KR20030026933A - 양자교환막 연료전지의 음극측에서의 물 회수장치 및 방법 - Google Patents

양자교환막 연료전지의 음극측에서의 물 회수장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

연료전지나 연료전지스택은 양자교환막이나기타 전해질을 구비하고, 연료전지의 음극측과 양극측에는 적당한 입출구들이 있다. 음극입구와 음극출구에는 드라이어들이 연결되되, 한쪽 드라이어는 배기 산화제류로부터 수분을 회수하고, 다른쪽 드라이어는 인입류를 습윤시킨다. 드라이어는 연료전지의 양극 연료측의 수분을 회수하는데 사용될 수도 있다.

Description

양자교환막 연료전지의 음극측에서의 물 회수장치 및 방법{WATER RECOVERY, PRIMARILY IN THE CATHODE SIDE, OF A PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL}
일반적으로, 연료전지는 화학적 반응에너지를 전기로 바꾸는 장치이다. 연료전지는 연료와 산화제가 공급되는 한 전력을 생산할 수 있다는 점에서 배터리와는 다르다.
연료전지는 연료와 산화제를 두개의 적당한 전극과 전해질에 접촉시켜 기전력을 일으킨다. 수소기체와 같은 연료는 전해질과 촉매의 존재하에 전기화학적으로 반응하는 제1 전극으로 인입되어 제1 전극에 전자와 양자를 생성한다. 전자는 제1 전극에서 제2 전극으로 순환되는데, 이들 두개의 전극 사이에 연결된 전기회로를 통해서 순환한다. 양이온은 전해질을 통해 제2 전극으로 간다. 그와 동시에, 공기, 산소가 풍부한 공기 또는 산소 등의 산화제는 제2 전극으로 유입되고, 이곳에서 전해질과 촉매의 존재하에 전기화학적으로 반응하여 음이온을 생성하고 전기회로를 통해 순환된 전자를 소비하며, 양이온들은 제2 전극에서 소모된다. 제2 전극인 음극에서 생긴 음이온들은 양이온과 반응하여 반응생성물을 형성한다. 제1 전극인 양극은 연료나 산화전극이라고 할 수 있고, 제2 전극은 산화제나 환원전극이라고 할 수 있다. 두개의 전극에서의 반쪽전지반응들은 각각 다음과 같다.
H2→2H++ 2e-
½O2+ 2H++ 2e-→H2O
외부 전기회로는 전류를 포기하고 연료전지로부터 전력을 받는다. 전체 연료전지반응으로 별도의 반쪽전지반응들의 합인 전기에너지가 생긴다. 통상 이 반응의 부산물은 물과 열이다.
사실상, 연료전지들은 하나의 단위로 동작하지 않고, 직렬로 연결되어 적층되거나 나란히 배치된다. 연료전지 스택이라 불리우는 일련의 연료전지들은 보통 하우징에 수용된다. 연료와 산화제는 매니폴드들을 통해 전극으로 향하고, 반응물이나 냉각매체에 의해 냉각이 이루어진다. 연료전지 스택내에도 전류컬렉터, 셀간 시일, 절연체가 있고, 연료전지 스택 외부에는 필요한 배관과 설비가 배치된다. 스택, 하우징, 관련 하드웨어가 모여 연료전지 모듈을 구성한다.
연료전지는 전해질의 형태에 따라 액체형과 고체형으로 구분될 수 있다. 본 발명은 주로 양자교환막(PEM; proton exchange membrane)과 같은 고체전해질을 이용하는 연료전지에 관한 것이다. PEM은 이용하는 막이 건조할 때는 충분히 동작하지 않기때문에 물로 적셔진 상태에 있어야 한다. 그러므로, 양자교환막은 연료전지동작중에는 보통 수소와 공기의 반응기체에 물을 첨가하여 일정한 습윤상태에 있어야 한다.
고체 폴리머 연료전지에 사용된 양자교환막은 전해질로서 기능함은 물론 반응기체의 혼합을 방지하는 격벽 역할도 한다. 양자교환막으로 적당한 것은 불소처리된 탄소사슬과 황산기의 기본 단위들을 포함하는 공중합 과불화탄소(PFC; perfluorocarbon) 재료가 있다. 이 교환막의 분자구성에는 변화가 있을 수도 있다. 연료전지가 충분히 수화되어 기본적으로 물로 포화된 상태로 동작되면 이들 교환막을 이용해 우수한 성능이 얻어진다. 교환막은 지속적으로 습윤상태에 있어야 하지만, 동시에 성능의 약화를 초래하는 과습윤 상태에 있어서는 안된다. 또, 연료전지 스택의 온도는 동결을 방지하기 위해 빙점보다 높아야 한다.
