KR20120089310A - 연료 셀 내 부식을 방지하는 방법 - Google Patents

연료 셀 내 부식을 방지하는 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20120089310A
KR20120089310A KR1020127011892A KR20127011892A KR20120089310A KR 20120089310 A KR20120089310 A KR 20120089310A KR 1020127011892 A KR1020127011892 A KR 1020127011892A KR 20127011892 A KR20127011892 A KR 20127011892A KR 20120089310 A KR20120089310 A KR 20120089310A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cell
cells
voltage
fuel cell
threshold
Prior art date
Application number
KR1020127011892A
Other languages
English (en)
Inventor
쟝 오리올
에릭 페르낭데즈
세바스띠앙 호지니
Original Assignee
꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄 에뜨 옥스 에너지스 앨터네이티브즈
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄 에뜨 옥스 에너지스 앨터네이티브즈 filed Critical 꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄 에뜨 옥스 에너지스 앨터네이티브즈
Publication of KR20120089310A publication Critical patent/KR20120089310A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04992—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the implementation of mathematical or computational algorithms, e.g. feedback control loops, fuzzy logic, neural networks or artificial intelligence
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04228—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during shut-down
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04238—Depolarisation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04303—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during shut-down
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04544—Voltage
    • H01M8/04552—Voltage of the individual fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04865—Voltage
    • H01M8/04873—Voltage of the individual fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

본 발명은 연료 셀 스택(fuel cell stack)이 작동을 정지하는 동안에 상기 연료 셀 스택에 통합되어 있는 전기 화학 셀(C1, C2, C3) 세트가 부식되지 않도록 보호하는 방법으로서,
- 보호되는 각각의 셀의 단자에 걸리는 전압을 측정하는 단계;
- 측정된 전압이 보호 임계값 보다 큰 셀을 전기 부하(R1, R2, R3)에 방전시키는 단계(50);
- 측정된 전압이 상기 보호 임계값 보다 작은 셀을 상기 전기 부하와 단절시키는 단계;를 포함하는 보호 방법에 관한 것이다.

