KR20060128863A - 연료 전지 스택들을 위한 셧다운 방법들 및 설계들 - Google Patents

연료 전지 스택들을 위한 셧다운 방법들 및 설계들 Download PDF

Info

Publication number
KR20060128863A
KR20060128863A KR1020067007053A KR20067007053A KR20060128863A KR 20060128863 A KR20060128863 A KR 20060128863A KR 1020067007053 A KR1020067007053 A KR 1020067007053A KR 20067007053 A KR20067007053 A KR 20067007053A KR 20060128863 A KR20060128863 A KR 20060128863A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
stack
fuel cell
anode
cathode
during
Prior art date
Application number
KR1020067007053A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101131451B1 (ko
Inventor
헤르위그 알. 하스
카라 엔. 스타르텍
미카엘 피. 섹스미스
앤드류 제이. 데소우자
켈빈 케이. 퐁
Original Assignee
발라드 파워 시스템즈 인크.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 발라드 파워 시스템즈 인크. filed Critical 발라드 파워 시스템즈 인크.
Publication of KR20060128863A publication Critical patent/KR20060128863A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101131451B1 publication Critical patent/KR101131451B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04228—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during shut-down
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04037—Electrical heating
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04067—Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
    • H01M8/04074—Heat exchange unit structures specially adapted for fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04303—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during shut-down
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

셧다운 동안 스택 내의 각 전지의 캐소드와 애노드 측면들 사이에 적절한 온도차를 유지함으로써, 연료 전지 직렬 스택의 전지들 내에서 개선된 물 분배가 얻어질 수 있다.
연료 전지, 셧다운