냉각, 습윤, 가압조건들로 인해 연료전지가 고가화되고 복잡해져, 여러분야의 대체 에너지원으로서의 상업적 매력을 감소시킨다. 따라서, 연료전지 연구의 과제는 연료전지를 반응제 조절 없이도 유용한 전력출력을 유지하면서 공기흡입 대기 상태에서 작동시킬 수 있도록 하는 것다.
현재의 연료전지는 공기흡입 대기 디자인의 단순화에 점점 촛점이 맞춰지고 있지만 빙점 이하의 온도에서는 적절히 동작하지 못하고, 이때문에 디자인이 더 복잡해진다. 예컨대, 시동, 차단, 반응물 습윤제를 위한 추가적인 제어 프로토콜은 물론 열교환기와 단열이 필요하다.
고체폴리머 양자교환막을 채택할 경우, 이 교환막은 다공성 전도체로 이루어진 2개의 전극 사이에 배치되는 것이 일반적이다. 이들 전극은 일반적으로 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 소수성 폴리머로 침윤되거나 코팅된다. 교환막/전극 경계면마다 촉매를 배치하여, 미세한 촉매를 이용해 원하는 전기화학 반응을 촉진한다. 교환막-전극 조립체를 두개의 도전판 사이에 장착하고, 이들 도전판 각각에는 적어도 하나의 유동로가 형성되어 있다. 이 유체 흐름 도전 연료판들은 통상 흑연으로 구성된다. 유동로를 통해 연료와 산화제는 각 전극들, 즉 연료측 양극과 산화제측 음극에 공급된다. 이들 전극은 전기회로에 전기적으로 결합되어, 전극들 사이에 전자를 안내하는 경로를 제공한다. 통상적인 방식으로, 전기회로에는 전기 스위칭 장비 등이 배치될 수 있다. 이런 연료전지에 일반적으로 사용되는 연료는 수소, 또는 수소가 풍부한 개질제가 있다("개질제"란 탄화수소 연료를 수소와 기타 기체를 함유한 기체연료로 개질하여 생기는 연료를 의미한다). 음극측 산화제는 다양한 소스에서 제공될 수 있다. 몇몇 경우, 연료전지를 더 소형화하고 유동로 등의 사이즈를 축소하기 위해 순수 기체를 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 공기를 산화제로 사용하는 것이 일반적인데, 이는 쉽게 구할 수 있고 다른 별도의 밀폐형 기체공급원이 필요없기 때문이다. 또, 공간제한이 문제가 아닌 고정형에서는 대기압의 공기를 공급하는 것이 편리하다. 이런 경우, 산화제로서 공기를 흐르게 하는 채널들을 연료전지 스택에 형성하여, 연료전지 조립체의 전체 구조를 단순화하는 것이 일반적이다. 별도의 산화제 회로를 제공하기 보다는, 환기를 위해 가능하다면 환풍기 등을 연료전지 스택에 배치해 공기흐름을 증가시킬 수 있다.
연료전지의 습윤화가 특별히 어려운 여러가지 분야가 있다. 예컨대 연료전지를 자동차에서 작동시키는데 있어서는 유입 산화제와 연료 흐름을 습윤화하도록 물을 공급하기가 쉽지 않다. 이 목적으로 자동차에 물을 공급하고 자동차에 무거운 중량의 물을 싣는 것은 바람직하지 않다. 반대로, 고정장치의 경우에는 습윤화를 위한 물을 공급하는 것이 가능하다.
그러나, 어떤 고정장치에서는 습윤화가 쉽지 않기도 하다. 예컨대, 원격 감지장비에 전원을 공급하는데 흔히 연료전지를 이용하는데, 장소에 따라서는 물을 쉽게 구할 수 없을 수도 있다. 또, 이와 같은 연료전지의 원격이용이 기후조건이 혹독한 장소에서 일어나기도 한다. 남극 등의 지역에서도 과학장비에 전원을 공급하는데 연료전지를 사용한다고 알려져 있다. 습윤화를 위한 별도의 수원을 제공하는 것은 현실적이지 못한데, 이는 수원의 동결을 방지하는 문제점때문이다. 또, 산화제로 사용되는 주변 공기가 지나치게 건조하면, 좀더 온화한 온도에서 비교적 축축한 공기를 사용할 때 보다 습윤화가 더 중요하다. 사막 등에서도 마찬가지로 극단적인 조건이 있을 수 있다.
