KR20100059892A - 피드백 센서를 구비한 연료 셀 어셈블리 - Google Patents

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헨릭 엑스트룀
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Abstract

본 발명은, 애노드 가스 확산층 및 캐소드 가스 확산층 사이에 개재된 멤브레인 전극 어셈블리(MEA) 및 상기 애노드 및 캐소드 가스 확산층들(GDL)에 각각 연결되는 제 1 및 제 2 전류 컬렉터들을 갖는 유형의 연료 셀들의 어셈블리(1000)에서 제어 목적으로 사용가능한 센서 셀(1010)에 관한 것이다. 센서 셀(1010)은 자신이 평면-내 연료 셀 어셈블리(1000)에서 음의 전류 컬렉터(1050)와 최종 연료 셀을 공유하도록 결합되고, 동작 시에 어셈블리의 상태를 표시하는 전압 신호를 제공하기 위해서 저항(1070)에 의해 단락되는 것이 바람직하다.

Description

피드백 센서를 구비한 연료 셀 어셈블리{FUEL CELL ASSEMBLY HAVING FEED-BACK SENSOR}
본 발명은 일반적으로 전기화학 셀들에 관한 것으로, 특히, 센서 셀에 의해 연료 공급 또는 전력 도출(power draw)이 제어되는 연료 셀들에 관한 것이다.
본 발명에 관한 연료 셀의 유형은 국제 특허 출원 PCT SE2007/050222 및 PCT SE2005/001514에 게시되어 있다.
상기 유형의 연료 셀들은 다음의 설계 특성들/기능들로 구성된다:
1) 애노드 가스 챔버(anode gas chamber)를 생성하는 실링(sealing) 기능. 이는 멤브레인 전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly : MEA)을 애노드 전류 컬렉터 포일(collector foil)에 밀봉하는 접착제를 사용함으로써 달성된다.
2) 수소 가스를 연료 셀 디바이스 내의 상이한 셀들에 분배하기 위한 가스 분배 기능, 이는 수소 가스에 대한 가스 채널들을 갖는 지지 플레이트(support plate)를 형성함으로써 달성된다. 연료 셀들은 접착제 및/또는 클램핑(clamping) 수단에 의해 지지 플레이트에 부착된다. 지지 플레이트로부터 각각의 셀의 애노드 가스 챔버로 이어지는 홀(hole)들이 존재한다.
3) 하나의 셀로부터의 전류를 수집하고 그것을 최소 저항을 갖고 셀들의 능동 에어리어(active area)에 걸쳐 일정한 전류 밀도가 획득되는 방식인 것이 바람직한 인접 셀로 분배하는 전기 상호 접속 기능.
4) 클램핑 특성. 연료 셀이 클램핑 력(clamping force)을 받도록 함으로써, 셀 내의 내부 저항, 즉, 상이한 재료들 사이의 접속 저항 및 재료들 내부에서의 특정 저항들이 감소된다(예를 들어 가스 확산층(Gas Diffusion Layer : GDL)을 압축함으로써, 자체의 섬유-대 섬유 접속들이 개선된다). 전기 접촉과 유사하게 또한 열 전도성이 상기 클램핑에 의해 개선됨으로써 더 많은 열이 반응층들(즉, 전극들)로부터 분산될 수 있다. 클램핑 특성은 전기 상호 접속 기능과 밀접하게 연결된다.
함께 적용되는 모든 이러한 설계 특성들/기능들은 연료 셀 디바이스를 형성한다.
연료 셀 어셈블리들(연료 셀 디바이스들)의 일반적인 문제점은 연료 공급이 항상 최적(즉, 일정하고 연료 셀 전원에 의해 전력이 공급되는 장치의 정력 수요에 따른)이 아니므로 연료 공급(수소 가스 흐름) 또는 연료 셀 디바이스로부터의 전력 도출을 제어해야만 한다는 점이다.
흔히, 연료 셀 스택 성능(stack performance)은 스택 내의 개별 셀들 또는 셀들의 그룹들의 전압을 검출함으로써 모니터링된다. 전형적인 스택은 일반적으로 30 내지 200의 개별 셀들을 포함한다. 개별 셀들 또는 셀들의 그룹의 전압 검출은 비용이 많이 들고, 미리 설정된 전압 범위를 검출하고 식별하며 정상 동작 상태들(즉, 희망하는 또는 바람직한 범위 내의 상태들)이 복구될 수 있을 때까지 교정 동작을 취하거나 스택을 셧다운(shut down)하기 위해서 복잡한 데이터 수집 시스템 및 제어 알고리즘을 필요로 한다. 전압 검출을 사용하여 연료 셀 성능을 모니터링하는 전형적인 방법은 미국 특허 번호 5,170,124에 기술되어 있다. 본 발명은 연료 셀 스택에서의 셀들의 그룹들의 전압들을 측정하여 기준 전압과 비교하는 장치 및 방법을 기술한다.
측정되고 전압 및 기준 전압이 소정의 양보다 많이 상이한 경우, 셧다운 시퀀스를 구현하기 위해 알람 신호 또는 프로세스 제어 절차가 개시되거나 또는 치료 동작을 개시할 수 있다. 이 전압 검출 방법이 경계 외 상태의 존재를 식별하는 반면에, 상기 방법은 경계 외 상태를 촉발하는 문제의 원인 및/또는 현상에 대해서는 부정확하다.
WO 00/02282(Ballad 전력 시스템들)에서 복수의 연료 셀들을 포함하는 전기화학 연료 셀 스택(stack)이 게시되어 있다. 연료 셀들 중 적어도 하나는 센서 셀(sensor cell)이다. 센서 셀은 상기 복수의 나머지 연료 셀들에 대하여 적어도 하나의 구조적인 차이를 갖는다. 상기 구조적인 차이는 예를 들어 감소된 센서 셀 전기화학적 능동 에어리어(area), 감소된 전기화학적 촉매 로딩(loading), 변형된 애노드 또는 캐소드 흐름 장(flow field), 상이한 전기화학적 촉매 조성물, E는 변형된 냉각제 흐름 장 구성을 포함할 수 있다. 센서 셀은 실질적으로 스택에 남아있는 셀들과 동일한 조건 하에서 동작한다. 그러나, 특정한 스택 동작 상태의 변화에 응답하여, 전기적 또는 열적 응답, 바람직하게는 전압 변화는 남아 있는 연료 셀들에 동시에 포함되지 않는 센서 셀들에서 유도된다. 그러므로, 센서 셀은 바람직하지 않은 상태들을 검출할 수 있고 그의 응답은 교정 동작을 개시하는데 사용될 수 있다. 상이한 유형의 상태에 특수한 하나 이상의 센서가 스택에서 사용될 수 있다. 희망하지 않는 상태가 없을 때는, 센서 셀은 전력-발생 연료 셀로 기능할 수 있다.
'282에 따르면 스택에 통합된 센서 셀들은 또한 유용한 전력 발생 셀들 역할을 할 수 있다. 그러므로, 전력을 생산하기 위한 스택의 동작 중에 센서 셀(들) 및 나머지 셀들은 전력을 제공하기 위해서 접속된다. 다양한 전기 부하가 센서 셀(들)을 포함하는 연료 셀 스택에 걸쳐 적용될 수 있다. '282에 따른 센서 셀들은 스택에서 직렬로 접속된다.