Description

연료 전지 스택들을 위한 셧다운 방법들 및 설계들{Shutdown methods and designs for fuel cell stacks}
본 발명은 셧다운 동안 연료 전지 직렬 스택의 전지들(cells) 내의 개선된 물 분배를 획득하기 위한 방법들 및 설계들, 특히, 고체 폴리머 전해질 연료 전지 스택들의 셧다운에 관한 것이다.
연료 전지 시스템들은 현재 고정적 전력 플랜트들 및 휴대용 전력 유닛들 같은 광범위하게 다양한 애플리케이션들에서 전원으로서의 사용을 위해 개발되고 있다. 이러한 시스템들은 환경적 이득들을 제공하면서, 경제적인 전력 전달의 가능성을 제공한다.
연료 전지들은 전력 및 반응생성물을 생성하도록 연료 및 산화제 반응제들을 변환한다. 이들은 일반적으로 캐소드와 애노드 전극들 사이에 배치된 전해질을 사용한다. 촉매는 통상적으로, 전극들에서 원하는 전자화학 반응들을 유도한다.
특히, 휴대용 및 이동적 애플리케이션들을 위한 바람직한 연료 전지 유형은 고체 폴리머 전해질(SPE) 연료 전지이며, 이는 고체 폴리머 전해질 멤브레인을 포함하고, 비교적 낮은 온도들에서 동작한다.
SPE 연료 전지들은 캐소드와 애노드 사이에 배치된 고체 폴리머 전해질 또는 이온-교환 멤브레인을 포함하는 멤브레인 전극 조립체(MEA)를 사용한다. 각 전극은 고체 폴리머 전해질 멤브레인에 인접 배치된, 촉매를 포함하는 촉매층을 포함한다. 촉매는 통상적으로, 귀금속 조성물(예로서, 백금 금속 블랙 또는 그 합금)이며, 적절한 지지부상에 제공될 수 있다(예로서, 카본 블랙 지지부상에 지지된 미세 백금 입자들). 촉매층들은 고체 폴리머 전해질 멤브레인(예로서, Nafion®)에 사용되는 것과 유사한 이오노머(ionomer)를 포함할 수 있다. 전극들은 또한, 기계적 지지부, 전기 전도 및/또는 반응제 배포의 목적들을 위해 사용될 수 있으며, 따라서, 유체 확산층으로서 기능하는 다공성, 전기 전도성 기판을 포함할 수 있다. 각 전극 또는 전극 기판의 하나의 표면을 가로질러 반응제들을 안내하기 위한 흐름 필드 플레이트(flow field plate)들이 MEA의 각 측면상에 배치된다. 동작시, 부하하의 개별 연료 전지의 출력 전압은 일반적으로 1 볼트 미만이다. 따라서, 보다 큰 출력 전압을 제공하기 위해, 다수의 전지들이 일반적으로 함께 적층되며, 보다 높은 전압의 연료 전지 직렬 스택을 생성하도록 직렬로 접속된다.
SPE 연료 전지의 정상 동작 동안, 연료는 애노드 촉매에서 전자화학적으로 산화되어, 통상적으로, 양자들, 전자들 및 가능하게는 사용되는 연료에 따른 다른 종들의 생성을 초래한다. 양자들은 캐소드 촉매에서 산화제와 전자화학적으로 반응하기 위해 그들이 생성되는 반응 위치들로부터 전해질을 통해 전도된다. 전자들은 외부 회로를 통해 이동하여 사용가능한 전력을 제공하고, 그후, 캐소드 촉매에서 양자들 및 산화제와 반응하여 물 반응 생성물을 생성한다.
일부 연료 전지 애플리케이션들에서, 전력 수요는 실질적으로 연속적이며, 따라서, 스택이 셧다운(정비를 위한 것 같이)되는 일은 드물다. 그러나, 다수의 애플리케이션들(예로서, 자동차)에서, 연료 전지 스택은 빈번히 정지 및 재시작되며, 그 사이에 현저한 보관 주기들을 갖는다. 이런 사이클은 SPE 연료 전지 스택들에 특정 문제점들을 유발할 수 있다. 예로서, 미국 특허 출원 공보 US 2002/0076582호 및 US 2002/0076583호에는 시동 및 셧다운 동안 캐소드 부식을 초래하는 조건들이 발생하는 방식과 이 부식이 적절한 유체로 애노드 흐름 필드를 급속히 소거(purging)함으로써 감소될 수 있다는 것을 개시한다.
주기적 사용으로부터 발생할 수 있는 다른 문제점들은 셧다운 이후 스택 내의 물 함량의 잔류 및 그 분포에 관련한다. 예로서, 셧다운 동안 바람직하지 못한 물 분배 및/또는 너무 많은 물의 잔류로부터 스택 내의 액상수 축적들(liquid water accumulations)이 초래될 수 있다. 이런 액상수의 축적들은 부산물들 및/또는 반응제들의 흐름을 차단함으로써 전지 성능에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 가능하게는, 더 심하게, 연료 전지 스택이 결빙 온도 미만에서 보관되는 경우, 전지들 내의 액상수 축적들이 결빙되어 전지들에 영구적 손상을 초래할 수 있다. 다른 한편, 너무 작은 물이 잔류하는 경우, 멤브레인 전해질의 전도성이 현저히 감소되어, 재시동시 스택으로부터 열악한 전력 성능을 초래한다.
이들 난점들하에서, 본 기술 분야에는 셧다운 및 보관 동안 연료 전지 스택들 내의 개선된 물 분배를 획득하기 위한 절차들 및/또는 설계 변경들을 개발할 필요성이 남아 있다. 본 발명은 이들 및 다른 필요성들을 해결하며, 추가적인 관련 장점들을 제공한다.
셧다운 동안 스택이 냉각되어, 스택 내의 전지들을 가로질러 적절한 온도차가 유지되는 것을 보증함으로써, 셧다운 이후 연료 전지 직렬 스택 내에서 바람직한 물 분배가 얻어질 수 있다는 것이 발견되었다. 이러한 방식으로, 전도성의 목적들을 위해 멤브레인 전해질 내에 충분한 물을 유지하면서, 예로서, 고체 폴리머 전해질 연료 전지 스택 내의 잔류수(remaining water)가 선택된 보다 차가운 물 필드들에 집중되고, 적절히 분배될 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 방법은 적어도 두 개의 전지들, 통상적으로, 직렬로 적층된 복수의 전지들을 갖는 연료 전지 직렬 스택에 적용한다. 이 방법은 고체 폴리머 전해질 연료 전지 직렬 스택들에 특히 적합하다. 셧다운 방법은 스택으로부터 전기의 생성을 중단하는 것 및 특정 기간(즉, 냉각 기간)에 걸쳐 제어된 방식으로 스택이 냉각될 수 있게 하는 것을 포함하며, 이 특정 기간 내에서는 스택 내의 각 전지의 캐소드와 애노드 측면들 사이에 온도차가 유지되고, 전지들 각각의 온도차의 방향은 동일하다. 즉, 쿨다운 기간 동안 각 전지 내에서 애노드보다 캐소드가 고온이거나, 그 반대이다. 이 접근법에서, 각 전지 내의 물은 실질적으로, 쿨다운 동안 보다 차가운 측면으로 이주한다.