본 발명은 전기화학적 연료전지에 관한 것으로, 구체적으로는 양자교환막을 전해질로 사용하면서 수소를 연료로 채택하고 산화제를 받아들여 수소를 전기와 열로 변환하고 전기화학적 연료전지에 관한 것이다.
이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명에 대해 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 연료전지 스택의 음극측에서 물을 회수하고 재순환시키기 위한 장치의 제1 실시예의 개략도;
도 2는 연료전지 스택의 음극측에서 물을 회수하고 재순환하기 위한 장치의 제2 실시예의 개략도;
도 3은 연료전지 스택의 양극측에서 물을 회수하고 재순환하기 위한 장치의 제1 실시예의 개략도;
도 4는 연료전지 스택의 양극측에서 물을 회수하고 재순환하기 위한 장치의 제2 실시예의 개략도;
도 5는 연료전지 스택의 양극측에서 물을 회수하고 재순환하기 위한 장치의 제3 실시예의 개략도.
따라서, 본 발명은 연료전지가 과잉 수분이나 물을 부산물로 생성하는 것에 착안하여, 이 물을 연료전지로 들어오는 유체를 습윤화하도록 재순환시키는 것을 기본으로 한다.
더 구체적으로, 본 발명자들은 연료전지나 연료전지 스택의 배출류인 부산물로부터 물을 회수하여, 산화제 및/또는 연료류를 습윤화하기 위한 별도의 수원을 제공하는 문제를 피할 수 있음을 알았다.
또, 혹독한 기후조건에서, 심지어 기본적인 몇몇 상황에서도, 배출된 연료및/또는 산화제류의 습도가 소정 값 밑에 있는 것이 바람직함을 알았다. 예컨대, 극히 추운 조건에서는, 배출류의 습도가 상당히 높으면, 수분이 즉각 얼어버릴 수 있다. 실제 수분은 안개나 미세한 방울이나 얼음으로 변하고, 장치 외부에 쌓일 것이다. 장기간에 걸쳐 과학장비에 전원을 공급하기 위한 고정장치의 경우, 이런 가능성은 아주 바람직하지 않고, 환기구가 막히거나 얼음의 축적으로 인한 바람직하지 않은 문제점 등을 야기할 수 있다. 이런 이유로, 배출류의 습도는 낮은 것이 좋다.
본 발명의 첫번째 특징에 따르면, 연료기체용 양극입구와 양극출구를 갖는 양극; 산화제 기체용 음극입구와 음극출구를 갖는 음극; 양극과 음극 사이의 전해질; 제1 및 제2 드라이어; 및 제1 및 제2 드라이어들을 음극입구와 음극출구에 연결하는 밸브수단;을 포함하고, 사용중에 제1 드라이어는 음극입구와 음극출구중 하나에 연결될 수 있고 제2 드라이어는 음극입구와 음극출구의 나머지에 연결될 수 있으며, 이들 드라이어의 연결상태는 음극입구와 음극출구 사이에서 주기적으로 스위칭되어 한쪽 드라이어는 배출 산화제류로부터 수분을 회수하고 다른쪽 드라이어는 인입 산화제류를 습윤시키는 연료전지가 제공된다.
바람직하게 이 연료전지는 공통포트는 음극입구에 연결되어 있고 제1 및 제2 분기포트들은 각각 제1 및 제2 드라이어들에 연결되어 있는 인입 3웨이 밸브와, 공통포트는 음극출구에 연결되어 있고 제1 및 제2 분기포트들은 각각 제1 및 제2 드라이어들에 연결되어 있는 배출 3웨이 밸브를 포함하고, 이들 인입, 배출 3웨이 밸브들 각각은 자신의 분기포드들중 하나를 자신의 공통포트에 연결하고 나머지 분기포트는 폐쇄하도록 스위칭되며, 인입, 배출 3웨이 밸브들이 서로 연결되어 있어서, 인입 3웨이 밸브가 제1 분기포트를 공통포트에 연결하면 배출 3웨이 밸브는 제2 분기포트와 공통포트를 연결하고, 제1 웨이 밸브가 제2 분기포트와 공통포트를 연결하면 제2 3웨이 밸브는 제1 분기포트를 공통포트에 연결한다. 인입 3웨이 밸브와 음극입구 사이에 산화제를 연료전지로 이동시키기 위한 펌프가 제공되는 것이 좋다.
