KR20070118188A - 연료전지 및 그 연료전지의 작동 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하나 이상의 유형의 연료를 이용한 연료 전지를 공개하였다. 본 연료 전지는 연료 전지 스택, 본 연료 전지 스택에 연결된 용기 및 연료원으로부터 연료공급 제어에 이용되는 공급 밸브를 포함한다. 연료 전지의 작동방법은, 연료를 연료원으로부터 연료 전지 스택과 용기에 공급하는 과정; 연료 전지가 연료 용기 중의 연료를 이용하여 작동하는 과정; 연료를 연료원으로부터 연료 전지 스택과 연료 용기에 공급하고, 폐기물을 연료 전지 스택으로부터 용기에 배출하는 과정을 포함한다. 상기 용기는 연료와 폐기물을 저장하고 연료 전지가 오랜 동안 지속적으로 작동하게 하며 어떠한 배기가스와 폐액을 방출하지 않아도 된다.

연료전지, 산소 원료, 수소 원료, 연료 전지 스택

Description

연료전지 및 그 연료전지의 작동 방법{A Fuel Cell and A Method For Operating Said Fuel Cell}

본 출원은 2005년 4월 11일자로 출원된 중국특허출원 제200510020720.5호 발명의 명칭 “H₂-O₂형 양성자 교환막 연료전지 및 연료전지용 가스 공급 및 배수 방법”을 우선권 주장으로 한다. 상기 중국출원은 본 명세서에 참고문헌으로 포함되어 있다.

연료전지는 일종의 동력생산 장치이다. 보다 상세하게는 H₂-O₂형 양성자 교환막 연료전지는 연료용 수소와 산소가 수산화반응을 통해 전기에너지를 생산하는 연료전지가다. 이러한 연료전지에는 일반적으로 연료전지 스택, 수소와 산소의 공급원, 가습 시스템, 냉각 시스템 및 제어시스템을 포함한다. 도 1은 종래 기술 중 전형적인 H₂-O₂형 연료전지를 표시한 일례로서, 그 중，(21)은 수소 공급원, (22)는 수소 가습 시스템, (23)은 산소 공급원, (24)는 산소 가습 시스템, (25)는 수소 감압 밸브, (26)은 산소 감압 밸브, (27)은 수소 배출 밸브, (28)은 산소 배출 밸브, (29)는 수소 순환 펌프, (30)은 냉각시스템, (31)은 외측에 연결한 부하, (32)는 연료전지 스택이다. 기존의 많은 연료전지에서는 순환 펌프 (29)가 포함되지 않는다. 액체 냉각과 공기 냉각의 두 가지 냉각 시스템을 이용할 수 있다. 공기 냉각방식은 주로 열량생산이 보다 적은 1 킬로와트 이하 단위의 전지에 이용된다. 공기 냉각방식은 일반적으로 소형 환기장치로 충분하다. 1 킬로와트 이상 단위의 전지는 열 생산량이 보다 많기 때문에 반드시 액체 냉각방식을 이용하여 열을 발산시켜야 한다. 이러한 냉각방식은 펌프, 열교환기 및 수처리장치 등 다양한 장치를 필요로 하기 때문에 상대적으로 비교적 복잡하다.

연료전지 스택 (32)는 H₂-O₂형 양성자 교환막 연료전지에서 필수 부품이다. 이는 하나 이상의 멤브레인 전극 어셈블리와 유동장 플레이트(flow field plate)를 포함한다. 멤브레인 전극 어셈블리는 연료반응이 발생하는 장소이며, 양성자 교환막, 막 양측 상의 촉매층 및 가스 확산층을 포함한다. 유동장 플레이트는 표면 위에 유동 채널이 있는 흑연판 또는 금속판이다. 이러한 유동 채널이 막히면 연료가 촉매층 표면에 도달할 수 없어 전지반응의 발생에 의한 전기에너지를 생산할 수 없다.

H₂-O₂형 연료전지에 있어서, 연료전지 내의 반응은 아래와 같다.

양극: H₂-2e＝2H⁺

음극: 1/2O₂+2H⁺+2e=H₂O

총 반응: H₂+1/2O₂=H₂O

상기의 반응식에서 표시한 바에 따르면, 1Ah 당 전기량에 대해 연료전지 스택에서의 단일 전지는 음극에서 0.0187mol(0.34g)의 폐수를 생산할 것이다. 연료전지의 작동 동안, 물이 유동장 플레이트의 유동 채널에 모여 연료가 멤브레인 전극에 이르러 반응을 하게 되는 통로를 막히게 한다. 그러지 않을 경우 생성된 물을 연료전지로부터 배출하여야 한다. 물은 증발한 후 가스상태로 반응가스와 함께 배출되거나 또는 액체상태로 반응가스와 함께 배출된다.