적절한 셧다운 방법은 쿨다운 기간 동안 각 전지 내에서 실질적으로 동일한 절대 온도들 및 온도차를 유지하는 것을 수반한다(예로서, 각 전지 내의 캐소드측 온도는 대략 동일하며, 각 전지 내의 애노드측 온도는 대략 동일하다). 스택의 두 단부들 사이의 결과적인 온도 프로파일은 그후 치형부(tooth)에 대응하는 각 전지 온도 프로파일을 갖는 톱니 형상을 닮는다. 이런 프로파일은 스택 내의 인접 연료 전지들로부터 각 전지를 열적으로 단열함으로써(예로서, 각 전지들의 쌍 사이의 열적 저항을 증가시킴으로써), 그리고, 선택된 전극들의 세트를 온건하게 냉각시킴으로써(예로서, 스택 내의 냉각제 채널들에 바로 인접한 전극들의 세트를 냉각시킴) 얻어질 수 있다.
대안적인 셧다운 방법은 쿨다운 기간 동안 스택 내의 연료 전지들의 그룹에 걸쳐 단조적으로 감소하는 온도를 유지하는 것을 포함한다. 즉, 연료 전지들의 각 그룹은 뜨거운 측면과 차가운 측면을 가지며, 각 그룹 내의 연료 전지들의 온도들은 쿨다운 기간 동안 뜨거운 측면과 차가운 측면 사이에서 그룹에 걸쳐 단조적으로 감소하고, 쿨다운 기간 동안 각 그룹의 뜨거운 측면과 차가운 측면의 온도 및 그 사이의 온도차는 실질적으로 동일하다. 비록, 여기서, 전지들의 그룹의 온도 프로파일이 톱니에 대응하지만, 역시, 스택의 두 단부들 사이의 결과적인 온도 프로파일은 톱니 형상을 닮는다. 이런 프로파일은 전지들의 그룹들 사이에 예로서, 펠티어 디바이스들(Peltier devices)을 통합시킴으로써 얻어질 수 있다. 각 펠티어 디바이스는 인접 전지 그룹의 "뜨거운(hot)" 측면을 가열하면서, 하나의 전지 그룹의 "차가운(cold)" 측면을 냉각하도록 기능한다.
또 다른 대안적인 셧다운 방법은 쿨다운 기간 동안 전체 스택에 걸쳐 단조적으로 감소하는 온도를 유지하는 것을 수반한다. 이런 프로파일은 스택의 "뜨거운" 단부를 가열함으로써, 또는, 가능하게는, 이를 충분히 뜨겁게 유지하기 위해 스택의 "뜨거운" 단부를 단지 열적으로 단열시킴으로써, 얻어질 수 있다. 대안적으로, 이런 프로파일은 스택의 "차가운" 단부를 적절히 냉각시킴으로써 얻어질 수 있다.
통상적으로, 스택은 셧다운 이전에, 따라서, 쿨다운 기간 이전에, 약 70℃ 보다 높은 온도일 수 있다. 쿨다운 기간은 스택 온도가 보다 차가운 단부에서 약 40℃ 미만이 될 때까지 지속될 필요가 있다. 냉각 기간 동안 효과적인 온도차는 전지당 1℃ 보다 크거나 그 정도이며, 효과적인 쿨다운 기간은 약 20분 정도 또는 그보다 클 수 있다. 그러나, 보다 작은 온도차들 및/또는 보다 짧은 쿨다운 시간들도 유효한 것으로 기대될 수 있다.
전형적인 SPE 스택 내의 연료 전지들은 캐소드 및 애노드 반응제 흐름 필드들을 포함하며, 이 방법은 셧다운 동안 어느 한 흐름 필드들의 세트(예로서, 캐소드측)에 물이 집중될 수 있게 한다. 특정 실시예 및 동작 조건들에 따라서, 이들 반응제 흐름 필드들은 쿨다운 기간 동안 바람직하게 소거되거나 소거되지 않을 수 있다.
도 1은 온도차를 받을 때, 전지들 내의 물 흐름의 방향 및 고체 폴리머 전해질 연료 전지 직렬 스택의 개략도.
도 2a는 MEA를 가로질러 두 개의 다른 온도차들을 갖는 시간의 함수로서의 MEA를 통한 물 이전 특성들을 도시하는 도면.
도 2b는 MEA를 가로질러 일정한 온도차를 갖는 시간의 함수로서의 MEA를 통한 물 이전 특성들을 도시하는 도면.
도 3a는 본 발명의 방법에 따른 쿨다운시 예 4의 연료 전지 스택에 걸친 온도 프로파일을 도시하는 도면.
도 3b는 종래의 방식의 쿨다운시 제4 실시예의 연료 전지 스택에 걸친 온도 프로파일을 도시하는 도면.
도 4는 예 5의 연료 전지 스택의 시동 동안 기록되는 다양한 파라미터들을 도시하는 도면.
본 발명의 셧다운 방법은 SPE 연료 전지 스택에서 원하는 물 분배를 달성하기 위해 특히 유용하다. 예시적 SPE 연료 전지 스택이 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 스택(1)은 스택(1)의 네거티브 및 포지티브 단부들에 각각 단부 전지들(2, 3)을 포함하는 복수의 적층된 전지들을 포함한다. 그 사이에는 복수의 전지들(4)이 존재한다(단순성을 위해, 단지 두 개의 사이 전지들이 도 1에 도시되어 있음). 각 전지는 고체 폴리머 전해질 멤브레인(5)을 포함한다. 적절한 촉매층들(도시되지 않음)은 각 전지 내의 애노드 및 캐소드로서 기능하며, 각 멤브레인(5)의 대향면들에 적용된다. 각 전지는 또한 애노드 가스 확산층(6) 및 캐소드 가스 확산층(7)을 포함한다. 그리고, 각 전지 내의 가스 확산층들(6, 7)에 인접하게, 애노드 흐름 필드 플레이트(8) 및 캐소드 흐름 필드 플레이트(9)가 각각 존재한다. 각 플레이트는 애노드 흐름 필드 채널들(10) 및 캐소드 흐름 필드 채널들(11)을 각각 포함한다. 도시된 바와 같이, 각 애노드 흐름 필드 플레이트(8)(단부 전지(2) 내의 것은 제외)는 또한 냉각제 흐름 필드 채널들(12)을 포함한다. 통상적으로, 네거티브 및 포지 티브 버스 플레이트들(도시되지 않음) 및 압축 플레이트들의 쌍(도시되지 않음)이 또한 스택의 각 단부에 제공된다. 유체들은 다양한 포트들 및 매니폴드들(도시되지 않음)을 통해 반응제 및 냉각제 흐름 필드들 내외로 공급된다.
본 발명의 방법에서, 스택이 셧다운될 때, 쿨다운 기간에 걸쳐 스택(1) 내의 각 전지의 애노드와 캐소드 측면 사이에서 온도차가 유지된다. 도 1에서, 도시된 온도는 애노드로부터 캐소드로 감소한다. 적절한 시간 기간에 걸친 이러한 차이에 대한 노출은 각 전지 내의 물의 현저한 이동(증류 및 응축 메커니즘을 통해)을 초래하며, 이전(transfer)은 애노드로부터 캐소드측으로 진행된다. 이러한 온도차에서, 비록, 충분한 레벨로 이온 전도를 유지하기에 충분한 물이 전해질 멤브레인(5) 내에 잔류할 수 있지만, 대부분의 이전된 물은 캐소드 흐름 필드들(11)에 수집된다. 쿨다운 기간이 지나고 나면, 스택은 통상적으로 상온으로 평형화될 수 있게 된다.