본 발명은 단일 연료전지에 적용될 수도 있지만, 연료전지 스택으로 구성된 다수의 연료전지들에 적용될 수도 있다. 이 경우, 음극입구와 출구가 각각 연료전지들 각각에 연결된 입출구 매니폴드들에 연결된다.
음극출구와 제2 3웨이 밸브 사이에는 기체류에서 물방울을 분리하기 위한 물 분리기가 배치된다. 이렇게 되면 다양한 목적으로 사용될 수 있는 수원을 제공할 수 있다. 예컨대, 기체류의 별도의 습윤화에 이 물을 이용할 수도 있다.
"양자교환막 연료전지의 양극측에서의 물 회수"란 명칭으로 본 출원과 같이 출원된 다른 공동출원은 연료전지의 양극측에서 물을 회수하는 것에 관련된 것이다. 그럼에도, 본 발명은 음극측과 양극측 양쪽에서 물이나 수분 회수를 할 수 있도록 고안되었다. 이 경우, 연료전지는 수소를 연료로 사용하는 것이 바람직하다.
이 경우, 연료전지는 양극입구와 양극출구 사이에 연결된 펌프를 포함한 재순환 배관; 양극출구와 펌프 사이의 재순환 배관에 배치되어 양극에서 나오는 연료기체로부터 물을 분리하기 위한 물 분리기; 및 상기 재순환 배관에 연결된 제1 연료입구를 포함하여 연료를 공급하기 위한 메인 연료입구;를 포함할 것이다.
드라이어를 갖는 재순환 배관에 분기관이 연결될 수 있고, 이 분기관에 벤트 출구가 있다. 분기관에는 유량을 제어하고 세척사이클을 행하기 위한 차단밸브를 장착할 수 있다. 한편, 물 분리기 하류측의 재순환 배관에 드라이어가 배치될 수 있다.
드라이어와 벤트 출구 사이의 분기관에 제2 연료입구가 연결될 수 있고, 제2 연료입구와 벤트 출구 사이의 분기관에 제2 차단밸브를 배치할 수 있다. 이렇게 하면, 제2 연료입구를 통해 연료를 공급하여, 드라이어를 통해 연료를 역류시켜 드라이어를 재충전하고 연료류를 습윤시켜 그로부터 수분을 회수할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 연료가 공급되는 양극, 산화제류가 통과하는 음극, 및 양극과 음극 사이의 전해질을 포함하는 연료전지에서 배출되는 산화제류로부터 수분을 회수하고 인입하는 산화제를 습윤시키는 방법에 있어서:
(i) 음극에서 배출되는 산화제류를 제1 드라이어를 통과시켜 수분을 회수하는 단계;
(ii) 비교적 건조한 인입 산화제류를 제2 드라이어에 통과시켜, 제2 드라이어에 미리 포획되어 있던 수분으로 인입류를 습윤시키는 단계; 및
(iii) 제1 및 제2 드라이어들 사이에서 인입류와 배출류를 주기적으로 스위칭하여, 드라이어들 각각이 교대로 (i), (ii) 단계들을 수행하도록 하는 단계;
를 포함하는 방법이 제공된다.
도 1에는 본 발명의 장치의 첫번째 예가 10으로 표시되어 있다. 이 장치(10)는 연료전지 스택(12)을 포함하지만, 연료전지 스택(12)은 하나의 연료전지만으로 구성될 수도 있다. 알려진 바와 같이, 연료전지 스택에는 연료와 산화제의 입출구가 있다. 도 1에는 산화제용으로 하나의 입구(14)와 출구(16)만이 도시되어 있다. 일반적으로 산화제는 공기이지만, 어떤 경우에는 순수 산소일 수도 있다.
