KR20030081379A - 연료전지 파워플랜트의 결빙방지 - Google Patents

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Abstract

연료전지 파워플랜트는 연료전지 스택(4)의 냉각수를 순환시키는 물순환로(5)를 구비한다. 물의 녹는점을 내리는 수산화나트륨은 물순환로(5)에서 물과 혼합되어 물순환로(5)의 물의 결빙을 방지한다. 전극(11, 12)은 물 내에 배치된다. 연료전지 스택(4)이 작동하고 있는 경우에는, 전극(11, 12) 사이에 전압이 인가되어 양극(11)이 나트륨 이온을 끌어당김으로써, 연료전지 스택(4)에 공급되는 냉각수로부터 나트륨 이온을 제거한다. 연료전지 스택(4)이 작동을 정지한 경우에는, 양극(11)으로 끌어당겨졌던 나트륨 이온은 전극(11, 12)으로의 전압인가를 중지함으로써 냉각수로 확산된다.

Description

연료전지 파워플랜트의 결빙방지{FREEZE PREVENTION OF A FUEL CELL POWER PLANT}
차량에 탑재되는 다양한 연료전지 파워플랜트는 고분자전해질 연료전지 (PEFC)를 사용한다. 이러한 형태의 연료전지에서, 전해질막은 항상 젖은 상태로 유지되어야 하고, 따라서 필수적으로 물을 공급해야 한다. 고분자전해질 연료전지로 공급되는 연료 및 공기를 가습하는 것 또한 필요하고, 물은 파워플랜트의 냉각용으로도 사용된다.
따라서, 상당한 양의 물이 파워플랜트 내부에서 사용된다. 파워플랜트가 운전하지 않는 경우에 외기온도가 빙점 이하로 하강한다면, 바람직하지 않은 결과가 발생할 수 있다. 즉, 연료전지 스택의 전해질막이 해를 입거나, 파워플랜트의 기동시간이 길어질 수 있다.
이러한 문제점을 고려하여, 2000년에 일본특허청이 공개한 특개 제2000-315514호는 연료전지 파워플랜트용 부동(antifreeze)장치를 개시한다. 본 장치는, 파워플랜트가 저온에서 운전을 종결한 경우에 파워플랜트의 수로의 물을 탱크로 회수하고, 파워플랜트가 다시 기동한 경우에 수로로 고온의 수증기를 공급하여 수로에 잔류하는 결빙수를 해동한다.
본 발명은 연료전지 파워플랜트의 물의 결빙방지에 관련된다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 파워플랜트의 물순환장치의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 제어기에 의해 수행되는 부동액 확산 및 회수 절차를 설명하는 흐름도이다.
도 3A, 3B는 본 발명에 따른, 물 순환 동안의 부동액 농도와 연료전지의 출력전압 사이의 관계를 설명하는 타이밍도이다.
도 4는 도 1과 유사하지만, 본 발명의 제2 실시예를 나타낸다.
도 5는 도 1과 유사하지만, 본 발명의 제3 실시예를 나타낸다.
도 6은 도 1과 유사하지만, 본 발명의 제4 실시예를 나타낸다.
도 7은 도 1과 유사하지만, 본 발명의 제5 실시예를 나타낸다.
도 8은 도 1과 유사하지만, 본 발명의 제6 실시예를 나타낸다.
그러나, 이 종래기술의 장치는 결빙수를 해동하기 위해 많은 양의 에너지를 소비하고, 물회수 장치에 의해 파워플랜트의 구성이 복잡해진다.
2001년 일본특허청이 공개한 특개 제2001-15139호는, 메탄올 등의 부동액을 물탱크에 추가하여 연료전지 파워플랜트의 연료 및 산화제를 웜업하는 데 필요한 물이 결빙하지 않도록 하는 장치를 개시한다. 이 물탱크에서의 물을 사용하여 연료 또는 산화제가 가습되는 경우에, 물은 히터에 의해 가열되어, 연료나 산화제를 가습하기 전에 부동액을 증발시킴으로써, 연료전지에 의한 발전을 방해할 수 있는 부동액이 연료나 산화제와 혼합되지 않는다. 그리고, 증발한 부동액은 냉각기에서 냉각되어 액화되고, 물탱크로 재순환한다.
그러나, 본 장치에서, 부동액은 연료 및 산화제를 가습하는 물로 제한된다. 본 장치는 부동액을 가열하여 증발시키지만, 파워플랜트의 냉각수와 같은 다량의 재순환되는 물의 결빙을 방지하는 데 사용된다면, 물을 증발시키기 위해 대량 에너지가 소비된다.
따라서, 본 발명의 목적은, 저에너지 소비로써 연료전지 파워플랜트의 물의 결빙을 방지하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 연료전지 스택에 의해 발전하는 연료전지 파워플랜트에 형성된 물순환로에 대한 부동장치를 제공한다. 본 장치는 물순환로로 부동액을 방출시키고 물순환로의 부동액을 회수하는 기능을 하는 부동액 방출/회수 장치, 연료전지 스택의 작동 여부를 검출하는 센서, 및 프로그래머블 제어기를 구비한다.
프로그래머블 제어기는, 연료전지 스택이 운전하지 않는 경우에는 방출/회수 장치를 제어하여 물순환로로 부동액을 방출시키고, 연료전지 스택이 운전하는 경우에는 방출/회수 장치를 제어하여 물순환로로 확산된 부동액을 회수하도록 프로그래밍된다.