도 1 및 하기의 예들에 예시된 바와 같이, 물은 셧다운 동안 SPE 연료 전지 스택들의 캐소드 흐름 필드들에 수집된다. 이는 스택 설계가 캐소드 흐름 필드들을 차단하지 않고 수용되도록 이루어질 때, 및 수집된 물이 보관 동안 결빙에 관한 문제가 없을 때 바람직하다. 또한, 이는 캐소드 흐름 필드가 쉽게 드레인되거나, 셧다운 동안 어떠한 적절한 수단(예로서, 불활성 가스 같은)을 통해 쉽게 소거되어 수집된 물을 제거할 수 있는 경우에도 바람직할 수 있다. 그러나, 구성 및/또는 동작의 차이들로 인해(예로서, 애노드 소거가 셧다운 동안 사용되는 경우), 그 대신, 다른 스택 실시예들에서, 셧다운 동안 물을 애노드측으로 안내하여 반대 방향의 원 하는 온도차를 형성하는 것이 바람직할 수 있다.
종래의 연료 전지 스택들에서, 스택 단부들은 통상적으로 스택의 잔여부보다 다소 신속하게 냉각하며, 따라서, 쿨다운 동안 스택을 가로지른 온도 프로파일은 단조적이지 않으며, 각 전지를 가로지른 온도차도 동일한 방향이 아니다. 따라서, 원하는 온도차를 달성하기 위해, 셧다운 동안 스택 온도가 적절히 제어되어야 하거나, 전지 및/또는 스택 구조들에 변경이 이루어져야 한다.
일 실시예에서, 쿨다운 기간 동안 각 전지에 걸쳐 유사한 온도 프로파일이 형성될 수 있다(즉, 각 애노드 흐름 필드 플레이트 온도는 대략 동일하며, 각 캐소드 흐름 필드 플레이트 온도는 유사하다). 이는 예로서, 셧다운 동안 각 애노드 흐름 필드 플레이트(8)보다 다소 많이 각 캐소드 흐름 필드 플레이트(9)를 냉각시키기 위해, 냉각제 채널들(12) 내의 냉각제를 사용함으로써 달성될 수 있다. 스택의 대표적인 "보다 뜨거운(hotter)" 부분의 온도가 모니터링되고, 애노드 흐름 필드 플레이트들(8)이 캐소드 흐름 필드 플레이트들(9)보다 항상 약간 보다 따뜻하도록 적절히 흐르는 냉각제의 온도를 제어 및 램프 다운(ramp down)시키기 위해 사용될 수 있다.
애노드 흐름 필드 채널들(10)과 인접 캐소드 흐름 필드 채널들(11) 사이에 원하는 온도차가 존재하도록 하기 위해, 각 전지들의 쌍 사이의 열적 저항을 증가시킬 필요가 있을 수 있다. 도 1에서, 열적 저항은 냉각제 채널들(12)로부터 애노드 흐름 필드 채널들(10)을 분리시키는 평면형 영역들(13) 내의 애노드 흐름 필드 플레이트들(8)을 변경함으로써 증가될 수 있다. 변경들은 채널들(12)로부터 채널들 (10)의 분리도를 증가시키는 것, 또는, 영역들(13) 내에 단열 공극들을 도입하는 것, 또는, 플레이트들(8) 중 나머지의 것보다 큰 열적 저항을 갖는 다른 재료들을 영역들(13) 내에 사용하는 것을 포함할 수 있다. 대안적으로, 열적 저항은 잔여 플레이트들(8)의 것보다 큰 열적 저항을 갖는 재료로 이루어진 열적 단열 라이너(liner)들(14)로 냉각제 채널들(12)의 측면을 라이닝함으로써 증가될 수 있다. 각 방식에서, 냉각제 채널들(12) 내의 냉각제는 애노드 흐름 필드 채널들(10)보다 쉽게 캐소드 흐름 필드 채널들(11)을 냉각시키며, 따라서, 물이 캐소드 흐름 필드 채널들에 수집되게 한다.
다른 실시예에서, 단조적으로 감소하는 온도가 쿨다운 기간 동안 스택 내의 전지들의 그룹들에 걸쳐 유지된다. 여기서, 각 그룹은 뜨거운 측면과 차가운 측면을 가지며, 온도는 뜨거운 측면으로부터 차가운 측면으로 단조적으로 감소한다. 이 방식으로 냉각될 수 있는 전지들의 그룹들은 원하는 그룹들 사이에 펠티어 디바이스들을 통합시킴으로써 생성될 수 있다. 도 1에 도시된 펠티어 디바이스(15)는 예로서, 2개 그룹의 전지들, 즉, 상부 쌍 및 하부 쌍을 형성한다. 펠티어 디바이스(15)는 캐소드 흐름 필드 플레이트(9)를 그 바로 위로 냉각하며, 애노드 흐름 필드 플레이트(8)를 그 바로 아래로 가열한다.
또 다른 실시예에서, 단조적으로 감소하는 온도는 쿨다운 기간 동안 전체 스택에 걸쳐 유지된다. 이러한 온도 프로파일은 전력 생성 정지시, 스택의 다른 단부(예로서, 단부 전지(3))가 자연적으로 냉각하는 동안, 히터 출력을 적절히 제어함으로써, 원하는 "뜨거운" 단부에(예로서, 단부 전지(2) 내의 애노드 흐름 필드 플 레이트(8)에) 가열기를 갖는 스택에서 얻어질 수 있다. 적절한 시작 온도차는 이러한 방식으로 형성될 수 있다. 그후, 스택은 가열기의 온도를 적절히 램프 다운시킴으로써, 그를 가로질러 단조적으로 감소하는 온도를 유지하도록 냉각될 수 있다. 하나 이상의 지점들에서, 스택 온도를 모니터링하고, 가열기 출력을 제어하기 위해 이러한 정보를 사용하는 것이 유용할 수 있다. 다른 실시예들에서, 열적 단열 단독으로, "뜨거운" 단부의 가열기를 대체할 수 있다. 쿨다운 동안, 단열은 스택의 다른 단부가 자연적으로 냉각되는 동안, 원하는 차이를 형성하도록 충분한 열을 유지하기에 충분하여야 한다. 또한, "차가운" 단부에서의 냉각도 제어될 수 있다(예로서, 펠티어 디바이스들을 통해, 또는 냉각제를 유동시킴으로써).
주어진 애플리케이션에 사용하기 위해 상기 또는 기타 가능한 실시예들 중 어느 하나의 선택시, 연료 전지 스택의 구조 및 그 정상 동작 조건들에 대해 관심을 가져야한다. 예로서, 전지당 1℃ 정도의 온도차들은 적절한 시간 프레임들(예로서, 분들) 내에 전지들 내의 물을 분배하기에 효과적일 수 있다. 단지 소수의 전지들을 갖는 스택들에서, 셧다운 동안 전체 스택에 걸쳐 단조적으로 감소하는 온도를 유지하는 것은 그후, 바람직한 선택사항이 될 수 있다. 그러나, 이러한 접근법은 100개의 전지들 이상을 포함하는 스택들에 대해서는 비실용적이다. 이 경우, 전체 스택을 가로질러 필요한 온도차는 이때 통상적인 스택 동작 온도보다 클 수 있는 값인 100℃ 정도가 되어야 한다. 따라서, 여기에서, 대신 선택될 대안적인 접근법이 필요할 수 있다(예로서, 셧다운 동안 각 전지를 가로질러 유사한 절대 온도 프로파일을 적용). 쿨다운 기간 동안 온도차의 방향은 물론 액상수가 셧다운 동안 어 디에 바람직하게 수집되는지에 따라 선택된다(예로서, 캐소드 또는 애노드 흐름 필드 채널들 중 어느 하나). 이 물은 셧다운 절차의 일부로서, 스택으로부터 소거되는 것이 바람직할 수 있다. 쿨다운 기간의 지속기간 및 냉각율은 물이 전지 내에서 이주하기에 충분한 기회를 갖도록 선택된다. 당업자는 주어진 애플리케이션에 적합하도록 적절한 방법 및/또는 전지/스택 변경들을 선택할 수 있을 것으로 예상된다.