제1 인입 3웨이 밸브(18)에는 펌프(20)에 의해 입구(14)에 연결된 공통포트가 있다. 마찬가지로, 출구(16)는 제2 배출 3웨이 밸브(22)의 공통포트에 연결된다. 펌프(20)와 출구(16)는 제1 및 제2 3웨이 밸브들(18,22)의 공통포트에 각각 연결된다.
각각 외부포트(25,27)를 갖는 제1 및 제2 드라이어(24,26)가 배치된다.
이들 드라이어(24,26) 역시 제1 및 제2 인입덕트(28,29)를 통해 제1 3웨이 밸브(18)의 제1 및 제2 분기포트들에 연결된다. 제1 및 제2 배출덕트(30,31)에 의해 제2 3웨이 밸브(22)의 제1 및 제2 분기포트들이 동일한 방식으로 드라이어(24,26) 각각에 연결된다.
3웨이 밸브들(18,22)은 후술하는 방식으로 같이 동작하도록 묶여진다. 일반적으로, 이렇게 되면, 펌프(20)를 통한 인입류가 드라이어들(24,26)중 하나를 통과하는 동안, 출구(16)로부터의 배출류는 나머지 드라이어를 통과할 수 있게된다.
더 구체적으로, 제1 작동모드에서는 제1 3웨이밸브(18)의 제1 분기포트가 제1 드라이어(24)에 연결되도록 스위치된다. 그 결과, 펌프는 외부포트(25)를 통해 주변공기를 드라이어(24) 안으로 유도한다. 사실상, 이 드라이어(24)는 이전 사이클에서 습기로 미리 충전되어 있으므로, 유입공기는 드라이어(24)를 통과하는 동안 습기를 머금으면서 축축해진다. 축축해진 공기는 밸브(18)의 제1 분기포트와 펌프(20)를 통해 스택산화제 입구(14)로 들어간다. 그와 동시에, 제2 3웨이 밸브(22)는 그 공통포트가 분기포트에 연결되어 제2 드라이어(26)에 연결되도록 스위칭된다. 따라서, 산화제 출구(16)에서 배출된 따뜻하고 축축한 공기는 제2 드라이어(26)를 통과한다. 이곳에서 공기는 건조되고 탈수되지만, 제2 드라이어(26)는 수분으로 충전된다.
드라이어(24,26)의 용량에 따라 결정되는 소정 시간이 지난 뒤, 3웨이 밸브들(18,22)이 스위칭된다. 따라서, 제2 모드의 새로운 사이클에서, 유입공기는 제2 드라이어(26)를 통과하면서 수분을 머금게 된다. 그와 동시에, 이전 사이클동안 보유했던 수분이 없어진 제1 드라이어(24)는 출구(16)로부터의 축축한 배출공기가 지나가면서 습기로 재충전된다.
이런 사이클은 드라이어들(24,26)의 용량에 따라 변화되어, 두가지 주요 효과를 일으킨다. 첫째, 유입 공기류가 합리적인 일정 레벨로 축축해지는 것이 보장된다. 또, 배출된 공기류는 탈수된다. 이것은 추운 기후에 특히 유리하다. 드라이어들의 외부 포트(25,27)에서 배출된 공기중의 수분은 바로 서리나 얼음으로 변하지는 않지만, 일정 기간이 경과한 뒤 축적되어 장치의 포트들을 막을 수 있다.
도 2에는 본 발명의 장치의 두번째 예가 도시되어 있다. 이 실시예에서 많은 요소들은 첫번째 실시예와 비슷하므로, 편의상 이들에 대한 설명은 생략한다. 이들 요소들에는 동일한 부호를 병기하였고, 그 기능은 첫번째 실시예와 동일하다.
두번째 실시예의 유일한 추가 요소는 물분리기(32)이다. 이것은 산화제 출구(16)와 제2 3웨이 밸브(22) 사이의 배관에 제공된다. 물분리기의 효과는 드라이어들(24,26) 각각의 건조시간을 연장하는데 있다. 분리기(32)는 공지된 기술을 이용해 배출된 물방울들을 분리한다. 이렇게 회수된 물은 유입 산화제 및/또는 연료전지 스택용 연료류의 습윤화에 사용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 드라이어에서의 가습량이 줄어들어 이용되는 사이클을 연장할 수 있다는 점이 또다른 장점이다.
