KR20040033040A - 연료 전지와 함께 사용하기 위한 통합 시스템 및, 방법 - Google Patents

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KR20040033040A
KR20040033040A KR10-2004-7003547A KR20047003547A KR20040033040A KR 20040033040 A KR20040033040 A KR 20040033040A KR 20047003547 A KR20047003547 A KR 20047003547A KR 20040033040 A KR20040033040 A KR 20040033040A
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KR10-2004-7003547A
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아이빈드 스티너슨
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도널드선 컴파니 인코포레이티드
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Abstract

오염물, 소리 및 습도의 제어를 위한 부품을 포함하는 통합 시스템이 연료 전지 시스템에 제공된다. 상기 통합 시스템은 오염 제어, 소리 제어 및 물 관리를 결합한다. 오염 제어 시스템은 연료 전지 캐소드에 산소를 제공하는 흡입 공기를 여과시키고, 제거된 물질은 서브-마이크로미터의 미립자 물질, 염류, 오일 및 화학물을 포함할 수 있다. 소리 제어 시스템은 공기를 이동시키기 위하여 사용된 공기 압축기에서 방출되는 소리를 감쇄, 공진 또는 감소시킴으로써, 시스템으로부터 방출되는 소음의 수준을 줄인다. 오염 제어 시스템은 윤활유가 연료 전지에 도달하는 가능성을 감소시키기 위하여 공기를 여과시킴으로써, 압축기의 하류에서 안전성을 부여한다. 물 관리 시스템은 초가량이 제공될 때, 액체 물을 제거한다. 상기 시스템은 연료 전지를 보호하기 위하여 여러 구성으로 통합된다.

Description

연료 전지와 함께 사용하기 위한 통합 시스템 및, 방법{Integrated systems for use with fuel cells, and methods}
연료 전지 시스템은 장래에 동력원으로써 잠재적으로 널리 사용될 수 있지만, 그와 함께 많은 문제점을 가지고 있다. 연료 전지 (또는 연료 전지 스택), 산소 소스, 연료 소스, 충분히 획득하기 위하여 필요한 적당한 장치를 포함하는 연료 전지 시스템 및, 양호하게는, 최적 동작의 연료 전지는 완전히 이해할 수 없는 많은 변수들을 포함한다. 즉, 연료 전지 시스템에 대한 최적의 구성이 무엇인지를 잘 이해할 수 없다.
연료 전지의 수명, 내구성 및 성능은 연료 전지의 캐소드측에 대한 산소 소스로서 사용되는 공기량에 의해서 크게 영향을 받을 수 있다. 대기 또는 주위 공기에 있는 많은 유형의 오염물은 연료 전지의 동작에 유해할 수 있다. 캐소드 촉매 및 전해질은 서브-마이크로미터 미립자 물질, 유황 화합물, VOCs, 염류 및 NHx등과 같은 어떤 다수의 여러 오염물에 의해서 일시적으로 또는 영구적으로 손상 또는 피독될 수 있다. 대기 오염물의 농도 및 유형은 위치, 날짜의 시간 및 계절에 따라서 변화된다. 일반적으로, 상기 오염물을 제거하는 것은 내연기관 및 가스 터빈과 같은 발전소에 사용되는 공기 오염물 제어 시스템(즉, 미립자 필터)의 능력을 초과한다. 따라서, 연료 전지, 연료 전지 시스템의 성능, 수명 및 내구성을 극대화하기 위하여, 연료 전지 시스템은 적어도 어떤 형태의 오염물 제어 방식을 포함해야 한다.
연료 전지 내에서 발생하는 촉매 반응은 수소 연료, 캐소드에서의 반응, 동력 생산, 인간이 청취할 수 있는 소음의 무발생 등의 관점에서 조용한 공정이다. 그러나, 연료 전지는 조용하지만, 연료 전지 시스템은 일반적으로, 연료 전지 캐소드를 통하여 대기압 이상에서 공기를 이동시키거나 또는 캐소드 공기를 압축하기 위하여, 압축기/팽창기, 송풍기 또는 다른 공기 이동 장치를 사용한다. 양자의 경우에 있어서, 공기 이동 장치는 심각한 소음 압력 수준에서 불쾌한 소음을 발생시킨다. 또한, 일부 유형의 압축기는 윤활유를 누설시키는 것으로 알려져 있으며, 이것은 연료 전지를 손상시킬 수 있다.
연료 전지로 들어가는 산소의 습도는 연료 전지의 성능에 영향을 미칠 수 있다. 공기 흐름에서의 미립자 오염물은 증류수가 공기의 압축으로 응축될 수 있게 한다. 연료 전지의 성능을 극대화하기 위하여, 연료 전지 시스템 전체의 물 및/또는 습기 수준은 제어되어야 한다.
일반적으로 상술한 바와 같이, 연료 전지 시스템의 적절한 성능은 그와 연관된 많은 문제점을 가진다. 많은 경우에, 여러 부분의 장치들이 복잡한 하우징, 파이프 및 설치물에 대한 시스템에 제공되었다. 이러한 점에서, 개선이 필요하다.
본 발명은 오염물, 소음, 습도 등을 제어하기 위한 부품을 포함하는, 연료 전지와 함께 사용하기 위한 통합 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 연료 전지 안으로 들어가는 흡입 공기에서 오염물을 제거하는 필터 조립체와 소음 억제부를 결합하는 여러 시스템과, 연료 전지에서 나오는 배기 공기를 변형시키는 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 통합 연료 전지 시스템의 개략적인 다이애그램.
도 2는 도 1의 통합 연료 전지 시스템의 여러 부분의 부분 단면, 상세도로서, 상류 통합 조립체, 하류 통합 조립체 및 배기 조립체를 도시한 도면.
도 3은 도 1의 통합 연료 전지 시스템의 다른 부분의 등면도로서, 감쇄 열교환 조립체를 도시한 도면.
도 4는 감쇄 열교환 조립체의 제 2 실시예의 단면도.
도 5는 공기 압축기의 하류에 배치된 미립자 필터 상에 수집된 검색 전자 현미경 사진의 오염물을 도시한 도면.