하기의 예들은 본 발명의 특정 양상들 및 실시예들을 예시하기 위해 제공되지만, 어떠한 방식으로도 제한적인 것으로서 해석되지 않아야 한다.
예 1
MEA들이 각각 애노드 및 캐소드 전극들로서 기능하도록 일 표면상에 적용된 탄소 지지 Pt/Ru 촉매 및 다른 표면상에 적용된 탄소 지지 Pt 촉매를 갖는 NAFION®N112 퍼플루오로설포닉 산 멤브레인 전해질로 구성되는 두 개의 고 형상비 SPE 연료 전지들이 형성되었다. MEA들은 또한 촉매 코팅 멤브레인 전해질의 각 측면상에 가스 확산층들로서 기능하도록 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 주입 탄소 섬유 페이퍼로 구성되었다. 내부에 선형 흐름 채널들이 형성되어 있는 Grafoil®그라파이트 반응제 흐름 필드 플레이트들이 MEA들의 각 측면상에 배치되어 연료 전지 조립체를 완성하였다.
테스트 목적들을 위해, 독립적으로 제어가능한 전기적으로 가열된 버스 플레이트들이 각 측면상에 배치되고, 전지들이 70℃에서 수소 및 공기 반응제들상에서 최초 동작되었다. 다음으로, 애노드 흐름 필드 플레이트의 수소 연료의 흐름 저항 은 전지들을 가로지른 온도차의 함수로서 측정되었다. 애노드측 온도를 일정하게 남겨두면서, 캐소드측 가열기를 적절히 변화시킴으로써, 온도차가 -5℃(애노드가 캐소드보다 차가움)로부터 +8℃(애노드가 캐소드보다 따뜻함)까지 변화되었다. 표 1은 테스트된 3개 전지들로부터의 결과들을 보여준다.
표 1
캐소드에 대한 애노드의 온도(℃) 흐름 저항(Kpa/SLPM) 전지 1 흐름 저항(Kpa/SLPM) 전지 2 흐름 저항(Kpa/SLPM) 전지 3
+8 12 10 14
-2 15 13 18
-3 15 20 38
-5 27 27 NA
표 1로부터 명백한 바와 같이, 애노드가 캐소드보다 뜨거울 때, 애노드 흐름 저항은 비교적 낮으며, 허용가능하다. 그러나, 애노드가 캐소드보다 차가울 때, 흐름 저항은 현저히 변화되며, 일반적으로 바람직하지 못하게 높다. 흐름 저항의 증가는 애노드 흐름 필드들에 수집된 액상수로부터 초래되는 것으로 믿어진다. 본 예는 원하는 물 분배(애노드 흐름 필드의 폐색을 피할 수 있는)를 획득하는 것이 MEA를 가로지른 온도차에 의해 어떻게 영향을 받는지를 예시한다.
예 2
캐소드 흐름 필드 플레이트에 약 6g의 물이 적용되었지만, 애노드측은 건조한, 예 1의 것들과 유사한 연료 전지 조립체가 준비되었다. 멤브레인 전해질은 중량부로 약 5% 흡수된 물을 포함한다(실온 및 습도 조건들에서 평형 레벨). 전지 조립체의 젖은 캐소드측은 그후 70℃로 설정된 고온 플레이트 상에 배치되고, 애노드측은 애노드 흐름 필드 플레이트가 캐소드 흐름 필드 플레이트보다 약 2℃ 차갑도 록 단열되었다. 이러한 배열에서, 물은 전지의 캐소드측으로부터 애노드측으로 이전하며, 애노드 플레이트에 축적한다. 그후, 캐소드로부터 애노드측으로의 물 전달율이 애노드 플레이트의 중량 이득 측정들을 통해 결정되었다. (애노드 플레이트의 각 중량 측정 이전에, 전지가 제거되고, 약 30초 동안 냉각된다). 이제, 애노드 흐름 필드 플레이트가 캐소드 흐름 필드 플레이트보다 약 4℃ 차갑도록 애노드측상의 단열을 사용하지 않고 테스트가 반복되었다.
도 2a는 MEA를 가로지른 이들 두 개의 다른 온도차들을 갖는 시간의 함수로서 MEA를 통한 물 이전율을 도시한다. 양자의 경우들에서, 대략 일정한 물 이전율이 관찰되어 물 이전은 농도 변화도(gradient)에 의해 구동된다는 것을 제시하였다.
물이 캐소드 흐름 필드 플레이트에 적용되고, 애노드측은 건조한, 예 1의 것들과 유사한 연료 전지 조립체가 다시 준비되었다. 이번에는, 예 1의 전기적 가열 장치를 사용하여 다른 전지 온도들에서의 1분 가열 이후 물 이전율이 측정되었다. 여기서, 캐소드 흐름 필드 플레이트는 일정하게 5℃ 만큼 애노드보다 뜨겁게 유지되었다. 다시, 애노드 플레이트의 중량 이득이 결정되었다. (여기서, 보다 높은 온도들에서의 증발로부터의 물 손실을 피하기 위해, 애노드 플레이트은 응축기 플레이트에 신속히 클램핑되었으며, 양 플레이트들이 무게측정되었다.)
도 2b는 온도의 함수로서, MEA를 통한 물 이전율을 ℃ 당 g로 도시한다. 캐소드 플레이트의 온도는 X 축상에 그려져 있다. 도 2b는 또한 온도의 함수로서 물 포화 압력을 도시한다. 양 플롯들은 유사한 형상을 나타낸다. 증가하는 온도에서, 농도 변화도 및 멤브레인을 통한 물의 확산율이 증가한다.
본 예는 종래의 MEA들을 통한 물 이전 특성들에 대한 일부 정량적 정보를 제공한다.
예 3
두 개의, MEA의 절단된 원형 단편들을 갖는 예 1의 것과 유사한 연료 전지 조립체가 준비되었다. MEA는 적셔지고, 이들 절단된 단편들의 촉매 코딩된 멤브레인과 가스 확산층들의 중량이 결정되었다. 젖은 애노드 흐름 필드 플레이트와 건조한 캐소드 흐름 필드 플레이트의 중량들도 결정되었으며, 플레이트들 사이에 MEA(절단된 원형 단편들 포함)를 배치함으로써 연료 전지 조립체가 준비되었다. 예 1의 가열 장치를 사용하여, 60℃에서, 약 20분 동안 연료 전지 조립체를 가로질러 약 2 내지 3℃의 온도차(애노드가 보다 뜨거움)가 적용되었다. 그후, 연료 전지 조립체가 분해되고, 다양한 콤포넌트의 중량들이 다시 측정되었다. 그후, 알려진 각 콤포넌트의 건조시 중량을 차감함으로써, 온도차에 대한 노출 이전 및 이후의 각 콤포넌트의 물 중량이 산출되었다. 결과들이 표 2에 나타나 있다.
표 2
캐소드 흐름 필드 플레이트 캐소드 가스 확산층 촉매 코팅된 멤브레인 애노드 가스 확산층 애노드 흐름 필드 플레이트
이전의 물의 중량(g) 0 0.88 0.55 0.08 2.63
이후의 물의 중량(g 2.77 -0.01 0.3 -0.02 0
(표 2에 나타난 미소한 음의 값들은 실험 에러로부터 초래됨.)
