KR20100130248A - 연료 전지 시스템에서의 가스 누출을 검출하는 방법 - Google Patents

연료 전지 시스템에서의 가스 누출을 검출하는 방법 Download PDF

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Abstract

연료 전지에서 검출되지 않은 가스 누출은 연료 전지내에서 화재를 발생시킬 수 있어서 상기 연료 전지가 파괴되게 한다. 본 발명은 다수의 연료 전지를 포함하는 연료 전지 시스템(1)내에 가스 누출을 검출하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법은, 연료 전지에 연료 가스를 공급하는 단계(21), 그 후 연료 전지의 두 개의 가스 챔버중 적어도 하나에 연료 가스 공급을 중단하는 단계(25), 연료 가스의 공급으로부터 분리된 가스 챔버는 불활성 가스로 세정되는 단계(29), 연료 전지가 방전 저항기(13)와 전기적으로 접속되는 단계(31), 또는 이미 접속된 단계, 및 연료 전지의 전지 전압이 모니터링되는 단계를 포함한다.

Description

연료 전지 시스템에서의 가스 누출을 검출하는 방법{METHOD FOR LOCALISING A GAS LEAK IN A FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 다수의 연료 전지들을 가지는 연료 전지 시스템에서 가스 누출을 검출하는 방법에 관한 것이다.
연료 전지에서, 연료 가스로 순수한 수소가 사용된다면, 어떠한 오염물질과 이산화탄소(CO2)의 발생없이, 물(H2O)을 형성하기 위해 전해질에서 수소(H2)와 산소(O2)의 전기 화학적인 결합에 의해서 전류는 고 효율적으로 생성된다. 이러한 연료 전지 원리의 기술적인 구현은 특히, 다양한 전해질과 60℃와 1000℃사이의 동작온도를 사용해서 다양하게 이루어 진다. 연료 전지는 동작온도에 따라서, 낮은 온도, 중간 온도, 및 높은 온도의 연료 전지로 분류되며, 이러한 전지들은 차례로 다양한 실시예에 의해 서로 구별된다.
개개의 연료 전지들은 최대 약 1.1V의 동작 전압을 공급한다. 따라서, 다수의 연료 전지들은 예를 들면, 튜브형 연료 전지들은 튜브 다발을, 평면 연료 전지들은 연료 전지 블록 부분인 스택(stack)을 형성하는 것처럼, 연료 전지 시스템을 형성하도록 연결된다. 시스템의 연료 전지들을 직렬로 연결하는 것은 연료 전지 시스템의 동작 전압이 100 V 및 그 이상을 가능하게 한다.
연료 전지는 기술적인 설계에 따라 수소 이온이나 산소 이온을 투과시키는 전해질을 가지고 있다. 애노드는 전해질의 한쪽 면에 인접하고, 이 애노드는 차례로 애노드 가스 공간에 의해서 인접된다. 전해질의 다른 측면은 연료 전지의 캐소드에 의해 인접되는데, 연료 전지의 캐소드는 차례로 자신에 인접한 연료 전지의 캐소드 가스 공간을 갖는다. 다수의 연료 전지들의 직렬 연결은 제1 연료 전지의 애노드를 제1 연료 전지에 인접한 연료 전지의 캐소드에 전기적으로 연결하는 인터컨넥터에 의해서, 또는 인터 컨넥터에 의해 형성된 몇몇 다른 형태의 전기적 연결에 의해서 가능하게 된다.
동작하는 동안, 이하에서 연료 가스로 언급된 수소 함유 가스와 산화 가스로 아래 언급된 산소 함유 가스가 연료 전지에 공급된다. 이러한 두 가스들은 아래에서 동작 가스들로 언급된다. 사용된 연료 가스는 예를 들면, 메탄, 천연가스, 석탄가스, 또는 순수한 수소이다. 사용된 산화 가스는 일반적으로 공기이지만, 또한 순수한 산소(O2)일 수 있다. 연료 전지의 동작을 위해서, 연료 가스는 연료 전지의 애노드 가스 공간으로 이동하고, 그로부터 연료가스는 가스-투과성 애노드를 통해서 전극으로 이동한다. 산화 가스는 연료 전지의 캐소드 가스 공간으로 보내지며, 그로부터 가스-투과성 캐소드를 통해서 전해질로 이동한다. 산소이온 또는 수소이온에 대한 전해질의 투과성에 따라, 산화 가스로부터 얻은 산소이온과 연료 가스로부터 얻은 수소이온이 전해질의 한 쪽 또는 다른 쪽에서 결합되며, 물을 형성하기 위한 수소와 산소의 전기 화학적 결합의 결과로써 전류와 열이 생성된다.
