KR20030003279A - 연료 공급을 정화하는 교환가능한 게터 소자를 가진 연료전지 시스템 - Google Patents

연료 공급을 정화하는 교환가능한 게터 소자를 가진 연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

연료 전지(30)를 위한 수소 연료 공급 흐름(12)으로부터 탄소의 산화물들 및 다른 불순물들이 제거된다. 상기 수소로부터 탄소의 산화물들을 화학적으로 흡수하기에 충분한 게터 소자(20)는 전지 연료 애노드측에 제거가능하게 접속된다. 상기 게터상에서 탄소의 산화물들을 화학적으로 흡수하도록, 게터 소자를 통해 연료 흐름이 통과되고, 이로써 수소의 정화된 흐름(26)을 연료 전지 애노드에 제공하게 된다. 게터가 소모될 때 연료 전지로부터 게터가 제거되어 새로운 게터로 교체된다.

Description

연료 공급을 정화하는 교환가능한 게터 소자를 가진 연료 전지 시스템{Fuel cell system having a replaceable getter element for purifying the fuel supply}
연료 전지들은, 산화 반응에서 생긴 자유 에너지(free energy) 변화가 전기 에너지로 변환되는 전기 화학 전지들이다. 전형적인 연료 전지는 이온-도전 전해질에 의해 편석된, 연료 전극(애노드) 및 산화체 전극(캐소드)으로 구성된다. 상기 전극들은 외부 회로 도전체에 의해 로드(전자 회로와 같은)에 전기적으로 접속된다. 회로 도전체에서의 전류는 전자들의 흐름에 의해 운송되고, 이에 반해 전해질에서는, 산성 전해질들에서의 수소 이온(H+) 또는 알칼리성 전해질들에서의 수산기 이온(hydroxyl ion)(OH-)과 같은 이온들의 흐름에 의해 운송된다. 화학 산화를 할 수 있는 연료는 애노드에 공급되고, 이온들 및 전극들을 생성하도록 적당한 촉매제(catalyst)에서 이온화한다. 가스 상태의 수소가 대부분의 응용들을 위해 선택되는 연료인데, 그 이유는 적당한 촉매제들 면전의 이의 높은 반응과 높은 밀도 때문이다. 유사하게, 산화체가 연료 전지 캐소드에 공급되고, 촉매작용으로 저감된다. 대부분의 공통 산화체는, 지상의 응용들에 이용되는 연료 전지들을 위한 대기로부터 쉽고 경제적으로 이용가능한 가스 상태의 산소이다. 가스 상태의 수소 및 산소가 연료 및 산화체로서 이용될 때, 이 전극들은 가스-전해질 접합이 가능한 크게 되게 허용하는 다공성이다. 전극들은 전자 도전체들이어야 하고, 현저한 반응 속도들을 주도록 적당한 반응을 지닌다. 상기 전해질이 비-전자 도전체이기 때문에, 전극들은 외부 회로를 통해 애노드로부터 흐른다. 캐소드에서, 산소는 전해질을 통해 이주하고 부산물(byproduct)로서 물을 생성하도록 외부 회로로부터 전극들을 들어오게 하는 수소 이온들과 반응한다. 부산물 물은 전형적으로 증기로서 추출된다. 연료 전지에서 발생하는 전체 반응은 애노드 및 캐소드 반응들의 합이고, 반응의 자유 에너지의 일부는 전기 에너지로서 바로 배출되고, 나머지는 열로서 배출된다.
최근, 거의 모든 전자 장치들은 특히 전자 장치들에 있어서, 크기에서 축소되어 경량화되었다. 동시에, 연료 컬러 디스플레이들, 멀티미디어, 큰 대역폭 데이터 전송 및 "항상 위, 항상 접속된"것과 같은 에너지 부족(energy hungry) 특성들은 한정들에 대한 전통적인 전해질 배터리 과학기술을 밀쳐냈다. 어떤 사람들은 전해질 베터리들을 소형의 연료 전지들로 교체하려고 시도했다. 연료 전지들의 중요한 장점은 소형 패키지(베터리와 비교해서)에서 상당히 큰 양의 에너지를 제공하는 능력이다. 그러나, 연료 전지에 대한 수소 연료의 공급을 어떻게 제공하는지에 대한 문제는 넓게 펄쳐진 소비자 수락이 발생하기 전에 바람직하고 실제적인 해결책을 요구한다. 힌덴부르크 재난이후 70년이 지난 지금까지도, 소비자들은 수소 가스에 대한 두려움이 있고, 소모된 연료 전지들을 보충하기 위해 수소를 제공하는 기본 시설은 존재하지 않는다.
