KR20070026850A - 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 작동 방법 - Google Patents

연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료 전지 시스템(2) 및 상기 연료 전지 시스템을 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 연료 전지 시스템(2)은, 가스 유입구 측에 반응 가스(G)가 공급될 수 있고, 가스 배출구 측의 한 세척용 전지(10)에 하나 이상의 세척용 밸브(18)를 구비한 하나 이상의 연료 전지 스택(4, 8)을 포함하며, 상기 세척용 전지(10)의 전압(UZbottom)에 따라 상기 세척용 밸브(18)의 동작을 제어하는 제어 장치가 제공되며, 전압 분기는 세척용 밸브(18)를 향하는 가스 배출구(14)의 영역에서 특히 바이폴라 플레이트(20) 상에서 이루어진다. 하부 전압 분접(24)에 의해서는 상부 전압 분접(28)에 비해 훨씬 더 민감하고 정확한 조절이 성취되고, 세척용 전지(10) 내부의 전압 강하가 효과적으로 방지되며, 그럼으로써 전체적으로 볼 때 바이폴라 금속 플레이트(20)에 대한 부식 위험은 낮게 유지된다.

Description

연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 작동 방법 {FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING A FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템을 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다.
연료 전지 시스템을 작동시키는 경우, 통상적으로 적층된 연료 전지들로부터 형성된, 전류를 형성하기 위한 연료 전지 블록의 애노드 측에는 연소 가스, 예컨대 수소가 공급되고, 캐소드 측에는 공기 또는 산소가 추가의 반응 가스로서 공급된다. 그 중간에는 다수의 상이한 유형의 연료 전지 시스템들이 존재하며, 이 연료 전지 시스템들은 구조 면에서 및 특히 사용된 전해질 그리고 필수적인 작동 온도 면에서 상호 구별된다. 소위 PEM(Proton Exchange Membrane; 양성자 교환 막형)-연료 전지에서는 가스 투과성 애노드와 가스 투과성 캐소드 사이에 수소 양성자를 투과시킬 수 있는 폴리머 막이 배치되어 있다. 단 하나의 연료 전지가 단지 약 0.7 내지 0.9 볼트의 전압만을 공급하기 때문에, 다수의 연료 전지들이 전기적으로 서로 직렬 접속되어 하나의 스택(stack)을 형성한다. 이 경우 각각의 연료 전지들은 통상적으로 바이폴라(bipolar) 플레이트에 의해서 상호 분리되어 있다. 이 경우 상기 바이폴라 플레이트는 일반적으로 일종의 홈(groove) 구조를 가지며, 애노드 또는 캐소드에 인접한다. 상기와 같은 홈 구조에 의해서는, 바이폴라 플레이트 와 애노드 또는 캐소드 사이에 가스 공간이 형성되고, 상기 가스 공간을 통해 반응 가스가 흘러간다.
PEM-연료 전지의 작동시에는 수소-양성자가 전해질에 의해서 산소 측으로 이동하여 산소와 반응한다. 이때에는 반응 생성물로서 물이 생성된다. 통상적으로 실행되는 반응 가스 가습 공정에 의해서는, 상기 반응 가스가 연료 전지 내부로 유입되기 전에 추가로 물이 가스 공간 내부에 제공된다. 물 이외에 - 사용된 반응 가스의 순도에 따라서는 - 불활성 가스도 생성된다. 캐스케이드(cascade) 형태로 직렬로 나란히 배치된 다수의 연료 전지 스택을 갖는 연료 전지 시스템에서는, 물 그리고 불활성 가스가 마지막 스택에 또는 마지막 연료 전지에 축적된다. 그렇기 때문에 상기 마지막 스택 또는 마지막 연료 전지에서는 반응 가스가 불활성 가스로 농축되어 있다. 이와 같은 "반응물 희석"으로 인해 마지막 연료 전지 또는 마지막 연료 전지 스택의 전압 강하가 야기된다. 그렇기 때문에 상기 연료 전지 스택은 소정의 시간격으로 세척되는데, 다시 말하자면 세척용 밸브를 통해 가스 배출구 측에서 상기 스택에 연결된 세척용 라인이 개방됨으로써, 축적된 물 및 불활성 가스가 배출된다. 따라서, 마지막 연료 전지 또는 마지막 연료 전지 스택은 세척용 전지로서 또는 세척용 전지 스택으로서도 언급된다. 전압 강하는 통상적으로 상기 세척용 밸브의 개방을 위한 조절 신호로서 이용된다. 세척 과정에 의해 불활성 가스의 농도가 감소함으로써, 결과적으로 전압 레벨은 재차 상승한다.