온도차에 대한 노출은 애노드 흐름 필드 플레이트의 물이 캐소드 흐름 필드 플레이트로 이주하게 하였다. 애노드 흐름 필드 플레이트 및 애노드와 캐소드 가스 확산층들은 완전히 건조하다. 이들 콤포넌트들을 건조하기 위한 건조 가스를 사용한 소거가 불필요하다. 그러나, 촉매 코팅된 멤브레인은 여전히 연료 전지를 시동하기 위한 충분한 멤브레인 전도성을 제공하는 것으로 기대되는 물의 양을 보유하고 있다. (당업자들은 보다 큰 멤브레인 수화가 바람직할 수 있으며, 따라서, 연료 전지 스택의 바람직한 시동 기능에 따라, 셧다운에 맞춰질 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.)
본 예는 적당한 온도차의 적용이 전지 내의 물을 원하는 위치들로 현저히 이동시킬 수 있다는 것을 예시한다.
예 4
예 1의 것들과 유사한 30개 연료 전지들을 사용하여 직렬 스택이 준비되었다. 각 전지에서, 애노드 흐름 필드 플레이트들은 조립 이전에 약 3 내지 4g의 물로 적셔졌다. 열적 단열체(발포체)가 스택 둘레 전체에 감겨졌고, 독립적으로 제어가능한 전기적으로 가열된 버스 플레이트들이 스택의 각 단부상에 배치되었다. 스택은 그후 본 발명의 쿨다운 방법 이후의 물 분배 결과들을 종래의 쿨다운 절차 이후의 것들과 비교하기 위해 사용되었다.
본 발명의 예시적 쿨다운 방법은 가열기들을 사용하여 스택의 애노드 단부를 80℃로, 그리고, 캐소드 단부를 50℃로 가열함으로써 달성되었다. 평형이 얻어지고 나면, 캐소드측 가열기는 스택을 가로지른 온도차를 향상시키기 위해 턴 오프되었다. 그후, 쿨다운은 시간과 함께 점진적으로 애노드측 온도가 감소하는 것을 수반 한다. 도 3a는 쿨다운 동안 다양한 시간들에서 연료 전지 스택을 가로지른 온도 프로파일을 도시한다. 여기서, 단조적으로 감소하는 온도가 쿨다운 기간 동안 스택에 걸쳐 유지된다. 스택이 약 30℃로 냉각되었을 때, 이는 분리되고, 물 분배에 대해 분석되었다. 분석들은 이하를 수반한다: (1) 애노드 및 캐소드 흐름 필드 플레이트들 내의 물의 양의 시각적 추정; (2) 전체 MEA들 내의 물의 중량의 측정; 및 (3) 샘플 MEA 콤포넌트들(예 3에서와 같이, MEA로부터 절단된 다수의 원형 단편들로부터 얻어짐) 내의 물의 중량 측정. 비교의 목적들을 위해, 스택이 상술한 바와 같이 재형성되었지만, 이번에는 캐소드 및 애노드 단부들 양자 모두가 80℃까지 가열되었다. 평형이 얻어지고 나서, 가열기들이 단순히 턴 오프되었다. 그후, 스택이 자연적으로 주변 환경으로 열을 소실함에 따라, 종래의 쿨다운이 이어진다. 도 3b는 이 종래의 방식 동안 다양한 시간들에서 연료 전지 스택을 가로지른 온도 프로파일을 도시한다. 여기서, 스택의 단부들은 사이의 전지들 보다 신속히 냉각되며, 볼록 형상 온도 프로파일이 관찰되었다.
물 분배들은 두 쿨다운 절차들에서 현저히 상이하였다. 시각적으로, 애노드 플레이트들상의 액상수의 양은 스택이 본 발명의 방법에 의해 냉각되었을 때, 실질적으로 모두 캐소드 플레이트들로 전달된 것으로 보였다. 그러나, 종래의 방법을 통해 냉각될 때, 캐소드 및 애노드 플레이트들 각각상의 물의 양은 매우 가변적이다. 일부 캐소드 플레이트들은 현저한 물의 양들을 갖고, 다른 전지들에서, 애노드 플레이트들은 대부분의 액상수를 갖는다. 종래의 방법으로 냉각된 전지들로부터 얻어진 MEA들은 본 발명의 방법을 사용하여 냉각된 전지들을 위한 MEA들(약 0.4 내지 1.1g)보다 많은 물(약 0.5 내지 1.5g)을 갖는다. 그러나, 양자 모두의 경우들에서, 이는 멤브레인 전해질 전도성을 위한 적절한 양의 물이다(각 전지 내의 전해질을 위한 추정된 최대 물 함량은 약 0.6 내지 0.8g이다). 마지막으로, 전체 MEA들로부터의 결과들로부터 예상되는 바와 같이, MEA들 내의 멤브레인 전해질들은 본 발명의 쿨다운 이후의 그 상대부들보다 종래의 쿨다운 이후 보다 많은 물을 포함한다. 또한, 종래의 쿨다운에 이어 특정 가스 확산층들 내에서 액상수가 발견되었으나, 본 발명의 쿨다운에 이어서는 그렇지 않았다. 전술한 바와 같이, 액상수의 존재는 전지가 0℃ 미만에서 보관되는 경우 문제를 유발한다.
이 예는 연료 전지 스택 내의 물을 바람직하게 분배하는 것에 의한, 종래의 쿨 다운보다 본 발명의 방법의 장점들을 보여준다.
예 5
예 1의 것들과 유사한 10개 연료 전지들을 사용하여 직렬 스택이 준비되었다. 전기 가열기가 스택의 캐소드 단부에 인접하게 장착되었다. 그후, 스택은 종래의 "젖은(wet)" 조건들(즉, 1A/cm2의 전류 밀도, 60℃의 동작 온도 및 각각 1.7 및 1.5의 화학양론들에서, 그리고, 64℃의 이슬점들 및 29psi에서 양자 모두가 공급되는 수소 및 공기 반응제들)하에서, 1시간 동안 정상 상태(steady state)에서 동작되었다. 그후, 부하가 제거되고, 반응제 공급들이 턴 오프되었다. 다음에, 가열기가 100℃ 에서 4.5 시간 동안 턴 온되었다. 스택 내에 형성된 온도 변화도는 전지들(2 및 9)과 연계된 바이폴라 플레이트들 사이에서 측정시, 약 15℃ 였다. 가열기 가 턴 오프되고, 스택이 20℃로 강제 냉각되었다. 그후, 스택이 임의의 부가적인 상태조절 단계들(예로서, 결빙 이전의 소거)을 받지 않고, -15℃의 냉동기로 이동되었다.
그후, 스택은 이 결빙 조건에서 시동되었고, 45초 내에 50% 전력 레벨을 달성하였다. 다수의 파라미터들(평균 전지 전압, 총 스택 전력의 %, 부하, 냉각제 입구에서의 온도 및 냉각제 출구에서의 온도)이 시동 기간 동안 시간의 함수로서 기록되고, 도 4에 도시되었다. 셧다운 이후, 종래의 방식으로 냉각된 비교예 스택들은 시동 동안 이 전력 레벨을 달성하기 위해 실질적으로 보다 긴 시간을 소요하였다.
본 예는 본 발명의 방법이 실용적 SPE 연료 전지 스택에 유효하다는 것을 예시한다.
본 발명의 특정 엘리먼트들, 실시예들 및 애플리케이션들을 예시 및 설명하였지만, 물론, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 당업자들은 본 내용의 개념 및 범주로부터 벗어나지 않고, 특히, 상기 교지들의 견지에서, 변형예들을 안출할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (22)

