉, P8의 크기는 제1 밸브(248)의 폐쇄의 영향을 결정한다.
애노드 부족압을 방지하기 위해 제1 밸브(248)를 개방한 후에, 애노드 송풍기(224)가 제1 및/또는 제2 압력차(P4, P5)의 정상적인 제어를 재개할 수 있도록, 제1 밸브(248)는 다시 폐쇄되어야만 한다. 제1 밸브(248)의 재폐쇄는 연료 전지(202)가 여전히 부하 하에 있는 동안 또는 연료 전지(202)가 모든 부하를 없애고 부하 작동을 재개할 준비가 된 유휴 상태 후에 일어날 수 있다. 제어 시스템(220)은 다양한 요건이 충족될 때 제1 밸브(248)를 폐쇄할 수 있다. 제1 요건은 제1 밸브(248)를 개방한 이벤트가 완료되었다는 것을 보장하기에 충분히 긴 사전 결정된 최소 시간(예를 들어, 대략 2초) 동안 제1 밸브(248)를 개방 상태로 유지하는 것을 포함할 수 있다. 제2 요건은 연료 전지 애노드(204)가 제1 밸브(248)의 재폐쇄시에 부족압으로 되지 않도록 제3 압력차(P8)가 사전 결정된 임계값(예를 들어, 대략 15 iwc) 미만인 것을 포함할 수 있다. 제3 요건은 제1 압력차(P4)가 사전 결정된 임계값(예를 들어, -1 iwc 초과, 0 iwc 초과, 또는 +1 iwc 초과 등) 이상인 것을 포함할 수 있다. 요건들이 충족되고 제1 밸브(248)가 폐쇄된 후에, 제어 시스템(220)은 애노드 송풍기 속도를 조절하여, 제1 압력차(P4)를 감소시키도록 애노드 송풍기(224)를 가속시키거나, 또는 제1 압력차(P4)를 증가시키도록 애노드 송풍기(224)를 감속시킬 수 있다. 그러므로, 제1 밸브(248)가 개방된 동안, 송풍기 속도는 속도 제어기에 의해서만 감소될 수 있고, 폐쇄된 동안, 애노드 송풍기는 정상 제어 하에 있으며, 속도는 증가되거나 또는 감소될 수 있다. 상기 논의가 제1 압력차(P4)에 대해 사전 결정된 임계값을 정의하였지만, 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 사전 결정된 임계값은 제2 압력차(P5)에 대해 취해질 수 있다.
도 1 및 도 2가 연료 전지(102, 202)와 애노드 송풍기(124, 224) 사이에 배치된 처리 시스템(122, 222)을 도시하였지만, 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 처리 시스템(122, 222)이 애노드 송풍기(124, 224)로부터 하류에 배치될 수 있어서, 애노드 송풍기(124, 224)는 처리된 애노드 배기가 아니라 애노드(104, 204)로부터 직접 애노드 배기를 수용한다.
다시 도 2를 참조하면, 연료 전지 시스템(200)은 애노드 부족압 보호 시스템(234)에 추가하여, 적어도 하나의 배압 제어 시스템(즉, 애노드 과압 보호 시스템)(236)을 포함한다. 배압 제어 시스템(236)은 캐소드 가스 라인(309)을 통해 캐소드 유입 압력(P3)으로 캐소드 입구에 연결되고, 애노드 배기 라인(121)을 통해 애노드 배출 압력(P2)으로 애노드 배기 가스를 수용한다. 배압 제어 시스템(236)은 예를 들어 애노드 송풍기(224)의 속도에서의 변화에 의해 즉시 충족되지 않는 애노드 출구 체적 유량에서의 급격한 증가에 의해 유발될 수 있는 것으로서, 연료 전지(202)에서 과잉 애노드 과압을 방지하도록 구성된다.
이제 도 3을 참조하면, 연료 전지 시스템을 위한 배압 제어 시스템의 예시적인 실시형태는 수위 조정 수밀봉 장치(즉, 수밀봉부)(300)를 포함하고, 이는 제1 시스템 압력(예를 들어, 연료 전지 애노드 출구 압력, P애노드)을 제한하고, 제1 시스템 압력과 알려진 관계(P애노드 - P캐소드 = P차압)를 갖는 제2 시스템 압력(예를 들어, 연료 전지 캐소드 입구 압력, P캐소드)에 의해 그 수위가 조정된다. P애노드 및 P캐소드는 각각 애노드 배출 압력(P2)과 캐소드 유입 압력(P3)과 같을 수 있다. 이러한 구성의 한 가지 장점은 시스템 압력이 또한 때때로 급격하게 변할 때, 수밀봉 장치(300)가 정상 작동 및 정지 모드를 포함하는, 연료 전지 시스템의 모든 작동 모드에 걸쳐서 뿐만 아니라 부하에서의 큰 변화 또는 급격한 정지와 같은 작동 전환 동안 과압 보호를 제공하기 위해 수밀봉부에서의 수위의 신속 작동 수동적 제어를 제공할 수 있다는 것이다.
여전히 도 3을 참조하면, 수밀봉부(300)는 물(304)을 수용하는 수밀봉부 탱크(302) 및 수밀봉부 수직 홈통(306)을 포함한다. 수밀봉부 수직 홈통(306)은 애노드 배기 라인(예를 들어, 도 2의 (221))에 연결되므로 제1 시스템 압력(예를 들어, 연료 전지 애노드 출구 압력, P2)를 감지하는 수밀봉부 수직 홈통 입구(308), 및 수밀봉부 탱크(302)에서의 물(304) 아래에 잠긴 수밀봉부 수직 홈통 출구(310)를 갖는다. 수밀봉부 탱크(302)는 대기 환기구(312)를 통해 대기로 환기된다. 그러므로, 수밀봉부 탱크(302)에 걸친 압력은 대기압이다.
수밀봉부 탱크(302)는 물 라인(320)에 의해, 도 2의 캐소드 입구 라인(212)에 연결된 라인(309)에 의해 제2 시스템 압력(예를 들어, 연료 전지 캐소드 압력(P3))에 연결된 저수조 탱크(322)에 유체 연결된다. 수위 조정 수밀봉부(300)는 저수조 탱크(322)와 수밀봉부 탱크(302) 사이에 산재된 고정된 체적의 물에 의해 작동하며, 물은 애노드 배기 라인(221)의 적절한 과압 버스트 보호를 항상 유지하기 위해 수밀봉부 탱크(302)의 수위(314)를 신속하게 조정하도록 전후로 가압된다. 제2 시스템 압력(예를 들어, P캐소드)이 증가하거나 감소함에 따라서, 저수조 물(324)이 수밀봉부 탱크(302)로부터 물 라인(320)을 통해 저수조 탱크(322)로 또는 그 반대로 강제되기 때문에, 수밀봉부 수위(314)가 조정된다.
