KR20110033927A - 연료 전지 장치의 연료 전지의 작동 가스용인 하나 이상의 유입 채널 세척 방법 및 연료 전지 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기적으로 직렬 접속된 연료 전지(4)를 통해 작동 가스(10)와 전기 전류가 안내되는, 연료 전지 장치(2)의 연료 전지의 하나 이상의 유입 채널의 세척 방법에 관한 것이다. 전기 전류는 유지되면서, 작동 가스 공급이 중단되고 연료 전지(4) 내에 가스가 생성될 때, 이에 따라 폐쇄된 연료 전지(4)의 유입 채널로부터 오염물이 날려 보내짐으로써 간단하게 세척이 실행될 수 있다.

Description

연료 전지 장치의 연료 전지의 작동 가스용인 하나 이상의 유입 채널 세척 방법 및 연료 전지 장치{METHOD FOR CLEANING AT LEAST ONE INLET CHANNEL FOR OPERATING GAS OF A FUEL CELL OF A FUEL CELL ARRANGEMENT, AND A FUEL CELL ARRANGEMENT}
본 발명은 전기적으로 직렬 접속된 연료 전지를 통해 작동 가스와 전기 전류가 안내되는, 연료 전지 장치의 연료 전지의 작동 가스용인 하나 이상의 유입 채널의 세척 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 전기적으로 직렬 접속된 복수의 연료 전지와, 상기 연료 전지로의 작동 가스 공급 및 연료 전지를 통하는 전류 흐름을 제어하기 위한 제어 수단을 구비한 연료 전지 장치에 관한 것이다.
연료 전지 시스템에서 복수의 연료 전지들은 예컨대 차량 구동을 위해 충분한 전압이 제공되도록 전기적으로 직렬 접속된다. 연료 전지들 중 1개에서 결함이 발생하면, 이로 인해 수소와 산소가 전기 전류 및 열로 변환되는 과정이 심하게 방해받으므로, 상기 연료 전지에서 셀 전압이 붕괴될 수 있으며 연료 전지 시스템은 전기 출력을 적게 생성할 수 있다.
1개의 연료 전지의 전압 붕괴에 대한 가능한 원인으로 연료 전지의 막힘을 들 수 있다. 작동 가스 내로 함께 이송된 오염물에 의해 유입 채널들이 폐쇄될 수 있으므로, 해당 연료 전지는 상응하는 작동 가스를 더 이상 충분히 공급받지 못하게 된다. 특히 촉매 변환기의 지지체로서 그리고 전류 이송을 위해 카본지가 사용되는 연료 전지의 경우 상기 카본지는, 가스 흐름 및/또는 물 흐름에 의해 쓸려가며 유동 속도가 낮은 지점에 적층되는 개별 섬유를 방출할 수 있다. 상기의 지점들은 바람직하게 가스 경로의 장애 지점들, 튜브 또는 채널의 단부, 분기 및 막힌 지점 등이다. 해당 연료 전지의 가스 공급은 저지되는데, 최악의 경우에는 출력 감소로 인해 전지가 고장날 때까지 완전히 억제된다. 연료 전지 장치의 완벽한 작동을 위해, 상기 연료 전지 장치는 세척되어야 한다. 이를 위해 연료 전지 장치를 분해해서 상기 장치의 채널들을 세척하고 이들을 다시 조립하는 것이 공지되어 있다.
본 발명의 목적은 연료 전지 장치를 세척하기 위한 간단한 방법과, 간단한 세척이 실행될 수 있는 연료 전지 장치를 제공하는 것이다.
상기 방법과 연관된 목적은 서두에 언급한 유형의 방법에 의해 달성되며, 이때 작동 가스를 안내하는 공급 채널에 대한 개구의 영역에서 하나 이상의 유입 채널을 폐쇄하는 오염물로부터, 연료 전지 장치에서 작동 가스의 공급이 부족한 하나 이상의 연료 전지에서의 작동 가스용인 하나 이상의 유입 채널이 본 발명에 따라 세척되며, 전기적으로 직렬 접속된 연료 전지 장치의 연료 전지를 통해 작동 가스 및 전기 전류가 안내되고, 전기 전류가 유지되면서 작동 가스 공급이 중단되며, 적어도 공급이 부족한 하나 이상의 연료 전지에서 가스가 생성되고, 이때 생성된 가스의 양은 생성 가스가 적어도 공급이 부족한 하나 이상의 연료 전지로부터 하나 이상의 유입 채널을 통해 공급 채널로 적어도 부분적으로 흐르도록 구현된다.
전기 전류가 유지되면서 작동 가스 공급이 중단되는 것에 기초해서, 작동 가스의 공급이 부족한 하나 이상의 연료 전지에서 전기 분해가 실행되며, 연료 전지의 정상 작동에서와 같이 가스가 감소하는 대신, 가스가 생성된다.
전기 분해의 효과 자체는 위협적이지만, 작동 가스가 차단된 경우 이를 연료 전지 장치의 세척에 사용될 수 있으므로, 연료 전지의 고장이 저지될 수 있다.
