KR20100100925A - 시동 시 연료전지 캐소드 내의 수소 연소 - Google Patents

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마크 모란
매튜 윌슨
벤캣 야다
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유티씨 파워 코포레이션
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Abstract

연료전지 발전기(100)는 애노드(104)와 캐소드(106) 사이의 전해질(101), 냉각제 채널(103), 공기 블로어(144), 공기 입구 밸브(139a)와 공기 출구 밸브(141a), 공기 블로어를 사용하는 캐소드 재순환 루프(135) 및 캐소드 배기 혼합 박스(173)를 각각 가진 연료전지(102)의 스택을 포함한다. 정지는 산소가 약 0.2 이하일 때까지 또는 시간이 만료될 때까지 상기 애노드를 통해서 신규 연료와 재순환되는 연료를 가하면서 캐소드 공기를 재순환하는 단계를 포함한다. 시동 시에, 상기 공기 블로어는 상기 캐소드 재순환 밸브(135)가 열려 시작되고, 상기 공기 입구 밸브는 정상 작동 동안 사용되는 공기 유동의 약 절반을 허용하도록 열리고, 상기 캐소드 내의 수소가 점차 소비되도록 하며 이로써 공기 출구 매니폴드에서 수소(H2) 농도가 낮은 인화성 농도 이상이 되는 것을 방지한다. 수소(H2)는 배기부에서 감시되고, 최대 공기 유동은 수소(H2) 최대값 이후에 제공된다.

Description

시동 시 연료전지 캐소드 내의 수소 연소 {COMBUSTION OF HYDROGEN IN FUEL CELL CATHODE UPON STARTUP}
평형 상태의 소량의 수소를 구비한 캐소드(cathode) 및 애노드(anode) 가스 공간을 가진 연료전지 발전기(fuel cell power plant)의 시동은 수소 농도가 캐소드 배기부의 낮은 인화성 한계값을 초과하는 것을 방지하기 위해 소량의 산소를 상기 캐소드로 유동시켜 촉매의 보조로 수소를 안전하게 소비하는 단계를 포함한다. 상기 유동은 정상(steady)이거나 또는 펄스형일 수 있다.
양자 교환 막(PEM) 연료전지 시스템에서, 셀의 정지 동안 그리고 그 직후와 같이 전기 회로가 열려 있고 더 이상 셀에 걸쳐 있는 부하가 없을 때, 애노드에 남아 있는 수소 연료와 결합된 상기 캐소드의 공기의 존재는 종종 수용할 수 없게 높은 전극 전위를 야기하고, 이로써 촉매 및 촉매 지지부의 산화 및 부식과 부수적인 셀 성능 저하가 발생한다는 것이 잘 알려져 있다. 상기 셀 성능 저하를 최소화하거나 또는 방지하기 위하여 비활성 가스가 상기 애노드 및 캐소드를 부동태화하도록 셀 정지 이후 즉시 애노드 유동장(anode flow field) 및 캐소드 유동장(cathode flow field)를 정화하는데 사용되어 왔다.
특히 컴팩트성 및 저비용이 중요하고 시스템이 자주 정지 및 재시작되어야 하는 자동차 응용분야에서, 연료전지로의 별도의 비활성 가스 공급원을 저장하고 이동시키기 위한 비용, 공간 및 무게 발생을 방지하는 것이 바람직하다. 미국 특허 제6,635,370호에서, 연료전지 시스템은 상기 주부하를 연결 해제하고, 상기 공기 유동을 정지시키고, 공기 입구 밸브 및 공기 출구 밸브를 닫고, 그리고 상기 연료전지 가스가 상기 셀들에 걸쳐 평형에 도달하게 하는 방식으로 상기 시스템으로의 연료 유동 및 상기 시스템으로부터의 연료 유동을 제어함으로써 정지되고, 상기 연료전지 가스는 소량의 수소 및, 상기 연료전지 내의 수소 또는 산소와 반응하지 않고 이외에 임의의 상당한 정도로 셀 성능을 저해하지 않는 잔여 연료전지 비활성 가스의 조성을 구비한다.