  1. 캐소드측과 애노드측을 각각 갖는, 직렬로 적층된 적어도 두 개의 연료 전지들을 갖는 연료 전지 스택을 셧다운시키는 방법으로서,
    상기 스택으로부터 전기 생성을 중단하는 단계;
    쿨다운 기간을 통해 상기 스택이 냉각될 수 있게 하는 단계; 및
    상기 쿨다운 기간 동안 상기 각 연료 전지의 캐소드측과 애노드측 사이의 온도차를 유지하는 단계를 포함하며,
    상기 각 연료 전지 내의 온도차의 방향은 동일한, 연료 전지 스택 셧다운 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 쿨다운 기간 동안 상기 각 연료 전지 내에서 상기 캐소드측은 상기 애노드측보다 뜨거운, 연료 전지 스택 셧다운 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 쿨다운 기간 동안 상기 각 연료 전지 내에서 상기 애노드측은 상기 캐소드측보다 뜨거운, 연료 전지 스택 셧다운 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 스택은 고체 폴리머 전해질 연료 전지 스택인, 연료 전지 스택 셧다운 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 스택은 직렬로 적층된 복수의 연료 전지들을 포함하는, 연료 전지 스택 셧다운 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 스택의 단부들 사이의 온도 프로파일은 상기 쿨다운 기간 동안 톱니 형상이 되며, 상기 톱니 형상의 각 치형부(tooth)는 단일 연료 전지를 가로지른 온도 프로파일에 대응하는, 연료 전지 스택 셧다운 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 각 연료 전지는 상기 스택 내의 인접한 연료 전지들로부터 열적으로 단열되는, 연료 전지 스택 셧다운 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 스택은 상기 스택 내의 인접 연료 전지들 사이의 채널들 중 일 측부상에 열적 단열 라이너들을 갖는 냉각제 채널들을 포함하는, 연료 전지 스택 셧다운 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 스택의 단부들 사이의 온도 프로파일은 상기 쿨다운 기간 동안 톱니 형상이 되며, 상기 톱니 형상의 각 치형부는 연료 전지들의 그룹을 가로지른 온도 프로파일에 대응하는, 연료 전지 스택 셧다운 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 스택은 연료 전지들의 각 그룹 사이에 펠티어 디바이스(Peltier device)를 더 포함하는, 연료 전지 스택 셧다운 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 스택은 뜨거운 단부와 차가운 단부를 더 포함하고, 상기 연료 전지들의 온도들은 상기 쿨다운 기간 동안 상기 뜨거운 단부와 상기 차가운 단부 사이에서 단조적으로 감소하는, 연료 전지 스택 셧다운 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 스택의 뜨거운 단부는 열적으로 단열되는, 연료 전지 스택 셧다운 방법.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 스택의 뜨거운 단부를 가열하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 스택 셧다운 방법.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 스택의 차가운 단부를 냉각하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 스택 셧다운 방법.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 쿨다운 기간의 시작시, 상기 각 연료 전지의 캐소드측과 애노드측 사이의 온도차는 연료 전지 당 1℃ 보다 큰, 연료 전지 스택 셧다운 방법.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 쿨다운 기간 이전의 상기 스택의 온도는 약 70℃ 보다 큰, 연료 전지 스택 셧다운 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 쿨다운 기간 이후의 상기 스택의 온도는 약 40℃ 보다 작은, 연료 전지 스택 셧다운 방법.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 각 연료 전지는 캐소드 및 애노드 반응제 흐름 필드(flow field)들을 포함하고, 상기 반응제 흐름 필드들은 상기 쿨다운 기간 동안 소거되지 않는, 연료 전지 스택 셧다운 방법.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 각 연료 전지는 캐소드 및 애노드 반응제 흐름 필드들을 포함하고, 상기 각 연료 전지 내의 보다 차가운 반응제 흐름 필드가 상기 쿨다운 기간 동안 소거(purged)되는, 연료 전지 스택 셧다운 방법.
  20. 캐소드측과 애노드측을 각각 갖는, 직렬로 적층된 적어도 두 개의 연료 전지들을 갖는 연료 전지 직렬 스택과, 제 1 항의 방법에 따라 상기 스택을 셧다운하기 위한 수단을 포함하는 연료 전지 시스템.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 스택은 상기 스택 내의 인접 연료 전지들 사이의 채널들의 일 측부상에 열적 단열 라이너(liner)들을 갖는 냉각제 채널들을 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  22. 제 20 항에 있어서, 상기 스택은 상기 스택 내의 전지들의 쌍 사이에 적어도 하나의 펠티어 디바이스를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
KR1020067007053A 2003-09-12 2004-09-10 연료 전지 스택들을 위한 셧다운 방법들 및 설계들 KR101131451B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US66109303A 2003-09-12 2003-09-12
US10/661,093 2003-09-12
PCT/US2004/029905 WO2005029617A2 (en) 2003-09-12 2004-09-10 Shutdown methods and designs for fuel cell stacks