어떤 종래 기술 시스템들은 "메탄올"을 축소형 리포밍 장치들(reforming devices)을 이용하여 촉매작용으로 변화하거나 "리포밍(reforming)"시킴으로써, 액체 메탄올을 수소원으로서 이용한다. Ballard Power Systems에 양도된 Epp에 의한 미국 특허 제6,063,515호이 하나의 일예이고, 해저 응용들에 대한 통합된 연료 전지 전력 발생 시스템을 기술한다. 액체 메탄올은 쉽게 얻어지는 것이고, 수소 가스를 행하는 것과 같은 공공 안전 인식들(public safety perceptions)에 해를 끼치지 않는다. 리포머 접근으로 하나의 주요한 방해물은 리포밍 공정이 수소 가스의 순수 공급을 제공하지 않지만, 오히려 "리포메이트(reformate)"가 연료 전지에서 백금 전해질을 적극적으로 공격하고 못쓰게 만들려는 일산화탄소(CO)와 같은 탄소의 근소량의 산화물들을 포함한다는 것이다. 수소 연료 흐름에서 이들 불순물들은 연료 전지의 결과로서 발생하는 실패 및 연속적인 성능 열화를 가져온다. 리포메이트에서 불순물을 저감시키는 것은 리포밍 공정 및 복합의, 값비싼 리포밍 장치에서 추가적인 단계들을 요구한다. 하나의 이러한 예는 1996년 No.2, Vol.3, 유럽 연료 전지 뉴스에 출판된 Johnson Matthey에 의해 HOT-SPOT 다단계이다. 이 불리한 점들은 크기, 중량 및 비용 때문에, 소형의, 휴대용 연료 전지 시스템들을 위한 리포머들의 이용을 부정한다. 연료 전지 시스템들의 기술분야에서, 성능을 열화시키지 않도록, 소형의, 비싸지 않은 리포머를 구비하여 액체 메탄올을 오염물질들을 저감시키는 단순한 수단에 연결된 수소 가스로 변환시키는 발전이 있을 수 있다.
본 발명은 연료 전지들, 특히 수소 연료 공급 시스템으로부터 불순물들을 제거하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따라, 연료 전지를 위한 연료 공급 흐름으로부터 불순물들을 제거하는 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
연료 전지를 위한 수소 연료 공급 흐름으로부터 탄소의 산화물들 및 다른 불순물들이 제거된다. 상기 수소로부터 탄소의 산화물들을 화학적으로 흡수하기에 충분한 게터 소자는 소모될 때 용이하게 교체될 수 있도록, 전지 연료 애노드측에 제거가능하게 접속된다. 상기 게터상에서 탄소의 산화물들을 화학적으로 흡수하도록, 게터 소자를 통해 연료 흐름이 통과되고, 이로써 수소의 정화된 흐름을 연료 전지 애노드에 제공하게 된다. 게터가 소모될 때 연료 전지로부터 게터가 제거되어 새로운 게터로 교체된다. 게터 소자상의 시각적 지시기는, 게터가 교체를 필요로 하는 때를 나타내도록 이용될 수 있다. 본원 명세서가 새로운 것으로 간주되는 본 발명의 특징들을 규정한 청구범위로 결론짓는 동안, 동작 방법 및 본 발명의 이점들은 도시된 도면을 고려하여 보다 잘 이해될 수 있다.
