KR20010025031A - 양자 교환 멤브레인 연료 전지 시스템 및 그 작동 방법 - Google Patents

양자 교환 멤브레인 연료 전지 시스템 및 그 작동 방법 Download PDF

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Abstract

PEM 연료 전지 시스템은 연료 또는 석유, 처리 공기, 및 냉각재 각각에 대해 유입 및 배출포트를 갖춘 PEM 연료 전지를 포함한다. 연료 전지의 공기 배출포트에서 배출된 습윤성 배출 공기의 소정 부피 분율은 후방으로 전환되고 주위 온도에서 PEM 연료 전지의 공기 유입포트로 유입되는 청정 공기와 혼합되어서, 높은 주위 작동 온도에서 연료 전지 내에서 물균형을 유지할 수 있도록 한다. 재순환 대 공기 배출비는 연료 전지의 주위 온도 및 전력 레벨에 기초하여 재순환 흐름을 조절하는 프로세서에 의해 제어된다.

Description

양자 교환 멤브레인 연료 전지 시스템 및 그 작동 방법{SYSTEM AND METHOD OF WATER MANAGEMENT IN THE OPERATION OF A FUEL CELL}
전해질에 의해 규정되는 여러 연료 전지 형태는 특별한 구성을 요구한다. 양자 교환 멤브레인(proton exchange membrane: PEM) 연료 전지에서는 효과적인 물관리 시스템이 제공될 것을 요구한다. PEM 연료 전지는 각각의 다공성 음극 전극과 양극 전극 사이에서 한정된 멤브레인을 포함한다. 이들 전극들은 비교적 얇은 촉매층과 다공성 지지판의 조합을 포함하는데, 여기서 촉매층은 양자 교환 멤브레인의 각각의 주요 표면 상에 또는 다공성 지지판 상에 증착될 수도 있다. 일반적으로, 연료 전지는 양극 전극 및 음극 전극에 가스 연료 및 산화제를 각각 공급함으로써 작용한다. 연료 및 산화제 가스를 공급하기 위한 공급 수단은 각각의 전극의 촉매화된 표면 위에 가능한 한 균일하게 분포된다. PEM 연료 전지에서, 연료 전지가 작동할 때, 전극들에서 발생하는 전기화학적 반응은 양극에 전자 및 수소 이온이 형성되게 한다. 이러한 전자들은 외부 부하 회로를 통해 흐르고, 수소 이온은 멤브레인을 통해 음극으로 흐르는데, 이러한 수소 이온은 산소와 반응하여 물을 형성하고 또한 열에너지를 방출한다. 연료 전지는 또한 과열로부터 연료 전지를 보호하기 위해 전지 스택(cell stack)에서 전극 부근으로 물을 안내하기 위한 냉각재 경로를 갖추고 있다.
바람직하게, 전지로부터 방출되고 공정 배출을 통해 제거된 물의 손실은 전지 스택 내에서 발생된 화학 반응의 부산물로서 물을 생성함으로써 균형을 이루게 된다. 이러한 물균형은 폐쇄 루프 시스템에서 물이 재순환되도록 하며, 이에 의해 연료 전지 시스템에서 물을 보충해야할 필요성 및 비용을 제거한다. 물균형을 유지하거나 또는 자급하는 것은 예컨대 보충용 외부 물공급원과의 접촉이 일정하지 않은 자동차를 구동시킬 때 중요하다.
예컨대 가솔린 구동 대기압 PEM 연료 전지 구동 설비는 물이 자급되어야 하는 완전 통합 시스템이다. 자급은 연료 처리 시스템 내에서 가솔린을 수소로 변화시키는데 요구되는 물을 제공하기 위해 전지에서의 화학 반응의 결과로 형성된 충분한 양의 물이 시스템에 의해 회수되어야 함을 의미한다. 물은 전기화학적 반응의 결과로 전지 내에서 생성되고 잘 알려진 수단에 의해 액체 또는 증기로써 전지로부터 제거된다. 배출 가스 스트림 내의 수증기는 공기 배출 구멍을 냉각시키기 위해 응축기를 통해 공기 배출 구멍을 통과함으로써 부분적으로 회수되어서 응축물을 형성한다. 이러한 응축물은 회수되고 축적되어서 요구될 때 연료 처리 시스템으로 공급된다. 주위 온도 조건에서, 단일 공기 흐름 경로를 갖춘 PEM 연료 전지는 자급하기에 충분한 물을 회수하지 못한다.
