KR20040002844A - 연료 전지 발전 장치의 작동 효율을 증가시키는 방법 - Google Patents

연료 전지 발전 장치의 작동 효율을 증가시키는 방법 Download PDF

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Abstract

서로 전기적으로 연통된 복수의 연료 전지를 포함하는 전지 스택 조립체(12)를 포함하는 연료 전지 발전 장치(10)의 작동 효율을 증가시키는 방법이 제공된다. 전지 스택 조립체는 각각 반응 연료 스트림을 수용하고 배출하기 위한 연료 흡입 매니폴드(26) 및 연료 배출 매니폴드(28)를 포함한다. 제안된 방법은, 전지 스택 조립체에 반응 연료 스트림을 제공하는 단계와, 제1의 소정 시간 주기 동안에는 연료 배출 매니폴드를 밀봉하여, 반응 연료 스트림이 전지 스택 조립체를 빠져나가는 것을 방지하는 단계와, 제2의 소정 시간 주기 동안에는 연료 배출 매니폴드를 개방하는 단계를 포함한다.

Description

연료 전지 발전 장치의 작동 효율을 증가시키는 방법 {METHOD FOR INCREASING THE OPERATIONAL EFFICIENCY OF A FUEL CELL POWER PLANT}
전기화학적 연료 전지 조립체는 양극에 제공된 수소와 같은 반응 연료와 음극에 제공된 공기 또는 산소와 같은 반응 산화제의 상호작용을 통해 그 사이에서 외부 전류 흐름을 발생시키는, 전기와 일련의 반응 생성물을 생산할 수 있는 것으로 알려져 있다. 연료 전지 조립체는 다공성의 도전성 시트 재료, 일반적으로 탄소 섬유 페이퍼(paper)로 형성된 양극과 음극 사이에 배치된 고상 폴리머 전해질, 즉 이온 교환 멤브레인으로 구성된 전해질을 사용할 수 있다. 이러한 형태의 연료 전지는 PEM 연료 전지로 알려져 있다.
연료 전지의 작동 효율은 연료 전지로 공급된 연료의 사용과 직접적으로 관련된 것이다. 통상적으로 '수소 사용'으로 불려지는 이러한 사용은 연료 전지의 양극에서 소비된 반응 연료를 연료 전지로 공급된 반응 연료의 전체 양의 100배로나눈 비이다. PEM 연료 전지 발전 장치가 가능한 한 100% 사용에 가깝게 설계되지만, 이는 실직적으로 불가능하다.
다단 또는 다중-통과 방법을 사용하여 통합된 연료 스택(stack) 조립체로 반응 연료를 공급함으로써 작동되는 것이 통상적이고, 전지 스택 조립체 내의 개개의 연료 전지는 2개 이상의 그룹으로 분리된다. 반응 연료는 연료 출구 매니폴드를 통해 전지 스택 조립체를 빠져나갈 때까지 제1 그룹의 연료 전지로, 그리고 그후 다음 그룹 등으로 단계적으로 행해진다. 이러한 장치로, 실제적인 수소 사용은 전체적인 전지 스택 조립체에서 90% 이상까지 높아지고, 개개의 다단 그룹들은 대략 60 내지 70% 사용에서 작동하는 것이 발견되었다. 그러나, 많은 다른 유동 배치가 연료 전지에서 사용된다. 목표는 항상 연료 전지의 모든 섹션이 필요로 하는 연료의 양을 수용하도록 수소 유동을 분배하는 것이다. 전지 내에 사용된 유동 형태는 단일 통과, 이중 통과, 다중-통과, 구불구불하고 서로 얽히게 된다. 다른 때에는 전지 스택 조립체 내의 유동 균일성을 개선시키도록 전지 출구와 전지 입구 사이에서 외부 재순환이 이용된다.