저수조 탱크(322)는 직경이 더욱 크고, 그러므로 (수밀봉부 수직 홈통(306)의 단면적보다 작은) 수밀봉부 탱크(302)보다 더 큰 단면적을 가져서, 제2 시스템 압력에서의 변화는 주로 수밀봉부 탱크(302)에서의 수위에 영향을 미친다. 유체 단면적의 비율은 캐소드 압력이 변함에 따라서 수밀봉부 수위(314)를 예측 가능하게 변경하도록 선택된다. 캐소드 압력이 증가함에 따라서, 수밀봉부 수위(314)는 저수조 탱크 수위(326)가 단면적의 비율을 곱한 만큼 감소한 정도까지 증가한다. 예를 들어, 저수조 탱크(322) 단면적이 수밀봉부 탱크(302)(수밀봉부 수직 홈통(306)보다 작은) 단면적의 5배이면, 수밀봉부 수위(314)는 저수조 탱크 수위(326)에서 1 인치 감소할 때마다 5인치 증가할 것이다. 수밀봉부 탱크(302)가 대기로 환기되기 때문에, 하나의 탱크와 다른 탱크 사이의 수위 높이 차이는 연료 전지 캐소드 입구 라인(212)(도 2)에 연결된 라인(309)을 통해 감지된 바와 같이 항상 캐소드 압력과 동일하다. 단면적의 비율이 임의의 특정 범위로 제한될 필요는 없지만, 다양한 작동 조건에서 수밀봉부에서 수위(314) 변화의 영향을 제어하기 위하여 저수조 탱크(322)와 수밀봉부 탱크(302)(수밀봉부 수직 홈통(306)보다 작은) 사이에 약 3 내지 6과 같은 단면적의 비율을 갖는 것이 때때로 유리하다. 표 1은 수밀봉부(300)가 전체 범위의 연료 전지 작동에 걸쳐서 수밀봉부 탱크(302)에서 물의 보호 수위를 유지하는 방법을 보여준다. 이와 관련하여, 수밀봉부(300)는 압력차 환기구로서 작용한다.
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여전히 도 3을 참조하면, 수밀봉부(300)는 목적하는 범위 내에서 수밀봉부(300) 내의 물의 체적을 유지하기 위한 추가적인 선택적 특징부를 포함할 수 있다. 수밀봉부(300)는 저수조 탱크(322)와 수밀봉부 탱크(302) 사이에서 신속하게 전달될 수 있는 고정된 체적의 물로 작동한다. 그러나, 물은 높은 이슬점(dew point)을 갖는 수밀봉부 수직 홈통(306)을 통한 애노드 가스와의 연결로 인해 수밀봉부(300)에서 축적될 수 있어서, 수밀봉부 탱크(302)에서 물이 점차적으로 응축되게 한다. 따라서, 물은 때때로 수위 제어 서브 조립체(332)에 의해 수밀봉부 탱크(302)로부터 제거될 수 있다. 수위 제어 서브 조립체(332)는 수위 제어기(333)에 의해 제어되는 수위 전송기(336) 및 수위 제어 펌프(338)를 포함한다. 수위 제어 펌프(338)는 물 파이프(334)를 통해 수밀봉부 탱크(302)에 유체 흐름 가능하게 연결된다. 모든 작동 조건 하에서, 수위 전송기(336)는 캐소드 입구 압력(P캐소드)(P3)에 기초하여 설정값을 수신하여, 수밀봉부 탱크(302)에서 과잉의 물이 축적되는 것을 방지하기 위해 필요에 따라 수위 제어 펌프(338)를 켠다. 이에 의해, 수위 제어 서브 조립체(332)는 때때로 처리 가스에서의 습기의 응축으로부터 축적되는 물을 제거하거나, 또는 그렇지 않으면 목적하는 작동 조건을 유지하기 위해 필요에 따라 수밀봉부 수위(314)를 감소시킨다.
도 3에 도시된 바와 같이, 수밀봉부(300)는 추가적인 선택적 특징부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 비혼입 구역(disentrainment zone)(328)은 수밀봉부 탱크(302)의 상부(330)와 대기 환기구(312) 사이에 개재될 수 있다. 비혼입 구역(328)은 물을 혼입함이 없이 높은 애노드 배기 유량의 환기를 허용하도록 수밀봉부 탱크(302)보다 큰 단면적을 갖는다. 이에 의해, 비혼입 구역(328)은 수밀봉 장치(300)가 보다 넓은 작동 업셋의 범위에 걸쳐서 연료 전지 시스템을 보호하는 것을 가능하게 한다.
이제 도 4를 참조하면, 연료 전지 시스템을 위한 배압 제어 시스템의 다른 예시적인 실시형태는 수밀봉부(300)(도 3)와 동일한 기능을 수행할 수 있는 배압 제어 밸브 또는 압력차 조절 장치(400)를 포함한다. 압력차 조절 장치(400)는 애노드-캐소드 압력차를 유지하기 위해 제어 밸브(402) 및 액추에이터(404)를 포함한다. 이러한 예시적인 실시형태에서, 압력차 조절 장치(400)는 송풍기(224)(도 2)와 직렬로 연결되지 않는다. 대신, 압력 조절 장치는 밸브(402)를 통해 대기로 환기된다. 유량이 업셋 동안 매우 빠르게 변하기 때문에, 밸브(402)는 연료 전지를 보호하기 위해 신속하게 작동하여야만 한다(예를 들어, 바람직하게는 200 밀리초 정도 작동하여야만 한다). 높은 애노드-캐소드 압력차로 인해 발생할 수 있는 비상 정지 동안, 밸브(402)는 개방되고, 환기 라인(410)을 통해 애노드 배기 가스를 대기로 환기시킨다. 캐소드 입구 압력과 애노드 압력이 정상 작동 동안 매우 유사하기 때문에, 밸브 유형에 따라 밸브(402)가 대기로 누출될 가능성이 있다. 이러한 잠재적인 누출을 방지하기 위해, 정상 작동 동안, 신속 작동 밸브(408)는 애노드 배기 가스가 대기로 환기되는 것을 방지하기 위해 추가될 수 있다. 밸브(408)는 높은 애노드 압력에 의해 유발되는 정지를 포함하는 임의의 정지 동안 빠르게 개방될 것이다.