도 6은 도 5의 필터에서 수집된 오염물을 분광계 분석의 그래픽 도면.
도 7은 미립자 필터가 공기 흐름에 포함될 때, 연료 전지 성능에서의 유익한 효과를 도시하는 그래픽 도면.
도 8은 제 1 세트의 조건에서, PEM 연료 전지 성능에서의 SO2의 효과를 도시한 그래픽 도면.
도 9는 제 2 세트의 조건에서, PEM 연료 전지 성능에서의 SO2의 효과를 도시한 그래픽 도면.
도 10은 제 3 세트의 조건에서, PEM 연료 전지 성능에서의 SO2의 효과를 도시한 그래픽 도면.
본 발명은 연료 전지 시스템에서의 오염, 소리, 온도 및 습도의 제어를 위한 부품을 포함하는, 연료 전지와 함께 사용하기 위한 통합 시스템을 제공한다. 특히, 본 발명은 오염 제어, 소리 제어, 물 관리를 결합하는 다양한 조립체에 관한 것이다.
오염 제어 시스템은 연료 전지 캐소드에 산소를 제공하는 흡입 공기를 여과시키고, 제거된 물질은 서브-마이크로미터의 미립자 물질, 염류, 오일 및 화학물을 포함할 수 있다. 소리 제어 시스템은 연료 전지에 제공된 소리의 넓은 대역의 감쇄를 제공한다. 공진기, 음속 초크, 풀 초크(full choke), 소리 흡착 물질 등을 포함할 수 있는 소리 제어 시스템은 시스템을 통과하는 소리를 1미터에서의 적어도 3dB, 양호하게는, 6dB까지 감쇄 또는 다른 방식으로 감소시킨다. 오염 제어 시스템은 윤활유가 연료 전지에 도달하는 가능성을 감소시키기 위하여 공기를 여과시킴으로써, 압축기의 하류에서 안전성을 부여할 수 있다. 온도 제어 시스템은 원하는대로 열을 부가 또는 제거함으로써, 시스템의 온도를 제어한다. 물 관리 시스템은 초가량이 제공될 때, 액체 물을 제거한다. 상기 시스템들은 연료 전지를 컴팩트 및 철저하게 보호하기 위하여 여러 구성으로 통합된다.
한 특수한 구성에 있어서, 여러 시스템들은, 상류 통합 조립체, 감쇄 열교환기 조립체, 하류 통합 조립체 및 배기 조립체로써 배열된다.
또한, PEM 연료 전지의 성능에서 캐소드 공기 오염물이 미치는 영향들이 수집되었다. 미립자 물질, 오일, 염류 및 화학물 및 음향의 고효율성 여과의 기술에 따라서 함께 연료 전지 성능 및 신뢰성에 영향을 미치는 오염물이 여러 조립체들의 발전에서 통합되었다.
특히, 본 발명은 다중 통합 조립체를 가지는 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 시스템은 공기 스트림을 위한 입구를 가지는 연료 전지와, 상기 연료 전지 입구에 작동가능하게 연결된 공기 스트림을 위한 출구 및 입구를 구비한 공기 이동 장치를 포함한다. 제 1 통합 조립체는 공기 이동 장치로부터의 상류의 공기 스트림에 배치되고 제 2 통합 조립체는 공기 이동 장치로부터의 하류의 공기 스트림에 배치되며, 제 1 및 제 2 통합 조립체는 오염 제어 시스템, 소리 제어 시스템, 온도 제어 시스템 및 물 관리 시스템중 적어도 두 시스템을 포함한다. 일 실시예에서, 제 1 통합 조립체는 오염 제어 시스템 및 소리 제어 시스템을 포함한다. 오염 제어 시스템은 미립자 필터 및 화학물 필터를 포함할 수 있다. 제 3 통합 조립체가 연료 전지 시스템에 제공될 수 있다.
본 발명은 소리 유발 공기 이동 장치를 포함하는 연료 전지 시스템과 함께사용하기 위한 통합 조립체에 관한 것이다. 조립체는 공기 입구 및 출구를 구비한 하우징과, 적어도 3dB까지 소리를 감소시키도록 구성된 소리 제어 시스템 및 온도 제어 시스템을 포함하며, 각 소리 제어 시스템 및 온도 제어 시스템이 하우징 내에 있다. 온도 제어 시스템은 열교환기일 수 있다.
도면에 있어서, 여러 도면에 걸쳐 유사 부분에 대해서는 유사 부호로 지정하였고, 도 1에는 연료 전지 시스템(10)이 개략적으로 도시되어 있다. 연료 전지 시스템(10)은 연료 전지(15), 제 1 압축기(50) 및 연료 전지(15)에 대한 공기 유동의 상류의 제 2 압축기(50')와, 공기 유동에서 연료 전지(15)의 하류에 있는 팽창기(55)를 포함한다.
비록, 압축기(50,50') 및 팽창기(55)가 도시되지만, 압축기, 팽창기, 터보과급기, 송풍기 또는 다른 공기 이동 장치와 같은 어떤 적당한 공기 이동 장치가 공기를 연료 전지(15)로 이동시키기 위하여 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 상술한 바와 같이, 일반적으로 모든 공기 이동 장치는 불쾌할 수 있는 수준의 소음을 방출한다.
연료 전지 시스템(10)은 상류 통합 조립체(100), 감쇄 열교환 조립체(150), 하류 통합 조립체(200) 및 배기 조립체(300)를 포함한다. 용어 "상류" 및 "하류"를 사용함으로써, 압축기(50)와 같이, 연료 전지(15)의 상류의 공기 이동 장치를지칭한다. 오염 제어 시스템, 소리 제어 시스템, 온도 제어 시스템 또는 물관리 시스템과 같은 다중 시스템을 한 조립체에서 구비하는 것을 의미하는 용어 "통합(integrated)"을 사용함으로써; 비록, 일부 실시예에서, 둘 이상의 하우징이 결합하여 단일 하우징을 형성하지만, 양호하게는, 조립체는 단일 하우징에 수용된다. 상술한 바와 같이, 공기 이동 장치는 압축기, 팽창기, 터보과급기, 송풍기 또는 그와 같은 어떤 품목일 수 있다.