상기 특허에서, 상기 주부하를 연결 해제하고 상기 캐소드 유동장으로의 공기 공급 및 상기 캐소드 유동장으로부터의 배기를 정지시킨 후, 연료는 잔여 산화제가 소비될 때까지 상기 애노드 유동장으로 계속 공급된다. 상기 캐소드 출구로부터 상기 캐소드 입구로 가스를 재순환시키는 것과, 또한 상기 캐소드 전위를 급속히 낮추는 상기 셀에 걸쳐 인가되는 소형의 보조 부하를 가지는 것은 상기 산화제 소비에 도움이 된다. 상기 캐소드 가스를 재순환함으로써 상기 캐소드 내의 잔여 가스를 잘 혼합하는 것이 보장되고, 이로 인해 산소가 상기 연료전지 전체에 걸쳐 보다 균일하게 분포되고 따라서 산소가 보다 빠르게 소비된다.
상기 캐소드 가스가 재순환될 때, 상기 애노드 유동장 내의 수소는 상기 캐소드 유동장 내의 산소가 소비되도록 상기 멤브레인을 통해 상기 캐소드로 분산되고, 그 결과 상기 캐소드 유동장 내의 산소의 총 부피가 감소하고 질소 및 대기 중에서 볼 수 있는 다른 가스의 농도가 증가한다.
결국 상기 산화제 유동장은 대기압에서 약 0% 내지 50%의 수소 농도로 잔여 연료전지 비활성 가스를 안정화시킬 것이다.
시동 과정은 캐소드 가스 유동 공간 그리고 특히, 캐소드 출구 매니폴드 및 다른 배기 배관에 형성된 고농도의 수소의 방출을 방지한다.
상기 시동 과정은 시동할 때 소량의 공기를 상기 캐소드로 유동시키는 단계를 포함한다. 이는 정지 후에 상기 캐소드 가스 공간에 남아있는 수소를 상기 촉매의 도움으로 안전하게 소비한다. 상기 캐소드 내에 수소를 잔류시키는 임의의 형태의 정지 과정의 결과로서 수소가 상기 캐소드에 도달했을 수 있다.
연료전지 발전기의 시동을 위한 절차의 일부로서 본 프로세스는 공기 블로어를 작동시키는 단계 및 상기 캐소드로의 공기의 소량 유동을 위해 공기 입구 밸브를 여는 단계를 포함하고, 상기 캐소드 배기부(또는 다른 출구 배관)의 수소 용량이 수소 센서에 의해 감시된다. 이는 수소 농도의 최대값에 도달하고 이를 지날 때까지 계속된다. 상기 최대값은 약 15초 내지 20초에 도달할 수 있지만, 상기 시간은 상기 발전기의 설계 상세 사항에 따라 변경될 수 있다. 상기 과정에서, 상기 캐소드 배기부는 상기 캐소드를 통하여 공기가 정상 유동되도록 열릴 수 있고 또는 상기 캐소드 배기부는 짧은 기간의 공기 펄스의 반복적인 기류가 상기 캐소드를 통하여 유동가능하도록 열리고 닫힐 수 있다(또는 거의 닫힐 수 있다). 상기 펄스는 일반적인 경우에 1초 또는 수 초 또는 10초 동안 켜지고 꺼질 수 있다. 상기 펄스로 인해 일반적으로 배기 희석 혼합물이 그것이 미치는 모든 종류의 대기 공기와 상호 혼합되는 것이 증가될 것이다.
정지 과정에서 사용되는 캐소드 가스 재순환 능력을 가진 시스템에서, 상기 캐소드 가스 재순환은 상기 시동 과정에서 소량의 유입 공기 유동을 따라 활성화될 수 있다. 캐소드 재순환이 존재한다면 캐소드 재순환의 사용으로 인해 상기 캐소드 가스 공간의 수소가 상기 캐소드 촉매에 보다 쉽게 도달되는 것이 보장되고, 상기 캐소드 촉매에서 수소가 공기와 함께 유입된 산소와 반응한다.