연료 전지내에 누출이 발생하는 경우, 예를 들어 캐소드, 전해질, 및 애노드로 구성된 전해질 전극 어셈블리에서는, 연료 전지가 동작하는 동안 연료 가스는 애노드 가스 공간으로부터 캐소드 가스 공간으로 또는 그 반대로 빠져나간다. 이 때, 수소와 산소가 반응하여 물을 생성하는데, 전류가 아닌 단지 열만 발생시킨다. 가스 누출 위치에서 형성된 열은 누출 위치 주위의 전해질 전극 어셈블리를 파괴할 수 있다. 높은 수소함유량을 가진 연료 가스, 특히, 순수한 수소가, 특히 순수한 산소와 같은 높은 산소함유량을 가진 산화 가스와 결합한다면, 가스 누출 주위에 발생된 열의 양은 매우 많아서 전해질 전극 어셈블리는 가스 누출이 더 많아지고 더 많은 가스가 제어되지 않는 상태로 누출에 의해 흐르는 정도까지 파괴된다. 이러한 자전(self-propagating) 반응은 연료 전지가 매우 짧은 시간안에 연소되고, 불은 또한 인접한 연료 전지나 전체 시스템 조차도 완전히 파괴한다. 가장 심각한 예는 연료 전지 시스템 주위 지역에 대해 광범위하게 악영향을 미치는 폭발의 위험조차도 있다는 것이다.
연료 전지 시스템내의 가스 누출을 검출하기 위해서, 종래에는 불활성 가스가 연료 전지 시스템의 연료 전지의 두 가스 공간 중 하나에 공급되었다. 이어, 이러한 가스 공간들은 주위로부터 밀폐되고, 가스 공간안의 불활성 가스 압력은 관찰된다. 시간의 경과에 따른 가스 압력의 감소는 연료 전지의 가스 공간내의 누출을 의미한다. 그러나, 이러한 가스 누출 검출 방법은 단지 연료 전지의 큰 누출을 찾는데 사용될 수 있고, 연료 전지가 동작할 때, 빠르게 퍼지는 더 작은 가스 누출에 대해서는 가능하지 않다. 게다가, 이러한 가스 누출 검출 방법은 단지 연료 전지 시스템안의 가스 누출이 있다는 사실은 알려주지만, 연료 전지 시스템 안에 어느 연료전지가 손상되었는지에 대해서는 알려주지 못한다.
본 발명의 목적은 검사된 연료 전지 시스템에서 연료 전지의 전해질 전극 어셈블리에 작은 누출조차도 허용하지 않는 가스 누출 검출 방법을 제공하는 것이다.
이 목적은 다수의 연료 전지들을 가지는 연료 전지 시스템에서 가스 누출을 검출하는 방법으로써 이루어지며, 본 발명에 따라
a) 연료 가스는 연료 전지의 애노드 가스 공간에 공급되고, 산화 가스는 연료 전지의 캐소드 가스 공간에 공급되며,
b) 연료 전지의 두 개의 가스 공간 중 적어도 하나에 대한 동작 가스의 공급이 중단되며,
c) 동작 가스 공급이 중단된 연료 전지의 가스 공간이 불활성 가스로 정화되며,
d) 연료 전지는 방전 저항기와 전기적으로 접촉되며,
e) 연료 전지의 전지 전압이 모니터링된다.
이러한 가스 누출 검출 방법은 연료 전지 시스템안에 존재하는 것으로 알려진 가스 누출의 검출 뿐만아니라 가스 누출의 초기 검출을 위해서도 적당하다.
가스 누출 검출 방법의 개개의 단계는 상기에 미리 정해진 순서대로 실행될 필요는 없다. 연료 전지의 두 개의 가스 공간 중 적어도 하나에 동작 가스의 공급이 중단될 때, 연료 전지의 애노드 가스 공간에 연료 가스의 공급이나 연료 전지의 캐소드 가스 공간에 산화 가스의 공급을, 또는 택일적으로 연료 전지에 양쪽 동작 가스의 공급을 중단시키는 것이 가능하다. 방전 저항기는, 본 발명에 따른 가스 누출 검출 방법이 시작되기 전에, 이미 연료 전지에 연결되어 있을 수도 있으며, 본 가스 누출 검출 방법이 실행되는 동안 연료 전지와 전기적으로 접속을 유지할 수도 있다. 그러나, 누출의 검출은, 연료 전지와 방전 저항기 사이의 접속이 불활성 가스로 연료 전지의 정화를 시작한 후에 이루어 진다면, 더 쉽다.