이와 같은 세척용 전지 내부에서의 조건들로 인하여, 특히 바이폴라 플레이트 용으로 사용된 재료의 부식 가능 범위까지 전압이 강하하는 경우에는, 상기 바 이폴라 플레이트의 부식 위험이 존재한다.
본 발명의 과제는, 가급적 부식 위험이 적은 연료 전지 시스템을 안전하게 작동시키는 것이다.
상기 과제는 본 발명에 따라 다수의 연료 전지들로 구성된 연료 전지 스택을 갖는 연료 전지 시스템에 의해서 해결되며, 상기 연료 전지 스택의 가스 유입구 측에는 반응 가스가 공급될 수 있고, 상기 연료 전지 스택은 가스 배출구 측의 한 세척용 전지에 적어도 하나의 세척용 밸브를 구비한다. 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 또한 상기 세척용 전지의 전압에 따라 상기 세척용 밸브의 작동을 제어하는 제어 장치, 특히 조절 장치를 포함한다. 이 경우 상기 세척용 전지의 전압을 측정하기 위한 전압 분기(voltage tapping)는 세척용 밸브로 향하는 가스 배출구 영역에서 이루어진다. 이 경우 "가스 배출구 영역에서"라는 표현은, 전압 분접이 가스 배출구와 대략 같은 레벨로 배치되어 있다는 것을 의미한다. 이때 전압 분기는 바람직하게는 - 반응 가스의 흐름 방향으로 볼 때 - 세척용 전지의 하부 영역에서 또는 최하부 영역에서 이루어진다.
상기와 같은 실시예는, 세척용 전지 내부에 축적된 불활성 가스가 균일하게 분포되지 않고, 오히려 흐름 방향으로 볼 때 세척용 전지의 하부 영역에 축적된다는 생각을 토대로 한다. 그렇기 때문에 작동 중에는 가스의 흐름 방향으로 볼 때 상부 가스 유입구로부터 하부 가스 배출구까지 반응 가스의 농도차가 생긴다. 이와 같은 농도차로 인하여, 세척용 전지 내에서 형성되는 상부 가스 유입구 영역에서의 전압은 불활성 가스 농도에 따라서 부분적으로는 가스 배출구 근처에 있는 하 부 영역에서의 전압보다 확실하게 더 높다. 따라서, 가스 유입구 영역에서 상부 전압 분기를 조절하는 경우에는, 세척용 전지의 하부 부분 영역에서 단지 낮은 전압만이 유지됨으로써, 결과적으로 상기 하부 부분 영역에서 높은 부식 위험이 형성될 가능성이 존재한다. 가스 배출구 근처의 하부 영역에서 전압 분기를 실행함으로써, 세척용 밸브의 작동을 위한 제어 또는 조절은 매우 정확하고 매우 민감하며, 명백한 조절 기술적인 개선이 이루어진다. 특히 상기와 같은 방식의 전압 분기 실시예에 의해서는, 연료 전지의 부분 영역들에서 하부 조절 한계를 의미하는 미리 주어진 최소 전압값에 미달하게 되는 상황이 피해진다. 이 경우에는 상부 영역에서 전압 분기를 실시하는 경우와 비교할 때 세척 과정의 횟수가 증가하게 된다. 즉, 세척율이 상승한다. 이 경우에는 바람직하게 전압 분접이 연료 전지를 제한하는 바이폴라 플레이트의 에지면 영역에서 이루어지며, 이때 상기 에지면 영역에는 반응 가스를 위한 가스 배출구가 존재한다.
반응 가스를 최대로 효율적으로 활용하기 위하여, 연료 전지 시스템은 캐스케이드 형태로 배치된 다수의 연료 전지 스택을 포함한다. 상기와 같은 형태로 배치된 연료 전지 스택은 반응 가스가 연속으로 관류하게 되는 일련의 연료 전지 스택을 의미하며, 이 경우 연속하는 개별 스택들의 연료 전지의 개수는 반응 가스의 흐름 방향으로 연속적으로 감소한다. 이 경우 연료 전지 개수의 감소는 선행하는 연료 전지 스택으로부터 배출되는 개별 잔류 가스량에 맞추어 조절된다. 마지막 연료 전지 스택은 세척용 밸브가 연결되는 하나 또는 다수의 세척용 전지를 구비한 세척용 전지 스택으로서 형성되었다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 PEM-연료 전지를 구비하여 형성되는 것이 바람직하다.