동일한 전류에서 H₂-O₂형 연료전지의 이론 산소 소모량은 H₂-공기형 연료전지의 이론 공기소모량의 21％이다. 따라서, 동일한 출력인 경우, H₂-O₂형 연료전지의 폐기물 배출량은 H₂-공기형 연료전지보다 많이 적다. 가습하지 않은 상황하에서도 H₂-O₂형 연료전지가 생성한 대부분 물은 여전히 주로 액체상태로 배출된다. H₂-공기형 연료전지가 배출한 배기가스는 주로 공기 중의 질소와 같은 불순물이다. 순수한 산소 가운데도 여전히 0.01～0.05v％의 불순물이 함유되어 있다. 만약 지속적으로 몇시간 동안 작동하고나서도 가스를 배출하지 않았다면, 유동 채널 중 연료 불순물의 농도는 아주 높아져 연료전지의 성능에 영향을 주게 된다. 그리고 배기가스를 배출할 때, 생성된 액체상태의 물도 배출된다. 물과 배출한 배기가스를 함께 쉽게 배출하기 위해, 연료(즉, 반응연료)는 반드시 아주 높은 유동속도를 유지하여야 한다. 하지만 유동속도를 증가시킴에 따라 대량의 미반응 연료를 배출하게 됨으로 전지의 효율을 감소시킨다.

종래의 기술에서, 일반적으로 유동장 플레이트 설계에 대한 개선을 통해 유동 채널의 횡단면적을 감소시켜 수소 또는 산소 등 연료의 유동속도를 증가시킨다. 이는 물의 배출능력을 증가시키고 연료의 사용량 또는 소모량을 감소시킨다. 하지만 이론 산소소모량은 아주 작기 때문에 배수능력은 여전히 제한을 받는다. 유동장 플레이트에 대한 최적화 설계를 진행하였다 할지라도 충분한 배수를 위해서는 실제 산소소모량이 이론 산소소모량의 2배가 되어야 한다.

연료의 이용률을 증가시킴에 있어서 더욱 선진적인 연료전지 시스템은 배기가스가 가스와 수분 제거장치를 통과한 후 가압 펌프를 이용하여 배기가스를 반응가스 파이프라인으로 순환하여 돌려보내는 것이다. 이는 배기가스 배출기간에 미반응 연료의 손실을 줄이고 연료의 사용을 감소시킬 수 있다. 하지만 이러한 반응은 시스템의 출력 손실을 증가시켜 총 에너지효율의 증가를 제한한다. 그리고 이러한 설계는 또한 시스템의 복잡성을 증가시켜 제조원가를 증가시킨다.

종래 기술의 이러한 제한으로 인하여, 새로운 연료전지 및 저 배출, 고 에너지 효율의 연료전지를 제조하기 위한 연료 공급, 가스 배기 및 물과 같은 액체 배출 방법이 필요로 하게 된다.

본 발명은 전지, 특히 저배출과 고에너지효율을 구비한 H₂-O₂형 연료 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 한 목적은 연료를 공급하고, 전지(특히 H₂-O₂형 연료 전지)로 부터 배기가스를 방출하고 폐액을 배출하는 고에너지효율인 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 연료 전지에 관한 것으로, 이 연료 전지는 한가지 또는 여러 가지 연료를 사용하여 연료 전지의 작동에 이용된다. 본 발명의 바람직한 실시형태는 연료 전지 스택; 연료 전지의 연료를 보관하는데 사용하는 용기; 연료를 연료원으로부터 공급하는 것을 제어하는데 사용하는 공급 밸브를 포함한다.

본 발명은 또한 연료 전지의 작동방법에 관한 것으로, 연료를 연료원으로부터 연료 전지 스택과 용기에 공급하는 과정; 상기 연료 공급을 중단하고 연료 용기로 부터 연료를 연료 전지 스택에 공급하는 과정; 연료를 연료원으로부터 연료 전지 스택과 연료 용기에 공급하고, 연료 전지의 작동기간 내 생성한 폐기물(exhaust)을 연료 전지 스택으로부터 연료 용기에 배출하는 과정을 포함한다.

본 발명의 이점은 본 발명의 연료 전지(특히 H₂-O₂형 연료 전지)가 저배출과 고 에너지효율을 구비한 것이다.

본 발명의 다른 한 이점은 연료 공급에 이용되며 전지(특히 H₂-O₂형 연료 전지)로부터 배기가스를 방출하고 폐액을 배출하는 방법이 고 에너지효율을 구비한 것이다.

본 발명의 다른 한 이점은 연료 전지의 제조원가가 저렴하다는 것이다.

본 발명의 다른 한 이점은 본 발명의 실시방법이 용이하고 원가가 저렴하다는 것이다.

첨부한 도면과 결부하여 본 발명의 바람직한 실시형태에 대한 세부적인 묘사를 통해, 본 발명의 상세한 내용과 기타 목적, 내용 및 이점을 더욱 잘 이해할 수 있을 것이다.

첨부한 도면에서,

도 1은 종래 기술의 연료 전지에 관한 일 예이다.

도 2는 본 발명 연료 전지의 대표적인 바람직한 실시형태가다.