양자 교환 멤브레인(PEM) 연료 전지에 있어서, 자급수 처리 시스템의 단점은 비교적 건조한 대기에서 사용될 때 반응물 중 하나가 높은 대기 온도에서 작용할 때 반응물의 산소와 수소 사이의 반응에 의해 발생된 물의 양보다 훨씬 많은 양의 물이 손실되는 경향이 있다는 점이다. 더욱이, 높은 작동 온도에서의 물의 과다한 손실은 건조되어 방출되며 전지 스택의 멤브레인을 영구히 손상시킬 수 있다.
발명의 요약
이러한 관점에서, 본 발명의 목적은 고온에서 물균형을 유지할 때 종래의 PEM 연료 전지 시스템의 문제점 및 단점을 극복하는 PEM 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 상술한 목적 및 이점은 다음의 설명이 첨부 도면에 따라서 판독될 때 더욱 명백하게 될 것이다.
본 발명의 일양태에서, PEM 연료 전지 시스템은 냉각재 유입포트 및 냉각재 배출포트, 연료 유입포트 및 연료 배출포트, 및 공기 유입포트 및 공기 배출포트를 갖춘 PEM 연료 전지를 포함한다. 공기 유입포트는 대략 주위 온도에서 청정공기 공급원에 연결되어 있다. 공기흐름 밸브와 같은 조절가능한 공기흐름 스플리터는 유입포트, 제 1 및 제 2 배출포트, 및 공기흐름 스플리터의 제 1 배출포트에서 배출되는 배출공기의 부피 대 제 2 배출포트에서 배출되는 배출공기의 부피의 비(재순환 대 공기 배출 비율)를 조절하기 위한 제어포트를 갖추고 있다. 공기흐름 스플리터의 유입포트는 PEM 연료 전지의 공기 배출포트에 연결되어 있다. 스플리터의 제 1배출포트는 PEM 연료 전지의 공기 유입포트와 연통한다. 주변 온도 측정 장치는 온도 신호를 발생시키기 위해 제공된다. 전력 측정 장치는 연료 전지에 의해 발생된 전력비를 나타내는 전력 신호를 발생시키기 위한 연료 전지 전극에 연결된다. 프로세서는 온도 측정 장치와 전력 측정 장치에 연결된 입력부 및 공기흐름 스플리터의 제어 입력부에 연결된 출력부를 갖추고 있다. 프로세서는 감지된 주위 작동 온도에서 연료 전지 시스템의 전체 물균형을 유지하기 위해 연료 전지 시스템의 전력 출력의 함수로서 연료 전지 시스템의 재순환 대 공기 배출비를 소정값으로 조절하기 위한 공기흐름 스플리터를 제어한다. 상기 시스템은 또한 시스템 내에 저장된 물의 양이 소정값 또는 레벨 아래로 떨어지는 경우에 재순환 대 공기 배출비를 약간 증가시키는 냉각재 레벨 센서를 포함할 수도 있다.
본 발명의 다른 양태에서, PEM 연료 전지 시스템을 작동시키는 방법은 PEM 연료 전지를 제공하는 단계를 포함한다. 연료 또는 석유는 연료 유입포트 및 연료 배출포트를 거쳐 연료 전지를 통해 안내된다. 냉각재는 냉각재 유입포트 및 냉각재 배출포트를 거쳐 PEM 연료 전지를 통해 안내된다. 주위 온도에서 청정공기는 공기 유입포트 및 공기 배출포트를 통해 PEM 연료 전지를 통해 안내된다. 연료 전지의 주위 작동 온도 및 연료 전지의 배출 전력이 측정된다. 공기흐름 스플리터는 소정 부피 분율의 배출 공기를 연료 전지의 공기 유입포트를 향해 후방으로 전환시키기 위해 조절되어서, 감지된 주위 작동 온도에서 연료 전지 시스템의 전체 물균형을 유지할 수 있는 소정 범위의 정격 전력 출력으로 연료 전지의 전력 출력을 조절한다.
본 발명은 일반적으로 PEM 연료 전지 작동에 관한 것으로서, 특히 높은 작동 온도에서 물균형을 유지하거나 또는 자급할 수 있는 PEM 연료 전지 시스템 및 방법에 관한 것이다.
도 1은 처리 공기가 재순환되는 PEM 연료 전지 시스템의 개략도,
도 2는 연료 전지 시스템에서의 물균형을 도시한 그래프,
도 3은 외부 공기 사용할 때에 공기 배출비에 대한 음극 재순환의 영향을 도시한 그래프,
도 4는 음극 공기 재순환을 이용할 때와 이용하지 않을 때의 물균형을 유지하기 위한 PEM 연료 전지 시스템의 정격 전력과 응축기/주위 온도의 관계를 도시한 그래프,
도 5는 음극 공기 재순환을 이용할 때와 이용하지 않을 때의 PEM 연료 전지 시스템의 정격 전력과 물생성의 관계를 도시한 그래프.
