KR20120092574A - 리액터의 작동에 특정된 가스의 파라미터를 측정하기 위한 장치가 제공된 연료전지 또는 전해조와 같은 전기화학적 리액터 - Google Patents

리액터의 작동에 특정된 가스의 파라미터를 측정하기 위한 장치가 제공된 연료전지 또는 전해조와 같은 전기화학적 리액터 Download PDF

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기노 파가넬리
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미쉐린 러쉐르슈 에 떼크니크 에스.에이.
꽁빠니 제네날 드 에따블리세망 미쉘린
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Abstract

본 발명은 연료전지 스택 또는 전해조와 같은 전기화학적 리액터에 관한 것으로서, 상기 리액터는, 각각이 전해질과 전기적으로 접촉하는 일 면을 갖는 적어도 하나의 전극 플레이트(108-1)를 구비하는, 전기화학적 전지들(25)의 스택(22)과, 상기 스택의 외부와 가스를 교환하기 위해, 회로 내에서 각각의 전지들의 상기 일 면에 연결되는 적어도 하나의 튜브(24)와, 상기 회로 내의 상기 가스의 조성을 감지하는 센서(11), 및 상기 센서에 의한 측정들에 대응하여 상기 리액터의 작동상의 조건을 트래킹하거나 또는 모니터링하기 위한 적어도 하나의 부재를 구비한다. 전지들의 스택(22)과 튜브(24)는, 상기 튜브와 연통하게 상기 바디에 통합되는 적어도 하나의 챔버(20)를 구비하는 단일의 리액터 바디(15)를 형성한다. 가스 조성 센서(11)는 상기 단일의 바디 내에 장착되며, 상기 챔버(20) 내 상기 가스의 일 성분의 제자리 농도에 직접적으로 노출되는 센서티브 유닛(30)을 구비한다.