또한, 본 발명은, 물순환로의 수온이 소정의 온도보다 높지 않은 경우에 물순환로로 부동액을 방출시키고, 물순환로의 수온이 소정의 온도보다 높은 경우에 물순환로의 부동액을 회수하는 기능을 하는 부동액 방출/회수 장치를 구비하는 부동장치를 제공한다.
본 발명의 다른 특징과 이점 뿐 아니라 세부사항을 본 명세서의 나머지 부분에서 설명하고, 첨부된 도면에 나타난다.
도면의 도 1을 참조하면, 차량용 연료전지 파워플랜트는 고분자전해질 연료전지로 만들어진 연료전지 스택(4)으로부터 발전한다. 연료전지 스택(4)은, 공기통로(6)로부터 캐소드(2)로 공급된 공기내의 산소와 연료통로(7)로부터 애노드(3)로 공급된 수소-풍부 가스내의 수소 사이의 반응에 의해서 발전한다. 연료전지 스택(4)에 의해 발전된 전력은 전기모터(23)로 공급된다. 발전된 전력은 전기회로(미도시)를 통해 2차전지(14)를 충전하기 위해서도 사용된다.
연료전지 스택(4)은 발전에 의한 열을 흡수하는 냉각수통로(1)를 구비한다.
물순환로(5)는 냉각수통로(1)에 연결된다. 물순환로(5)는 냉각수통로(1)를 통과하는 폐회로이다. 펌프(8), 탱크(9), 3-방향 밸브(17), 및 이온제거필터(10)는 물순환로(5)의 중간쯤에 제공된다. 펌프(8)는 냉각수통로(1) 하류의 물순환로(5)에서 물을 가압하여 탱크(9)로 공급한다. 탱크(9)는 밀봉(sealed)형이라서, 탱크(9)의 내부는 펌프(8)의 동작에 의해 가압되고, 탱크(9)의 물은 이 압력 하에서 물순환로(5)를 통해 순환된다. 이온제거필터(10)는 물순환로(5)를 통해 순환하는 냉각수에 용해된 불순물을 제거하는 필터이고, 3-방향 밸브(17)는 물순환로(5)로부터의 물을 선택적으로 이온제거필터(17), 또는 이온제거필터(17)를우회하는 우회로(19)로 보내는 밸브이다. 3-방향 밸브(17)의 전환은 제어기(18)로부터의 전환신호에 따라 수행된다.
부동액 방출/회수 장치(40)는 탱크(9)에 설치된다. 부동액 방출/회수 장치(40)는 탱크(9)의 물 내에 설치된 전극(11, 12), 스위치(13), 및 2차전지(14)를 구비한다.
부동액은 탱크(9)의 물과 미리 혼합된 수산화나트륨이다. 수산화나트륨은 물에서 이온상태로 존재한다. 스위치(13)를 통해 2차전지(14)로부터 전압이 인가되어 전극(12)은 양극이 되고 전극(11)은 음극이 된 경우에, 양이온인 물의 나트륨 이온은 전극(11) 주위에 축적된다. 이 축적으로 인해, 부동액 방출/회수 장치(40)는 부동액을 저장한다. 반면에, 전극(11, 12)에 대한 전압인가가 정지된 경우에, 나트륨 이온은 재순환수와 혼합되고, 물순환로(5)로 방출된다. 이 상태에서, 전극(11, 12)으로 다시 전압이 인가된다면, 재순환수의 나트륨 이온은 전극(11) 주위로 다시 축적되어, 물순환로(5)를 통해 흐르는 물질은 순수한 물이 된다.
스위치(13)는, 제어기(18)의 연결신호에 따라, 2차전지(14)의 양극은 전극(12)으로, 2차전지의 음극은 전극(11)으로 각각 연결한다. 또한, 이 연결은 제어기(18)의 중지신호에 따라 끊어진다.
수산화나트륨 부동액은 물에서 이온상태로 존재한다. 따라서, 전력이 전극(11, 12)으로 공급되는 경우에, 음이온인 나트륨 이온은 음극(11)으로 끌린다.
전극(11, 12)으로 전압이 인가된 경우에, 음극(11)의 표면에서 수소가스가 생성되고, 양극(12)의 표면에서 산소가스가 생성된다. 수소가스를 배출하는관(15) 및 산소가스를 배출하는 관(16)은 탱크(9)로 연결되고, 생성된 수소가스 및 산소가스가 탱크(9)의 외부로 방출되어, 이 가스들이 탱크(9) 내부의 압력을 증가시키지 않는다. 각 관(15, 16)의 한쪽 끝은 탱크(9)의 내부에서 돌출되어 위로부터 전극(11, 12)을 덮고, 다른 쪽 끝은 탱크(9)의 내부에서 L-형으로 굽고 탱크(9)의 외부로 개방된다.
제어기(18)는 연료전지 스택(4)의 작동상태에 따라 3-방향 밸브(17) 및 스위치(13)를 동작시킨다. 여기에서, 연료전지 스택(4)의 작동상태는 작동, 기동, 및 정지 상태로 분류할 수 있다. 연료전지 스택(4)의 작동은 전류계(20)를 사용하여 연료전지 스택(4)의 출력전류로부터 검출될 수 있다. 연료전지 스택(4)의 기동은 전류계(22)를 사용하여, 2차전지(14)로부터, 공기를 연료전지 스택(4)으로 공급하는 컴프레서 또는 히터를 구비한 기동회로(21)로 공급되는 전류로부터 검출될 수 있다.