상기 캐소드 유동 공간 내의 수소의 양이 제한되기 때문에, 발생한 열의 양은 쉽게 허용된다.
여기서의 상기 과정은 잔여 산소의 소비를 지지하기 위해 수소원을 채용하는 시스템에서 사용될 수 있고, 상기 시스템은 캐소드 재순환 블로어를 가지거나 가지지 않을 수 있고 캐소드 재순환 루프를 가지거나 가지지 않을 수 있다.
다른 변형이 도면에 도시된 바와 같은 예시적인 실시예에 대한 이하의 상세한 설명의 관점에서 보다 명확해질 것이다.
촉매의 보조로 수소를 안전하게 소비하고, 이로 인해 수소 농도가 캐소드 배기부의 낮은 인화성 한계값을 초과하는 것을 방지한다.
도 1은 본 과정에 따라 정지될 수 있는 연료전지 시스템의 제1 실시예의 개략도이다.
도 2는 시간에 대한 수소 농도의 개략적인 그래프이다.
도 3은 도 1의 실시예에 대한 변형의 부분도이다.
도 1에서, 연료전지 시스템(100)은 한 셀의 캐소드 유동장 플레이트(120) 및 인접한 셀의 애노드 유동장 플레이트(118) 사이에 냉각 유동장(103)을 갖는 전기적으로 직렬로 연결된 인접한 연료전지(102)(fuel cells)의 스택(101)을 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같은 연료전지에 관한 보다 자세한 정보는 미국 특허 제5,503,944호에 나타난다. 상기 '944 특허는 전해질이 양자 교환 막(proton exchange membrane;PEM)인 고체 고분자 전해질 연료전지를 개시한다.
상기 연료전지(102)는 애노드(104)(또한 음전극(anode electrode)로 지칭될 수 있음), 캐소드(또한 양전극(cathode electrode)으로 지칭될 수 있음) 및 각각의 애노드와 캐소드 사이에 배치된 전해질(108)을 포함한다. 각각의 전해질은 미국 특허 제6,024,848호에 설명된 종류와 같은 양자 교환 막(PEM)의 형태일 수 있다. 각각의 애노드는 애노드 기판(110) 및 상기 전해질(108) 사이에 배치된 애노드 촉매층(112)을 포함한다. 각각의 캐소드는 캐소드 기판(114) 및 상기 전해질(108) 사이에 배치된 캐소드 촉매층(116)을 포함한다. 각각의 연료전지는 상기 애노드 기판(110)에 인접한 애노드 유동장 플레이트(118) 및 상기 캐소드 기판(114)에 인접한 캐소드 유동장 플레이트(120)를 더 포함한다.
각각의 캐소드 유동장 플레이트(120)는 상기 캐소드 기판에 인접하여 상기 캐소드 유동장 플레이트를 가로질러 뻗어 있는 복수의 채널들(122)을 가지고, 상기 채널들은 입구(124)로부터 출구(126)까지 상기 캐소드를 가로질러 공기와 같은 산화제를 운반하는 캐소드 유동장을 형성한다. 각각의 애노드 유동장 플레이트(118)는 상기 애노드 기판에 인접하여 상기 애노드 유동장 플레이트를 가로질러 뻗어 있는 복수의 채널들(128)을 가지고, 상기 채널들(128)은 입구(130)로부터 출구(132)까지 상기 애노드를 가로질러 수소 함유 연료를 운반하는 애노드 유동장을 형성한다. 상기 스택(101)은 냉각제 유동장(131), 열 방출을 위한 라디에이터(136) 및 유동 조절 밸브 또는 오리피스(138)를 통과하는 루프(132)를 통하여 냉각제를 순환시키기 위해 냉각제 펌프(134)와 같은 것을 이용하여, 상기 셀로부터 열을 제거하기 위해 상기 반응 가스 유동장 플레이트(118,120) 사이의 냉각제 유동장(131)을 더 포함한다.