사용된 방전 저항기는 정량적으로 기록될 수 있는 방식이며 적당한 속도로 연료 전지를 방전시키는 저항기이다. 그리하여, 연료 전지 시스템이 동작하는 동안 전류가 공급되는 방전 또는 동작 부하를 위해 전용 설계된 특별한 방전 저항기를 사용하는 것이 가능하다.
동작 가스의 공급이 중단된 연료 전지의 가스 공간이 불활성 가스로 정화될 때, 이러한 가스 공간들에 여전히 존재하는 대부분의 동작 가스는 우선적으로 가스 공간으로부터 분출된다. 그러나, 소정 양의 동작 가스는 가스-투과 전극에 그리고 가스 공간의 사용되지 않은 영역에, 또한 예를 들면, 가스 공간에 연결된 물 분리기에 남아있다. 정화된 가스 공간에 남아 있는 이러한 동작 가스는 연료 전지가 방전 저항기와 접속할 경우, 전류 생성 전기 화학 반응에서 소정 시간 주기에 걸쳐 소비된다. 이러한 시간 주기의 길이는 정화된 가스 공간에 남아있는 잔여 동작 가스의 양과 방전 저항기의 전기 저항에 따른다. 연료 전지의 전해질 전극 어셈블리내에 누출이 있다면, 연료 전지안의 압력 상태에 따라, 불활성 가스가 결함 있는 연료 전지의 정화되지 않은 가스 공간으로 흐르거나, 동작 가스가 결함 있는 연료 전지의 정화되지 않은 가스 공간에서 불활성 가스로 정화된 연료 전지의 가스 공간으로 흐른다. 불활성 가스가 결함 있는 연료 전지의 정화되지 않은 가스 공간으로 흐른다면, 불활성 가스는 이 가스 공간에 인접한 전극의 동작 가스를 분출시킨다. 결과적으로, 연료 전지가 방전 저항기와 접속될 때, 연료 전지안의 전류 생성 전기 화학 반응이 감소하여, 결함있는 연료 전지 그 자체는 더 적은 전류를 생성할 수 있다. 동작 가스가 연료 전지의 정화되지 않은 가스 공간으로부터 불활성 가스로 정화된 연료 전지의 연료 가스 공간으로 이동한다면, 이 동작 가스는 정화된 가스 공간으로부터의 잔여 동작 가스와 단지 열만을 생성하는 화학 반응을 하게 된다. 결과적으로, 불활성 가스로 정화된 결함 연료 전지의 가스 공간으로부터의 잔여 동작 가스의 일부는 더 이상 연료 전지의 전기 화학 반응에 이용될 수 없으며, 그 결과로 이러한 경우, 전기 화학 반응은 단지 감소된 정도로 일어날 수 있으며, 결함 있는 연료 전지는 방전 저항기와의 접속시 연료 전지 시스템의 인접하고 결함 없는 연료 전지보다 단지 더 적은 전류를 생성할 수 있다.
동작 가스가 연료 전지 시스템의 직렬 연결된 연료 전지에서 소비되는 동안, 시스템의 연료 전지 각각은 생산한 전류에 의해서 연료 전지 시스템의 전체 전류에 대한 기여를 한다. 연료 전지 시스템의 전체 전류는 시스템의 각각의 연료 전지를 통해서 동일하게 지나간다. 연료 전지들 중 하나가 예를 들면, 연료 전지의 결함 때문에, 시스템의 다른 연료 전지들 보다 더 적은 전류를 현재 생성하고 있다면, 연료 전지가 직렬로 연결됐다는 사실은 이 연료 전지가 시스템의 다른 연료 전지보다 더 적은 출력 전압을 가지고 있는 것이다. 불활성 가스로 정화된 연료 전지의 가스 공간에서 잔여의 동작 가스들이 소비되는 동안, 연료 전지 시스템의 모든 연료 전지들의 전압은 시간에 따라, 특히, 잔여 동작 가스가 시스템에서 소비되는 정도에 따라 떨어진다. 이 과정에서, 불완전 연료 전지의 출력 전압은 시스템의 결함 없는 연료 전지의 출력 전압보다 더 빨리 떨어질 것이다. 같은 전류가 결함 없는 연료 전지를 통과할 때처럼 결함 있는 연료 전지를 통해서 흐른다는 사실 때문에, 결함 있는 연료 전지의 출력 전압은 특정 시간 후에 0V 까지 떨어지고, 이어, 그 이하로 떨어지며: 결함 있는 연료 전지의 출력 전압의 극성은 바뀐다. 그리하여, 결함 있는 연료 전지는 연료 전지 시스템의 연료 전지가 방전되는 특정 시간 주기에 걸쳐 상기 연료 전지의 음(negative)의 출력 전압으로 인해 검출될 수 있다. 따라서, 연료 전지의 전지 전압을 모니터링함으로써, 예를 들면, 전해질 전극 어셈블리에서 연료 전지 시스템의 어느 것이 누출되는지 분명하게 결정하는 것이 가능하다. 어느 정도까지, 결함 있는 연료 전지의 음의 출력 전압 레벨로부터 누출의 크기를 정하는 것도 가능하다.