도 1에 개략적으로 도시된, 상류 통합 조립체(100)는 미립자 필터, 통상적으로 탄소계 물질과 같은 화학물 제거 필터, 소음 억제 부재를 포함한다. 이러한 상류 필터 조립체는, 예를 들어, 참고로 본원에서 전체적으로 합체된, 미국 특허 출원 제 09/832,715호(2001년 4월 11일 출원) 및 09/879,441호(2001년 6월 12일 출원)에 기재되어 있다. 통상적으로, 상류 통합 조립체(100)의 각 부분들( 즉, 미립자 필터, 화학 필터 및 소음 억제 부재)은 동일 하우징 내에 수용되지만, 일부 실시예에서는, 어떤 하나 이상의 상기 부분들이 분리된 하우징 또는 유닛에 제공될 수 있다. 도 2에 있어서, 하나의 양호한 상류 통합 조립체(100)가 상세하게 도시된다.
도 2에서, 상류 통합 조립체(100)는 오염물 제어 시스템 및 소리 제어 시스템을 구비하는 제 1 부분이 하우징(105a)에 있고, 소리 제어 시스템을 구비하는 제 2 부분이 하우징(105b)에 있는, 직렬로 배열된 두 부분을 포함한다. 상류 통합 조립체(100)는 입구(102) 및 출구(104)를 구비한다. 입구(102)는 공기, 통상적으로 대기 또는 주위 공기를 하우징(105a) 안으로 공급한다. 공기는 미립자 또는 물리적인 오염 제거 시스템 및 화학 오염 제거 시스템을 포함하는 오염물 제거 또는 여과 시스템(110)을 통과한다. 도시된 실시예에서, 여과 시스템(110)은 제 1 필터 부재(112a) 및 제 2 필터 부재(112b) 및 미립자 필터 부재(114)를 포함하는 화학 필터 부재(114)를 포함한다.
화학 필터 부재(112)는 흡착 또는 흡수에 의해서 공기로부터 오염물을 제거한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "흡착", "흡수", "흡착제" 등은 흡수 및 흡착의 메카니즘을 포함하도록 의도된다.
화학 오염 제거 시스템은 통상적으로 피지스오벤트(physisorbent) 또는 , 예를 들어, 건조제(즉, 물 또는 증류수를 흡착 또는 흡수하는 재질)와 같은 화학 재질 또는 휘발성 유기 화합물 및/또는 산성 가스 및/또는 베이직 가스 등을 흡수하는 재질을 포함한다. 용어 "흡착제 물질", "흡착 물질", "흡착성 물질", "흡수제 물질", "흡수 물질", "흡수성 물질" 및 그 변형 형태는 흡착 또는 흡수에 의해서 화학 오염물을 제거하는 어떤 물질을 포함하는 것으로 의도된다. 적당한 흡착제 물질은, 예를 들어, 탄소 섬유, 주입 탄소를 포함하는 활성 탄소, 활성 알루미나, 분자류, 이온 교환 수지, 이온 교환 섬유, 실리카 겔 및 실리카를 포함한다. 상기 어떤 물질은, 예를 들어, 캄륨, 과망간산염, 칼슘 탄산염, 칼륨 탄산염, 소듐 탄산염, 칼슘 화산염, 구연산, 인산, 다른 산성 물질 또는 그 혼합물과 같은 물질로 주입되거나 또는 피복 및 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 흡착제 물질은 제 2 물질로 주입되거나 또는 그 물질과 결합될 수 있다.
흡착제 물질은 통상적으로 미립자 또는 입자 물질을 포함하고, 예를 들어,입자, 비드, 섬유, 미세 분말, 나노구조체(nanostructure), 나노튜브, 에어로졸과 같은 여러 형태로 제공되거나 또는 세라믹 비드, 단량 구조체, 종이 매체 또는 금속 표면과 같은 베이스 물질 상에서 코팅으로 제공될 수 있다. 특히, 미립자 또는 입자 물질과 같은 흡착제 물질이 물질층으로 제공될 수 있다. 다른 방안으로, 흡착제 물질은, 예를 들어, 큰 태블릿(tablet), 입자, 비드 또는 주름이 잡히는(pleatable) 또는 선택적으로 추가로 성형될 수 있는 벌집형 구조와 같은 단량형 또는 단위형으로 성형될 수 있다. 적어도 일부 예에서, 성형된 흡착제 물질은 실질적으로 필터 조립체의 정상 수명 또는 기대 수명 동안 그 형태를 유지한다. 성형된 흡착제 물질은 비자유 유동 물품으로 성형되는 고체 또는 액체 블라인더와 결합된 자유 유동 미립자 물질로 형성될 수 있다. 성형된 흡착제 물질은, 예를 들어, 몰딩, 압축 몰딩 또는 압출 공정에 의해서 형성될 수 있다. 성형된 흡착제 물질은, 예를 들어, 본원에서 참고로 합체된 미국 특허 제 5,189,092(코슬로;Koslow) 및 5,331,037(코슬로)에 기재되어 있다.
도 2에 도시된 실시예에서, 필터 부재(112a,112b)는 압출 활성 탄소의 중공 원통형 형태이다.
미립자 필터(114)는 물리적인 또는 미립자 오염물, 먼지, 오물, 스모그, 연기, 디젤 미립자, 화분, 곤충, 나무 껍데기 및 톱밥, 금속 절삭물, 포괄적인 오물 등과 같은 오염물을 제거한다. 통상적으로, 미립자 제거 부분은 셀룰로오스 물질을 포함하는 섬유성 매트 또는 직물을 수용하여 미립자를 제거한다. 필터 부재(114)에 사용되는 매체는 원하는 미립자 제거 효율, 필터(114)를 통한 허용가능한 압력 강하의 최대 수준 및 기타 요소들에 따라서 변화될 수 있다. 필터 매체는 미세한 미립자 제거에 있어서의 그 효율성을 개선하는 어떤 다수의 방식으로 처리될 수 있으며; 예를 들어, 하나 이상의 나노섬유층을 가지는 셀룰로오스 또는 합성 매체 또는 그 조합물, 또는 당기술에 공지된 다른 유형의 매체일 수 있는 정전기식으로 처리된 매체가 사용될 수 있다. 사용될 수 있는 나노섬유의 유형들에 관한 상세한 설명에 대해서는, 예를 들어, 본원에서 참고로 합체된 미국 특허 제 4,650,506(배리스 등)호를 참조하시오.