여기서, 1은 산소 등 제1 연료의 용기이고, 2는 수소 등 제2 연료의 용기이고, 3은 제1 연료를 공급하는데 사용되는 공급 밸브이고, 4는 제2 연료를 공급하는데 사용되는 공급 밸브이고, 5는 제1 연료원이고, 6은 제2 연료원이고, 7과 8은 배기가스를 방출하는데 사용되는 릴리즈 밸브(release valve)이고, 9와 10은 물 등 폐액을 배출하는데 사용되는 배출 밸브이고, 11은 연료 전지 스택이다.

연료 전지는 연료의 화학에너지를 전기에너지로 전환하여 폐액(liquid exhaust)과 배기가스(gaseous exhaust)를 생산한다. H₂-공기형 연료 전지는 수소와 공기를 연료로 사용하고 H₂-O₂형 양성자 교환막 연료 전지는 산소와 수소를 연료로 사용한다.

본 발명에서，폐기물(exhaust)은 배기가스와 폐액을 포함한다. 그러므로, 폐기물은 기체상태의 반응산물, 액체상태의 반응산물, 연료 전지 반응 후 나머지 불순물, 미반응한 연료를 포함한다. H₂-O₂형 연료 전지에서, 폐기물은 화학반응 후 나머지 연료 중의 불순물(예를 들면 산소중의 불순물), 반응하여 생성된 수증기와 액체상태의 물 및 미반응한 연료를 포함한다.

일반적으로, 연료 전지는, 연료 전지에 사용되는 각종 연료원(연료 공급원); 연료 전지 스택(연료가 여기서 반응을 진행하고 폐기물을 생성한다); 연료 전지에 사용되는 각종 연료의 입구; 가습 시스템; 연료 전지 스택을 냉각시키는 냉각 시스템; 연료 전지의 다양한 작동모델 제어에 사용되는 제어 시스템을 포함한다. 연료원, 예를 들면 수소와 산소의 공급원는 가습 시스템에 연결할 수 있다. 가습과정을 진행한 연료는 파이프라인을 통해 연료 전지 스택의 본 연료에 사용되는 입구로 수송된다.

본 발명 연료 전지의 바람직한 실시형태는, 제1 연료가 연료 전지 스택의 제1 입구로 흘러드는 것을 제어하는데 사용되는 제1 공급 밸브; 연료 전지 스택에서 나온 폐기물을 제1 용기에 흘러들게 할 수 있으며, 제1 용기에서 나온 연료를 연료 전지 스택으로 흘러들게 할 수 있는, 연료 전지 스택에 연결된 제1 용기; 상기 제1 용기 중의 배기가스를 방출하는데 사용되는 제1 릴리즈 밸브; 상기 제1 용기 중 의 폐액을 배출하는데 사용되는 제1 배출 밸브를 포함한다. 기타 바람직한 실시형태는 연료 전지에 사용되는 한가지 또는 여러 가지 연료의 상기 부재의 각종 변형예를 구현한다.

도 2는 두 가지 유형의 연료를 사용한 본 발명 연료 전지의 대표적인 바람직한 일 실시형태를 나타낸 것이다. 그 중에서, (1)은 제1 연료(예를 들면 산소)의 제1 용기이며, 상기 제1 용기를 연료 전지 스택에 연결하여 연료 반응으로 인해 생성된 폐기물을 연료 전지 스택으로부터 제1 용기 (1)에 배출할 수 있으며; (2)는 제2 연료(예를 들면 수소)의 제2 용기이며, 상기 제2 용기를 연료 전지 스택에 연결하여 연료 반응으로 인해 생성된 폐기물을 연료 전지 스택으로부터 제2용기 (2)에 배출할 수 있으며; (3)은 제1 연료의 공급을 제어하고 제1 연료의 배관 진입구에 설치된 밸브(공급 밸브)이며; (4)는 제2 연료의 공급을 제어하고 제2 연료의 배관 진입구에 설치된 밸브(공급 밸브)이며; (5)는 제1 연료원(연료 공급원)이며; (6)은 제2 연료원(연료 공급원)이며; (7)과 (8)은 배기가스를 방출하고 용기의 상단에 설치된 밸브(릴리즈 밸브)이며; (9)와 (10)은 폐액(예를 들면 물)을 배출하고 일반적으로 용기의 하단에 설치된 밸브(배출 밸브)이며; (11)은 연료 전지 스택이다.

바람직하게는, 연료 용기는 내부식성을 구비한 것이다. 예컨대 그 용기는 내부식 금속 또는 기타 자재로 제조할 수 있으며, 또는 내부식 내부 라이닝이 있을수 있다.

