KR20110136810A - 컴팩트 매니폴드 바디를 포함하는 백업 연료 전지 발전기 및 그의 작동을 관리하는 방법 - Google Patents

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다리오 쎄화
루이자 보레요
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Abstract

본 발명은 네트워크 전기 공급의 부재 상태에서 백업을 위해 특별하게 설계된 연료 전지 발전기에 관한 것이다. 본 발명에 따라, 연료 전지 발전기는 연료 전지 스택, 압력 강하 수단을 포함하는 제 1 및 제 2 반응물 흐름을 스택에 각각 공급하는 수단, 및 각각의 냉매 루프를 통해 상기 제 1 및 제 2 반응물 흐름 및 적어도 냉매 유체 흐름이 스택과 연통하는 매니폴드 바디를 포함한다. 매니폴드 바디는 그 내부에 반응물 흐름과 이에 대응하는 재-순환된 생성물 흐름을 혼합하기 위한 챔버, 및 제 1 및 제 2 반응물 흐름의 압력 강하 수단이 상기 냉매 유체에 의해 적어도 부분적으로 잠기도록 위치하는 냉매 유체 팽창 챔버를 더 포함한다. 본 발명은 또한 발전기를 시동 및 정지하는 방법, 연료 전지의 플러딩을 검출하는 방법, 및 발전기 내의 가수 누출의 존재를 검출하는 방법에 관한 것이다.

Description

컴팩트 매니폴드 바디를 포함하는 백업 연료 전지 발전기 및 그의 작동을 관리하는 방법{BACK-UP FUEL CELL ELECTRIC GENERATOR COMPRISING A COMPACT MANIFOLD BODY, METHODS OF MANAGING THE OPERATION THEREOF}
본 발명은 네트워크 전기 공급원의 부재 상태에서 백업을 위해 특별하게 설계된 연료 전지 발전기에 관한 것으로서, 복수의 연료 전지들은 스택(stack)으로 쌓여서 연료 전극(양극) 및 산화 전극(음극)에 연소 가스 및 산화 가스를 각각 공급함으로써 전기를 생성한다.
구체적으로, 본 발명은 양자 교환 멤브레인(proton exchange membrane, PEM) 타입의 연료 전지를 구비하는 전기화학 변환 모듈(electrochemical conversion module, ECM), 및 모든 유입 및 유출 유체 흐름을 연결하는 매니폴드 바디(manifold body)를 포함하는 연료 전지 발전기에 관한 것이다.
연료 전지는 에너지 벡터로서 수소의 사용을 위한 가장 기술적으로 유망한 해결 방안 중 하나를 보여준다. 이는 전기화학적 반응물을 이용함으로써 화학 에너지를 전력으로 변환할 수 있는 장치이다.
단일 PEM 전지에 있어서, 양극 및 음극 각각에서 두 개의 반-반응물(hemi-reaction)이 동시에 일어난다. PEM 연료 전지의 양극 및 음극은, 서로 반대쪽인 양 측면이 적절한 촉매 혼합물(예를 들면, Pt-기반)의 층으로 코팅되는, 양자를 전도할 수 있는 술폰산 중합체의 멤브레인으로 통상적으로 이루어지는, 전해질에 의해 분리된다.
전해질은 일반적으로 이온 수송 유체(예를 들면, 물)로 포화되어 수소 이온이 양극에서 음극까지 가로질러 이동할 수 있도록 한다. 전체 반응물은 연료 전지 내에서 일어나는바:
(1) 2H2 + O2 → 2H2O
이는 열 및 전기 에너지의 성장에 의해 수반되며 두 개의 반-반응물,
양극에서:
(2) 2H2 → 4H+ + 4e-
및 음극에서:
(3) O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O 의 합으로부터 초래된다.
양극에서는, 그 후, 촉매층 내에서 확산하는 수소가 공급되어서 수소 이온 및 전자로 분리되며, 멤브레인은 이들에 대해 불침투성이며, 음극을 향해 외부 전기 회로를 가로질러 이동하여, 전류 및 대응하는 전위차를 발생시킨다. 음극에서는, 전해질을 가로질러 이동한 수소 이온 및 외부 전기 회로로부터 오는 전자와 반응하는 산소를 함유하는 기체 혼합물이 공급된다.
반응하는 가스가 가습되는 것이 필요한바 이는 중합체 멤브레인을 가로지르는 양자(proton)의 통과가 발생하는 물 분자 때문이며: 너무 낮은 정도의 습도는 양극 칸에서 음극 칸까지의 양자의 통과를 감소시키고 그 결과 연료 전지 성능을 악화시키는 반면, 너무 높은 정도의 습도는 촉매 장소의 폐색을 유발하고 그 결과 연료 전지 성능을 악화시킬 수 있다.
(1)번 반응에 잘 정의된 전압이 관련되므로, 더 높은 전압을 얻기 위해, 복수의 요소들이 일반적으로 직렬로 연결되어 스택을 형성한다.
스택에 추가하여, 네트워크 전기 공급원의 부재 상태에서 백업용으로 설계되는 연료 전지 발전기는 유압 회로(펌프, 배관, 분산기(dissipator) 등), 기체상태 전류 공급 및 방전 회로(수소 공급 배관, 산소 공급 배관, 등), 제어 시스템(제어 유닛, 온도, 유동 및 압력 게이지, 작동기, 등)을 포함한다. 전술한 모든 요소의 앙상블은 연료 전지 발전기의 나머지 부분을 구성하며, 본 명세서 및 이하에서 BoP(즉, "주변설비(Balance of Plant)")로서 참조된다.
연료 전지 발전기의 스택 통로 및 기타 주요 요소(예를 들면, 반응물의 공급원) 사이의 유압 연결부를 형성하는 모든 요소의 앙상블은 대체로 시스템의 의미 있는 공간을 점유하며 전체 무게의 거의 대부분을 차지한다. 또한, 이들의 조립(assembling)에 요구되는 시간은 전체 시스템을 조립하는데 필요한 시간의 의미 있는 부분을 보여준다. 또한, 이러한 조립 시간은 연료 전지 발전기의 전체 비용에 직접 영향을 미친다. 도 1은 공지된 연료 전지 발전기의 도면을 도시하는바, 스택은 반응물이 연료 전지에 공급되는 복수의 통로에 연결되며 반응 생성물은 두 개의 흐름으로 나누어지며, 그 중 하나는 스택까지 재-순환되고 나머지 하나는 시스템으로부터 궁극적으로 방출된다.
해결 방안은 (예를 들면, US6541148로부터) 공지되었는바, 흐름이 스택과 연통하는 매니폴드 바디(manifold body)를 구비하는 연료 전지 발전기를 구비함으로써 이러한 결함을 부분적으로 다루며, 매니폴드 바디 자체 내에 위치되어 흐름 중 적어도 하나로부터 물을 수집함으로써 전체 크기를 어느 정도 감소시키는 분리기를 더 포함한다.
또한, US6875535는 유체 상태를 모니터하기 위해 모니터링 장치를 수용하도록 적용되는 복수의 포트 및 유체 통로를 구비하는 이러한 매니폴드를 제공하는 것을 개시한다.
매니폴드 바디를 포함하는 이러한 배열은 배기 양극 및 음극 흐름의 소정의(predetermined) 부분을 스택으로 다시 순환시킴으로써 연료 전지로 공급되는 반응물 흐름의 습도가 발전기의 적절한 작동이 가능한 원하는 범위의 값 내에 유지되는 시스템에 특히 적합할 수 있다. 이러한 경우, 매니폴드 바디는 건조한 새로운 반응물 흐름이 연료 전지 내에서 발생하는 전기화학 반응에 의해 생성되는 물의 일부를 운반하는 재-순환된 배기 흐름과 혼합되는 혼합 룸을 포함할 수 있다.
그러나, 이러한 배열에 있어서, 습도 조절 및 제어는 많은 수의 인자에 의해 복잡해진다.