여전히 도 4를 참조하면, 제어 밸브(402) 및 액추에이터(404)는 업셋 동안 캐소드 입구 압력과 거의 동일하게 애노드 출구 압력을 유지한다. 정상 작동 동안, 캐소드 입구(212)(도 2)는 밸브 액추에이터(404)의 제1 구역(405)에 연결된 캐소드 감지 라인(309)에 연결된다. 한편, 애노드 출구(210)(도 2)는 액추에이터(404)의 제2 구역(406)에 연결된 애노드 감지 라인(416)에 연결된다. P3(P캐소드)가 증가할 때, 이는 액추에이터(404) 내의 다이어프램(도시되지 않음)의 제1 측면에 압력을 가하며, 이에 의해 애노드 배기 가스 유동을 감소시키고 P2(P애노드)를 증가시키기 위해 밸브(402)를 폐쇄한다. P3(P캐소드)가 감소할 때, 캐소드 유입 가스는 액추에이터(404) 내의 다이어프램(도시되지 않음)의 제1 측면에 보다 작은 압력을 가하고, 이에 의해 애노드 배기 가스 유동을 증가시키고 P2(P애노드)를 감소시키기 위해 제어 밸브(402)를 부분적으로 또는 완전히 개방한다. 유사하게, P2(P애노드)가 증가할 때, 애노드 배기 가스는 액추에이터(404) 내의 다이어프램의 제2 측면에 더 큰 압력을 가하여, 제어 밸브(402)를 부분적으로 또는 완전히 개방하고 P2(P애노드)를 감소시킨다.
도 4에 도시된 바와 같이, 압력차 조절 장치(400)는 추가적인 선택적 특징부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 유동 스위치(418)는 밸브(408)가 고장나면 작업자에게 통지하기 위해 제어 밸브(402)로부터 하류에 포함될 수 있다. 유동 스위치(418)는 바람직하게는 애노드 배기 라인(221)에 가까운 라인에서의 높은 지점에 위치된다. 바람직하게는, 유동 스위치(418)는 밸브(402)에 대한 보다 용이한 유지 보수를 가능하게 하기 위해 제어 밸브(402)로부터 하류에 있다.
이제 도 5를 참조하면, 목적하는 낮은 압력차 때문에, 특히 수동적 제어 시스템이 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 사용될 때, 정상 작동 동안 밸브(502)를 통한 누출의 가능성이 있을 수 있다. 이러한 경우에, 신속 작동 밸브(508)는 작은 환기 라인 또는 압력 균등화 라인(520)을 이용하여 배압 조절기 밸브(502)로의 애노드 압력 라인(516)에 선택적으로 포함되고, 유닛이 정지될 때마다 즉시 개방될 수 있다. 이것은 누출을 방지하기 위해 정상 작동 동안 조절기 밸브(502)에서 높은 압력차를 유지한다.
여전히 도 5를 참조하면, 배압 제어 시스템의 다른 예시적인 실시형태는 압력차 조절 장치(500)이며, 압력차 조절 장치(500)는 송풍기(224)(도 2)와 직렬로 연결되지 않는다. 이러한 예시적인 실시형태에서, 밸브(508)는 애노드 출구(210)(도 2)와 밸브 액추에이터(504)의 제2 구역(506) 사이의 애노드 감지 라인(516)에 위치될 수 있다. 밸브 액추에이터(504)의 제2 구역(506)으로부터의 작은 압력 균등화 라인(520)은 밸브(502)의 하류로 루트가 정해진다. 추가적으로, 애노드 감지 라인(516)은 압력 균등화 라인(520)을 통한 애노드 배기 가스 유동이 액추에이터(504)의 압력에 영향을 미치기에 불충분한 압력 균등화 라인(520)에 비해 충분히 커야 한다.
정상 작동 동안, 밸브(508)가 폐쇄되어서, 조절기 액추에이터(504)의 제2 구역(506)에서의 압력은 0으로 되고, 밸브(502)는 액추에이터(504)의 제1 구역(505)에서의 캐소드 유입 가스의 압력으로 인해 폐쇄된다. 비상 정지 동안, 밸브(508)는 애노드 감지 라인(516)으로 개방되어서, 액추에이터(504)의 제2 구역(506) 내에서 가해지는 압력은 애노드 배기 압력(P2)과 동일하다. 이에 의해, 애노드-캐소드 압력차는 목적하는 값으로 유지된다. 애노드 과압의 경우에, 애노드 배기 가스는 환기 라인(510)을 통해 대기로 환기된다.
여전히 도 5를 참조하면, 밸브(508)가 개방될 때(예를 들어, 업셋 동안), 제어 밸브(502) 및 액추에이터(504)는 캐소드 입구 압력과 거의 동일하게 애노드 출구 압력을 유지한다. 캐소드 입구(212)(도 2)는 밸브 액추에이터(504)의 제1 구역(505)에 연결된 캐소드 감지 라인(309)에 연결된다. 한편, 애노드 출구(210)(도 2)는 액추에이터(504)의 제2 구역(506)에 연결된 애노드 감지 라인(516)에 연결된다. P3(P캐소드)가 증가할 때, 이는 액추에이터(504) 내의 다이어프램(도시되지 않음)의 제1 측면에 압력을 가하고, 이에 의해 애노드 배기 가스 유동을 감소시키고 P2(P애노드)를 증가시키기 위해 밸브(502)를 폐쇄한다. P3(P캐소드)가 감소할 때, 캐소드 유입 가스는 액추에이터(504) 내의 다이어프램(도시되지 않음)의 제1 측면에 보다 작은 압력을 가하고, 이에 의해 애노드 배기 가스 유동을 증가시키고 P2(P애노드)를 감소시키기 위해 제어 밸브(502)를 부분적으로 또는 완전히 개방한다. 유사하게, P2(P애노드)가 증가할 때, 애노드 배기 가스는 액추에이터(504) 내의 다이어프램의 제2 측면에 보다 큰 압력을 가하여, 제어 밸브(502)를 부분적으로 또는 완전히 개방하고 P2(P애노드)를 감소시킨다.
여전히 도 5를 참조하면, 추가적인 선택적 특징부가 압력차 조절 장치(500)에 포함될 수 있다. 소형 솔레노이드 밸브(도시되지 않음)는 압력 균등화 라인(520)에 배치되고 ESD 동안 자동으로 폐쇄되도록 구성될 수 있다. 유동 스위치(518)는 또한 밸브(508)가 고장나면 작업자에게 통지하기 위해 제어 밸브(502)로부터 하류에 포함될 수 있다. 유동 스위치(518)는 바람직하게는 애노드 배기 라인(221)에 가까운 라인에서 높은 지점에 위치된다. 바람직하게는, 유동 스위치(518)는 밸브(502)에 대한 보다 용이한 유지 보수를 허용하기 위해 제어 밸브(502)로부터 하류에 있다.
그러나, 밸브 액추에이터(404, 504)가 캐소드 입구 및 애노드 출구에 대한 압력 연결에 의해 직접 제어되는 수동형 배압 조절기 밸브(402, 502)를 도 4 및 도 5가 도시하고 있지만, 다른 실시형태(도시되지 않음)에서, 전자 제어 시스템이 정지 동안 요구된 밸브(402, 502)의 신속한 작동을 지연시키지 않으면, 압력 제어는 전자 제어 시스템을 통과할 수 있다.