도 3, 4, 5에는 연료전지 스택내의 연료류를 건조시키는 장치의 세개의 다른실시예들이 도시되어 있다. 특히, 이 기술은 수소를 포함한 연료류에 사용하도록 의도된 것이지만, 당업자라면 다른 연료에도 이 기술을 적용할 수 있을 것이다. 다른 연료로는 수소가 풍부한 개질연료, 즉 탄화수소 연료를 개질하여 수소가 풍부한 기체혼합물을 생성하도록 생산된 연료가 있다.
도 3에는 양극류를 건조시키는 장치의 첫번째 실시예가 40으로 표시되어 있다. 아 장치 역시 연료전지 스택(42)을 포함하고, 이곳에 연료입구(44)와 연료출구(46)가 제공된다. 주로 수소인 연료의 입구(48)는 스택 연료입구(44) 바로 상류측에 배치된다.
출구(46)는 물 분리기(50)와 T형 커넥터(52)에 연결된다. T-커넥터(52)의 분기선은 펌프(54)를 통해 연료입구(44)에 연결된다.
T 커넥터(52)의 다른 분기선은 차단밸브(56)와 드라이어(58)를 통해 벤트포트(60)에 연결된다.
정상 작동모드에서는 차단밸브(56)가 닫히고 펌프(54)가 작동되어 수소가 스택(42)을 순환한다.
주지하는 바와 같이, 연료전지에서의 공통적인 문제점은 질소가 음극측에서 양극측으로 양자교환막을 가로지르면서 확산되어, 일정 기간 이후 스택의 수소측의 양극에 축적되는 경향이 있다는 것이다. 또, 교환막에서의 축적과 습기의 문제도 있을 수 있다.
이런 두가지 이유로, 주기적으로, 예컨대 5분마다 양극측을 세척할 수 있다. 이 목적으로, 5초 정도로 잠시동안 차단밸브(56)를 개방해 드라이어(58)를 통해 벤트포트(60)로 기체를 환기시킨다. 일반적으로, 양극측은 약간의 정압력 상태로 동작한다. 밸브(56)를 열면 압력펄스가 스택을 통과하므로, 전극들과 기체확산매체의 구멍들을 통해 물이 분사되는 효과를 얻을 수 있다. 어떤 경우에도, 갑작스럽고 날카로운 세척사이클에 의해 원치 않는 기체 이외의 축적된 과잉 수분의 환기를 촉진할 수 있다.
5초의 세척 사이클 끝에서 밸브(56)는 다시 닫힌다.
드라이어(58)는 벤트포트(60)를 통해 환기된 기체의 습도를 낮추는 기능을 한다. 이것은 어떤 환경에서 바람직할 수 있다. 특히, 추운 기후에서도, 수분과 환기기체가 서리와 얼음입자로 변하고 장치 주변에 축적되는 문제가 없다.
드라이어(58)는 적당한 주기로 교체될 수 있는바, 실린더로부터 공급되는 수소를 공급하는 연료를 교체할 때 그렇다. 한편, 인입연료가 드라이어(58)를 통과하면서 드라이어에 축적된 수분을 머금는 다른 구성을 취할 수도 있다.
도 4, 5에서, 도 3과 동일한 요소에는 동일한 번호를 병기하였다. 전술한바와 같은 이유로, 이들 요소에 대한 설명은 편의상 생략한다.
따라서, 도 4에서, 드라이어(62)는 분리기(60)와 T 커넥터(52) 사이에 배치된다. 차단밸브(56) 역시 마찬가지로 T 커넥터(52) 바로 상류측에 배치되지만, 여기서는 벤트포트(60)에 직결된다.
사실상, 도 4의 장치는 사용중에 연료전지 스택(42)의 양극측의 습도를 원하는만큼 유지하는 기능을 한다. 그러므로, 과잉수분은 분리기(50)에서 분리될 수 있지만, 드라이어(62)는 습도를 원하는 값으로 유지하도록 기본적으로 포화상태로 동작함을 알 수 있다.
또, 도 4에서, 차단밸브(56)는 5분 정도의 주기로 5초 정도의 세척사이클로 개방된다. 이렇게 되면, 질소가 스택의 양극측에 쌓이는 것이 방지된다. 세척사이클로부터 연료전지에서 물을 제거하는만큼, 물은 물방울의 경우 분리기(50)에 의해 분리되거나, 아니면 드라이어(62)에 의해 흡수될 것이다.