이 경우 본 발명은, 오염물로 인해 1개의 또는 모든 유입 채널이 막히거나 폐쇄됨에 따라 작동 가스의 공급이 부족해진 연료 전지를 통해서도 직렬 접속에 기초해서, 작동 가스가 충분히 공급되는 나머지 연료 전지들을 통해 흐르는 것과 동일한 전류가 흐른다는 사상으로부터 시작된다. 이러한 전류는 막힘으로 인해 후속해서 흐르는 작동 가스에 의해 충족될 수 없는 가스 변환을 사전 설정한다. 부압이 형성되므로, 공급이 부족한 연료 전지는 배출 채널로부터도 작동 가스를 흡기할 수 있다. 따라서 배출 채널은 또 다른 유입 채널에 대해 일시적인 기능을 한다. 이와 같이 작동 가스가 연료 전지 내로 양측으로 공급됨으로써, 상기 가스가 연료 전지를 더 이상 관류하지 않으므로 연료 전지 내에 불활성 가스가 축적될 수 있다. 이로써 상기 전지에는 인접 전지의 가스 조성물과 다른 가스 조성물이 형성되는데, 그 이유는 해당 전지가 인접 전지보다 불활성 가스를 더 많이 포함하기 때문이다.
이와 같은 상태에서, 전류가 중단되지 않으면서 연료 전지 장치로의 작동 가스 공급이 분리되면, 개별 연료 전지의 산소 측 또는 수소 측이 작동 가스를 더 이상 포함하지 않을 때까지, 연료 전지 내에 포함된 작동 가스 저장분이 소비된다. 이러한 상태에서 셀 전압은 붕괴된다. 가스 분포가 균일한 연료 전지 장치에서 연료 전지의 셀 전압도 균일하게 또는 거의 동시에 붕괴된다. 그러나 상기 연료 전지 장치 내에, 인접 연료 전지보다 실질적으로 불활성 가스를 더 많이 포함하는, 공급이 부족한 연료 전지가 포함되면, 상기 연료 전지에 존재하는 작동 가스 저장분이 다른 연료 전지에서보다 더 신속하게 소비된다. 아직 작동중인 연료 전지를 통해 흐르는 전류는 계속해서 흐르며, 수소 측에 산소가 생성되고 산소 측에 수소가 생성되는 전기 분해에 의해 해당 연료 전지 내에 가스가 생성되도록 한다. 가스가 감소하는 대신 가스가 생성된다.
전기 분해 시 생성되는 가스는 이하에서 전해 가스로도 지칭되며, 작동 가스가 공급되면서 연료 전지로부터 날려 보내진다. 가스 공급을 방해하는 오염물이 연료 전지의 입구에 축적되면, 가스가 충분히 많이 생성될 경우 상기 지점으로부터 이러한 오염물이 날려보내질 수 있는데, 예컨대 작동 가스를 안내하는 공급 채널로 다시 보내질 수 있다. 바람직하게, 공급이 부족한 연료 전지 내의 부압에 기초해서 작동 가스가 흡기됨으로써 폐기 처리 채널에 대한 배출 채널의 전환 영역에 형성될 수도 있는 오염물도 전해 가스에 의해 동시에 날려 보내질 수 있다.
이상적인 경우, 상기 지점 즉, 공급 채널 또는 폐기 처리 채널에서는 연료 전지에 대한 작동 가스의 가스 유입이 오염물에 의해 더 이상 방해받지 않는 하나의 지점에, 날려 보내진 오염물이 남아 있게 된다. 다시 말해, 폐기 처리 채널에 날려 보내진 오염물이 전지 유입부 앞에 새로이 축적되는 것은 확실히 방지되지 못할 수 있다. 그러나, 상기 방법은 연료 전지 장치 내부의 임계 지점이 세척됨으로써 연료 전지 출력을 적어도 일시적으로 향상하기에는 적합하다.
연료 전지를 통하는 전류는 예컨대 작동을 위해 연료 전지 장치가 정규적으로 제공되는 모터 또는 배터리와 같이 연료 전지 장치에 접속된 부하를 통해 흐른다. 바람직하게, 상기 부하로 인해 야기된 전류 흐름은 작동 가스 공급이 중단될 때 유지된다. 이로써 상당한 양의 전해 가스의 생성에 적합한 높은 전류 흐름이 유지될 수 있으므로 오염물이 날려 보내질 경우 바람직하게 높은 가스 압력이 구현된다. 상기 부하가 DC 컨버터이면, 예컨대 전기 회로망 내로 전류가 계속해서 공급될 수 있다.
작동 가스 공급은 예컨대 차단 밸브가 닫힘으로써 바람직하게 신속하게, 특히 500ms 내에, 바람직하게는 200ms 내에 중단된다. 이때, 작동 가스 공급의 중단은 조작자에 의해 수동으로 실행되거나, 예컨대 전지의 전압이 상기 전지의 정상 전압값의 90% 미만으로 강하할 경우 자동으로 실행되는 것 같이 자동화될 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 연료 전지 장치의 정규 작동이 단시간 중단되는 것으로 실행될 수 있다. 연료 전지 장치를 완전하게 정지하고, 예컨대 씻어내는 것은 필요하지 않다. 세척 종료를 위해 전류가 중단될 수 있으므로, 전기 분해뿐만 아니라 날려 보내는 과정도 종료된다. 작동 가스가 다시 공급되고 부하가 다시 접속됨으로써 후속해서 정규 작동이 다시 시작될 수 있다. 작동 가스는 연료 전지 장치 내로 그리고 전해 가스로 흐르며 열을 발생시키는 산화 과정에서 전해 가스를 제거한다. 열을 발생시키는 반응을 방지하기 위해 전해 가스는 연료 전지 장치로부터 날려 보내질 수 있거나 단시간의 진공에 의해 제거될 수 있다.