이제 단 하나 도시된 도면에 대해 설명하면, 연료 전지(30)를 위한 연료 흐름 정화 시스템(5)은 다음 방법으로 동작한다. 연료원(10)은 잠재적으로 유해한 불순물들을 전형적으로 포함하는 연료 흐름(12)을 연료 전지(30)에 제공한다. 바람직한 실시예에서, 연료원은 수소로 액체 메타놀을 리포밍시키는 화학적 리포머(chemical reformer)이고, 연료 흐름은 리포메이트로서 공지되어 있지만, 대안적으로, 상기 연료원은 수소 가스 실린더, 수소 발생기, 시 연료 공급라인(municipal fuel supply line), 금속 수산화물 등일 수 있다. 가솔린과 같은 다른 탄화소수 연료들을 위한 화학 리포메이트는 연료원으로서 기능할 수도 있다. 통상, 연료 흐름(12) 즉, 리포메이트는 연료 전지에 유해한 또는 일산화탄소(CO) 및/또는 이산화탄소(CO2)와 같은 연료 전지 성능에 해로운 탄소 불순물들의 근소량의 산화물들을 포함한다. CO는 애노드 전극에서 백금 촉매를 공격함으로써 연료 전지를 손상시킨다. 연료 전지를 직접 손상시키지 않는 CO2는 애노드 전극에 인도된 수소의 질량 체적을 희석하여 성능을 한정한다. 소형의, 휴대용 연료 전지 시스템들을 위한 비싸지 않은 화학적 리포머들의 리포메이트에서 발견된 전형적인 오염물질 레벨들은 5 몰 % CO 및 15 몰 % CO2이다. 40 ppm을 넘는 CO 레벨들은 연료 전지의 결과로서 발생한 실패 및 성능 열화를 가져온다. 오늘날, 리폼드 탄화수소 연료들을 이용한 연료 전지 시스템들은 대량의, 값비싼 다단식 화학적 리포머들, 스크러버들(scrubbers) 및 필터기들을 요구하거나, 오염으로 인해 한정된 수명을 갖기 때문에, 휴대용 전자기기에서 실제 이용에 이러한 연료 전지 시스템들을 배제한다.
본 발명에서, 연료 흐름(12)은 게터 소자(20)를 통해 이를 통과시킴으로써 정화된다. 게터는 이의 표면상에 가스들을 가두는 물질이다. 활성 가스들은 상기 표면상에 화학적으로 흡수 및/또는 물리적으로 흡수되는 반면, 다른 가스들은 그대로 통과된다. 화학적 흡수(chemisorption)는, 약한 화학적 결합들이 가스나 액체 분자들 및 고체 표면 사이에 형성되는 널리 공지된 화학 흡착 공정이다. 게터들은 통상 가스들로부터 오염물질들을 제거하는데 이용되고, 미립자로 된 필터들과 구별된다. 기계적 크기 배제 원리들에 의해 오염물질들을 "필터링"하는 것보다는 오히려, 게터들은 불순물들을 흡착하는 경향이 있다. 게터 소자(20)는 연료 흐름(12)으로부터 불순물들을 화학적으로 흡수하는 물질(22)을 포함한다. 본 발명에 적당한 물질들은 백금, 은, 텅스텐, 유리 가루, 운모(mica), 목탄, 철 및 철 화합물들을 포함한다. CO2를 화학적으로 흡수하는데 유용한 통상 이용가능한 물질은 수산화나트륨으로 코딩된 석면 섬유들(asbestos fibers)인 ASCARITE이다. ASCARITE는 연소 분석기들에서 CO2를 흡착하는데 이용된다. 게터 소자(20)는, 이것의 용량에 이르게 되고, 다 써버리거나, 소모되거나, 고갈되거나, 소모되어, 교체되도록 요구할 때, 사용자에게 전달하는 시각적 지시 수단(24)을 선택적으로 포함한다. 들어오는 흐름 및 "정화된" 나가는 흐름 등에서 불순물들의 양을 측정하고 비교하는, 흡수된 CO 또는 CO2의 량, 전자계기들을 나타내기 위해 컬러를 변경하는 통합 물질들과 같은, 게터 소자의 남은 용량을 모니터링하거나 측정하는 여러 가지 방법들이 산업계에 공지되어 있다.
게터 소자(20)는 인간 사용자에 의해 용이하게 제거될 수 있고 새로운 게터 소자로 교체될 수 있는 방법으로 연료 전지의 애노드측에 제거가능하게 접속된다. "제거가능하게 접속된"의 용어는, 게터 및 연료 전지가 2개의 분리된 개별 부분들이고, 서로 영구적으로 결합되지도, 단일체의 한 개의 단위도 아님을 의미한다. 게터는 연료 전지에 대한 손상없이 또는 복수의 도구들의 필요로 하지 않고, 연료 전지로부터 쉽고 빠르게 분리될 수 있는 방법으로 연료 전지에 부착되는 것으로 의되된다. 예를 들어, "제거가능하게 접속된" 조립을 제공하는 하나의 수단은 게터 소자, 연료원 및 연료 전지 사이의 빠른 단절 가스 부품들을 이용하는 것이다. 게터소자는, 나사로 조여질 수 있고, 오-링들(o-rings) 또는 보스들(bosses) 등에 의해 적당히 밀봉될 수 있는 스냅 핏(snap fit) 또는 다른 전통적인 래치 기구들에 의해 연료 전지에 기계적으로 부착될 수 있다. 우리는 ~에"제거가능하게 접속된"의 정의가 접착성있게 접합된 게터 또는 압축 부품들 또는 SWAGE-LOK 부품들에 의해 접속되거나 연료 전지에 성형된 주입을 포함한다는 것을 생각하지 못했다.