바람직한 실시형태에 있어서, 연료 용기의 용량은 유입경로 총 체적의 150배 내지 1,000배 범위에 있으며, 상기 유입경로는 연료 전지 스택 중 미반응한 연료가 상기 연료 전지 스택을 지나가는 통로이다. 다른 한 실시형태에 있어서, 연료용기의 용량은 연료의 유입경로 총 체적의 150배 내지 1,000배 범위에 있다. 바람직한 실시형태에 있어서, 연료 전지는 H₂-O₂형 연료 전지이고, 여기서 산소는 제1 연료, 수소는 제2 연료이며, 산소용기의 용량 또는 수소용기의 용량은 유입경로 총 체적의 150배 내지 1,000배 범위에 있으며, 상기 유입경로에는 수소연료에 사용되는 유입경로와 산소연료에 사용되는 유입경로가 포함된다.

연료용기는 연료, 배기가스와 폐액(예를 들면 물)을 보관할 수 있다. 연료의 공급 밸브가 닫기고 연료를 연료원으로부터 연료 전지 스택에 직접 공급하지 않는 경우, 연료 전지는 연료용기 중의 연료사용을 통해 계속하여 작동한다.

바람직한 실시형태에 있어서, 연료 전지 스택을 용기의 상부에 연결한다. 도 2에서 도시한 실시형태에서, 연료 전지 스택은 제1 연료 용기(1)의 상부과 제2 연료 용기(2)의 상부에 연결한다.

선택적으로, 연료 전지 스택으로 공급하는 연료를 제어하는 공급 밸브는 솔레노이드 밸브도 가능하다. 이러한 솔레노이드 밸브는 연료 전지의 제어 시스템을 통해 제어를 진행한다.

본 발명은 연료 전지에 하나 이상의 연료를 제공하고, 상기 연료 전지가 생성한 폐기물을 방출 및 배출하는 방법을 제공한다.

한가지 연료만 있는 용기, 그 연료의 공급을 제어하는 공급 밸브, 그 용기 중의 배기가스를 방출하는 릴리즈 밸브, 및 그 용기 중의 폐액을 배출하는 배출 밸브을 구비한 연료 전지에서, 바람직한 방법에는 아래와 같은 시작과정이 포함된다. 즉, 제1 작동단계에서 연료 전지 스택과 용기에 연료를 공급한다.

이러한 시작과정은 연료의 공급 밸브를 열어 연료가 공급원으로부터 연료 전지 스택과 용기에 유입되는 것을 통해 실현한다. 바람직하게는 이러한 시작과정에서, 배기가스를 방출하는 릴리즈 밸브 및 폐액을 배출하는 배출 밸브는 여전히 예정시간에 열어 연료 전지 가운데 불순물을 제거한다.

시작과정 후 제2 과정은 제2 작동단계에서 연료 전지와 연료 전지 스택이 용기 중의 연료를 이용하여 작동을 진행하는 것이다. 이는 공급 밸브를 닫아 공급원이 연료 전지 스택에 연료를 공급하지 않도록 하는 것을 통해 실현한다.

제3 과정은 제3 작동단계에서 다시 연료 공급원으로부터 연료 전지 스택과 연료 용기에 연료를 공급하고 연료 전지 스택과 용기 중의 폐기물을 제거한다.

상술한 제2 과정과 제3 과정은 연료 전지의 연속적인 작동기간에 거듭하여 진행되는 순환과정이다.

연료 전지의 작동 시에 생성된 폐기물은 제3 과정에서 정기적으로 연료 전지 스택으로부터 제거되기 때문에 연료 전지는 장시간 작동하여도 배기가스 또는 폐액을 배출하지 않아도 된다. 정기적으로, 과다 폐기물이 용기에 집결되고 연료 전지의 성능이 제1 예정수준으로 하강되었을 때, 릴리즈 밸브를 열고 연료 전지 중의 배기가스를 방출할 수 있다. 유사하게, 연료 전지의 성능이 제2 예정수준으로 하강되었을 때, 배출 밸브를 열고 폐액을 배출할 수 있다. 다른 한 실시형태에 있어 서, 바람직한 실시형태의 H₂-O₂형 연료 전지에서 용기 중의 폐액은 배출되지 않고 용기가운데 남아있으며 줄곧 용기 용적의 절반에 이르기까지 지속된다.

가장 바람직하게는, 연료 용기의 릴리즈 밸브가 열려 배기가스를 방출할 때 공급 밸브도 열리면서 연료 공급원으로부터 연료 전지 스택에 연료를 공급한다.

유사하게, 가장 바람직한 작동방식에서 연료 용기의 배출 밸브를 열어 폐액을 배출하는 배출단계에 있어서 공급 밸브도 열린다.

만약 연료 전지가 한가지 유형 이상의 연료를 사용하는 경우, 매 연료마다 모두 자체의 용기, 공급 밸브, 릴리즈 밸브 및 배출 밸브가 있고, 상술한 방법은 임의 유형의 연료에도 사용할 수 있다.

