KR20070100744A - 알칼리 연료 전지 시스템 - Google Patents

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KR20070100744A
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지리 노르
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아스트리스 에네르기 인크.
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Abstract

본 발명은 알칼리 연료 전지 적층체, 연료 기체의 공급원, 산화제 기체를 위한 산화제 기체 펌프, 전해질 탱크, 전해질 펌프, 보조 전기 저장 장치 및 전자 제어기를 포함하는 알칼리 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 산화제 기체 펌프는 전자 제어기에 의하여 조절되어 산화제 기체 흐름을 알칼리 연료 전지 적층체에 전달하며, 상기 산화제 기체 흐름은 임의의 로드 조건하에서 적층체로부터 인출된 전류의 양에 비례하여 변경된다. 0의 로드에서, 최소의 산화제 기체 흐름이 연료 전지 적층체에 전달된다. 산화제 기체 펌프는 날개 펌프, 로브 펌프 또는 스크류 펌프와 같은 정변위 펌프가 될 수 있거나 또는, 조절된 송풍기가 될 수 있다. 또한, 본 발명은 전해질이 연료 적층체를 통하여 흐를 경우 전해질내의 양압을 유지하기 위하여 전해질 흐름 회로에 역압 밸브를 제공한다.

Description

알칼리 연료 전지 시스템{ALKALINE FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 알칼리 연료 전지, 특히 알칼리 연료 전지 적층체(alkaline fuel cell stack) 및 이의 관련된 주변 장치의 작동 조절을 위한 시스템에 관한 것으로, 여기서 상기 시스템은 연료 전지의 대부분의 로드 조건에서 높은 효율을 얻도록 하는 방식으로 그리고 동시에 그 연료 전지 적층체의 전극 구조를 비롯한 그 연료 전지 적층체의 각종 부품의 마모 및 인열이 보다 적어지도록 보장하는 방식으로 작동 조절된다. 본 발명은 신규한 공기 흐름 조절 및 공기 흐름 재순환 시스템, 및 신규한 전해질 흐름 시스템을 제공하여 연료 전지 구조체의 물리적 높이를 감소시킬 수 있다.
알칼리 연료 전지는 20 세기가 된 직후 적어도 기본적인 형태로 알려져 왔었다. 사실상, 알칼리 연료 전지는 특히, 아폴로 우주선 발사 이후에 NASA에서 사용하여 적어도 제한된 성공을 거두고, 수용되었다. 또한, 알칼리 연료 전지는 NASA에서 우주 왕복선 궤도 우주선에 사용하여 왔다. 그러나, 본 명세서에서 상세하게 설명할 필요는 없는 여러 가지 이유로 인하여 양성자 전극 막(PEM: Protron Eelectrode Membrane) 연료 전지에 대한 훨씬 더 큰 상업화가 존재하였다.
반대로, PEM 연료 전지에 비하여 알칼리 연료 전지가 갖는 여러 가지 특정의 잇점으로 인하여 알칼리 연료 전지가 다시 시장에 등장하였다. 이러한 잇점은 알칼리 연료 전지가 귀금속을 사용하지 않고 제조할 수 있다는 사실 그리고, 전해질이 산성이 아니라 알칼리성이어서 PEM 연료 전지보다 더 우수한 전기화학적 성능 및 일반적으로 더 넓은 작동 온도를 사용한다는 사실을 포함한다.
통상의 알칼리 연료 전지 시스템은 알칼리 연료 전지 적층체뿐 아니라, 상당량의 기타의 탑재 관련 주변 장치, 예컨대 펌프, 분리기 등을 포함한다. 물론, 주요 부품은 연료 기체 및 산화제 기체를 공급하고, 알칼리 전해질이 흐를 수 있게 되는 알칼리 연료 전지 적층체이다. 본 발명에 관한 통상의 알칼리 연료 전지에서 연료 기체는 수소가 될 수 있으나, 메탄올 증기 기체와 같은 것도 가능하다. 마찬가지로, 산화제 기체는 공기이지만, 산소 또는 산소 농축 공기가 될 수도 있다.
연료 전지 적층체중의 전해질은 정적이거나 또는 부동화될 수 있으며, 이러한 경우, 전해질 탱크 및 전해질 펌프와 같은 추가의 배관을 필요로 하지 않는다. 그러나, 통상적으로 전해질은 알칼리 연료 전지 적층체를 통해 순환된다.
통상의 연료 전지 시스템은 매립된 마이크로컴퓨터를 갖는 전자 조절 시스템과 함께 작동하는 다수의 센서를 포함하여 연료 전지 시스템의 작동 변수와 관련된 각종 입력 및 출력을 관찰 및 조절할 수 있다. 이들은 물론 연료 전지 적층체를 통하여 순환될 경우 전해질의 흐름 및, 연료 기체 및 산화제 기체의 투입을 포함한다. 또한, 이러한 변수 및 기타의 것, 예컨대 연료 전지 적층체의 작동 온도는 연료 전지 적층체로부터의 단자 전압 및 특히 전류뿐 아니라, 연료 기체 및 산화제 기체의 압력, 연료 전지 적층체를 통하여 흐르는 전해질, 전해질 탱크내의 전해질 의 레벨 등에 따라 결정된다.
그러나, 연료 전지 적층체를 통하여, 특히 본 발명이 관련된 알칼리 연료 전지 적층체를 통하여 산화제 기체 및 전해질이 순환될 경우, 산화제 기체 및 전해질의 흐름을 조절하고자 한다. 따라서, 본 발명은 예를 들면 알칼리 연료 전지 적층체로의 산화제 기체의 흐름이 알칼리 연료 전지 적층체로부터의 전류의 양에 비례하는 알칼리 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 그러나, 0의 로드 조건에서조차, 연료 전지 적층체를 통하여 산화제 기체의 일부의 최소 흐름이 존재할 것이다.
본 발명의 또다른 구체예는 알칼리 연료 전지 적층체를 통하여 산화제 기체의 조절된 흐름을 제공하여 알칼리 연료 전지 적층체로부터 배출된 산화제 기체의 일부분이 연료 전지 적층체로 복귀되도록 한다. 이는 산화제 기체가 연료 전지 적층체로 투입시 산화제 기체의 습도 및 온도를 증가시키는 유익한 효과를 지닌다.