도 1의 상기 연료전지 시스템은 수소 함유 연료원(140) 및 공기원(142)을 포함한다. 상기 연료는 고순도 수소 또는, 개질 천연 가스 또는 가솔린과 같은 기타 수소 농후 연료일 수 있다. 도관(139)은 일반적으로 주변 공기인 공기원(142)으로부터 공기 입구 밸브(139a)를 통해 상기 캐소드 유동장 입구(124)로 공기를 수송하고, 도관(141)은 상기 출구(126)로부터 공기 출구 밸브(141a) 및 체크 밸브(169)를 통하여 소비된 공기를 수송한다. 산화제 재순환 밸브(135)를 가진 산화제 재순환 루프(133)는 상기 도관(139)에 배치된 공기 블로어(144)의 입구로 이어져서, 선택적으로 정지 과정 동안 또는 상기 시동 과정에서 소비된 공기를 상기 캐소드 유동장 출구(126)로부터 상기 캐소드 유동장 입구(124)로 되돌리는 재순환을 한다. 상기 블로어(144)는 재순환 모드로 작동할 때 일반적으로 대략 정상 작동 속도의 절반 속도의 저속으로 작동할 수 있다.
상기 연료전지 시스템은 상기 애노드와 캐소드를 연결하는 외부 전기 회로(148), 연료 재순환 루프(146) 및 상기 연료 재순환 루프 내에 배치된 연료 재순환 루프 블로어(147)를 더 포함한다. 상기 외부 회로(143)는 주부하(148), 상기 주부하와 병렬인 보조 저항 부하(150) 및 상기 보조 저항 부하와 직렬인 다이오드(149)를 포함한다.
정상 연료전지 작동 중에, 주부하 스위치(154)는 닫히고(도면에는 열린 것이 도시됨), 보조 부하 스위치(156)는 열리고, 이로써 상기 연료전지는 상기 주부하(154)로 전기를 공급한다. 상기 공기 블로어(144), 연료 재순환 블로어(147) 및 냉각제 펌프(134)는 모두 전원이 켜진다. 상기 공기 유동 밸브(139a,141a)는 열린다. 상기 애노드 유동장을 향하는 연료 공급 도관(160) 내의 연료 공급 밸브(158)는 열려 있고 애노드 배기 도관(164) 내의 애노드 배기구 밸브(162)가 열려 있으며, 또한 상기 냉각제 루프 유동 제어 밸브(138)도 열려 있다. 상기 공기 재순환 밸브(135)는 닫혀 있다. 상기 조건은 일반적으로 통상적인 제어기(170)에 의해 관리된다.
정상 작동 중에, 상기 공기원(142)으로부터의 공기는 연속적으로 상기 도관(139)을 통해 상기 캐소드 유동장 입구(124)로 수송되고, 상기 출구(126)로부터 상기 도관(141)을 통해 배출된다. 상기 수소원(140)으로부터의 수소 함유 연료는 연속적으로 상기 도관(160)을 통해 상기 애노드 유동장로 수송된다. 고갈된(depleted) 수소 연료를 함유하는 상기 애노드 배기물의 일부분은 상기 배기구 밸브(162)를 통해 상기 도관(164)을 거쳐 상기 애노드 유동장로부터 배출되는 반면, 상기 재순환 블로어(147)는 상기 애노드 배기물의 잔여물을 상기 재순환 루프를 거쳐 상기 애노드 유동장을 통하여 재순환시킨다. 상기 애노드 배기물의 일부분을 재순환하는 것은 상기 애노드 유동장의 상기 입구(130)부터 상기 출구(132)까지 가스 성분을 상대적으로 균일하게 유지하는데 도움이 되고, 수소 이용을 증대시킨다. 수소가 상기 애노드 유동장을 통과할 때, 상기 수소는 수소 이온 및 전자를 생산하도록 잘 알려진 방법으로 상기 애노드 촉매층에서 전기 화학적으로 반응한다. 상기 전자는 상기 주부하(148)에 전력을 공급하기 위해 상기 애노드(104)으로부터 상기 외부 회로(143)를 통해 상기 캐소드(106)로 흐른다.