압력 서지 보호 시스템
이제 도 6을 참조하면, 다른 실시형태에서, 연료 전지 시스템(600)은 압력 서지 보호 시스템(634)을 포함한다. 압력 서지 보호 시스템(634)은 애노드 송풍기(624)의 속도에서의 변화에 의해 즉시 충족되지 않는 애노드 출구 체적 유량에서의 급격한 변화에 의해 유발되는 연료 전지(602)에서의 과도한 압력 서지를 방지하도록 구성된다. 압력 서지 보호 시스템(634)은 물 또는 다른 적절한 액체가 부분적으로 채워진 용기(638)(예를 들어, 저수조)를 갖는 수밀봉부(636)를 포함한다. 수밀봉부 수직 홈통(640)(예를 들어, 파이프, 라인, 도관 등)은, 애노드 배기 라인(621)에 유체 흐름 가능하게 연결되고 애노드 배기 라인(621)으로부터 반대편 단부에서 수밀봉부 수직 홈통 출구(642)를 한정하는 시작 지점을 갖는다. 수밀봉부 수직 홈통(640)은 일반적으로 애노드 배기 라인(621)으로부터 위쪽을 향해 연장되고, 이어서 일반적으로 용기(638) 내로 아래를 향해 연장되어서, 수밀봉부 수직 홈통 출구(642)는 물에 배치되어, 수밀봉부와 함께 에어 록(air lock)을 형성한다. 이러한 구성에서, 애노드 배기는 애노드 배기 라인(621)으로부터 환기구(644)를 통해, 그리고 용기(638)에 있는 물을 통해 대기 또는 다른 위치로 환기될 수 있다. 환기구(644)는 용기(638)의 상부 부분에서 한정되고, 연료 전지 시스템(600)으로부터 애노드 배기를 출력하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 환기구(638)는 애노드 배기를 대기로 출력할 수 있거나, 또는 환기된 애노드 배기를 포집하고 저장하도록 구성된 다른 시스템에 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있다. 환기구(644)는 또한 물 위의 공기가 대기압을 유지하는 것을 가능하게 하도록 구성될 수 있어서, 용기(638)는 애노드 배기가 그 내부에 수용됨에 따라서 압력이 증가하지 않는다.
용기(638)는 수밀봉부 수직 홈통 출구(642)로부터 수직으로 측정되는 목적하는 수위까지 물이 채워질 수 있다. 물은 용기(638)에 추가되거나 용기로부터 배수되어, 수밀봉부 수직 홈통 출구(642)에서 측정된 수밀봉 압력(P9)을 제어할 수 있다. 수밀봉 압력(P9)은 용기(638)에서의 수위에 따라 직접적으로 변한다. 예를 들어, 수위가 수밀봉부 수직 홈통 출구(642)보다 2인치 위에 있을 때, 수밀봉 압력(P9)은 2 iwc이다. 애노드 배기는 애노드 출구 압력(P2)이 수밀봉 압력(P9)을 초과할 때 애노드 배기 라인(621)으로부터 환기될 것이다. 이러한 구성에서, 수밀봉부(636)는 과압 상태에서 애노드 배기를 환기시킬 수 있지만, 애노드 배기 라인(621)에서 외부 가스와 애노드 배기의 혼합을 방지한다. 일 실시형태에 따르면, 수위는 과압이 애노드(604)에서 6 iwc로 제한되도록 설정될 수 있다. 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 수위는 과압이 10 또는 15 iwc로 제한되도록 설정될 수 있다.
여전히 도 6을 참조하면, 압력 서지 보호 시스템(634)은 송풍기 재순환 라인(646)을 포함한다. 송풍기 재순환 라인(646)은 송풍기 출구(628)로부터 하류에 있는 연료 전지 시스템(600)의 일부를 송풍기 입구(626)로부터 상류에 있는 연료 전지 시스템(600)의 일부에 (예를 들어, 처리 시스템(622)과 송풍기 입구(626) 사이에서) 유체 흐름 가능하게 연결한다. 송풍기 재순환 라인(646)은 송풍기 출구(628)로부터 고압 처리된 스트림의 적어도 일부를 송풍기 입구(626)의 부족압 스트림으로 다시 이동시키도록 구성되어, 애노드 부족압을 감소시키거나 제거하기 위해 애노드 출구 매니폴드(610)에서의 압력을 증가시킨다.
송풍기 재순환 라인(646)은 직렬로 송풍기 재순환 라인(646)을 따라서 연결된 제1 밸브(648) 및 제2 밸브(650)를 포함한다. 제1 밸브(648)는 제어 시스템(620)에 연결된 자동화 밸브이며, 개방하라는 명령을 수신할 때까지 폐쇄 위치에 남는다. 연료 전지 시스템(600)이 애노드 부족압을 가질 때, 제1 또는 제2 압력차 전송기(616, 618) 중 적어도 하나는 연료 전지 시스템(600)이 애노드 부족압 상태에 있다는 것을 제어 시스템(620)에 신호한다. 이어서, 제어 시스템(620)은 제1 밸브(648)가 폐쇄 위치로부터 개방 위치로 이동하는 지점에서 개방하라는 신호를 제1 밸브(648)에 전송한다. 예시적인 실시형태에 따르면, 제1 밸브(648)는 제어 시스템(620)으로부터 신호를 수신한 후 약 200 밀리 초 이내에 개방되도록 구성될 수 있다. 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 제1 밸브(648)는 연료 전지 시스템(600)에서 애노드 부족압 상태의 제1 검출이 발생한 후 약 200 밀리 초 이내에 개방되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 밸브(648)는 제1 또는 제2 압력차(P4, P5) 중 적어도 하나가 대략 -2 iwc임을 감지할 때 개방될 수 있다. 제1 밸브(648)가 개방될 때, 고압 애노드 배기는 송풍기 출구(628)로부터 송풍기 재순환 라인(646)을 통해 송풍기 입구(626)로 이동한다. 제1 밸브(648)는 또한 연료 전지 시스템(600)이 연료 전지(602)에서의 전기 부하의 손실 또는 제1 밸브(648)로의 전력의 손실을 감지할 때 개방되도록 구성될 수 있다. 제1 밸브(648)는 또한 제어 시스템으로부터의 신호가 모든 전기 부하 또는 전기 부하의 특정 백분율을 강하시키도록 연료 전지에 명령할 때 개방되도록 구성될 수 있다.