그러나, 일부 환경에서, 예를 들어, PEM 연료 전지 발전 장치의 폐쇄 또는 개시 동안, 일부의 다단 그룹들은 연료 전지 발전 장치가 원하는 전력 출력을 얻을 수 없는 정도로 연료 부족을 겪을 수 있다. 연료 부족은 일반적으로 제1 다단 그룹에서 마지막 그룹까지 단계적으로 진행되는 동안 연료 스트림을 순간적으로 빼앗긴 후반부의 다단 그룹들에 의해 유발된다. 또한, 연료 부족은 연료 스트림의 질소 오염에 의한 연료 전지 발전 장치의 작업 진행 동안 발생할 수 있고, 이러한 질소는 일반적으로 반응 산화제 스트림에 존재한다. 많은 적용에서, 산화제 스트림은 수소-농후 연료 스트림을 희석시키기 위해 고상 폴리머 PEM을 통해 부분적으로 확산시키는 질소 성분을 함유하는 대기 산소를 포함한다. 따라서, 확산된 수소 연료 스트림은 전지 스택 조립체의 일부 섹션에서 필요한 전류 밀도를 유지하기 위한 적절한 수소 농도를 포함하지 않아서, 연료 전지 조립체의 일부에서 양극을 부식시키고 치명적인 손상을 가져올 수 있다.
단일-통과 장치를 위하여 다단 구조를 제거하기 위해, 전지 스택 조립체의 각각의 연료 전지에 배출율을 증가시키면서 통상의 공급 매니폴드를 통하여 반응 연료 스트림이 제공되는 것이 제안되었다. 그러나, 이는 대부분의 적용에서 수용할 수 없는 낮은 효율인, 대략 80%까지 수소 사용을 떨어뜨린다. 상기 및 이하에서 사용된 용어 '배출율'은 수소 연료 스트림이 연료 전지, 즉 전지 스택 조립체의 양극, 즉 양극 유동 필드를 빠져나가는 속도를 나타낸다.
우주 왕복선 프로그램을 위해 나사(NASA)에 제공된 전지 스택 조립체와 연계하여 본 발명의 양수인에 의해 실시된 바와 같이, 전지 스택 조립체의 반응 유동 챔버를 전체적으로 정화시킴으로써 반응 연료와 산화제 스트림의 불순물에 대한 염려를 처리하는 것이 또한 알려져 있다. 연료와 산화제 반응 스트림의 완전한 정화는 경제적으로 이롭지 않고, 따라서 순수한 산소 스트림에 반대되는, 비교적 얇은 PEM과 접촉하는 순수하지 않은 산소 스트림을 포함하는 산화제 반응물을 사용하는 전지 스택 조립체와, 나사 우주 왕복선 프로그램 등을 위해 제조된 전지 스택 조립체와 함께 사용되는 비교적 큰 PEM을 다룰 때에는 부적절하다는 것을 쉽게 이해할수 있다.
상기의 문제 및 고려로, 본 발명은 PEM 연료 전지 발전 장치를 위한 수소 사용을 증가시키고, 동시에 연료 전지 부족과 반응 연료 시스템의 과도한 확산을 방지하는 것을 모색하고자 한다.
본 발명은 대체로 연료 전지 발전 장치의 작동 효율을 증가시키는 방법에 관한 것이며, 특히 연료 전지 발전 장치에 반응 스트림(stream)의 사용을 증가시키는 반응 스트림를 제공하여, 전체적으로 연료 전지 발전 장치의 성능을 향상시키는 방법에 관한 것이다.
도1은 PEM 연료 전지의 이온 교환 멤브레인을 지나가는 반응물과 오염물의 일반적인 확산율을 도시하는 그래프이다.
도2는 다양한 온도와 수소 사용율에서 PEM 연료 전지에서의 질소 농도를 도시하는 그래프이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반응물 공급 방법을 합체한 연료 전지 발전 장치를 도시하는 개략적인 도면이다.
도4는 질소가 도3의 연료 전지 발전 장치에 사용된 것과 같은, PEM 연료 전지에서 반응 연료 스트림을 오염시키는 개략적인 비율을 도시하는 그래프이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 사용, 정화 시간 및 배출율 사이의 상호관계를 도시하는 그래프이다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 PEM 연료 전지 발전 장치의 작동을 위한 흐름도이다.