본 발명의 목적은 연료 공급이 하나의 또는 여러 평면 내 연료 셀 어셈블리들의 전력 도출 또는 그 역과 정합하는데에 개선된 제어를 제공하는 것이다.
본 목적은 청구항 제1항에 규정된 바의 발명에 의해 달성된다.
그러므로, 개별적인, 더 작은 연료 셀을 평면-내 연료 셀 어셈블리의 배출구에 제공함으로써, 상기 더 작은 셀은 소비되지 않고 어셈블리를 통과했던 연료에 의해 구동됨으로써, 연료 공급기에 전기 신호, 피드백을 발생시키는 것이 제공될 수 있고, 이로 인해 연료 공급 또는 대안으로 연료 셀 어셈블리의 전력 도출을 제어하고, 결과적으로 연료 소비의 최적화가 가능하다. 그러므로 추가 셀은 센서 셀로서 기능한다.
바람직하게 상기 센서 셀은 음의 전류 컬렉터를 상기 평면-내 연료 셀 어셈블리 내의 최종 연료 셀과 공유하도록 전기적으로 결합된다. 센서 셀을 사용함으로써, 상기 어셈블리의 고장 상태(즉, 수소의 누출)를 식별하는 것이 가능해질 것이다.
제어 목적을 위해 최종 셀을 사용하는 대신에 전용의 더 작은 센서 셀을 제공하는 것의 이점은 상기 더 작은 센서 셀이 어셈블리의 더 큰 최종 셀보다 더 일정한 가스 농도(이는 더 일정한 전기화학 전위를 발생시킨다)를 가질 것이다. 이는 설계의 더 긴 서비스 수명을 제공할 것이다. 게다가, 공기가 부식 상태를 야기할 수 있는 최종 셀 내로 아주 쉽게 진입하지 못할 것이다. 또한, 센서 셀은 어셈블리에 공급되는 가스가 너무 많은지 또는 너무 적은지에 대한 정보를 제공할 수 있다. 어셈블리 내의 최종의 보통 셀이 센서로 사용되는 경우, 그것은 너무 작은 가스 공급의 정보만을 제공할 수 있다. 최종으로, 상기 센서 셀이 충분히 크다면, 상기 센서 셀은 모든 가스가 소비되는지를 확인할 수 있다.
상기 이외에도 본 발명의 센서 셀은 생산하는데 매우 저렴하다.
본 발명은 이제 첨부된 도면들을 참조하여 기술될 것이다. 도면들은 단지 개략적인 도면이고 비율에 딸 도시되지 않는다. 명세서에서 "상부의" 또는 "하부의"라는 언급은 도면에서의 방향으로 해석되며, 연료 셀은 사용 시에 임의의 방향을 가질 수 있음을 명심해야 한다.
도 1은 종래 기술의 연료 셀 디바이스를 도시한 도;
도 2a는 본 발명과 함께 사용 가능한 다른 종래 기술의 연료 셀을 도시한 도;
도 2b는 본 발명과 함께 사용 가능한 다른 종래 기술의 연료 셀을 도시한 도;
도 3은 부가적인 실시예를 개략적으로 도시한 도;
도 4a는 연료 공급에 관하여 직렬로 접속되고 제어 목적으로 본 발명에 다른 센서 셀을 갖는 된 다중 셀 디바이스의 배치를 개략적으로 도시한 도;
도 4b는 연료 공급에 관하여 병렬로 접속되고 제어 목적으로 본 발명에 다른 센서 셀을 갖는 된 다중 셀 디바이스의 배치를 개략적으로 도시한 도;
도 5는 본 발명에 따른 센서 셀을 통합한 4 셀 어셈블리의 개략적인 단면도;
도 6은 각각에 본 발명에 따른 센서 셀이 제공되는 연료 셀 어셈블리들을 포함하는 "대규모 시스템"을 도시한 도; 및
도 7은 연료 셀 어셈블리 및 본 발명에 따른 센서 셀을 포함하는, 예를 들어 이동 전화에 대한 연료 셀 전원의 단면도.
도 1은 종래 기술의 셀 디바이스의 예를 도시한다. 연료 셀 디바이스는 직렬로 상호 접속된 복수의 연료 셀들(세 셀들이 도시됨)을 포함한다. 상기 스택(stack)은 모든 셀들이 실장되는 지지 플레이트(111) 상에 제공된다. 각각의 셀은 애노드 GDL(108) 및 캐소드 GDL(110)을 포함하고, 이들 사이에는 MEA(109)가 삽입되어 있다. 셀들간의 전기적 상호 접속은, 하나의 셀의 애노드 GDL(108)에 그리고 인접 셀의 캐소드(110)에 접속되어, 한 종단에서는 애노드 전류 컬렉터로서 다른 종단에서는 캐소드 전류 컬렉터로서 기능을 하는, 전류 컬렉터 포일(106')을 통해서 달성된다. 그러므로, 포일은 지지 플레이트(111) 상에서 하나의 셀 어셈블리(도면에서 가운데에 있는)의 하부에 제공되고, 상기 셀 어셈블리로부터 외부로 신장되고 부가하여 신장되면서(도면에서 좌측으로) 인접 셀의 MEA 상에서 부분적으로 지지되고, 인접 셀의 캐소드 GDL(110)과 접속하여 종료된다.
각각의 셀의 상부에는 비활성인 공기 투과 클램핑 부재(104)가 있고, 이는 도금 금속 네트 또는 천공된 금속 플레이트일 수 있다. 마지막에, 상부 플레이트는 컴포넌트들을 타이트하게 유지하고 내부 저항을 감소하기 위해서 셀들의 전체 배열에 걸쳐 제공된다.
도 1에서 명확하게 도시될 수 있는 바와 같이, 전류 컬렉터 포일(105, 106', 106'')은 적어도 부분적으로 MEA(109)와 접촉할 것이다. 셀의 동작 중에 이 접촉으로 이해 MEA 및 포일 간의 전기화학 반응이 발생할 수 있다. 이 반응은 실제로 포일의 부식을 야기하여, 이로 인해 이온들이 방사되고, 이온들은 후속하여 MEA를 약화시킴으로써 셀 어셈블리의 유효 수명의 감소를 야기한다. 이는 특히, 물이 형성되어 있는 고 전기화학적 전위를 갖는 캐소드 측에서도 마찬가지이다. 애노드 측의 경우에 도전성 접착제는 부식을 방지하는 보호층으로서 작동한다.
해로운 부식/포이즈닝을 제거하기 위해서, 본 발명은 설계에서의 개선점이 제공, 즉, 하나의 셀로부터의 전류 컬렉터 포일이 접속되어 있는 인접 셀의 캐소드 측의 MEA 및 캐소드 GDL와 접촉하게 되지 못하도록 제공된다.