제2 밸브(650)는 압력 제어 밸브이며, 송풍기 재순환 라인(646)을 통과하고 송풍기 입구(626)에 수용되는 처리된 스트림의 유동을 제한하도록 구성되어서, 애노드 부족압에 대한 제1 밸브(648)의 개방의 영향은 제2 밸브(650)의 개방을 사전 설정하는 것에 의해(예를 들어, 사전 결정된 압력에서) 제어될 수 있다. 예를 들어, 제1 밸브(648)가 개방될 때, 연료 전지(602)에서의 과압(예를 들어, 배압), 그러므로 수밀봉 환기구(644)를 통한 애노드 배기 가스의 과도한 환기로 이어질 수 있는 고압 처리된 스트림은 송풍기 재순환 라인(646)을 통해 송풍기(624)로부터의 상류에 있는 위치로 재순환된다. 제2 밸브(650)는 제1 밸브(648)의 개방시에 연료 전지(602)에서의 과압을 제한하기 위해 송풍기 재순환 라인(646)의 체적 유량을 제어한다. 제2 밸브(650)가 완전히 개방된 위치에 있고 연료 전지(602)의 약간의 과압이 발생하더라도, 수밀봉부(636)의 존재는 연료 전지(602)에 대한 과압의 양을 손상을 일으킬 수 있는 임계값 아래로 제한한다는 점에 유의해야 한다. 예시적인 실시형태에 따르면, 제2 밸브(650)는 사전 설정된 수동 밸브, 오리피스, 연료 전지(602)의 출력에 기초하여 그 위치(예를 들어, 개방 또는 폐쇄 백분율)를 변경하도록 구성된 자동화 밸브, 또는 다른 적절한 밸브일 수 있다. 도 6이 제1 밸브(648)로부터 하류에 배치된 제2 밸브(650)를 도시하였지만, 다른 실시형태에 따르면, 제2 밸브(650)는 제1 밸브(648)로부터 상류에 배치될 수 있다.
제1 밸브(648)가 개방되고 송풍기 출구(628)로부터 출력된 고압 처리된 스트림이 저압 송풍기 입구(626)로 다시 재순환될 때, 애노드 송풍기(624)는 애노드(604)와 캐소드(606) 사이의 제1 및/또는 제2 압력차(P4, P5)를 더 이상 효과적으로 제어하지 못할 수 있다. 이러한 이유 때문에, 제1 밸브(648)가 개방될 때, 애노드 송풍기(624)는 이어서 제1 및/또는 제2 압력차(P4, P5)를 제어하기 위해 속도를 조절하도록 속도 제어기(630)에 의해 신호를 받는다. 일부 구성에서, 제1 밸브(648)가 개방될 때, 송풍기 속도는 단지 감소(즉, 감속)되거나 또는 중단될 수 있고, 증가(즉, 가속)되지 않을 수 있다. 애노드 송풍기(624)의 이러한 감속은 제3 압력차(P8)에서의 강하를 측정하는 것에 의해 측정될 수 있다. 이러한 구성에서, 일부 실시형태에 따르면, 애노드 송풍기(624)가 느려짐에 따라서, 더 이상 부하가 존재하지 않고/않거나 애노드 송풍기(624)가 정지될 때까지, 연료 전지(602)에 대한 부하(예를 들어, 압력)가 감소된다. 이러한 상태에서, 연료 전지(602)는 애노드 송풍기(624)가 가속되기 시작하자마자 전기를 발전하도록 구성되는 "상시 대기(hot standby)" 상태에 있다.
애노드 부족압을 방지하기 위해 제1 밸브(648)를 개방한 후에, 애노드 송풍기(624)가 제1 및/또는 제2 압력차(P4, P5)의 정상적인 제어를 재개할 수 있도록, 제1 밸브(648)는 다시 폐쇄되어야만 한다. 제1 밸브(648)의 재폐쇄는 연료 전지(602)가 여전히 부하 상태에 있는 동안 또는 연료 전지(602)가 모든 부하를 없애고 부하 작동을 재개할 준비가 된 유휴 상태 후에 발생할 수 있다. 제어 시스템(620)은 다양한 요건이 충족될 때 제1 밸브(648)를 폐쇄할 수 있다. 제1 요건은 제1 밸브(648)를 개방한 이벤트가 완료되었다는 것을 보장하기에 충분히 긴 사전 결정된 최소 시간(예를 들어, 대략 2초) 동안 제1 밸브(648)를 개방 상태로 유지하는 것을 포함할 수 있다. 제2 요건은 연료 전지 애노드(604)가 제1 밸브(648)의 재폐쇄시에 부족압으로 되지 않도록 제3 압력차(P8)가 사전 결정된 임계값(예를 들어, 대략 15 iwc) 미만인 것을 포함할 수 있다. 제3 요건은 제1 압력차(P4)가 사전 결정된 임계값(예를 들어, -1 iwc 초과, 0 iwc 초과, 또는 +1 iwc 초과 등)을 초과하는 것을 포함할 수 있다. 요건들이 충족되고 제1 밸브(648)가 폐쇄된 후에, 제어 시스템(620)은 애노드 송풍기 속도를 조절하여, 제1 압력차(P4)를 감소시키도록 애노드 송풍기(624)를 가속시키거나, 또는 제1 압력차(P4)를 증가시키도록 애노드 송풍기(624)를 감속시킬 수 있다. 그러므로, 제1 밸브(648)가 개방된 동안, 송풍기 속도는 속도 제어기에 의해서만 감소될 수 있고, 폐쇄된 동안 애노드 송풍기는 정상 제어 하에 있으며, 속도는 증가되거나 또는 감소될 수 있다. 상기 논의가 제1 압력차(P4)에 대해 사전 결정된 임계값을 한정하였지만, 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 사전 결정된 임계값은 제2 압력차(P5)에 대해 취해질 수 있다. 예를 들어, 연료 전지(602)가 낮은 압력 강하 구성을 갖는 경우에, 제1 압력차(P4)는 제2 압력차(P5)와 실질적으로 유사할 수 있다.
이제 도 7을 참조하면, 다른 예시적인 실시형태에 따른 압력 서지 보호 시스템(734)이 있는 연료 전지 시스템(700)이 도시되어 있다. 수밀봉부(예를 들어, 636, 도 6) 대신에 또는 이에 추가하여, 압력 서지 보호 시스템(734)은 애노드 배기 라인(721)으로부터 압력 릴리프 라인(754)을 통해 연장되는 압력 릴리프 밸브(752)를 포함한다. 압력 릴리프 밸브(752)는 대체로 폐쇄 위치에 있고, 사전 결정된 압력에서 개방되도록 설정되어서, 애노드 배기가 사전 결정된 압력에 도달할 때, 애노드 배기는 수밀봉부(636)(도 6)에서와 실질적으로 동일한 방식으로 연료 전지 시스템(700)으로부터 순간적으로 출력된다. 사전 결정된 압력은 연료 전지(702)의 애노드 과압으로 인한 연료 전지(702)에 대한 손상을 제한하도록 선택될 수 있다.