종종, 연료 전지의 수소 측에 오염물이 축적된다. 산소 함유 가스 및 전기 전류의 공급이 유지되면서 수소 함유 가스의 공급만이 중단되면, 해당 연료 전지의 수소 측만이 자유로이 날려 보내질 수 있지만, 이는 통상적으로 충분하다. 일반적으로, 작동 가스, 예컨대 수소 함유 작동 가스의 중단은 상기 방법을 신속하고 효율적으로 실행하기 위해 충분할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 작동 가스 공급이 중단된 후 발생하는 음의 셀 전압이 측정되며 전류는 예컨대 작동된 부하가 연료 전지 장치로부터 분리됨으로써 음의 셀 전압에 따라 중단된다. 이러한 종속성은 음의 셀 전압의 임의의 매개 변수, 예컨대 셀 전압의 지속 시간, 크기, 경로에 있을 수 있다. 이는 특정의 음의 셀 전압 한계값에 도달할 경우 전류가 예컨대 중단되는 것을 의미한다. 적합한 매개 변수의 선택과, 전류가 중단되는 상기 매개 변수의 임계값의 선택은 연료 전지 장치의 구조, 사용된 연료 전지 형태, 작동 가스 등에 따르며 각각의 연료 전지 장치에 대해 별도로 정해진다. 전해 가스량이 통제되지 않는 방식으로 큰 것이 방지될 수 있으므로, 전해 가스와 작동 가스의 산화로 인한 통제되지 않는 열 반응이 방지된다. 음의 셀 전압은 전기 분해의 발생뿐만 아니라 전해 가스의 생성도 의미한다.
바람직하게, 임계 지속 시간 이후 전류가 중단될 수 있으므로 더 많은 전해 가스가 생성되는 것이 중단될 수 있다. 임계 지속 시간은 고정적으로 조정된 시간이거나 연료 전지 장치의 하나 이상의 매개 변수에 따라 현재 또는 사전에 계산된 시간일 수 있다. 대안적으로, 전류 중단 대신에, 작동 가스가 다시 공급될 수 있으므로 더 많은 전해 가스가 생성되는 것이 중단될 수 있다.
생성되는 전해 가스의 양은, 음의 셀 전압이 발생하는 동안 시간에 따라 전류에 대한 적분이 형성되고 임계 적분값이 초과될 경우 전류가 중단되거나 작동 가스가 다시 공급될 때 더 바람직하게 통제될 수 있다. 생성된 전해 가스의 양이 전류의 세기 및 지속 시간에 따르기 때문에, 상기의 양은 전류에 대한 시간 적분에 직접적으로 연관된다. 상기 적분의 결과가 사전 결정된 값을 초과하면, 전류 흐름이 중단되고 전해 가스의 생성은 종료된다.
해당 연료 전지로부터의 전해 가스의 가스 흐름이 더 클수록, 연료 전지로부터 오염물이 더 양호하게 날려 보내질 수 있다. 따라서 가스 흐름이 적어도 단시간 많은 것이 바람직하다. 연료 전지 장치에서 작동 가스 공급이 중단되기 직전에 전류가 흐를 때, 바람직하게는 연료 전지 장치가 적어도 30초의 시간 동안 상기 장치의 정격 부하의 적어도 50%로 작동할 때, 특히 적어도 2분의 시간 동안 상기 장치의 정격 부하의 적어도 90%로 작동할 때 많은 가스 흐름이 구현될 수 있다. 이에 따라, 막힌 연료 전지를 통하는 높은 전류에 의해 상기 연료 전지 내에 불활성 가스 비율이 높을 수 있는데, 그 이유는 두 측면에서의 높은 가스 소비에 의해 상기 연료 전지가 작동 가스를 흡기하며 상기 작동 가스가 더 이상 관류하지 않기 때문이다. 연료 전지 내의 불활성 가스 비율이 높을수록, 연료 전지 장치의 나머지 연료 전지들의 셀 전압이 붕괴됨으로써 전기 분해를 위해 필요한 전류 역시 붕괴되기 전에, 상기 연료 전지의 셀 전압이 더 일찍 붕괴되며 더 많은 전해 가스가 생성될 수 있다. 정격 부하의 적어도 90%, 특히 100%로, 적어도 5분의 작동이 더욱 바람직하다.
폐쇄되거나 막힌 연료 전지로부터 높은 가스 흐름을 구현하기 위해 대안적이거나 또 다른 가능성으로서, 연료 전지 장치는 작동 가스의 공급이 중단되기 직전, 정격 부하 작동을 위해 제공된 설정 온도보다 적어도 5K만큼 더 높은 온도에서 바람직하게 작동할 수 있다. 온도가 상승함으로써, 연료 전지 내에 항상 존재하는 물의 부분 가스 압력이 증강되며, 이에 상응하게 불활성 가스 비율이 상승한다. 연료 전지 내에 더 많은 수증기가 제공될수록, 작동 가스를 위한 공간이 더 적게 제공된다. 수증기 부분 압력이 높은 경우, 이에 따라 폐쇄되거나 막힌 연료 전지의 전압이 더 신속하게 붕괴되며 더 많은 전해 가스가 생성될 수 있다. 바람직하게, 연료 전지 장치는 정격값 작동을 위해 제공되는 설정 온도보다 적어도 10K 만큼 더 높은 온도에서 작동된다.