도 1을 참조하면, PEM 연료 전지 시스템은 일반적으로 참조부호(10)로 표시되어 있다. 이러한 연료 전지 시스템은 하나 이상의 양극 전극(14), 음극 전극(16), 양극과 음극 사이에 제공된 광자 교환 멤브레인(19), 및 냉각기 섹션(18)을 갖춘 PEM 연료 전지(12)를 포함한다. 이러한 연료 전지는 연료 유입포트(20) 및 연료 배출포트(22)를 포함하는데, 이들은 가솔린, 에탄올, 메탄, 또는 메탄올을 재형성함에 의해 추출된 연료와 같은 저항가열된 수소 부유 연료 또는 석유를 공급하기 위해 전지 스택의 양극(14)을 가로질러 결합되어 있다. 연료 유입포트(20)는 석유를 처리하는 리포머(reformer)와 같은 전형적인 연료 처리 시스템(25)으로부터 수소 부유 연료를 수용하기 위한 연료 공급 라인(24)과 연통하고 있다. 연료 배출포트(22)는 예컨대 버너(도시되지 않음)로 배출 연료를 이송하기 위한 연료 배출 라인(26)과 연통하고 있다. PEM 연료 전지(12)는 전지 스택의 음극을 가로질러 대기를 공급하기 위한 처리 공기 유입포트(28) 및 처리 공기 배출포트(30)를 더 포함하고 있다. 처리 공기 유입포트(28)는 예컨대 블로어(blower)(33)에 의해 연료 전지로 공급된 처리 공기를 수용하기 위한 처리 공기 공급 라인(32)과 연통하고 있다. 처리 공기 배출포트(30)는 연료 전지(12)로부터 배출 처리 공기를 이송하기 위한 공기 배출 라인(34)과 연통하고 있다. 상기 연료 전지는 연료와 처리 공기 사이의 전기화학적 반응으로부터 전기가 발생되는 것을 방지하기 위해 전지 스택 부근으로 물 또는 다른 냉각재를 공급하기 위한 냉각재 유입포트(36) 및 냉각재 배출포트(38)를 더 포함하고 있다. 냉각재 유입포트(36)는 물탱크와 같은 물공급원(37)으로부터 냉각재를 수용하기 위한 냉각재 공급 라인(40)과 연통하고 있다. 냉각재 배출포트(38)는 예컨대 라디에이터에 의해 냉각될 연료 전지(12)로부터 냉각재를 이송하기 위한 냉각재 배출 라인(42)과 연통하고 있다.
상기 연료 전지 시스템(10)은 소정의 부피% 또는 부피 분율의 배출 처리 공기를 공기 유입포트(28)로 전환시키기 위한 공기흐름 스플리터 수단을 더 포함하고 있다. 상기 전환 수단은 예컨대 조절가능한 공기흐름 밸브(44)에 의해 구현될 수도 있다. 공기흐름 밸브는 PEM 연료 전지(12)의 공기 배출포트(30)와 연통하는 배출 공기를 수용하기 위한 유입포트(48), 공기 재순환 라인(52)을 따라 배출 공기를 전환시키기 위한 제 1 배출포트(50), 및 잔류 배출 처리 공기를 물회수 응축기(55)로 방출시키거나 배출시키기 위한 제 2 배출포트(54)를 갖추고 있다. 상기 물회수 응축기(55)는 응축기에 형성된 응축물을 물공급원(37)으로 공급한다. 혼합 지점(46)은 예컨대 블로어(33)에 의해 공급된 청정 대기를 수용하며, 또한 공기 재순환 라인(52)으로부터 블로어(59)를 거쳐 전환된 배출 처리 공기를 수용한다. 청정 공기와 배출 또는 습윤성 처리 공기의 혼합물은 이후 혼합 지점(46)으로부터 PEM 연료 전지(12)의 처리 공기 유입포트(28)로 공급된다. 혼합 지점(46)은 도 1에 도시된 바와 같이 처리 공기 유입포트(28)로부터 떨어져 위치되거나, 또는 선택적으로 처리 공기 유입포트에 위치될 수도 있다.