끝으로, 도 5에 따르면, 본 발명의 양극 측면의 제 3 실시예는 도 4의 모든 구성요소를 포함한다. 그 외에도, 제2 수소입구(72), 수소제어밸브(74), 제2 차단밸브(76)를 더 구비한다.
정상적인 사용시, 제3 실시예는 도 3의 제1 실시예와 같은 방식으로 기능한다. 따라서, 수소는 일반적으로 메인 연료입구(48)를 통해 공급된다. 펌프(54)가 동작하면 수소가 분리기(50)를 통해 연속적으로 순환된다.
이론적으로는, 차단밸브(56)를 개방하여 5분마다 짧은 세척사이클(예, 5초)을 수행할 수 있다. 그와 동시에, 제2 차단밸브(76)가 개방된다. 이렇게 되면, 기체가 스택의 양극측으로부터 드라이어(58)를 통해 벤트포트(60)로 흐를 수 있다.
드라이어(58)에 수분이 축적되면, 공급된 수소가 주기적으로 메인 연료입구(48)에서 제2 수소입구(72)로 스위칭된다. 이 목적으로, 밸브(도시 안됨)를 닫아 메인 연료입구(48)를 폐쇄한다. 동시에, 수소제어밸브(74)가 개방된다. 제2 차단밸브(76)는 닫혀있고 제1 차단밸브(56)는 개방된다. 이렇게 되면, 제2 수소입구(72)로부터 드라이어(58)를 통해 스택(42)의 양극측으로 수소가 공급된다.
펌프(54)는 전술한 바와 같이 동작한다. 따라서, 수소는 스택과 물 분리기를통해 순환된다. 수소가 소비되면, 새로운 수소가 입구(72)로부터 공급되고, 이 수소는 드라이어(58)에서 습윤화되므로 드라이어(58)의 습기는 제거하는 역할을 하고, 드라이어는 뒤에 재충전된다.
적당한 시간이 지나면, 수소제어밸브(74)가 닫히고 메인 연료입구(48)를 통해 수소공급이 재개된다. 드라이어(58)는 건조되거나 재충전 상태에 있으므로, 세척사이클동안 기체로부터 수분을 회수할 준비가 되어있다.
도 4의 실시예와 비교해 이 실시예의 장점은 수분을 회수하여 유입 수소에 이 수분을 첨가하는데 있다. 그와 동시에, 드라이어의 재충전을 위해 드라이어를 교체할 필요가 없다.
이상 음극측과 양극측 양쪽의 습윤화에 대해 본 발명을 설명했지만, 본 발명은 주로 음극측에서의 습윤화에 관련된다. 그러나, 습윤화는 동시에 양극측에서도 이루어질 수 있다.
음극측에서만 습윤화가 이루어지는 동안, 사용중에 주로 음극측에 물이 생성됨을 알 수 있는데, 이는 교환막을 통해 양자가 유입되기 때문이다. 이런 이유로, 음극측으로부터 물을 회수하는 것이 적절할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 작동상태에 따라 상당한 수분이 양극측에도 생길 수 있다. 예컨대, 산화제측의 압력이 양극측이나 연료측보다 상당히 높으면, 반응중에 생긴 물이 교환막을 통해 되돌아가, 양극측에 상당량의 물이 나타나고 배출된 양극 연료류가 상당히 축축해질 수 있다. 이런 경우, 배출된 연료류의 수분을 회수하거나 제어하는 것이 바람직하다.