전지 전압을 모니터링하는 것은 소정의 정확도의 가스 누출 검출에 따라 실행되어야 한다. 연료 전지 시스템의 개개의 연료 전지 각각이 모니터링된다면, 결함 있는 연료 전지를 정확하게 검출하는 것이 가능하다. 그러나, 손상을 일으킬 수 있는 연료 전지내의 누출이 덜 정확한 모니터링으로도 누출을 검출하고 한정할 수 있는 연료 전지의 출력 전압의 강한 극성 반전을 유도한다는 것을 테스트를 통해 알 수 있다.
연료 전지의 두 가스 공간 중 하나에 동작 가스의 공급이 중단되기 전에 연료 전지는 적절하게 무부하(no-load) 모드로 스위칭된다. 이어, 방전 저항기는 상기 가스 누출 검출 방법이 실행되는 동안, 가장 적절하게 동작 가스의 공급이 중단된 연료 전지의 가스 공간이 불활성 가스로 정화되는 동안 연료 전지에 연결된다. 무부하 모드라는 용어는 연료 전지들이 방전 저항기 또는 동작 부하로부터 단절되어 있는 연료 전지의 상태를 의미하는 것으로 이해된다. 그리하여, 무부하 모드동안, 실질적으로 연료 전지 시스템을 통해서 흐르는 전류는 없다. 불활성 가스를 사용하여 정화가 시작될 때, 연료 전지가 무부하 모드에 있다면, 결함 있는 연료 전지의 전지 전압이 방전 저항기를 통한 방전의 결과로 인해 떨어지기 전에 불활성 가스 또는 동작 가스들 중 하나는 연료 전지 시스템에서 누출부를 통과하여 다른 가스 공간에 퍼진다. 그리하여, 누출된 가스들이 퍼질 수 있는 더 많은 시간이 걸린다. 결과적으로, 결함 있는 연료 전지의 전지 전압은 연료 전지 시스템이 방전하는 동안 더 빠르게 떨어지고, 누출은 더 쉽게 인식되고 검출된다.
본 발명은 연료 전지 시스템의 정규 동작 후에 유리하게 실행된다. 가스 누출 검출 방법의 첫 번째 단계는, 즉 애노드 가스 공간으로의 연료 가스의 공급, 및 캐소드 가스 공간으로의 산화가스의 공급은 연료 전지 시스템의 정규 동작 동안 일어난다. 결과적으로, 가스 누출 검출 방법은 연료 전지 시스템의 상태를 변화시키지 않고 정규 작동을 실행하는 것으로부터 쉽게 시작된다. 본 가스 누출 검출 방법은 또한 정규 동작 동안 실행되는 것이 가능하며, 이 경우, 연료 전지 시스템의 정규 동작은 중단되는 반면, 시스템의 전압은 가스 누출 검출 방법의 실행 동안 강하한다.
가스 누출 검출 방법은 연료 전지 시스템의 스위칭 오프 방법 같이 특히 적은 비용으로 실행된다. 본 발명의 이러한 특성에서, 상기 가스 누출 검출 방법을 실행하는 것은 시스템을 스위칭 오프하기 위해 연료 전지에 동작 가스의 공급을 중단하고, 일반적으로 불활성 가스로 연료 전지를 정화하고, 방전 저항기를 통해서 방전하는 것이 이미 필요하기 때문에 정규 시스템 스위칭 오프와 비교해서 어떠한 추가적인 시간도 요구하지 않는다.
본 가스 누출 검출 방법은 불활성 가스로 채워진 연료 전지의 모든 가스 공간에 의해서 적절하게 행해진다. 결과적으로, 연료 전지는 안전하고 더 안정적인 상태로 된다.
본 발명의 유리한 구성에서, 사용된 불활성 가스는 질소(N2)이다. 질소는 특히 저렴하고, 연료 전지내의 물질에 대해 어떠한 손상도 일으키지 않는다.
