KR20030044063A - 애노드 측면 하류에 접속된 배기 가스 촉매 컨버터를 갖는ｐｅｍ 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 HT-PEM 원리에 따라 동작하는 적어도 하나의 연료 전지 모듈에 포함되는 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 배기 가스 촉매(25)에 의해, 개별 연료 전지 유니트의 수소 측면상에 축적되는 과잉 수소 가스를 적어도 무해하게 하는 것이다. 따라서 수소에 의한 대기 오염이 방지된다. 또한 본 발명은 배기 가스에 존재하는 일산화탄소 및/또는 수소에 대한 촉매 가스를 배기시킨다.

Description

애노드 측면 하류에 접속된 배기 가스 촉매 컨버터를 갖는 ＰＥＭ 연료 전지 시스템{ＰＥＭ FUEL CELL SYSTEM, COMPRISING AN EXHAUST GAS CATALYST CONNECTED DOWNSTREAM ON THE ANODE SIDE}
PEM(Plymer Electrolyte Membrane) 연료 전지 모듈을 갖는 연료 전지 시스템은 예를 들어, EP 0 774 794 B1호에 공지되어 있다. 이러한 형태의 PEM 연료 전지 모듈은 고온, 즉, PEM 연료 전지의 기준 동작 온도로서, 60℃ 이상의 온도에서 동작하는 것으로 공지되어 있다. 이러한 경우, 연료 전지는 HT-PEM 연료 전지로서 공지된다. HT-PEM 연료 전지에서, 동작 온도는 60℃ 내지 300℃ 사이, 특히 120℃ 내지 200℃ 범위의 온도 윈도우 내에서 이동된다.
HT-PEM 연료 전지의 특이한 장점은 연료 전지의 동작이 리포머(reformer)에 의해 연료로부터 얻어진 수소(H2) 또는 수소가 풍부한 연료 가스에서의 불순물에 영향을 받지 않는다는 것이다. 수소는 일반적으로 수소-동작 연료 전지에 과잉 공급되기 때문에, 통상적으로 연료 전지의 수소 측면 상의 배기 가스는 수소 잔류물을포함한다. 이러한 잔류 수소는 시스템으로 복귀되거나 또는 대기로 흐른다.
특히 HT-PEM 연료 전지가 리포머에 의해 예를 들어 가솔린, 메타놀 또는 고급(higher) 탄화수소와 같은 액체 연료를 제조하고 PEM 연료 전지의 고온의 동작 기간을 견뎌낼 수 있는 수소가 풍부한 가스와 반응할 때, 잔여 연료 가스의 복귀는 단점이 되며, 이는 높은 레벨의 불연 가스를 포함하기 때문이다.
본 발명은 고분자 전해질(PEM) 연료 전지의 스택을 포함하는 적어도 하나의 연료 전지 모듈을 갖는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
도 1은 배기-가스 촉매 컨버터와 조합하여 HT-PEM 연료 전지가 동작하는 방법을 나타내는 회로도.
따라서, 본 발명의 목적은 수소의 복귀에 대한 대안적인 방안을 제공하는 것이다.
본 발명에 따라, 상기 목적은 청구항 제 1 항에 개시된 특징부에 의해 달성된다. 개선안은 종속항에 부여된다.
본 발명에서, 수소 및/또는 일산화탄소 및/또는 탄화수소에 대한 배기-가스 촉매 컨버터가 HT-PEM 연료 전지 모듈에 제공된다. HT-PEM 연료 전지 모듈이 단지 순수한 수소와 반응하는 경우, 배기 가스 촉매 컨버터는 특히 과잉 수소를 해롭지 않게 하고 과잉 수소가 대기로 흐르지 못하게 한다. 이와 관련하여, 일반적으로 발열 반응하는 촉매 컨버터에서 방출되는 열 에너지는 PEM 연료 전지의 상류에 저속된 리포머에 공급될 수 있다는 것이 장점이다.
종래 기술에서 공지된 촉매 컨버터는 배기 가스 촉매 컨버터로서 사용된다. 특히 바람직한 수소 촉매 컨버터의 예로는 플래티늄 메쉬(platinum mesh)가 있다. 이러한 형태의 촉매 컨버터는 특히 HT-PEM 연료 전지의 동작 온도로 전기적으로 가열될 수 있다.
본 발명의 보다 상세한 설명 및 장점은 청구항과 관련하여 도면을 기초로한 실시예의 설명에서 밝혀진다.
도면에서, 전체 연료 전지 시스템은 10으로 표시된다. 이러한 형태의 시스템(10)은 연료 전지 모듈 및 이와 관련된 보조 장치를 포함한다. 예로서, PEM 연료 전지 형태로 구성된 연료 전지 모듈(20)이 도시된다. 이와 관련하여, PEM은 수소 및 산소와 동작하고 프로톤 교환 프로세스(Pronton Exchange Membrane)로서 공지된 것을 사용하는 고체 전해질을 갖는 연료 전지를 나타내며, 프로톤 전해질 층(Pronton Electrolyte Membrane)은 연료 전지의 주성분을 형성한다. 각각의 경우 한 개의 Membrane Electrode Assembly(MEA)가 존재하고, 여기서 물을 형성하기 위해 전하의 발생으로 수소(H2)와 산소(O2)의 원소 반응이 이루어진다. 양극성 플레이트와 관련된 다수의 MEA는 직렬로 전기적으로 접속된 원소 연료 전지 유니트를 포함하는 연료 전지 스택으로서 공지된 것을 형성하기 위해 적층된다; 해당 전압은 스택으로부터 공급될 수 있다.
HT-PEM 연료 전지 모듈(20)의 동작을 위해 수소가 도면에 표시된 리포머(110)에서 액체 연료, 예를 들어 가솔린, 메타놀 또는 다른 고급 탄화수소로부터 발생되거나, 또는 도면에는 도시되지 않은 수소 탱크로부터 발생된다. 대기중에서 산화제가 제공된다. 수소가 과잉 존재하기 때문에, 연료 전지 모듈(20)의 막 전극 어셈블리의 수소 측면의 출구에서 수소가 외부로 방출된다. 이러한 형태의 수소 배기 가스는 바람직하지 않으며 가능한 제한되어야 한다.
도면에서, PEM 연료 전지 모듈(20)은 수소 촉매 컨버터(25)와 접속된다. HT-PEM 연료 전지 모듈(20)로부터의 배기 가스에서 수소는 이러한 형태의 촉매 컨버터에 의해 해롭지 않게 된다.
예로서, 플래티늄 메쉬가 수소(H2)에 대한 배기-가스 촉매 컨버터(25)로서 사용된다. 수소의 화학적 전환은 발열 프로세스를 나타내기 때문에, 열 에너지가 방출된다. 방출되는 열은 리포머(110)에 바람직하게 공급된다. 또한 배기 가스 촉매 컨버터 또는 배기 가스 자체는 연료 전지, 특히 HT-PEM 연료 전지 모듈(20)의 동작 온도로 가열될 수 있다.
특히 HT-PEM 연료 전지로서 공지된 것에서의 기준 압력에서 100℃ 이상의 온도에서 동작하는 PEM 연료 전지의 경우, 바람직하지 않은 수소 배기 가스는 연료 전지 모듈의 출구에서 거의 해롭지 않게 될 수 있다.
HT-PEM 연료 전지를 동작시키기 위해, 예를 들어, 가솔린, 메타놀 또는 다른 고급 탄화수소로부터 얻어지고 HT-PEM 연료 전지가 동작할 때 바람직하게 내성이 있는 추가적 성분으로서, 일산화탄소 및/또는 탄화수소의 불순물을 함유할 수 있는 수소가 풍부한 연료 가스를 사용하는 것이 가능하다. 이 경우, 도면을 참조로 수소(H2)에 대한 촉매 컨버터에 대해 특히 설명된 것과 동일한 방식으로, 일산화탄소 및/또는 탄화수소에 촉매 컨버터를 제공하는 것이 바람직하다. 이는 이러한 형태의 연료 전지의 보조 성분 및 배기 가스를 해롭지 않게 할 수 있다. 이는 대기 오염을 감소시킨다.