하기에서 보고하는 바와 같이, 이러한 특징은 공기 흐름이 필요치 않을 경우 연료 전지 적층체를 통한 공기 흐름을 감소시켜 이산화탄소 스크러버상의 마모 및 인열을 감소시키며, 특히 부분 로드 조건하에서, 과도한 물의 손실 및 알칼리 연료 전지 적층체의 과도한 냉각을 방지할 수 있다.
알칼리 연료 전지 적층체 및 특히 이의 전극의 구조는 본 발명의 범위에 포함되지 않는 것에 유의하여야 한다. 사실상, 특정의 전극 구조는 동일한 발명자의 명의로, 동일한 출원인에게 공동 양도된 동시계류중인 출원에 개시되어 있다. 전자 조절 시스템에 의하여 조절될 수 있는 것을 제외하고 또는, 기타의 유사한 작동 부품에 의하여 또는 이의 작동에 대하여 유사한 결과를 갖는 것에 의하여 대체될 수 있는 것을 제외하고, 통상의 연료 전지 시스템에서 발견되는 다수의 공지의 주변 부품에 대한 상세한 설명은 본 발명의 목적 또는 이의 상세한 설명에서도 제시하지 않는다.
놀랍게도 본 발명자는 알칼리 연료 전지 시스템에 대한 더 큰 효율 및 더 적은 마모 및 인열은, 매우 낮은 로드 조건하인 것을 제외하고 연료 전지 적층체에 전달되는 산화제 기체의 함량이 이로부터의 전류의 양에 비례하도록 알칼리 연료 전지 적층체를 통하여 산화제 기체의 전달을 조절하는 단순한 간편성에 의하여 달성할 수 있다는 것을 발견하였다. 이는 건조한 저온의 주위 공기의 전달로 인하여 발생하는 연료 전지 적층체의 전극에 습도 및 온도 충격을 저하시키도록, 알칼리 연료 전지 적층체로부터 배출된 산화제 기체의 일부분을 다시 알칼리 연료 전지 적층체로 재순환시키는 추가의 특징에 의하여 개선된다.
또한, 본 발명자는 전해질을 전해질 탱크로 복귀시키기 위한 전해질 흐름 라인에서의 역압 밸브를 제공함으로써 알칼리 액체 적층체의 다공성 전극을 통하여 전해질 흐름으로 소화되는 기체의 문제점을 완화시키는 동시에 전체 연료 전지 포장의 물리적 높이를 감소시킬 수 있다는 것을 발견하였다. 이는 하기에서 논의하는 바와 같이, 적층체로부터의 출구에서 복귀된 전해질의 압력이 상압(통상적으로 5 ㎝ 내지 20 ㎝ 물 컬럼 범위내)보다 충분히 높도록 하여 달성된다.
발명의 개요
본 발명의 한 구체예에 의하면, 본 발명은 로드에 전기 에너지를 전달하기 위한 알칼리 연료 전지 시스템을 제공하며, 여기서 상기 연료 전지 시스템은 알칼리 연료 전지 적층체, 연료 기체의 공급원, 산화제 기체를 위한 산화제 기체 펌프, 전해질, 보조 전기 저장 장치 및 전자 제어기를 포함한다.
본 발명과 관련하여, 산화제 기체 펌프는 전자 제어기에 의하여 조절되어 산화제 기체 흐름을 알칼리 연료 전지 적층체에 전달하며, 상기 산화제 기체 흐름은 임의의 로드 조건하에서 알칼리 연료 전지 적층체로부터의 전류의 양에 비례하여 변경된다.
그러나, 0의 로드 조건에서, 알칼리 연료 전지 적층체에 전달되는 산화제 기체의 최소 흐름이 존재할 것이다.
통상적으로, 전해질은 연료 전지 적층체를 통하여 순환되며, 이 경우 연료 전지 시스템은 상기 전해질을 위한 전해질 탱크 및 전해질 펌프를 더 포함한다.
본 발명의 알칼리 연료 전지 시스템의 특징은 전자 제어기가 산화제 기체 펌프로부터의 산화제 기체 흐름을 알칼리 연료 전지 적층체에서의 특정의 로드 조건에 해당하는 소정의 값으로 설정하는 우선적인 능력(override capability)을 갖는다는 점이다.
일반적으로, 본 발명에 의한 알칼리 연료 전지 시스템에서, 연료 기체는 수소이고, 산화제 기체는 공기이다.
본 발명과 관련하여 알칼리 연료 전지 시스템의 특징은 시스템을 통한 산화제 기체의 흐름 경로가 알칼리 연료 전지 적층체로의 산화제 기체 투입구에 설치된 산화제 기체 재순환기를 포함한다는 점이다. 또한, 산화제 기체 재순환기로의 투입은 알칼리 연료 전지 적층체로부터 배출되는 산화제 기체의 일부를 포함한다.
본 발명과 관련된 알칼리 연료 전지 시스템의 또다른 특징은 시스템을 통한 전해질의 흐름 경로가 전해질 탱크로의 전해질의 중력 복귀를 위한 복귀 컬럼을 포함한다는 점이며, 여기서 복귀 컬럼의 상부는 높이가 알칼리 연료 전지 적층체의 상부와 거의 동일하다.
이러한 경우, 복귀 컬럼의 상부는 주위 대기로 개방된 환기 주입구 캡으로 폐쇄된다.
또한, 전해질은 알칼리 연료 전지 적층체로부터 스프링 장착된 릴리프 밸브인 조절 가능한 역압 밸브를 통하여 그 적층체의 상부 부근에서 복귀 컬럼으로 복귀되며, 이에 의하여 연료 전지 적층체로부터의 배출구에서 복귀된 전해질의 압력 헤드는 주위 대기압보다 높게 유지된다.
통상적으로, 연료 전지 적층체로부터의 출구에서 복귀된 전해질의 압력 헤드는 주위 대기압보다 높은 5 ㎝ 내지 20 ㎝ 물 컬럼 범위내이다.
통상적으로, 전해질은 연료 전지 적층체와 직렬로 연결로 배치된 열 교환기를 통하여 흐르게 된다.