"하이드로겐-온(hydrogen-on)" 방법에 따라 연료전지 시스템 작동을 정지하기 위하여, 상기 외부 회로(143) 내의 스위치(154)는 상기 주부하(148)를 연결 해제하도록 열린다. 상기 연료 유동 밸브(158)는 열린 상태가 유지되며, 상기 연료 재순환 블로어는 상기 애노드 배기물의 일부분의 재순환을 계속하도록 전원이 켜져 유지된다. 그러나 상기 애노드 배기구 밸브(162)는 이하에서 설명되는 바와 같이 유입 연료 내의 수소 비율 및 상기 연료전지의 애노드와 캐소드 측의 상대적인 부피에 따라 열리거나 닫혀 있을 수 있다.
상기 공기 블로어(144)는 전원이 켜있는 반면 상기 캐소드 유동장을 통한 신규 공기의 유동은 상기 공기 출구 밸브(141a)를 닫음으로써 정지되고, 상기 산화제 재순환 밸브(135)는 상기 캐소드 유동장 출구(126)로부터 상기 캐소드 유동장 입구(124)로 공기를 순환시키도록 열린다. 이로써 상기 캐소드 유동장 내에서 가스 성분이 균일하게 되고, 궁극적으로 상기 연료전지 가스가 상기 셀 내에서 평형에 이르는 것이 빨라지는데 도움이 된다. 상기 보조 부하(150)는 상기 스위치(156)를 닫음으로써 연결된다. 상기 보조 부하를 통해 흐르는 전류로써, 일반적인 전자 화학적 셀 반응이 발생하고 이로써 상기 캐소드 유동장 내에서 산소 농도가 감소되고 셀 전압이 낮아지게 된다. 상기 애노드 유동장 내의 수소는 상기 캐소드 산소를 소비하는 셀 반응을 지지하고, 추가로 캐소드 산소를 소비하기 위하여 상기 전해질을 가로질러 상기 캐소드로 다소 보다 느리게 확산된다.
상기 보조 부하의 작용은 바람직하게 상기 연료전지 내에 상기 산화제를 전자 화학적으로 반응시키기에 충분한 수소가 있을 때 시작된다. 상기 부하는 적어도 상기 셀 전압이 셀당 약 0.2볼트 이하의 미리 선택된 값으로 낮아질 때까지 또는 상기 캐소드 내의 산소 농도가 약 4% 아래로 감소할 때까지 또는 상기 캐소드 내의 수소 농도가 약 50%로 감소할 때까지 또는 미리 정해진 고정 시간 동안 연결될 수 있다. 상기 캐소드 및 애노드를 가로질러 연결된 상기 다이오드(149)는 상기 셀 전압을 감지하고, 상기 셀 전압이 미리 선택된 값을 초과하는 한 전류가 상기 부하(148)를 통과할 수 있도록 한다. 상기 방식으로, 상기 셀 전압은 미리 선택된 값으로 감소되고 따라서 상기 미리 선택된 값으로 제한된다. 상기 셀 전압이 셀당 약 0.2볼트로 감소할 때, 실질적으로 상기 캐소드 유동장 내의 모든 산소 및 상기 셀을 통해 확산된 모든 산소가 소비될 것이다. 이제 상기 보조 부하는 상기 스위치(156)를 열어서 연결이 해제될 수 있지만, 상기 셀이 정지한 동안 셀 전압을 셀당 0.2볼트 이하로 제한하도록 상기 정지 과정의 나머지 동안 연결될 수 있다. 수소-존재 연료전지 스택 정지 과정의 몇몇 이용에서, 보조 부하의 이용이 생략될 수 있다.
상기 애노드 배기구 밸브(162)가 상기 과정 동안 열릴 필요가 있는지 여부는 유입 연료의 수소 농도 및 상기 셀의 애노드 및 캐소드 측의 가스 공간의 상대적인 부피에 의해 결정된다. 상기 산소가 소비될 때 상기 연료가 유동을 계속할 필요가 있는지 여부 및 얼마나 오래 상기 연료 유동을 계속할 필요가 있는지는 상기 '370 특허의 추가 설명을 고려하면 당업자가 용이하게 결정할 수 있다.
