KR20030063483A - 차량 내에서 사용가능한 연료 전지 시스템을 작동시키기위한 방법 및 관련 연료 전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량 내에서 사용가능한 연료 전지 시스템을 작동시키기 위한 방법 및 관련 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 종래의 연료 전지 시스템은 연료 및 연료 전지를 작동시키기 위해 필요한 산소를 산화제 형태로 공급하는 공기를 공급함으로써 작동된다. 본 발명의 목적은 차량이 상이한 환경에서 경우에 따라서는 높은 오염 수준에서 작동될 경우에 발생될 수도 있는 장애로부터 연료 전지 모듈(10)을 보호하는데 있다. 이를 위해서 공기가 연료 전지 시스템에 공급되기 전에 공기 정화 장치(50)에 의해 정화되며, 상기 공기 정화 장치(50)는 연료 전지 모듈(10)과 결합된다.

Description

차량 내에서 사용가능한 연료 전지 시스템을 작동시키기 위한 방법 및 관련 연료 전지 시스템 {METHOD FOR OPERATING A FUEL SYSTEM USED IN A MOTOR VEHICLE AND CORRESPONDING FUEL CELL SYSTEM}

자동차의 전기모터 구동 장치에 전력을 공급하기 위한 연료 전지 시스템은 다양한 형태로 공지되어 있다. 이러한 서로 다른 연료 전지 시스템에서는 물을 형성하기 위한 수소와 산소간의 화학 반응이 공통적으로 나타난다.

예컨대 프로톤 전도성 막에 의해 작동하는 PEM 연료 전지(PolymerElectrolyteMembrane,ProtonExchangeMembrane)는 가솔린, 메탄올 또는 다른 고함량 탄화수소, 그리고 주변 공기로부터 나온 산소에 의해 연료로서 작동하는데, 이때 상기 탄화수소로부터 리포머를 이용하여 수소를 다량 함유한 연료 가스가 획득된다. 특히 더 높은 온도에서 작동하는 HT-PEM 연료 전지는 원래 불순물에 대해 민감하지 않으므로, 특히 연료 가스로 적합하다. 산화제로서의 산소는 주변 공기로부터 얻어지는데, 이때 기본적으로 이동중인 차량에서 발생하는 기류로부터 추출될 수 있는 보통의 주변 공기가 전제가 된다.

특히 상기 HT-PEM 연료 전지가 불순물에 대해 민감하지 않은 것으로서 간주될지라도, 작동 가스에 대한 확실한 표준이 보장되어야만 한다. 예컨대 도심 영역에서 계속해서 변하는 상이한 부하 조건하에서 작동되는 자동차에서는 주변 공기에 있는 불순물에 의해 연료 전지 시스템 내에 장애가 발생하는 일이 없도록 해야만 한다.

본 발명은 차량 내에서 사용될 수 있고 연료 및 공기가 공급되는 연료 전지 시스템을 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 적어도 하나의 연료 전지 모듈을 갖는 자동차용 관련 연료 전지 시스템에 관한 것이며, 상기 연료 전지 모듈에 연료 및 공기가 공급된다.

도 1은 통합된 연료 전지 시스템을 갖는 자동차를 도시하고,

도 2는 연료 전지 모듈 및 도 1에서 사용되기 위한 공기 정화 장치를 포함하는 시스템을 도시한다.

따라서 본 발명의 목적은, 모든 주변 상황에서 자동차용 연료 전지 시스템이 작동되도록 보장하는 조치를 제안하고 관련 연료 전지 시스템을 제조하는데 있다.

상기 목적은 방법에 관련하여 본 발명에 따라 청구항 1항에 제시된 조치에 의해 달성된다. 관련 연료 전지 시스템은 청구항 6항의 대상이다. 방법의 개선예 및 관련 장치의 개선예는 각각 종속항의 대상이다.

또한 본 발명에 따른 방법에 따르면 공기는 연료 전지 내부에 삽입되기 전에 정화된다. 자체 호흡식 전지일 경우, 즉 기류의 공기로부터 연료 전지용 산화제를 추출할 경우에 정화가 이루어지는 것이 바람직하다. 특히 한편으로는 입자 정화를, 다른 한편으로는 오염 물질 정화를 포함하는 이단 공기 정화가 이루어질 수 있다.

관련 연료 전지 시스템에서는 연결 방향으로 볼 때 연료 전지 모듈의 앞에 하나의 유닛이 연결되는데, 상기 유닛은 바람직하게는 오염 물질의 표면 흡착을 위한 흡착 장치를 가지며 및/또는 한편으로는 오염 물질을 화학적으로 무해하게 만들이 위한 촉매 코팅을 갖고 다른 한편으로는 물리적인 입자 필터링을 위한 필터를 갖는다. 예컨대 촉매 작용을 갖는 코팅이 통합된 열 교환기의 표면 위에 용이하게 제공될 수 있다.

본 발명에서는 필터의 디자인이 특별한 기능을 갖는다. 이로 인해 다중 기능 필터로서 설계된 n'-단계 필터가 제공될 수 있다.