Description

연료 셀 내 부식을 방지하는 방법{PREVENTING CORROSION IN A FUEL CELL}
본 발명은 연료 셀 스택(fuel cell stack)에 관한 것으로서, 특히 연료 셀 스택이 작동을 정지하고 있는 동안에 발생하는 부식 방지에 관한 것이다.
연료 셀 스택(fuel cell stack)은 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 전기 화학 장치이다. 연료 셀 스택은 직렬로 연결된 복수의 셀을 포함한다. 각각의 셀은 약 1 볼트의 전압을 생성하고, 이들 셀을 쌓아서(stacking) 약 100볼트 정도의 더 높은 공급 전압이 생성되도록 한다. 공지된 연료 셀 스택 중에서, 연료 셀 스택은 특히 양성자 교환막(PEM, Proton Exchange Membrane)형 연료 셀 스택으로 이루어져 있을 수 있다. PEM 연료 셀 스택의 각각의 셀은, 애노드(anode)와 캐소드(cathode) 사이에서 오직 양성자만을 통과시키고 가스의 통과를 가로막는 막을 포함한다. 상기 연료 셀 스택은 예를 들어 흑연 재질의 복수의 유체 흐름 판을 포함할 수 있고, 이러한 판들은 서로 위아래로 포개지도록 쌓이고 각각의 판은 상기 스택 내 복수의 셀들과 연결되어 있다. 상기 판은 상기 스택을 통과하여 반응물 및 생성물을 가이드하는 채널 및 구멍을 포함할 수 있다. 애노드에서는, 연료로서 사용되는 수소 가스가 상기 막을 통과하는 양성자를 생성하기 위하여 이온화된다. 이러한 반응에 의하여 생성되는 전자는 상기 셀 밖에 있는 회로로 흐르고 이로써 전류를 생성한다. 캐소드에서는, 산소가 상기 양성자와 반응하여 물을 생성하고 줄어든다.
연료 셀 스택이 작동을 정지(shut down)한 때 상기 연료 셀 스택의 셀들이 부식될 위험성이 알려져 있다. 이는 상기 작동이 정지한 동안에 어떠한 전기적 부하도 상기 연료 셀 스택의 단자에 연결되어 있지 않다면, 상기 캐소드 측 잔여 공기 및 상기 애노드 측 잔여 수소의 존재가 부적당한 전위(electrical potential)를 유도할 수 있기 때문이다. 이러한 전위는 탄소 지지체 및 백금 촉매를 산화시키고 부식시킬 수 있어서, 상기 셀의 성능을 저하시킬 수 있다. 이러한 성능 저하를 오스왈트 숙성(Ostwald ripening)이라 한다. 이러한 현상은 특히 상기 연료 셀 스택이 반복적으로 정지하여야 할 필요가 있는 사용 환경에서 사용될 때 더욱 문제가 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 다양한 해결책이 제시되어 왔다.
첫 번째 해결 방법에 따르면, 전기 부하와 단절된 직후 애노드와 캐소드 근처 영역을 정화시키기 위하여 불활성 기체가 상기 셀 안으로 주입된다. 이러한 불활성 기체의 주입은 셀의 성능 저하를 줄이고 안전을 위하여 수소와 공기의 인화성 혼합이 일어나는 것을 방지한다. 미국 특허 US 5 013 617은 이러한 방법을 설명하고 있으며, 상기 가스 주입 동안에 상기 셀의 캐소드에서의 전위 레벨을 0.3 내지 0.7 V로 빠르게 낮추기 위한 연료 셀 스택의 단자와 전기 부하 사이의 연결을 설명하고 있다.
하지만, 이 방법은 단점을 가지고 있다. 즉, 이 방법을 사용하면, 연료 셀 스택의 부피가 커지게 되고, 이는 자동차 또는 대량 판매용 전자기기와 같은 경우에 바람직하지 못하다. 또한, 이 방법은 정화에 필요한 시간 때문에 연료 셀 스택이 반복적으로 작동이 정지되고 다시 작동이 시작되는 경우에 부적절하다.
연료 셀 스택의 각각의 셀에서 급격한 전압 변화를 방지하기 위하여, 문서 US2007/0224482는 각각의 셀에서 전기 전하를 이에 대응하는 에너지 저장 장치에 전달하는 방법을 제시하고 있다. 이는 각각의 셀의 전압을 제어하고 상기 연료 셀 스택의 수명을 늘린다.
문서 EP 1 450 429는 분리기에 의하여 분리되는 복수의 셀을 포함하는 연료 셀 스택을 설명하고 있다. 상기 셀은 외부 저항에 연결되어 있고, 상기 셀은 작동이 정지된 이후에 남아 있는 연료에 의한 부식 문제를 해결하기 위하여 각각의 저항은 전류가 각각의 연료 셀 스택으로부터 흘러나가도록 만든다. 스위치는 외부 저항과 직렬로 배치되어 있다.
문서 AT 505 914는 연료 셀 스택의 셀의 작동을 정지시키는 방법을 설명하고 있다. 상기 연료 셀 스택은 직렬로 연결된 복수의 셀을 포함한다. 작동 시, 두 개 이상의 반응 가스가 상기 셀 안으로 들어가고, 작동이 멈춘 때, 이들 가스 중 하나의 공급이 정지된다. 상기 셀 안에 남아있는 가스는 소모된다. 상기 잔여 가스의 소모는 상기 셀의 단자와 전기 부하를 연결함으로써 이루어진다.