본 발명의 더 유리한 구성에서, 연료 전지의 두 가스 공간안에 가스 압력은 불활성 가스로 정화되는 단계전에 미리 정해진 레벨로 된다. 연료 전지는 비교적 높은 가스 압력, 예를 들면, 2에서 3 bar(절대압력) 사이에서 동작된다. 이러한 높은 가스 압력은 본 발명에 따른 가스 누출 검출 방법에서는 요구되지 않는다. 그리하여, 연료 전지의 가스 공간에서의 압력은 예를 들면 불활성 가스의 정화단계에 앞서 줄어들 수 있다. 게다가, 미리 정해진 레벨로 가스 공간에서의 동작 가스 압력을 설정하는 것은 가스 누출 검출 방법이 동작 가스 압력의 어떠한 변동에도 무관하게 경험상 이용될 수 있는 공지된 압력에서 실행될 수 있는 것을 의미한다. 이것은 존재할 수도 있는 어떠한 누출의 크기를 평가하는 것을 더 쉽게 만든다.
본 발명의 또 다른 장점은 불활성 가스 압력이 정화되지 않은 연료 전지의 가스 공간에서의 동작 가스의 압력 보다 더 클 경우 달성된다. 이 경우에, 누출이 발생하면, 불활성 가스는 각각의 경우에 연료 전지의 다른 가스 공간으로 넘어가며, 불활성 가스는 가스 공간 전극의 공극으로부터 퍼져 있는 동작 가스를 분출시킨다. 이것은 어떠한 제어되지 않는 화학 반응 없이 우수하게 재현 가능한 방법이다. 이는 이러한 가스 공간이 불활성 가스로 정화될 때, 어떠한 산소도 연료 전지의 애노드측 가스 공간으로 넘어가지 못하게 하는 것을 보장한다. 이것은 효과적으로 이러한 가스 공간의 산화를 막는다.
가스 누출 검출 방법의 대안적인 구성에서, 불활성 가스 압력은 연료 전지의 정화되지 않은 가스 공간에서 동작 가스의 압력보다 더 작게 선택된다. 넘어간 다른 동작 가스에 의한 연료 전지의 정화된 쪽 잔여 동작 가스의 소비는, 본 발명의 이러한 구성에서 결함 전지의 전지 전압을 빠르게 강하시켜, 가스 누출 검출 방법이 계속되면서 특히 뚜렷한 음의 전지 전압을 얻는 것을 가능하게 하는 것을 의미한다. 이것은 특히 작은 누출을 검출하고 검출하는 것을 더 쉽게 만든다.
연료 전지의 캐소드 가스 공간은 불활성 가스로 바람직하게 정화된다. 이로써, 본 가스 누출 검출 방법이 실행될 때, 실질적으로 연료 전지의 모든 산소들이 소비하게 된다. 이것은 본 가스 누출 검출 방법이 실행된 후에 잠시 동안 연료 전지 시스템이 폐쇄될 경우 특히 적절하다. 폐쇄상태에서, 산화에 의해서 연료 전지가 손상되지 않도록 하기 위해서, 가능한한 적은 양의 잔여 산소가 연료 전지에 남아있어야 한다.
동작 가스의 공급이 중단된 가스 공간은 미리 정해진 제1 시간 주기동안 불활성 가스로 편리하게 정화되고, 방전 저항기는 일단 시간주기가 경과한 후에 다시 연결된다. 시간 주기가 경과한 후에, 연료 전지는 계속하여 정화될 수 있다. 연료 전지에서 누출부를 통과하는 불활성 또는 동작 가스는 다른 동작 가스를 소비할 시간 또는 자신이 들어가는 가스 공간에서 불활성 가스를 대체할 시간이 필요하다. 정해진 시간 주기의 선택은 가스 누출 검출 방법이 재현 가능하며, 이는 예를 들면 불확실한 경우에 가스 누출 검출 방법이 되풀이 될 때 유리한데, 그 이유는 두 가스 누출 검출 방법이 비교될 수 있기 때문이다. 게다가 미리 정해진 시간 주기를 사용함으로써, 가스 누출 검출 방법의 결과에 대한 계산의 경험을 얻는 것이 가능하다. 게다가, 방전 커넥터가 단지 시간 주기가 경과된 후에 연결된다면, 손상된 연료 전지에서의 가스의 소비나 대체는 손상의 원인일 수 있는 연료 전지 누출을 충분히 나타낼 수 있고, 파손이 믿을 수 있게 검출될 수 있는 것을 보장한다.
시간 주기는 10초에서 5분 사이가 되도록 적절하게 선택된다. 가스 누출 검출 방법이 연료 전지 설비가 동작하는 동안 실행되고, 단지 큰 누출이 검출되고 위치 결정된다면, 짧은 시간 주기도 충분할 것이다. 일련의 테스트에서, 시간주기가 60에서 120초 사이에 있도록 선택되는 것이 특히 유리한 것이 증명되었다. 이 시간 안에, 가스 공간들 사이를 지나가는 가스는 다른 가스 공간에서 충분하게 퍼지지만, 그럼에도 불구하고 충분한 잔여 가스는 연료 전지의 정화된 가스 공간에 남아있다.