상기 과제는 또한 본 발명에 따라, 가스 유입구 측에 반응 가스가 공급되고, 가스 배출구 측에 세척용 밸브를 갖춘 세척용 전지를 구비한 연료 전지 스택을 포함하는 연료 전지 시스템을 작동시키기 위한 방법에 의해서 해결되며, 이 경우 상기 세척용 전지의 전압은 세척용 밸브로 향하는 가스 배출구 영역에서 측정되고, 상기 세척용 전지의 전압에 따라 상기 세척용 밸브의 작동이 제어된다.
연료 전지 시스템과 관련하여 언급된 장점들 및 바람직한 실시예들은 상기 방법에도 유사하게 적용될 수 있다.
본 발명의 한 실시예는 도면을 참조하여 아래에서 상세하게 설명된다. 도면들은 각각 단순한 개략도로서 도시되어 있다:
도 1은 캐스케이드 형태로 배치된 연료 전지 스택을 갖는 연료 전지 시스템의 구조를 도시한 개략도이며,
도 2는 상부 가스 유입구 및 하부 가스 배출구를 구비한 금속 바이폴라 플레이트의 개략도이고,
도 3A는 상부 전압 분접에 따라 세척용 전지를 조절할 때에 바이폴라 플레이트의 상부 영역에서 측정된 전압 파형이며,
도 3B는 도 3A에 상응하게 상부 전압 분접에 따라 조절할 때에 측정된 바이폴라 플레이트의 하부 영역에서 측정된 전압 파형이고,
도 4A는 가스 배출구 영역에서 하부 전압 분접에 따라 세척용 전지를 조절할 때에 바이폴라 플레이트의 하부 영역에서 측정된 전압 파형이며,
도 4B는 도 4A에 상응하게 하부 전압 분접에 따라 조절할 때에 측정된 바이폴라 플레이트의 상부 영역에서 측정된 전압 파형이다.
도 1에 따라, 연료 전지 시스템(2)은 서로 캐스케이드 형태로 배치된 다수의 연료 전지 스택(4)을 포함하며, 상기 연료 전지 스택들은 재차 각각 다수의 연료 전지(6)로 이루어진다. 이 경우 개별 연료 전지 스택(4)은 가스 측에 서로 연속으로 배치되어 있다. 가스 측 제 1 연료 전지 스택에는 반응 가스(G)가 상부 영역에 공급되고, 상기 반응 가스는 개별 연료 전지(6)를 화살표의 방향으로 평행하게 아래로 관류한다. 그곳에서 반응 가스(G)는 제 1 연료 전지 스택(4)을 벗어나서 다음 연료 전지 스택(4)으로 안내된다.
마지막 연료 전지 스택은 다수의 세척용 전지(10)를 구비한 세척용 전지 스택(8)으로서 형성되었다. 상기 세척용 전지 스택(8)에는 반응 가스(G)가 가스 유입구(12)의 영역에 공급되고, 상기 반응 가스는 개별 세척용 전지(10)를 관류하여 아래로 가스 배출구(14)의 방향으로 흘러간다. 상기 가스 배출구(14)에는 세척용 라인(16)이 연결되고, 상기 세척용 라인은 조절 가능한 세척용 밸브(18)를 통해 폐쇄될 수 있다.
개별 세척용 전지(10)들은 각각 도 2에 개략적으로 도시된 바이폴라 플레이트(20)에 의해서 상호 분리되어 있으며, 바이폴라 플레이트들은 각각 상부 가스 유입구(12) 및 하부 가스 배출구(14)를 구비한다. 이 경우 "하부" 및 "상부"라는 용어들은 반응 가스(G)의 흐름 방향과 관련이 있다. 작동 중에 흐르는 전류의 방 향(22)은 화살표에 의해 지시된 바와 같이 바이폴라 플레이트(20)에 대하여 수직으로 방향 설정되어 있다.