미국 특허 문서 US2008/0032163은 연료 셀 스택의 작동을 정지하고 작동을 시작하는 것을 제어하는 시스템을 설명하고 있다. 상기 시스템은 복수의 셀의 단자에 걸리는 전압을 측정하고, 그 후 가장 높은 전압을 가지는 셀과 가장 낮은 전압을 가지는 셀을 결정한다. 연료 셀 스택의 작동이 정지 또는 시작하는 동안에, 상기 측정된 전압에 따라서, 상기 시스템은 이보다 더 높거나 더 낮은 저항을 가지는 전기 부하와 상기 연료 셀 스택의 단자를 연결시킨다. 셀의 성능 저하를 방지하기 위하여, 상기 시스템은 최소 임계값과 최대 임계값 사이에서 상기 셀의 단자에 걸리는 전압을 유지시키도록 상기 전기 부하의 임피던스를 설정한다.
하지만, 이러한 시스템은 상기 셀의 성능 저하를 막는 최적화된 보호 방법을 제공하고 있지 않다.
본 발명은 위에서 언급한 하나 이상의 단점을 해결하는 것을 그 목적으로 한다.
이와 같이, 본 발명은 연료 셀 스택(fuel cell stack)의 작동이 정지하는 동안에 상기 연료 셀 스택에 통합되어 있는 전기 화학 셀 세트가 부식되지 않도록 보호하는 방법으로서,
- 보호되는 각각의 셀의 단자에 걸리는 전압을 측정하는 단계;
- 측정된 전압이 보호 임계값 보다 큰 셀을 전기 부하에 방전하는 단계로서,
- 측정된 상기 전압이 보호 임계값 보다 큰 중간 임계값 보다 큰 셀을 전기 부하에 방전하고,
- 측정된 상기 전압이 상기 중간 임계값 보다 작은 셀을 상기 전기 부하와 단절시키고,
- 모든 셀의 단자에 걸리는 전압이 상기 중간 임계값 보다 작을 때, 모든 셀을 상기 보호 임계값 이하로 방전하는, 단계; 및
- 측정된 전압이 상기 보호 임계값 보다 작은 셀을 상기 전기 부하와 단절시키는 단계;를 포함하는 전기 화학 셀 보호 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전기 화학 셀 보호 방법을 양성자 교환막(Proton Exchange Membrane, PEM)형 전기 화학 셀에 사용한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 셀을 각각 전용의 전기 부하에 방전한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 보호되는 셀 세트 내 서브(sub) 셀들을 상기 셀 각각의 전압이 상기 보호 임계값 보다 클 때 동시에 방전한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 보호 임계값은 0.2 V 내지 0.6 V이다.
본 발명의 또 다른 실시예를 따르면, 중간 임계값을 감소시키는 단계; 측정된 전압이 새롭게 설정된 중간 임계값 보다 클 때 셀을 방전시키는 단계; 및 상기 측정된 전압이 새롭게 설정된 중간 임계값 보다 작을 때 셀을 상기 전기 부하와 단절시키는 단계;가 반복적으로 이루어지는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명은 연료 셀 스택으로서,
- 부식되지 않도록 보호되는 전기 화학 셀 세트;
- 셀의 각각의 단자에 걸리는 전압을 측정하는 장치; 및
- 상기 전기 화학 셀을 보호하는 회로로서, 상기 회로는 상기 연료 셀 스택이 작동을 정지하였는지 여부를 감지할 수 있고, 상기 연료 셀 스택이 작동을 정지하였음이 감지된 때,
- 측정된 전압이 보호 임계값 보다 큰 각각의 셀을 전기 부하에 방전시킴에 있어서,
- 측정된 상기 전압이 보호 임계값 보다 큰 중간 임계값 보다 큰 셀을 전기 부하에 방전하고,
- 측정된 상기 전압이 상기 중간 임계값 보다 작은 셀을 상기 전기 부하와 단절시키고,
- 모든 셀의 단자에 걸리는 전압이 상기 중간 임계값 보다 작을 때, 모든 셀을 상기 보호 임계값 이하로 방전하고,
- 측정된 전압이 상기 보호 임계치 보다 작은 각각의 셀을 상기 전기 부하와 단절시키는 회로;를 포함하는 연료 셀 스택에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전기 화학 셀은 양성자 교환막(Proton Exchange Membrane, PEM)형 전기 화학 셀이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 전기 화학 셀 세트는 직렬로 연결된 셀의 스택을 형성한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 보호 회로는 전기 부하 및 스위치를 포함하고, 하나의 전기 부하 및 하나의 스위치는 상기 셀 각각의 전용 부하 및 전용 스위치이고, 상기 보호 회로는 전용 부하에 셀을 방전시키기 위하여 전용의 스위치를 킨다.