압력 릴리프 밸브(752)가 이를 통과하는 고온의 애노드 배기의 짧은 지속 기간에 민감할 수 있기 때문에, 압력 릴리프 밸브(752)에서의 열은 압력 릴리프 밸브(752)로부터 상류에서 압력 릴리프 라인(754)에 결합된 히트 싱크(756)로 제어될 수 있다. 히트 싱크(756)는 압력 릴리프 라인(754) 상에 배치된 금속 또는 다른 열 흡수 재료가 채워진 컬럼을 포함하여서, 열은 애노드 배기로부터 히트 싱크(756)로 전달될 수 있다. 히트 싱크(756)는 애노드 배기로부터 충분한 열을 흡수하도록 구성(예를 들어, 크기화)될 수 있어서, 애노드 배기는 압력 릴리프 밸브(752)를 손상시킴이 없이 수 초 동안 (예를 들어, 연료 전지(702)의 과압이 해소될 때까지) 압력 릴리프 밸브(752)를 통과할 수 있다. 이어서, 히트 싱크(756)는 평형(예를 들어, 주변 온도)에 도달할 때까지 열을 주변으로 전달한다.
온도 센서(758)는 히트 싱크(756)와 압력 릴리프 밸브(752) 사이의 압력 릴리프 라인(754)에 배치될 수 있다. 온도 센서(758)는 압력 릴리프 밸브(752)에서 수용된 애노드 배기 가스의 온도를 측정하고 온도를 제어 시스템(720)에 전송한다. 온도 센서(758)에서 측정된 온도가 장기간 동안 너무 높아서(예를 들어, 임계 온도 이상이어서), 애노드 배기는 압력 릴리프 밸브(752)를 손상시킬 가능성이 있으며, 제어 시스템(720)은 압력 릴리프 밸브(752)를 통한 애노드 배기의 유동을 감소시키거나 또는 중단시키기 위해 연료 전지(702)를 정지시킬 수 있다.
도 6 및 도 7이 송풍기 재순환 라인(646, 746)이 처리 시스템(622, 722)과 송풍기 입구(626, 726) 사이에서 연료 전지 시스템(600, 700)의 일부에 연결되는 것을 도시하지만, 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 송풍기 재순환 라인(646, 746)은 처리 시스템(622, 722)으로부터 상류 또는 처리 시스템(622, 722) 내의 임의의 중간 지점에서 연료 전지 시스템(600, 700)의 일부에 연결될 수 있다.
도 6 및 도 7이 연료 전지(602, 702)와 애노드 송풍기(624, 724) 사이에 배치된 처리 시스템(622, 722)을 도시하지만, 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 처리 시스템(622, 722)이 애노드 송풍기(624, 724)로부터 하류에 배치될 수 있어서, 애노드 송풍기(624, 724)는 처리된 애노드 배기보다는 오히려 애노드(604, 704)로부터 애노드 배기를 직접 수용한다. 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 수밀봉부 수직 홈통(640)(도 6) 및/또는 압력 릴리프 라인(754)(도 7)이 애노드 송풍기(624, 724)로부터 상류에 있으면, 수밀봉부 수직 홈통(640) 및/또는 압력 릴리프 라인(754)은 처리 시스템(622, 722)으로부터 상류 또는 하류에 배치될 수 있다. 이러한 구성에서, 연료 전지(602, 702)는 애노드 과압으로부터 보호된다.
이제 도 8을 참조하면, 압력 서지 보호 시스템(634)이 없는 연료 전지 시스템에 대한 제1 압력차(P4) 및 연료 전지 전력의 백분율의 테스트 결과의 플롯이 도시되어 있다. 도 8에 제공된 바와 같이, 연료 전지(602)가 전체 부하 용량의 약 72%로부터 0%로 급격히 강하할 때(예를 들어, 연료 전지가 그 부하를 순간적으로 없앨 때), 제1 압력차(P4)는 3초 내에 약 17 iwc만큼 강하하고, 복구를 시작하기 전에 약 6초 동안 -15 iwc 미만에서 머문다. 도 8이 대략 -16.3 iwc의 지속된 제1 압력차(P4)를 도시한다는 것에 유의한다. 그러나, 테스트 동안, 제1 압력차 전송기(616)는 -16.3 iwc만큼 낮게만 측정할 수 있었다. 도 8은 테스트 동안 측정된 다른 작동 파라미터에 기초하여 연료 전지가 정지되고 5초 후에 약 -25 iwc의 피크 부족압이 있는 추정된 곡선을 추가로 도시한다. 이러한 테스트로부터의 결과에 기초하여, 전체 부하 용량의 100%로부터 0%로의 급격한 감소는 제1 압력차(P4)를 약 -35 iwc만큼 변화시킬 것으로 예상되며, 이는 연료 전지(602)에 손상을 일으킬 가능성이 매우 높다.
이제 도 9를 참조하면, 도 6에 도시된 바와 같은 구성을 갖는 압력 서지 보호 시스템(634)이 있는 연료 전지 시스템에 대한 제1 압력차(P4) 및 연료 전지 전력의 백분율의 테스트 결과의 플롯이 도시된다. 도 9에 도시된 바와 같이, 연료 전지(602)가 완전 부하 용량의 100%로부터 0%로 급격히 강하할 때, 제1 압력차(P4)는 부하에서의 강하 후 2초까지 -5 iwc로 강하한다. 제1 압력차(P4)가 강하함에 따라서, 제어기(620)는 압력차에서의 변화를 감지하고, 제1 밸브(648)는 약 200 밀리 초 이내에 개방된다. 이어서, 제1 압력차(P4)는 다시 급격히 상승한다. 연료 전지(602)에서 부하가 감소하고 대략 8초 후에, 수밀봉부(636)는 제1 압력차(P4)의 증가를 약 5 iwc로 제한한다(이러한 테스트가 수밀봉부(636)로 수행되었지만, 압력 릴리프 밸브(752)(예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이 구성됨)로도 유사한 결과가 예상된다). 이어서, 도 9는 제1 밸브(648)가 폐쇄되고 애노드 송풍기(624)가 속도 제어기(630)에 의해 제어되는 바와 같이 제1 및/또는 제2 압력차(P4, P5)의 제어를 재개함에 따라서, 약 1 iwc로 다시 점차적으로 복귀하기 전에 약 -8 iwc로 강하하는 제1 압력차(P4)를 도시한다. 도 8에 도시된 시스템과는 다르게, 도 9는 여전히 압력 서지를 가지지만, 제1 압력차(P4)는 일정 범위(예를 들어, 약 -8 내지 +5 iwc) 내에서 규모가 실질적으로 제한된다. 이러한 범위는 연료 전지(602)에 손상을 유발할 가능성이 없는 범위 내에 있는데 반하여, 압력 서지 보호 시스템(634)이 없는 연료 전지 시스템은 이러한 범위에 놓이지 않는다. 도 9는 연료 전지(602)로부터의 가장 심각한 압력 서지 상태를 나타내는 부하의 완전한 손실을 도시한다는 것이 인식되어야 한다. 연료 전지(602)가 0%까지는 아니지만 급격한 부하에서의 감소를 갖는 경우에, 압력 서지의 규모는 도 9에 도시된 것보다 작을 것으로 예상된다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "대략", "약", "실질적으로" 및 유사한 용어는 본 개시내용의 요지가 당업자에 의해 일반적이고 허용되는 사용과 조화를 이루는 넓은 의미를 갖는 것으로 의도된다. 본 개시내용을 검토하는 당업자는 이들 용어가 제공되는 정확한 수치 범위로 이들 특징부의 범위를 제한함이 없이 기술되고 청구된 특정 특징부의 설명을 허용하도록 의도된다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 이들 용어는 설명되고 청구된 요지의 실질적이지 않거나 중요하지 않은 변형 또는 변경이 첨부된 청구범위에 인용된 본 개시내용의 범위 내에 있는 것으로 간주된다는 것을 나타내는 것으로 해석되어야 한다.