표현 "클램핑 수단"은 연로 셀을 포함하고 전류를 연로 셀에 일정하게 분배하는 하나 또는 여러 컴포넌트들을 포함한다. 클램핑 수단은 비활성이며 높은 전기 도전성을 나타내는 공기 투과 컴포넌트(클램핑 부재), 예를 들어 가스 투과를 위한 구멍들을 갖는 도금 스테인리스 스틸 또는 도금 플레이트/포일을 가질 수 있다.
전류 컬렉터 포일의 상기 장치에 의해, 전류는 인접 셀의 캐소드로 전송된다. 본 설계의 장점은 도전성 포일 컴포넌트(도전성 접착제를 포함하여)는 단지 애노드 조건들 하에 전기적으로 비활성이기만 하면 된다. 이는 단지 클램핑 수단만이 인접 셀의 MEA 및 캐소드 GDL과 접촉하기 때문이다.
일반적으로, 애노드 가스 확산층 및 캐소드 가스 확산층 사이에 게재되는 멤브레인 전극 어셈블리(membrane electrode assembly : MEA)를 가지며, 제 1 및 제 2 전류 컬렉터들이 상기 애노드 및 캐소드 가스 확산층(gas diffusion layer : GDL)에 각각 연결되는 유형의 전기화학 셀들을 상호 접속시키는 장치가 제공될 수 있고, 전류 컬렉터들은 한 셀의 애노드 측에서 인접 셀의 캐소드 측으로 신장되는 도전성 포일, 그래파이트 구조 등일 수 있고, 셀 컴포넌트들은 서로 클램핑된다.
적절하게, 스페이서 부재(spacer member)가 제 1 셀의 애노드 전류 컬렉터 및 제 2의 인접 셀의 캐소드 측 사이에 게재되고, 여기서는 상기 비활성 도전성 부재에 의해서 전기 접속이 제공된다.
상기의 특징들을 구현한 연료 셀 어셈블리가 이제 도 2a를 참조하여 기술될 것이다.
각각 직렬로 접속되는 두 셀들(200a 및 200b)이 도시된다. 각각은 애노드 GDL(208a 및 208b), 및 캐소드(210a 및 210b), MEA(209a 및 209b), 및 비활성 클램핑 요소(204a 및 204b)를 각각 포함한다.
도전성 포일(206)은 제 1 셀(200a)(좌측의)의 애노드 부분 아래에 제공되고 제 2의, 인접 셀(200b)로의 접속을 위해 우측으로 외부로 신장된다. 포일은 금속, 그래파이트, 또는 요구에 따라 형성될 수 있는 다른 적절한 재료로 제조될 수 있다. 용어 "도전성 포일"은 전기적 도전성 접착제를 갖는 구리 테이프 또는 전기적 도전성 접착제를 갖거나 갖지 않는 주석(Sn) 도포 구리 포일을 포함하기 위해서 채택될 것이다. 또한 도전성 포일은 얇은 탄소 기반 재료, 제한되지 않지만 예를 들어 열적으로 팽창된 그래파이트, 탄소 섬유 크로우스(cloth), 탄소 종이 재료, 상기 기재된 재료들의 결합으로 제조되는 그래파이트 포일(graphite foil)일 수 있다. 그것은 또한 자체의 구조적인 성능이 셀 내의 환경에 의해 설정되는 요건들을 만족시키는 한, 임의의 다른 전기적 도전성 포일 재료일 수 있다.
본 실시예에서, 절연 스페이서 부재(201)는 애노드 도전성 포일(206)(도면의 좌측에서, 하나의 셀의 애노드 측 아래에서부터 신장되는) 및 인접 셀의 MEA(209b) 사이에 게재되어서 클램핑 수단 컴포넌트(204b)(예를 들어 도금 네트)로의 전기적 접속이 확보되도록 하면서도, 동시에 어셈블리가 상부 클램핑 플레이트로 압축될 때(예를 들어 도면에 도시되지 않은 후면지지 플레이트 및 상부 클램핑 플레이트를 서로 클램핑/나사고정함으로써) 포일(206)이 인접 셀(200b)의 MEA(209b)로부터 전기적으로 절연되도록 한다. 그러므로, 제 1 전류 컬렉터(206)가 상기 비활성 도전성 부재(204b)에 의해서 스페이서 부재(201)에 대하여 클램핑될 때, 제 1 전류 컬렉터(206)는 상기 스페이서 부재(201)의 상면과 접촉하는 신장된 부분을 갖는다.
상기 전기적 접속의 위치는 응축수가 전류 컬렉터 포일 및 MEA 사이에 전기화학 셀을 형성할 수 없도록 선택되는 것이 바람직하다. 이와 같은 전기화학적 셀은 부식 과정에서 방출되는 이온에 대한 통로 역할을 한다.
그러나, 애노드 포일(206) 및 인접 셀의 캐소드 사이의 전기화학 셀의 형성이 회피될 수 있도록 다른 조치들이 취해지는 경우, 전기 접속의 위치는 덜 중요하다. 예를 들어, 스페이서 부재 재료의 표면을 공수화(hydrophobized)하거나 액체막 형성을 위한 어떤 다른 장벽을 도입함으로써 상기 응축수는 셀 환경에서 원하지 않는 지점들까지 아주 쉽게 확산되지 않을 것이다.
도 2b에 도시된 다른 실시예에서, 셀들 중 하나(도면에서 우측에 있는 셀)의 클램핑 부재 컴포넌트(204b)(예를 들어 도금 또는 그래파이트 부재)는 셀 어셈블리로부터 멀어지도록 신장되도록 비스듬히 하향하도록 구부러져서 동일한 셀의 MEA과 접촉되지 않고 인접 셀(도면에서 좌측의 셀)의 전류 컬렉터 포일(206)과 접속한다. 절연 스페이서 부재(201)는 클램핑 수단 컴포넌트(즉, 네트) 상에 배치되고 상부 플레이트(218)에 의해서 눌려져서, 네트(204b)를 전류 컬렉터 포일(206)에 전기적으로 접속시킨다.
그러므로, 본 실시예에서 스페이서 부재의 하부면은 상기 셀(200a)의 멤브레인 전극 어셈블리(MEA)의 일부와 접속되고 비활성 도전성 부재(204b)는 상기 부재(201)의 하부면 및 상기 전류 컬렉터(206) 사이에서 클램핑된다.
여기서 비활성 도전성 부재(204b)는 스페이서 부재(201)의 하부에서 상향하여 인접 셀(200b)의 캐소드 GDL(210b)와 접촉하도록 신장된다.
클램핑 수단 컴포넌트(204)는 또한, 도 2b에 따라 형성될 때 클램핑 수단 컴포넌트의 스프링력이 전기적 접촉을 보장하도록 기계적 완전성을 가질 수 있다.
상기 스페이서 부재(201)는 압축성 쿠션인 것이 바람직하며 연료 셀 환경에서 비활성인 투과성 플라스틱 재료로 제조되어야 하는 것이 바람직하다. 바람직하게도, 재료 또는 재료의 표면은 또한 응축수의 액체 막 형성이 회피될 수 있도록 공수화되어야만 한다. 투과성 테트라프루오로에틴(tetrafluoroetene : PTFE) 또는 유사한 공수화 재료, 투과성 실리콘 고무 또는 다른 압축성 및 비활성 플라스틱 재료가 스페이서 부재에 대한 적절한 재료의 예이다. 재료 그 자체가 공수화되지 않는다면, 그것을 PTFE와 같은 공수화 재료로 도포되어야 하는 것이 바람직하다.