본 발명의 그 밖의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 함께 이하의 설명으로부터 명백히 이해할 수 있을 것이지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
- 도 1은 연료 셀을 도식적으로 도시하고 있다.
- 도 2는 연료 셀 스택을 보호하는 전기 회로를 도식적으로 도시하고 있다.
- 도 3은 전기 부하와 연결되어 있는 연료 셀 스택을 도시하고 있다.
- 도 4는 상기 연료 셀 스택이 작동을 정지하는 동안에 어떻게 상기 전기 회로가 기능하는지를 나타내는 예시적인 플로우 챠트이다.
실제로, 연료 셀 스택(fuel cell stack)이 작동을 정지하는 동안에, 각각의 셀의 전압은 독립적으로 감소한다. 이러한 셀 전압의 감소 현상은 상기 연료 셀 스택의 작동 조건, 예를 들어 습도, 가스 압력 변화, 국지적 온도, 사용되는 재질의 종류 및 사용되는 전기 화학적 효과에 따라 달라진다. 연료 셀 스택의 작동이 정지된 때 상기 연료 셀 스택 내 각각의 셀들의 초기 전압 레벨은 특히 제조 시 발생하는 오차 때문에 서로 상이하다. 따라서, 스택 전체를 전기 부하에 방전시키는 단계가 상기 셀을 부식과 관련된 과전압으로부터 보호한다 할지라도, 어떠한 셀의 전압은 방전 중에 너무 낮은 전압 레벨로 전압 강하 될 수 있다. 이 경우 셀의 성능이 저하(degradation)될 수 있다. 또한, 만약 어떤한 셀은 여전히 매우 높은 전압 레벨을 가지는 체로 상기 방전이 정지된다면, 이들 셀들의 성능 또한 저하될 수도 있다.
본 발명은 연료 셀 스택이 작동을 정지하는 동안에 연료 셀 스택의 전기 화학 셀 세트가 부식되지 않도록 보호한다. 보호 대상인 각각의 셀의 단자에 걸리는 전압이 측정되게 된다. 만약 셀 전압이 보호 임계값 보다 크다면, 상기 셀은 전기 부하에 방전된다. 만약 상기 셀에서 측정된 전압이 보호 임계값 보다 작다면, 상기 셀은 상기 전기 부하와 단절된다.
본 발명은 상기 연료 셀 스택이 작동을 정지한 때 셀의 방전을 최적화되게 하여, 너무 높은 전압 레벨 때문에 발생하는 부식과 너무 낮은 전압 레벨 때문에 발생하는 성능 저하 현상 모두를 방지할 수 있다. 또한, 보호 대상인 상기 셀은 작동 정지의 종료 시 상대적으로 균일한 전압 레벨을 가지게 된다.
도 1은 양성자 교환막(proton exchange membrane)형 또는 고분자 전해질막(Polymer electrolyte membrane)형 연료 셀 스택(일반적으로 PEM 연료 셀 스택이라고 불림)의 셀을 도식적으로 나타내고 있다. 상기 연료 셀 스택은 셀의 주입구에 수소 가스를 공급하는 연료 공급원(30)을 포함한다. 또한, 상기 연료 셀 스택은 상기 셀의 주입구에 공기를 공급하는 공기 공급원(32)을 포함하고, 상기 공기는 산화제로서 사용되는 산소를 포함하고 있다. 상기 셀은 애노드(22), 캐소드(26), 및 전해질층(24)을 포함하고, 상기 전해질층은 상기 애노드와 캐소드 사이에 위치한다. 상기 애노드(22)는 일반적으로 가스 확산층, 및 상기 가스 확산층과 상기 전해질층(24) 사이에 위치하는 촉매층을 포함한다. 상기 가스 확산층은 흐름 채널에서 상기 촉매층 쪽으로 가스를 확산시킨다. 상기 가스 확산층은 예를 들어 펠트(felt) 또는 탄소 재질의 직물일 수 있고, 이는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene)과 같은 소수성제(hydrophobic agent)에 고정되어 있다. 상기 애노드(22)의 촉매층은 일반적으로 백금 및 폴리테트라플루오로에틸렌을 포함하고, 이들 모두는 탄소 지지체에 고정되어 있다. 상기 폴리테트라플루오로에틸렌은 상기 촉매층의 소수성 특성에 사용되고, 백금은 상기 촉매층의 촉매 특성에 사용된다. 상기 캐소드(26)는 일반적으로 가스 확산층, 및 상기 가스 확산층과 상기 전해질층(24) 사이에 위치하는 촉매층을 포함한다. 상기 전해질층(24)은, 상기 셀 안에 존재하는 가스는 통과시키지 않는 반면에 양성자는 전도시키는 반투과막이다. 더 나아가 상기 셀은 애노드 가스(anode gas) 흐름을 가이드하는 판(29), 및 캐소드 가스(cathode gas) 흐름을 가이드하는 판(28)을 포함하고, 상기 두 개의 판은 각각 애노드(22)와 캐소드(26)를 마주하도록 배치되어 있다. 상기 판(28) 및 판(29)은 공지된 방법을 통해서, 예를 들어 흑연으로 만들어져 있다.
상기 연료 셀 스택이 작동하는 동안에, 공기는 상기 전해질층(24)과 상기 판(28) 사이를 흐르고, 수소 가스는 상기 전해질층(24)과 상기 판(29) 사이를 흐른다. 애노드(22)에서는, 수소 가스가 상기 전해질층(24)을 통과하는 양성자를 생성하기 위하여 이온화된다. 이러한 반응에 의하여 생성되는 전자는, 전류를 생성시키기 위하여 상기 연료 셀 스택과 연결되어 있는 전기 부하에 가해진다. 상기 애노드와 캐소드에서 일어나는 상기 반응은 다음과 같다.