전류계(20, 22)에 의해 검출된 전류값이 양자 모두 0인 경우에는, 연료전지 스택(4)은 작동을 정지한 것이고, 전류계(20)에 의해 검출된 전류값은 0이고 전류계(22)에 의해 검출된 전류값은 0이 아닌 경우에는, 연료전지 스택(4)은 기동하고 있는 것이며, 전류계(20, 22)에 의해 검출된 전류가 양자 모두 0이 아닌 경우에는, 연료전지 스택(4)은 작동하고 있는 것이다. 여기에서, 연료전지 스택(4)의 작동은 연료전지 스택(4)이 발전하고 있다는 것을 의미한다.
연료전지 스택이 정지한 경우에, 제어기(18)는 스위치(13)를 차단하여 전압이 전극(11, 12)에 인가되지 않도록 한다. 전압이 전극(11, 12)에 인가되지 않는경우에, 캐소드(11)는 나트륨 이온을 끌어당기는 힘을 잃고, 캐소드(11) 주위에 있던 나트륨 이온은 냉각수를 통해 확산한다. 연료전지 스택(4)의 작동이 정지한 경우에, 펌프(8)는 스위치(13)가 차단된 후 짧은 시간 동안 작동을 계속하여 냉각수로의 나트륨 이온의 확산이 촉진된다. 펌프(8)는, 제어기(18)로부터의 작동신호에 따라 2차전지(14)의 공급전류로 작동한다. 이 때, 3-방향 밸브(17)는 냉각수를 우회로(19)로 유도하는 위치에 유지된다. 이러한 동작으로 인해, 부동액은 연료전지 스택(4)내의 모든 물순환로(5) 및 냉각수통로(1)를 통해 확산하여, 펌프(8)가 작동을 정지한 경우에도 물순환로(5) 및 냉각수통로(1)의 물이 쉽게 결빙하지 않는다. 또한, 냉각수가 이온제거필터(10)를 통과하지 않기 때문에, 나트륨 이온은 이온제거필터(10)에 의해 제거되지 않는다.
연료전지 스택(4)이 기동하고 있는 경우에, 제어기(18)는 펌프(8)를 작동시키고 전극(11, 12)으로 전압을 인가한다. 이러한 동작으로 인해, 냉각수는 물순환로(5)를 통해 순환하고, 냉각수내의 나트륨 이온은 순환하는 동안 탱크(9)의 음극(11)으로 끌어 당겨지며, 음극(11) 주위에 쌓이게 된다. 따라서, 짧은 시간 내에 부동액이 냉각수로부터 제거될 수 있다. 이 때 또한, 3-방향 밸브(17)는 냉각수를 우회로(19)로 유도하는 위치에 유지된다.
연료전지 스택(4)이 기동에서 작동으로 바뀐 경우에, 제어기(18)는 펌프(8)를 작동시키고 전극(11, 12)으로 계속하여 전압을 인가하며, 3-방향 밸브(17)는 냉각수를 이온제거필터(10)로 유도하는 위치로 전환한다. 이 상태에서는, 나트륨 이온은 이미 캐소드(11) 주위에 쌓여 있고, 냉각수 내에는 포함되어 있지 않다. 따라서, 이온제거필터(10)는 나트륨 이온을 감소시키지 않는다.
연료전지 스택(4)이 기동하는 경우에 전압을 전극(11, 12)으로 인가하여 냉각수내의 나트륨 이온을 회수하는 동작을 수행함으로써, 연료전지 스택(4)이 작동하고 있는 경우에만 냉각수가 이온제거필터(10)를 통과하므로, 이온제거필터(10)에 의한 이온의 제거는 최소로 억제된다. 이 동작은 부동액의 손실을 방지하고, 이온제거필터(10)의 성능을 유지하는 데 바람직한 효과를 미친다.
다음으로, 도 2를 참조하여, 상술한 제어를 수행하기 위해 제어기(18)에 의해 실행되는 절차를 흐름도로써 설명한다. 이 절차는 연료전지 스택(4)의 작동, 기동 및 정지에 관계없이, 10 밀리초 간격으로 수행된다.
우선, 단계 S1에서, 제어기(18)는 전류계(20)의 검출전류값이 0인지 여부를 판단한다. 전류계(20)의 검출전류값이 0인 경우에는, 단계 S2에서, 전류계(22)의 검출전류값이 0인지 여부를 판단한다.
단계 S2에서 전류계(22)의 검출전류값이 0인 경우에는, 연료전지 스택(4)은 정지상태이다. 이 경우에, 단계 S3에서, 전류계(20)의 검출전류값이 0이 되고 나서 소정의 시간이 경과했는지 여부를 판단한다. 본 판단은 연료전지 스택(4)이 방금 발전을 정지했는지 여부를 판단하는 값이다. 바람직하게는, 소정의 시간은 수 분으로 설정된다.
소정의 시간이 경과하지 않았다면, 단계 S6에서, 펌프(8)가 작동하고, 3-방향 밸브(17)는 냉각수를 우회로(19)로 유도하는 위치에 유지되며, 전압이 전극(11, 12)으로 인가되지 않도록 스위치(13)를 턴 오프한다. 이 동작으로 인해, 전극(11)주위에 머무르던 나트륨 이온은 연료전지 스택(4)의 물순환로(5) 및 냉각수통로(1)를 통해 확산한다.