상기 애노드 유동장 및 캐소드 유동장 내의 모든 산소가 소비되면, 상기 연료 공급 밸브(158) 및 상기 애노드 배기구 밸브(162)는, 만일 열려 있었다면, 닫힌다. 상기 연료 재순환 펌프(147), 상기 산화제 재순환 밸브(135) 및 상기 냉각제 펌프(134)는 이제 전원이 꺼질 것이다. 그러나 상기 보조 부하 스위치(156)를 닫게 유지하는 것이 유용할 수 있다. 몇몇 환경에서는 상기 애노드 배기구 밸브는 완전히 닫히지 않을 수 있다.
상기 미국 특허 제6,635,370호에서 보다 완전히 설명되는 바와 같이, 정지 과정의 적절한 제어로써 상기 애노드 및 캐소드 내의 가스의 평형은 수소 농도가 0% 내지 50%로 이루어질 수 있다. 저장하는 동안 산소가 유입되는 것에 대항하도록, 상기 연료 재순환 블로어는 주기적으로 전원이 켜질 수 있고, 상기 재순환 가스 내의 수소 농도는 감시된다. 수소 농도가 소정의 미리 정해진 비율 미만으로 감소하면, 추가의 신규 수소가 더해질 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 연료전지는 저장하는 동안 상기 촉매의 부식을 방지하도록 적절한 수소 농도로 정지된다.
상기 연료전지 시스템은 이제 상기 시스템이 재시작되고 상기 주부하가 재연결될 때까지는 정지된 것으로 간주된다(이하에서는 때때로 "저장(storage)" 상태라고 한다). 상기 과정은 상기 '370 특허에서와 같이 전용 캐소드 가스 재순환 블로어를 채용할 수 있다.
도 1에 도시된 종류의 연료전지 시스템을 정지하는 상기 방법에서, 상기 공기 입구 밸브(139a)는 상기 정지 과정 중 임의의 시간 동안 임의의 크기의 진공이 발생하지 않도록 보장하기 위해 완전히 열리거나 또는 적어도 부분적으로 열려 있다. 상기 캐소드 유동장 채널(122) 내의 반응에 의해 발생된 어떤 산소 감소도 상기 밸브(141a)를 거쳐 차등 음압을 야기할 것이고, 소량의 대기 공기가 경우에 따라서 밸브(139a) 또는 밸브(141a)를 통해서 상기 재순환 루프(133)로 진입할 것이다.
필요하다면, 체크 밸브(도시되지 않음)가 정지 동안 상기 캐소드 또는 애노드 내에서 진공이 발생하지 않는 것을 더 보장하도록 대기(atmosphere), 상기 공기 도관(139) 및 상기 연료 도관(160) 사이에 제공될 수 있고, 따라서 상기 채널(103)로부터 상기 애노드 또는 캐소드 가스 공간으로 냉각제를 흡인하는 것을 방지한다. 상기 정지가 완료될 때, 상기 밸브(139a,141a,158,162)는 모두 닫힌다.
상기 연료전지 스택이 약 50%까지의 수소 농도로 저장된 이후 시동 과정 동안, 상기 과정은 제어된 양의 공기가 상기 캐소드로 유입되는 것으로 시작되고, 상기 공기는 동일한 양의 수소 함유 가스를 상기 캐소드 출구 매니폴드를 통해 상기 연료전지 배출구로 이동시킨다. 안전 규정은 수소 농도가 4% 농도를 초과하면 수소 방출이 위험 요소 상태가 될 수 있도록 규정하고, 이는 낮은 인화성 한계로 알려져 있다. 본 과정은 잔여 저장 수소가 주로 상기 연료전지 캐소드 내에서 소비되게 하고, 상기 연료전지 캐소드에서 각각의 셀의 촉매로 인해 상기 배출 가스가 수소를 적게 포함한 상태로 유지되도록 촉매 연소를 가능하게 한다. 또한, 상기 과정 동안 상기 인접한 셀 냉각제는 발생하는 연소 열의 상당한 부분을 제거하도록 보장한다.