애노드에서는, H2 -> 2H+ + 2e-; 그리고,
캐소드에서는, 4H+ + 4e- + O2 -> 2H2O와 같은 반응이 일어난다.
상기 연료 셀 스택이 작동하는 동안에, 셀은 일반적으로 상기 애노드와 캐소드 사이에서 약 1V의 DC 전압을 만들어 낸다.
도 2는 전기 부하(80)에 전력을 공급하도록 되어 있는 연료 셀 스택(10)의 구성도를 도시하고 있다. 상기 연료 셀 스택(10)은 도 1에서 설명된 것과 같은 셀의 스택을 포함하고 있다. 상기 스택이 상기 전기 부하(80)의 단자에 적절한 전압을 인가시키기 위하여 상기 셀들은 전기적으로 직렬로 연결되어 있다.
상기 연료 공급원(30)은 스택(20)의 주입구(12)에 수소 가스를 선별적으로 전달한다. 상기 공기 공급원(32)은 상기 스택(20)의 주입구(14)에 공기를 선택적으로 전달한다. 상기 스택(20)은 초과 수소 가스를 배출하는 배출구(16), 및 전기 화학 반응에 의하여 생성되는 물과 열을 배출하는 배출구(18)을 가진다.
도시되어 있지는 않지만, 상기 연료 셀 스택(10)은 상기 스택(20)을 냉각시키는 시스템을 포함할 수 있다.
상기 연료 셀 스택(10)은 예를 들어 마이크로 컨트롤러에 의하여 작동되는 제어 모듈(60)을 포함한다. 더 나아가, 상기 연료 셀 스택(10)은 상기 스택이 부식되지 않도록 하는 보호 모듈(50), 상기 스택 내 셀의 전압을 모니터링 하는 회로(40), 및 상기 스택(20)이 선택적으로 상기 전기 부하(80)에 연결되도록 하는 스위치(70)를 포함한다. 제어 모듈(60)은 상기 스위치(70) 및 보호 모듈(50)을 제어한다. 또한 상기 제어 모듈(60)은 상기 스택(20) 내 셀들로부터 전압 레벨을 수신하기 위하여 상기 모니터링 회로(40)에 연결되어 있다.
상기 연료 셀 스택(10)의 작동을 시작할 때, 상기 연료 공급원(30) 및 상기 공기 공급원(32)은 상기 스택(20)에 수소 및 공기를 공급한다. 그 후 공칭(nominal) 전압이 상기 스택(20)의 단자에서 생성된다. 상기 제어 모듈(60)은 상기 스택(20)이 전기 전력을 상기 부하(80)에 공급하도록 상기 스위치(70)를 조작한다.
도 3은 상기 스택(20)에 연결되어 있는 보호 모듈(50)의 예시적 구성도를 도시하고 있다. 바람직하게, 상기 모듈(50)은 저항 및 스위치를 포함하고, 이 둘은 상기 스택(20) 내 하나의 셀에 각각 전용의 저항 및 스위치로서 사용된다. 따라서, 보호 대상인 셀 각각은 상기 모듈(50)의 전용 저항 및 전용 스위치에 연결되어 있다. 즉, 스위치(S1) 및 저항(R1)은 상기 셀(C1)에 연결되어 있고, 스위치(S2) 및 저항(R2)은 상기 셀(C2)에 연결되어 있고, 스위치 (S3) 및 저항(R3)은 상기 셀(C3)에 연결되어 있다. 상기 보호 모듈(50)은 더 나아가 상기 제어 모듈(60)에 의하여 전송되는 제어 신호에 따라서 상기 스위치를 키고 끄는 제어 회로(52)를 포함한다. 상기 제어 회로(52)는 모든 스위치들을 독립적으로 키고 끈다. 상기 스위치들은 상기 보호 모듈(50) 회로 내에 집적되어 있는 트랜지스터들일 수 있다.
상기 연료 셀 스택(10)이 이미 작동되고 상기 셀이 공기 및 연료를 공급받는 때, 상기 제어 회로(52)는 상기 스택(20) 내 셀들에 의하여 생성되는 전력이 상기 보호 모듈(50) 내 저항에서 소진되는 것을 막기 위하여 모든 스위치들의 상태를 꺼진 상태로 유지한다.
상기 연료 셀 스택(10)이 작동을 정지하는 동안에, 상기 스택(20)을 통해서 흐르는 연료 및 공기의 흐름은 정지되고, 상기 부하(80)와 단절되도록 스위치(70)는 꺼지게 된다. 상기 부하(80)와 단절된 이후에도, 수소 가스 및 공기는 상기 스택(20) 내 셀 안에 존재하고 있다. 상기 셀 안에서 이루어지는 전기 화학적 반응은 짧은 시간 동안 계속된다. 상기 부하(80)가 상기 셀로부터 단절되어 있기 때문에, 부식을 일으킬 수도 있는 매우 높은 전압이 상기 애노드와 캐소드에서 발생될 수 있다.
따라서, 상기 스택(20)의 셀들이 부식되지 않도록 보호하기 위하여, 상기 제어 회로(52)는 생성된 과도 전류(transient current)가 상기 모듈(50)의 전용 저항에서 소진되도록 상기 전용 스위치를 킨다.