제거가능하게 접속된 게터 소자(20)를 통해 통과한 후, 정화된 연료 흐름(26)은 연료 전지(30)로 흐른다. 바람직한 실시예에서, 상기 정화된 연료 흐름(26)은 수소 가스를 포함한다. 본 발명의 목적을 위해, 정화되는 것은 CO 레벨이 40 ppm보다 작다는 것으로 한정된다.
화학적 리포머를 퇴거시키는 리포메이트는 근소량의 CO 및 CO2 외에 주로 수소 가스로 구성된다. 리포메이트는 백금, 은, 텅스템, 유리 가루, 운모, 목탄, 철 또는 철 화합물들을 포함한 게터 소자를 통해 통과되며, CO 및 CO2는 화학적으로 흡수되고 정화된 수소 가스는 연료 전지에 수출된다. 이용 기간, 즉 게터에서 백금, 은, 텅스텐, 유리 가루, 운모, 목탄, 철 또는 철 화합물들이 다 소모된 후, 소모한 게터는 시스템으로부터 제거되고 새로운 게터로 교체된다. 연료 전지 시스템에 의해 동력이 공급된 소비자 포켓용 전자 장치에 대한 전형적인 사용 모델을 위하여, 게터 소자는 설계되어야 하고, 교체를 요구하지 전에 최종 적어도 한주까지 크기가 측정되어야 한다. 본 발명을 이용함으로써, 비싸지 않은 소형의 리포머들은 연료 전지들에 동력을 공급하는 수소 가스를 얻기 위해 메탄올과 같은 액체 탄화수소 연료들을 리포밍하도록 휴대용 연료 전지 응용에 이용될 수 있다. 희생 게터 소자는, 연로 공급으로서 덜 순수한 리포메이트를 허용함으로써, 그리므로 실제 크기 및 비용의 휴대용 리포머 기반의 연료 전지 시스템들을 허용하는, 보다 정교한, 보다 큰 그리고 보다 값비싼 리포밍 공정들 및 기기에 대한 요구를 제거한다.
요약하자면, 우리는 연료 전지에 대한 연료 흐름에서 불순물들의 농도를 저감시키는 새로운 수단을 생성하여, 포켓용 전자 장치들에 대한 휴대용 연료 전지 시스템에서 액체 메탄놀 연료 및 축소형, 비싸지 않은 리포머들을 이용할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예들이 예시되고 기술되는 동안, 본 발명을 그리 한정하지 않음이 명백해진다. 다양한 변경들, 변화들, 변동들, 치환들 및 등가들은 첨부된 청구범위에 의해 한정되는 바와 같이 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어나지 않고 본 기술에서 숙련된 자들에 의해 발생한다.

Claims (10)

  1. 연료 전지를 위한 연료 공급 흐름으로부터 불순물들을 제거하는 시스템에 있어서,
    상기 연료 흐름으로부터 상기 불순물들을 제거하는 게터 소자를 포함하며,
    상기 게터 소자는 상기 연료 전지의 인간 사용자에 의해 교환될 수 있도록, 상기 연료 전지의 애노드측 및 상기 연료 공급 흐름 사이에 제거가능하게 접속되는, 불순물 제거 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    화학적 리포머(chemical reformer)의 출구측으로부터 상기 연료 흐름을 상기 게터 소자에 통과하도록, 상기 게터 소자에 결합된 상기 화학적 리포머를 더 포함하는, 불순물 제거 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 화학적 리포머는 마이크로-리포머인, 불순물 제거 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제거하는 단계는 화학적으로 흡수하는 단계를 포함하는, 불순물 제거 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 화학적으로 흡수하는 단계는 일산화탄소를 화학적으로 흡수하는 단계를 포함하는, 불순물 제거 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제거하는 단계는 물리적으로 흡수하는 단계를 포함하는, 불순물 제거 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제거하는 단계는 크기 배제에 의한 기계적 필터링 단계를 포함하는, 불순물 제거 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 게터 소자는, 상기 게터 소자가 소모될 때 상기 연료 전지의 인간 사용자에 의해 교체될 수 있도록 제거가능하게 접속되는, 불순물 제거 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    일산화탄소는 상기 연료 흐름으로부터 화학적으로 흡수된 불순물인, 불순물 제거 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 게터 소자의 상태를 나타내는 시각적 표시를 더 포함하는, 불순물 제거 시스템.
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