스페이서 부재(201)는 또한 비-압축성일 수 있으나, 이는 쿠션을 정확하게 재고/재거나 더 강한 압축성의 GDL 재료들이 컴포넌트들(208 및 210)에 대하여 선택되어야 하는 요구를 더 높게 설정한다. 이와 같은 경우에 스페이서 부재는 비투과성 PTFE 및 실리콘으로부터 제조될 수 있다.
도 3에서 본 발명의 부가적인 실시예가 개략적으로 도시된다. 연료 셀 어셈블리는 각각 애노드 GDL(508) 및 MEA(509)에 의해 분리된 캐소드 GDL(510)을 포함하는 복수의(두 개만 도시됨) 연료 셀들을 포함하며, 모든 부속들은 지지 플레이트 상에 제공된다. 도전성 포일(506)은, 셀의 애노드 측을 걸쳐서 그의 한 측까지 신장되고 부가하여 상향하여 접혀서 인접 셀의 스페이서 프레임(520)의 상부에 위치되어 클램핑 부재(504)와 접촉한다. 스페이서 부재는 예를 들어 Poron®의 프레임(520)의 형태로 제공되고, 상기 프레임은 MEA 및 포일(506)을 클램핑하도록 제공된다.
이제 본 발명이 더욱 상세하게 기술될 것이다.
그러므로, 본 발명에 따르면 센서 셀의 도입으로 셀 성능에 대한 제어 기능이 제공된다. 이 개념은 도 4a 및 b에서 개략적으로 도시되고, 이제 상세하게 기술될 것이다.
그러므로, 도 4a에 도시된 다중 셀(900a - d) 장치에서, 더 작은 센서 셀(901)이 설계 시에 포함된다. 셀들(900a - d)은 직렬로 접속되거나(도 4a에서 도시된 바와 같이) 수소 공급 장치에 대하여 병렬로(도 4b에서 도시된 바와 같은) 접속될 수 있다. 병렬에서 어셈블리 내의 하나의 셀의 모드 실패가 검출되지 않지만, 이는 직렬 접속에서는 가능할 것이기 때문에 직렬 접속이 바람직하다. 그러나, 다중 센서 장치에서 센서 셀은 직렬 또는 수소 공급 장치(연료 공급)에 대해서 병렬이 둘 모두로 배치될 수 있다.
이 센서 셀의 구성 또는 제조는 원칙적으로 다른 셀들의 설계를 따를 수 있다. 그러나, 센서 셀은 전기적으로 접속되어 그것이 음의 전류 컬렉터를 평면-내 연료 셀 어셈블리 내의 최종 연료 셀과 공유하도록 한다. 이는 최종 동작 또는 전력 셀로부터 신장되는 애노드 전류 컬렉터가 지지 플레이트 위로 더 신장되도록 하여 전류 컬렉터 상의 센서 셀을 자체의 애노드 GDL와 접촉하도록 배치함으로써 달성된다.
직렬 가스 접속은 연료 셀 어셈블리로부터 응축수의 방울이 용이하게 제거될 수 있고 가스 흐름을 멈추게 하는 상기 방울의 위험성이 적은 이점을 갖는다. 직렬 접속 연료 공급의 단점은 연료 셀 디바이스에 대한 압력 증감이 제 1 및 최종 셀의 상이한 성능으로 이어질 수 있다는 점이다.
병렬 접속된 연료 공급의 단점은 낮은 압력의 증감이 가스 채널을 통하는 응축된 방울을 밀어내기가 어려울 수 있다는 점이다. 더욱이, 셀의 흐름 채널이 봉쇄되는 경우, 수소 가스가 다른 채널들을 통하여 흐를 수 있기 때문에, 상기 셀 내의 수소의 부족이 센서 셀에 의해 검출되지 않는다.
센서 셀의 애노드 및 캐소드는 저항(R)을 통해 서로 접속된다. 이 상기 저항의 저항값은 특정한 값으로 설정되어 적절한 전류(예를 들어 100mA)가 셀을 통과할 수 있다. 이 셀은 다른 셀들로부터의 수소 가스 배출구(902)에 배치된다. 센서 셀(901)의 목적은 모든 셀들(900a - d)에 충분한 수소가 제공되는지를 표시하는 것이다. 구성을 통하여 적절한 수소가 존재하면, 센서 셀은 특정한 값보다 더 높은 전압을 제공할 것이다. 시스템에 수소가 적거나 또는 존재하지 않으면, 전압은 상기 값 이하로 강하될 것이며, 물론 수소 가스가 이용 가능하지 않은 경우 영(0) V까지 강화되다. 전압이 설정 한계점을 초과하는 경우, 이는 수소 공급률이 지나치게 높음을 표시할 것이다.
센서 셀에 대한 부식 문제점을 회피하기 위해서, 작동 전위(working potential)(작동 전압)은 지나치게 높아서는 안 된다. 센서 셀이 저항에 대해서 단락되었다면, 작동 전압은 0,1 및 0,4 V 사이에 있어야 한다. 그러므로 상기 저항은 무한 수소 공급이 0,1 및 0,5 V 사이, 바람직하게는 0,1 내지 0,3V 사이에 있도록 매칭(matching)되어야만 한다.
센서 셀의 크기는 다음의 기준으로부터 선택될 수 있다: 1) 정격(regulation)에 있어서의 안정성. 부하/가스흐름의 변화가 존재할 때 센서 셀이 더 작을수록 그것은 더 민감해진다(더 큰 전압 점프). 2) 연료 절약. 센서 셀이 더 클수록 센서 셀에서 더 많은 수소가 연소된다. 센서 셀 크기 및 저항의 치수에 대한 절차의 예. 1) 희망하는 화학량(예를 들어 5% 초과 가스)을 선택한다. 대응하는 전류를 계산한다(예를 들어 1A의 명목상 전류를 갖는 4-셀 유닛의 경우, 이는 0.05×4×1=200mA=Ireg). 2) 안정된 상태에서 0.3V에서의 약 2×Ireg = 400mA를 전달할 수 있는 센서 셀 능동 에어리어 크기를 선택한다. Gore MEA(PRIMEA 5710)를 갖는 본 발명의 설계의 경우, 센서 셀 크기는 약 0.8㎠이어야 한다. 3) 저항 R을 선택하여 R=0.15V/Ireg=0.15/0.2=0.75 옴이 된다.
일반적으로 저항은 Uwork의 작동 전압을 갖는 센서 셀에 대하여 다음과 같이 치수화된다:
R=Uwork/Ireg
여기서
Ireg = Egas×Inom×N
Egas는 센서 셀로 공급된 초과 가스이고, Ireg는 Inom의 명목상 전류를 갖는 N개의 셀들의 어셈블리에 대한 센서 셀을 통하는 전류이다.
센서 셀에 의해 소비되는 초과 가스는 더 큰 연료 셀 어셈블리의 경우 감소될 수 있다. 바람직하게 초과 가스 비율은 1 - 5%이어야 한다.