도7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 PEM 연료 전지 발전 장치의 작동을 위한 흐름도이다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 서로 전기적으로 연통되는 복수의 연료 전지로 구성되는 전지 스택 조립체를 포함하는 연료 전지 발전 장치의 작동 효율을 증가시키는 방법이 제시된다. 전지 스택 조립체는 각각 반응 연료 스트림을 수용하고 배출하기 위한 연료 흡입 매니폴드 및 연료 배출 매니폴드를 포함한다. 제시된 방법은 전지 스택 조립체에 반응 연료 스트림을 제공하는 단계와, 제1의 소정 시간 주기 동안에는 연료 배출 매니폴드를 밀봉하여, 반응 연료 스트림이 전지 스택 조립체를 빠져나가는 것을 방지하는 단계와, 제2의 소정 시간 주기 동안에는 연료 배출 매니폴드를 개방하는 단계를 포함한다.
본 발명은 대체로 PEM 연료 전지 발전 장치의 작동 효율을 증가시키는 것에 관한 것이고, 발전 장치에 제공된 반응 연료 스트림은 일반적으로 수소, H2의 '순수한' 가스 스트림이다. 본 발명의 연료 전지 발전 장치는 연료 전지 발전 장치의 작동 및 연료 전지 발전 장치로부터의 전기 발생을 가능하게 하기 위해 필요한 구성요소들, 즉 복수의 전기적으로 통합된 평면 PEM 연료 전지를 포함하는 전지 스택 조립체; 전지 스택 조립체로 그리고 전지 스택 조립체로부터 반응 연료 및 산화제 스트림을 유도하기 위한 반응물 공급 및 배출 매니폴드들; 작동 동안 연료 전지 주위로 냉각제를 순환시키는 냉각제 채널 또는 냉각제 판; 반응물과 냉각제의 흐름을 제어하고 정화시키는 다양한 도관, 밸브 및 오염 제거 장치들; 이러한 및 다른 파라미터들의 변화를 달성하기 위해 연료 전지 발전 장치의 반응물 유속 및 작동 온도를 모니터링하여 대략 최적의 작동 조건에서 연료 전지 발전 장치를 유지하기 위한 통합된 제어 시스템을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명이 순수한 수소 연료를 사용하는 PEM 연료 전지 발전 장치에 관한 것이지만, 이하에 개시된 방법 및 장치가 PEM 연료 전지가 아닌 것에도 마찬가지로 적용 가능하므로, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아님을 또한 알아야 한다.
순수한 수소 연료 스트림을 갖는 전지 스택 조립체에 연료 전지를 공급할 때, 연료 전지에 공급되는 대략 90% 이상의 수소 연료 스트림을 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 대체로 90% 이상의 사용에서 전지 스택 조립체를 작동시키는 것이 바람직하다. 지금까지, 다단 다중-통과 시스템 또는 단일-통과 시스템 중 어느 하나를 사용하는 반응 연료 스트림을 갖는 전지 스택 조립체를 공급하는 것이 알려져 있고, 여기서 어느 한 시스템의 반응 연료 스트림이 연속적이지만, 변화가능한 배출율로 전지 스택 조립체에 제공된다. 그러나, 이러한 시스템은 수용할 수 없는 수소 사용 수준을 가질뿐만 아니라 반응 연료 부족 또는 희박과 같은 열화시키는 효과를 경험하게 된다. PEM 연료 전지에서, 반응 연료 스트림이 일반적으로 상표명 나피온(NAFION) 멤브레인 등의 이온 교환 멤브레인을 거쳐서 확산되는 질소에 의해 희석되는 것이 일반적이지 않은 것은 아니다.
도1은 일반적인 PEM 전지 스택 조립체의 작동 동안, 등가 전류 밀도 발생 반응물로서의 수소 및 산소와 비교하여, 즉 유사한 부피의 수소에 의해 전지 스택 조립체에 의해 생산되는 전류의 동등한 양에 대한 질소, N2의 교차 확산을 도시하고있다. 도1은 대략 1기압의 반응 압력에서 메릴렌드주 더블유. 엘. 고어 주식회사에 의해 공급된 15 미크론 두께의 양자 교환 멤브레인을 포함하는 372cm2(0.4 ft2)의 연료 전지를 도시하고 있다. 도1에 도시된 바와 같이, 전지 스택 조립체 내의 질소의 분압의 감소에 대응하여, 온도 증가에 따른 전지 스택 조립체의 수증기의 증가가 질소 삼투성의 증가보다 크기 때문에, 질소의 교차 확산은 대략 60℃에서 최고치를 나타내는 것으로 보인다. 도1의 그래프는 일정한 배출율을 갖는 반응 연료를 갖는 전지 스택 조립체를 제공하는 공지된 방법을 사용하는 질소의 교차 확산을 도시하고 있음을 알아야 한다.