대안적인 가스 누출 검출 방법에서, 방전 저항기는 단지 연료 전지 시스템의 전압이 미리 정해진 값까지 떨어질 때 연결된다. 동작 가스의 공급이 중단된 연료 전지의 가스 공간이 정화될 때, 불활성 가스는 이러한 가스 공간의 가스-투과 전극으로부터 동작 가스의 일부를 분출시킨다. 이는 방전 저항기가 연결 되지 않을 때조차도, 연료 전지의 전지 전압이 느리게 강하하게 한다. 전지 전압에서의 이러한 전압 강하는 누출을 통해 유출하는 가스의 양에 대한 반복적인 척도로써 또한 사용될 수도 있다. 이것은 서로 다른 시간에서 실행된 가스 누출 검출 방법들을 비교하는 것을 가능하게 한다.
연료 전지의 무부하 전압은 대략 1.15 V 이다. 연료 전지 시스템 전압이 상기 미리 정해진 값 아래로 떨어질 때, 또는 상기 미리 정해진 값 아래로 떨어진 직후, 방전 저항기가 연결되는 바람직한 미리 정해진 전지 전압 값이 0.8과 1.05V 사이에 있다는 것은 많은 테스트에서 설정되었다. 전지 전압이 이 값까지 떨어질 때, 연료 전지의 전해질 전극 어셈블리에서 누출을 특히 민감하게 결정하는 것이 가능하다.
본 발명의 더 유리한 구성에서, 방전 저항기의 저항은, 방전 저항기가 연결되고 있는 중 연료 전지 시스템의 연료 전지가 최대 20 초안에 1V에서 100mV로 방전되는 것이다. 그리하여, 방전 저항기가 1000mV의 전지 전압에 연결된다면, 결함 없는 연료 전지의 전지 전압은 최대 20초 안에 1000mV에서 100mV로 떨어진다. 이 경우에 방전 저항기의 저항은 연료 전지 시스템에서 생성된 전류에 의존하고, 따라서, 연료 전지 시스템의 연료 전지의 수와 크기에 의존한다. 20초의 시간은 기계적인 수단에 의해서 판독되는 모니터링이 없을 때조차도, 결함 있는 연료 전지의 극성에서의 반전을 검출해내는 것이 가능한 시간이다. 전지 전압이 100mV까지 떨어지는데 걸리는 시간이 분명히 20초보다 길다면, 극성반전의 효과는, 결함 있는 연료 전지와 결함 없는 연료 전지 사이에서의 차이가 단지 약간이기 때문에, 결정되지 못한다.
방전 저항기가 연결되고 3에서 10초 안에 연료 전지가 1 V 의 전지 전압으로부터 50mV 까지 방전되는 것이 유리하다. 테스트에서, 이러한 특성의 방전속도는 작은 누출을 검출하는데 특히 유리하다는 것이 증명되었다.
결함 있는 전지는 각각의 전지의 전지 전압이 개별적으로 모니터링 된다면 특히 정확하게 검출된다.
대안으로, 연료 전지의 전지 전압이 최대 5개의 연료 전지의 그룹에서 모니터링된다. 이것은 개개의 전지 모니터링과 비교해서 측정 비용을 상당히 줄인다. 손상된 연료 전지의 극성 반전은 매우 뚜렷해서 각 경우에 최대 5개의 전지 전압이 하나의 측정된 값을 형성하기 위하여 결합됐지만 연료 전지의 극성에 있어서의 반전과 이어 모니터링된 그룹의 누출 손상은 여전히 검출될 수 있다. 신뢰할 수 있고 정확한 검출과 측정 비용사이의 효과적인 타협점은 두 개 또는 세 개 연료 전지의 각 경우 그룹의 전지 전압이 모니터링된다면 이루어질 수 있다.
미리 정해진 시간 간격에서 전지 전압의 기계적인 기록과, 예를 들면 스크린 같은 디스플레이 장치에 출력되는 전압을 가지고, 연료 전지 시스템의 연료 전지의 연료 전압이 분명하게 특히 쉽게 모니터링되는 것이 가능하다.
또한 회고적으로 기록될 수 있는 연료 전지의 전지 전압의 특히 정확한 모니터링은 미리 정해진 시간 간격에서 기계적 수단에 의해서 기록된 전지 전압에 의해서 이루어지고 데이터 캐리어에 저장된다. 단지 매우 짧고 약한 극성 반전조차도 이런 방식으로 검출될 수 있다. 게다가 이것은 데이터가 예를 들면, 연료 전지 시스템의 오랜 기간 모니터링을 위한 추후 해석을 위해 이용될 수 있다.