도 5는 어셈블리의 배출구에 제공되는 본 발명에 따른 센서 셀(1010)을 구비하며 전체적으로 1000으로 지정된 연료 셀 어셈블리를 개략적으로 그러나 더욱 자세하게 도시한다. 도시된 어셈블리에서의 셀들은 연료 공급 방향에 대해 직렬로 접속되는데, 이것이 바람직한 실시예다.
센서 셀(1010)은 원칙상 어셈블리에서의 동작 효과 셀들과 동일한 구조 즉, 도 5b를 참조하여 도시된 바와 같은 구조를 가지므로, 여기서는 더 이상 기술되지 않을 것이다.
그러므로, 센서 셀은 애노드 GDL(1020), 캐소드 GDL(1030), GDL들을 분리시키는 MEA(1040), 어셈블리 내의 다른 전력 발생 셀들과 동일한 지지 플레이트(1045)에 제공되는 모든 요소들, 지지 플레이트 상에 제공되는 전류 컬렉터(1050), 예를 들어 도전성 포일 또는 그래파이트로 제조된 요소, MEA(1040)를 지지 플레이트에 클램핑(clamping)하고 GDL/MEA/GDL 스택 및 클램핑 플레이트(1060)에 밀봉 분리하도록 배열되는 스페이서 프레임(1055)을 포함한다. 스페이서 부재는 특히 가압 시스템에서 사용되고 있을 때 센서에 중요하다(즉, 셀의 밀봉을 돕기 위해서). 전류 컬렉터(1050)는 센서 셀의 애노드 측에 걸쳐서 신장되고 인접한 전력 발생 셀, 즉, 어셈블리에서의 최종 셀의 음극에 접속하도록 신장된다.
센서 셀은 저항(1070)에 의해 단락된다. 이 저항에 걸친 전압은 계속해서 측정되고 어셈블리에서의 연료 소비를 나타내는 전압 신호를 제공한다.
그러므로, 저항에 걸친 전압이 영(0)으로 강하하면, 이는 연료 셀 어셈블리에 충분한 연료가 제공되지 않음을 표시하는 것이므로 연료 공급률이 증가할 수 있다. 반대로, 전압이 증가하여 설정된 임계값에 도달하면, 이는 연료 공급이 너무 많아서 보다 낮은 비율로 조정될 수 있다. 이는 효율적인 연료 제어를 위해서 제공됨으로써, 셀 어셈블리의 성능을 최적화한다.
센서 셀은, 센서로부터 주변 공기로의 개방 배출구가 존재하는 개방 종단 시스템들에서 적용될 수 있다. 그러나, 바람직하게, 배출구는 센서 셀로의 공기의 역 확산이 빠르지 않도록 얇은 모세관이어야 한다.
사용 시에, 센서 셀에서의 전압 신호는 두 상이한 방식으로 사용될 수 있다:
전압 신호가 수소원 시스템(수소 발생기 시스템)으로 제공되어, 수소 연료 셀들이 작동하는데 필요한 수소 가스의 양에 따라, 다중 연료 셀 어레이(cell array)에 다소의 가스가 공급되도록 한다. 다른 대안은 신호를 연료 셀 유닛(cell unit)의 전력 일렉트로닉스(power electronics)에 제공하는 것이다. 이 전압은 연료 셀 유닛의 출력 전력을 설정하는데 사용될 수 있다. 전압 신호가 강하되면, 전력이 감소되어야 한다. 그러므로 이 상술한 전력 일렉트로닉스는 연료 셀 유닛으로부터의 출력 전력을 제어하는 기능을 가질 필요가 있다.
정의들
- 연료 셀 어셈블리 = 연료 셀 디바이스 = 다중 연료 셀 어레이(array): 하나 또는 여러 개의 직렬 접속된 연료 셀들 및 센서 셀을 포함한다.
- 연료 셀 전원 : 연료 카트리지(cartridge)/수소 발생기, 연료 셀, 밸브들, 저력 및 제어 일렉트로닉스, 전지 및/또는 슈퍼커패시터(supercapacitor)를 포함할 수 있다.
- 연료 셀 스티커(Sticker) : MEA들, GDL들, 전류 컬렉터 포일들, 및 플라스틱 재료들을 포함하는 연료 셀 어셈블리에서의 대체 가능한 컴포넌트.
- 평면-내 셀 어셈블리 : 개별 셀들이 표면(평편한 또는 구부러진 심지어 비틀린)상에서 나란히 위치되는 연료 셀 디바이스
- 개방 종단 연료 셀 디바이스 : 디바이스의 가스 출구에서 특정한 밸브 또는 가스 흐름 제한 장치를 구비하지 않은 연료 셀 디바이스.
- 데드 종단(dead end) 연료 셀 디바이스 : 연료 셀들 뒤에 배치된 온/오프(on/off) 밸브를 구비한 연료 셀 디바이스.
- 블리드(bleed)를 구비한 데드 종단 연료 셀 디바이스 : 연료 셀들 뒤에 가스 흐름 제한 장치를 구비한 연료 셀 디바이스.
개방 종단 연료 셀 디바이스
연료 공급은 가스 흐름을 위 아래로 변경할 수 있는 전기적 제어 스트랭글러(strangler) 밸브(또는 병렬로 배치되는 여러 온/오프 밸브들)에 의해 제어될 수 있다. 대안으로, 예를 들어 화학적 가수 분해에 의한 본래의 수소를 생산하는 경우에, 반응률이 제어될 수 있다. 후속 연료 셀이 개방 종단인 경우 센서 셀은 밸브에 또는 반응 장치에 피드백을 제공할 수 있어서 연료 공급이 전류 도출(즉, 필요한 ㅈf력 도출에 대응하는)에 대해 정확해진다.
다른 선택사항은 연료 공급(즉, 수소 흐름)의 어떤 특정한 제어 없이 종단 개방된 연료 셀 디바이스를 작동시키는 것이다. 이는, 예를 들어 압력 감소 밸브를 통해 연료 셀 디바이스에 연결된 금속 수소화물 탱크를 가지거나 또는 반응률의 수동 제어에 의한 화학 가수분해 반응 장치를 가지는 경우이다. 이 선택에 대해서, 연료 셀의 전력 도출은 연료 공급으로 조정되어야 한다. 상기 전력 도출이 외부에서(예를 들어 연료 셀 전원에 의해 동력공급되거나 충전되는 이동 전화에 의한) 필요한 것보다 더 클 경우, 발생된 여분의 전력은 연료 셀 전원의 내부 배터리를 충전시킬 것이다. 역으로, 외부 전력 수요가 연료 셀이 공급하는 것보다 큰 경우(예를 들어 낮은 수소 흐름) 배터리가 전력을 추가할 수 있다.