Description

리액터의 작동에 특정된 가스의 파라미터를 측정하기 위한 장치가 제공된 연료전지 또는 전해조와 같은 전기화학적 리액터{ELECTROCHEMICAL REACTOR, SUCH AS A FUEL CELL OR AN ELECTROLYZER, PROVIDED WITH A DEVICE FOR MEASURING A PARAMETER OF A GAS SPECIFIC TO THE OPERATION OF SAID REACTOR}
본 발명은 연료전지 스택(stack)들 또는 전해조(electrolysers)들과 같은 전기화학적 리액터들(electrochemical reactors)에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 이러한 장비 및 상기 장비의 작동상의 제어의 상태를 모니터링하기 위해 측정치들을 재는 장치에 관한 것이다.
전기화학적 리액터들은 현재 환경 오염을 제한하기 위해 노력하는 상황에서 특히 운송분야에서 많은 연구가 이루어지고 있는 주제이다. 전해 수소-연료 발전기(electrolytic hydrogen-fuel generator)들은 의심할 여지없이 현재 가장 많이 연구되는 시스템들 중의 하나이며, 상기 발전기들은 공기 또는 순수한 산소를 산화제로 사용한다. 물이 주입된 폴리머 막들의 형태로 있는 고체 상태의 전해질들을 사용하여 상당한 진척이 가능해졌다. 또한, 특히 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 저장하는 목적으로, 전해조들은 상당히 개발되어 왔다. 연료전지 스택들 및 전해조들은 현재의 구성들로 인해 우수한 효율로 극도로 안전한 조건들 하에서 작동할 것으로 예상된다.
그러나, 소정의 필수적 물질들(예를 들어 촉매들)의 높은 비용, 및 최적의 작동 조건들을 달성하고 이 조건들을 일정 시간 유지하기 위해 맞닥뜨리는 어려움들 때문에, 경제적인 관점에서 여전히 개선될 점이 남아있다. 이러한 문제점들 중 하나는, 가스 온도 및 압력 측정치들을 넘어서 필요하거나 유용하다고 판명될 수 있는 모든 측정치들을 얻지 못하기 때문에, 현재 시스템들이 어느 경우에서나 정밀하게 수행되어야 하는 리액터의 내부 작동 조건들에 대하여 철저히 이해할 수 없다는 사실에 있다. 따라서, 연료전지 스택의 경우, 종래에도 연료전지 스택에 공급하기 위해 사용되는 수소의 높은 질(특히, 순도 면에서)을 사전에 보장하는 것은 필요했었다. 당시에는, 이러한 예방책들에도 불구하고, 스택에 의해 실제로 사용되는 수소의 순도에 관하여 모르는 채로 스택을 작동시키는 것이 불가피했다.
게다가, 연료전지 스택은 여전히 오늘날에도 실험 단계의 장치이다. 가능하면 실시간으로, 연구되는 시스템 작동을 간섭하지 않고 리액터들과 리액터들의 다양한 구성요소들의 작동을 더 잘 알아내고 이해하기 위한 수단으로부터 이익을 얻을 수 있는 많은 연구들이 여전히 진행 중이다. 대부분의 산업용 전기분해 플랜트들 또는 연구실에서, 가스 분석기들(gas analysers)은 리액터의 작동 중에 전기화학적 리액터 내 존재하는 가스들의 조성과 관련된 정보를 전달하기 위해 계속해서 사용되고 있다. 실제로 이 분석기들은, 간헐적으로 또는 연속적으로, 전해조에 의해 생성되거나 연료전지 스택에 의해 소비되는 가스들의 샘플들을 취함으로써 작동한다. 취해진 샘플들은 전해조에 의해 생성된 하나 이상의 가스들의 농도에 관해 요구되는 정보를 전달하는 분석기로 보내진다. 따라서, 리액터로부터 취해진 샘플들은 버려지며, 이는 효율의 손실을 의미한다.
최근 몇 년 동안, 연료전지 스택들의 환경 내 가스들 중에서 하나의 가스(특히, 수소)의 농도를 측정하기 위한 센서들을 특히 모니터링 목적으로 사용하는 제안들이 개발되어 왔다. 이 센서들은 저항 발열요소(resistance heating element)를 가지는 센서티브 유닛(sensitive unit)을 사용하여 열전도율을 측정하는 것에 기초한다. 저항 발열요소의 가열(heating)이나 또는 낭비되는 냉각(dissipative cooling)은 주위 가스의 열전도율에 의존하며, 따라서, 일반적으로 주위 가스의 조성에 의존한다. 상대적으로 작고 작동하기 간단한 이 센서들은, 함께 섞일 것으로 예상되는 대부분의 통상의 가스들 열전도율과 비교할 때 수소의 열전도율이 매우 높기 때문에, 가스의 수소 함량을 측정하는 데 특히 적합하다.
따라서, 미국 특허 출원 공개 번호 제2005/0228596호로 공개된 특허 출원은 공기로부터 나온 수소 외 다양한 불순물들을 함유할 수 있고 또는 상대적으로 높은 수분 함량을 가질 수 있는 문제의 가스 매체의 전도성을 측정함으로써, 자동차용 연료전지 시스템의 환경에서 수소의 농도를 감지하는 센서를 사용하는 것을 기술한다. 상기 문서는, 특정 상황들에서 수소 기반의 혼합물의 전도성에 영향을 주는 다양한 파라미터들을 연결시키는 관계들의 비선형성에도 불구하고, 모니터링되는 가스 혼합물 내 수분 또는 다른 불순물들의 존재에 의해 유발될 수 있는 오류 없이 측정하기에 적합한 기술을 기술하고 있다. 취해진 조치들 중에는, 상기 문서는 특히 가스 센서의 센서티브 요소(sensitive element)를 수분으로부터 보호하기 위한 수단의 사용을 기술하는데, 예를 들어 이러한 상기 수단들은 선회하는 경로를 제공하거나, 모니터링되는 가스와 센서티브 요소 사이에서 연통하는 배플을 형성하거나, 또는 센서티브 요소를 보호 코팅(예를 들어, 실리카 기반 코팅)으로 덮음으로써 이루어진다. 측정들은 바람직하게는 연료전지 시스템 및, 추가적으로, 이러한 연료전지가 장착된 차량 내의 다양한 민감한 지점들에서 수행된다. 경보는 측정치들이 안전 위험 요소가 있다고 나타낼 때 작동되며, 이후 연료전지로의 수소 공급은 중단될 수 있다. 그러나, 기술된 시스템은 연료전지의 작동 조건들을 효과적으로 모니터링하거나 제어하는 데에 적합한 구성들을 포함하지 않는다.