첫째, 양극 및 음극 칸으로 공급되는 새로운 반응물은 매니폴드 내의 각각의 혼합 룸에 도달하기 전에 팽창하게 된다. 그 결과, 이들의 온도는 하강하여 매우 자주 실온 이하로 떨어진다. 따라서, 이들 건조하고 차가운 흐름이 매니폴드 바디 혼합 룸 내의 습한 재-순환 배기 흐름과 혼합되는 경우, 이들의 낮은 온도는 배기 흐름에 의해 운반되는 물의 과도한 응축을 유발하여, 스택 안으로 들어가도록 매니폴드 바디를 이탈하는 흐름의 결과적인 습도를 원치않게 감소시키게 되고, 그 결과 스택의 올바른 작동과 양립할 수 있는 연료 전지 습도 정도를 보장하기에는 너무 건조할 수 있다. 외부 습도 수단이 그에 따라 필요하게 되는바, 이는 불리하게도 BoP의 복잡성을 증가시키고 그의 설치 및 정기 점검에 필요한 시간에 영향을 미친다. 또한, 변수가 많을수록, 증가한 비용 및 감소한 신뢰성의 관점에서 단점이 되는, 발전기의 작동을 감시하는 제어 시스템이 더 복잡해지게 된다.
둘째, 연료 전지 스택은 기체상태 반응물을 그에게 전송하는 유압 회로 및 양극 및 음극 칸의 각각의 순환 루프 및 배수구까지의 배기 흐름의 일부일 뿐만 아니라, 냉매 유체가 전기화학 반응에 의해 스택 내에 생성되는 열을 제거하기 위해 유동하고 그 후 추가의 냉각 유체의 흐름까지 또는 라디에이터 등과 같은 냉각 수단까지 또는 그들의 조합까지 이를 대체하는 제 2 유압 회로 내에 통합된다.
이러한 점에서, 스택 및 냉매를 수반하는 열 흐름은 완전하게 제어 및 모니터될 필요가 있다. 냉매 유체가 스택 요소와 직접 접촉하므로, 사실상, 그의 압력에 있어서의 제어되지 않는 증가는 구조적 수준에서 연료 전지를 손상시킬 수 있다. 그 결과, 냉매 유체 압력은 대체로 소정의 안전 값 이하에서 유지되어야 하며, 특히, 스택으로부터의 열 제거 시, 그의 온도가 상승할 것이 예상되는 경우에 더욱 그러하다.
이를 위해, 냉매용의 추가적인 팽창 용기가 제공되는 것이 필요하다.
바람직하지 않게도, 이러한 해결 방안은 시스템 구조를 더욱 다루기 힘들게 하고 이미 미세한 열 통합 균형을 더욱 복잡하게 한다. 이는, 또한, 스택에 공급되는 흐름의 습도에 대해 전술한 바와 같은 파급효과를 갖는다.
지금까지 설명되는 바로부터 즉시 추론될 수 있는 바와 같이, 백업 발전 시스템의 공지된 실시예는 상대적으로 비싸며 정확하며 주의 깊은 정기 점검을 필요로 하여 이들이 신뢰성을 잃지 않도록 한다. 이들이 백업 시스템, 즉, 이들이 단지 가끔 중재를 위해 설계되어, 모든 이동 부품(예를 들면, 펌프, 압축기, 등)이 정기적이고 정밀한 제어를 필요로 하여 긴급 상황이 발생하는 경우 단지 고장 나지 않도록 하는 것이다.
본 발명의 목적은 발전기의 크기를 감소시킴과 동시에 발전기의 효율 및 신뢰성을 증가시킬 뿐만 아니라, 특히 공장 및 관리 비용의 감소를 허용하는, 전술한 결함을 극복하는 백업용으로 특별히 구성되는 연료 전지 발전기를 제공하는 데 있다. 또한, 본 발명의 목적은 스택 냉각 회로 및 반응물 공급 회로 사이의 보다 효율적인 열 통합이 달성되는 연료 전지 발전기를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 정기적인 작업 조건 하에서뿐만 아니라 시동 및 정지의 중대한 상황 중에 그의 전체 효율을 증대시키는 이러한 연료 전지-기반 백업 발전기의 작동을 관리하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따라, 청구범위 제 1 항에 개시된 연료 전지 발전기가 제공된다.
특히, 본 발명에 따라, 연료 전지 스택, 제 1 및 제 2 반응물 흐름의 압력 강하 수단을 포함하는 상기 제 1 및 제 2 반응물 흐름을 스택에 각각 공급하는 수단, 및 상기 제 1 및 제 2 반응물 흐름 및 적어도 냉매 유체 흐름이 각각의 냉매 루프를 통해서 상기 스택과 연통하는 매니폴드 바디를 포함하는 연료 전지 발전기가 제공된다. 상기 매니폴드 바디는 그 내부에 상기 반응물 흐름과 이에 대응하는 재-순환된 생성물 흐름을 혼합하기 위한 챔버를 포함하며, 내부의 제 1 및 제 2 반응물 흐름의 압력 강하 수단이 상기 냉매 유체에 의해 적어도 부분적으로 잠기도록 위치하는 냉매 유체 팽창 챔버를 더 포함한다.
또한, 본 발명에 따라, 제 7 항에 따라 사용자의 전력 요구(UPR)를 만족하도록 연료 전지 발전기를 시동하는 방법이 제공되는바, 상기 방법은:
(a) 보조 전원(APS) 및 이와 동시에 연료 전지 전원(FCP)을, 이들의 합이 사용자 전원 요구(UPR)와 실질적으로 동일하도록 연료 전지로부터 획득한 상기 보조 전원과 연료 전지 전원을, 사용자에게 공급하는 단계;
(b) 전체 스택 전압(Vs) 및 상기 스택 내의 단일 전지 각각의 개별 전지 전압(Vsc)에 대한 데이터를 획득하는 단계; 및
(c) 상기 연료 전지 전원(FCP) 및 상기 보조 전원(APS)의 합계가 상기 사용자 전력 요구(UPR)와 거의 동일하게 되도록 점진적으로 상기 연료 전지 전원(FCP)을 증가시키고 상기 보조 전원(APS)을 감소시키는 단계를 포함한다. 본 발명에 따라, 상기 연료 전지 전원(FCP)을 증가시키는 (c)단계는 획득된 데이터가 메모리 유닛에 저장되는 각각의 참조 값(Vo,s 및 Vo,sc)보다 더 크게 검출되는 경우에만 수행되고, 상기 연료 전지 전원(FCP)이 상기 사용자 전력 요구(UPR)와 동일하게 검출될 때까지만 수행된다.
또한, 본 발명의 다른 양태에 따라, 제 10 항에 따른 연료 전지 발전기를 정지시키는 방법이 제공되는바, 상기 방법은:
(a) 스택까지의 새로운 반응물의 공급을 중단하는 단계;
(b) 상기 스택 온도를 측정하는 단계;
(c) 상기 연료 전지 스택을 냉각하는 단계; 및
(d) 상기 연료 전지 스택으로부터 물을 제거하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따라, (c) 및 (d) 단계는 상기 스택 온도가 메모리 유닛 내에 저장된 참조 값보다 작게 검출될 때까지 동시에 수행된다.