본 발명의 특정의 교시와 관련하여, 산화제 기체 펌프는 날개 펌프(vane pump), 로브 펌프(robe pump) 및 스크류 펌프(screw pump)로 구성된 군에서 선택된 정변위 펌프가 될 수 있으며, 여기서 이의 부피 흐름은 펌프의 구동 속도에 따라 변경된다.
또한, 산화제 기체 펌프는 송풍기, 공기 도관 및, 상기 공기 도관내에서의 공기 흐름을 감지하도록 배치된 흐름 센서를 포함할 수 있다. 이와 같은 경우, 송풍기의 속도는 흐름 센서로부터 수신된 시그날에 대하여 전자 제어기에 의하여 조절된다.
또한, 알칼리 연료 전지 시스템은 송풍기, 공기 도관, 상기 공기 도관내의 흐름 억제기 및, 상기 흐름 억제기를 가로지르는 차동 압력을 감지하도록 배치된 차동 압력 센서를 포함하는 산화제 기체 펌프를 포함할 수 있다. 이러한 경우, 상기에서와 같이, 송풍기의 속도는 차동 압력 센서로부터 수신된 시그날에 대하여 전자 제어기에 의하여 조절된다.
바로 앞에서 설명한 바와 같은 배치에서, 흐름 억제기는 오리피스, 노즐 및, 상기 공기 도관보다 직경이 더 작은 소정 길이의 관 또는 파이프로 구성된 군에서 선택될 수 있다.
도면의 간단한 설명
본 발명의 구조, 구성, 용도 및 작동 방법과 함께 본 발명의 추가의 목적 및 잇점과 관련하여 본 발명의 특징이 되는 것으로 밝혀진 신규한 특징은 하기의 도면으로부터 더 잘 이해될 것이며, 본 발명의 바람직한 구체예는 예로서 제시한다. 그러나, 도면은 예시 및 설명만을 위한 것이지, 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 이해하여서는 아니된다. 본 발명의 구체예는 예로서 첨부한 도면과 함께 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명에 관한 알칼리 연료 전지 시스템의 전체 일반적인 기계 및 전기적 개략도를 도시한다.
도 2는 산화제 기체에 대한 또다른 조절 가능한 흐름 배치를 나타내는 기계적 개략도를 도시한다.
도 3은 전해질이 복귀 컬럼으로 복귀될 수 있는 방법을 나타내는 부분 개략도를 도시한다.
도 4는 전해질이 복귀 컬럼으로 복귀되어 복귀 컬럼의 물리적 높이가 감소되도록 하는 또다른 예를 도시한다.
바람직한 실시양태에 대한 상세한 설명
본 발명의 구조, 구성, 용도 및 작동 방법과 함께 본 발명의 추가의 목적 및 잇점과 관련하여 본 발명의 특징이 되는 것으로 밝혀진 신규한 특징은 하기의 설명으로부터 더 잘 이해될 것이다.
도 1을 살펴보면, 본 발명에 관한 전체 알칼리 연료 전지 시스템이 도시되어 있으며, 이는 도면 부호 10으로 나타내었다. 3 가지 독립적인 유체/기체 조절된 흐름 회로, 즉 일반적으로 수소 기체인 연료 기체의 흐름 회로, 일반적으로 공기인 산화제 기체의 흐름 회로 그리고, 일반적으로 수산화칼륨 수용액인 알칼리 전해질의 흐름 회로가 있다. 하기에서 알 수 있는 바와 같이, 흐름 회로 각각의 다양한 부품은 전자 제어기(50)의 조절하에 작동한다. 이를 위하여, 전자 제어기(50)는 필요한 정도로 그리고 당업자에게 공지된 바와 같이 매립된 마이크로프로세서 및 기타의 메모리 부품 등을 포함한다는 것을 알 수 있다. 상기 부품으로부터 이들 전자 제어기(50)까지의 다양한 전기적 연결은 도면을 참조하면 이해될 것이며, 이들 부품에 대하여 그리고 전자 제어기(50)상에서의 단자가 제안되어 있다. 물론, 도 1에서 기계적 및 전기적 연결에 관하여 모두 도시한 바와 같은 전체 배치는 예시 및 논의를 위한 것으로 이해하여야만 한다.
연료 전지 시스템은 전기 에너지를 로드(도시하지 않음)에 전달하는 여러 가지의 주요 부품을 포함한다. 이들의 예로는 알칼리 연료 전지 적층체(12), 전해질 탱크(14), 도면 부호 80에서 알칼리 연료 전지 시스템으로 투입되는 연료 기체의 공급원, 도면 부호 82에서 연료 전지 시스템으로 투입되는 산화제 기체 공급원 등이 있으며, 이들은 하기에서 설명할 산화제 기체 펌프(16), 전해질 펌프(20) 및 보조 전기 저장 장치(54)에 의하여 시스템으로 펌핑 처리된다.
우선, 연료 기체 흐름 회로를 살펴보면, 연료 기체는 차단 밸브(58)를 통하여 흐른 후, 압력 조절기(60) 및 재순환기(62)를 통하여 흐르게 되어 알칼리 연료 전지 적층체(12)에 유입되는 것을 알 수 있다. 연료 기체의 공급원이 가압되고, 통상적으로 압력 조절기(60)는 강압 조절기인 것으로 이해하여야 한다. 알칼리 연료 전지 적층체(12)로부터의 배출시, 연료 기체는 과량의 유체 전해질이 기체 흐름으로부터 제거되는 사이클론 분리기(40)를 통하여 흐르며, 라인(76)을 통하여 전해질 탱크(14)로 다시 복귀된다. 그후, 수소 기체는 응축기(30)를 통과하여 흐른 후, 또다른 분리기(64)로 흐르며, 여기서 알칼리 연료 전지(12)내에서 발생하는 전기화학 반응의 생성물인 물이 추출되어 물 저장소(68)로 이송되어 알칼리 연료 전지 시스템으로부터 배출된다. 그후, 나머지 연료 기체는 재순환기(62)로 복귀되며, 여기서 전술한 바와 같이 알칼리 연료 전지 적층체(12)로 전달하기 위한 새로운 연료 기체가 합류하게 된다.