본 발명의 바람직한 방법에 있어서, 단지 제1 작동단계와 제3 작동단계의 제1 과정과 제3 과정에서 공급 밸브를 열 때, 연료를 직접 연료 공급원으로부터 연료 전지 스택과 용기에 공급할 수 있다. 제2 작동단계의 제2 과정에서 연료 공급 밸브가 닫길 시, 용기 중의 연료를 연료 전지 스택에 공급하여 연료 전지의 작동에 사용한다. 본 제2 작동단계에서, 용기 중의 압력은 연료 전지 스택의 용기에서의 연료 소모에 따라 감소되고, 연료 전지작동 중 생성된 배기가스와 폐액(예를 들면 물)은 연료 전지 스택에 집결된다. 초기에, 이는 연료 전지의 작동에 영향을 주지 않는다. 하지만 일정한 시간 동안 작동(제2 작동단계)을 진행한 후 연료 용기 중 감소된 압력 및 연료 전지 스택 중 집결된 폐액은 연료 전지의 작동에 부정적인 영향을 일으키기 시작한다. 일단 이러한 상황이 발생할 시, 연료 공급 밸브를 열면 된다. 공급 밸브가 열리게 되면 연료 용기 중의 압력이 연료원 중의 압력보다 많이 낮기 때문에 연료는 상대적으로 보다 높은 유속으로 용기 중에 유입되어 용기 중의 연료를 증가시킨다. 이와 동시에, 연료가 상대적으로 보다 높은 유속으로 용기 중에 유입될 시 연료는 또한 연료 전지 스택 중 집결된 폐액과 배기가스를 용기 중에 휴대한다. 공급 밸브를 거듭하여 열고 닫는 것을 통해, 연료 전지에 소요되는 연료를 공급할 수 있고, 폐기물도 연료 전지 스택으로부터 제거되어 용기 중에 보관한다. 연료 전지작동에서 생성한 폐액과 배기가스가 용기 중에 보관됨으로, 연료 전지는 최적의 상태로 오랜 시간 동안 작동이 가능하며, 릴리즈 밸브 또는 배출 밸브를 통해 연료 전지로부터 배기가스 또는 폐액을 배출하지 않아도 된다. 그리고 용기가 대량의 폐액과 배기가스를 보관할 수 있기 때문에 배기가스를 방출하는 릴리즈 밸브와 폐액을 배출하는 배출 밸브를 자주 열지 않아도 된다. 이는 미반응한 연료가 배기가스의 방출기간 및 폐액의 배출기간에 손실되는 현상을 충분히 방지하였다. 본 방법의 바람직한 실시형태는 연료 전지가 오랜 시간 동안의 무배출을 허용함으로 하여 연료의 소모율을 크게 감소시켰다. 그 바람직한 방법을 H₂-O₂형의 연료 전지에 이용할 시, 연료 전지는 고에너지효율의 작동이 가능하며 거의 100％에 이르는 산소와 수소 연료는 모두 전지작동에 이용된다.

본 발명을 더욱 상세하게 서술하기 위하여, 이하 1.2 kW의 H₂-O₂형 연료 전지의 실시형태에 대한 분석을 진행하고자 한다. 그 1.2 kW의 H₂-O₂형 연료 전지는 정격작동전압이 48 V이고, 정격작동전류가 25 A이고, 정격작동온도가 75℃이고, 수 소와 산소의 정격작동압력이 0.2 MPa인 연료 전지 스택이 있다.

만약 본 연료 전지가 본 발명의 바람직한 실시형태의 특정을 구비하지 않은 경우,예를 들어 두 가지 연료에 이용되는 적어도 한 가지 연료의 용기, 공급 밸브, 릴리즈 밸브와 배출 밸브를 구비하지 않은 경우, 정격조건하에서 작동할 시 수소의 소모량은 20 slpm으로서 이론소모량의 1.7배이고, 산소의 소모량은 20 slpm으로서 이론소모량의 3.3배이다. 연료 전지작동에 이용되는 수소와 산소는 각기 소모된 수소와 산소의 60％와 30％이다. 그러므로 이러한 유형의 연료 전지의 에너지효율은 낮다.

바람직한 실시형태에서, H₂-O₂형 연료 전지는 도2에 도시한 구조를 갖고 있다. 원주형 수소용기(2)의 직경은 35cm이고, 높이는 25cm이고, 용적은 0.0201 m³이다. 원주형 산소용기(1)의 직경은 30 cm이고, 높이는 25 cm이고, 용적은 0.0151 m³이다. 상기 두 용기를 연료 전지 스택의 폐기물 출구에 설치한다. 릴리즈 밸브(7)과 배출 밸브(9)는 용기(1)에 이용되고, 릴리즈 밸브(8)과 배출 밸브(10)은 용기(2)에 이용된다. 모든 밸브는 구형의 수동 스톱 밸브이다. 릴리즈 밸브는 장시간 작동진행 후 용기 중에 집결된 과량 배기가스를 방출하는데 이용되고, 배출 밸브는 장시간 작동진행 후 과량으로 집결된 물을 배출하는데 이용된다. 본 실시형태에서 사용한 용기의 크기에 근거하여, 배기가스와 물을 수십시간, 며칠 또는 실제 수요에 따라 한 회씩 배출하면 된다. 릴리즈 밸브와 배출 밸브는 모두 수동이 가능하다.