본 가스 누출 검출 방법은 순수한 산소 및 순수한 수소와 동작할 수 있도록 설계된 연료 전지에 유리하게 적용된다. 순수한 산소 및 순수한 수소와 동작하는 연료 전지의 경우에 있어서, 연료 전지안에서 누출의 결과로 하나 또는 더 많은 연료 전지가 불타버리는 위험은 특히 높다. 따라서, 작은 누출에 대한 이러한 형태의 연료 전지의 모니터링은 특히 유리하다.
본 가스 누출 검출 방법은 PEM(Proton Exchange Membrane) 연료 전지에 대해 특히 유리하게 사용된다. 이러한 전지는 특히 불에 민감하고, 결과적으로 본 발명의 장점은 이러한 특성의 전지에 대해서 특히 언급된다.
도 1은 가스 누출 검출 방법을 실행하기 위한 연료 전지 시스템을 도시함.
도 2는 가스 누출 검출 방법의 흐름도.
도 3은 가스 누출 검출 방법이 실행되는 동안 결함 없는 연료 전지의 전지 전압 곡선을 도시함.
도 4는 가스 누출 검출 방법이 실행되는 동안 결함 있는 연료 전지의 전지 전압 곡선을 도시함.
도 5는 가스 누출 검출 방법이 실행되는 동안 순시 시간에서 연료 전지 시스템의 연료 전지의 전지 전압을 도시함.
도 1은 다수의 연료 전지들을 가지는 연료 전지 시스템(1)을 구성하는 연료 전지 설비를 개략적으로 도시한다. 연료 전지는 연료 전지 스택을 형성하기 위해서 스택된 평평한 연료 전지이다. 게다가, 연료 전지 설비는 산화 가스 입구 밸브(3), 연료 가스 입구 밸브(5), 산화 가스 출구 밸브(7), 연료 가스 출구 밸브(9), 및 불활성 가스 입구 밸브(11)를 포함한다. 게다가, 연료 전지 설비는 방전 저항기(13), 연료 전지 모니터링 장치(15), 및 스크린에 연결된 컴퓨터 형태인 계산 유닛(17)을 포함한다. 연료 전지 시스템은 산화 가스로 순수한 산소 및 연료 가스로 순수한 수소와 동작하기 위해서 설계된 260 PEM 연료 전지를 포함한다.
도 2는 연료 전지 시스템에서 가스 누출을 검출하기 위한 방법의 흐름도를 도시하며, 제1 가스 누출 검출 방법 단계(21)에서, 연료 전지 시스템(1)의 정규 동작 동안 연료 전지 시스템(1)의 연료 전지의 애노드 가스 공간은 순수한 수소가 공급되고, 연료 전지의 캐소드 가스 공간은 순수한 산소가 공급된다. 이어지는 가스 누출 검출 방법 단계(23)에서, 연료 전지 시스템(1)은 도면에서는 보이지 않는 동작 부하 -차량의 구동- 로 부터 단절되어 있고, 무부하 모드로 스위칭된다. 이어, 연료 전지 시스템(1)의 연료 전지의 가스 공간에 동작 가스의 공급은 닫혀진 연료 전지 설비의 산화 가스 입구 밸브(3)와 연료 가스 입구 밸브(5)에 의해서 중단된다(25). 연료 전지 설비의 불활성 가스 입구 밸브(11)는 이 순간에 마찬가지로 닫힌다. 다음 단계(27)에서, 연료 전지의 애노드 가스 공간안의 수소의 가스 압력은 2.3 bar 에서 1.6 bar(각각의 경우에 절대압)로 팽창된다. 캐소드 가스 공간안의 산소의 가스 압력은 2.6 bar의 작동 압력에서 1.6bar로 마찬가지로 팽창된다. 이어, 연료 가스 출구 밸브(9)가 연료 전지 시스템(1)의 연료 전지의 캐소드 가스 공간이 밀봉되기 위해서 닫힌다.