임의로, 연료 전지 시스템이 유지 및 기타의 목적을 위하여, 예컨대 작동 중지될 경우 연료 기체 흐름 회로를 세정할 필요가 있으며, 상기와 같은 이유로 인하여 세정 밸브(66) 및 수소 검출기(70)가 제공된다.
연료 기체 흐름 회로의 상기의 설명으로부터 상기 회로는 폐쇄 회로라는 것을 알 수 있다.
이제, 산화제 기체 흐름 회로를 살펴보면, 일반적으로 공기인 산화제 기체는 도면 부호(82)에서 알칼리 연료 전지 시스템으로 투입되고, 소음기 또는 방음기로서 작용할 수 있는 흡입 필터(18)를 통하여 흐르게 된다. 그후, 산화제 기체는 산화제 기체 펌프(16)를 통하여 흐르며, 이는 알칼리 연료 전지 시스템을 통하여 이의 흐름을 형성하도록 산화제 기체에 필수의 추진력을 제공하게 되며, 산화제 기체 펌프(16)로부터 산화제 기체는 이산화탄소 스크러버(28)를 통하여 흐르게 된다. 그후, 산소 기체는 유출물인 연료 기체가 흐르는 응축기(30)로 이송되어 응축기(30)를 통한 연료 기체의 흐름이 냉각되고, 여기서 물이 응축되며, 동시에 산화제 기체는 어느 정도로 가온된다. 그후, 산화제 기체는 알칼리 연료 전지 적층체(12)로 공급된다.
본 발명은 하기에서 그 목적 및 구조가 설명될 산화제 기체 재순환기(32)가 제공되는 것을 특징으로 한다.
알칼리 연료 전지 적층체(12)로부터의 배출시, 산화제 기체는 사이클론 분리기(34)로 이송되며, 여기서 산화제 기체 흐름에 의하여 수반되는 액체, 물 및 전해질의 벌크가 제거되며, 그후 제무기(36)로 이송된다. 제무기(36)에 투입시 산화제 기체중에 여전히 잔존하는 임의의 액체는 라인(74)를 통하여 분리기(34)로 복귀된 후, 알칼리 전해질 탱크(14)로 다시 복귀된다. 폐산화제 기체는 도면 부호 38에서 알칼리 연료 전지 시스템으로부터 배출되며, 여기서 주위 대기로 복귀된다.
전해질 흐름 시스템에서, 시스템은 또한 하기에서 설명하는 바와 같이 주위로 개방되어 있을지라도 폐쇄 시스템인 것을 알 수 있다. 알칼리 전해질은 전해질 탱크(14)로부터 전해질 펌프(20)를 통하여 펌핑 처리된 후, 필터(22)를 통하여 알칼리 연료 전지 적층체(12)로 이송된다. 연료 전지 적층체(12)로부터 배출시, 따뜻한 전해질은 열 교환기 또는 방열기(24)에 공급된 후, 복귀 컬럼(44)으로 복귀되어 여기서 액체 전해질이 전해질 탱크(14)로 복귀된다.
본 발명의 특징은 복귀 컬럼(44)이 환기 주입구 캡(46)으로 폐쇄될 수 있으며, 특히 전해질은 알칼리 연료 전지 적층체(12)로부터 배출시 전해질의 경우 대기에 대하여 양압(positive pressure)으로 유지되도록 역압 밸브(42)를 통하여 흐르게 된다는 점이다. 이러한 특징은 특히 하기 도 3 및 도 4를 참조하여 하기에서 설명할 것이다.
전해질을 열 교환기(24)에서 냉각시킨다. 도 1에서, 열 교환기는 이의 배출 부근의 지점에서 알칼리 연료 전지 적층체와 직렬로 연결된 것으로 도시되어 있으나, 열 교환기는 예를 들면 전해질 탱크(14)와 연료 전지 적층체(12)의 사이에서와 같이 연료 전지 적층체와 직렬인 임의의 편리한 장소에 배치될 수 있는 것으로 이해하여야 한다. 냉각량은 공기를 냉각 팬(26)으로부터 열 교환기(24)를 통하여 흐르게 하여 열 교환기(24)로부터 도면 부호 72에서 배출되도록 하여 조절될 수 있다. 냉각 팬(26)의 작동은 각각의 단자 "F"에서 전자 제어기(50)에 의하여 조절된다.
마찬가지로, 차단 밸브(58) 및 퍼지 밸브(66)와 같은 부품의 작동은 또한 각각의 단자 "H" 및 "PV"에서 전자 제어기(50)에 의하여 조절된다.
본 발명의 알칼리 연료 전지 시스템에는 작동체 조절 및 시스템 모니터를 위하여 전면 디스플레이 패널(56)이 제공된다. 온/오프 스위치(52)를 제공하여 알칼리 연료 전지 시스템(10)의 전체 작동을 개시 또는 중단시킬 수 있도록 한다. 통상적으로 배터리 또는 슈퍼커패시터인 보조 전기 저장 장치(54)의 목적 중 하나는 시스템에 개시 전압 및 동력을 제공하여 전해질 펌프(20) 및 산화제 기체 펌프(16)를 출발시킬 수 있으며, 차단 밸브(58)를 개방시킬 수 있으며, 필요할 경우 기타의 주변 장치를 출발시키고, 전원을 제공할 수 있다. 보조 전기 저장 장치(54)를 알칼리 연료 전지 시스템의 작동중에 작동시키는 또다른 목적은 다양한 로드의 경우 및/또는, 일시적으로 로드가 알칼리 연료 전지 시스템에 대한 요구치로 간주되는 용량을 넘어서 증가되는 경우 완충 배터리로서 사용된다는 것이다. 이와 같은 이유 및, 알칼리 연료 전지 적층체(12)의 단자 전압을 모니터함으로써 그리고 보조 전기 저장 장치(54)와 평행하게 배치하기 위하여, 이들 사이를 연결하고, 단자 "+V" 및 "-V"에서 전자 제어기(50)에 연결한다.
전자 제어기(50)에 의한 전해질 펌프(20)의 조절은 단자 "EP"에서 실시하며, 전자 제어기(50)에 의한 산화제 기체 펌프(16)의 조절은 단자 "AP"에서 실시하는 것이 명백하다.