본 실시형태에서의 산소용기와 수소용기는 내부식성 금속을 사용한다. 예를 들어 스테인리스강 또는 플라스틱 내부 라이닝이 있는 일반적인 금속을 사용한다. 용기의 용량은 연료 전지 스택에서의 모든 유입경로 총 체적의 10배 내지 1,0000배 범위에 있다. 교체방식에서, 한 가지 연료 용기의 용량은 이러한 연료의 유입경로 총 체적의 10배 내지 1,0000배 범위에 있을 수 있다. 용기의 바람직한 용량은 주로 필요되는 연료의 량에 따라 확정하며, 그 연료의 량은 공급 밸브를 닫고 연료 공급원이 더는 연료를 공급하지 않는 상태에서 연료 전지가 계속하여 0.5분 내지 5분 동안 작동함으로써 용기 중의 압력이 최초 압력의 50％ 내지 90％까지 하강하는 것을 허용한다. 만약 용기가 너무 클 경우, 용기의 공급 밸브를 열었을 때 연료원과 용기 사이의 압력차이가 작고 연료가 공급원으로부터 용기로 유동하는 속도가 늦어 연료 전지 스택 중에 생성된 물을 효과적으로 제거할 수 없다. 만약 용기가 너무 작을 경우, 연료원과 용기 사이의 압력차이가 크기 때문에, 연료 전지 성능은 공급 밸브의 두 개 개구 사이에서 심하게 파동한다.

상기 용기는 입방체, 구형, 원기둥 또는 임의 기타 모양이 모두 가능하다. 하지만 최적으로 용기는 0.5 MPa의 압력을 부담할 수 있어야 한다.

산소연료의 공급 밸브(3)과 수소연료의 공급 밸브(4)를 각기 산소입구와 수소입구에 연결한다. 상기 산소연료의 공급 밸브(3)과 수소연료의 공급 밸브(4)는 각기 산소와 수소의 진입파이프에 위치할 수 있으며, 바람직하게는 산소와 수소연료가 연료 전지 스택에 진입하는 입구에 가까운 곳을 택한다. 연료(수소 또는 산소) 공급 밸브를 열었을 경우, 연료는 보다 높은 압력으로 연료 전지 스택에 공급 된다. 만약 용기 중의 압력이 용기 중 연료가 이미 연료 전지의 작동에 사용되어 보다 낮을 경우, 연료 공급 밸브를 열었을 때 연료가 연료 전지를 경과하여 용기 중에 진입되는 유속은 보다 높을 것이다. 이러한 보다 높은 연료 유속은 연료 용기 중에 소모된 연료를 보충하고 연료 전지의 작동기간에 생성한 연료 전지 스택 유입경로 중의 물과 배기가스를 연료 용기로 배출한다.

공급 밸브는 수동 조절의 스톱 밸브 또는 솔레노이드 밸브가 모두 가능하다. 상기 바람직한 실시형태에서, 공급 밸브는 솔레노이드 밸브이며 스위치가 가능한 타임 릴레이(time relay)로 제어한다. 제2 작동단계와 제3 작동단계의 시간은 반응시간과 용기의 용량 및 연료 전지가 생산한 에너지에 따라 확정한다. 바람직하게는, 제2 작동단계의 시간, 즉 공급 밸브를 닫는 시간은 0.5분 내지 10분 범위일 수 있고, 제3 작동단계의 시간은 1초 내지 30초 범위일 수 있다. 시험결과에 따르면, 산소용기와 수소용기의 바람직한 용량은 유입경로 총 체적의 150배 내지 1,000배 범위에 있다. 연속 두 번 공급 밸브를 여는 최적의 시간간격은 0.5분 내지 2분 범위이고, 제3 작동단계의 최적 시간은 4초 내지 15초 범위이다. 만약 연속 두 번 공급 밸브를 여는 시간간격이 2분을 초과하는 경우, 연료 전지에서 생성된 물은 점차 연료 전지 중의 유입경로를 채워 연료 전지의 성능을 하강하게 된다. 연속 두 번 공급 밸브를 여는 시간간격이 너무 작으면, 연료 공급원으로부터 진입된 연료와 연료 용기 사이의 압력차이가 작기 때문에 연료의 유속이 늦고 연료 전지 스택 중에 집결된 물을 충분히 제거할 수 없다.

제3 작동단계의 최적 시간은 4초 내지 15초 범위에 있다. 만약 제3 작동단계 의 시간이 너무 작으면, 공급한 연료는 용기 중 이미 연료 전지작동으로 인해 사용된 연료를 보충할 수 없다. 제3 작동단계의 시간이 너무 길면, 예를 들어 7초 내지8초 범위이면, 진입한 연료와 용기 중 연료 사이의 압력차이가 감소되어 유동속도를 하강시키고 연료 전지 스택 중의 물을 충분히 용기 중으로 배출할 수 없다.