Claims (16)

  1. 연료기체용 양극입구와 양극출구를 갖는 양극;
    산화제 기체용 음극입구와 음극출구를 갖는 음극;
    양극과 음극 사이의 전해질;
    제1 및 제2 드라이어; 및
    제1 및 제2 드라이어들을 음극입구와 음극출구에 연결하는 밸브수단;을 포함하고,
    사용중에 제1 드라이어는 음극입구와 음극출구중 하나에 연결될 수 있고 제2 드라이어는 음극입구와 음극출구의 나머지에 연결될 수 있으며, 이들 드라이어의 연결상태는 음극입구와 음극출구 사이에서 주기적으로 스위칭되어 한쪽 드라이어는 배출 산화제류로부터 수분을 회수하고 다른쪽 드라이어는 인입 산화제류를 습윤시키는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  2. 제1항에 있어서, 공통포트는 음극입구에 연결되어 있고 제1 및 제2 분기포트들은 각각 제1 및 제2 드라이어들에 연결되어 있는 인입 3웨이 밸브와, 공통포트는 음극출구에 연결되어 있고 제1 및 제2 분기포트들은 각각 제1 및 제2 드라이어들에 연결되어 있는 배출 3웨이 밸브를 포함하고, 이들 인입, 배출 3웨이 밸브들 각각은 자신의 분기포드들중 하나를 자신의 공통포트에 연결하고 나머지 분기포트는 폐쇄하도록 스위칭되며, 인입, 배출 3웨이 밸브들이 서로 연결되어 있어서, 인입 3웨이밸브가 제1 분기포트를 공통포트에 연결하면 배출 3웨이 밸브는 제2 분기포트와 공통포트를 연결하고, 제1 웨이 밸브가 제2 분기포트와 공통포트를 연결하면 제2 3웨이 밸브는 제1 분기포트를 공통포트에 연결하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  3. 제2항에 있어서, 인입 3웨이 밸브와 음극입구 사이에 산화제를 연료전지로 이동시키기 위한 펌프가 제공되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  4. 제3항에 있어서, 연료전지 스택으로 구성된 다수의 연료전지들을 포함하고, 음극입구와 출구가 각각 연료전지들 각각에 연결된 입출구 매니폴드들에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  5. 제1항 내지 4항중의 어느 한 항에 있어서, 음극출구와 제2 3웨이 밸브 사이에 기체류에서 물방울을 분리하기 위한 물 분리기가 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  6. 제1항 내지 3항중의 어느 한 항에 있어서, 전해질이 양자교환막을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  7. 제4항에 있어서, 전해질이 양자교환막을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  8. 제1항에 있어서, 연료기체와 함께 사용하기에 적합하고;
    양극입구와 양극출구 사이에 연결된 펌프를 포함한 재순환 배관;
    양극출구와 펌프 사이의 재순환 배관에 배치되어 양극에서 나오는 연료기체로부터 물을 분리하기 위한 물 분리기; 및
    상기 재순환 배관에 연결된 제1 연료입구를 포함한, 연료를 공급하기 위한 메인 연료입구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  9. 제8항에 있어서, 상기 재순환 배관에 연결된 분기관과 이 분기관내의 드라이어를 포함하고, 상기 분기관에 벤트 출구가 있는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  10. 제9항에 있어서, 드라이어 상류측의 분기관에 드라이어를 향한 연료기체 흐름을 제어하기 위한 차단밸브를 설치하고, 이 차단밸브는 사용시 원치않는 누적기체들을 양극에서 세척하기 위해 세척사이클을 수행하도록 동작할 수 있는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  11. 제8항에 있어서, 상기 물 분리기 하류측의 재순환 배관에 드라이어가 배치된 것을 특징으로 하는 연료전지.
  12. 제11항에 있어서, 상기 드라이어 하류측의 재순관 배관에 분기관이 연결되고, 차단밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  13. 제9항 또는 12항에 있어서, 상기 분기관이 펌프 상류측의 재순환 배관에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  14. 제10항에 있어서, 상기 드라이어와 벤트 출구 사이의 분기관에 연결된 제2 연료입구, 및 상기 제2 연료입구와 벤트 출구 사이의 분기관에 배치되어 드라이어를 통해 연료를 역류시켜 드라이어를 재충전하고 수분을 회수하기 위한 제2 차단밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  15. 제14항에 있어서, 제2 연료입구내에 이 연료입구를 제어하기 위한 연료제어밸브를 배치한 것을 특징으로 하는 연료전지.
  16. 연료가 공급되는 양극, 산화제류가 통과하는 음극, 및 양극과 음극 사이의 전해질을 포함하는 연료전지에서 배출되는 산화제류로부터 수분을 회수하고 인입하는 산화제를 습윤시키는 방법에 있어서:
    (i) 음극에서 배출되는 산화제류를 제1 드라이어에 통과시켜 수분을 회수하는 단계;
    (ii) 비교적 건조한 인입 산화제류를 제2 드라이어에 통과시켜, 제2 드라이어에 미리 포획되어 있던 수분으로 인입류를 습윤시키는 단계; 및
    (iii) 제1 및 제2 드라이어들 사이에서 인입류와 배출류를 주기적으로 스위칭하여, 드라이어들 각각이 교대로 (i), (ii) 단계들을 수행하도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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