연료 전지 시스템은 연료 전지(12)의 양극 전극 및 음극 전극으로부터 각각 발생된 라인(72, 74)을 따라 전기 신호 입력부에 기초한 전력 신호를 발생시키기 위한 제 1 및 제 2 입력부(72, 74)를 갖춘 전력 측정 장치(70)를 더 포함하고 있다. 온도 측정 장치(76)는 연료 전지 시스템의 주위 작동 온도를 감지한다. 냉각재 레벨 센서(39)는 물공급원(37)에서의 물의 레벨을 감지한다. 전형적인 마이크로프로세서(78)와 같은 프로세서는 전력 측정값, 주위 온도 측정값, 및 냉각재 레벨 센서 측정값을 각각 수용하기 위한 제 1, 제 2, 및 제 입력부(80, 82, 87)를 갖추고 있다. 마이크로프로세서(78)는 물균형을 유지하기 위해 연료 전지(12)의 정격 전력 출력율과 주위 온도의 함수로서 PEM 연료 전지(12)의 유입포트(28)로 전환된 배출 처리 공기의 분율을 제어하기 위한 공기흐름 밸브(44)의 제어 입력부에 연결된 출력부(84)를 갖추고 있다.
저레벨 센서와 같은 냉각재 레벨 센서(39)가 주위 온도 및 연료 전지 시스템의 출력 전력과 독립적으로 물균형을 유지하기 위한 부가적인 보호수단으로써 적용될 수도 있다. 예컨대, 냉각재 레벨 센서(39)는 물탱크(37)에 저장된 냉각재의 양이 소정의 레벨 또는 값 아래로 떨어질 때 재순환 대 공기 배출비를 약간 증가시키기 위해 프로세서가 감지하도록 프로세서(78)로 신호를 송신한다.
물균형 또는 자급을 유지하기 위해, 예컨대 명목상의 주위 압력에서 가솔린 및 공기로 작동하는 전형적인 PEM 연료 전지 시스템은 약 75℉의 주위 작동 온도로 제한된다. 높은 주위 온도에서 작동하는 연료 전지는 전지 스택에서 생성되는 물 보다 많은 양을 손실할 것이며, 따라서 연료 처리를 위한 물의 생성을 요구할 것이다. 사실, 약 100℉의 주위 온도에서, 전형적인 PEM 연료 전지 시스템은 그의 전체 작동 전력 범위에 걸쳐서 물 생성을 요구할 것이다.
PEM 연료 전지에서 물을 균형화시키는 일 인자는 처리 공기 유입포트(28)에서 수용된 처리 공기의 습도 또는 수분량과 처리 공기 배출포트(30)에서 배출되는 처리 공기의 습도 또는 수분량 사이의 차이이다. 전형적인 PEM 연료 전지는 일반적으로 연료 전지를 일단 통과한 주위 처리 공기를 사용한다. 연료 전지로 유입되는 주위 공기는 연료 전지에서 배출되는 처리 공기에 비해 건조한데, 석유 또는 연료로부터의 수소가 처리 공기 내의 산소와 반응할 때 물의 발생에 기인하여 전지 스택의 음극 측 상에서 수분을 포획하기 때문이다. 연료 전지로 유입되는 상대적으로 건조한 주위 공기와 연료 전지로부터 배출되는 습윤성 처리 공기 사이의 다소 큰 증기압의 차이는 전지 스택에서 전기화학적 반응에 의해 발생된 물의 손실 보다 처리 공기 배출구를 통한 증발에 기인한 물의 손실이 보다 많게 된다.
배출 처리 공기의 일부분을 재순환시키는 것은 가솔린 및 공기 기초 전력 설비에서 예컨대 약 90 내지 100℉의 높은 주위 온도에서 물균형을 유발함을 발견하였다. 처리 공기 유입포트(28) 앞에서 청정 대기와 혼합된 습윤성 배출 처리 공기는 연료 전지(12)의 공기 유입포트(28)에서 처리 공기의 습도(즉, 이슬점)를 증가시킨다. 결과적으로, 연료 전지(12)의 공기 유입포트(28) 및 공기 배출포트(30)에서 처리 공기의 증기압의 차이는 단일-패스 처리 공기를 사용한 연료 전지에 비해 감소된다. 감소된 증기압의 차이는 물의 증발을 감소시키며, 연료 전지 전기화학적 반응에 의해 발생된 물에 비해 공기 배출포트의 공기 배출구를 통해 손실되는 물의 양을 감소시킨다. 이러한 감소된 증기압의 차이는 높은 증기압차를 갖는 시스템에 비해 높은 주위 온도(즉, 약 100℉ 정도)에서 물의 균형을 유지하고 물의 자급을 달성할 수 있도록 한다. 따라서, 자가 물관리 시스템은 단일-패스 처리 공기를 적용한 PEM 연료 전지와 비교하여 폭넓은 범위의 주위 작동 온도에 대해 달성될 수 있다. 더욱이, 높은 수준의 물증발에 기인하여 전지 스택 멤브레인을 건조시키고 손상시킬 위험성이 감소된다.