양호한 실시예에서, 미립자 필터 부재(114)는 직사각형 필터 부재를 형성하도록 중심 축선 주위에서 감겨진 셀룰로오스 필터 매체를 포함한다. 필터 부재는, 예를 들어, 미국 특허 제 4,720,092호에 기재된 것과 같은 밀봉 시스템, 하우징(105a)의 밀봉 필터(114)에 대한 밀봉 시스템을 포함한다. 용어, "실(seal)", 또는 "밀봉"에 의해서, 정상 상태의 밀봉 시스템(60)은 의도하지 않은 수준의 공기가 필터 부재(114)의 외면과 하우징(105a) 의 내부 측벽 사이의 영향을 통과하는 것을 방지한다는 것을 의미한다; 즉, 밀봉 시스템은 공기 유동이 여과 매체 또는 필터 부재(114)를 통과하는 것을 금지한다.
어떤 양호한 장치에서, 필터(114)는 직선 통과형 유동(straight-through flow)에 대해서 구성된다. "직선 통과형 유동"에 의해서, 필터(114)는 제 1 유동면(입구단에 대응하는) 및 대향하는 제 2 유동면(출구단에 대응하는)을 구비하도록 구성된다는 것을 의미한다. 직선 통과형 유동 필터는, 예를 들어, 주름형 필터와 비교할 때 통과하는 많은 양의 공기를 처리할 수 있으므로, 종종 직선 통과형 유동이 바람직하다. "직선 통과형 유동"과 "일직선형 유동" 사이의 차이점은 없는 것으로 의도된다. 공기가 일방향으로 제 1 유동면을 통과하여 들어오고 동일방향에서 제 2 유동면으로부터 빠져 나간다.
화학 필터(112) 및 미립자 필터(114)와 관한 추가 및 다른 상세한 설명은 미국 특허 출원 제 09/832,715호 및 09/879,441호에 기재되어 있다.
상기 오염 제어 시스템[즉, 필터(112,114)]에서, 공기는 상류 통합 조립체(100) 내의 소리 제어 시스템으로 진행된다. 특히, 공기는 소리 억제 구성부(130)가 수용되는 하우징(105b) 안으로 진행한다. 소리 억제 구성부(130)는 제 1 공진기(132) 및 제 2 공진기(134)를 포함한다. 상기 공진기(132,134)의 각각은 그 크기 및 배치가 소리의 원하는 파장을 공진시키기 위하여 정확하게 처리된 복수의 천공부를 포함한다. 소리 억제 구성부(130)는 또한 음속 초크(sonic choke;135)를 포함한다.
소리 억제 구성부(130)는 어떤 압축기(50), 압축기(50') 및 팽창기(55)로부터 방출되는 소음 또는 소리의 수준을 감소 또는 억제시킨다. 이러한 소음 감소는 양호하게는, 1 미터에서의 적어도 3dB, 통상적으로 적어도 6dB, 양호하게는, 적어도 10dB, 및 가장 양호하게는, 적어도 25dB이다. 소리 억제 구성부(130)는 압축기(50)로부터 방출되는 소음을 감소시키고 소리를 감쇄함으로써, 상류 통합 조립체(100)를 통과하여 주위 대기로 나가게 한다.
압축기(50)와 같은 장치로부터 방출되는 소리는 연료 전지(15), 압축기(50) 및, 상류 통합 조립체(100), 감쇄 열교환기 조립체(150), 하류 통합 조립체(200)및 배기 조립체(300)와 같은 다른 조립체에 의해서 허용되는 어떤 방향으로 이동한다. 즉, 소리는 압축기(50)로부터, 상류로 이동하여 공기 유동을 향해서 상류 통합 조립체(100)로 이동하고; 그리고 감쇄 열교환 조립체(150)로 하류로 이동한다. 압축기(50') 및 팽창기(55)로부터의 소리는 상류 및 하류로 이동한다.
소리 억제 구성부(130)는 적어도 3dB, 통상적으로 적어도 6dB, 양호하게는, 적어도 10dB, 및 가장 양호하게는, 적어도 25dB까지 감쇄시킬 수 있는 다른 형태의 상류 통합 조립체(100)와 함께 어떤 유형의 부재를 포함할 수 있다. 적당한 소리 억제 부재의 보기들은, 머플러, 라인형 덕트, 배플, 소리 경로의 굴곡부, 플리넘(plenum), 팽창 챔버, 공진기, 음속 초크, 풀 초크(full choke), 소리 흡착성 물질 및 그 여러 조합 형태를 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 도 2에 도시된 실시예는 제 1 공진기(132), 제 2 공진기(134) 및 음속 초크(135)를 구비한 소리 억제 구성부(130)를 구비한다.
소리 억제 구성부(130)는 하우징(105b)에 제공된다. 하우징(105b)의 외벽과 평면형이거나 또는 평탄한 최소 표면을 가지는 것이 양호하고; 또한 표면들이 굴곡져서 진동량 또는 평탄한 벽에 종종 발생하는 소음을 감소시키는 것이 양호하다.
공진기(132,134), 음속 초크(135) 및 다른 감쇄 또는 공진 장치를 포함하는 소리 억제 구성부(130)에 관한 추가 및 다른 상세한 설명에 대해서는 미국 특허 출원 제 09/832,715호 및 09/879,441호에 기재되어 있다.
오염물 제어 시스템 및 소리 제어 시스템을 통과한 공기는 출구(104)를 경유하여 상류 통합 조립체(100)를 빠져나와서 압축기(50)로 진행한다. 공기는입구(52)를 경유하여 압축기(50)로 들어가고 출구(54)를 경유하여 빠져나간다. 상술한 바와 같이, 압축기(50)는 어떤 적당한 공기 이동 장치일 수 있다.