소정의 시간이 경과한 후에는, 단계 S7에서, 펌프(8)의 작동이 정지하고, 3-방향 밸브(17)는 냉각수를 우회로(19)로 유도하는 위치로 유지되며, 스위치(13)는 오프 상태로 유지된다.
반면에, 단계 S2에서, 전류계(22)의 검출전류값이 0이 아닌 경우에는, 파워플랜트가 기동하고 있다는 것을 의미한다. 이 경우에, 단계 S6에서, 제어기(18)는 펌프(8)를 작동시키고, 3-방향 밸브는 냉각수를 우회로(19)로 유도하는 위치에 유지되며, 전압이 전극(11, 12)으로 인가되도록 스위치(13)를 스위치 온 한다. 이러한 동작으로 인해, 파워 플랜트가 기동하는 경우에, 냉각수는 물순환로(5)를 통해 순환하고, 나트륨 이온은 물순환로(5)를 흐르는 도중에 탱크(9)의 음극(11)으로 끌어당겨지며, 부동액이 냉각수로부터 회수된다.
단계 S1에서 전류계(20)의 검출전류값이 0이 아닌 경우에는, 연료전지 스택(4)이 이미 작동을 시작하고 있는 것이다. 이 경우에는, 단계 S4에서, 제어기(18)는 펌프(8)를 작동시키고, 3-방향 밸브(17)는 냉각수를 이온제거필터(10)로 유도하는 위치로 유지되며, 전압이 전극(11, 12)으로 인가되도록 스위치(13)를 스위치 온 한다.
이러한 동작으로 인해, 순수한 물이 물순환로(5)로부터 연료전지 스택(4)내의 냉각수통로(1)로 공급된다.
단계 S4-S7 중 하나를 수행한 후에, 제어기(18)는 절차를 종결한다.
도 3A, 3B를 참조하면, 연료전지 스택(4)이 작동을 정지한 동안에, 냉각수내의 부동액 농도는 높은 수준으로 유지되어, 냉각수의 결빙이 방지된다. 연료전지 스택(4)이 기동한 경우에, 음극(11)은 냉각수로부터 부동액을 회수하여, 냉각수의 부동액, 즉 나트륨 이온의 농도가 급격하게 하강한다. 따라서, 기동 후에 작동이 시작하는 경우에, 냉각수내의 부동액 농도는 0으로 유지된다. 연료전지 스택(4)이 작동을 정지한 경우에, 음극(11)으로 끌어당겨졌던 나트륨 이온은 냉각수로 방출되어 냉각수 내의 나트륨이온 농도가 급격하게 증가한다. 따라서, 냉각수내 부동액의 방출 및 회수가 연료전지 스택(4)의 작동상태에 따라 요구되는 대로 수행될 수 있고, 대량의 에너지를 소비하지 않고 파워플랜트의 결빙을 방지할 수 있다. 또한, 부동액의 회수에 필요한 시간은 전극(11, 12)으로 공급되는 전압을 상승 또는 하강시킴으로써 조절될 수 있다.
본 실시예에서, 수산화나트륨이 부동액으로서 사용되었으나, 물에서 해리되고 물의 빙점을 내리는 유기 또는 무기 물질은 어느 것이라도 부동액으로서 사용될 수 있다.
본 실시예에서, 스위치(13)는 2차전지(14)를 전극(11, 12)으로 연결하지만, 2차전지(14) 대신에 콘덴서를 사용할 수도 있다. 또한, 복수의 연료전지 스택을 구비하는 파워플랜트에 있어서, 이미 전력공급을 시작한 다른 연료전지 스택으로부터 스위치(13)에 의해 전극(11, 12)으로 전류를 공급할 수도 있다.
또한, 좀 더 근본적인 예로서, 연료전지 스택(4)은 스위치(13)를 통해 전극(11, 12)으로 연결될 수 있고, 작동을 시작한 연료전지 스택(4)에 의해 발전된전력을 이용하여 전극(11, 12)으로 전압을 인가할 수 있다. 이러한 경우에는, 연료전지 스택(4)이 기동하고 있는 동안에 전압이 전극(11, 12)으로 인가될 수 없지만, 연료전지 스택(4)이 발전을 시작한 후에 부동액이 짧은 시간에 회수될 수 있다.
본 실시예에서, 이온제거필터(10) 및 3-방향 밸브(17)가 제공되었지만, 생략될 수도 있다. 이러한 경우에, 단계 S4-S7의 3-방향 밸브(17)의 동작은 불필요하다.
다음으로, 도 4를 참조하여 본 발명의 제2 실시예를 설명한다.
본 실시예에서, 전자석(20)이 부동액 방출/회수 장치(40)로서 전극(11, 12) 대신에 탱크(9)에 배치된다. 전자석(20)은 스위치(13)를 통해 2차전지(14)로 연결된다. 또한, 부동액으로서 수산화나트륨 대신에 물에 용해되지 않는 자기물질의 미립자가 사용된다. 미립자의 구조는, 물과의 상호반응에 의한 물의 상변화로 인해 빙점을 내리는 것이다. 이러한 특성을 갖는 미립자의 예는 다공성 미립자, 표면결함을 갖는 미립자, 및 친수기와 소수기를 갖는 물질로 코팅된 미립자이다.
여기에서는, 주성분이 철이고 직경이 1 마이크로미터(㎛)인 자기 미립자가 부동액으로 사용된다.