본 발명의 또다른 세부사항 및 장점들은 청구항과 함께 도면에 도시된 실시예의 도면 설명에서 제시된다.

도 1에서 자동차(KFZ)가 도면부호 1로 표기되며, 상기 자동차(1)의 전기모터용 구동 장치(3)-도면에서는 간단히 표시됨-는 기본적으로 관련 시스템 부품과 함께 공지되어 있는 연료 전지 시스템에 의해 전력을 공급받는다. 상기 연료 전지 시스템은 실질적으로는 연료 전지 모듈(10) 및 관련 부속 장비들을 포함한다. 적어도 상기 연료 전지 모듈(10)은 적합한 방식으로 공기를 공급받을 수 있도록 자동차(1)의 차대 내부에 또는 자동차(1)의 차대에 설치되어야만 한다. 예컨대 상기 연료 전지 모듈(10)은 자동차(1)의 바닥(2)의 하부 또는 중간 바닥(2')에 의해 형성된 자유 공간 내부에 배치된다. 또한 도면에 배기관(8)이 개략적으로 도시되는데, 이때 상기 연료 전지 모듈(10)이 순수한 수소 및 산소에 의해 작동할 경우에는 상기 배기관(8)으로부터 처리수가 배출될 수 있고, 보조 성분들을 갖는 수소를 다량 함유한 가스를 사용할 경우에는 상기 보조 성분들이 배출될 수 있다.

자동차(1) 내에 배치된 연료 전지 시스템의 경우 연료 전지 모듈(10)은 가급적 기류로부터 에너지를 공급받는다. 즉 상기 연료 전지 모듈(10)은 자체 호흡을 한다. 그러나 낮은 주행 속도 및/또는 높은 부하를 위해서는 통상적으로 보조 송풍 장치가 제공된다.

이러한 방식으로 산소가 연료 전지 프로세스에 필요한 산화제로서 제공된다.

자동차 내에 사용되는 연료 전지 시스템은 막 전해질을 갖는 막 연료 전지의 원리에 따라서 작동한다. 기류는 기계적 수단의 적합한 사용에 의해, 즉 편향판 및/또는 노즐 장치에 의해, 연료 전지 모듈(10)의 최적의 사용을 보장하는 방식으로 사용될 수 있다. 이러한 경우에 상기 연료 전지 모듈(10)은 평평하게 형성되고 제한된 높이를 가져야만 한다. 특히 끌림 항력 계수와 같은 자동차의 공기 역학적 특성이 실질적으로 손상되지 않아야 한다.

상기 연료 전지 시스템을 위해서는 고체 전해질에 의해 작동되고 PEM(PolymerElectrolyteMembrane) 연료 전지로서 표기되는 연료 전지가 사용된다. 상기와 같은 연료 전지는 종래 기술에 공지되어 있으며, 상기와 같은 연료 전지를 차량용으로 사용하기 위해서는 지금까지 전문서적에 공지된 것 보다 높은 온도에서 작동시키는 것이 바람직하다. 따라서 소위 HT(HighTemperature)-PEM 연료전지 시스템이 구현된다. 상기와 같은 HT-PEM 연료 전지 시스템의 경우에는 80℃ 내지 300℃의 작동 온도, 특히 120℃ 내지 200℃의 작동 온도가 사용된다.

특히 상기 HT-PEM 연료 전지 시스템을 갖는 연료 전지 모듈(10)은 평평하게 형성된다. 구체적으로 말하면 다수의 PEM 연료 전지가 적층되기 때문에, 이러한 경우에는 플랫 스택으로 볼 수 있다. 상기와 같은 플랫 스택은 바람직하게는 차량 바닥의 하부에 설치되거나, 또는 승용차가 아닐 경우에는 차량의 지붕 또는 자동차 차대의 다른 적합한 지점에 설치된다. 따라서 기류가 적합한 방식으로 연료 전지로 이르게 될 수 있다.

도 2에서는 기술된 바와 같이 개별 HT-PEM 연료 전지를 포함하는 연료 전지 모듈(10)이 사용되며, 상기 연료 전지는 함께 적층됨으로써 플랫 스택(간략하게 스택이라고 함)을 형성한다. 예컨대 가솔린 또는 메탄올과 같은 액체 연료의 개질(reforming)에 의해 생성된 수소 또는 수소를 다량 함유한 가스, 그리고 산화제로서의 주변 공기가 상기와 같은 스택에 공급된다. 상기 HT-PEM 연료 전지가 연료 가스의 불순물에 대해 비교적 민감하지 않고 특히 CO 불순물이 10.000ppm 이하로 허용될 경우에는 산화제에 관련한 상황이 더욱 문제시된다. 연료 전지로 작동되는 차량이 임의의 환경, 특히 일시적인 CO 부하 또는 CO₂부하를 갖는 도심에서 장애없이 작동되도록 하기 위해, 연결 방향으로 볼 때 상기 연료 전지 모듈(10)의 앞에는 공기 정화를 위한 특수한 수단을 갖는 공기 정화 장치(50)가 연결된다.