물균형을 달성하는 것을 도 1을 참조하여 설명한다. 작동 중에, 냉각재는 물공급원(37)으로부터 공급되고, 냉각재 유입포트(36)로 유입된다. 냉각재는 약 100℉ 정도의 주위 작동 온도에서 연료 전지가 과열되는 것을 방지한다. 예를 들면, 연료 처리 시스템(25)에서 가솔린의 연료 처리로부터 포화된 약 40 내지 45%의 수소(건조 베이스)를 갖는 석유가 연료 유입포트(20)에서 PEM 연료 전지(12)로 유입된다. 약 80%의 수소와 반응한 후, 연료는 포화된 상태로 연료 배출포트(22)에서 전지 스택으로부터 배출된다. 동시에, 처리 공기는 처리 공기 유입포트(28)에서 블로어(33)를 거쳐 주위 온도로 PEM 연료 전지로 유입된다. 전극에서 발생하는 전기화학적 반응은 양극에서 전자 및 수소 이온을 형성시킨다. 전자는 외부 로드 회로(도시되지 않음)를 통해 흐르며, 수소 이온은 멤브레인을 통해 음극으로 흐르는데, 여기서 수소 이온은 산소와 반응하여 물을 형성하고 열에너지를 방출한다. 습윤성 처리 공기는 이후 공기 배출포트(30)를 거쳐 PEM 연료 전지(12)로부터 배출된다. 연료 전지(12)에서 배출된 처리 공기는 유입 포트(48)에서 조절가능한 공기흐름 밸브(44)로 유동하는데, 유입 포트(48)에서 습윤성 배출 처리 공기의 일부분은 블로어(59)에 의해 공기 재순환 라인(52)을 따라 밸브(44)의 제 1 배출포트(50)를 통해 전환된다. 재순환된 공기는 이후 혼합 지점(46)에서 블로어(33)에 의해 공급된 청정 주위 온도 공기와 화합 또는 혼합되고, 혼합된 공기는 습윤화된다. 습윤화된 처리 공기는 이후 연료 전지(12)의 공기 유입포트(28)로 유입된다.
물균형을 유지하는 동안 예컨대 가솔린/공기 전력 설비에서 약 90 내지 100℉의 높은 주위 작동 온도에서 전력을 발생시키는 것은 PEM 연료 전지(12)의 공기 배출포트(30)에서 배출되는 처리 공기를 조절가능한 비율로 공기 유입포트(28)로 전환시킴으로써 달성된다. 이러한 비율은 재순환 대 공기배출비로서 표현되는데, 이는 제 1 공기흐름 밸브(44)의 제 1 배출포트(50)를 거쳐 연료 전지 유입부로 전환된 공기 부피 대 물의 회수하기 위해 제 1 공기흐름 밸브(44)의 제 2 배출포트(54)에서 배출되는 공기 부피의 비율로 정의된다. 바람직하게, 재순환 대 공기 배출비는 약 90 내지 100℉와 같은 높은 주위 온도에서 물균형을 달성하기 위해 약 2 정도이지만, 주위 온도가 더 증가되는 경우에 물균형을 유지하기 위해 약간 높게 조절될 수도 있다.
처리 공기의 재순환은 단일-패스 처리 공기흐름을 적용한 표준 PEM 연료 전지에 비해 공기 배출포트(30)에서 연료 전지(12)로부터 배출되는 처리 공기의 온도를 보다 높게 한다. 공기 재순환은 물부산물을 발생시키기 위해 처리 공기에서 사용되는 공기 또는 산소의 사용량, 또는 산소 비율을 증가시킨다. 예컨대, 단일-패스 처리 공기흐름을 위해 약 30%의 공기를 사용하는 전형적인 PEM 연료 전지 시스템은 배출 처리 공기 부피의 약 2/3가 연료 전지의 공기 유입포트로 전환될 때(즉, 재순환 대 공기배출비가 약 2일 때), 약 55%의 공기를 사용할 것이다. 공기 사용량의 증가는 반대로 처리 공기의 공기 이슬점을 보다 높게 하며, 따라서 연료 전지(12)로부터 배출되는 처리 공기의 온도를 높게 한다. 보다 높은 온도의 처리 공기는 물자급을 유지하는 동안(즉, 전지 스택에서 발생된 물의 손실량 보다 배출구를 통한 물의 손실량을 적게하면서), PEM 연료 전지가 보다 높은 주위 온도에서 작동할 수 있도록 한다.