압축기(50)로부터의 공기는 감쇄 열교환 조립체(150)로 이동한다. 상기 감쇄 열교환 조립체(150)는 "인터쿨러 조립체(intercooler assembly)"로 불리울 수 있고, 열교환기(또는 냉각기)를 구비하며 압축기(50)와 압축기(50') 사이에 배치된다. 감쇄 열교환 조립체(150)에 대한 한 양호한 실시예는 도 3에 도시된다.
감쇄 열교환 조립체(150)는 하우징(155)에 수용된 온도 제어 시스템 및 소리 제어 시스템의 통합으로 인하여 그와 같이 지칭된다. 하우징(155)은 입구(152) 및 출구(154)를 가지며; 조립체(150)는 입구(152)를 통해서 압축기(50)의 출구(54)로부터 나오는 공기를 수용한다. 입구(152)는 소리를 감쇄시키도록 설계된 복수의 구멍을 가지는 소리 억제 부재(160)에 연결된다. 감쇄 열교환 조립체(150)는 제 2 소리 억제 부재(165)를 포함한다. 소리 억제 부재(160,165)는 적어도 3dB, 통상적으로 적어도 6dB, 양호하게는, 적어도 10dB, 및 가장 양호하게는, 적어도 25dB까지 감쇄 또는 다른 방식으로 감소시킨다. 하우징(155)은 감쇄 열교환 조립체(150)를 통과하는 소리 수준을 감소시키고; 하우징(155)은 둥근 제 1 단부(157) 및 둥근 제 2 단부(158) 사이에 연장된 벽(156)을 구비한 원통형이다. 벽(156) 및 단부들(157,158)들의 표면들은 진동 및 소음량을 감소시키도록 굴곡된다.
소리 억제 부재(160,165) 사이에는 열교환기(170)가 배치된다. 열교환기(170)는 냉각수 입구(172)를 경유하여 열교환기(170) 안으로 공급되는 냉각수를 통해서 열을 제거함으로써, 감쇄 열교환 조립체(150)를 통과하는 공기를 냉각시킨다. 입구(152)를 경유하여 감쇄 열교환 조립체(150) 안으로 들어오는 공기는 압축기(50)에 의한 압축으로 인하여, 온도를 상승시킨다.
감쇄 열교환 조립체에 대한 제 2 실시예는 도 4에서 부호 "150"으로 도시된다. 감쇄 열교환 조립체(150')는 오염 제어 시스템을 포함한다.
도 3의 감쇄 열교환 조립체(150)와 유사한, 감쇄 열교환 조립체(150')는 입구(152') 및 출구(154')를 가지는 하우징(155')을 구비한다. 하우징(155')은 제 1 단부(157')와 대향하는 제 2 단부(158')를 구비한다. 제 1 단부(157')는 제거가능한 플랜지 커버(159)를 포함하며, 그 사용에 대해서는 하기에 기술한다. 압축기(50)로부터 나오는 공기는 입구(152')를 통해서 감쇄 열교환 조립체(150')로 들어가고 필터 부재(180)로 진행한다. 필터 부재(180)는 미립자 필터 부재이고, 양호하게는, PTFE 물질을 함유한다. 필터 부재(180)는 통상적으로 공기 통과를 허용하면서, 즈름형 매체(pleated media)에 안정성 및 구조성을 제공하도록 사용된 천공 내부 라이너를 포함한다. 일부 실시예에서, 소리를 감쇄 또는 공진시키도록 설계된 천공부를 가지는 것이 양호할 수 있다. 상술한 바와 같이, 제 1 단부(157')는 원하는 대로 필터 부재(180)의 제거 및 재배치를 위하여 필터 부재(180)에 대한 액세스를 제공하는 플랜지(159)를 포함한다.
필터 부재(180)로부터, 지금 여과된 공기는 이 공기가 냉각되는 열교환기(170')[냉각수 입구(172')와 출구(174)를 가지는]를 통과한다. 냉각된 공기는 공진기(165)로 진행하고 그후에 출구(154')를 경유하여 나간다.
제 2 압축기(50')를 통과한 감쇄 열교환 조립체(150,150')로부터 나오는 공기는 하류 통합 조립체(200)로 진행한다.
도 1에 개략적으로 도시된 하류 통합 조립체(200)는 어떤 오염물 제어 시스템, 소리 제어 시스템 및 물 관리 시스템을 가질 수 있다. 하류 통합 조립체(200)의 보기는, 예를 들어, 미국 특허 출원 제 09/832,715호와 09/879,441호에 기재되어 있다. 도 2에는, 소리 억제 부재와 물을 관리하는 필터를 구비한 양호한 하류 통합 조립체(200)의 일 실시예가 도시된다.
하류 통합 조립체(200)는 입구(202), 출구(204) 및 하우징(2050을 구비한다. 필터(210)는 하우징(2050 내에 배치된다. 필터(210)는 두 필터 부재(210a,210b)를 구비한다. 어떤 실시예에서, 필터 부재(210a,210b)는 미립자 및 화학 필터 모두로 작용하는 팽창한 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 같은 재질로 제조된다. PTFE는 염류 및 오일과 같은 유기 물질이 통과하는 것을 방지한다. 따라서, 미립자 및 화학물 여과 모두를 달성한다. PTFE는 수증기가 통과할 수 있게 허용하고, 유착물 및 액체물을 수집한다. 이 물은 일반적으로 하류 통합 조립체(200)로부터 배수된다.
하류 통합 조립체(200)는 하우징(205) 내의 소리 억제 부재(230)를 포함한다. 소리 억제 부재(230)는 적어도 6dB, 통상적으로 적어도 10dB, 및 더욱 양호하게는, 적어도 25dB까지 감쇄 또는 다른 방식으로 감소시킨다. 하우징(205) 및 필터(210)는 하류 통합 조립체(200)의 소리 억제를 증가시키기 위하여 양호하게는, 원형이다.