본 발명의 다른 양태에 따라, 제 13 항에 따라, 연료 전지 발전기 내의 연료 전지의 플러딩(flooding)을 검출하고 그에 따라 플러딩된 연료 전지를 복원하는 방법이 제공되는바, 상기 방법은:
(a) 연료 전지의 스택 내의 각각의 연료 전지에 대한 단일 전지 전압 데이터를 획득하는 단계;
(b) 평균 단일 전지 전압(ASCV) 및 상기 평균(ASCV)의 소정의 비율로서 한계치(TVo)를 계산하는 단계;
(c) 전지의 상기 단일 전지 전압을 상기 한계치(TVo)와 비교하는 단계; 및
(d) 상기 단일 전지 전압이 상기 한계치 미만인 경우 연료 전지의 흐름 도관 내의 압력을 증가시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 따라, 상기 (d) 단계는:
(e) 상기 스택을 향한 재-순환되는 배기 가스의 흐름을 증가시키는 제 1 단계 및
(f) 상기 제 1 단계 후에 수행되며, 상기 스택에 복귀하는 이러한 배기 가스의 배압(back pressure)을 산출하는 방식으로 상기 스택을 향하는 재-순환 배기 가스의 흐름을 조절함으로써 수행되는 제 2 단계에 의해 수행되며;
상기 (e) 및 (f) 단계 사이에서, 상기 (c) 단계는 반복되며 상기 (f) 단계는 상기 단일 전지 전압이 여전히 상기 한계치 미만인 경우에만 수행된다.
본 발명의 다른 양태에 따라, 제 14 항에 따른 백업 연료 전지 발전기 내의 가스 누출의 존재를 체크하는 방법 또한 제공되는바, 상기 방법은:
(i) 소정의 시간(t1) 동안 누출 시험 절차를 수행하는 단계; 및
(j) t1보다 짧은 소정의 시간(t2) 동안 상기 누출 시험 절차를 반복하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따라, 상기 (i) 단계를 수행한 후 및 상기 (j) 단계를 수행하기 전에, 상기 발전기가 정지된다.
본 발명에 따라, 발전기의 크기를 감소시킴과 동시에 발전기의 효율 및 신뢰성을 증가시킬 뿐만 아니라, 특히 공장 및 관리 비용의 감소를 허용할 수 있다. 또한, 스택 냉각 회로 및 반응물 공급 회로 사이의 보다 효율적인 열 통합이 달성되는 연료 전지 발전기를 제공할 수 있다
본 발명의 추가의 특징 및 장점은 첨부 도면을 참조하여 그의 특정 실시예의 이하의 설명으로부터 명료하게 나타날 것이다.
도 1은 공지된 연료 전지 발전기의 스택에 연결되는 유입 및 유출 유체용 배관 및 도관의 앙상블의 단순화된 사시도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라, 매니폴드 바디를 통해 연료 전지 발전기의 전기화학 변환 모듈에 연결되는 유입 및 유출 유체용 배관 및 도관의 앙상블의 단순화된 사시도를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 연료 전지 발전기의 개략도로서, 냉각 루프뿐만 아니라 반응물 재-순환 루프가 도시된다.
도 4는 도 3의 연료 전지 발전기의 상세도로서, 매니폴드 바디 및 스택이 서로에 대해 위치되는 방식을 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 연료 전지 발전기의 전기화학 변환 모듈과 통합되는 매니폴드 바디의 개략도이다.
도 6은 본 발명에 따른 연료 전지 발전기의 스택 및 이의 모니터링 장치의 측면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 누출 시험 절차의 세부 내용을 도시하는 순서도이다.
도 8은 본 발명에 따른 본 발명에 따른 연료 전지 발전기를 시동하는 방법의 세부 내용을 도시한 순서도이다.
도 9는 연료 전지 정규 전압의 참조 값(실선)이 정규 전류에 대해 구성되고 발전기 상에서 직접 측정되는 대응하는 값(특징적인 곡선의 점선)과 비교되는 정성(qualitative) 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 연료 전지 발전기를 정지시키는 방법의 세부 사항을 도시한 순서도이다.
도 3을 참조하면, 전기 에너지를 사용자(8)에 공급하도록 구성되는 백업 발전기가 전체(1)로서 도시되어 있다. 발전기(1)는 또한 스택(5) 내에 쌓이는 복수의 PEM 연료 전지, 매니폴드 바디(27) 및 전지 전압 모니터링(CVM) 장치(39, 도 4의 세부 내용 참조)를 포함하는 전기 변환 모듈(50)을 포함한다. 발전기는 스위치에 의해 선택적으로 작동함으로써 사용자(8)로의 전력의 공급을 관리하는 전력 조절 유닛(22)을 구비하여 사용자(8)가 발전기(1) 또는 (배터리, 커패시터, 등과 같은) 다른 긴급 전원으로부터 전력을 받도록 한다. 전력 조절 유닛(22)에 의해 관리되는 동작 모드와 관련되는 추가의 세부 사항은 이하에 설명될 것이다.
화학량론적 과잉 상태의 수소의 흐름은 예를 들면 기술적으로 순수한 수소의 실린더로 이루어지는 공급 수단(2)으로부터 발전기(1)로 공급된다. 수소의 공급은 수동으로 작동되거나 제어 유닛(도시하지 않음)에 의해 전기적으로 제어될 수 있는 밸브로 이루어지는 밸브 수단(3)에 의해 가능하게 된다. 또한, 스택(5)에 공급되는 수소 흐름의 압력이 예를 들면 압력 강하 밸브로 이루어지는 압력 강하 수단(4a, 도 5의 세부 사항을 참조)에 의해 조절된다. 유동-가능 밸브 수단(3) 및 압력 강하 수단(4a)은 공급되는 수소의 흐름의 흐름 방향에 대해 스택(5)으로부터 상류에 배열된다.
도 3에 11로 표시되는 산화 가스를 공급하는 수단이 표시되어 있다. 본 명세서에 설명되는 바와 같은 백업 발전기에 있어서, 상기 산화 가스를 공급하는 수단(11)은 순수한 산소의 가압 공급원으로 이루어지는 것이 바람직한바, 즉, 이들은 가압형 실린더로 이루어진다. 산소는 상기 수단(11)으로부터 추출되고 상기 스택(5)에 화학량론적으로 과잉으로 공급되며, 그의 흐름은 적절한 밸브 수단(3)에 의해 가능하게 되는바, 이는 제어 유닛(도시하지 않음)에 의해 수동으로 작동되거나 전자적으로 제어될 수 있는 밸브로 이루어지는 수소 회로를 참조하여 전술한 바와 유사하다. PEM 연료 전지의 스택(5)으로부터 상류에서, 공급되는 산소의 흐름의 흐름 방향에 대해, 발전기(1)는 압력 강하 수단(4c, 예를 들면, 압력 강하 밸브)을 더 포함하며, 이 또한 수소 흐름을 위해 사용되고 전술한 바와 유사하다.
스택에 공급되는 수소의 흐름에 있어서, 스택(5)의 PEM 연료 전지의 양극 칸을 향하는 수소의 과잉 흐름의 제 1 소정 부분용의 제 1 재순환 펌프(9)로만 구성되는 습도 수단에 의해 PEM 연료 전지의 올바른 작동에 적합한 습도로 유지된다. 제 1 재순환 펌프(9)는 재-순환되는 수소의 과잉 흐름의 제 1 부분이 수소의 유입 흐름을 스택의 연료 전지의 올바른 작동에 적절한 습도(예를 들면, 90 내지 100%)와 동일하게 유지하는 것과 같은, 스택(5)으로 들어가는 수소의 흐름의 소정의 부분을 보여주도록 작동하도록 구성된다. 이러한 제 1 재순환 펌프(9)는 양극 재순환 브랜치(A) 상의 스택(5)의 양극 칸으로부터 바로 위에 배열된다.
마찬가지로, 스택(5)에 공급되는 산소 흐름에 있어서, 스택(5)의 PEM 연료 전지의 음극 칸을 향하는 산소의 과잉 흐름의 제 1 소정 부분용의 제 2 재순환 펌프(10) 만으로 이루어지는 습도 수단에 의한 PEM 연료 전지의 올바른 작동에 적합한 습도로 유지된다. 제 2 재순환 펌프(10)는 재순환되는 산소의 과잉 흐름의 제 1 부분이 산소의 유입 흐름을 스택의 PEM 연료 전지의 올바른 작동에 적합한 습도(예를 들면, 90 내지 100%)와 동일하게 유지하는 것과 같은, 스택(5)으로 들어가는 산소의 흐름의 소정 부분을 보여주도록 작동하게 설정된다. 이러한 음극 재순환 브랜치(c) 상의 스택(5)의 음극 칸의 바로 위에 배열된다.