폐쇄되거나 막힌 연료 전지에서 오염물을 성공적으로 날려 보내기 위해서는, 전해 가스가 특히 신속하게 연료 전지 내에 생성되는 것이 바람직하다. 생성된 전해 가스의 양은 막힌 연료 전지를 통하는 전류의 세기에 직접적으로 좌우된다. 작동 가스 중단 이후 전류 증가를 위해 연료 전지 장치의 전류 회로 내에 단락이 발생할 때 많은 양의 전해 가스가 단시간에 생성될 수 있다.
바람직하게, 단락 전류를 제한하는 단락 저항에 의해 단락이 유도되므로, 연료 전지 장치의 전기 부하는 허용 가능한 범위 내에 유지될 수 있다. 바람직하게, 단락 저항은 냉각을 위해 제공된 냉각 장치에 의해 냉각되며 동일한 전류일 때, 특히 연료 전지 장치에 접속되고 연료 장치에 의해 작동되는 부하의 최소 저항보다 작다. 따라서, 이와 같이 유도된 단락에 의해 발생한 전류는 정규 작동 시 부하에 의해 발생한 전류보다 바람직하게 더 높다.
막힘이 발생하는 것은 규칙적인 과정일 필요는 없으며, 한 번은 더 신속하게 한 번은 더 느리게 발생할 수 있다. 따라서 바람직하게, 연료 전지 장치는 막힘의 발생 또는 증가에 대해 모니터링될 수 있다. 이러한 모니터링은 연료 전지의 셀 전압이 연료 전지를 통하는 전류에 따라 측정될 때 구현될 수 있다. 사전 결정된 최소값 미만의 값으로 셀 전압이 감소하면, 이는 상기 최소값으로부터 시작해서 전지 배출부 또는 배출구로부터 작동 가스가 흡기되고 연료 전지를 통한 작동 가스의 관류가 중단됨으로써, 상기 연료 전지 내에 불활성 가스가 점점 더 많이 축적되고 셀 전압이 붕괴되는 것에 대한 표시이다. 이제 작동 가스 공급이 전기 전류의 유지 하에서 중단될 수 있으므로, 세척 과정이 시작된다. 작동 가스는 오염물의 존재가 인식된 직후 공급되지 않아도 되며, 추후에 공급될 수도 있다.
오염물에 대해 연료 전지를 모니터링하기 위해서는 작동 온도의 상승도 사용될 수 있다. 특히 정격 부하의 경우 연료 전지 내의 수증기 비율이 더 높아짐으로써, 정규 작동 즉, 낮은 작동 온도에서의 작동 시 연료 전지에 아직 별다른 이상이 없을 때에도 연료 전지의 전압 붕괴에 의한 막힘이 인식될 수 있다. 연료 전지 장치는 잠시 동안 더 계속해서 작동될 수 있으며 작동이 방해받지 않으면서, 세척에 적합한 시점이 선택될 수 있다.
바람직하게 순수한 불활성 가스와 작동 가스가 혼합되어 연료 전지 장치 내로 유입될 수 있는 것이 마찬가지로 바람직하다. 이러한 조건 하에서도, 쉽게 막히는 연료 전지의 셀 전압은 불활성 가스가 추가로 유입되지 않는 정규 작동의 경우 이러한 막힘이 발생하지 않아도 이미 감소한다.
더욱이, 불활성 가스가 작동 가스에 공급되는 것은 전해 가스 생성의 증가에도 이용될 수 있다. 작동 가스 내 불활성 가스 비율이 높음으로써, 막힌 연료 전지 내 불활성 가스 비율이 특히 높을 수 있으므로, 작동 가스 공급이 중단된 경우 연료 전지의 셀 전압이 특히 신속하게 역전되며 많은 전해 가스가 생성될 수 있다.
연료 전지 장치에 연관된 목적은, 연료 전지를 통하는 전기 전류 흐름의 유지 하에 작동 가스 공급을 중단하고 본 발명에 따른 방법을 실행하기 위해 본 발명에 따라 제어 수단이 제공되는 서두에 언급한 유형의 연료 전지 장치에 의해 달성된다. 막힌 연료 전지로부터 전해 가스가 날려 보내질 수 있으므로, 상기 연료 전지는 세척될 수 있다.
유지되는 전기 전류는, 정격 전류 즉, 완전 부하 시 발생하는 전류의 바람직하게는 70%, 특히 100% 이다. 제어 수단은 앞서 설명한 방법의 세부 사항들 중 하나의, 복수의 또는 모든 세부 사항을 제어하기 위해 바람직하게 제공된다.