다양한 실시형태를 설명하기 위해 본 명세서에서 사용된 용어 "예시적인"은 이러한 실시형태가 가능한 예, 가능한 실시형태의 표현 및/또는 예시임을 나타내기 위한 것임을 유의해야 한다(그리고 이러한 용어는 이러한 실시형태가 필연적으로 특별하거나 최상급의 예임을 의미하는 것은 아니다).
본 명세서에서 사용되는 용어 "결합된", "연결된" 등은 두 부재가 서로 직접 또는 간접적으로 접합되는 것을 의미한다. 이러한 접합은 고정(예를 들어, 영구적) 또는 이동 가능(예를 들어, 제거 가능 또는 분리 가능)일 수 있다. 이러한 접합은 2개의 부재 또는 2개의 부재 및 임의의 추가 중간 부재가 서로 단일의 통합체로서 일체로 형성되거나 또는 2개의 부재 또는 2개의 부재 및 임의의 추가 중간 부재가 서로 부착되는 것으로 달성될 수 있다.
본 명세서에서 요소의 위치(예를 들어, "상단", "바닥", "위", "아래" 등)에 대한 참조는 도면에서 다양한 요소의 배향을 설명하기 위해 사용된다. 다양한 요소의 배향은 다른 예시적인 실시형태에 따라서 다를 수 있으며, 이러한 변화는 본 개시내용에 의해 포함되도록 의도된다는 점에 유의해야 한다.
본 발명이 바람직한 실시형태와 관련하여 설명되었지만, 본 발명의 범위 및 사상 내에 있는 다양한 다른 실시형태 및 변형이 당업자에게 떠오를 수 있으며, 이러한 다른 실시형태 및 변형은 대응하는 청구항에 포함되도록 의도된다는 것을 이해해야 한다. 당업자라면 많은 변형(예를 들어, 다양한 요소의 치수, 구조, 형상 및 비율, 파라미터의 값, 장착 배열, 재료의 사용, 배향 등에서의 변화)이 본 명세서에 기술된 요지의 신규의 교시 및 이점으로부터 물질적으로 이탈함이 없이 가능하다는 것을 용이하게 이해할 것이다. 예를 들어, 임의의 프로세스 또는 방법 단계의 순서 또는 시퀀스는 대안적인 실시형태에 따라 변경되거나 재순서화될 수 있다. 다른 대체, 변형, 변경 및 생략은 또한 본 개시내용의 범위를 벗어나지 않고 다양한 예시적인 실시형태의 설계, 작동 조건 및 배열로 만들어질 수 있다.

Claims (20)

  1. 연료 전지 시스템으로서,
    애노드 공급 가스를 수용하도록 구성된 애노드 입구 및 애노드 배기를 출력하도록 구성된 애노드 출구를 갖는 애노드; 및
    캐소드 입구 및 캐소드 출구를 갖는 캐소드를 포함하는 연료 전지;
    애노드 배기를 수용하고 고압 애노드 배기를 출력하도록 구성된 애노드 송풍기;
    상기 애노드 송풍기로부터 하류에서 고압 애노드 배기의 일부를 수용하고 상기 애노드 송풍기로부터 상류에서 고압 애노드 배기의 일부를 출력하도록 구성된 송풍기 재순환 라인; 및
    상기 송풍기 재순환 라인에 배치되고, 상기 연료 전지의 애노드가 부족압일 때 개방되도록 구성되는 제1 밸브
    를 포함하는, 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연료 전지로부터 애노드 배기를 수용하고 애노드 배기로부터 물, 이산화탄소, 또는 수소 중 적어도 하나를 분리하도록 구성된 처리 시스템을 더 포함하되, 상기 처리 시스템은 처리된 애노드 배기를 상기 애노드 송풍기로 출력하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 송풍기 재순환 라인에 배치된 제2 밸브를 더 포함하되, 상기 제2 밸브는 상기 송풍기 재순환 라인을 통과하는 애노드 배기의 양을 제한하도록 구성된 압력 제어 밸브인, 연료 전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 애노드 입구 또는 상기 애노드 출구 중 하나에서 측정된 제1 압력과 상기 캐소드 입구에서 측정된 제2 압력 사이의 차이로서 제1 압력차가 정의되고;
    상기 제1 밸브는 상기 제1 압력차가 사전 결정된 임계값 미만으로 강하할 때 자동으로 개방되도록 구성된 자동화 밸브인, 연료 전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 압력차를 측정하여 제어 시스템으로 전송하도록 구성된 제1 압력차 전송기를 더 포함하고;
    상기 제어 시스템은 상기 제1 압력차 전송기로부터 전송된 상기 제1 압력차에 기초하여 개방하라는 신호를 상기 제1 밸브에 전송하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 애노드로부터 애노드 배기를 수용하도록 구성된 애노드 배기 라인;
    물이 부분적으로 채워진 수밀봉부 탱크;
    상기 애노드 배기 라인으로부터 연장되고, 수밀봉부 수직 홈통 출구가 물에 배치되도록 적어도 일부가 상기 수밀봉부 탱크 내로 아래를 향해 연장되는 수밀봉부 수직 홈통; 및
    상기 수밀봉부 탱크 내 수위 보다 위에 상기 수밀봉부 탱크에 형성되어 애노드 배기를 출력하도록 구성된 환기구
    를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 수밀봉부 탱크에서의 수위는 상기 수밀봉부 수직 홈통 출구의 수직 위치에 관하여 한정되고;
    수위는 상기 제1 압력차가 수밀봉 압력보다 클 때 애노드 배기가 상기 환기구를 통해 출력되도록 상기 수밀봉부 수직 홈통 출구에서 수밀봉 압력을 제공하는, 연료 전지 시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 애노드로부터 애노드 배기를 수용하도록 구성된 애노드 배기 라인;
    상기 애노드 배기 라인으로부터 연장되는 압력 릴리프 라인; 및
    상기 압력 릴리프 라인에 배치되고 애노드 배기를 환기시키도록 구성된 압력 릴리프 밸브