데드 종단 연료 셀 디바이스
연료 셀 디바이스에 가압 가스가 공급되는 경우(즉, 연료 공급이 자체의 최대 흐름 제한을 초과하지 않을 때, 특정한 압력에 도달하도록 설계된다). 이 시스템에서 연료 셀 디바이스의 가스 배출구에서의 온/오프 밸브(데드 종단 밸브)가 존재한다. 상기 밸브는 연료 셀 디바이스의 시동 중에 그리고 또한 비-연료 가스들(예를 들어 수증기 및 N2)의 축적으로 인해 실행될 때 공기를 제거하기 위해서 개방되어야만 한다. 가스 흐름 방향으로 연료 셀들의 뒤에 그러나 데드 종단의 앞에 센서 셀을 배치함으로써, 센서 셀은 시동 중에 언제 응축된 수소가 허용 가능한 레벨에 도달했고 따라서 데드 종단 밸브가 폐쇄될 수 있는지를 결정하는데 사용될 수 있다. 연료 셀을 가동시킬 때, 센서 셀은 응축된 수소가 언제 더 낮게 감소되었는지 그리고 제거가 언제 필요한지를 결정할 수 있다.
블리드를 구비한 데드-종단 연료 셀 디바이스
다른 선택 사항은 작은 누설량, 블리드(이는 단순한 가스 흐름 구조일 수 있다)를 갖는 데드-종단 밸브를 갖는 것이다. 블리드로 인해서 비-연료 가스들의 축적이 방지될 수 있다. "블리드" 설계의 다른 장점은, 최종 전력 발생 연료 셀에서 진공이 생성되고 공기가 가스 흐름 구조를 통해 센서 내로 흡입될 것이기 때문에, 최대-흐름 제한이 지원하는 것보다 전력 도출이 더 클 때(즉, 연료 소비가 연료원이 공급할 수 있는 것보다 더 클 때)를 센서 셀이 표시할 수 있는 것이다.
하나의 이로운 설계는 블리드를 구비한 데드-종단 밸브가 압력 종속 기능을 가질 때 그것은 임계값에서(통상적으로 1 - 7 psi : 6,9kPa - 48,3kPa) 개방된다. 이런 류의 밸브가(예를 들어 임계값 3P0/4) 적절한 가스 흐름 제한을 제공하는(예를 들어 명목상 전력에서 연료 셀 어셈블리에 대한 압력 강하가 유입구 압력의 압력 강하의 약 30 - 60%이고, 상기 수소원의 압력은 P0) 가스 흐름 채널 시스템을 갖는 연료 셀 디바이스와 접속되는 경우, 다음의 시동 및 작동 알고리즘이 따를 수 있다:
1) 시동 : 수소 가스가 연료 셀에 접속될 때 압력은 3P0/4 위로 증가할 것이고 밸브는 개방되어 연료 셀 어셈블리로부터의 공기기 제거될 것이다. 센서 셀 전압이 높아지자마자, 연료 셀 전력 도출이 시작되어 상기 압력이 데드 종단 밸브에서 3P0/4 아래로 감소하게 됨으로써 밸브가 다시 폐쇄된다.
2) 작동 : 연료 셀 디바이스를 작동할 때 센서 셀 전압은 수소의 부족으로 인해 낮아지게 될 것이다. 제 1 측정값은 연료 셀 디바이스로부터 전력 도출을 감소시키는 것이다(전력 도출이 수소원의 대응하는 최대-흐름 제한보다 큰 경우). 센서 셀 전압이 충분히 증가하지 않은 경우, 제 2 측정값은 연료 셀 디바이스로부터의 전력 도출을 순식간에 정지시키는 것이다. 데드-종단 밸브에서의 압력은 3P0/4 위로 증가할 것이고 연료 셀 디바이스는 일소될 것이다.
더 큰 시스템들
센서 셀은 또한 다중 유닛 시스템에서 사용될 수 있다. 전형적으로 이 시스템들은 가스 흐름 및 전류에 대하여 병렬로 접속되는 여러 연료 셀 유닛들(각각 3 -8 셀들)을 포함하고, 각각의 유닛은 하나의 센서 셀을 갖는다. 또한 DC/DC-컨버터 및 또한 전력 제어 일렉트로닉스가 각각의 연료 셀에 접속된다. 이 유형의 시스템은 개략적으로 도 6에 도시된다.
이 시스템에서 DC/DC 컨버터들은 전압을 연료 셀 유닛의 작동 전압으로부터 출력 전압(Vout)으로 증가시킨다. 센서 셀들로부터의 신호를 사용하면 각각의 전력 제어 유닛은 출력 전력을 제어하여 흐름이 상이한 연료 셀 유닛들의 차이와는 관계없이 모든 수소 가스가 소비된다.
최종 센서 셀(SC E)은 알람으로 그리고 또한 수소가 다른 센서 셀들로부터 벗어난 경우에 애프터 버너(after burner)로 사용될 수 있다.
센서 셀은 제어 목적을 위하여 다수의 상이한 디바이스들로 구현될 수 있다. 하나의 예는 예를 들어 미동 전화용 충전기이며, 이의 개략적인 예가 도 7에 도시된다.
그러므로, 도 7에 도시된 이동 전화 충전기는 플라스틱 케이스(700), 금속 수소화물 캐니스터(canister)(MH tank)(705), 가스 커넥터 디바이스(710), 가스 흐름 제한 장치(도시되지 않음), 4개의 평면 내 연료 셀들(720a -d)을 포함하는 연료 셀 스티커(750), 센서 셀(725), 일렉트로닉스(특정하게 도시되지 않음), 배터리(735), 및 USB A 암 커넥터(도시되지 않음)를 포함한다. 가스 흐름 제한 장치(도시되지 않음)는 가스 흐름을 특정한 레벨로 제한하고, 이는 유입 압력에 좌우되거나 좌우되지 않을 수 있다. 연료 셀은 또한, 수소 가스 분배를 위하여 연료 셀 스티커(750)에 마주하는 면에 홈이 파진 채널들(747)을 갖는 지지 플레이트(745)를 포함한다. 센서 셀(725)에 대해서 지지 플레이트(745) 및 연료 셀 스티커(750)가 신장되어, 최종 셀(가스 흐름 방향)의 음의 전류 컬렉터 포일이 센서 셀의 음의 전극으로 사용된다. 일렉트로닉스는 배터리를 충전하기 위해서 적절한 전압에 도달하기 위한 제 1 DC/DC 컨버터 및 USB 커넥터의 필요한 5V에 도달하기 위한 제 2 DC/DC 컨버터로 구성된다. 일렉트로닉스는 또한 센서 셀(725)의 그리고 개별 셀들의 전압을 모니터링한다: 그것은 또한 연료 셀의 그리고 배터리의 온도 레벨을 모니터링한다. 일렉트로닉스는 제 1 DC/DC 컨버터로부터의 출력 전압을 조절하기 위해 연료 셀로부터의 전력을 제어한다. 배터리는 Li-이온 배터리이다.
센서 셀의 치수 및 능동 에어리어는 2.1 × 0.4cm = 0.84㎠이다. 센서 셀은 1옴의 저항에 걸쳐 단락된다.
본 발명은 이제 다음의 비제한적인 예들을 통하여 더 설명될 것이다.
예 1 (센서 셀)
이 예는 도 2에 도시된 바와 같은 4 셀 연료 셀 유닛의 종단에서 수소 소비로부터 수소가 공급된 추가 연료 셀(센서 셀)을 사용하여 가스 흐름 또는 전류 레벨을 제어할 때 획득되는 결과들을 기술한다.