상기 연료 셀 스택(10)이 작동을 정지하는 동안에, 상기 제어 모듈(60)은 다음과 같은 방법으로 상기 스택(20) 내 셀들을 보호한다. 상기 모니터링 회로(40)는 보호 대상인 상기 셀(일반적으로, 상기 스택(20) 내 모든 셀) 각각의 단자에 걸리는 전압을 측정한다. 상기 모니터링 회로(40)는 일반적으로 다양한 셀들의 전압값들을 상기 제어 모듈(60)의 마이크로 컨트롤러에 전달하는 아날로그-디지털 변환기를 포함한다. 이들 전압값 각각은 상기 제어 모듈(60)에 의하여 사전 결정된 보호 전압 임계값과 비교된다. 이러한 전압 임계값은 셀을 이루는 재질이 부식될 위험성 없이 유지될 수 있는 전압값 이하의 전압 레벨에 대응한다. 상기 사전 결정된 보호 임계값 이상의 전압을 가지는 각각의 셀은, 상기 각각의 셀을 전용 저항에서 방전되도록 하기 위하여 전용 스위치가 켜지게 된다. 이와 같이 잔여 수소 가스가 존재하기 때문에 발생되는 전류는 상기 전용 저항에서 줄 가열(Joule heating) 효과에 의하여 소진되게 된다.
상기 모니터링 회로(40)가 상기 사전 결정된 임계값 이하의 셀 전압을 측정하였을 때, 초과 방전이 상기 셀의 성능을 저하시킬 수 있기 때문에, 이러한 셀의 전용 스위치는 상기 셀의 초과 방전을 막기 위하여 꺼지게 된다. 상기 보호 임계값은 예를 들어 0.2 V 내지 0.6 V 사이에 있다.
이와 같이, 상기 스택(20) 내 여러 셀들은 독립적으로 방전되게 되고, 이로써 더 낮은 전압율 또는 더 높은 방전율을 가지는 셀 세트 중 일부가 성능 저하되게 될 위험성 없이 상기 연료 셀 스택(10)의 작동이 정지되도록 할 수 있다. 이와 같이, 연료 셀 스택의 작동이 정지할 때, 동작은 상기 셀 모두가 상대적으로 균일한 최상의 최종 전압을 가지도록 수행된다.
더 나아가, 이와 같은 방법을 통해서 상기 셀의 애노드 지역에 남아 있는 수소를 소비할 수 있다. 이와는 반대로, 상기 연료 셀 스택의 작동이 정지하는 동안에 불활성 기체를 사용하여 상기 스택을 정화하는 종래 방법은 모든 잔여 수소, 예를 들어 상기 확산 판(29)에 포함되어 있는 수소를 정화시킬 수 없다.
도 4는 본 발명에 따른 셀 방전 방법의 제1 실시예의 플로우차트를 도시하고 있다. 본 방법에 있어서, 상기 셀의 방전은 다음과 같이 단계 별로 수행된다.
단계(101)에서, 상기 연료 셀 스택(10)이 작동을 정지하기 시작하였음이 감지된다. 단계(102)에서, 각각의 셀들의 단자에 걸리는 전압이 측정된다. 단계(103)에서, 중간 전압 임계값이 설정된다. 이러한 중간 전압 임계값은 본 플로우차트의 시작 시 가장 높은 전압을 가지는 셀의 전압의 90%의 값으로 설정되거나 메모리에 사전 저장된 값으로 설정된다. 단계(104)에서, 설정된 중간 임계값이 상기 보호 임계값 보다 작은지 여부가 측정된다. 예를 들어 상기 보호 임계값은 0.2 내지 0.6 V 사이의 사전 결정된 값일 수 있다. 만약 설정된 중간 임계값이 상기 보호 임계값 보다 작다면, 이는 상기 스택 내 여러 셀들이 확실히 보호되도록 충분히 방전되었다는 것을 의미하고, 그 후 본 방법은 단계(109)로 넘어가서 방전 과정을 정지한다.
만약 설정된 중간 임계값이 상기 보호 임계값 보다 큰 경우, 단계(105)에서 모든 셀 전압이 상기 중간 임계값 보다 작은지 여부가 측정된다. 만약 모든 셀 전압이 상기 중간 임계값 보다 작은 경우라면, 상기 셀들은 상기 중간 임계값 아래로 방전되게 된다. 상기 중간 임계값은 그 후 단계(104)로 되돌아 가기 전에 단계(108)에서 점차적으로 줄어들게 된다. 만약 하나 이상의 셀이 상기 중간 임계값 보다 큰 전압을 가지고 있다면, 단계(106)로 넘어가게 된다. 단계(106)에서, 상기 중간 임계값 보다 큰 전압을 가지는 셀들의 전용 스위치가 켜지게 된다. 즉, 이러한 셀들은 방전되게 된다. 상기 중간 임계값 보다 작은 전압을 가지는 셀들의 전용 스위치는 꺼지게 되어, 이들 셀이 방전되는 것을 방지한다. 단계(107)에서, 단계(105)로 되돌아 가기 전에 모든 셀들의 전압이 측정된다.
이러한 반복적 방법을 통해서 모든 셀들은 상기 보호 임계값 이하로 점진적으로 방전된다. 이러한 방법은 일정한 임피던스를 가지는 전용의 부하를 사용함으로써, 서로 다른 방전 시간으로 여러 셀들을 방전시킨다.
이 과정은 상기 셀의 전압을 단계적으로 상기 보호 임계값 이하로 감소되도록 한다. 이러한 방전 방법은 여러 셀들의 방전 시간이 이들 셀들의 초기 충전량에 따라서 달라지도록 한다. 이와 같이, 셀이 작은 충전량 만을 가지고 있을 때, 셀의 성능 저하를 일으킬 위험을 가지는 높은 전류는 요구되지 않는다.
본 발명에 따른 또 다른 방전 방법의 실시예에 따르면, 상기 셀들은 상기 보호 임계값이 초과될 때까지 직접적 및 계속적으로 방전될 수 있다. 이러한 방전은 고전압이 상기 셀들의 단자에 인가되는 시간을 감소시킨다. 따라서, 상기 연료 셀 스택의 수명을 최대한으로 이용할 수 있다.