    를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 압력 릴리프 밸브로부터 상류에서 상기 압력 릴리프 라인 주위에 배치된 히트 싱크를 더 포함하되, 상기 히트 싱크는 애노드 배기로부터 열을 흡수하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 히트 싱크와 상기 압력 릴리프 밸브 사이에 배치된 온도 센서를 더 포함하되, 상기 온도 센서는 상기 압력 릴리프 밸브를 통과하는 애노드 배기의 온도를 측정하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  11. 제5항에 있어서, 수밀봉부를 더 포함하되, 상기 수밀봉부는,
    물이 부분적으로 채워진 수밀봉부 탱크;
    애노드 배기 라인으로부터 연장되고, 수밀봉부 수직 홈통 출구가 물에 배치되도록 적어도 일부가 상기 수밀봉부 탱크 내로 아래를 향해 연장되는 수밀봉부 수직 홈통;
    물이 부분적으로 채워지고, 저수조에 걸친 압력이 캐소드 입구 압력과 같도록 캐소드 파이프 입구 파이프에 연결되는 상기 저수조;
    상기 수밀봉부 탱크와 상기 저수조를 연결하며, 애노드 배기 압력이 증가하는 동안 상기 수밀봉부 탱크로부터 상기 저수조로, 캐소드 입구 압력이 증가하는 동안 상기 저수조로부터 상기 수밀봉부 탱크로 물 유동을 허용하도록 구성된 물 라인; 및
    수위 보다 위에 상기 수밀봉부 탱크에 형성되어 애노드 배기를 출력하도록 구성된 환기구
    를 포함하고;
    상기 수밀봉부는 수위가 상기 캐소드 입구 압력에 의해 조정되는 것에 의해 연료 전지 애노드 압력을 제한하도록 구성되고, 이에 의해 상기 애노드 송풍기가 목적하는 애노드-캐소드 압력차를 유지할 수 없을 때인 업셋 동안 과잉 애노드 배기 가스를 대기로 환기시키는 동시에 목적하는 애노드 압력을 유지하는 것에 의해 애노드 과압으로부터 상기 연료 전지 시스템을 보호하는, 연료 전지 시스템.
  12. 제5항에 있어서, 상기 애노드 송풍기가 목적하는 애노드-캐소드 압력차를 유지할 수 없을 때인 업셋 동안 과잉 애노드 배기 가스를 대기로 환기시키는 것에 의해 상기 캐소드 입구 압력에 대해 애노드 출구 압력을 유지하는 동시에 목적하는 애노드 압력을 유지하고, 이에 의해 애노드 과압으로부터 연료 전지를 보호하는 압력차 조절기를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  13. 연료 전지 시스템에서 압력 서지를 제어하는 방법으로서,
    애노드 입구에서 애노드 공급 가스를 수용하는(receiving) 단계;
    캐소드 입구에서 캐소드 공급 가스를 수용하는 단계;
    애노드 출구로부터 애노드 배기를 출력하는 단계;
    상기 애노드 입구 또는 상기 애노드 출구 중 하나에서 제1 압력을 측정하는 단계;
    상기 캐소드 입구에서 제2 압력을 측정하는 단계;
    상기 제1 압력과 상기 제2 압력 사이의 제1 압력차를 결정하는 단계;
    애노드 송풍기 입구에서 애노드 배기를 수용하는 단계;
    상기 애노드 송풍기 입구에서보다 더 높은 압력으로 애노드 송풍기 출구로부터 애노드 배기를 출력하는 단계; 및
    상기 애노드 송풍기 입구로부터 상류에서 고압 애노드 배기의 일부를 출력하도록 구성된 송풍기 재순환 라인에서 고압 애노드 배기의 적어도 일부를 수용하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 압력차가 사전 결정된 압력 미만으로 강하할 때 상기 송풍기 재순환 라인에 배치된 제1 밸브를 개방하는 단계;
    상기 제1 밸브를 통해 고압 애노드 배기의 일부를 통과시키는 단계; 및
    상기 애노드 송풍기 입구에서 상기 송풍기 재순환 라인으로부터 고압 애노드 배기의 일부를 수용하는(receiving) 단계
    를 더 포함하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 송풍기 재순환 라인을 따라서 배치된 제2 밸브를 통해 고압 애노드 배기의 일부를 통과시키는 단계를 더 포함하되;
    상기 제2 밸브는 이를 통과하는 고압 애노드 배기의 부분의 양을 제한하도록 구성되는, 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    물이 부분적으로 채워진 수밀봉부 탱크에 배치된 수밀봉부 수직 홈통 출구를 갖는 수밀봉부 수직 홈통에서 애노드 배기를 수용하는(receiving) 단계;
    상기 수밀봉부 수직 홈통 출구에서 측정된 수밀봉 압력이 제1 압력차보다 작을 때 상기 수밀봉부 수직 홈통 출구로부터 물 안으로 애노드 배기를 출력하는 단계
    를 더 포함하는, 방법.
  17. 제16항에 있어서, 수밀봉부 출구 압력은 상기 수밀봉부 탱크에서 수위를 상승 또는 하강시키는 것에 의해 제어되는, 방법.
  18. 제13항에 있어서,
    압력 릴리프 라인에서 애노드 배기를 수용하는(receiving) 단계; 및
    상기 제1 압력차가 사전 결정된 임계 압력보다 클 때 상기 압력 릴리프 라인으로부터 압력 릴리프 밸브를 통해 애노드 배기를 출력하는 단계
    를 더 포함하는, 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 압력 릴리프 밸브로부터 상류에서 상기 압력 릴리프 라인 주위에 배치된 히트 싱크를 통해 애노드 배기를 통과시키는 단계; 및
    상기 히트 싱크에서 애노드 배기로부터 열을 흡수하는 단계
    를 더 포함하는, 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 히트 싱크로부터 하류에 있고 상기 압력 릴리프 밸브로부터 상류에 있는 온도 센서가 사전 결정된 임계 시간보다 긴 시간 동안 사전 결정된 임계 온도보다 높은 온도를 측정할 때 상기 연료 전지에서의 부하를 감소시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
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