상기 공기 정화를 위한 수단은 화학적 원리 및/또는 물리적 원리에 따라서작동될 수 있고 공기 정화 장치(50)를 위한 전체 유닛 내부에 각각 결합될 경우에 제공되는데, 이에 관련해서는 도 2에 의해 자세히 기술된다.

상기 공기 정화 장치(50)는 열 교환기(40), 흡착 장치(41) 및/또는 촉매 코팅(42)을 포함한다. 적합한 흡착 장치가 공지되어 있는데, 적합한 예로서 제올라이트가 있다. 상기 촉매 코팅으로서 예컨대 백금과 같은 귀금속 또는 다른 귀금속이 사용될 수 있다. 상기와 같은 귀금속 촉매 코팅은 실제로 이미 열 교환기와 함께 사용되고 있다. 상기 흡착 장치(41) 및 촉매 코팅(42)은 공통의 공기 정화 장치(40)를 형성할 수 있다.

도 2에서는 연결 방향으로 볼 때 화학적인 공기 정화를 위한 장치(40)의 앞에 필터(45 및 45')로 이루어진 이단 필터가 연결된다. 상기 필터(45) 내에서 정해진 크기를 초과하는 입자가 유입 공기로부터 제거되고, 필터(45') 내에서 더 작은 크기를 초과하는 입자가 유입 공기로부터 제거된다. 따라서 다중 필터로서 형성되거나 형성될 수 있는 n 단계 필터가 구현될 수 있다. 상기 필터는 또한 예컨대 흡착 장치(41) 및/또는 촉매 코팅(42)을 포함한다. 이러한 경우 한편으로는 입자 정화, 다른 한편으로는 오염 물질 정화가 실행되는 것이 바람직하다. 또한 공기 정화 장치 내부로 열 교환기(30)가 통합될 수 있으며, 상기 열 교환기(30)는 공기 온도를 연료 전지 모듈(10)을 작동시키기에 적합한 값으로 조절한다.

도 2에 따른 배열에 의해 산화제로서의 공기에 의해 작동하는 연료 전지 시스템의 작동에 불리한 영향을 미칠 수도 있었던, 지금까지 장애를 일으키던 주변 공기의 불순물들이 프로세스 공기로부터 제거될 수 있다. 이를 통해 상기 연료 전지 프로세스가 불순물에 의해 방해받는 일이 가급적 차단될 수 있다. 이와 관련하여 PEM 연료 전지 및 특히 HT-PEM 연료 전지를 갖는 연료 전지 시스템이 사용될 경우에는 산화제를 공급하기 위해 주변 공기가 문제없이 사용될 수 있다.

Claims (16)

1. 적어도 하나의 자체 호흡하는 연료 전지 모듈에 연료 및 공기를 공급하도록 구성된, 차량 내에서 사용가능하고 적어도 하나의 자체 호흡하는 연료 전지 모듈을 갖는 연료 전지 시스템의 작동 방법에 있어서,

   상기 공기를 상기 연료 전지 모듈 내에서 사용하기 전에 정화시키는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   다단계 공기 정화를 실행하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 2항에 있어서,

   한편으로는 공기의 입자 정화, 그리고 다른 한편으로는 공기의 오염 물질 정화를 포함하는 이단 공기 정화를 실행하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   PEM 연료 전지, 특히 HT-PEM 연료 전지를 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 연료 전지 모듈에 연료 및 공기가 공급되는, 적어도 하나의 연료 전지 모듈을 포함하는 제 1항, 또는 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실시하기 위한 자동차용 연료 전지 시스템에 있어서,

   임의의 환경에서 상기 자동차(1)를 작동시키기 위해서 연결 방향으로 볼 때 상기 연료 전지 모듈(10)의 앞에 공기 정화 장치(50)가 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 공기 정화 장치(50)가 화학적인 공기 정화를 위한 수단(40), 흡착 장치(41) 및/또는 촉매 코팅(42)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 흡착 장치(41)로서 제올라이트가 사용되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
8. 제 6항에 있어서,

   상기 촉매 코팅(42)은 화학 원소 주기율표의 백금 족으로 이루어진 귀금속임을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
9. 제 5항에 있어서,

   연결 방향으로 볼 때 상기 연료 전지 모듈(10)의 앞에 적어도 하나의 필터(45, 45')가 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 필터(45, 45')가 n 단계 필터임을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
11. 제 9항에 있어서,

    상기 필터(45, 45')가 다중 기능 필터임을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
12. 제 5항에 있어서,

    열 교환기(30)가 제공되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
13. 제 12항에 있어서,

    상기 열 교환기(30)가 화학적인 공기 정화를 위한 수단(40)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
14. 제 5항에 있어서,

    상기 연료 전지 모듈(10)이 PEM 연료 전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
15. 제 5항에 있어서,

    상기 연료 전지 모듈(20)이 HT-PEM 연료 전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
16. 제 5항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 연료 전지 모듈(10)이, 상기 자동차(1)의 끌림 항력 계수 및 추가의 특성값이 불리한 영향을 받지 않도록 상기 자동차(1)의 차대(2)에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.