Claims (7)

  1. HT-PEM 연료 전지 및 이과 관련된 막 전극 어셈블리(MEA)를 갖춘 스택을 포함하며 수소 또는 수소가 풍부한 가스로 동작하는 적어도 하나의 연료 전지 모듈을 구비한 연료 전지 시스템에 있어서,
    수소 및/또는 일산화탄소 및/또는 탄화수소를 위한 배기-가스 촉매 컨버터(25)는 수소(H2) 또는 수소가 풍부한 연료 가스로 동작하는 HT-PEM 연료 전지에 대해 막 전극 어셈블리(21, 21',...)의 배기-가스 측면상에 위치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연료 전지 모듈은 순수한 수소로 동작하며, 상기 배기-가스 촉매 컨버터는 원치않는 수소(H2) 방출을 방지하는, H2촉매 컨버터(25)인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 H2촉매 컨버터(25)는 플래티늄 메쉬인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 배기-가스 촉매 컨버터(25)는 전기적으로 가열되는 것을 특징으로 하는 연료 전기 시스템.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 배기-가스 촉매 컨버터(25)는 발연성 동작 촉매 컨버터인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 연료 전지 모듈(20)의 상류에는 액체 연료로부터 수소(H2) 또는 수소가 풍부한 연료 가스를 얻는데 사용되는 리포머(110)가 제공되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 배기 가스 촉매 컨버터(25)의 발열성 열 에너지가 상기 리포머(110)에 공급되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
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