도2는 929cm2(ft2) 당 100 암페어(amp)에서 다양한 온도 및 수소 사용에서의 작동에 의한 질소 농도를 도시하고 있다. 양극 유동 필드의 배출에서 질소 몰 분율은 60 내지 70℃ 온도에서의 95% 수소 사용에서 대략 45%이다.
따라서, 본 발명은 연료 전지 발전 장치의 전지 스택 조립체의 수소 사용을 또한 증가시키면서, 도1의 예에 의해 도시된 질소의 교차 확산의 효과를 감소시키는 것을 모색하고 있다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 다른 배출율을 사용하는 반응 연료 스트림을 갖는 전지 스택 조립체를 제공하는 것을 제안한다. 즉, 본 발명은 대부분의 공지된 시스템에서 현재 채택되는 일정한 배출 속도 방법보다는 정화-펄스 방법을 사용하는 전지 스택 조립체에 반응 연료 스트림을 제공하는 것이다.
'단부가 막힌' 전지 스택 조립체를 운전하는 주기에 의해 나누어지는, 다른펄스의 반응 연료를 연료 전지 조립체에 제공함으로써, 허용가능한 연료 질을 유지하면서 높은 사용율로 전지 스택 조립체를 작동시키는 것이 가능하다는 것을 발견하였다. 상기 및 이하에서 사용되는 용어 '단부가 막힌'은 연료 출구 매니폴드가 밀봉된 주기 동안에 전지 스택 조립체를 작동시키는 것을 가리킨다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 발전 장치(10)의 기본적인 구성요소를 도시하는 블록도이다. 전지 스택 조립체(12)는 명확화를 위해 단일 연료 전지 조립체로 도시되지만, 연료 전지 발전 장치(10)가 일반적으로 서로 전기적으로 연통되는 복수의 평면형 연료 전지 조립체를 포함한다는 것을 이해할 수 있다. 도3에 도시된 바와 같이, 전지 스택 조립체(12)는 양극(14), 음극(16), 양극과 음극의 사이에 배치된 PEM 전해질(18) 및 냉각제 판(20)을 포함한다.
연료 전지 발전 장치(10)의 기본적 구성요소 및 기능, 그리고 부수적 장치들이 잘 알려져 있지만, 연료 전지 발전 장치(10)의 특별한 특징들은 연료 유동 제어 시스템과 그 작동 모드에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 연료 유동 제어 시스템은 가압 수소원(22), 연료 압력 조절기(24), 연료 흡입 매니폴드(26), 양극(14)측으로 통합된 양극 유동 필드, 연료 출구 매니폴드(28), 연료 배출 배기 밸브(30), 배기 밸브 제어기(32) 및 선택적으로 전지 스택 조립체(12) 내에 위치된 가스 농도 센서(34)를 포함한다. 배기 밸브 제어기는 연료 전지 발전 장치(10) 상의 전류 부하 스케줄로 곱해진 평균 시간 또는 센서(34)에 의해 검출되는 질소 농도 스케줄에 관한, 정기적인 스케줄에 따라 작동하도록 구성될 수 있다. 연료 전지 발전 장치는 또한 연료 재순환 루프 및 송풍기(36)를 포함할 수 있다. 산소원(38)은 산소송풍기(36) 등에 의해 연료 전지 스택(12)으로 도입되고, 그동안 냉각제 펌프(42) 및 냉각제 압력 밸브(44)는 냉각제 판(20)과 연통하여 냉각제 루프의 열교환기(46)를 통해 냉각제를 순환시키도록 작용한다.
소정의 시간 동안, 단부가 막힌 본 발명의 전지 스택 조립체(12)를 운전한 후, 질소는 전지 스택 조립체(12)의 출구 매니폴드(34)뿐만 아니라 양극 유동 필드 출구에 근접하여 농축되기 시작한다. 따라서, 최적의 작동을 위해 필요한 모든 것은 전지 스택 조립체가 단부가 막혀 작동되지 않는 이러한 작동 시간 동안 전지 스택 조립체(12)에 제공된 반응 연료의 각각의 연속적인 펄스가 양극 유동 필드와 출구 매니폴드(34)의 모두를 완전히 정화시키기에 충분한 부피가 되도록 보장하는 것이다.