주위 온도가 증가할 때 물균형의 유지가 저하되는 동안, 높은 주위 온도에서 PEM 연료 전지를 작동시키는 방법은 PEM 연료 전지가 발생시킬 수 있는 정격 전력의 비율이다. 다른 방법은 높은 주위 온도에서 작동되도록 공기 재순환을 적용하거나 또는 재순환 대 공기 배출비를 더 증가시키는 것으로서, 이는 처리 공기 내의 산소 농도를 감소시키지만 전력 효율을 저하시킨다. 따라서, 물균형을 유지하는 재순환 대 공기배출비의 값은 주위 작동 온도 및 연료 전지에 의해 발생된 정격 전력의 비율의 함수이다. 상기한 바와 같이, 재순환 대 공기배출비는 또한 물균형을 유지하기 위한 추가적인 보호수단으로서 시스템 내에 저장된 냉각재 레벨의 함수일 수도 있다.
마이크로프로세서(78)는 온도 측정 장치(76)로부터 주위 온도 정보를, 전력 측정 장치(70)로부터 전력 출력 정보를, 그리고 바람직하게는 냉각재 레벨 센서(39)로부터 냉각재 레벨 정보를 수용하여, 연료 전지(12)의 공기흐름 밸브(44)를 통해 재순환 대 공기 배출비를 감지된 주위 온도에서 물균형을 유지할 수 있는 레벨로 조절한다. 물균형을 유지하기 위한 비의 값은 PEM 연료 전지 시스템을 주위 작동 온도의 범위로 놓고 물균형을 유지하는 동안 연료 전지 시스템이 발생시킬 수 있는 정격 출력 전력의 최대 비율과 관련된 재순환 대 공기 배출비를 각각의 온도에 대해 결정함으로써 용이하게 결정될 수 있다. 이하에 보다 상세하게 설명된 바와 같이, 도 4는 주위 작동 온도와 가솔린 구동된 PEM 연료 전지 시스템의 물균형을 달성하는 정격 출력 전력 비율 사이의 관계의 예를 도시하고 있다
도 2는 주위 압력에서 PEM 연료 전지 시스템의 물균형 또는 물자급을 유지하기 위한 여러 연료 중에서 배출 처리 공기 이슬점과 시스템 공기 사용량 사이의 관계를 도시하고 있다. 곡선(100, 110, 120, 130, 140)은 배출 처리 공기 이슬점과 가솔린, 에탄올, 메탄, 메탄올, 및 수소와 같은 여러 각각의 연료에 대한 시스템 공기 사용량 사이의 관계를 나타낸다. 곡선(100∼140)에 의해 볼 수 있는 바와 같이, 물균형은 공기 사용량이 증가할 때 현저하게 높은 배출 처리 공기 이슬점에서 유지된다. 공기 사용량의 증가는 연료 전지의 공기 유입포트와 공기 배출포트에서의 처리 공기의 증기압의 차이를 감소시키며, 이에 의해 공기 배출구를 통해 적은 양의 물의 양이 감소된다. 시스템 공기 사용량의 증가의 결과로, 현저하게 높은 배출 처리 공기 이슬점에서 물균형이 달성되며, 이는 단일-패스 처리 공기를 적용한 연료 전지에 비해 가솔린/공기 PEM 연료 전지가 약 90 내지 100℉의 높은 주위 온도에서 물의 손실 없이 작동할 수 있도록 한다.
도 3은 여러 단일-패스 사용에서 전체 공기 사용량에 대한 배출 처리 공기의 재순환의 함수를 도시하고 있다. 특히, 곡선(200, 210, 220, 230, 240)들은 각각 30%, 40%, 50%, 및 60%의 단일-패스 사용에 대한 전체 공기 사용량을 도시하고 있다. 곡선(220∼240)에 의해 알 수 있는 바와 같이, 재순환된 배출 처리 공기의 부피의 증가(즉, 재순환 대 공기 배출비의 증가)는 전체 공기 사용량을 증가시킨다. 전체 공기 사용량의 증가는 시스템 배출 이슬점을 증가시키는데(도 2), 다시 말하면 물균형을 유지하는 동안 PEM 연료 전지 시스템이 작동하는 주위 온도를 증가시킨다.
도 4는 물균형을 유지하는 동안 주위 및 응축기 작동 온도와 가솔린 구동식 주위 압력 PEM 연료 전지 시스템의 정격 전력 출력의 관계를 도시하고 있다. 도 4는 약 20%의 정격 전력에서의 약 60% 공기 사용량(참조선 312로 도시된 20%의 정격 전력에 대응하는 횡좌표 위치)으로부터 약 100%의 정격 전력에서의 약 30%의 공기 사용량(참조선 314로 도시된 100%의 정격 전력에 대응하는 횡좌표 위치)까지 선형적으로 변하는 공기 사용량 스케쥴을 도시하고 있다. 곡선(300)은 처리 공기 재순환이 행해질 때의 관계를 나타내며, 곡선(310)은 처리 공기 재순환이 행해지지 않을 때의 관계를 나타낸다. 곡선(300)으로 도시된 바와 같이, PEM 연료 전지의 음극 측부에서의 처리 공기의 재순환의 장점은 연료 전지가 그의 전체 정격 전력으로 작동할 때 약 90 내지 95℉ 정도의 주위 온도에서 물균형이 유지될 수 있다는 점이다. 대조적으로, 곡선(310)은 단일-패스 처리 공기스트림을 사용한 PEM 연료 전지 시스템은 약 75℉ 정도의 주위 온도에서만 물균형을 유지할 수 있다. 따라서, 처리 공기의 재순환은 PEM 연료 전지 시스템이 단일-패스 공기 시스템에 비해 보다 넓은 범위의 주위 작동 온도에 대해 물균형을 유지할 수 있도록 한다.