Claims (10)

  1. 연료 셀 스택(fuel cell stack)의 작동이 정지하는 동안에 상기 연료 셀 스택(10)에 통합되어 있는 전기 화학 셀(C1, C2, C3) 세트가 부식되지 않도록 보호하는 방법으로서,
    - 보호되는 각각의 셀의 단자에 걸리는 전압을 측정(40)하는 단계;
    - 측정된 전압이 보호 임계값 보다 큰 셀을 전기 부하(R1, R2, R3)에 방전(50)하는 단계로서,
    - 측정된 상기 전압이 보호 임계값 보다 큰 중간 임계값 보다 큰 셀을 전기 부하에 방전하고,
    - 측정된 상기 전압이 상기 중간 임계값 보다 작은 셀을 상기 전기 부하와 단절시키고,
    - 모든 셀의 단자에 걸리는 전압이 상기 중간 임계값 보다 작을 때, 모든 셀을 상기 보호 임계값 이하로 방전하는, 단계; 및
    - 측정된 전압이 상기 보호 임계값 보다 작은 셀을 상기 전기 부하와 단절시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀 보호 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기 화학 셀 보호 방법을 양성자 교환막(Proton Exchange Membrane, PEM)형 전기 화학 셀에 사용하는 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀 보호 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 셀을 각각 전용의 전기 부하(R1, R2, R3)에 방전하는 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀 보호 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    보호되는 셀 세트 내 셀들을, 상기 셀 각각의 전압이 상기 보호 임계값 보다 클 때 동시에 방전하는 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀 보호 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보호 임계값은 0.2 V 내지 0.6 V인 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀 보호 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    중간 임계값을 감소시키는 단계; 측정된 전압이 새롭게 설정된 중간 임계값 보다 클 때 셀을 방전시키는 단계; 및 상기 측정된 전압이 새롭게 설정된 중간 임계값 보다 작을 때 셀을 상기 전기 부하와 단절시키는 단계;가 반복적으로 이루어지는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀 보호 방법.
  7. 연료 셀 스택(10)으로서,
    - 부식되지 않도록 보호되는 전기 화학 셀 세트;
    - 셀의 각각의 단자에 걸리는 전압을 측정하는 장치(40); 및
    - 상기 전기 화학 셀을 보호하는 회로(50)로서, 상기 회로는 상기 연료 셀 스택이 작동을 정지하였는지 여부를 감지하고, 상기 연료 셀 스택이 작동을 정지하였음이 감지된 때,
    - 측정된 전압이 보호 임계값 보다 큰 각각의 셀을 전기 부하에 방전시킴에 있어서,
    - 측정된 상기 전압이 보호 임계값 보다 큰 중간 임계값 보다 큰 셀을 전기 부하에 방전하고,
    - 측정된 상기 전압이 상기 중간 임계값 보다 작은 셀을 상기 전기 부하와 단절시키고,
    - 모든 셀의 단자에 걸리는 전압이 상기 중간 임계값 보다 작을 때, 모든 셀을 상기 보호 임계값 이하로 방전하고,
    - 측정된 전압이 상기 보호 임계치 보다 작은 각각의 셀을 상기 전기 부하와 단절시키는 회로(50);를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전기 화학 셀은 양성자 교환막(Proton Exchange Membrane, PEM)형 전기 화학 셀인 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    전기 화학 셀 세트는 직렬로 연결된 셀의 스택(20)을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보호 회로(50)는 전기 부하(R1, R2, R3) 및 스위치(S1, S2, S3)를 포함하고, 하나의 전기 부하 및 하나의 스위치는 상기 셀 각각의 전용 부하 및 전용 스위치이고, 상기 보호 회로(50)는 전용 부하에 셀을 방전시키기 위하여 전용의 스위치를 키는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택.
KR1020127011892A 2009-10-19 2010-10-18 연료 셀 내 부식을 방지하는 방법 KR20120089310A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR0904997A FR2951583B1 (fr) 2009-10-19 2009-10-19 Prevention de la corrosion d'une pile a combustible
FR09/04997 2009-10-19
PCT/EP2010/065655 WO2011048057A1 (fr) 2009-10-19 2010-10-18 Prevention de la corrosion d'une pile a combustible