전지 스택 조립체 내의 개개의 연료 전지의 열화시키는 부족을 방지하도록, 반응 연료 스트림의 평균 질소 농도를 체적의 대략 25%와 동일한 수준까지 유지하는 것이 중요하다. 동일한 이유에서 양극 유동 필드의 출구에서 배출 질소 농도를 체적의 75% 보다 적도록 유지하는 것이 또한 중요하다. 일반적인 전지 스택 조립체의 경우, 전지 스택 조립체가 평균 질도 오염도가 25%를 초과하지 않고 대략 20초 이상 동안 단부가 막혀서 작동될 수 있는 것으로 알려진다.
도4 및 도5는 대략 대기압에서 작동하는 15 미크론 두께를 갖는 상표명 고어(Gore) PEM과 작동하는 연료 전지 조립체에 기초하고 있다. PEM을 거치는 질소의 확산 속도는 특정 연료 전지 조립체 설계, PEM의 두께를 포함하는 임계 파라미터, 일반적인 연료 전지 발전 장치의 작동 온도 및 작동 압력에 의존한다. 마찬가지로, 시간 또는 정화 간격은 양극 유동 필드의 출구에서 일반적으로 체적의 약 75% 이하의 질소 농도를 포함하는 기준에 의해 설정된다. 실제로, 실제적인 정화 간격은 기술분야에서 숙련된 자들에게 확인 가능한 기술에 의해 특정 전지 스택 조립체의 분석에 의해 또는 실험적으로 구체적으로 설정된다. 상기에서 알 수 있는 바와 같이, 정화 체적은 양극 유동 필드 및 연료 반응 매니폴드(28)의 전체 개방 체적과 동일하게 설정된다.
도4는 다른 작동 온도에서 양극 배기/연료 출구 매니폴드 체적의 25%가 질소로 채워지는 관찰된 작동 시간 주기를 도시하고 있다. 상기에서 약 20초의 시간 주기로 기술되었지만, 입자 크기, 사용되는 전지 스택 조립체의 제조 및 작동에 따라서 다른 시간으로 대체될 수 있으므로 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
도4에 도시된 그래프가 반응 연료 스트림의 정화 펄스들 사이의 바람직한 시간 주기가 약 100 asf의 비교적 낮은 전력에서 작동하는 전지 스택 조립체의 경우 약 22초임을 나타내지만, 도5는 다양한 작동 전류 밀도에서 정화 펄스의 지속 기간과 비교한 평균 수소 사용을 도시하고 있다. 도5에 도시된 바와 같이, 효과적인 사용은 전지 스택 조립체의 배출율과 주로 독립적이고, 여기서 배출되는 전체 부피는 도5의 모든 측정에서 일정한 것으로 가정한다. 또한, 도5에 의해 증명되는 바와 같이, 필요한 정화 펄스 지속 시간은 전지 스택 조립체의 배출율과 반대로 변하고, 여기서 전지 스택 조립체가 약 100 asf에서 작동할 때 얻을 수 있는 가장 높은 사용은 약 90%이고, 약 200 asf 이상에서는 95% 이상의 사용율도 얻을 수 있다.