이하의 과정은 수소가 상기 캐소드 가스 통로에 존재하는 연료전지 발전기 시동 과정에 대한 것이다. 연료전지 발전기의 상기 시동 과정은 제어기(170)의 명령에 따르고, 이는 이하의 단계를 포함한다.
* 전류 제한 장치 보조 부하(150)를 제 위치에 구비하고 밸브(158)를 개방함으로써 상기 애노드 측의 수소 유동을 시작하는 단계
* 수소가 상기 애노드에 형성되면 VLD(150)을 제거하는 단계
* 다음으로 상기 캐소드 재순환 밸브(135)를 개방하는 단계
* 상기 입구 밸브(139a)를 약 50% 값으로 개방하는 단계. 설정값은 공기 블로어(144)의 전원을 켜고 상기 배출구가 주기적으로 열릴 때 구성 공기가 쉽게 사용가능할 수 있도록 설정된다.
* 다음으로 (a) 가능한 한 효율적으로 상기 연료전지 캐소드 내에서 잔여 수소를 소비할 필요성의 균형을 맞추기 위하여, 그리고 (b) 상기 연료전지 출구로부터 방출된 수소를 상기 출구에서 측정된 수소 농도가 낮은 인화성 농도(LFL) 한계 미만으로 유지되도록 제한하면서 상기 캐소드 출구 밸브(141a)를 펄스-개방(즉, 짧은 시간 동안 반복적으로 개방)하는 단계
상기 제어기는 상기 수소 센서에서의 출구 유동이 최대치(일반적으로 도 2에 도시된 바처럼 높지 않음)에 도달 및 통과할 때까지, 상기 혼합 박스 내의 알려진 공기 방출 유속 및 상기 수소 센서로부터의 피드백에 따라 상기 셀로부터 펄스형(또는 정상형) 출구 유동을 측정(또한 펄스형이라면 조절)한다.
이때 상기 발전기는 상기 캐소드 재순환이 꺼지고 상기 출구 밸브(141a)가 완전히 열린 정상 작동으로 진행될 준비가 된다. 상기 과정으로 상기 캐소드 배기 매니폴드를 통하고 상기 연료전지 출구 밖으로 이어지는 유입 공기에 의해 야기되는 과도한 최대 수소 농도(즉 4%보다 더 높은 농도)를 가지는 것이 방지된다.
도 1의 실시예에서, 상기 캐소드 배기물은 상기 밸브(141a) 및 체크-밸브(169)(그러나 상기 2개의 밸브가 필수적이지 않을 수도 있다)를 통해 혼합 박스(173)로 유동한다. 상기 혼합 박스는 차량의 실내 환기 장치와 같이 연료전지 발전기의 상당한 부분의 엔클로저일 수 있고, 상기 혼합 박스는 수소 농도가 낮은 인화성 농도(약 4%) 미만으로 잘 유지되는 것을 보장하도록 상기 스택으로부터 빠져나온 임의의 가스를 모으고 상기 가스를 신규 공기와 혼합하고 배기부(174)로 배출한다. 공기는 팬(176)에 의해 상기 혼합 박스를 통과한다.
또한 상기 혼합 박스(173)는 몇몇 다른 구조의 배기 가스 혼합 챔버일 수 있다. 혼합 박스(173) 없이, 상기 수소 센서(189)는 상기 배기부(174)에서 수소 농도를 감지한다. 도 3은 본 구성이 혼합 박스(173)가 없는 연료전지 발전기에서 사용될 수 있다는 것을 도시한다. 상기 경우에, 상기 수소 센서(179)는 상기 캐소드로부터 배출되는 수소 농도를 반영하고, 상기 수소 농도는 도 2에 도시된 바와 같이 약 50%까지 이르며 상당히 높다. 상기 과정이 작동하기 위해서 상기 출구에서 방출이 이루어지기 전에 상기 캐소드 유동장 내에 남아 있는 수소를 소비하도록 공기 재순환 모드에서 상당히 더 오랜 시간이 필요할 수 있다.