연료 전지 시스템의 작동시에는 세척용 밸브(18)가 제일 먼저 폐쇄됨으로써, 반응시에 생성되는 물(G) 그리고 반응 가스 내에 있는 불활성 가스가 세척용 전지(10) 내부에 축적된다. 불활성 가스가 축적되면, 세척용 전지 전압은 강하한다. 상기 세척용 전지 전압은 측정되어 세척 과정을 조절하기 위하여, 다시 말해 세척용 밸브(18)를 조절하기 위하여 이용된다. 상기 전압이 미리 규정된 조절값에 미달하면, 세척용 밸브(18)가 개방되고, 반응시에 생성되는 물 및 세척용 전지(10) 내에 있는 잔류 가스, 특히 불활성 가스가 배출된다. 이 경우에는 바람직하게 세척용 전지(10)의 산소 측 또는 캐소드 측뿐만 아니라 수소 측 또는 애노드 측도 각각 고유의 세척용 밸브(18)를 통해, 특히 동시에 세척된다.
불활성 가스의 축적으로 인하여, 흐름이 동시에 이루어지는 경우에는 상기 세척용 전지에 반응 가스가 단지 불충분하게만 제공된다. 그렇기 때문에 물-전기 분해를 위한 경계 조건들이 존재하게 되고, 애노드 측에서는 부분 반응 4OH- > 02+2H20+2e-이 이루어진다. 다시 말하자면, 통상적인 금속 바이폴라 플레이트(20)에서 부식을 야기할 수 있는 산소가 형성된다. 이와 같은 문제점은 특히 세척용 전지(10) 내부의 전압이 바이폴라 플레이트(20) 용으로 사용된 재료의 부식 가능 범위까지 강하하는 경우에 나타난다.
상기와 같은 유형의 부식을 방지하고, 세척용 전지(10)의 전압이 가급적 세 척용 전지(10)의 어떠한 부분 영역에서도 규정된 임계값 아래로 떨어지지 않도록 하기 위하여, 세척 과정을 조절하기 위한 전압 분접(24)이 바이폴라 플레이트(20)의 하부 영역에서는 가스 배출구(14)와 대략 같은 레벨에, 특히 상기 바이폴라 플레이트(20)의 하부 에지면(26)에 있는 것이 제안된다. 상기 하부 전압 분접(24)에서는 하부 전지 전압(UZbottom)이 측정된다. 도 2에는 또한 상부 전압 분접(28)이 일점쇄선으로 지시되어 있으며, 상기 전압 분접에서는 상부 전지 전압(UZtop)이 분기된다.
하부 전압 분접(24)에 의해서는, 상기 상부 전압 분접(28)에 비해 훨씬 더 민감하고 개선된 전압 조절이 성취된다. 특히 이와 같은 장점에 의해서는, 바이폴라 플레이트(20)의 하부 영역에서 전압이 예를 들어 약 0.5 볼트의 원하는 임계값 아래로 떨어지는 경우가 방지된다. 이 경우 임계값은 바람직하게, 상기 임계값이 바이폴라 플레이트(20) 재료의 부식 가능 범위 위에 있도록 선택된다. 상기 하부 전지 전압(UZbottom)과 상부 전지 전압(UZtop) 간에는 확연한 전압차가 존재한다는 측정 결과가 얻어졌으며, 이와 같은 전압차의 원인은 불활성 가스가 우선 가스 배출구(14) 근처에 축적되기 때문이다. 상부 전지 전압(UZtop)에 따라 세척용 전지를 조절하는 것과 하부 전지 전압(UZbottom)에 따라 세척용 전지를 조절하는 것의 차이는 도 3A, 3B, 4A, 4B에 따른 전압 파형으로부터 나타난다.
예로 도시된 개별 전압 파형들은 각각 약 560 A의 전류가 통과한 4개의 세척 용 전지(10)를 구비한 세척용 전지 스택(8)을 갖는 테스트 시스템을 토대로 한다. 다이아그램에는 상기 4개의 세척용 전지(10)의 곡선 파형이 각각 도시되어 있다.
도 3A, 3B에서는 세척 과정의 조절이 전압(UZtop)에 따라 이루어졌고, 도 4A, 4B에 따른 도시에서는 세척 과정의 조절이 전압(UZbottom)에 따라 이루어졌다. 도 3A에는 전압(UZtop)이 도시되어 있고, 도 3B에는 전압(UZbottom)이 도시되어 있다. 도 4A에는 전압(UZbottom)이 도시되어 있고, 도 4B에는 전압(UZtop)이 도시되어 있다.