상술한 바와 같이, 용어 '배출율'은 반응 연료 스트림이 연료 전지, 즉 전지스택 조립체의 양극 유동 필드를 빠져나가는 속도이다. 따라서, 도5와 연계하여, '등가 배출율'은 알 수 있는 바와 같이, 이러한 속도로 연속적으로 유동할 경우, 반응 연료 스트림이 주어진 양의 최대 전류 밀도를 가능하게 하는 전지 스택 조립체를 통해 주기적으로 펄스로 되는 속도의 측정이다. '등가 배출율'은 또한 '정화 속도'로 언급될 수 있다. 이러한 관계에서, 본 명세서에 개시된 펄스 정화 작동 방법을 사용하는 임의의 PEM 전지 스택 조립체를 위한 필요한 정화 속도는 전지 스택 조립체의 최고 작동 부하에서 대략 80%의 최대 수소 사용으로 되는 속도와 동일하다. 예로서, 600 asf 최대 전류 밀도에서 작동하는 전지 스택 조립체의 경우, 정화 속도는 대략 1.8초의 지속 시간 동안 인가된 150 asf 수소 소비와 대략 동일하다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전체적인 연료 전지 발전 장치(10)의 일부로서의 전지 스택 조립체(12)를 위한 한가지 작동 모드를 도시하고 있다. 도6에 도시된 바와 같이, 작동 사이클(100)은 작동자가 수동으로 또는 자동으로 단계 120에서 연료 전지 발전 장치를 위한 시동 절차를 개시할 때 시작된다. 정화 펄스는 단계 130에서 시작되고, 여기서 바람직하게는 순수한 수소 가스, H2의 스트림이 전지 스택 조립체에 제공된다. 상술한 바와 같이, 이러한 정화 펄스의 지속 시간은 연료 전지 발전 장치의 전지 스택 조립체가 작동될 때의 정화 펄스의 정화 속도 및 전류 밀도뿐만 아니라 사용할 때의 특정 형태의 연료 전지 발전 장치에 의존한다. 따라서, 정화 시간은 상술한 바와 같이, 일반적인 전지 스택 조립체의 경우 약 0.5내지 약 2.5초 사이일 수 있다.
작동 사이클(100)의 단계 140은 전지 스택 조립체(12)의 연료 배출 배기 밸브(30)를 밀봉하여 수소의 정화 펄스를 끊는 단계를 포함하여, 전지 스택 조립체(12)는 소정의 시간 동안 단부가 막혀서 작동될 수 있다. 단계 140의 단부가 막힌 작동의 지속 시간, 즉 연속적인 정화 펄스들 사이의 시간 주기는 사용할 때의 연료 전지 발전 장치의 특정 형태 및 연료 전지 발전 장치의 전지 스택 조립체가 작동되는 전류 밀도에 따라 설정될 수 있다. 일반적인 PEM 전지 스택 조립체의 경우, 단부가 막힌 작동의 지속 시간은 약 20초일 수 있다. 단부가 막힌 작동 시간의 마지막에서, 연료 배출 배기 밸브(30)가 개방되고, 작동 사이클은 정화 펄스를 다시 한번 시작하도록 단계 130으로 복귀하여, 전지 스택 조립체(12)에 새로운 수소 연료 스트림을 주입하게 된다. 따라서, 각각의 연속적인 정화 펄스는 상술한 바와 같이, 일반적으로 측정된 양의 질소로 오염된, 대부분 소비된 수소 연료 스트림을 비우게 된다는 것을 쉽게 이해할 수 있다.
따라서, 도6에 도시된 작동 사이클에 따라, 연료 전지 발전 장치는 설정된 정화 펄스 스케줄 상에서 작동되어, 반응 연료 스트림이 질이 저하된 질소로 오염되지 않도록 하면서, 전지 스택 조립체의 수소 사용을 약 95% 수준까지 올릴 수 있다. 그러나, 전지 스택 조립체(12)로부터의 피드백이 단부가 막힌 작동의 지속 시간을 동적으로 제어하는 작동 사이클을 사용하는 것이 가능하므로, 본 발명은 이러한 점에 제한되지 않는다.
도7에 도시된 바와 같이, 작동 사이클(200)은 작동자가 수동 또는 자동으로단계 220에서 연료 전지 발전 장치(10)를 위한 시동 절차를 개시할 때 시작된다. 정화 펄스는 단계 230에서 시작되고, 여기서 바람직하게는 순수한 수소 가스, H2의 스트림이 전지 스택 조립체(12)에 제공된다. 상술한 바와 같이, 이러한 정화 펄스의 지속 시간은 연료 전지 발전 장치의 전지 스택 조립체가 작동될 때의 정화 펄스의 정화 속도 및 전류 밀도뿐만 아니라 사용할 때의 연료 전지 발전 장치의 특정 형태에 의존한다. 따라서, 정화 시간은 일반적인 PEM 전지 스택 조립체의 경우 약 0.5 내지 약 2.5초 사이일 수 있다.