하류 필터 조립체(200)를 통과하는 공기 유동은 잠재적으로 해로운 오염물이발생하거나 또는 발생했는지를 결정하기 위하여 모니터될 수 있다. 적어도 3개의 가능한 선택을 이용할 수 있다. 공기량 유동 센서가 필터(210)와 연료 전지(15) 사이에 설치되어서 필터(210)를 통과하는 공기량을 모니터할 수 있다. 공기량이 감소할 때, 필터(210)의 막힘 수준이 계산될 수 있다. 제 2 선택으로서, 필터(210)를 가로지르는 압력 강하가 모니터될 수 있다. 제 3 선택으로서, 압력 릴리프 밸브가 필터(210)의 상류에 설치될 수 있으며; 그에 따라서, 만약, 필터(210)가 너무 막혀서 충분한 공기가 관통하여 유동하도록 허용할 수 없다면, 필터(210) 앞에 압력이 형성되고, 압력 릴리프 밸브가 열린다.
하류 통합 조립체(200)로 들어가는 공기는 소리 억제 부재(230)에 의해서 감쇄되고 그 다음 필터(210)를 통과하여, 안으로 또는 밖으로 간다. 필터(210)는 통과하여 압축기(50')에 의해서 생성된 미립자들을 제거한다. 공기는 "204"를 경유하여 하류 통합 조립체(200)를 빠져나가서 연료 전지(15)로 진행한다.
연료 전지(15)는 연료로 넣어진 산소 및 수소를 이용하여 촉매 반응을 일으켜서 전력을 생산한다. 증기 또는 액체 형태의 물은 부산물로 생성된다. 연료 전지(15)로부터의 배기 공기는, 아노드 상의 촉매 또는 전해질로부터 오염물을 수집할 수 있다.
압축기(50)와 압축기(50')를 통과한 연료 전지(15)로 들어가는 공기는 도 1의 시스템에서, 통상적으로 상승 압력에 있다. 이 증가한 압력은 연료 전지(15)의 효율성을 개선한다. 일단, 연료 전지(15)를 통과하면, 공기는 대기압 즉, 상승 압력으로부터 적어도 감소한 압력으로 복쉬할 수 있다. 도 1에서, 공기 스트림은 팽창기(55)를 통과한다. 양호한 실시예에서, 팽창기(55)는 도 3에서, 압축기 스테이지, 압축기(50')와 함께 있으므로, 양 압축기(50')와 팽창기(55)는 도 3에 도시된 바와 같이, 하나의 터보과급기 유닛으로 통합된다.
도 1의 연료 전지 시스템(10)은 연료 전지(15)의 하류에 배치된 배기 조립체(300)를 추가로 포함하고, 공기는 팽창기(55)에서 상기 배기 조립체로 진행한다. 배기 조립체(300)는 연료 전지(15)의 배기단에 배치되므로, 배기 조립체(300)를 통과하는 공기는 감소한 수준의 산소를 가진다. 배기 공기에 물, 액체 물 및 수증기가 제공된다.
오염 제어 시스템, 소리 제어 시스템, 물 관리 시스템을 구비하는 배기 조립체(300)의 한 양호한 실시예가 도 2에 도시된다. 특히, 배기 조립체(300)는 모두 하우징(305) 내에 제공된 소리 억제 부재(330), 화학 필터(320) 및 물 제거 부재(340)를 가진다. 물 제거 부재(340)는 액체 물을 제거하지만, 수증기가 공기 스트림과 함께 통과할 수 있게 한다.
하우징(305)은 연료 전지(15)로부터 공기를 수용하기 위한 입구(302)와, 공기를 배출하기 위한 출구(304)를 구비한다. 공기는 입구(302)를 경유하여 배기 조립체(300)로 들어가서 소리 억제 부재(330)로 진행한다. 화학 필터(320)는 소리 억제 부재(330)의 하류에 배치된다. 액체 물은 물 제거 부재(340)에 의해서 공기 스트림으로부터 제거되고; 배기 조립체(300)에 대한 양호한 물 제거 부재(340)의 보기는 종종 "스트라타 튜브(strata tube)"로 지칭되는 복수의 관형 구조체이다.
상기 설명은 시스템(10) 내의 오염물, 소리 및 습도를 제어하기 위하여 제공된 여러 통합 부품을 구비한 연료 전지 시스템(10)에 대해서 기술한다. 여러 조립체의 여러 양호한 실시예는 연료 전지(15)의 캐소드측에 대한 공기 스트림과 함께 사용하기 위하여 기술된다. 상술한 어떤 조립체, 그 변형 형태는 연료 개질기의 촉매 또는 연료 전지의 촉매를 보호하기 위하여 연료 전지의 연료측에서 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
하기 설명은 연료 전지 동작에 해로운 것으로 사료되는 여러 오염물에 관한 것이다.
주위 공기 오염물
공기 오염물은 합성물 및 크기에서 위치에 따라 변한다. 미립자 물질은, 예를 들어, 해양의 잔잔할 날씨에서 사막의 바람부는 날씨까지의 농도에서 9차수의 크기로 변화된다. 추가로, 미립자의 크기 분포는 미립자 물질의 소스에 따라 변화된다. 하기 표 1은 일반적인 항목에서 오염물이 환경 조건 및 위치에 따라 어떻게 변화하는 지를 기술한다.
내연기관으로부터의 비연소된 탄화수소 방출물과 같은 휘발성 유기 화합물(VOCs)은 방출물의 위치 및 소스에 따라서 농도가 크게 변화된다. 추운 기후의 도시 지역은 차가운 상태에서의 내연기관의 시동으로 인하여 휘발성 유기 화합물(VOCs)의 수준이 크게 상승하는 날을 경험한다. 두 사이클의 내연기관이 작동하는 지역은 고농도의 일산화탄소 및 휘발성 유기 화합물(VOCs)이 발생한다. 도시는 상대적으로 작은 평균 농도의 휘발성 유기 화합물(VOCs)이 발생할 수 있지만, 국부적으로는 농도가 상승한다. 유황 함유 연료가 연소되는 지역, 양돈 또는 제지공장과 같은 산업 자원이 있는 농업 지역에서는 공기에서 황화합물이 발견된다.