센서 셀은 평면 내 셀 어셈블리 내의 다른 4 셀들과 동일한 방식으로 제조되어, 동일한 MEA 및 GDL들이 사용되었다. 그러나, 이 셀들은 총 1㎠의 능동 에어리어를 갖는 다른 네 셀들보다 더 작은 치수였다. 그것은 도 2에 또한 도시되는 바와 같은 금 네트(gold net)를 사용하는 동일한 클램핑 기술을 포함하였다.
이 셀은 다른 네 셀들과 전기적으로 접속되지 않았지만, 1옴의 공지된 저항값을 갖는 저항에 걸쳐서 단락되었고, 그러므로 저항에 걸친 전압은 센서 셀을 통하여 흐르는 전류에 직접적으로 비례한다. PID 제어기를 사용하여 계속해서 저항에 대한 전압을 제어함으로써, 연료 셀을 통하는 전류 또는 수소 가스 흐름을 변화시킴으로써, 이 5번째 셀이 이제 도출된 전류로 인해 수소 소비를 지원하기 위해서 항상 연료 셀 유닛을 통해 충분한 수소가 제공되도록 하는 것을 보장할 수 있다.
여기서, 0.2A에서 1A로 5단계로 증가할 때, 상술한 바와 같은 추가 센서 셀을 갖는, 도 2에 도시된 바와 같은 4 셀 유닛에 대한 결과들이 도시된다. PID-제어기는 가스 흐름을 변화시킴으로써 제 5 셀에 걸쳐 전압 레벨은 0.2V로 유지하도록 프로그램된다. 확인될 수 있는 바와 같이, 제어 전략은 전류에서의 부드럽게 경사를 따를 수 있다.
Figure pct00001
Figure pct00002
대신에 연료 셀 유닛을 통하는 최대 허용 전류 레벨이 1A일 때, 전류 레벨을 변화시킴으로써 0.2V에서 제 5 셀에 걸친 전압 레벨을 유지하기 위해 PID-제어기를 프로그래밍함으로써, 동일한 연료 셀 유닛이 가스 흐름(여기서는 밸브에 의해 수동으로 제어되는)에 변동하여 노출될 때 다음의 결과를 획득한다:
Figure pct00003
예 2 ( 센서 셀을 포함하는 충전기)
이는 본 특허 출원에서 초기에 기술된 바와 같이 연료 셀 및 센서 셀을 사용하고 있는 이동 전환 충전기 또는 범용 전기소자 제공 디바이스를 기술하는 예이다.
충전기는 플라스틱 케이스, 금속 수소화물 수소 캐니스터(MH 탱크), 가스 커넥터 디바이스, 가스 흐름 제한 장치, 연료 셀, 센서 셀, 일렉트로닉스, 배터리, 및 USB A 커넥터(암)로 구성된다. 가스 흐름 제한 장치는 가스 흐름을 특정한 레벨로 제한하며, 이는 유입 압력에 좌우되거나 좌우되지 않을 수 있다. 연료 셀은 수소 가스 분배를 위하여 연료 셀 스티커에 마주하는 면에 홈이 파진 채널들을 갖는 지지 플레이트, 네 셀들의 연료 셀 스티커, 및 도금 천공 강철 플레이트로 제조된 클램핑 수단으로 구성된다. 센서 셀에 대해서 지지 플레이트 및 연료 셀 스티커가 신장되어, 최종 셀(가스 흐름 방향)의 음의 전류 컬렉터 포일이 센서 셀의 음의 전극으로 사용된다. 일렉트로닉스는 배터리를 충전하기 위해서 적절한 전압에 도달하기 위한 제 1 DC/DC 컨버터 및 USB 커넥터의 필요한 5V에 도달하기 위한 제 2 DC/DC 컨버터로 구성된다. 일렉트로닉스는 또한 센서 셀의 그리고 개별 셀들의 전압을 모니터링한다: 그것은 또한 연료 셀의 그리고 배터리의 온도 레벨을 모니터링한다. 일렉트로닉스는 제 1 DC/DC 컨버터로부터의 출력 전압을 조절하기 위해 연료 셀로부터의 전력을 제어한다. 배터리는 Li-이온 배터리이다.
충전기의 전력 출력은 1 - 3 W이다. 연료 셀의 전력은 수소 가스 흐름 및 연료 셀의 성능에 따라 0.5 - 2.5W이다. 그러므로, 이는 연료 셀이 전력 공급되는/충전되는 디바이스의 전력 수요를 완수할 수 없을 때 배터리가 전력을 추가하는 하이블리드 시스템이다. 대안으로 연료 셀의 전력이 전력 공급되는/충전되는 디바이스의 전력을 초과할 때 배터리는 상기 여분의 에너지를 저장할 수 있다.
금속 수소화물 수소(MH) 캐니스터의 압력에 따른 가스 흐름은 가스 커넥터 디바이스의 압력 감소 밸브 및 가스 흐름 제한 장치는 15 및 35ml/min이다. 그러므로, 연료 셀로의 수소 가스의 흐름은 변하지 않지만 압력 레벨 및 흐름 제한 장치에 의해 설정된다. 센서 셀의 치수 및 능동 에어리어는 2.1 ×0.4cm = 0.84㎠이다. 센서 셀은 1 옴의 저항에 걸쳐서 단락된다.
연료 셀의 동작 (안정된 동작)
센서 셀의 전압은 (연료 셀을 작동시킬 때) 항상 0.2V여야 한다. 전압이 0.2V보다 낮으면, 이는 수소의 부족을 나타내므로 제어 일렉트로닉스는 제 1 DC/DC-컨버터에서의 전압을 감소시킬 것이고 더 적은 전류가 Li-이온 배터리 그리고/또는 제 2 DC/DC 컨버터로 충전될 것이다. 전압이 0.2V보다 높으면, 반대의 메커니즘이 발생할 것이다. 전자 제어는 PVM-규정을 사용한다.
시동
시스템을 시동할 때 연료 셀의 셀들은 연속적으로 그리고 개별적으로 셀당 1초의 시간 주기 동안에 단락된다. 센서 셀의 각각의 단락 전압 사이에서 상기 절차가 테스트되고, 상기 절차는 안정된 동작을 시작하기 전에 셀들을 개시하도록 의도된다.
셧다운
에러가 표시되는 경우에 MH 탱크는 전기기계적 메커니즘에 의해 가스 커넥터 디바이스로부터 분리되고 발광 다이오드는 충전기가 셧다운 절차로 진입하고 있음을 표시한다. 이와 같은 에러 표시는 1) 하나의 특정한 셀의 낮은 전압(즉, 0.3V 아래), 2) 센서 셀의 너무 낮은 전압(즉, 0.1V 아래), 3) 연료 셀로부터 오는 너무 높은 전류(즉 1.5A를 초과하는), 4) 연료 셀에서 너무 높은 온도(즉, 섭씨 50도보다 더 높은), 5) 배터리에서의 너무 높거나 너무 낮은 온도(즉, 섭씨 5도 아래 또는 45도 이상), 6) 배터리에서 너무 높거나 너무 낮은 전압(즉, 3.6 아래 또는 3.9V 이상)일 수 있다. 이 에러 표시는 또한 MH 탱크가 신중하게 채택된 경우에도 발생될 것이다. 셧다운 동안, 연료 셀의 제 1 셀은 0.2초 동안 단락되고나서 0.2초 동안 대기한다. 상기 절차는 제 1 셀의 전압이 0.8V보다 작을 때까지 반복된다.