재순환되는 양극 칸(anode compartment)을 빠져나가는 과잉 수소의 제 1 부분은 스택(5)으로 들어가는 수소의 흐름의 적어도 10%이다.
마찬가지로, 재순환되는 음극 칸으로부터 빠져나가는 과잉 산소의 제 1 부분은 스택(5)으로 들어가는 산소 흐름의 적어도 10%이다.
밸브 수단(14, 15)은 양극 재순환 브랜치(A) 상에서 및 상기 음극 재순환 브랜치(C) 상에서 각각 펌프(9, 10)에 연속하여 배열된다. 이들 밸브 수단은 재순환펌프로부터 하류 또는 상류에 위치될 수 있다. 정규 작동 조건하에서, 밸브 수단(14, 15)은 개방되어야 하지만, 이하에서 설명되는 바와 같이, 이들은 특정의 이례적인 또는 시험 조건 하에서 "폐쇄" 위치에 스위치된다.
또한, 퍼지 밸브 수단(purge valve means)(16, 17)은 양극 재순환 브랜치(A) 상에서 및 음극 재순환 브랜치(C) 상에서 평행하게 각각 정렬된다. 퍼지 밸브 수단(16, 17)은 양극 및 음극 칸(12, 13)으로부터 각각 퍼지하도록 적용되며, 수소 및 산화 가스 과잉의 각각의 부분은 재순환되지 않는 스택(5)에 공급된다. 퍼지 밸브 수단(16, 17)은 수동으로 작동되거나 전자 제어되는 밸브 및/또는 노즐을 구비하는 파이프로 이루어질 수 있다.
또한, 매니폴드 바디(27)에 연결되는 배수구(6, 7)는 양극 및 음극 회로로부터 과잉 물을 각각 제거하도록 제공된다. 배수구(6, 7)는 매니폴드 바디(27)에 직접 연결 가능하게 되도록 설계되며 본 기술 분야에 공지된 배열에 대해 그의 크기를 감소시키도록 구성된다.
공급원(공급 수단(2))으로부터의 새로운 수소 및 브랜치(A) 내에서 흐르는 과잉 수소 재순환 부분은 매니폴드 바디(27)의 각각의 입구(28, 29)에 공급된다. 마찬가지로, 공급원(11)으로부터의 신선한 산화 가스 및 브랜치(C) 내에서 흐르는 과잉 산화 가스 재순환 부분은 매니폴드 바디(27)의 각각의 입구(30, 31)에 공급된다.
매니폴드 바디(27)는 입구(28, 29)에 유압 연결되는 양극-측 혼합 챔버(23), 및 입구(30, 31)에 유압 연결되는 음극-측 혼합 챔버(24)를 포함한다.
혼합 챔버(23)는 스택(5)의 양극 칸에 유압 연결되는 제 1 출구(도시하지 않음) 및 양극-측 응축 챔버(25)에 유압 연결되는 제 2 출구를 갖는다.
혼합 챔버(24)는 스택(5)의 음극 칸에 유압 연결되는 제 1 출구(도시하지 않음) 및 음극-측 응축 챔버(26)에 유압 연결되는 제 2 출구를 갖는다.
응축 챔버(25, 26)는 매니폴드 바디(17) 내에 구성되며 그의 구조는 10μm 크기 초과의 물 클러스터가 사이클론 효과에 의한 중력에 의해 제거되도록 구성된다. 응축된 물은 매니폴드 바디(27)에 직접 연결되는 배수구(6, 7)에 의해 차후에 제거된다. 응축 챔버(25, 26) 내의 사이클론 효과에 의해 달성되는 과잉 물의 제거는 재순환 펌프(9, 10)의 동작을 향상시킨다. 응축 챔버(25, 26)를 빠져나가는 가스의 제 1 부분은 재순환 펌프(9, 10)에 의해 스택까지 브랜치(A, C)를 통해 재순환되며, 나머지 부분은 퍼지 밸브 수단(16, 17)에 의해 퍼지된다.
연료 전지를 가로질러 일어나는 전기화학 반응이 전체적으로 발열성이므로, 생성되는 열은 50 및 80°C(바람직하게는 65°C) 사이에 포함되는 최적 범위 내의 작동온도를 유지하도록 스택(5)으로부터 제거되어야 한다. 그 결과, 본 발명에 따른 발전기(1)는 일차 냉매 루프(36) 및 이차 냉매 루프(37, 도 3 참조)를 구비한다.
일차 냉매 루프(36) 내의 펌프(18)에 의해 순환되는 냉매 유체 흐름은 스택과 직접 접촉한다. 스택을 이탈시, 이는 먼저 이차 루프(37) 내에서 흐르는 냉매 유체까지 열 에너지를 산출하는 열 교환기(19)까지 전송된다. 펌프(18)는 그 후 그가 스택(5)까지 돌아가도록 한다. 이차 루프(37) 내를 흐르는 액체 냉매는 전력 조절 유닛(22)으로부터 및 열 교환기(19) 내의 일차 냉매 유체로부터 열을 수집한다. 차후, 냉매가 냉각되는 팬을 구비하는 것이 바람직할 수 있는 라디에이터(20)로 전송된다.
전술된 매니폴드 바디(27)는 또한 일차 냉매 루프(36)와 통합된다. 결국, 매니폴드 바디(27)는 그의 온도 증가와 관련되는 냉매 유체 압력에서의 증가를 보상하도록 하는 냉매 유체 팽창 챔버(38)를 포함하는 것이 바람직하다(도 5 참조). 그 결과, 일차 루프(36) 내의 냉매 유체 압력은 항상 500mbar 미만에서 유지된다. 바람직하게는, 일차 루프 내의 냉매 압력은 400mbar 미만에서 유지된다. 동작성을 위해, 개방공은 일차 냉매 루프(36)를 냉매로 채우는 매니폴드 바디(27) 내에 제공된다.
본 발명의 양태에 따라, 냉매 유체 팽창 챔버(38)는 매니폴드 바디(27) 내에 위치되며 이는 수소 및 산화 가스 회로 둘 모두의 전술한 압력 강하 수단(4a,c)을 도입하도록 의도적으로 설계된다.
그에 따라, 발전기에 공급되는 신선한 산화 가스의 팽창을 위한 열 보상이 제공된다. 급격한 압력 강하 - 이상에서 상세히 설명되는 바와 같이 - 는 산화 가스의 온도가 실온 미만으로 떨어지도록 하며, 그 결과, 일정 양의 물이 응축되기에는 너무 높게 되어, 바람직하지 않게 낮은 수치까지 스택 내에 습도를 변화시킬 수 있다. 이는 냉매 팽창 챔버(38) 안쪽에 압력 강하 수단(4a,4c)을 위치시킴으로써 그리하여, 매니폴드 바디를 떠나는 따뜻한 냉매 유체가 항상 내부에 적어도 부분적으로 잠겨있는 압력 강하 수단(4a,4c)까지 열을 가져와서 건조한 반응물 흐름을 예비-가열함으로써 방지한다.
다시 말하면, 본 발명에 따른 냉매 팽창 챔버(38)의 설계 및 위치설정은 시스템의 향상된 열 통합 및 그의 크기의 감소를 가능하게 한다. 열 교환이 압력 강하 수단(4a,c) 및 냉매 유체 사이에서 일어나서 재순환 가스에 의해 운반되는 물의 원하지 않는 응축을 방지할 뿐만 아니라, 압력 강하 수단이 매니폴드 내에 간편하게 안착되어 발전기(1)의 전체 크기를 감소시킴으로써 더 나은 공간 이용을 가능하게 한다.
바람직하게는, 이온-교환 수지는 냉매 팽창 챔버(38) 내에 제공되어 냉매 유체 전도성의 증가를 방지할 수 있다.