로드에 전달되는 동력은 전자 제어기(50)의 조절로부터 그리고 조절하에 효과적으로 전달되며, 단자 "-VOUT" 및 "+VOUT"에서 전달된다. 알칼리 연료 전지 시스템의 작동중에, 연료 전지 적층체(12)로부터의 전류는 전류 모니터(51)에 의하여 연속적으로 모니터하고, 알칼리 연료 전지 적층체(12)로부터 로드 및/또는 보조 저장 장치(54)로의 전류 "IFC"를 순간적으로 판독한다.
전해질 탱크(14)내에서의 전해질의 레벨은 상한치 및 하한치를 갖고, 단자 "LS"를 통하여 전자 제어기(50)와 소통되는 레벨 센서(78)에 의하여 모니터된다.
알칼리 연료 전지 시스템의 작동 및 특히 효율적인 작동은 본 발명의 특정의 특징, 즉 전류가 알칼리 연료 전지 적층체(12)로부터가 아닌 경우 산화제 기체 흐름이 최소로 유지되나 최대 산화제 기체 흐름의 작은 분율인 양의 값에서 유지되는 것을 제외하고, 임의의 로드 조건하에서 알칼리 연료 전지 적층체(12)로의 산화제 기체의 흐름이 알칼리 연료 전지 적층체(12)로부터의 전류의 양에 따라 비례하여 변경되도록 산화제 기체 펌프(16)가 전자 제어기(50)에 의하여 조절된다는 점이다. 즉, 로드가 존재하지 않을 경우, 알칼리 연료 전지 적층체(12)를 통한 산화제 기체 흐름이 비교적 낮으나, 더 높은 로드에서는 산화제 연료의 흐름이 적당하게 증가된다. 이와 같은 특징은 지금까지는 알려져 있지 않았다.
산화제 기체 펌프(16)는 부피 펌프 또는 정변위 펌프, 예컨대 날개 펌프, 로브 펌프 또는 스크류 펌프가 될 수 있으며, 여기서 흐름을 통한 산화제 기체는 부피 펌프가 구동되는 속도에 따라 직접적으로 변경된다. 통상적으로, 부피 펌프는 압력 헤드의 변경에 의하여 넓은 한계치에 대하여 영향을 받지 않을 수 있는 조절 가능한 공기 흐름을 전달한다. 산화제 기체의 흐름이 알칼리 연료 전지 적층체(12)로부터의 전류의 양에 비례하여 변경되는 또다른 경우는 피드백 루프 조절기가 배치되는 흐름 센서 및 송풍기를 사용하며, 이에 의하여 송풍기가 동일한 효과를 달성하기 위하여 조절될 수 있다. 이는 도 2에 관하여 하기에서 설명할 것이다.
도 1에 도시한 바와 같은 통상의 알칼리 연료 전지 시스템에서, 산화제 기체 펌프(16)가 극복하여야만 하는 통상적인 압력 헤드는 단지 10 ㎝ 내지 25 ㎝ 물 컬럼 정도이다. 통상적인 산화제 기체인 공기로부터 주위의 온도 및 습도의 변경으로 인한 압력 헤드의 변경은 압력 헤드의 분율이 되며, 그리하여 산화제 기체의 흐름의 속도에서 그리 중요치 않은 변경만을 야기하게 된다.
본 발명의 목적은 공기 흐름 QAIR이 충분한 안전 인자로 전달되지만, 사실상 출력이 인가된 전압에 따라 변경되는 직접 구동, 부피, 정변위 펌프인 경우 산화제 기체 펌프(16)로 전달될 수 있는 인가된 전압에 직접 비례하게 되는 것을 제공하고자 한다. 이는 하기와 같은 관계를 산출한다:
QAIR = C·VAIR
작동시, 연료 전지 시스템(10)은 장치를 따르는 로드(load following device)이다. 이는 연료 기체 및 산화제 기체의 사용이 알칼리 연료 전지 적층체(12)로부터의 전류에 비례한다는 것을 의미한다. 이는 최대 전류가 이로부터 생성될 경우 최대량의 연료 기체 및 산화제 기체가 알칼리 연료 전지 적층체(12)에서 소비된다는 것을 의미한다. 그러나, 연료 전지 적층체(12)로부터 전류가 생성되지 않는 경우, 연료 기체 및 산화제 기체의 사용은 0을 향하게 되는 경향이 있으나, 주로 알칼리 연료 전지 적층체(12)내에서의 전해질 매니폴드에서 발생하는 기생 전류(parasitic currrent)의 결과로서, 시스템에서 발생하는 기생 손실(parasitic loss)로 인하여 0보다 높은 작은 값에서 안정된다.
이를 위하여, 전자 제어기(50)가 하기 방정식을 연속적으로 그리고 순간적으로 풀 수 있도록, 시그날 IFC를 전자 제어기(50)로 보내는 전류 센서(51)를 제공한다:
VAIR = A+B·IFC
상기 방정식에서, 계수 A 및 B는 전자 제어기(50)의 메모리로 프로그래밍되며, A값이 알칼리 연료 전지 적층체(12)로부터 전류가 생성되지 않는 경우 공기 흐름의 최소량을 결정하고, B값이 통상적으로 요구되는 화학량론적 수치의 2 내지 2.5 배인 공기의 화학량론적 과량을 결정하도록 선택된다. 그래서, 전압 VAIR는 부피, 정변위 펌프인 경우 산화제 기체 펌프(16)를 구동시키도록 연속적으로 설정된다.
부피 산화제 기체 펌프(16)의 작동 전압 VAIR를 VHICH 또는 VMAX와 같은 소정의 수치로 설정하는 것이 요구되는 경우가 존재할 수 있다. 이러한 경우, 소정의 값은 알칼리 연료 전지 적층체에 대한 특정의 로드 조건에 해당하며, 적절한 시간에서, 상기의 목적에 대하여 생성물인 물 관리로서 설정할 수 있다. 통상적으로, 전자 조절 시스템(50)은 증가된 증발을 통한 더 고속에서 생성물인 물을 제거하도록 부피 산화제 기체 펌프(16)에 대한 조절 전압을 VHICH로 설정할 수 있거나; 또는 알칼리 연료 전지 적층체(12)의 일시적 과부하로부터의 복구를 돕도록 부피 산화제 기체 펌프(16)의 작동 조절 전압을 VMAX로 설정할 수 있다.