암모니아는 일반적으로 농업 지역과 하수 처리장 부근에 발생한다. 자동차의 3-웨이 촉매 변환기는 배기 스트림에서 질소 산화물을 감소시킬 때, 100 마일당 0.28 온스(ounce)의 암모니아를 발생시키는 것으로 확인되었다. 발생한 암모니아는 터널 및 다른 제한 지역에서 축적되는 것으로 확인되었다.
공기중의 소금 농도는 얼음 제거를 위하여 소금이 사용되는 추운 기후의 도로 위와 산업 방출물 인근의 사막 연안 지역에서 특히 나타난다. NaCl, KCl, 암모니아 황산염, 마그네슘 황산염 또는 다른 황산염과 같은 소금이 공기중에 운반되고 습도 상태에 따라서 용해 또는 변화 상태로 된다. 소금은 미립자 물질의 고체 상태 또는 수용액중에 있을 수 있다. 건조 소금 입자는 0.5 내지 1.5㎛의 크기 범위에 있다. 젖은 소금 입자들은 1 내지 20㎛의 크기 범위에 있다. 해안 지역의 공기 소금 농도는 특히, 지역이 직접 물안개에 노출된다면 풍속에 크게 좌우된다. 공기중의 소금 농도는 35 노크의 풍속에서 10PPM 만큼 높을 수 있다. 만약, 지역이 온화하게 보호받고 직접적인 물안개에 노출되지 않는다면, 농도는 100 피트의 고도에서 표 2에 나타나는 것으로 된다.
여러 도시의 일부 선택 오염물의 통상적인 평균 농도는 표 3에 기재되어 있다. 전쟁 지역과 같은 극한 상황에서, 살생 가스 및 다른 오염물이 표 4에 기재된 농도로 공기중에 나타날 수 있다.
상술한 여러 오염물 제어 시스템은 양호하게는, 연료 전지(15)에 유해한 영향을 미치는 오염물의 양을 감소시키도록 설계된다.
압축기에 의해서 방출된 오염물
주위 공기에서 발견된 오염물 이외에, 오염물, 미립자, 화학물 또는 양자 모두가 압축기(50,50')와 같은 공기 처리 장치 또는 공기 이동 장치에 의해서 생성되거나 또는 방출될 수 있다.
압축기에 의해서 방출되어서 연료 전지에 해로운 것으로 판명된 적어도 두유형의 오염물로서, 베어링 실에서 누설되는 윤활유와 회전 부품에서 발생한 마모 입자가 있다. 연료 전지 공기 처리 시스템에서 사용된 가장 공통 유형의 압축기중 하나는 트윈 스크류 리숄름 스타일 압축기(twin screw Lysholm style compressor)가 있다. 이러한 한 압축기는 특징이 있으며, 미립자 물질 및 소량의 윤활유 모두를 방출하는 것으로 판명되었다.
압축기로부터의 오염물은 미립자 물질을 포획하기 위한 한 멤브레인 필터와 윤활유를 수집하기 위한 한 헤파 필터(HEPA filter) 등과 같은, 압축기의 하류에 있는 두 다른 유형의 필터에서 수집되었다. 압축기는 압축기로부터 유래되지 않은 압축기의 하류에서 오염물을 소집할 가능성을 제거하기 위하여, 클린룸으로 헤파 필터로 여과된 공기를 공급한다.
도 5는 멤브레인 필터에서 수집된 오염물을 전자 현미경 이미지로 스캐닝한 것이다. 멤브레인 상의 대칭 블랙 형태는 3㎛의 에칭 구멍이고, 비균일 형태는 수집된 미립자 물질이다. 비록, 분석된 미립자들은 크기 및 형태가 상이하지만, 모두 동일 요소 합성물을 가진다. 입자들은 직경이 1 내지 10㎛의 크기 범위에 있으며, 이것은 고속 연마에 의해서 생성된 단단한 물질의 입자에 대해서 특징적인 것이다.
성분 분석은 에너지 전파성 분광계(EDS)를 이용하여 실행되었고, 통상적인 입자로부터의 결과는 도 6에 도시된다. 도 6의 산소 및 탄소 극대량은 압축기의 윤활유에서 발생한 유기 물질을 가리킨다. 구리 및 아연의 트레이스량(trace amount)은 아연 및 구리 함유의 통상적인 오일 첨가물로서 윤활유를 제안한다. 몰리브덴 및 유황 극대량은 상기 압축기의 로브(lobe)에 사용된 MoS2코팅을 나타낸다. 분석된 모든 미립자들은 동일한 몰리브덴 대 유황 비율을 갖지만, 유기 물질의 양은 변화된다. 입자들은 압축기 하우징 및 로브에 대한 베이스 재질인 알루미늄을 함유하지 않는다. 표 5는 오염물 성분 분석의 분류를 제공한다.
PEM 연료 전지의 공기-오염의 효과
일반적으로, 연료 전지에 대한 오염 문제는 내연기관 및 가스 터빈과 같은 전통의 동력 시스템과 매우 상이하다. 큰 미립자 물질은 연소 공정으로부터 여과된다. 서브-마이크론 미립자 물질 및 화학물은 무해하기 때문에, 엔진의 연소 공기에서 여과되지 않는다. 만약, 동일 수준의 여과가 PEM 연료 전지의 캐소드 공기에 적용된다면, 오염 이온 및 화학물이 연료 전지를 영구적으로 악화시킬 수 있다.
사카모토(Sakamoto) 씨 등에 의해서 캐소드 공기 오염에서 실행된 한 연구 조사에 의하면 오염물이 캐소드로 들어가는 것을 방지하는 중요성을 명확하게 알 수 있다. 도 7에서, 단일 전지에 대한 전지 접압과 미립자 필터와의 비교 및 미립자 필터가 없는 비교는 시간에 비례하여 플롯된다. 사카모토 씨 등은 공기 여과 없이 작동한 전지만이 시험 끝에서 Ca, K, Mg가 증가한다는 것을 확인하였다.