매니폴드 바디(27)는 중합체 물질로 이루어질 수 있다. 그 결과, 매니폴드 바디 자체는 단열체로서 작용하여 환경 온도 변동과 독립적으로 응축 현상의 더 쉬운 제어를 가능하게 한다. 바람직하게는, 매니폴드 바디(27)는 모플렌(moplen)으로 이루어지며, 이의 기계적 및 물리적 특성(예를 들면, 높은 용융점)은 항상 스택의 작동 조건과 양립가능하다. 금속성 표면의 부재는 기체상태 반응물이나 냉매 유체가 금속성 입자에 의해 오염되지 않도록 보장한다. 또한, 비용은 현저하게 감소하는바(금속성 파이프에 대해 70% 정도), 이는 전술한 유압 요소 모두가 매니폴드 바디를 획득하는 몰딩 작업에 의해 서로 하나로 통합되기 때문이다. 게다가, 스택과 통합되는 유압 회로의 연결 요소로서 매니폴드(27)의 존재는 발전기를 조립하는데 필요한 시간을 급격하게 (80%까지) 감소시킨다. 얼음 정보의 가능성에 따라 누출의 가능성 또한 현저하게 감소하는바, 이는 응축 챔버는 액체 배수구에 직접 연결되기 때문이다. 또한, 액체 배수구는 그의 크기를 최소화하도록 설계되었으며; 특히, 배수구 내의 플로트는 더 낮은 레벨의 물이 배수구 내에 필요하게 되어 셔터의 개방을 유발하도록 설계되어 있다.
바람직하게도, 유입 및 유출 유체의 온도, 압력 및 전도성을 측정하는 복수의 프로브는 제어 목적으로 매니폴드 바디(27) 내에 안착된다. 그 결과, 프로브는 스택에 바로 인접하여 위치되며, 본 기술 분야에서 이전에 사용된 다른 배열에 대해 더 빠르고 더 정밀한 측정을 허용한다. 또한, 유지는 더 쉽게 된다.
본 발명에 따라, 연료 전지 발전기(1)는 스택(5)의 각각의 및 모든 연료 전지의 복수의 각각의 전압 데이터를 수집하는 전지 전압 모니터링 장치(39)를 더 포함한다. 스택(5)에 직접 연결되는 모니터링 장치(39)는 일련의 ADC 변환기 모듈로 이루어지며, 그 숫자는 스택을 형성하는 연료 전지의 수에 따라 선택 및 조절될 수 있다. 각각의 모듈은 1부터 20까지의 단일 연료 전지 전압 데이터를 스캔하도록 적용될 수 있다. 단일 연료 전지 전압 데이터를 스캔하는 크기의 ADC 변환기 모듈이 각각 사용될 수 있다.
이러한 배열은 단일 CVM이 모든 연료 전지용으로 한꺼번에 사용되는 경우에 대해 핀 사이의 거리에 대해 덜 엄격한 공차를 허용한다.
각각의 모듈이 2의 제곱(power)과 동일한 숫자의 전압 데이터를 획득하는 배열은 소프트웨어의 일부에 데이터 합성을 유리하게 한다. 각각의 모듈의 최대 전압은 16V 미만인바, 이는 CVM 구성요소는 표준 전자 구성요소의 대체로 낮은 격리 전압의 관점에서 보호된다.
각각의 단일 연료 전지(single fuel cell) 및 모니터링 장치(39) 사이의 전기 연결부는 금속성 접점 및 스프링의 시스템에 의해 보장된다. 설치 전에, 모든 이러한 접점 및 스프링은 표면 처리를 수행하여 잘못된 전기 접점을 잠재적으로 유발할 수 있는 산화 현상을 방지한다.
단일 연료 전지의 전압을 수집하도록 모니터링 장치(39)에 의해 요구되는 시간은 대략 1ms이다.
모니터링 장치(39)는 최소 연료 전지 전압, 최대 연료 전지 전압, 평균 연료 전지 전압 및 단일 연료 전지 전압의 표준 편차를 계산하기 위해 수학적 연산을 수행하도록 프로그램되는 프로세서(도시하지 않음)를 구비한다. 백업 전력 시스템의 효율 관리를 위한 기본적인 이러한 정보는 제어 시스템까지 통과된다. 전지 전압 모니터링 장치(39)의 각각의 모듈은 그에 연결되는 연료 전지에 대한 모든 전압 데이터를 스캐닝할 수 있고 대략 50ms 내의 관리 및 제어를 위해 필요한 대응하는 수학적 연산을 수행할 수 있다.
전기 사용자(8)는 스택(5)에 의해 및 공지된 타입의 배터리(60)로 이루어지는 보조 공급원에 의해, 또는 대안적으로는 스위칭 또는 전력 조절의 수단의 활성화를 통해, 제어된 방식으로 방전 가능한 커패시터에 의해 선택적으로 또는 동시에 공급될 수 있으며, 따라서 이는 전력의 스택 및/또는 보조 공급원으로부터의 전기 사용자에 의한 전력의 추출을 명령하는 수단을 보여주게 된다.
전력 조절 유닛(22)은 함께 작동하는 두 개의 분명한 모듈:
- 전기 사용자(8)에 적합한 주어진 값(예를 들면, 통신 분야에서의 백업 적용에 있어서 48V)에서 스택 전압을 안정화하도록 적용되는 DC/DC 모듈(40); 및
- 라인 상호 작용 UPS 기능(1 클래스)을 갖는 인버터로서 작용하는 DC/AC 모듈(41)을 포함한다.
그에 따라, 전력 조절 유닛(22)의 DC/DC 모듈(40)은 대칭 구조를 가지며 이하에 규정되는 복수의 작동 모드에 따라 작업할 수 있다:
- 출력 전압 안정화 모드: 전력의 일정 및 연속 발생 중에, 전기 사용자에 의해 필요로 되는 전류가 무엇이든, 출력 전압은 전력 조절 유닛(22)에 의해 일정하게 유지된다.
- 입력 전류 안정화 모드: 이러한 구성은 스택에 과부하를 주지 않도록 시동 페이스 중에 (30초 미만) 적용된다.
- 보조 에너지 공급원 입력 전류 안정화 모드: 이러한 구성은 보조 에너지 공급원이 과방전을 수행하는 경우 적용되며, 입력 전류를 보조 에너지 공급원에 적합한 최대 입력 전류 값에 제한하는 것이 필수이다.
DC/DC 모듈(40)은 더 큰 유입 전압 범위의 특이성을 갖는다. 표준 DC/DC 모듈은 대체로 48 V±20%에서 작동하는 반면, DC/DC 모듈(40)은 37V와 65V 사이에 포함되는 전압 범위와 호환되도록 설계된다.
DC/AC 모듈(41)은 세 개의 각기 다른 작동 모드에서 작용할 수 있도록 설계된다.
- 볼트 발전: 발전기가 아일랜드 발전기 및 UPS로서 작동하는 경우.
- 그리드 연결 전류 발전
- 배터리 충전기 정류: 발전기 시동 중에 방전된 블랙-아웃 단부 및 보조 공급원이 충전되어야 하는 경우.
이하에 있어서, 발전기(1)의 각기 다른 작동 페이스는 이하에서 설명될 것이다.
1. 시동
1.1 누출 시험
백업 연료 전지-기반 발전기는 폭발성 가스를 채용하며, 그에 따라, 어떤 누출이든 회피된다는 것이 중요하다.
결국, 이전에 폐쇄된 입구 밸브(3) 및 퍼지 밸브(6, 7)를 갖는, 매니폴드 바디 내에 위치되며 도관과 직접 연통하는 복수의 압력 센서(42)에 의해 소정의 기간(압력 구배를 평가함으로써) 동안 압력 값을 측정하는 것을 기본적으로 수반하는 누출 시험 절차(도 6)가 수행된다.
시스템 내에 아무런 누출도 없다면, 양극 및 음극 회로 내의 압력은 대체로 공지된 방식으로 대기압(압력 구배 참조)까지 감소할 것이다.