곡선(300)은 주위 온도가 상승할 때 물균형을 유지하기 위해 연료 전지의 정격 출력 전력을 낮추어야 하는 전술된 방법 중 하나를 나타낸다. 예컨대, 공기 재순환으로 작동하는 연료 전지는 곡선(300)을 따라 점(302)에서 도시된 바와 같이 약 93℉의 주위 온도에서 최대 정격 전력으로 물균형을 유지할 수 있다. 그렇지만, 주위 온도가 약 100℉로 상승될 때, 연료 전지의 연속하는 최대 출력 전력은 물균형을 유지하기 위해 곡선(300)을 따라 점(304)에서 도시된 바와 같이 그의 정격값의 약 67%로 떨어져야 한다. 그렇지만, 순간 전력은 영향을 주지 않는다.
도 5는 약 100℉의 주위 온도에서 작동하는 가솔린 구동식 주위 압력 50kw PEM 연료 전지 시스템의 전력 출력과 물생성 사이의 관계를 도시하고 있다. 도 5는 약 20%의 정격 전력에서의 약 60% 공기 사용량(참조선 412로 도시된 20%의 정격 전력에 대응하는 횡좌표 위치)으로부터 약 100%의 정격 전력에서의 약 30%의 공기 사용량(참조선 414로 도시된 100%의 정격 전력에 대응하는 횡좌표 위치)까지 선형적으로 변하는 공기 사용량 스케쥴을 도시하고 있다. 곡선(400)은 재순환 대 공기 배출비가 2일 때 공기 재순환이 행해진 PEM 연료 전지에 대한 관계를 나타내며, 곡선(410)은 공기 재순환이 없는 PEM 연료 전지 시스템에서의 관계를 나타낸다. 곡선(410)에서 알 수 있는 바와 같이, 물생성은 단일-패스 처리 공기를 사용하는 PEM 연료 전지 시스템의 전체 전력 출력 범위에 대해 요구된다. 대조적으로, 곡선(400)은 물균형 또는 자급이 정격 전력 출력의 0 내지 67%의 범위에서 공기 재순환 PEM 연료 전지 시스템에 대해 유지됨을 나타내는데, 이는 도 4의 곡선(300)을 따라 점(304)에서 도시되어 있다.
처리 공기 재순환이 행해지는 연료 전지 시스템은 예컨대 자동차를 구동시키기에 적합하다. 자동차는 연장된 시간 구간 동안 100%의 정격 전력으로 거의 작동하지 않는다. 전형적으로, 자동차는 약 25% 내지 50%의 정격 전력에서 작동한다. 결과적으로, 공기 재순환이 행해지는 자동차 PEM 연료 전지 시스템은 운행 상태 또는 낮은 작동 전력에서 물을 축적시키고 높은 전력 작동 동안 물을 소모시켜서 전체 물균형 또는 자급을 유지시키기에 적합하다.
본 발명은 비록 예시적인 실시예에 대해 도시되고 기술되었지만, 당업자들은 본 발명의 개념 및 범위를 벗어나지 않으면서 많은 변형 및 개조가 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 제한적이기 보다는 예시적으로 도시되고 기술되었다.