Claims (24)

  1. 연료 셀 어셈블리에 있어서:
    적어도 하나의 전력 발생 연료 셀 및 센서 연료 셀을 포함하고; 상기 센서 셀은 상기 어셈블리 내의 다른 셀(들)과 동일한 일반적은 구성을 갖는, 즉, 애노드 GDL, 캐소드 GDL, 상기 GDL들 사이에 개재되는 MEA를 포함하고, 상기 센서 셀은 상기 다른 셀(들)로부터의 수소 가스 배출구에 위치되어 상기 다른 셀들로부터의 상기 가스 배출구에서 남은 연료로부터 자체의 연료를 수용하며, 상기 센서 셀의 상기 애노드 및 상기 캐소드는 저항(R)을 통해 서로 접속되는 연료 셀 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 셀은 자신이 평면 내 연료 셀 어셈블리에서 음의 전류 컬렉터와 최종 연료 셀을 공유하도록 결합되는 것을 특징으로 하는 연료 셀 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 어셈블리에서의 상기 셀들은 평면-내 구성으로 배열되는 것을 특징으로 하는 연료 셀 어셈블리.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 센서 셀은 상기 어셈블리에서 상기 동작 셀(들)보다 더 작은 것을 특징으로 하는 연료 셀 어셈블리.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    가압 가스의 원(source), 및 상기 연료 셀 디바이스의 상기 가스 배출구에 데드 종단 밸브를 포함하고, 상기 센서 셀은 상기 가스 흐름에서 상기 연료 셀들 이후에 그러나 상기 데드 종단 밸브 이전에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 셀 어셈블리.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 데드 종단 밸브는 비-연료 가스들의 축척을 방지하기 위해, 적은 누설량을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 셀 어셈블리.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 센서 셀은 상기 전력 도출이 상기 수소원의 최대-흐름 제한이 지원할 수 있는 것보다 다 클 때를 표시할 수 있는 것을 특징으로 하는 연료 셀 어셈블리.
  8. 제 5 항, 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    작은 누설량을 갖는 상기 데드-종단 밸브는, 임계값에서, 바람직하게는 1- 7psi(6,9kPa - 48,3kPa)에서 개방되도록 압력 종속 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 셀 어셈블리.
  9. 활동/동작 전력 연료 셀과 동일한 구조를 갖는 센서 연료 셀에 있어서:
    상기 애노드/캐소드에 걸쳐서 결합되는 저항(R),
    동작 연료 셀로부터의 배출구에 접속 가능한 연료 유입구, 및
    상기 제어 유닛에 전압 시그널을 제공하기 위하여 제어 유닛에 접속 가능한 단자들을 포함하고, 상기 전압은 상기 센서 셀이 접속 가능한 연료 셀 어셈블리의 상기 동작을 제어하는데 사용 가능한 센서 연료 셀.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 연료 셀 어셈블리로의 가스 공급의 1 - 5%를 소비하도록 적응되는 특징으로 하는 센서 연료 셀.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 저항은 Uwork의 작동 전압을 갖는 센서 셀에 대하여 다음과 같이:
    R=Uwork/Ireg
    치수화되고, 여기서
    Ireg = Egas×Inom×N이며,
    Egas는 상기 센서 셀로 공급된 초과 가스이고, Ireg는 Inom의 명목상 전류를 갖는 N개의 셀들의 어셈블리에 대하여 센서 셀을 통하는 전류인 것을 특징으로 하는 센서 연료 셀.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저항은 0,5 - 2옴, 바람직하게는 0,75 - 1,25옴의 저항값을 갖는 것을 특징으로 하는 센서 연료 셀.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 동작 셀(들)보다 더 작은 것을 특징으로 하는 센서 연료 셀.
  14. 제 1 항에 따른 연료 셀 어셈블리를 포함하는 전기 디바이스.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 어셈블리로의 수소의 공급 또는 상기 센서 셀의 전압에 응답하여 상기 어셈블리로부터의 전력 도출을 조정하도록 적응되는 제어 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 디바이스.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    전기 장치에 대한 전원인 것을 특징으로 하는 전기 디바이스.
  17. 전력 및 충전 가능 배터리에 의해 동작하는 유닛을 포함하고, 제 15 항에 따른 장치를 접속시키기 위한 수단을 포함하는 장치.
  18. 제 17 항에 있어서, 적절하게 각각 3 - 8 셀들을 포함하고 상기 가스 흐름 및 전류에 대하여 병렬로 접속되는 복수의 연료 셀 유닛들을 포함하고, 각각의 유닛은 하나의 센서 셀을 갖고, 선택적으로 각각의 연료 셀 유닛 및 전력 제어 일렉트로닉스와 접속되는 DC/DC-컨버터를 부가하여 포함하는 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    각각의 센서 셀로부터의 신호는 각각의 전력 제어 유닛에 의해 상기 출력 전력을 제어하기 위해 사용되어, 상이한 연료 셀 유닛들에서 상기 흐름이 상이한지와는 관계없이 모든 수소 가스가 소비되도록 하는 장치.
  20. 제 1 항에 따른 연료 셀 어셈블리를 동작시키는 방법에 있어서:
    수소 가스를 상기 연료 셀(들)에 공급하는 단계;
    상기 센서 셀의 전압을 모니터링하는 단계;
    동작 동안, 상기 센서 셀의 전압을 계속해서 모니터링하는 단계;
    상기 센서 셀의 전압이 소정의 값에서 벗어날 때, 상기 어셈블리의 성능을 조정하기 위해 제어 기능을 수행하는 단계를 포함하는 연료 셀 어셈블리를 동작시키는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    시동 시에, 상기 선규정된 시간 동안 상기 어셈블리 내의 셀들을 연속해서 개별로 단락시키는 단계;
    각각의 단락 사이에, 센서 셀을 테스트하는 단계;
    모든 셀들이 단락되었을 때, 연료의 연속 공급을 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 어셈블리를 동작시키는 방법.
  22. 제 20 항에 있어서, 상기 제어 기능은 상기 연료 공급을 조정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 어셈블리를 동작시키는 방법.
  23. 제 20 항에 있어서, 상기 제어 기능은 상기 연료 셀 어셈블리로부터 전력 도출을 조정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 어셈블리를 동작시키는 방법.
  24. 제 20 항에 있어서,
    상기 센서 전압이 동작 중에 강하하는 경우,
    a) 상기 셀 어셈블리로부터 상기 전력 도출을 감소시키는 단계; 및
    상기 전압이 충분히 증가하지 않을 경우,
    b) 상기 전력 도출을 순간적으로 정지시키는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 어셈블리를 동작시키는 방법.
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