도 3A와 3B의 비교를 통해 나타나는 바와 같이, 전압(UZtop)에 따라 조절이 이루어지는 경우에는 전압 파형(UZbottom)으로부터 나타나는 바와 마찬가지로 하부 전지 영역에서 부분적으로 급격한 전압 강하가 초래된다. 전압(UZtop)을 위해 약 0.5의 하부 전지 전압으로 조절하더라도, 전압(UZbottom)을 위한 하부 전압 분접(24)에서는 0.1 볼트 미만으로 전압이 부분적으로 강하한다. 또한 여러 다이아그램들에서도 알 수 있는 바와 같이, 선택된 경계 조건에서는 상기와 같은 전압(UZtop)에 따른 조절로 인하여 세척이 약 50 - 60초마다 이루어진다. 한 번의 세척 과정 후에는 개별 세척용 전지(10) 내부의 전압값이 다시 약 0.7 볼트의 정상 전압에 도달하게 된다.
도 4A 및 4B에서 알 수 있는 바와 같이, 전압(UZtop)에 따른 조절과 달리 전압(UZbottom)에 따른 조절은 훨씬 더 민감하고 정확하다. 도 4A로부터 직접 알 수 있 는 바와 같이, 바이폴라 플레이트(20)의 하부 영역에서도 0.5 볼트로 설정된 조절값 아래로의 전압 강하는 전혀 나타나지 않았다. 그와 동시에, 상부 전압 분접(28) 근처에 있는 상부 영역의 전압은 거의 변동 없이 0.65 내지 0.7 볼트의 높은 레벨로 유지된다(도 4B 참조).
특히 도 3A와 4A의 비교를 통해 알 수 있는 바와 같이, 전압(UZbottom)에 따라 더욱 민감하게 조절이 이루어지는 경우에는 전압(UZtop)에 따른 조절의 경우보다 대략 2배만큼 높은 세척율이 나타났다. 다시 말해, 도 4A에 따르면, 경계 조건이 선택된 경우에는 약 30 - 35초마다 세척이 이루어진다.
따라서, 세척 과정이 보다 빈번하게 이루어지면, 세척용 전지(10) 내부에 축적되는 반응 물과 불활성 가스의 양이 줄어든다. 세척용 전지 전압은 명확하게 더 높은 레벨로 유지된다. 따라서, 전체적으로 볼 때 바이폴라 플레이트(20)에 대한 부식 위험도 줄어든다. 더욱 빈번한 세척 과정에 의해 야기되는 잔류-반응 가스의 손실을 가급적 적게 유지하기 위하여, 세척 밸브(18)의 유동 횡단면 또는 세척 시간은 상응하게 작게 선택된다.

Claims (6)

  1. 가스 유입구 측에 반응 가스(G)가 공급될 수 있고, 가스 배출구 측의 한 세척용 전지(10)에 하나 이상의 세척용 밸브(18)를 구비한 하나 이상의 연료 전지 스택(4) 그리고 상기 세척용 전지(10)의 전압(UZbottom)에 따라 상기 세척용 밸브(18)의 동작을 제어하는 제어 장치를 포함하는, 연료 전지 시스템(2)으로서,
    상기 세척용 밸브(18)를 향하는 가스 배출구(14)의 영역에 전압 분접(24)이 제공된,
    연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    2개의 연료 전지(6, 10) 사이에 하나의 바이폴라 플레이트(20)가 배치되어 있으며, 상기 바이폴라 플레이트(20)의 하부 에지면(26) 영역에 가스 배출구(14)가 배치되어 있고, 상기 에지면(26) 영역에 전압 분접(24)이 제공된,
    연료 전지 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    캐스케이드 형태로 배치된 다수의 연료 전지 스택(4)이 제공된,
    연료 전지 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    PEM-연료 전지(6, 10)가 사용되는,
    연료 전지 시스템.
  5. 가스 유입구 측에 반응 가스(G)가 제공되고, 가스 배출구 측에 해당 세척용 밸브(18)를 갖는 세척용 전지(10)를 구비한 하나 이상의 연료 전지 스택(4)을 포함하는, 연료 전지 시스템(2)을 작동시키기 위한 방법으로서,
    상기 세척용 전지(10)의 전압(UZbottom)을 세척용 밸브(18)를 향하는 가스 배출구(14) 영역에서 측정하고, 상기 측정된 전압(UZbottom)에 따라 상기 세척용 밸브(18)의 동작을 제어하는,
    연료 전지 시스템의 작동 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    캐스케이드 형태로 배치된 다수의 연료 전지 스택(4)을 제공하며, 반응 가스(G)가 상기 연료 전지 스택을 연속으로 관류하는,
    연료 전지 시스템의 작동 방법.
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