일반적으로 연료 전지의 유입 영역에 오염물이 축적되므로, 가스 유동 방향이 역전될 경우 오염물이 날려 보내질 수 있다. 이러한 날려 보냄을 특히 효율적으로 구현하기 위해, 작동 가스 공급을 위해 제공된, 공급이 부족한 연료 전지의 유입부에서 전해 가스가 바람직하게 배출되고 작동 가스의 배출을 위해 제공된 연료 전지의 배출부를 통해서는 배출되지 않는 것이 바람직하다.
이를 위해, 연료 전지는 바람직하게 각각 유입 채널 장치에 의해 공급 채널에 연결되고 배출 채널 장치에 의해서는 폐기 처리 채널에 연결되며, 이때 유입 채널 장치는 배출 채널 장치보다 작은 유동 저항을 갖는다. 유동 저항이 유입부에서 작고 배출부에서 크면, 생성된 전해 가스는 막힘이 제거되어야 하는 지점 즉, 주로 유입부 쪽으로 날려 보내진다.
유동 저항은 복수의 채널들을 통해 조정될 수 있으므로, 유입 채널 장치는 배출 채널 장치보다 바람직하게 더 많은 유입 채널들을 포함한다. 대안적으로 또는 추가로, 유입 채널 장치는 배출 채널 장치보다 더 길 수 있다. 마찬가지로, 유입 채널 장치의 최협소 횡단면이 배출 채널 장치의 최협소 횡단면보다 더 클 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 기초로 더 자세히 설명된다.
도 1은 제어 유닛과 전기 부하를 구비한 연료 전지 장치의 컷아웃을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 연료 전지의 가스 챔버를 절단해서 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1에는 연료 전지 장치(2)의 컷아웃이 개략적인 기능도로 도시되어 있다. 연료 전지 장치(2)는 연료 전지 블록으로서 구현되며 복수의 PEM(고분자 전해질막 또는 양자 교환막) 연료 전지(4)를 포함하지만, 개관의 용이함을 위해 상기 연료 전지들 중 수 개의 연료 전지만이 표시되어 있다. 연료 전지(4)는 각각 2개의 가스 챔버(6)를 포함하며, 도 1에는 이들 가스 챔버들 중 각각 하나만이 도시되어 있다. 두 가스 챔버(6)는 수소 가스 챔버와 산소 가스 챔버이며, 1개의 연료 전지의 수소 가스 챔버와 인접한 연료 전지(4)의 산소 가스 챔버 사이에 전해질(8)이 각각 배치된다.
연료 전지(4)는 작동 가스(10)를 공급받으며, 작동 가스는 공급 채널(12)을 통해 연료 전지(4)에 유입되고 유입 채널 장치(14)를 통해 연료 전지(4)의 상응하는 가스 챔버(6) 내에 이른다. 소비되지 않은 작동 가스(10)는 배출 채널 장치(16)를 통해 연료 전지(4)로부터 다시 배출되어 폐기 처리 채널(18)을 통해 연료 전지(4)로부터 멀리 이송된다. 상기의 방식으로 연료 전지 장치(2)의 개별 연료 전지(4)는 2개의 작동 가스를 동시에 공급 받는다. 98%를 초과하는 수소 비율과 적은 불활성 가스 비율의 수소 함량을 갖는 가스가 수소 함유 작동 가스로서 사용된다. 산소 함유 가스로는 공기 또는 고농축 산소가 고려된다.
연료 전지(4)는 전기적으로 직렬 접속되며, 이는 부하(22)를 갖는 전류 회로(20)로 도시된 바와 같다. 부하(22)는 차량 구동을 위한 모터이다. 전류 회로(20)는 제어 유닛(26)에 의해 제어되는 스위치(24)에 의해 중단되고 폐쇄될 수 있다. 바람직하게 스위치(24)가 개방된 경우, 또 다른 스위치(28)를 이용하여 단락 회로(30)가 단락 저항(32)에 의해 폐쇄될 수 있다.
공급 채널(12)의 개폐를 위한 밸브(34)가 마찬가지로 제어 유닛(26)에 의해 제어되므로, 예컨대 수소 함유 작동 가스(10)의 작동 가스 공급이 중단 및 시작될 수 있다. 밸브(34)는, 상응하는 제어 시 200ms 보다 짧은 시간 내에 닫힘으로써 공급 채널(12)을 폐쇄하는 볼 밸브이다.
연료 전지 장치(2)의 작동중, 예컨대 굽힘부, 협소부 또는 막다른 단부와 같이 가스 흐름이 저지되거나 느려지는, 가스 흐름 내부의 지점들에 오염물(36)이 축적된다. 도 1에는 공급 채널(12) 쪽 유입 채널 장치(14)의 개구에 오염물(36)이 축적되어 유입 채널 장치(14)가 전반적으로 폐쇄되는 것이 예시적으로 도시되어 있다. 이로써 연료 전지 장치(2)의 정격 부하 작동의 경우, 예컨대 절반의 수소 함유 작동 가스(10)만이 막힌 연료 전지(4)의 상응하는 수소 가스 챔버(6) 내에 이른다.