누출 시험 절차는 그에 따라 양극 및 음극 회로 내에 각각의 가스를 도입함으로써(도 6, 블록(202)) 수행되며, 그동안, 전술한 바와 같이 입구를 폐쇄하고(블록(203)), 설정 기간(t0, 블록(205)) 동안 압력 값 데이터를 획득한다(블록(204)). 설정 기간(t0) 후, 압력은 다시 획득된다(블록(206)). 획득되는 데이터(및 ΔP로서 기본적으로 평가되는, 즉 상기 기간 중의 전체 압력 변화)를 토대로 계산되는 평균 압력 구배가 참조 구배와 같거나 더 큰 경우(결정 블록(207)), 누출 시험 절차는 시스템 내의 누출의 부재와 관련되는 값으로 돌아가며(블록(209)), 시동 절차와 함께 진행할 수 있다. 반대로, 이러한 비교는 시스템 내에 누출이 있고, 발전기 작동이 중단되고, 기술적 조정이 요구된다(블록(208))는 것을 보여준다.
이러한 누출 시험 절차는 발전기(1)의 시동 절차의 일부인바, 도 7을 참조하여 더욱 상세히 설명될 것이다. 짧은 시동 시간은 백업 시스템의 주요 목표 중 하나이므로, 압력은 상대적으로 짧은 시간(예를 들면, 10초) 동안 모니터되어 큰 누출의 가능한 존재가 지연의 너무 큰 도입 없이는 불가능하도록 한다.
본 발명의 양태에 따라, 매우 동일한 누출 시험 절차 또한 - 이하에 설명되는 바와 같이 - 정지 절차의 일부로서 수행된다. 이러한 단계에서, 압력은 60초간 모니터되어 매우 작은 누출의 존재가 검출될 수 있도록 한다. 그에 따라, 미약한 출의 부재조차 확인될 수 있다. 시동 페이스 중에 중대한 누출의 부재를 입증하는 것은 발전기가 그 후 즉각적이며 짧게 사용자의 전력의 백업 공급원으로서 작동할 수 있는 것을 보장하는 것을 목적으로 한다 하더라도, 발전기를 정지 시 더욱 정확한 제어를 반복하는 것은 차후 정전이 일어나는 경우 안전하고 효율적으로 작동되도록 준비될 것을 입증하는 장점을 갖는다.
1.2 "스마트" 시동 관리
최대 스택 출력 전력은 스택 온도, 습도의 반응물 혼합도, 스택 내의 액체 상태의 물의 존재 등과 같은 몇 가지 인자에 종속한다. 정규 연속 작동 중에, 시스템은 이들 변수를 제어하도록 적용되어 스택을 운영하는 최적 조건이 보장되도록 한다. 백업 적용예에 있어서, 또한 발전기 시동 조건을 아직 예측할 수 없으며, 발전기는 시스템 손상을 유발하지 않고, 짧은 기간도 아니고 긴 기간도 아닌, 가능한 짧은 기간만큼 어떤 온도 및 습도 조건하에서 시동을 가능하게 할 것으로 예상된다.
이를 수행하기 위해, 본 명세서에 설명되는 시스템은 스택으로부터의 전력의 수요가 조절되는 것을 토대로 하는 시동 절차를 따라가는바, 즉각적으로, 호환 가능한 대략 최대치에서, 그때 및 이들 조건 하에서, 안전하고 올바를 작동을 수행하며 연료 전지의 구조적 손상을 회피한다. 사실상, 스택이 순간 최대 호환 가능 값보다 큰 전력을 제공하도록 부정확하게 요구되어야 하는 경우, 발전기는 어떻게든 요청에 부합할 수 있게 되며, 여전히 이는 하나 또는 그 이상의 연료 전지에 국부적 과열을 유발할 수 있으며(즉, "핫 스팟"의 발생), 이는 양자-교환 멤브레인을 복원할 수 없게 손상시킬 수 있다. 이러한 국부적 온도 증가는 연료 전지가 최대치에 인접한 전류를 공급함으로써 전력의 과잉 요청에 반응하는 경우 발생하며, 그에 따라, 그의 전압은 영 또는 마이너스로 갈 수도 있을 정도로 급격하게 감소한다.
그 결과, 백업 발전기의 효율 및 신뢰성은 복원할 수 없게 손상되며 다음 정전에서 결국 개입에 실패할 것이다.
본 발명의 시동 방법에 따라, 도 8의 순서도에 개략 설명된 바와 같이, 전술한 누출 시험 절차가 완성되고 나면(블록(101)), 스택 내의 각각의 단일 전지의 전체 스택 전압 및 개별 전지 전압은 계속 획득되며(103) 메모리 유닛(도시하지 않음) 내에 저장되는 각각의 참조 값(Vo,s 및 Vo,sc)과 비교된다(결정 블록(104)). 비교의 세부 내용은 도 9의 예에 의해 제공되며, 정규화된 전압의 참조 값은 정규화된 전류에 대해 구획되며 시스템상에 측정되는 대응 값에 비교된다(특성 곡선).
도 9의 참조 곡선으로 구획되는 정규화된 전류의 함수로서 정규화된 전압의 참조 값은 적절한 발전기 작동을 보장하는 관점으로 정규 조건(예를 들면, 온도 60 내지 65℃, 습도 90 내지 100%) 하에서 스택의 작동 중에 획득되는 데이터를 토대로 의도적으로 선택된다. 제어 시스템은 전체 스택 전압(Vs) 및 평균 단일 전지 전압(Vsc)에 대한 각각의 참조 값(Vo,s 및 Vo,sc)으로부터의 소정의 비율 편차(predetermined percentage deviation, PPD)를 용인하도록 프로그램된다. 스택의 정규 작업 전류(180A로 설정)를 달성하도록 요구되는 시간을 최소화하기 위해, PDD는 Vs에 대해 15% 및 Vsc에 대해 20%로 설정될 수 있다.
PPD를 설명하면, 스택의 실제 작업 포인트가 대응하는 참조 값 미만이면, 연료 전지의 전력 오프의 요구가 감소하는 반면(블록(105)), 스택의 작업 포인트가 참조 값을 초과하는 경우, 연료 전지의 전력 오프의 요구가 연료 전지의 전력 오프가 전기 사용자(8)에 의해 요구되는 것과 동일한가(결정 블록(106))의 여부를 체크하기 전에 증가될 것이다(107). 이러한 조건이 입증되는 한, 연료 전지의 요청되는 전력 오프가 증가하며; 이러한 조건이 최종적으로 입증되는 경우, 시동 절차는 성공적으로 종료된다. 스택이 완전 전력에 결과적으로 도달할 때까지(블록(108)), 보조 에너지 공급원은 사용자(8)의 전력 요구가 완전히 부합하는 것을 보장하는데 필요한 여분의 전력을 공급한다.
시동 절차의 완료시, 사용자 전력 요구 전체가 결과적으로 연료 전지 스택에 의해 단독으로 공급되고 나면, 스택은 보조 전원, 즉 배터리 또는 커패시터를 충전하도록 사용되는 전력의 보충량을 공급하도록 요구되어, 백업 발전기의 개입을 요구하는 상황이 다시 일어나면 이들이 완전히 충전되어 사용 준비가 완료되도록 한다.
2. 작동 중의 관리
2.1 플러딩된 연료 전지 스택( flooded fuel cell stack )을 복원하는 방법
모티터링 장치(39)는 전압, 온도, 습도에 대한 복수의 데이터를 획득하여 스택(5) 내의 각각의 단일 전지의 성능을 모니터하고 이들 데이터를 토대로 최소 전지 전압 및 단일 전지 전압 분포를 계산한다.
또한, 이들 정보 항목을 토대로, 모니터링 장치(39)는 각각의 재순환 회로 상의 펌프(9, 10)의 속도를 조절한다.