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20120089310A true KR20120089310A (ko) 2012-08-09

Family

ID=42235198

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020127011892A KR20120089310A (ko) 2009-10-19 2010-10-18 연료 셀 내 부식을 방지하는 방법

Country Status (6)

Country Link
US (1) US8389171B2 (ko)
EP (1) EP2491609B1 (ko)
JP (1) JP5175408B2 (ko)
KR (1) KR20120089310A (ko)
FR (1) FR2951583B1 (ko)
WO (1) WO2011048057A1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160061636A (ko) * 2014-11-24 2016-06-01 현대자동차주식회사 연료전지의 잔류 전기에너지 방전 장치 및 방법
KR20170093889A (ko) * 2014-12-08 2017-08-16 인텔리전트 에너지 리미티드 연료 전지 어셈블리 및 연관된 작동 방법

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11152814B2 (en) * 2019-11-22 2021-10-19 GM Global Technology Operations LLC Mobile charging stations with fuel-cell generators for electric-drive vehicles
FR3114919B1 (fr) 2020-10-06 2022-08-19 Commissariat Energie Atomique Système de commande pour décharger les cellules d'une pile à combustible

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0240864A (ja) * 1988-08-01 1990-02-09 Fuji Electric Co Ltd 燃料電池の放電回路
US5013617A (en) 1989-12-29 1991-05-07 International Fuel Cells Corporation Air ejector system for fuel cell passivation
JPH10223248A (ja) * 1997-02-05 1998-08-21 Fuji Electric Co Ltd 燃料電池の放電装置
US6514635B2 (en) 2001-01-25 2003-02-04 Utc Fuel Cells, Llc Procedure for shutting down a fuel cell system having an anode exhaust recycle loop
JP3895960B2 (ja) * 2001-10-03 2007-03-22 本田技研工業株式会社 燃料電池スタック
JP4904661B2 (ja) * 2002-11-21 2012-03-28 株式会社デンソー 燃料電池システム
JP2005302304A (ja) * 2004-04-06 2005-10-27 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2005322570A (ja) * 2004-05-11 2005-11-17 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2007059120A (ja) * 2005-08-23 2007-03-08 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP5168825B2 (ja) * 2006-06-23 2013-03-27 日産自動車株式会社 燃料電池システム
US20080032163A1 (en) 2006-06-23 2008-02-07 Usborne John D Preventing corrosion during start up and shut down of a fuel cell
JP2008047537A (ja) * 2006-08-17 2008-02-28 Samsung Sdi Co Ltd 燃料電池システム及び燃料電池動作方法
AT505914B1 (de) * 2008-03-28 2009-05-15 Fronius Int Gmbh Verfahren und vorrichtung zum abschalten einer brennstoffzelle
KR101049827B1 (ko) * 2008-12-19 2011-07-15 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템 및 그 구동 방법

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160061636A (ko) * 2014-11-24 2016-06-01 현대자동차주식회사 연료전지의 잔류 전기에너지 방전 장치 및 방법
KR20170093889A (ko) * 2014-12-08 2017-08-16 인텔리전트 에너지 리미티드 연료 전지 어셈블리 및 연관된 작동 방법
KR20210030491A (ko) * 2014-12-08 2021-03-17 인텔리전트 에너지 리미티드 연료 전지 어셈블리 및 연관된 작동 방법
KR20220159491A (ko) * 2014-12-08 2022-12-02 인텔리전트 에너지 리미티드 연료 전지 어셈블리 및 연관된 작동 방법

Also Published As

Publication number Publication date
US8389171B2 (en) 2013-03-05
EP2491609B1 (fr) 2014-02-12
EP2491609A1 (fr) 2012-08-29
FR2951583A1 (fr) 2011-04-22
FR2951583B1 (fr) 2012-01-27
WO2011048057A8 (fr) 2012-04-12
JP2013508903A (ja) 2013-03-07
JP5175408B2 (ja) 2013-04-03
WO2011048057A1 (fr) 2011-04-28
US20120237800A1 (en) 2012-09-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102056990B1 (ko) 전압 제한 장치를 갖는 유동 배터리
EP2210304B1 (en) System and method for operating a high temperature fuel cell as a back-up power supply with reduced performance decay
JPH10144334A (ja) 燃料電池発電プラント及びその起動・停止方法
JP2006108124A (ja) 燃料電池システムの効率を制御する技術
JP2006147550A (ja) 燃料電池システムとその停止保管起動方法、停止保管起動プログラム
JP2007179786A (ja) 燃料電池システム
US7709119B2 (en) Method for operating fuel cell
CN113228360A (zh) 燃料电池的活性化方法和活性化装置
CN107004875B (zh) 燃料电池组件和相关操作方法
US20080032165A1 (en) Fuel cell device, control device, control method, and control program
JP2007059120A (ja) 燃料電池システム
EP2375484B1 (en) Operating method of fuel cell system
JP5175408B2 (ja) 燃料電池の腐食防止
JP2008198402A (ja) 燃料電池システム
KR20120011598A (ko) 연료 전지 시스템 및 그 구동 방법
JP2008166164A (ja) 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法
JP2006156040A (ja) 燃料電池システム
JP2005100705A (ja) 燃料電池の始動方法
JP2007265910A (ja) 燃料電池システム及びその運転方法
JP2006179389A (ja) 燃料電池発電装置およびその停止方法ならびにその停止保管方法
JP7143785B2 (ja) 燃料電池システム
JP2006140065A (ja) 燃料電池システム
KR101575364B1 (ko) 차량용 연료전지의 물 제거 장치 및 방법
JP2007048503A (ja) 燃料電池システム
JP5311974B2 (ja) 燃料電池システムの起動方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application