도 2를 참조하여 수소 농도는 시간의 함수로 나타날 수 있다. 상기 밸브(139a)가 소량으로 열리고 난 직후에는 초기에 상기 캐소드로 유입하는 공기에 앞서 상기 캐소드 출구로부터 배출되는 수소가 실질적으로 없다는 것을 알 수 있다. 그러나 결국 상기 수소 농도가 증가하고 상기 센서에서 더 높은 값으로 반영된다. 수소 농도의 변화율은 가스 유속, 하드웨어 구성 및 배관 라인 크기 등을 포함하는 다수의 요소에 따른다. 상기 곡선의 구체적인 형상과 관계없이, 중요한 요소는 수소 농도가 상기 캐소드 출구로부터 배출되는 수소가 실질적으로 없는 초기 농도로 다시 완전히 감소하기 전에 수소 농도의 최대값이 이 경우에는 2% 수소 또는 낮은 인화성 농도의 50%인 설정값 한계를 초과하지 않는다는 것이다. 따라서 상기 최대값을 통과하고 난 직후에 수소는 상기 캐소드에서 본질적으로 없다는 것이 명백하다. 이때, 상기 제어기는 수소 농도가 최대값을 지난 것을 감지하고, 그 다음으로 시동 과정이 계속될 수 있도록 상기 공기 입구를 완전히 열 수 있다.
상기 구성은 상기 연료전지가 수 분 동안처럼 단지 짧은 시간 동안 정지하는 상황에서 특히 유리하고 상기 설명은 이러한 상황에 관한 것이다. 상기 연료전지가 긴 시간 동안 정지하면 반응 가스 특히 수소가 누출되거나 또는 상기 셀 내에서 소비되는 경향이 있고, 발전기가 정지한 동안 수소 보충이 없다면 본 구성이 필수적이지 않지만 여전히 안전한 시동을 보장하기 위해 사용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 연료전지 발전기(100)에 대한 시동 과정 동안에,
    (a) 상기 연료전지 발전기 내의 연료전지(102)의 산화제 유동장(122)의 출구(126)의 가스를 배기부(174)로 유동하도록 허용하는 단계,
    (b) 상기 발전기의 정상 작동 동안에 이용되는 공기 유동보다 적은 공기를 공기원(142)으로부터 상기 산화제 유동장의 입구(124)로 제공하는 단계(139,139a,144),
    (c) 상기 출구로부터 배기부로 유동하는 가스 내의 수소 농도를 감시하는 단계(170,179) 및
    (d) 최대 농도에 도달하고 최대 농도를 통과한 수소 농도에 반응하여 상기 발전기의 정상 작동 동안에 이용되는 공기 유동을 상기 입구로 제공하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계는 상기 발전기의 정상 작동 동안 이용되는 공기 유동의 약 절반인 공기 유동을 제공하는 단계(139,139a,144)를 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계는 짧은 기간의 공기 유동을 반복적으로 제공하는 단계(139,139a,144)를 포함하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계는 상기 출구(126)가 가스 혼합 박스(173)를 통해 배기구(174)로 유동하도록 허용하는 단계를 포함하고,
    상기 (c) 단계는 상기 혼합 박스의 출구의 수소 농도를 감시하는 단계(170,179)를 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 (d) 단계 이후에 연료 가스(140)를 상기 연료전지 발전기의 애노드(128)로 유동시키는 단계(158,160,162)를 포함하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 (c) 단계 이전에 상기 산화제 유동장(122)의 상기 출구(126)로부터 입구(124)로 가스를 되돌려 보내도록 캐소드 가스 재순환 루프(133,144)를 사용가능하게 하는 단계(135)를 포함하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 단계 (d)는 상기 단계(a)보다 약 5초 내지 약 30초만큼 더 이후인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 단계 (d)는 상기 단계 (a)보다 약 15초 내지 약 20초 만큼 더 이후인 방법.
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