연료 전지의 작동기간에서, 바람직한 작동방식에는 60초 당 간격으로 6초 동안 수소공급 밸브를 열며, 90초 당 간격으로 6초 동안 산소공급 밸브를 여는 내용이 포함된다. 수소연료를 공급하는 솔레노이드 밸브를 연후 6초 내 수소의 평균 유속은 120 slpm이다. 그 유속은 기존의 H₂-O₂형 연료 전지 중 수소 유속의 6배이다. 산소연료를 공급하는 솔레노이드 밸브를 연후 6초 내 산소의 평균 유속은 90 slpm이다. 그 유속은 기존의 H₂-O₂형 연료 전지 중 산소 유속의 4.5배이다. 이러한 고 유동속도를 이용하여 연료 전지 스택 중의 물을 용기로 배출하는 능력을 현저하게 제고하였다.

연료 전지의 작동을 시작하는 것을 목적으로 연료 전지의 바람직한 작동방법에는 아래와 같은 과정. 즉. 산소 공급 밸브(3), 수소 공급 밸브(4), 릴리즈 밸브(7)과 릴리즈 밸브(8)를 열어 수소용기(2)와 산소용기(1) 중의 임의 불순물 또는 폐기물을 제거하는 과정; 및 릴리즈 밸브(7)과 릴리즈 밸브(8)을 닫고 산소용기와 수소용기에 각자의 연료를 채우는 과정을 포함한다.

연료 전지가 최초에 공급한 연료를 이용하여 작동을 시작한 후, 연료 전지의 연속적인 작동기간 내 아래 방법을 거듭한다. 즉, 산소용기 (1)의 압력이 산소 공 급원으로부터 진입한 산소의 압력에 접근할 시, 산소 공급 밸브 (3)을 닫고 산소가 산소 공급원으로부터 직접 공급되는 것을 정지하며, 산소는 산소용기에서 연료 전지 스택에 유입되어 연료 전지의 작동에 이용되며;

수소용기(2)의 압력이 수소 공급원으로부터 진입한 수소의 압력에 접근할 시, 수소 공급 밸브(4)를 닫고 수소가 수소 공급원으로부터 직접 공급되는 것을 정지하며, 수소는 수소용기에서 연료 전지 스택에 유입되어 연료 전지의 작동에 이용되며;

연료 전지의 성능이 산소용기 중의 압력차이 또는 연료 전지 스택 중에 집결된 물의 영향을 받았을 때 산소공급 밸브를 열며;

연료 전지의 성능이 수소용기 중의 압력차이 또는 연료 전지 스택 중에 집결된 물의 영향을 받았을 때 수소공급 밸브를 연다.

연료 전지의 작동기간 내에 조건이 성립되는 경우, 상술한 과정을 모두 연속하여 거듭 실행할 수 있다.

공급 밸브를 닫은 후 연료 전지는 단지 용기에 공급된 연료를 통해 작동을 진행한다. 연료 전지의 본 작동단계에 있어서, 연료용기 중의 압력은 공급 밸브를 닫음에 따라 다소 감소된다. 그리고 연료반응에서 생성된 물은 연료 전지 스택에 집결된다. 최초에, 압력의 감소와 물의 집결은 전지의 성능에 별로 큰 영향을 주지 않는다. 하지만 연료 전지가 계속하여 작동함에 따라, 공급원의 공급이 없음으로 인해, 용기 중의 연료는 점차 소모되고 용기 중의 압력은 줄곧 하강된다. 그리고 물은 연료 전지 스택 중에 끊임없이 집결된다. 연료 전지의 성능이 압력 감소 또는 물 집결의 영향을 받았을 때, 연료의 공급 밸브를 열어 연료용기에 보충할 수 있다.

연료 공급 밸브가 다시 열릴 경우, 용기 중의 압력은 연료 공급원으로부터 유입한 압력보다 많이 감소되었기 때문에 연료는 빠른 속도로 용기에 진입하여 용기에 이미 소모된 연료의 량을 보충한다. 그리고 고속으로 용기를 채운 연료는 연료 전지에 집결된 물을 배출한다.

상술한 과정에서 묘사한 연료 전지의 작동방식은, 최초의 시작단계 후 릴리즈 밸브가 열리면서 불순물을 배출하고 미반응한 연료는 연료 전지로부터 배출되는 것으로 연료 전지의 연속적인 작동기간 내 연료 전지는 배출이 없다. 이는 아주 긴 시간을 실현할 수 있다. 그것은 배기가스를 오랜 동안 배출하지 않고 물을 오랜동안 용기에 보류되어 연료 전지의 성능에 영향을 주지 않기 때문이다. 배기가스 또는 물을 배출하는 동안 수소와 산소 연료의 손실은 없고 수소와 산소를 거의 100%로 연료 전지의 작동에 이용할 수 있기 때문에 연료 전지의 고에너지효율을 실현할 수 있다.

용기 내 물이 너무 많을 경우 본 용기의 배출 밸브를 열고 용기로부터 배출한다. 본 작동과정에 있어서 릴리즈 밸브를 닫고 본 용기의 연료 공급 밸브를 여는 것이 바람직하다.