연료전지 스택이 기동하는 경우에, 펌프(8)는 작동하고, 스위치(13)는 스위치 온 되며, 전자석(20)은 2차전지(14)에 의해 에너지가 공급된다. 물순환로(5)를 순환하는 냉각수내의 자기입자가 탱크(9)를 통과하는 경우에, 자기력으로 인해, 에너지가 공급된 전자석(20)은 냉각수내에 분산된 자기 미립자를 끌어당긴다. 따라서, 자기 미립자는 냉각수로부터 제거된다. 또한, 연료전지 스택(4)이 작동하고 있는 경우에, 스위치(13)는 온 상태로 유지되어 자기 미립자는 전자석(20)의 표면에 끌어당겨져서 유지된다. 따라서, 해리 특성을 갖는 부동액과 전극(11, 12) 대신에 물의 빙점을 내리는 자기물질 미립자와 전자석(20)을 이용하여 부동액의 확산과 분산을 수행할 수 있다.
본 실시예에서, 제어기(18)에 의해 수행되는 부동액 확산 및 회수 절차는 제1 실시예의 도 2의 절차와 동일하다.
다음으로, 도 5를 참조하여 본 발명의 제3 실시예를 설명한다.
본 실시예에서, 부동액 방출/회수 장치(40)로서 해리 물질인 염화나트륨이 부동액으로서 사용되고, 온도반응을 갖는 폴리머집합체(30; polymer aggregate)가 제 1실시예의 전극(11, 12) 대신에 탱크(9)에 채워진다.
온도반응 폴리머는, 분자 템플릿(template) 중합 방법에 의해 주성분으로 n-이소프로필 아크릴아미드를 갖는 폴리머 물질을 처리하여 얻은 분자 매트릭스를 사용한다. 본 온도반응 폴리머는, 고차 구조가 온도에 따라 변하는, 즉 저온에서 확장하고 고온에서 수축하는 특성을 갖는다.
냉각수가 저온인 경우에, 염화나트륨은 냉각수에서 이온으로서 용해된다. 탱크(9)에서 집합체(30)를 형성하는 온도반응 폴리머의 분자 매트릭스는 확장하여, 염화나트륨 이온이 자유롭게 이를 통과한다. 냉각수의 온도가 상승한 경우에, 분자 매트릭스는 수축하여 탱크(9)로 유입하는 냉각수의 염화나트륨 이온이 트랩되고, 집합체(30)는 겔이 된다.
이러한 방식에서, 집합체(30)는 온도에 따라 부동액을 구성하는 염화나트륨 이온을 냉각수로부터 회수하고, 냉각수로 방출한다.
이 온도 상전이는 섭씨 약 30도(℃)를 경계로 일어난다. 냉각수 온도가 이 온도 아래로 하강하는 경우에, 집합체(30)의 온도반응 폴리머의 분자 매트릭스는 다시 확장하여, 거기에 잡혀 있던 염화나트륨 이온이 다시 냉각수로 방출된다.
본 실시예에서는, 집합체(30)로 전기가 공급되지 않으므로 부동액 회수 및 방출에 소비되는 에너지는 기본적으로 0이다. 또한, 스위치(13)를 사용하지 않기 때문에 스위치(13)를 제어할 필요가 없고, 제어기(18)는 펌프(8)의 작동 및 3-방향 밸브(17)의 전환을 제어하기만 하면 된다.
온도반응 폴리머로서 n-이소프로필 아크릴아미드의 분자 매트릭스 대신에 다른 물질도 사용될 수 있다. 특히, 온도반응 폴리머 및 다른 폴리머의 합성구조를 갖는 폴리머나 겔, 또는 온도반응 폴리머가 미립자 표면에 정교하게 형성된 물질이 사용될 수 있다.
다음으로, 도 6을 참조하여 본 발명의 제4 실시예를 설명한다.
본 실시예에서, 부동액 방출/회수 장치(40)로서, 제1 실시예의 전극(11, 12) 대신에, 투과성막(50)에 의해 탱크(9)는 챔버(9A, 9B)로 분리된다. 탱크(9)의 입구 및 출구는 양자 모두 챔버(9A)를 면한다. 밸브(51) 및 가압장치(52)가 탱크(9)와 3-방향 밸브(17) 사이에 더 제공된다. 여기에서, 가압장치(52)로서 보조펌프가 사용될 수도 있다. 투과성막(50)은 예를 들어 폴리아미드 또는 셀룰로오스로 만들어진 막을 구비한다. 부동액은, 어느 압력 위에서는 투과성막(50)을 통과하고, 어느 압력 아래에서는 투과성막(50)을 통과하지 않는 분자 크기를 갖는 물질을 구비한다.
본 실시예에서, 연료전지 스택(4)이 기동 또는 작동하는 경우에, 냉각수는, 펌프(8)의 작동으로 인해 소정의 압력 하에서 물순환로(5)에서 순환한다. 이 압력으로 인해, 부동액은 챔버(9A)로부터 챔버(9B)로 통과하고, 냉각수의 부동액은 챔버(9B)로 회수된다.
부동액 회수율은 냉각수의 압력에 따른다. 연료전지 스택(4)이 기동하는 경우에, 펌프(8)가 작동하고, 밸브(51)를 닫음으로써 챔버(9A)의 압력이 상승되어 부동액 회수율을 증가시킬 수 있다. 선택적으로, 부동액 회수율은 또한 밸브(51)를 개방하고, 가압장치(52)에 의해 재순환하는 냉각수의 압력을 상승시킴으로써 향상될 수 있다. 밸브(51) 및 가압장치(52) 양자 모두를 제공하는 것이 반드시 필요하지는 않고, 그 중 하나만 제공함으로써 부동액 회수율은 변한다.