도 8,9 및 10은 PEM 연료 전지의 성능에서 공기중의 SO2의 영향을 나타낸다. 각 실행된 시험에서, cm2당 0.17mg 백금의 아노드와 cm2당 0.18mg 백금의 캐소드를 갖는 수소/공기 PEM 연료 전지가 사용되었다. 연료 전지는 분당 202 표준 cm3의 공기 유량과 80℃의 온도 및 50% 초과 산소량에서 작동되었다. 캐소드로 공급된 공기는 SO2오염 수준 또는 5 ppm SO2오염의 수준을 가진다.
그 결과가 도 8에 그래프로 도시된 제 1 시험에서, 연료 전지는 깨끗한 공기로 2시간 동안 작동하고, 그 후에 SO2오염된 공기로 시작되었다. 연료 전지 출력은 SO2에 1시간 노출되는 동안 크게 떨어지고 오염된 공기가 깨끗한 공기로 대체된 이후에도 회복되지 않았다.
그 결과가 도 9에 그래프로 도시된 제 2 시험에서, 연료 전지는 3,4 시간 동안 SO2오염 공기로 시작되었다. 성능은 30분 이후에 하강하기 시작하고 전체 3,4시간 동안 지속적으로 하강한다. 오염된 공기가 깨끗한 공기로 대체된 이후에, 출력은 비록 깨끗한 공기로 87시간 작동한 이후에 단지 약간 회복된다.
그 결과가 도 10에 그래프로 도시된 제 3 시험에서, 더러운 공기에는 단지 1ppm SO2의 오염물이 나타났다. 연료 전지 성능은 먼저 15시간 동안 SO2오염에 노출되는 동안 약간 하강하고, 그 후에 성능이 크게 감소된다. SO2오염에 대한 노출시간은 44.5 시간이다. 40 시간의 노출 이후에, 비록 본래 출력의 60% 이하이지만, 출력은 안정된다. 오염된 공기가 깨끗한 공기로 대체된 이후에, 출력은 약간 개선되고 안정된다.
SO2오염 가스는 전지 성능에 크게 영향을 미치고 SO2오염으로 인한 전지 성능에서의 감소는 대개 불가역적이라는 것이 명확하다. 도 8 및 도 9에 도시된 데이터를 생성하도록 사용된 SO2농도가 5PPM이라는 것을 알리는 것은 중요하며, 이것은 SO2방출물 소스에 인접하다는 것을 나타낸다. 참고로, 임계 차수는 0.1과 3PPM 사이이다. 통상적인 SO2수준의 대기에서 보호되지 않은 연료 전지에 대한 전지 성능의 감소에 대한 시간 크기는 연료 전지가 SO2소스 부근에서 작동하지 않는다면, 대부분 도 8, 9 및 10에 표시한 것 보다 많이 길다.
그러나, 비록 본 발명의 여러 특성 및 장점들은 본 발명의 구조 및 기능의 상세한 설명과 함께 상기 기술에서 설명되었지만, 그 공개내용은 단지 예시적이고 첨부된 청구범위 이외에 본 발명의 범주를 어떤 방식으로도 제한하는 것으로 의도된 것이 아님을 이해해야 한다. 본 발명은 상술한 실시예 또는 어떤 특수한 유형의 연료 전지 또는 본원에 기재된 특정 부품, 구성 또는 재질의 용도에 한정되지 않는다. 첨부된 청구범위의 넓은 범주 내에서 행해진 본 발명의 모든 다른 수정 및 변형 형태도 포함된다.

Claims (13)

  1. 공기 스트림에 대한 입구를 구비한 연료 전지와;
    공기 스트림에 대한 입구 및 출구를 구비하고, 이 출구는 연료 전지 입구에 작동가능하게 연결된 공기 이동 장치와;
    상기 공기 이동 장치로부터 상류에 있는 공기 스트림에 배치된 제 1 통합 조립체와;
    상기 공기 이동 장치로부터 하류에 있는 공기 스트림에 배치된 제 2 통합 조립체를 포함하며,
    상기 제 1 및 제 2 통합 조립체는 오염 제어 시스템, 소리 제어 시스템, 온도 제어 시스템 및 물 관리 시스템중에서 적어도 두 시스템을 포함하는 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 통합 조립체는 오염 제어 시스템 및 소리 제어 시스템을 포함하는 연료 전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 오염 제어 시스템은 미립자 필터와 화학물 필터를 포함하는 연료 전지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 통합 조립체는 오염 제어 시스템 및 물 관리시스템을 포함하는 연료 전지 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 오염 제어 시스템은 미립자 필터와 화학물 필터를 포함하는 연료 전지 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 미립자 필터 및 화학물 필터는 PTFE를 함유하는 연료 전지 시스템.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 제 2 통합 조립체는 소리 제어 시스템을 추가로 포함하는 연료 전지 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 제 2 공기 이동 장치와;
    제 3 통합 조립체를 추가로 포함하며,
    상기 제 3 통합 조립체는 상기 공기 이동 장치로부터의 하류와 상기 제 2 공기 이동 장치로부터의 상류에 배치되고,
    상기 제 2 통합 조립체는 상기 제 2 공기 이동 장치로부터의 하류에 배치되는 연료 전지 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제 3 통합 조립체는 소리 제어 시스템 및 온도 제어 시스템을 포함하는 연료 전지 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제 3 통합 조립체는 오염 제어 시스템을 추가로 포함하는 연료 전지 시스템.
  11. 소리 생성 공기 이동 장치를 포함하는 연료 전지 시스템과 함께 사용하기 위한 통합 조립체에 있어서,
    공기 입구 및 공기 출구를 구비한 하우징과;
    적어도 3dB까지 소리를 감소시키도록 구성된 소리 제어 시스템과;
    온도 제어 시스템을 포함하며.
    상기 각 소리 제어 시스템 및 온도 제어 시스템은 하우징 내에 있는 통합 조립체.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 온도 제어 시스템은 열교환기를 포함하는 통합 조립체.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 열 교환기는 물로 냉각되는 통합 조립체.
KR10-2004-7003547A 2001-09-11 2002-09-11 연료 전지와 함께 사용하기 위한 통합 시스템 및, 방법 KR20040033040A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

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