그러나 연료 전지들(4)이 전기적으로 직렬 접속됨으로써, 동일한 전류가 연료 전지 장치(2)의 모든 연료 전지(4)를 통해 흐른다. 제공된 수소 함유 작동 가스(10)가 해당 연료 전지(4)의 셀 전압을 유지하기에 충분하지 않기 때문에, 상기 연료 전지(4)는 폐기 처리 채널(18)로부터 연료 전지의 수소 가스 챔버(6) 내로 작동 가스(10)를 흡기하며 이는 화살표 38로 표시된 바와 같다. 작동 가스(10)는 더 이상 수소 가스 챔버(6)를 관류하지 않으며, 시간이 지남에 따라 점점 더 많은 불활성 가스가 수소 가스 챔버(6) 내에 축적된다. 불활성 가스 비율이 높을수록, 셀 전압은 상기 셀 전압이 결국 붕괴되어 연료 전지(4)가 고장 날 때까지 점점 더 많이 강하한다.
도 1에서 오염물은 공급 채널(12)에 대한 1개의 유입 채널 장치(14)의 하나의 합류 지점에만 도시되어 있으나, 연료 전지 장치(2)의 정규 작동 시 오염물(36)은 연료 전지 장치(2) 내부의 여러 지점들에 축적될 수 있다. 이로써 시간이 지남에 따라 복수의 연료 전지들(4)이 고장날 수 있으며 연료 전지 장치(2)의 출력이 저하될 수 있다.
간단한 제1 실시예에 따라, 이러한 오염 과정을 지연시키기 위해 두 작동 가스의 작동 가스 공급은 부하 하에서 동시에 중단될 수 있다. 후속해서, 연료 전지 장치의 전체 전압이 붕괴될 때까지 대기한다. 이제 오염물은 임계 지점으로부터 다른 하나의 지점으로 날려 보내질 수 있다. 이어서, 작동 가스가 다시 공급되며 정규 작동이 다시 시작될 수 있다.
상기 방법을 개선하기 위한 또 다른 가능성은 이하에서 설명된다. 따라서 전류는 전기 분해를 종료하기 위해 적절한 시점에 중단될 수 있다. 작동이 재개되기 전에 연료 전지 장치(2)를 진공화하거나, 예컨대 N2와 같은 불활성 가스로 씻어내는 것도 마찬가지로 가능하다.
또한, 연료 전지(4)의 셀 전압은 제어 유닛(26)에 의해 모니터링될 수 있다. 이를 위해 제어 유닛은 전기 라인(40)에 의해 연료 전지(4)에 연결되며, 도 1에서는 개관의 용이함을 위해 상기 전기 라인들 중, 인접한 2개의 연료 전지(4)를 모니터링하기 위한 3개의 전기 라인만이 도시되어 있다. 개별 연료 전지(4)의 셀 전압은 전류 세기에 따라 측정되며, 셀 전압이 심하게 강하하거나 붕괴될 때 인식된다.
셀 전압이 붕괴될 경우 연료 전지 장치(2)의 작동은 이미 뚜렷이 저하되어 있다. 곧 발생할 연료 전지(4)의 고장을 조기에 인식할 수 있도록, 제어 유닛(26)은 연료 전지 장치(2) 내부의 온도가 정격 부하 작동을 위한 설정 온도에 비해 5K 보다 많은 정도로, 특히 10K보다 많은 정도로 상승되는 방식으로 냉각 유닛(42)을 제어한다. 냉각 유닛(42)은 냉각 장치 및 연료 전지 장치(2)를 관류하는 냉각제와, 온도를 설정하기 위한 폐회로 제어 수단 또는 개회로 제어 수단을 함께 포함할 수 있다.
온도가 상승함으로써, 연료 전지(4) 내부의 수증기 부분 압력이 증강되므로, 전해질(8)에서의 전기 화학적 반응을 유지하기 위해 수소 함유 작동 가스(10)가 수소 가스 챔버(6) 내로 적게 제공된다. 이로써, 예컨대 정격 부하에서의 작동과 같이 높은 부하의 경우 즉, 완전 부하 작동의 경우, 부분적으로 폐쇄된 연료 전지(4)를 통하는 작동 가스의 관류랑이 부족할 때 셀 전압이 더 신속하게 붕괴된다. 오염물(36)로 인한 손상은 정규 작동 시 상기 손상이 아직 눈에 띄지 않을 때에도, 이와 같은 시험 작동에 의해 이미 인식될 수 있다.
불활성 가스 저장 장치(44)로부터의 불활성 가스가 공급 채널(12)에서 작동 가스(10) 내에 혼합됨으로써 동일한 효과를 얻을 수 있다. 이를 위해 제어 유닛(26)은 밸브(46)에 연결되며, 밸브가 열린 경우 불활성 가스가 공급 채널(12) 내로 유입된다. 부분적으로 폐쇄된 연료 전지(4)의 셀 전압은 작동 가스(10) 내 불활성 가스 비율의 상승에 의해서도, 정규 작동일 때보다 이와 같은 시험 작동일 때 더 신속하게 붕괴되므로, 발생하기 시작하는 장애가 인식될 수 있다.
시작되거나, 정규 작동 시에 이미 존재하는 장애가 인식되면, 연료 전지 장치(2)가 세척된다. 이를 위해 우선 해당 연료 전지(4) 내의 불활성 가스 비율 및/또는 수증기 비율이 상승할 수 있다. 또한, 연료 전지 장치(2)는 정격 부하 시에 특정 시간 동안 작동되므로, 해당 연료 전지(4)의 가스 챔버 내에는 최대한 많은 불활성 가스가 축정된다. 상기 시간은 예컨대 10분 또는 적어도 10분으로 미리 정해질 수 있거나, 예컨대 막혀 있는 연료 전지(4)의 잔여 전압에 따라 작동 온도를 토대로 정해질 수 있다. 사전 결정된 값을 셀 전압이 초과하면, 정격 부하 작동이 종료되고 세척이 시작될 수 있다.