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20060128863A true KR20060128863A (ko) 2006-12-14
KR101131451B1 KR101131451B1 (ko) 2012-04-23

Family

ID=34375780

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020067007053A KR101131451B1 (ko) 2003-09-12 2004-09-10 연료 전지 스택들을 위한 셧다운 방법들 및 설계들

Country Status (6)

Country Link
EP (1) EP1668734B1 (ko)
JP (1) JP4825671B2 (ko)
KR (1) KR101131451B1 (ko)
CN (1) CN100433434C (ko)
CA (1) CA2538306C (ko)
WO (1) WO2005029617A2 (ko)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7964315B2 (en) 2003-09-12 2011-06-21 Bdf Ip Holdings Ltd. Shutdown methods and designs for fuel cell stacks
US7390586B2 (en) 2004-03-10 2008-06-24 Ballard Power Systems, Inc. Fuel cell stacks of alternating polarity membrane electrode assemblies
US7955739B2 (en) 2005-03-11 2011-06-07 Bdf Ip Holdings Ltd. Shutdown methods and designs for fuel cell stacks
KR100932214B1 (ko) * 2005-10-14 2009-12-16 주식회사 엘지화학 열전소자를 이용한 전지팩의 열교환 시스템
JP2008047316A (ja) 2006-08-11 2008-02-28 Toyota Motor Corp 燃料電池システム

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08306380A (ja) * 1995-05-09 1996-11-22 Fuji Electric Co Ltd 積層型燃料電池
JPH09312165A (ja) * 1996-05-23 1997-12-02 Aqueous Res:Kk 燃料電池発電装置およびその運転方法
US6093500A (en) * 1998-07-28 2000-07-25 International Fuel Cells Corporation Method and apparatus for operating a fuel cell system
JP2002543566A (ja) * 1999-04-23 2002-12-17 テレダイン エナジー システムズ インコーポレイテッド 耐凍性燃料電池システム及び方法
JP3734134B2 (ja) 1999-06-30 2006-01-11 富士電機ホールディングス株式会社 固体高分子型燃料電池
CA2379363A1 (en) * 2001-03-28 2002-09-28 Ballard Power Systems Inc. Methods and apparatus for improving the cold starting capability of a fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
EP1668734B1 (en) 2017-02-08
CN100433434C (zh) 2008-11-12
JP2007505473A (ja) 2007-03-08
WO2005029617A3 (en) 2006-01-26
EP1668734A2 (en) 2006-06-14
CA2538306A1 (en) 2005-03-31
KR101131451B1 (ko) 2012-04-23
WO2005029617A2 (en) 2005-03-31
CA2538306C (en) 2012-08-14
CN1868087A (zh) 2006-11-22
JP4825671B2 (ja) 2011-11-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20050202294A1 (en) Fuel cell stacks of alternating polarity membrane electrode assemblies
Tu et al. Evaluation of 5 kW proton exchange membrane fuel cell stack operated at 95 C under ambient pressure
US6479177B1 (en) Method for improving the cold starting capability of an electrochemical fuel cell
US5344721A (en) Solid polymer electrolyte fuel cell apparatus
US20060166051A1 (en) Method and device to improve operation of a fuel cell
EP1866995B1 (en) Shutdown methods and designs for fuel cell stacks
KR101131451B1 (ko) 연료 전지 스택들을 위한 셧다운 방법들 및 설계들
US7964315B2 (en) Shutdown methods and designs for fuel cell stacks
JP2004253269A (ja) 高分子電解質型燃料電池およびその運転方法
CA2613353A1 (en) Thermal control of fuel cell for improved cold start
WO2020251492A2 (en) Application of hydrophobic polydimethylsiloxane (pdms) polymer at various amounts in pem fuel cell catalyst layer
CN115769404A (zh) 用于霜冻启动燃料电池装置的方法、燃料电池装置以及具有燃料电池装置的机动车
Zaffou et al. Effects of Temperature Difference on Water Management in PEMFCs

Legal Events

Date Code Title Description
N231 Notification of change of applicant
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150309

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160309

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170315

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180308

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190313

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200311

Year of fee payment: 9