산화제 기체 펌프(16)로서 사용할 수 있는 임의의 부피 또는 정변위 펌프(volumetric or positive displacement pump)의 정확한 세부 사항은 본 발명의 범위를 벗어난다. 설명한 바와 같이, 사용 가능한 통상의 정변위 펌프는 날개 펌프, 로브 펌프 또는 스크류 펌프가 될 수 있다. 로브 펌프를 사용할 경우, 산화제 기체의 전달은 맥동 공기 흐름이 되는 반면, 스크류 펌프는 거의 연속인 공기 흐름을 전달하는 것으로 밝혀졌다. 스크류 펌프가 사용될 경우 필터를 사용할 것을 요구할 수도 있으나, 흡입 소음기(18)의 사용을 배제시킬 수 있도록 스크류 펌프보다 더 높은 공기역학적 노이즈를 갖는다.
알칼리 연료 전지 적층체(12)로부터의 전류의 양과 함께 변경되는 조절 가능한 공기 흐름의 전달을 위한 또다른 배치는 도 2에 도시되어 있다. 여기서, 송풍기(90)를 사용하고 있으나, 송풍기는 정변위 장치가 아닌 것에 유의한다. 사실상, 송풍기는 이의 압력 헤드에 따라 이의 공기 흐름의 현저한 변경을 지닐 수 있는 것에 유의한다. 그래서, 상기에서 설명한 바와 같이 정변위 장치를 사용할 경우에서와 같이, 송풍기(90)로의 인가된 전압 및 생성된 공기 흐름 사이의 관계에 의존하는 것은 불가능하다.
이와 같은 경우, 흐름 센서(92)는 실제의 공기 흐름을 측정하도록 사용된다. 여기서, 전자 제어기(50)는 흐름 센서(92)로부터 송풍기(90)까지의 피드백 루프에 위치된다. 산화제 기체의 실제의 흐름의 값을 전자 제어기(50)에 의하여 산화제 기체의 소정의 흐름의 값과 비교하고, 따라서 송풍기(90)의 속도를 조절한다. 각종 물리적 원리를 사용하는 흐름 센서를 사용할 수 있으며, 도 2의 예에서, 산화제 기체 도관(91)을 통하여 감지하는 흐름은 흐름 억제기(94)를 통하여 차동 압력 센서(92)를 배치하고, 포인트(93)로부터 포인트(95)까지의 차동 압력을 감지하여 달성된다. 흐름 억제기(94)는 예컨대 오리피스, 노즐 또는, 공기 도관(91)보다 직경이 더 작은 소정 길이의 튜브가 될 수 있는 것으로 이해하여야 한다.
산화제 기체의 가변 흐름을 사용하는 잇점은 특히 조절되지 않는 송풍기를 통상적으로 사용하는 종래의 장치와 비교시 중요하다. 이러한 잇점은 임의의 순간에서 필요한 산화제 기체의 함량만을 사용하여 이산화탄소 스크러버(28)의 마모 및 인열 및 사실상 알칼리 연료 전지 적층체(12)의 내부 부품이 감소될 수 있다는 사실을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 설명한 바와 같이, 알칼리 연료 전지 시스템이 알칼리 연료 전지 적층체(12)의 최대 등급의 로드 용량 이하에서 부분적인 로드 조건에서 작동되는 경우, 알칼리 연료 전지 적층체(12)를 통하여 흐르는 산화제 기체의 필수량만의 사용은 과도한 물 손실 및 과도한 적층체의 냉각을 배제시켜 적층체가 사용시 최적의 작동 온도에 도달하는 것을 훨씬 더 용이하게 한다.
도 1을 살펴보면, 산화제 기체 재순환기(32) 및 산화제 기체 흐름 회로에서의 이의 작용을 참고한다. 여기서, 알칼리 연료 전지 적층체(12)로부터 도면 부호 33에서 배출되는 일부분의 산화제 기체는 라인(35)을 통하여 재순환기(32)로 복귀되며, 존재하는 산화제 기체의 나머지는 분리기(34)로 라인(37)을 통하여 흐르게 되는 것으로 보인다. 알칼리 연료 전지 적층체(12)로부터 도면 부호 33에서 배출되는 산화제 기체는 따뜻하며 습하다.
펌프에 의하여 알칼리 연료 전지 적층체(12)로부터 배출될 때 산화제 기체의 일부분은 재순환될 수 있으나, 본 발명은 재순환기(32)로서 작용하는 투입기를 사용하는 것을 제공할 수 있다. 재순환기(32)의 정확한 설계는 본 발명의 범위로부터 벗어나지만, 재순환기(32)는 존재하는 산화제 기체의 소정량을 알칼리 연료 전지 적층체(12)로부터 재순환기(32)로 보내기에 충분한 수 센티미터 물 컬럼 정도로 재순환기(32)로 유입되는 라인(35)의 단부에서 작은 압력차에 영향을 미치는 것으로 이해하여야 한다. 이는 특히 알칼리 연료 전지 시스템으로부터의 20% 내지 120% 등급의 동력 출력 범위내에서 특이 효과적이다.
알칼리 연료 전지 적층체(12)로부터의 존재하는 산화제 기체의 일부분을 재순환기(12)를 통하여 다시 재순환시키는 것은 작동 효율을 증가시키며, 알칼리 연료 전지 적층체(12)의 작동 조건을 개선시키게 되는 이유에는 여러 가지가 있다. 상기에서 논의한 바와 같이, 산화제 기체 재순환의 한 잇점은 저온의 건조한 산화제 기체로부터의 알칼리 연료 전지 적층체(12)의 전극 구조에 대한 충격이 감소되어 전극의 마모 및 인열을 감소시킨다는 점이다. 사실상, 산화제 기체 재순환의 이로운 잇점은, 연료 전지 적층체내의 상당량의 물 증발이 발생하면서 동시에 물을 캐쏘드로부터 애노드로 운반하는 알칼리 연료 전지 적층체(12)의 산소 또는 공기 전극에 대하여 유의적인 것으로 밝혀졌다. 반응수가 생성되는 애노드에서, 산화제 기체의 재순환의 잇점은 다소 적으나, 연료 기체 흐름으로부터의 물의 응축이 달성되며, 재순환은 우선 알칼리 연료 전지 적층체로 전달시 압축된 연료 기체의 건조 상태에 비하여 상온 범위로 연료 기체의 이슬점을 증가시키는데 이로운 것이 잇점이다.