이러한 준비 이후, 밸브(34)가 닫히므로 작동 가스 공급이 중단된다. 연료 전지(4)를 통하는 전류는 여전히 접속되어 있는 부하(22)에 의해 유지되므로, 모든 연료 전지(4)에서 전기 화학적 반응이 계속된다. 폐쇄된 연료 전지(4)의 작동 가스가 소비되자마자, 셀 전압은 붕괴되며 여전히 상기 연료 전지(4)를 통해 흐르는 전류에 의해 반대 부호가 된다. 이로써, 예컨대 폐쇄된 연료 전지(4)의 수소 가스 챔버(6) 내에 산소를 생성하는 전기 분해가 시작된다. 산소가 충분히 생성될 경우, 수소 가스 챔버(6) 내에 초과압이 형성되며, 가스는 연료 전지(4)로부터 밖으로 날려 보내진다. 오염물(36)은 적어도 부분적으로 날려 보내지며 유입 채널 장치(14)가 세척되므로, 이에 의해 작동 가스가 앞서 폐쇄된 연료 전지(4) 내로 다시 충분히 유입될 수 있고 따라서 정규 작동이 보장될 수 있다.
통제 가능한 방식으로 많은 전해 가스가 생성될 수 있도록, 제어 유닛(26)은 음의 셀 전압 즉, 정규 작동과 비교할 때 반대 부호의 셀 전압이 존재하는 시간을 모니터링하며, 사전 설정된 지속 시간 이후 전류 회로(20)를 중단한다. 개선된 실시예에서, 제어 유닛(26)은 전류 세기 측정 및 음의 셀 전압의 지속 시간 측정에 의해, 셀 전압이 음이 되기 시작하는 시점으로부터 현재 제공되는 시간까지의 전류 세기에 대한 시간 적분을 나타낸다. 적분의 결과가 사전 결정된 값을 초과하면, 전류 회로(20)가 중단된다.
전기 분해를 강화하기 위해, 스위치(28)가 폐쇄되고 스위치(24)가 개방될 수 있음으로써 연료 전지 장치(2)에 의해 단락이 발생하지만, 상기 단락은 단락 저항(32)에 의해 바람직하게 통제되는 방식으로 진행되므로, 연료 전지 장치(2)가 손상되지 않는다. 이로써 전기 분해가 매우 활발하게 활성화될 수 있으므로, 막혀 있는 연료 전지(4)로부터 가스가 배출됨으로써 연료 전지 장치(2)가 강하게 세척될 수 있다.
불활성 가스와 함께 전해 가스가 주변 즉, 공급 채널(12) 및 폐기 처리 채널(18)에 비해 초과압을 형성할 때, 해당 연료 전지로부터 전해 가스가 배출된다. 이러한 가스 배출에 의해 세척이 구현되기 위해서는, 연료 전지(4) 내로의 유입부 쪽으로 가스가 배출되고, 배출부를 통해서는 가급적 적게 배출되는 것이 바람직한데, 그 이유는 배출부에서는 가스 흐름 방향이 전환되지 않기 때문이다. 이를 위해 유동 저항은 배출부에서보다 유입부에서 더 작다. 이는 도 1에서 배출 채널 장치(16)의 채널 횡단면에 비해 유입 채널 장치(14)의 채널 횡단면이 더 큰 것으로 나타난다. 또한, 유입 채널 장치(14)는 배출 채널 장치(16)보다 더 짧게 구현되므로, 유입 채널 장치(14)에서의 유동 저항이 마찬가지로 더 작을 수 있다.
도 2에는 유입 채널 장치(14)와 배출 채널 장치(16)에서의 유동 저항이 조정될 또 다른 가능성이 도시되어 있다. 도 2의 개략적 도면에서, 유입 채널 장치(14)는 4개의 유입 채널(48)을 포함하고 배출 채널 장치(16)는 단 3개의 배출 채널(50)을 포함한다. 추가 조치로서, 배출 채널(50)은 유입 채널(48)보다 길다. 제3의 조치로서, 유입 채널(48)의 최협소 유동 횡단면은 배출 채널(50)의 최협소 횡단면보다 크다. 다시 말해, 유입 채널(48) 및 배출 채널(50)의 유동 횡단면은 채널들의 길이에 걸쳐서는 동일하지만, 채널의 외측 단부에는 최협소 유동 횡단면을 각각 형성하는 협소부(52)가 형성된다. 협소부(52)는 배출 채널(50)에서보다 유입 채널(48)에서 더 작게 구현된다. 이로써 유입 채널 장치(14)의 유동 저항은 배출 채널 장치(16)의 유동 저항보다 작다.
도 2에는 3개의 조치들이 조합 형태로 도시되어 있으나, 유동 저항들을 바람직하게 조정하기 위해 상기 조치들을 개별적으로 고려하는 것도 물론 가능하다. 또한, 연료 전지(4)로부터의 가스 배출을 증가시키기 위한 조치뿐만 아니라 막힌 것을 분해하기 위한 조치도 개별적으로 사용될 수 있다.