다음으로, 도 7을 참조하여 본 발명의 제5 실시예를 설명한다.
본 실시예에서, 부동액 방출/회수 장치(40)로서 전기투석기(62)가 양극(60) 및 음극(61) 사이에 배치된다. 부동액은 소금, 알코올, 또는 설탕 등의 해리기를 갖는 물질이다.
전기투석기(62)는 번갈아 배치된 2개의 음이온 교환막(69) 및 2개의 양이온 교환막(68)에 의해 분할된 복수의 챔버(62A-62E)를 갖는다.
양이온 교환막(68) 중 하나는 음극(61)에 가장 가깝게 배치되고, 음이온 교환막(69) 중 하나는 양극(60)에 가장 가깝게 배치된다.
물공급로(5)가 전기투석기(62)에 연결되어, 물순환로(5)의 냉각수는 챔버(62B, 62D)를 통과한다. 냉각수는 챔버(62A, 62C, 62D)로 공급되지 않는다.
전기투석기(62)로 인도된 냉각수가 챔버(62B, 62D)를 통과하는 경우에, 양극(60)과 음극(61) 사이의 퍼텐셜 차이로 인해, 냉각수의 음이온은 양극(60)으로 끌어당겨지고, 냉각수의 양이온은 음극(61)으로 끌어당겨진다. 따라서, 음이온은 음이온 교환막(68)을 통해 챔버(62B)로부터 챔버(62A)로 흐른다. 마찬가지로, 양이온은 양이온 교환막(69)을 통해 챔버(62C)로 흐른다. 챔버(62D)로부터, 음이온은 음이온 교환막(69)을 통해 챔버(62C)로 흐르고, 양이온은 양이온 교환막(68)을 통해 챔버(62E)로 흐른다.
부동액 탱크(64) 및 부동액 펌프(65)를 구비하는 부동액 순환로(63)는, 부동액 방출/배출 장치(40)의 일부로서 챔버(62A, 62C)를 통해 형성된다. 또한, 부동액 탱크(64)의 부동액을 전기투석기(62) 상류의 물순환로(5)로 공급하는 밸브(67A)가 제공되고, 부동액을 전기투석기(62) 하류의 물순환로(5)로 공급하는 밸브(67B)가 제공된다.
연료전지 스택(4)이 정지한 경우에, 전압이 전극(60, 61)으로 공급되지 않고, 밸브(67A, 67B)는 개방되며, 부동액 탱크(64)의 부동액은 부동액 펌프(65)를작동시켜서 물순환로로 방출된다. 전압이 전극(60, 61)으로 공급되지 않기 때문에, 전기투석기(62)를 통과하는 냉각수는 분리되지 않고 챔버(62B, 62D)를 통과한다.
연료전지 스택(4)이 기동하고 있는 경우에, 밸브(67A, 67B)는 닫히고, 스위치(13)가 스위치 온 되어 전압을 전극(60, 61)으로 인가한다. 따라서, 음이온은 챔버(62B)로부터 챔버(62A)로 통과하고, 양이온은 챔버(62C)로 통과한다. 또한, 양이온은 챔버(62D)로부터 챔버(62E)로 통과하고, 음이온은 챔버(62C)로 통과한다. 따라서, 부동액은 냉각수로부터 분리되고, 부동액 순환로(63)를 통해 부동액 탱크(64)에 의해 회수된다. 부동액이 제거된 순수한 물이 챔버(62B, 62D)로부터 물순환로(5)로 공급된다. 부동액이 부동액 탱크(64)에 의해 회수된 후에, 연료전지 스택(4)은 기동된다. 연료전지 스택(4)이 작동하는 동안에는 전압을 전극(60, 61)으로 인가할 필요가 없다.
부동액 탱크(64)의 용량이 큰 경우에는, 부동액 펌프(65)가 생략될 수 있다. 역으로, 부동액 펌프(65)를 제공함으로써, 부동액 탱크(64)가 소형화 될 수 있다.
연료전지 스택(4)이 정지한 경우에, 부동액 펌프(65)가 작동하고, 양극(60)으로 음전압이 가해지며, 음극(62)으로 양전압이 가해질 때, 부동액은 챔버(62A, 62B, 62E)로부터 챔버(62B, 62D)의 냉각수로 공급될 수 있다.
부동액을 물순환로(5)로 공급하기 위해 이 동작이 적용된다면, 밸브(67A, 67B)는 생략될 수 있다.
본 실시예에서, 5개의 챔버(62A-62E)는 2개의 음이온 교환막(69) 및 2개의양이온 교환막(68)을 사용하여 형성되었으나, 이온 교환막의 총 개수가 짝수라면, 즉 챔버의 개수가 홀수라면 전기투석기(62)의 챔버 개수는 원하는 대로 설정할 수 있다.
다음으로, 도 8을 참조하여 본 발명의 제6 실시예를 설명한다.
본 실시예에서, 부동액 방출/회수 장치(40)는 이하의 구성을 갖는다.
상세하게는, 탱크(9)는 제 4실시예에서와 동일한 방법으로 2개의 챔버(9A, 9B)로 분리된다. 물순환로(5)는 챔버(9A)로 연결된다. 제2 물순환로(73)가 챔버(9B)에 연결된다. 제2 물순환로(73)에는, 펌프(72) 및 부동액 제1 방출/회수 장치(71)가 제공된다.