하기의 논의에서, 산화제 기체 재순환의 양을 결정하기 위한 재순환율은 흡입 산화제 기체 흐름의 양에 대한 재순환된 산화제 기체 흐름의 비로서 정의된다. 재순환된 산화제 기체의 양이 흡입 산화제 기체의 함량에 해당하는 경우인 공기 재순환율 1에서, 알칼리 연료 전지 적층체(12)에 대한 투입구에서의 온도 구배는 대략 절반으로 감소될 수 있다. 온도가 증가함에 따라 공기의 수분 함량이 거의 기하급수적으로 증가하기 때문에 습도 효과는 훨씬 더 현저하다.
산화제 기체 재순환의 잇점은 하기와 같다. 산화제 기체가 공기이고, 연료 전지 시스템으로의 흡입구(82)에서의 주위 공기는 이슬점이 15℃이라고 가정한다. 이는 수분 함량이 12.8 g/㎥인 것으로 해석된다. 공기가 알칼리 연료 전지 적층체(12)에서 65℃의 출구 온도로 가온되고 공기가 수분으로 포화될 경우, 이의 수분 함량은 161 g/㎥이 된다. 이와 같은 출구 공기가 동일한 함량으로 새로운 흡입 공기와 혼합되어 재순환율이 1이 되는 경우, 알칼리 연료 전지 적층체로 복귀되는 수분 함량은 (161+12.8)/2 또는 86.9 g/㎥이 된다. 그래서, 이는 약 51℃의 이슬점에 해당한다.
주위 공기 온도가 25℃가 되는 경우, 25℃ 및 65℃의 온도에서 동일한 함량의 건조 공기의 혼합에 대한 온도는 각각 (65+25)/2 또는 45℃가 된다. 혼합물의 이슬점이 상기 온도를 초과하므로, 이러한 예에서 습한 공기 및 건조한 공기의 혼합의 결과로서 알칼리 연료 전지 적층체(12)로 투입되는 공기의 약간의 과포화가 존재할 수 있으며, 이에 따라 미스트를 형성하게 된다. 또한, 응축열은 새로운 공기 및 재순환된 공기의 혼합물의 온도를 추가로 증가시키며, 이는 알칼리 연료 전지 적층체(12)로의 투입시 매우 이로운 산화제 기체 상태를 산출한다.
알칼리 연료 전지 적층체로 전달되는 화학량론적 함량의 공기가 재순환 없이 필요량보다 2 배인 경우, 공기는 21% 산소를 포함하는 알칼리 연료 전지 적층체에 투입되며, 산소의 절반이 소모되어, 즉 약 10.5%의 산소가 잔존하는 도면 부호 38에서 알칼리 연료 전지 시스템으로부터 배출된다. 본 발명에 관한 재순환에서, 동일 함량의 공기가 알칼리 연료 전지 적층체를 통과하게 되며, 동일한 배출구 함량은 약 10.5% 산소가 된다. 그러나, 재순환기(32)에서 배출될 때, 알칼리 연료 전지 적층체(12)로의 투입시 유입되는 공기의 산소 함량은 동일한 함량의 새로운 공기 및 재순환된 공기의 혼합으로부터 생성되며, 그리하여 (21+10.5)/2 또는 15.75%가 된다. 알칼리 연료 전지 적층체(12)를 이용할 경우, 재순환을 실시하지 않은 공기중 평균 산소 농도는 (21+10.5)/2 또는 15.75%이며, 재순환을 실시하는 경우에는 (15.75+10.5)/2 또는 13.12%이다. 평균 산소 함량에서의 차이는 약 2.5%이다.
그러나, 평균 산소 함량에서의 작은 차이는 알칼리 연료 전지 적층체(12)로의 산화제 기체 투입구에서 바람직한 온도 및 수분 조건과 비교하면 그리 중요하지는 않다.
마지막으로, 도 3 및 도 4를 살펴보면, 전해질 탱크(14)로 복귀되는 전해질의 조절 및 도 4에 도시한 바와 같은 조건의 잇점에 대한 논의를 제시하고자 한다. 본 발명과 관련된 알칼리 연료 전지 시스템의 작동중에, 알칼리 연료 전지 적층체(12)를 통하여 흐를 경우 전해질중에서 유지되는 양압이 존재하는 것이 바람직한 것으로 이해하여야 한다. 이와 같은 양압을 유지함으로써, 다공성 전극을 통한 전해질 흐름으로의 가스 소화의 문제점은 배제되지는 않았으나, 완화되었다. 전해질이 연료 전지 적층체(12)에 존재하며 알칼리 연료 전지 적층체(12)로부터 배출 지점보다 높은 Δh의 높이에서 복귀 컬럼(44)으로 이송되는 것으로 나타난, 양압 유지 방법이 도 3에 도시되어 있다. 통상적으로 알칼리 연료 전지 적층체중의 전해질 흐름은 하부로부터 상부로 진행되는 것에 유의하여야 한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 복귀 컬럼(44)에서의 지점(45)을 배치하고, 환기 주입구 캡(46)을 제공하면, 전해질의 컬럼 높이 Δh에 해당하는 알칼리 연료 전지 적층체(12)의 상부에서 양압이 유지되는 것이 명백하다. 통상적으로, 압력은 5 내지 20 ㎝ 물 컬럼 범위내이다. 물론, 환기된 주입구 캡(46)은 또한 필요할 경우 탱크(14)를 전해질로 충전시키도록 하는 목적을 갖는다. 통상적으로, 언급한 바와 같이, 주입구 캡(46)에서의 환기는 전해질 회로가 대기로 개방된 장소에서만 존재한다.