Claims (15)

  1. 연료 전지 장치(2)에서 작동 가스의 공급이 부족한 하나 이상의 연료 전지에서의 작동 가스용인 하나 이상의 유입 채널을, 작동 가스를 안내하는 공급 채널에 대한 개구 영역에서 하나 이상의 유입 채널을 폐쇄하는 오염물로부터 세척하기 위한 방법에 있어서,
    전기적으로 직렬 접속된 연료 전지 장치(2)의 연료 전지(4)를 통해 작동 가스(10) 및 전기 전류가 안내되며, 전기 전류는 유지되면서 작동 가스 공급이 중단되고, 적어도 공급이 부족한 하나 이상의 연료 전지에서 가스가 생성되며, 이때 생성된 가스의 양은, 생성 가스가 적어도 공급이 부족한 하나 이상의 연료 전지로부터 하나 이상의 유입 채널을 통해 공급 채널로 적어도 부분적으로 흐르도록 구현되는, 작동 가스용인 하나 이상의 유입 채널 세척 방법.
  2. 제1항에 있어서, 작동 가스가 다시 공급되고, 생성된 가스 쪽으로 작동 가스(10)가 흐르는 것을 특징으로 하는, 작동 가스용인 하나 이상의 유입 채널 세척 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 산소 함유 가스 및 수소 함유 가스는 2개의 작동 가스(10)로서 연료 전지(4)를 통해 안내되며, 산소 함유 가스 및 전기 전류의 공급이 유지되면서 수소 함유 가스의 공급이 중단되는 것을 특징으로 하는, 작동 가스용인 하나 이상의 유입 채널 세척 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 작동 가스 공급이 중단된 후 발생하는 음의 셀 전압이 측정되며, 음의 셀 전압 한계값에 도달될 경우 전류가 중단되는 것을 특징으로 하는, 작동 가스용인 하나 이상의 유입 채널 세척 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 작동 가스 공급이 중단된 후 발생하는 음의 셀 전압이 측정되며, 음의 셀 전압 발생의 지속 시간이 측정되고, 임계 지속 시간이 초과될 경우 전류가 중단되는 것을 특징으로 하는, 작동 가스용인 하나 이상의 유입 채널 세척 방법.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 작동 가스 공급이 중단된 후 발생하는 음의 셀 전압과, 음의 셀 전압 발생의 지속 시간이 측정되고, 음의 셀 전압이 발생하는 동안 시간에 따라 전류에 대한 적분이 형성되며, 임계 적분값이 초과될 경우 전류가 중단되는 것을 특징으로 하는, 작동 가스용인 하나 이상의 유입 채널 세척 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 연료 전지 장치(2)는 작동 가스 공급이 중단되기 직전, 적어도 2분의 시간 동안 상기 장치의 정격 부하의 적어도 90%로 작동하는 것을 특징으로 하는, 작동 가스용인 하나 이상의 유입 채널 세척 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 연료 전지 장치(2)는 작동 가스의 공급이 중단되기 직전, 정격 부하 작동을 위해 제공된 설정 온도보다 적어도 5K만큼 더 높은 온도에서 작동하는 것을 특징으로 하는, 작동 가스용인 하나 이상의 유입 채널 세척 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 작동 가스 공급 중단 이후 전류 증가를 위해 연료 전지 장치(2)의 전류 회로(20) 내에 단락이 발생하는 것을 특징으로 하는, 작동 가스용인 하나 이상의 유입 채널 세척 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 연료 전지(4)의 셀 전압은 연료 전지(4)를 통하는 전류에 따라 측정되며, 셀 전압이 최소값 미만의 값으로 감소할 경우 전기 전류는 유지되면서 작동 가스 공급이 중단되는 것을 특징으로 하는, 작동 가스용인 하나 이상의 유입 채널 세척 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 작동 가스(10)는 불활성 가스와 혼합되어 연료 전지 장치(2) 내로 유입되는 것을 특징으로 하는, 작동 가스용인 하나 이상의 유입 채널 세척 방법.
  12. 전기적으로 직렬 접속된 복수의 연료 전지(4)와, 상기 연료 전지(4)로의 작동 가스 공급 및 연료 전지(4)를 통하는 전류 흐름을 제어하기 위한 제어 수단(26)을 구비한 연료 전지 장치(2)에 있어서,
    제어 수단(26)은, 연료 전지(4)를 통하는 전기 전류 흐름의 유지 하에 작동 가스 공급을 중단하고 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하기 위해 제공되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치(2).
  13. 제12항에 있어서, 연료 전지(4)는 각각 유입 채널 장치(14)에 의해 공급 채널(12)에 연결되고 배출 채널 장치(16)에 의해서는 폐기 처리 채널(18)에 연결되며, 이때 유입 채널 장치(14)는 배출 채널 장치(16)보다 작은 유동 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치(2).
  14. 제13항에 있어서, 배출 채널 장치(16)가 배출 채널(50)을 포함하는 것보다 유입 채널 장치(14)가 더 많은 유입 채널들(48)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치(2).
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 유입 채널 장치(14)는 배출 채널 장치(16)보다 더 긴 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치(2).
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