작동 사이클(200)의 단계 240은 전지 스택 조립체(12)의 연료 배출 배기 밸브(30)를 밀봉하여 수소의 정화 펄스를 끊는 단계를 포함하여, 전지 스택 조립체(12)는 소정의 시간 동안 단부가 막혀서 작동될 수 있다. 도6에 도시된 실시예와 비교하여, 단계 140의 단부가 막힌 작동의 지속 시간, 즉 연속적인 정화 펄스들 사이의 시간 주기는 센서(34) 등에 의해 연료 배출 매니폴드에서 허용할 수 없는 수준의 질소가 검출될 때까지 계속된다.
단계 250은 전지 스택 조립체(12)의 연료 배출 매니폴드(28) 내에서 또는 인접하여 질소 수준을 모니터하는 작동 사이클(200)의 일부를 도시하고 있다. 상술한 바와 같이, 센서(34)는 질소 수준을 검출하고 검출된 수준을 제어기(32)와 통신하기 위한 연료 배출 매니폴드(28) 내에 또는 인접하여 위치될 수 있다. 소정 수준 이하로 질소의 검출된 수준을 유지하는 한, 제어기(32)는 작동 사이클(200)이 단부가 막힌 연료 전지 발전 장치(10)의 운전을 계속하도록 허용한다. 소정 수준이상의 질소 수준의 검출은 연료 배출 배기 밸브(30)가 개방되도록 하고, 작동 사이클은 정화 펄스를 다시 한번 시작하도록 단계 230으로 복귀하여, 전지 스택 조립체에 새로운 수소 연료 스트림을 주입한다.
따라서, 도7에 도시된 작동 사이클(200)에 따라, 연료 전지 발전 장치는 동적인 정화 펄스 스케줄 상에서 작동될 수 있고, 단부가 막힌 연료 전지 발전 장치의 가변적인 지속 주기는 질소의 실제적인 검출 수준에 따라 조절될 수 있다. 그에 따라, 도7의 작동 사이클(200)은 반응 연료 스트림이 질이 저하된 질소로 오염되지 않도록 보장하면서, 전지 스택 조립체의 수소 사용을 약 95% 수준까지 올릴 수 있다.
도6 및 도7의 작동 사이클(100, 200)은 각각 전지 스택 조립체에 대한 반응 연료의 비다단식 단일 통과 배급을 사용하여, 대체로 연료 전지 발전 장치의 구조적 복잡함을 감소시킨다. 이러한 방법으로, 반응 연료 스트림이 대략 동일한 농도에서 전지 스택 조립체 내의 각각의 연료 전지에 제공되므로, 연료 전지 부족은 효과적으로 방지될 수 있다. 그러나, 반응 연료 스트림을 제공함에 있어서 다중-통과 다단식 방법을 사용하는 이러한 전지 스택 조립체가 본 발명의 광범위한 태양을 벗어남이 없이 유사한 연료 정화 펄스 구조를 또한 포함할 수 있음을 생각할 수 있으므로, 본 발명은 이러한 점에 제한되지 않는다.
상기의 개시 및 조합된 형태로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 지금까지 공지되지 않은 반응 연료 배급 방법을 사용하고, 연료 전지 발전 장치에는 분리된 펄스의 반응 연료가 제공되어, 수소 사용을 증가시키고 연료 오염 또는 연료 희박에 의한 연료 전지 발전 장치의 치명적인 실패의 발생을 사실상 감소시킨다. 이러한 모든 특징은 전체적으로 연료 전지 발전 장치의 효율적인 작동에 기여하고, 고성능, 신뢰성 및 에너지 효율을 요구하는 모터 차량 추진과 같은 적용에서 특히 유리하다.