부동액 제1 방출/배출 장치(71)는 제1 내지 제5 실시예의 부동액 방출/배출 장치(40)와 동일한 구성을 갖는다. 제4 실시예의 물질과 동일한 물질이 부동액으로서 사용된다.
연료전지 스택(4)이 정지한 경우에, 부동액 제1 방출/회수 장치(71)는 제2 물순환로(73)의 물로 부동액을 공급한다. 따라서, 챔버(9A, 9B)의 부동액 사이에 농도차가 생기고, 투과성막(50)을 통해 챔버(9B)로부터 챔버(9A)로 부동액이 통과한다.
반면에, 연료전지 스택(4)이 기동하고 있는 경우에, 부동액 제1 방출/회수 장치(71)는 제2 물순환로(73)에 확산된 부동액을 회수한다. 따라서, 챔버(9B)의 부동액 농도가 챔버(9A)보다 낮기 때문에, 부동액은 투과성막(50)을 통해 챔버(9A)로부터 챔버(9B)로 흐른다. 이 동작의 결과로서, 물순환로(5)의 부동액 또한 부동액 제1 방출/회수 장치(71)에 의해 회수된다. 물순환로(5)의 부동액의 회수가 완료된 후에, 연료전지 스택(4)의 작동이 수행된다.
본 실시예에서 부동액 제1 방출/회수 장치(71)는 물순환로(5) 대신에 제2 물순환로(73)에 제공되었고, 따라서 물순환로(5)는 부동액 제1 방출/회수 장치(71)로 인한 압력손실에 의해 영향을 받지 않는다. 따라서, 냉각수의 압력이 부동액 방출/회수 동작에 의해 영향을 받지 않는 이점이 있다.
2002년 2월 8일자로 출원된 일본특허출원 제2002-32392호의 내용은 참조되어 여기에 통합된다.
본 발명의 몇몇 실시예를 참조하여 본 발명을 상술하였지만, 본 발명은 상술한 실시예로 제한되지 않는다. 당업자라면 상술한 바에 비추어, 상술한 실시예에 대해 변경을 가할 수 있을 것이다.
예를 들어, 상술한 실시예는 연료전지 스택(4)의 냉각수의 결빙방지를 고려한다. 그러나, 본 발명은 연료전지 스택(4)의 냉각수에 제한되지 않고, 연료전지 파워플랜트에 의해 사용되는 재순환수의 결빙방지에도 적용될 수 있고, 전술한 특개 2001-15139에 개시된 연료 또는 산화제를 가습하기 위해 물을 순환하는 재순환 회로에도 적용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 물순환로로 부동액의 방출 및 물순환로로부터 부동액의 회수는, 연료전지 스택의 작동상태에 따라 저에너지 소비로 반복적으로 수행될 수 있다. 따라서, 본 발명은 차량을 구동하는 연료전지 파워플랜트에 적용되는 경우에 특히 바람직한 효과를 갖는다.
배타권이 청구되는 본 발명의 실시예는 이하에서 정의된다.

Claims (16)

  1. 연료전지 스택(4)에 의해 발전하는 연료전지 파워플랜트에 형성된 물순환로(5)에 대한 부동장치로서,
    부동액을 상기 물순환로(5)로 방출하고 상기 물순환로(5)의 상기 부동액을 회수하는 기능을 하는 부동액 방출/회수 장치;
    상기 연료전지 스택(4)이 작동하지 않는 경우(S4)에, 상기 방출/회수 장치(40)를 제어하여 상기 부동액을 상기 물순환로(5)로 방출하는 제1 수단(18); 및
    상기 연료전지 스택(4)이 작동하고 있는 경우(S6, S7)에, 상기 방출/회수 장치(40)를 제어하여 상기 물순환로(5)로 확산된 상기 부동액을 회수하는 제2 수단(18)을 구비하는 것을 특징으로 하는 부동장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 장치는, 상기 연료전지 스택(4)이 작동하고 있는지 여부를 검출하는 센서(20)를 더 구비하고,
    상기 제1 수단(18) 및 제2 수단(18)은, 상기 연료전지 스택(4)이 작동하지 않는 경우(S4)에는, 상기 방출/회수 장치(40)를 제어하여 상기 부동액을 상기 물순환로(5)로 방출하고, 상기 연료전지 스택(4)이 작동하고 있는 경우(S6, S7)에는, 상기 방출/회수 장치(40)를 제어하여 상기 물순환로(5)로 확산된 상기 부동액을 회수하도록 프로그래밍된 프로그래머블 제어기(18)의 형태로 제공되는 것을 특징으로 하는 부동장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 부동액은, 음이온 및 양이온으로 해리되는 물질을 구비하는 것을 특징으로 하는 부동장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 방출/회수 장치(40)는, 물 내에 한 쌍의 대면하는 전극(11, 12), 상기 전극(11, 12) 사이에 전압을 인가하는 전원(40), 및 상기 전원(14)에 의한 상기 전극(11, 12) 사이의 전압의 인가를 제어하는 스위치(13)를 구비하고,
    상기 프로그래머블 제어기(18)는, 상기 연료전지 스택(4)이 작동하지 않는 경우(S6, S7)에는, 상기 스위치(13)를 제어하여 상기 전원(14)에 의해 상기 전극(11, 12) 사이에 전압이 인가되지 않도록 하고, 상기 연료전지 스택(4)이 작동하고 있는 경우(S4)에는, 상기 스위치(13)를 제어하여 상기 전원(14)에 의해 상기 전극(11, 12) 사이에 전압이 인가되도록 더 프로그래밍된 것을 특징으로 하는 부동장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 장치는, 상기 연료전지 스택(4)이 기동하고 있는지를 검출하는센서(22)를 더 구비하고,