Claims (9)

  1. PEM 연료 전지 시스템에 있어서,
    냉각재 유입포트와 냉각재 배출포트, 연료 유입포트와 연료 배출포트, 및 공기 유입포트와 공기 배출포트를 갖추고 있고 상기 공기 유입포트가 대략 주위 온도에서 청정 공기 소오스에 연결된 PEM 연료 전지와,
    유입포트, 제 1 및 제 2 배출포트, 및 상기 제 1 배출포트에서 배출되는 공기 부피 대 상기 제 2 배출포트에서 배출되는 공기 부피의 비를 조절하는 조절포트를 갖춘 조절가능한 공기흐름 스플리터로서, 상기 공기흐름 스플리터의 유입포트가 상기 PEM 연료 전지의 공기 배출포트에 연결되고, 상기 스플리터의 제 1 배출포트가 상기 PEM 연료 전지의 공기 유입포트와 연통하는, 공기흐름 스플리터와,
    온도 신호를 발생시키기 위한 주위 온도 측정 장치와,
    상기 연료 전지에 의해 발생된 정격 전력 비율을 나타내는 전력 신호를 발생시키기 위해 상기 연료 전지의 전극들에 연결된 전력 측정 장치와,
    상기 온도 측정 장치, 상기 전력 측정 장치, 및 상기 공기흐름 스플리터의 제어 유입부에 연결된 배출부에 연결된 프로세서로서, 감지된 주위 작동 온도 및 전력 레벨에서 상기 연료 전지 시스템 내에서의 전체 물균형을 유지하도록 상기 연료 전지 시스템의 재순환 대 공기 배출비를 소정값으로 조절하기 위해 상기 공기흐름 스플리터를 제어하는 프로세서를 포함하는
    PEM 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 연료 전지의 공기 배출포트에서 후방으로 배출되는 배출 공기 부피의 약 2/3(약 2의 재순환 대 공기 배출비)를 상기 PEM 연료 전지의 공기 유입포트로 전환시키기 위해 상기 공기흐름 스플리터를 조절하는
    PEM 연료 전지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기흐름 스플리터는 단일-패스 공기흐름을 위한 약 30%로부터 약 55%까지 공기 사용량을 증가시키기 위해 상기 PEM 연료 전지의 공기 유입포트를 향해 후방으로 상기 연료 전지의 공기 배출포트에서 배출되는 배출 공기 부피의 소정의 분율을 전환시키는
    PEM 연료 전지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템 내에 저장된 냉각재의 양이 소정 레벨 또는 값 아래로 떨어질 때 상기 재순환 대 공기 배출비를 약간 증가시키기 위해 상기 프로세서에 알리도록 상기 프로세서의 유입부에 연결된 냉각재 레벨 센서를 더 포함하는
    PEM 연료 전지 시스템.
  5. PEM 연료 전지 시스템의 작동 방법에 있어서,
    PEM 연료 전지를 제공하는 단계와,
    연료 유입포트 및 연료 배출포트를 거쳐 상기 연료 전지를 통해 연료 또는 석유를 안내하는 단계와,
    냉각재 유입포트 및 냉각재 배출포트를 거쳐 상기 PEM 연료 전지를 통해 냉각재를 안내하는 단계와,
    공기 유입포트 및 공기 배출포트를 거쳐 상기 PEM 연료 전지를 통해 약 주위 온도에서 청정 공기를 안내하는 단계와,
    상기 연료 전지의 주위 작동 온도를 측정하는 단계와,
    상기 연료 전지의 출력 전력을 측정하는 단계와,
    감지된 주위 작동 온도 및 전력 레벨에서 상기 연료 전지 시스템 내에서의 전체 물균형을 유지하도록 상기 연료 전지의 공기 배출포트에서 배출되는 배출 공기의 소정의 부피 분율을 상기 연료 전지의 공기 유입포트를 향해 후방으로 전환시키기 위해 상기 공기흐름 스플리터를 조절하는 단계를 포함하는
    PEM 연료 전지 시스템의 작동 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 PEM 연료 전지의 공기 유입포트를 향해 후방으로전환된 배출 처리 공기의 소정의 부피 분율은 약 2/3(즉, 재순환 대 공기 배출비가 약 2)인
    PEM 연료 전지 시스템의 작동 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 PEM 연료 전지를 제공하는 단계는 상기 연료 전지의 공기 유입포트를 향해 후방으로 전환된 상기 연료 전지의 공기 배출포트에서 배출된 배출 공기의 분율로 상기 PEM 연료 전지 시스템에 대해 55%의 공기 사용량을 달성하기 위해 단일-패스 처리 공기흐름에 대해 30%의 공기 사용량을 달성하도록 적용된 연료 전지를 제공하는 단계를 포함하는
    PEM 연료 전지 시스템의 작동 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 연료 또는 석유를 안내하는 단계는 약 40 내지 45%의 수소(건조 베이스)를 갖는 연료 또는 석유를 안내하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    PEM 연료 전지 시스템의 작동 방법.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템 내에 저장된 냉각재의 양 또는 레벨을 측정하는 단계와, 상기 냉각재가 소정 레벨 또는 값 아래로 떨어질 때 상기 연료 전지의 공기 유입포트를 향해 후방으로 상기 배출 공기의 부피 분율을 약간 증가시키기 위해 상기 공기흐름 스플리터를 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    PEM 연료 전지 시스템의 작동 방법.
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