용기 내 배기가스가 너무 많을 경우 본 용기의 릴리즈 밸브를 열고 배출한다. 최적의 성능을 위해서는 본 연료용기 중의 연료 공급 밸브를 열어야 한다. 만약 릴리즈 밸브를 열었을 때 공급 밸브를 열지 않으면, 연료 전지작동에 소요되는 연료공급이 부족함으로 인해 연료 전지의 성능에 영향을 주게 된다.

배기가스 방출 또는 폐액 배출 시, 일부 미반응한 연료가 폐기물과 함께 배출되는 가능성이 존재하나, 연료 전지반응에 사용되는 연료의 량과 비교해 볼 때, 단지 필요로 하는 경우만 연료용기로부터 배기가스 또는 폐수를 배출하기 때문에 손실되는 연료의 량은 보잘것없다.

본 발명의 연료 전지를 사용하는 바람직한 작동방법으로는, 몇 시간에 한 번씩 불순물 또는 배기가스를 배출하거나 또는 용기 중에 모인 물 과다 시 폐액을 배출하는 것을 제외하고, 연료 전지의 연료 전지 스택이 지속적으로 몇 시간 동안 작동하면서 배출이 없는 것이다. 공급한 수소와 산소는 거의 모두 연료 전지작동에 이용되면서 아무런 손실도 없으며 연료 전지작동에 이용되는 연료의 이용률은 거의 100％에 이른다. 그러므로 본 발명의 바람직한 실시형태 또는 본 발명 연료 전지의 작동방법을 이용하면 연료 전지작동의 에너지효율을 크게 제고할 것이다.

비록 일부 바람직한 실시형태를 참조하여 본 발명에 대한 묘사를 진행하였으나 이해하여야 할 점은 본 발명은 이러한 구체적인 실시형태에 한하지 않는다. 이와 반대로 본 발명은 청구항에서 반영한 가장 넓은 범위의 의미로부터 이해하고 설명하여야 한다. 이에 따라서 청구항은 상기 묘사한 바람직한 실시형태를 포함할 뿐만아니라 본 분야의 기술인원에 있어서 비교적 선명한 변경과 수정을 포함한 것으로 이해하여야 한다.

Claims (10)

1. 하나 이상의 제1 연료를 이용한 연료 전지에 있어서,

   상기 제1 연료용 제1 입구를 구비한 연료 전지 스택과,

   상기 제1 입구에 연결된 제1 공급 밸브와,

   상기 연료 전지 스택에 연결된 제1 용기

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
2. 제1항에 있어서, 상기 연료 전지는 상기 제 1연료와 제2 연료를 이용하며,

   상기 연료 전지 스택에 연결된 상기 제2 연료의 제2 입구와,

   상기 제2 연료의 제2 입구에 연결된 제2 공급 밸브와,

   상기 연료 전지 스택에 연결된 제2 용기

   를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
3. 제2항에 있어서, 상기 제1 연료는 수소이고, 상기 제2 연료는 산소인 것을 틀징으로 하는 연료 전지.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연료 전지는 배기가스(gaseous exhaust)와 폐액(liquid exhaust)을 생성하며, 상기 제1용기는 상기 배기가스를 방출하는데 이용되는 제1 릴리즈 밸브(release valve) 및/또는 상기 폐액을 배출하는데 이용되는 제1 배출 밸브(discharge valve)를 구비한 것을 특징으로 하는 연료 전지.
5. 제2항에 있어서, 상기 제2 용기는 상기 폐액을 배출하는데 이용되는 제2 배출 밸브 및/또는 상기 배기가스를 방출하는데 이용되는 제2 릴리즈 밸브를 구비한 것을 특징으로 하는 연료 전지.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연료 전지 스택은 유입경로를 구비하고, 상기 용기의 용량은 상기 유입경로 체적의 150배 내지 1,000배 범위에 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
7. 연료를 연료 공급원으로부터 연료 전지 스택과 용기에 공급하는 제1 작동단계;

   상기 연료 전지가 상기 용기의 연료를 이용하여 작동하는 제2 작동단계; 및

   상기 연료를 상기 연료 공급원으로부터 상기 연료 전지 스택과 상기 용기에 공급하고, 상기 연료 전지 스택 중의 폐액과 배기가스를 제거하는 제3 작동단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 연료 전지의 작동 방법
8. 제7항에 있어서, 상기 연료 전지 스택은 유입경로를 구비하고, 상기 용기의 용량은 상기 유입경로 체적의 150배 내지 1,000배 범위에 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 작동 방법.
9. 제7항에 있어서, 상기 연료 전지의 성능이 제1 예정수준에 도달하였을 경우 상기 배기가스를 상기 용기로 부터 방출하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 작동 방법.
10. 제7항 또는 제9항에 있어서, 상기 연료 전지의 성능이 제2 예정수준에 달하였을 경우 상기 폐액을 상기 용기로 부터 배출하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 작동 방법.

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