Claims (23)

  1. 각각 반응 연료 스트림을 수용하고 배출하기 위한 연료 흡입 매니폴드 및 연료 배출 매니폴드를 포함하고 서로 전기적으로 연통된 복수의 연료 전지를 포함하는 전지 스택 조립체를 포함하는 연료 전지 발전 장치의 작동 효율을 증가시키는 방법이며, 상기 방법은,
    상기 전지 스택 조립체에 상기 반응 연료 스트림을 제공하는 단계와,
    제1의 소정 시간 주기 동안에는 상기 연료 배출 매니폴드를 밀봉하여, 상기 반응 연료 스트림이 상기 전지 스택 조립체를 빠져나가는 것을 방지하는 단계와,
    제2의 소정 시간 주기 동안에는 상기 연료 배출 매니폴드를 개방하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반응 연료 스트림을 가압하는 단계와, 상기 제1의 소정 시간 주기 동안에 상기 연료 배출 매니폴드를 밀봉하기 위해 반응 연료 배기 밸브를 사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 소정 시간 주기의 지속 시간을 제어하기 위해 제어기를 사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 반응 연료 스트림의 오염 정도를 감지하는 단계와, 상기 오염 정도를 상기 제어기와 통신하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 연료 배출 매니폴드에 존재하는 질소 오염 정도를 감지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 제어기와 통신된 상기 오염 정도에 따라 상기 제1의 소정 시간 주기를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제4항에 있어서, 상기 연료 배출 매니폴드에 존재하는 상기 오염 정도가 소정값을 초과할 때 종료하도록 상기 제1의 소정 시간 주기를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 연료 배출 매니폴드에 존재하는 상기 오염 정도가 체적의 75%를 초과할 때 종료하도록 상기 제1의 소정 시간 주기를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 연료 배출 매니폴드에 존재하는 질소 수준이 체적의 75%를 초과할 때 종료하도록 상기 제1의 소정 시간 주기를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 연료 전지 조립체의 양극 유동 필드에 존재하는 상기 오염 정도가 체적의 75%를 초과할 때 종료하도록 상기 제1의 소정 시간 주기를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 연료 전지 조립체의 양극 유동 필드에 존재하는 질소 수준이 체적의 75%를 초과할 때 종료하도록 상기 제1의 소정 시간 주기를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 수소-농후 가스 스트림이 되도록 상기 반응 연료 스트림을 제제하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 수소 가스가 되도록 상기 반응 연료 스트림을 제제하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제3항에 있어서, 상기 반응 연료 스트림이 상기 전지 스택 조립체의 양극 유동 필드와 상기 연료 배출 매니폴드의 전체 체적을 대략적으로 교체하도록 상기 제2의 소정 시간 주기를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제3항에 있어서, 상기 반응 연료 스트림이 상기 전지 스택 조립체의 상기 연료 흡입 매니폴드와 상기 연료 배출 매니폴드의 전체 체적을 대략적으로 교체하도록 상기 제2의 소정 시간 주기를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 연료 전지 발전 장치이며,
    서로 전기적으로 연통된 복수의 평면형 연료 전지를 갖는 전지 스택 조립체와,
    상기 연료 전지의 양극 유동 필드와 가스 연통되고 반응 연료의 가압 공급을 수용하는 연료 흡입 매니폴드와,
    상기 양극 유동 필드의 배기측과 가스 연통되고 상기 반응 연료가 연료 배출 매니폴드를 빠져나가는 것을 선택적으로 허용하는 배기 밸브를 포함하는 연료 출구 매니폴드와,
    상기 연료 전지 발전 장치의 작동 진행 동안 상기 배기 밸브가 개방 위치 및 폐쇄 위치 사이에서 교대하도록 선택적으로 명령을 내리는, 상기 배기 밸브를 작동시키기 위한 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 장치.
  17. 제15항에 있어서, 상기 연료 전지들은 양자 교환 맴브레인을 포함하고, 상기 가압 반응 연료는 수소-농후 가스 스트림인 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 장치.
  18. 제15항에 있어서, 상기 제어기는 상기 연료 배출 매니폴드가 소정의 시간 주기 동안 폐쇄되어 유지되도록 명령을 내리는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 장치.
  19. 제15항에 있어서, 상기 전지 스택 조립체는 상기 반응 연료 스트림의 오염 정도를 검출하기 위한 센서를 포함하고, 상기 센서는 상기 제어기와 데이터 연통되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제어기는 상기 반응 연료 스트림의 상기 오염 정도가 소정 수준을 초과할 때까지, 상기 연료 배출 매니폴드가 폐쇄되어 유지되도록 명령을 내리는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 오염 정도는 상기 연료 배출 매니폴드에 인접하는 상기 양극 유동 필드에 존재하는 질소 수준인 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 오염 정도는 상기 연료 배출 매니폴드에 존재하는 질소 수준인 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 장치.
  23. 제21항에 있어서, 상기 소정 수준은 상기 반응 연료 스트림의 체적의 약 75%인 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 장치.
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