하나의 전지의 단일 전지 전압이 모든 단일 전지 전압의 평균의 소정 비율(예를 들면, 평균치의 80%)로서 계산되는 한계치(TVo)보다 작은 것으로 나오면, 단일 연료 전지의 플러딩이 발생하기 쉽다.
이러한 것이 결과적으로 발생하는 경우, 제어 시스템은 그에 응답하여 재순환 펌프를 최대 비율로 설정함으로써 산소 및 수소 흐름을 증가시킴으로써 반응물 회로의 국부적 압력이 증가하고 방해의 원인이, 만약 있다면, 기계적으로 제거되도록 한다. 단일 연료 전지의 거동이 이러한 조정의 결과로 향상되지 않으면, 플러딩된 연료 전지를 복원하는 방법이 적용되는바, 이는 이하에서 설명될 것이다.
전압 셀 모니터링 장치가 단일 연료 전지 전압의 강하를 검출하는 경우, 전술한 바와 같이, 제어 시스템은 그의 복원을 위한 절차를 개시한다. 연료 전지 복원 절차는 매우 짧은 시간(예를 들면, 1초 미만) 동안 브랜치(A, C)에서 밸브 수단(14, 15)을 폐쇄함으로써 연료 전지의 내부 채널 내의 압력을 증가시키는 단계를 포함한다.
복원 방법이 하나의 단일 회로(양극 또는 음극) 상에서 구현되면, 밸브 수단(14 또는 15)은 각기 다른 압력이 소정의 최대치에 도달하는 경우 개방되어 멤브레인 파열을 방지한다. 이러한 소정의 최대치는 500mbar, 바람직하게는, 400mbar로 설정될 수 있다.
전지 전압이 제 1 소정의 값, 예를 들면, 450mV 미만으로 떨어지는 경우, 스택에의 연결이 배터리와 같은 선택적 전원에 의해 재-확립될 때까지, 스택은 사용자로부터 일시적으로 분리되며, 이는 그 후에 작동한다. 전지 전압이 제 1 소정의 값보다 낮은 제 2 소정의 값(예를 들면, 300mV) 미만으로 떨어지는 경우, 알람 신호는 출력되고 발전기의 작동은 중단된다.
2.2 스택 온도 제어
발전기(1)는 팬(20)의 각속도를 변화시킴으로써 연료 전지 스택의 온도를 제어하도록 적용되는 제어 시스템(도시하지 않음)을 포함한다. 팬의 각속도는 측정된 연료 전지 스택 온도와 온도 참조 값(Tref) 사이의 차이의 함수로서 증가 또는 감소한다. 결국, 복수의 온도 센서는 매니폴드 바디 내에 위치된다.
3. 정지( shut - down )
전술한 바와 같이, 연료 전지 내의 액체 물의 존재는 연료 전지 자체에 심각한 손상을 초래하여 백업 발전기의 전체 효율에 감소를 유도할 수 있다. 이러한 점에서, 가장 중요한 단계 중 하나는 백업 발전기의 정지인바, 이는 시스템의 온도가 증가하고, 가스가 더 이상 스택 연료 전지 내로 흐르지 않고, 증기가 스택 내에서 응축하여 연료 전지 내에 흐름 필드 채널, 즉, 반응물 및 제품이 스택(5)의 연료 전지 내를 흐르는 채널을 폐색하기 때문이다.
이러한 원하지 않는 시나리오를 피하기 위해, 도 10을 참조하여 아래에서 설명될 이하의 정지 절차가 구현된다.
전술한 바와 같은 연장된 누출 시험 절차가 성공적으로 완료되고 나면(블록(301)), 유입 가스의 흐름은 밸브 수단(3)을 각각의 "폐쇄" 위치로 스위칭함으로써 중단된다. 신선한 반응물은 더 이상 발전기로 공급되지 않으며, 단지 스위칭 시간에 스택 내에 있는 가스만이 소비되도록 남아있는다. 사용자가 발전기(1)에 더 이상 전기적으로 연결되지 않으므로, 스위칭 시간에 스택 안에 여전히 있는 가스를 소비하기 위해, 정규 작동 조건 하에는 스택에 전기적으로 연결되지 않는, 반면에 이러한 상황에서는 연결되는, 전기 저항이 제공된다. 게다가, 재순환 펌프(9, 10)는 온 상태로 스위치되어, 개방 상태로 유지되는, 퍼지 밸브 수단(16, 17)을 통해 물의 퍼지를 유리하게 한다.
매니폴드 바디(27) 내에 위치되는 프로브에 의해 측정되는 스택(5)의 온도가 소정의 설정 값(To)보다 크면(결정 블록(303)), 냉매 루프(18, 21)의 펌프 및 라디에이터 팬(20)은 온 상태로 스위치된다. 이들은 온도가 하강하는 한, 소정의 설정 값(To)에 도달할 때까지(결정 블록(305)), 온(on) 상태로 유지된다.
To의 값이 환경 조건에 따라 변화할 수 있지만, 통상 20℃ 내지 35℃ 사이이다. 바람직하게는, To는 27℃로 설정된다.
소정의 설정 온도에 도달하는 경우, 블록(306)에서 도시된 바와 같이, 퍼지 밸브 수단(16, 17)은 폐쇄되고, 재순환 펌프(9, 10)는 냉매 루프(18, 21)의 펌프 및 라디에이터 팬(22)과 함께 스위치 오프(off)된다.
그에 따라, 백업 연료 전지 발전기를 정지시키는 방법은 시스템을 동시에 냉각하고 가스 흐름의 순환을 강화함으로써(펌프(9, 10)가 스위치 온 상태로 유지됨) 물을 퍼지하여 개방 상태로 유지되는 배수구를 향한 물의 변위를 알맞게 하며(퍼지 밸브 수단(16, 17)), 동시에 그들의 각각의 도관 내의 제 1 및 제 2 냉매 유체의 흐름을 유지한다(펌프(18, 21)가 스위치 온 상태로 유지된다). 그에 따라, 시스템은 그가 응축하기 전에 물의 제거를 최대화하는바, 이는 전체 동작이 온도가 물 응결점 이상의 안전한 설정 값 이상으로 유지되는 한 연속적으로 수행되기 때문이다.
이러한 절차는 도관이 물에 닿지 않도록 하여, 차후의 정전시, 플러딩의 가능성이 배제되고 신선한 기체상태 반응물이 완전히 자유로운 통로를 따라 흐르도록 할 것을 보장한다.
스탠바이 체크
백업 적용예는 스탠바이 시간과 비교하여 짧은 작동 시간에 의한 매우 높은 신뢰성을 특징으로 한다. 그 결과, 발전기의 신뢰성을 체크하기 위해, 제어 시스템은 사전-설정 주기성(예를 들면, 매주, 매월 또는 6개월마다)을 갖는 자가-진단 시험을 수행한다. 이하의 세 가지 종류의 시험이 수행된다.
- 보조 시험: 각각의 보조 구성요소(펌프, 팬, 전자 밸브, 등)는 선택적으로 스위치 온 되고 그의 성능은 매니폴드 바디 상에 위치되는 센서에 의해 체크된다.
- 연료 전지 스택 시험: 이러한 시험 중에, 최소 전력은 연료 전지 스택을 오프하는데 필요하며 올바른 시동 및 단일 전지 성능 둘 모두는 제어 시스템에 의해 체크된다.
- 발전기 시험: 정전이 모의실험되어 발전기가 스위치 온 되도록 한다. 정전은 스택에 의해 요구되는 기간 동안 지속하여 정규 조건에 도달한다.
이들 시험 중 어느 것이든 실패하면, 기술적 지원이 요구된다.
본 발명에 따른 발전기는 본 발명의 기술 분야에 공지된 해결 방안에 대하여 복수의 이점을 갖는바, 특히, 시스템의 전체 크기 및 무게는 현저하게 감소하며; 발전기는 송풍기나 애드-호크(ad-hoc) 습도 장치와 같은 다루기 힘든 보조 장치를 포함하지 않을 뿐만 아니라 발전기의 전력 및 효율은 동일하며, 본 명세서에 설명된 매니폴드 바디의 구조 및 기능은 발전기의 크기를 더 감소시키게 된다.