도 4에 도시한 것은 신규한 배치에 관한 것이며, 이는 복귀 컬럼(44)의 높이를 대략 연료 전지 적층체(12)의 높이와 동일한 높이에서 유지하여 전체 알칼리 연료 전지 시스템의 용이한 포장을 가능케할 수 있다. 이러한 경우, 스프링 장착된 릴리프 밸브(42)인 조절 가능한 역압 밸브가 제공된다. 역압 밸브(42)의 정확한 설명은, 스프링 압력에 대하여 미세한 조절을 갖는 스프링 장착된 릴리프 밸브인 것으로 이해하여야 하는 것을 제외하고는, 본 발명의 범위에 포함되지 않는다. 이는 복귀 컬럼(44)의 높이를 증가시킬 필요 없이 전해질중에서 소정의 값을 갖는 양압을 유지하게 한다.
본 발명은 하기에 첨부한 청구의 범위의 정신 및 범위로부터 벗어남이 없이 본 발명의 장치의 설계 및 제조에 기타의 수정예 및 변형예를 사용할 수 있다.
상기의 상세한 설명 및 하기의 청구의 범위에서, 용어 "포함하다" 및, "포함하는" 또는 "포함한"과 같은 파생어는 언급한 정수 또는 단계 또는, 정수 또는 단계의 군을 포함하는 것을 함축하나, 임의의 기타의 정수 또는 단계 또는, 정수 또는 단계의 군을 배제시키지 않는 것으로 이해하여야 한다.
또한, 용어 "거의"를 형용사 또는 부사와 함께 사용할 경우 특정의 특징의 범위를 개선시키고자 하며, 예를 들면 거의 동일한 높이는 동일한 높이, 거의 동일한 높이를 의미하고자 하며, 및/또는 상기의 기준 높이보다 높은 특정의 높이와 관련된 특징을 나타내고자 한다.

Claims (13)

  1. 전기 에너지를 로드에 전달하기 위한 알칼리 연료 전지 시스템으로서,
    상기 연료 전지 시스템은 알칼리 연료 전지 적층체, 연료 기체의 공급원, 산화제 기체를 위한 산화제 기체 펌프, 전해질, 보조 전기 저장 장치 및 전자 제어기를 포함하며;
    상기 산화제 기체 펌프는 상기 전자 제어기에 의하여 조절되어 산화제 기체 흐름을 상기 알칼리 연료 전지 적층체에 전달하며, 상기 산화제 기체 흐름은 임의의 로드 조건하에서 그 적층체로부터 인출된 전류의 양에 비례하여 변경되는 것인 알칼리 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 0의 로드 조건에서, 산화제 기체의 최소 흐름은 상기 알칼리 연료 전지 적층체에 전달되는 것인 알칼리 연료 전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전해질을 위한 전해질 탱크 및 전해질 펌프를 더 포함하는 것인 알칼리 연료 전지 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 전자 제어기는 상기 산화제 기체 펌프로부터의 산화제 기체 흐름을 상기 알칼리 연료 전지 적층체상의 특정의 로드 조건에 해당하는 소정의 값으로 설정하는 우선적인 능력을 갖는 것인 알칼리 연료 전지 시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상기 연료 기체는 수소이고, 상기 산화제 기체는 공기인 것인 알칼리 연료 전지 시스템.
  6. 제2항에 있어서, 상기 시스템을 통한 상기 산화제 기체의 흐름 경로는 상기 알칼리 연료 전지 적층체로의 산화제 기체 투입구에 설치된 산화제 기체 재순환기를 포함하며, 상기 산화제 기체 재순환기로의 투입은 상기 알칼리 연료 전지 적층체로부터 배기되는 산화제 기체의 일부분을 포함하는 것인 알칼리 연료 전지 시스템.
  7. 제3항에 있어서, 상기 시스템을 통한 상기 전해질의 흐름 경로는 상기 전해질의 상기 전해질 탱크로의 중력 복귀를 위한 복귀 컬럼을 포함하며, 상기 복귀 컬럼의 상부는 높이가 상기 알칼리 연료 전지 적층체의 상부와 거의 동일하며;
    상기 복귀 컬럼의 상부는 주위 대기로 개방된 환기 주입구 캡으로 폐쇄되며;
    그리고 상기 전해질은 복귀된 전해질의 연료 전지 적층체의 상부에서 압력 헤드가 주위 대기압 이상으로 유지되는 스프링 장착된 릴리프 밸브인 조절 가능한 역압 밸브를 통하여 그 적층체의 상부 부근에서 상기 알칼리 연료 전지 적층체로부터 상기 복귀 컬럼으로 복귀되는 것인 알칼리 연료 전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 복귀된 전해질의 연료 전지 적층체의 상부에서의 압력 헤드는 주위 대기압보다 높은 5 ㎝ 내지 20 ㎝ 물 컬럼의 범위내인 것인 알칼리 연료 전지 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 상기 전해질은 상기 연료 전지 적층체와의 직렬 연결로 배치된 열 교환기를 통하여 흐르는 것인 알칼리 연료 전지 시스템.
  10. 제2항에 있어서, 상기 산화제 기체 펌프는 로브 펌프, 날개 펌프 및 스크류 펌프로 구성된 군에서 선택된 정변위 펌프이고, 이의 부피 흐름은 상기 펌프의 구동 속도와 함께 변경되는 것인 알칼리 연료 전지 시스템.
  11. 제2항에 있어서, 상기 산화제 기체 펌프는 송풍기, 공기 도관 및 상기 공기 도관내의 흐름 센서를 포함하며, 상기 송풍기의 속도는 상기 흐름 센서로부터 수신된 시그날에 대하여 상기 전자 제어기에 의하여 조절되는 것인 알칼리 연료 전지 시스템.
  12. 제2항에 있어서, 상기 산화제 기체 펌프는 송풍기, 공기 도관, 상기 공기 도관중의 흐름 억제기 및, 상기 흐름 억제기를 통한 차동 압력을 감지하도록 배치된 차동 압력 센서를 포함하며;
    이로써 상기 송풍기의 속도는 상기 차동 압력 센서로부터 수신된 시그날에 대하여 상기 전자 제어기에 의하여 조절되는 것인 알칼리 연료 전지 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 흐름 억제기는 오리피스, 노즐, 상기 공기 도관보다 직경이 더 작은 소정 길이의 파이프 및, 상기 공기 도관보다 직경이 더 작은 소정 길이의 튜브로 구성된 군에서 선택되는 것인 알칼리 연료 전지 시스템.
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