    상기 제어기(18)는, 상기 연료전지 스택(4)이 기동하고 있는 경우(S5)에, 상기 스위치(13)를 제어하여 상기 전원(14)에 의해 상기 전극(11, 12) 사이에 전압이 인가되도록 더 프로그래밍된 것을 특징으로 하는 부동장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연료전지 파워플랜트는, 상기 전원(14)으로부터 공급된 전력에 의해 동작하여 상기 연료전지 스택(4)을 기동하는 기동회로(21)를 더 구비하고,
    상기 연료전지 스택(4)이 기동하고 있는지를 검출하는 상기 센서(22)는, 상기 전원(14)으로부터 상기 기동회로(21)로 공급되는 전류를 검출하는 전류계(22)를 구비하는 것을 특징으로 하는 부동장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 장치는, 상기 전원(14)에 의한 상기 전극(11, 12) 사이의 전압의 인가로 인해, 상기 전극(11, 12)에 의해 생성된 가스를 배출하는 통로(15, 16)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 부동장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 장치는, 상기 물순환로(5)에서 물을 재순환시키는 펌프(8)를 더 구비하고,
    상기 제어기(18)는, 상기 연료전지 스택(4)이 작동하지 않고 상기 연료전지 스택(4)이 작동을 정지한 후 소정의 시간이 경과한 경우에는, 상기 펌프(8)가 작동을 정지하도록 제어하고, 다른 경우(S4-S6)에는 상기 펌프(8)를 제어하여 계속해서 작동시키도록 더 프로그래밍된 것을 특징으로 하는 부동장치.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 방출/회수 장치(40)는, 음이온 교환막(69), 상기 음이온 교환막(69)에 면하는 제1 챔버(62A), 양이온 교환막(68), 상기 양이온 교환막(68)에 면하는 제2 챔버(62E), 상기 음이온 교환막(69) 및 상기 양이온 교환막(68)에 면하는 제3 챔버(62B-62D), 상기 음이온 교환막(69)을 통해 상기 제3 챔버(62B-62D)의 물에 포함된 음이온을 끌어당기는 양극(60), 상기 양이온 교환막(68)을 통해 상기 제3 챔버(9B-9D)의 물에 포함된 양이온을 끌어당기는 음극(61), 및 상기 양극(11)과 음극(12) 사이에 전압을 인가하는 전원(14)을 구비하는 것을 특징으로 하는 부동장치.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 연료전지 스택(4)이 작동하고 있는지를 검출하는 상기 센서(20, 22)는, 상기 연료전지 스택(4)으로부터의 출력전류를 검출하는 전류계(20)를 구비하는 것을 특징으로 하는 부동장치.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 부동액은, 물의 녹는점을 내리는 자기물질의 미립자를 포함하고,
    상기 방출/배출 장치(40)는, 상기 물순환로(5)를 통해 순환하는 물에 자기력을 가하는 전자석(20), 및 상기 전자석(20)에게 에너지를 가하는 전류를 공급하는 전원(14)을 구비하는 것을 특징으로 하는 부동장치.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 방출/회수 장치(40)는, 상기 물순환로(5)의 물에 면하는 투과성막(50), 상기 투과성막(50)에 의해 상기 물순환로(5)의 물로부터 분할된 챔버(9B), 및 상기 물순환로(5)의 물을 가압하는 가압장치(8, 51, 52)를 구비하고,
    상기 부동액은, 압력에 따라 상기 투과성막(50)을 통과하는 물질을 구비하는 것을 특징으로 하는 부동장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 방출/회수 장치(40)는, 상기 챔버(9B)에 연결된 제2 물순환로(73), 상기 부동액을 상기 제2 물순환로(73)로 방출하고 상기 제2 물순환로(73)에 확산된 상기 부동액을 회수하는 기능을 하는 제1 방출/회수 장치(71), 및 상기 제2 물순환로(73)의 물을 가압하는 펌프(72)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 부동장치.
  14. 제4항에 있어서,
    상기 전원(14)은, 상기 연료전지 스택(4)에 의해 발전된 전력에 의해 충전되는 2차전지(14)를 구비하는 것을 특징으로 하는 부동장치.
  15. 연료전지 스택(4)에 의해 발전하는 연료전지 파워플랜트에 형성된 물순환로(5)에 대한 부동장치로서,
    상기 물순환로(5)의 수온이 소정의 온도보다 높지 않은 경우에는, 부동액을 상기 물순환로(5)로 방출하고, 상기 물순환로(5)의 수온이 상기 소정의 온도보다 높은 경우에는, 상기 물순환로(5)의 상기 부동액을 회수하는 기능을 하는 부동액 방출/회수 장치(30)를 구비하는 것을 특징으로 하는 부동장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 부동액 방출/회수 장치(30)는, 상기 수온이 상기 소정의 온도보다 높지 않은 경우에는 확장하고 상기 수온이 상기 소정의 온도보다 높은 경우에는 수축하는 폴리머 물질의 분자 매트릭스 집합체(30)를 구비하고,
    상기 물순환로(5)는, 상기 집합체(30)를 통과하도록 배치된 것을 특징으로 하는 부동장치.
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