본 발명에 따른 발전기와 종래의 발전기의 직접 비교는 도 1 및 도 2의 도면을 토대로 수행될 수 있다.
본 명세서에 설명된 매니폴드 바디의 구조 및 기능의 결과로서, 시스템의 제조, 관리 및 유지보수의 더욱 간단함이 달성되며, 나아가, 시동 시간이 감소한다.

Claims (15)

  1. 연료 전지 스택(5), 제 1 및 제 2 반응물(reagent) 흐름의 압력 강하 수단(4a,4c)을 포함하는 상기 제 1 및 제 2 반응물 흐름을 스택에 각각 공급하는 수단, 및 상기 제 1 및 제 2 반응물 흐름 및 적어도 냉매 유체 흐름이 각각의 냉매 루프(36)를 통해서 상기 스택과 연통하는 매니폴드 바디(27)를 포함하며, 상기 매니폴드 바디(27)는 그 내부에 상기 반응물 흐름과 이에 대응하는 재-순환된 생성물(product) 흐름을 혼합하기 위한 챔버를 포함하는 것인 연료 전지 발전기(1)에 있어서,
    상기 매니폴드 바디(27)는 내부에 제 1 및 제 2 반응물 흐름의 압력 강하 수단(4a,4c)이 상기 냉매 유체에 의해 적어도 부분적으로 잠기도록 위치하는 냉매 유체 팽창 챔버(38)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 매니폴드 바디(27)는 상기 연료 전지 스택(5)을 통해, 제 1 응축 챔버(25)에 유압 연결되는 제 1 혼합 챔버(23), 및 제 2 응축 챔버(26)에 유압 연결되는 제 2 혼합 챔버(24)를 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 응축 챔버는 상기 스택(5)에 유압 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전기.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 응축 챔버는 상기 제 1 및 제 2 반응물 흐름으로부터 응축된 물 입자를 사이클론 효과에 의한 중력에 의해 각각 제거하도록 설계된 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전기.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 매니폴드 바디(27)는 상기 제 1 및 제 2 응축 챔버(25, 26)에 각각 유압 연결되는 제 1 및 제 2 배수구(6, 7)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전기.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉매 유체 팽창 챔버(38)는 이온 교환 수지를 함유하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전기.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 매니폴드 바디(27)는 반응물, 생성물 및 냉매 유체의 흐름에 대응하는 복수의 변수를 측정하도록 적용된 복수의 프로브를 구비하며, 상기 발전기(1)는 전체로서의 상기 스택(5) 및 상기 스택(5) 내의 단일 연료 전지들(single fuel cells)에 대한 전압 데이터를 획득하기 위해 적용된 전압 모니터링 장치(39)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전기.
  7. 사용자의 전력 요구(user power request, UPR)를 만족시키도록 연료 전지 발전기를 시동하는 방법으로서,
    (a) 보조 전원(auxiliary power supply, APS) 및 이와 동시에 연료 전지 전원(fuel cell power supply, FCP)을, 이들의 합이 사용자 전력 요구(UPR)와 실질적으로 동일하게 연료 전지로부터 획득되도록, 사용자에게 공급하는 단계;
    (b) 전체 스택 전압(Vs) 및 상기 스택 내의 단일 전지(single cell) 각각의 개별 전지 전압(Vsc)에 대한 데이터를 획득하는 단계; 및
    (c) 상기 연료 전지 전원(FCP) 및 상기 보조 전원(APS)의 합계가 상기 사용자 전원 요구(UPR)와 실질적으로 동일하게 되도록, 점진적으로 상기 연료 전지 전원(FCP)을 증가시키고 상기 보조 전원(APS)을 감소시키는 단계를 포함하는 방법에 있어서,
    상기 연료 전지 전원(FCP)을 증가시키는 (c)단계는 상기 획득된 데이터가 메모리 유닛에 저장된 각각의 참조 값(Vo,s 및 Vo,sc)보다 더 크게 검출된 경우에만 수행되고, 또한 상기 연료 전지 전원(FCP)이 상기 사용자 전력 요구(UPR)와 동일하게 검출될 때까지만 수행되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 발전기를 시동하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 획득된 데이터가 메모리 유닛에 저장된 각각의 참조 값(Vo,s 및 Vo,sc) 미만으로 검출되는 경우, 상기 연료 전지 전원(FCP)은 감소하고 상기 보조 전원(APS)은 그에 따라 증가하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 메모리 유닛에 저장된 상기 참조 값(Vo,s 및 Vo,sc)은 상기 연료 전지의 국부적 과열 및/또는 플러딩(flooding)을 방지하는 스택 동작 조건에 대응하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 연료 전지 발전기를 정지시키는 방법으로서,
    (a) 스택까지의 새로운 반응물(fresh reagents)의 공급을 중단하는 단계;
    (b) 상기 스택의 온도를 측정하는 단계;
    (c) 상기 연료 전지 스택을 냉각하는 단계; 및
    (d) 상기 연료 전지 스택으로부터 물을 제거하는 단계를 포함하는 방법에 있어서,
    상기 (c) 및 (d) 단계는 상기 스택 온도가 메모리 유닛 내에 저장된 참조 값 미만으로 검출될 때까지 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 (d) 단계는
    (e) 상기 연료 전지 스택을 전기 저항에 연결하는 단계; 및
    (f) 배기 가스를 상기 연료 전지 스택으로 재-순환시키는 단계를 포함하는 방법.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 (c) 단계는
    (g) 상기 연료 전지 스택을 가로질러 냉매 유체를 순환시켜서 열을 제거하는 단계; 및
    (h) 상기 냉매 유체가 적어도 제 1 열 제거 수단에 상기 제거된 열을 넘겨주도록 하는 단계를 포함하는 방법.
  13. 연료 전지 발전기 내의 연료 전지의 플러딩(flooding)을 검출하고 그에 따라 플러딩된 연료 전지를 복원하는 방법으로서,
    (a) 연료 전지 스택 내의 각각의 연료 전지에 대한 단일 전지 전압 데이터를 획득하는 단계;
    (b) 평균 단일 전지 전압(average single cell voltage, ASCV) 및 상기 평균(ASCV)의 소정의 비율로서 한계치(threshold value, TVo)를 계산하는 단계;
    (c) 전지의 상기 단일 전지 전압을 상기 한계치(TVo)와 비교하는 단계; 및
    (d) 상기 단일 전지 전압이 상기 한계치 미만인 경우, 연료 전지의 흐름 도관 내의 압력을 증가시키는 단계를 포함하는 방법에 있어서,
    상기 (d) 단계는:
    (e) 상기 스택을 향한 재-순환되는 배기 가스의 흐름을 증가시키는 제 1 단계 및
    (f) 상기 제 1 단계 후에 수행되며, 상기 스택에 복귀하는 배기 가스의 배압(back pressure)을 산출하는 방식으로 상기 스택을 향한 재-순환 배기 가스의 흐름을 조절함으로써 수행되는 제 2 단계에 의해 수행되며;
    상기 (e) 및 (f) 단계 사이에 상기 (c) 단계가 반복되고, 상기 (f) 단계는 상기 단일 전지 전압이 여전히 상기 한계치 미만인 경우에만 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 백업 연료 전지 발전기 내의 가스 누출의 존재를 체크하는 방법으로서,
    (i) 소정의 시간(t1) 동안 누출 시험 절차를 수행하는 단계; 및
    (j) t1보다 짧은 소정의 시간(t2) 동안 상기 누출 시험 절차를 반복하는 단계를 포함하는 방법에 있어서,
    상기 (i) 단계 수행 후 상기 (j) 단계 수행 전에, 상기 발전기가 정지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 발전기는 제 10 항의 방법에 따라 정지되는 것을 특징으로 하는 방법.
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