다음 가스 누출 검출 방법 단계(29)에서, 불활성 가스 출구 밸브(11)가 열리고 연료 전지의 캐소드 가스 공간은 질소로 정화된다. 이 경우에, 질소는 2 bar압력으로 연료 전지의 캐소드 가스 공간에 인가된다. 도 3과 도 4에서 도시된 제1 시간 주기 t1후에, 방전 저항기(13)는 연료 전지 시스템(1)의 연료 전지와 전기적 접촉된다(31). 방전 저항기(13)의 저항은 10Ω이다. 이어 연료 전지의 전지 전압(37)이 모니터링 된다(33). 방전 저항기(13)가 연결된 후에, 연료 전지 시스템(1)의 결함 없는 연료 전지의 전지 전압(37)은 도 3에 도시된 제2 시간 주기 t2안에 950㎷에서 대략 100㎷까지 떨어진다. 시간 주기 t2는 대략 7초이다. 같은 제2 시간 주기 t2동안, 도 4에 도시된 것처럼 전해질 전극 어셈블리에서 누출을 갖는 결함 있는 연료 전지의 전지 전압(37)은 연료 전지 시스템(1)의 결함 없는 전지의 전지 전압(37)보다 뚜렷하게 더 빠르게 떨어진다. 결함 있는 연료 전지를 통해서 구동된 전류때문에, 결함 있는 연료 전지의 전지 전압(37)의 극성은 반전되고, 제2 시간 주기t2가 경과한 후에 대략 -500㎷의 값에 도달한다. 캐소드 가스 공간이 질소로 정화되고, 연료 전지가 방전되는 동안, 연료 전지 시스템(1)의 연료 전지의 전지 전압(37)은 연료 전지 모니터링 장치(15)에 의해서 지속적으로 모니터링된다. 연료 전지 전압(37)에 대한 값은 연료 전지 모니터링 장치(15)에서 계산 장치(17)로 보내지고, 주기적인 간격으로 이러한 값들을 저장하고 또한 스크린상에 그것들을 출력한다. 마지막 가스 누출 검출 방법 단계(35)에서, 연료 전지 시스템(1)의 연료 전지의 가스 공간은 질소로 넘치고, 이전에 열렸었던 산화 가스 출구 밸브(7)는 닫힌다. 그리하여, 일단 불활성 가스 입구 밸브(11)가 이어서 닫히면, 연료 전지 시스템(1)의 연료 전지의 캐소드 가스 공간은 또한 외부로부터 밀폐된다. 제1 시간 주기 t1동안, 연료 전지 시스템(1)의 결함 없는 연료 전지의 전지 전압(37)은 대략 1.15V의 무부하 전압으로부터 대략 0.95V의 제2 전압까지 떨어진다. 가스 누출 검출 방법의 대안적인 형태에서, 이 제2 전압은 방전 저항기(13)를 연료 전지 시스템(1)의 연료 전지에 연결시키기 위한 트리거 전압(39)으로 사용된다. 이 경우에 제2 전압 값은 연료 전지 시스템(1)의 전체 전압 값을 측정하고, 이 값을 연료 전지의 수로 나눔으로써 결정된다.
도 5는 제2 시간 주기 t2가 끝나기 바로 전 시간 순간에서 계산 장치에 의해서 저장되었던 전지 전압의 데이터를 도시한다. 전압 값은 이 경우에 두 개의 인접한 연료 전지의 전지 전압(37)으로 구성되며, 하나의 블록에 각각의 경우가 도시되었다. 그리하여 두 개의 인접한 전지의 전지 전압(37)은 거의 모든 전지들에 대해서 대략 200㎷이다; 그리하여 개개의 전지는 대략 100㎷의 전지 전압을 갖는다. 연료 전지 시스템(1)의 260개의 연료 전지들 중 두 개의 연료 전지들(19 및 20)의 결합된 전지 전압(37)은 강한 음의 전압 값을 갖는다. 이러한 음의 전압으로부터 두 개의 연료 전지(19 또는 20) 중 어느 하나가 두 개의 가스 공간들 사이에서 누출을 가지거나 심지어 가능하면 연료 전지들(19 및 20) 둘 다가 손상된 것은 분명하다.

Claims (1)

  1. 다수의 연료 전지들을 가지는 연료 전지 시스템(1)에서 가스 누출을 검출(localize)하기 위한 방법으로서,
    a) 연료 가스가 상기 연료 전지들의 애노드 가스 공간에 공급되고(21), 산화 가스가 상기 연료 전지들의 캐소드 가스 공간에 공급되는 단계(21),
    b) 상기 연료 전지들의 상기 두 개의 가스 공간들 중 적어도 하나에 동작 가스의 공급이 중단되는 단계(25),
    c) 상기 동작 가스 공급이 중단된 상기 연료 전지들의 가스 공간이 불활성 가스로 정화되는 단계(29),
    d) 상기 연료 전지들이 방전 저항기(13)와 전기적으로 접촉되는 단계(31),
    e) 상기 연료 전지들의 전지 전압(37)이 모니터링되는 단계
    를 포함하는,
    가스 누출을 검출하기 위한 방법.
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