일본 특허 출원 공개 제2008191019호 하에 공개된 일본 특허 출원은, 측정치를 왜곡하고 센서를 손상시키기 쉬운 불순물들(특히 수증기)의 확대를 저지하기 위해 모니터링되는 가스가 흐르는 라인과 센서티브 요소 사이의 연통 경로를 따라 몇 개의 인클로저를 위치시켜서 상기 라인으로부터 센서를 떨어뜨려 배치시킴으로써 전도성 측정들에 기초한 가스 농도 센서를 작동시키는 것이 어떻게 가능한 지를 설명한다. 센서는 연료전지 스택(도시안됨)의 수소 방출 라인 상에 설치된다. 특히 테트라플루오로에틸렌(tetrafluoroethylene)으로 제조되는 방수 필터, 및 모니터링되는 가스가 흐르는 라인으로부터 센서가 위치하는 챔버를 분리시키는 것을 가능하게 하는 전동 웜 스크류에 의해 제어되는 셧오프 밸브(shut-off valve)를 사용함으로써, 센서의 센서티브 요소와 접촉하는 방출된 수소 가스 내 필연적으로 함유된 수증기를 방지하는 배치들이 제안되었다. 이러한 배치에 의해, 측정 상에 미치는 수분의 영향을 제한함으로써, 방출 회로 내 수소 혼합물의 함량에 관한 소정 정보가 확실히 얻어진다. 그러나, 기술된 배치들은 이러한 연료전지의 작동 조건들을 정확하고 빠르게 모니터링하거나 제어하기에 적절하다고 여겨지지는 않는다.
더욱 최근에는, 예를 들어, 공개된 미국 특허 출원 공개 제US2009/00611261호는 라인 내 흐르는 가스의 물리적 파라미터를 감지하기 위한 장치의 사용을 기술한다. 상기 문서에서는 챔버 내 위치한 감지 요소가 물의 침전물 또는 필름이 감지 요소 상에 형성되는 것을 방지하는 섬유 재료로 구성된 필터에 의해서 상기 라인의 내부로부터 분리된다. 필터와 챔버 벽들의 처리는 라인 내를 흐르는 가스 내 물 또는 수증기의 존재가 상기 챔버 내 감지 요소로부터의 지표들을 왜곡하는 것을 방지한다. 고려된 일 예에서, 감지 요소는 전기 저항 발열요소를 구비하며, 상기 전기 저항 발열요소의 가열 온도는 전기 저항 발열요소의 환경 내 가스의 농도에 따라 바뀔 수 있다. 감지 장치는, 수소 농도가 높을 때 또는 수증기가 존재할 때, 모니터링되는 가스의 수소 농도를 감지하는데 사용될 수 있다. 일 예에서, 상기 문서는 원동 에너지(motive energy)를 차량에 전달하기 위한 연료전지 시스템을 기술하며, 상기 시스템은 한편으로는 수소 가스를, 다른 한편으로는 산소를 다량 함유한 가스(예를 들어 공기)를 공급받는 전기화학적 전지들의 스택을 구비한다. 전지 스택의 출구에서, 수소 회로는 전지 스택 내에서 소비되지 않은 수소 가스를 방출하기 위한 라인을 포함한다. 펌프는 상기 방출 라인 내에서 회수된 수소의 흐름을 스택의 수소 입구로 재순환시키는 역할을 한다. 이 흐름은 가압 탱크로부터 나온 새로운 수소 가스의 흐름에 합쳐지고, 이 조합은 전지 스택의 입구로 주입된다. 또한, 수소 가스 방출 라인은, 온-오프 작동으로 인해 스택의 출구에서 회수된 수소의 일부를 방출하는 것을 가능하게 하는 퍼지 밸브(purge valve)를 통해 시스템의 외부로 선택적으로 연결된다. 이 문서에 따르면, 위에 기술된 바와 같은 이러한 수소 농도 감지 장치는 바람직하게는, 감지된 농도에 따라 수소 탱크 및 퍼지 밸브로부터 나온 가스 공급의 압력을 통제하기 위한 밸브를 제어하기 위해, 스택 외부의 수소 방출 라인 내 위치한다. 또한, 이 문서에 따르면, 감지 장치는 재순환 펌프의 하류 또는 심지어 압력-통제 밸브의 하류에 위치될 수 있다. 그러나, 상기 문서에 따르면, 언급된 첫 번째 배치(즉, 재순환 펌프의 상류)는 이 지점에서 농도 측정들이 오류가 발생되기 어렵기 때문에 선호된다. 또한, 다른 연료전지 시스템 아키텍쳐들이 수소 또는 산소 가스 회로 내 하나 이상의 가스 농도 감지 장치들의 다양한 배치들과 함께 기술된다.
따라서, 상기 예에서 기술된 연료전지 시스템은, 샘플들을 분석할 목적으로 이들을 시스템의 외부로 샘플들을 보내기 위해 스택의 회로들 내에 있는 가스 혼합물들로부터 샘플들을 취할 필요가 없이, 연료전지 스택의 작용 또는 작동에 관한 정보를 제공하는 장점을 가진다. 이 정보는, 스택 입구에서의 새로운 수소의 흡기 압력 및 퍼지 밸브의 개방과 같은, 작동을 통제하는 제어 부재들에 작용하도록 사용되어, 이러한 작용 및 작동 특성을 조정할 수 있다. 따라서, 시스템의 작동 성능을 제어하는 수단이 제공된다.
이로부터, 스택의 작동을 영구적으로 최적화할 목적을 가능하게 하는 내부 수소 농도에 관한 실시간 지식으로부터 스택 자체를 제어한다는 것을 추론하는 것은 솔깃할지도 모른다. 그러나, 여전히 전술한 배치들을 이용해 얻을 수 있는 정보가 여전히 근사적 성질을 갖기 때문에, 실제로 실시해보면 위의 내용은 사실이 아니다. 출원인은 실제 이 방식으로 전기화학적 리액터의 제어를 최적화하기 위해서는 필요한 특성 파라미터들이 위에서 제안된 시스템들의 능력 밖의 민감성, 정밀성, 및 응답시간 조건들 하에서 측정되어야 한다는 것을 알아냈다. 실제, 전기화학적 리액터의 운영 및 모니터링을 최적화하기 위해서, 수소 센서로부터 전달받은 정보를 한층 충분히 사용할 수 있는 것이 바람직할 것이다.
따라서, 조작자(operator)에 전기화학적 리액터 시스템들의 작동을 위한 중요 요인들에 관해 간단하게, 자주, 빠르게, 그리고 정확하게 알려줄 수 있으며, 이에 따라 조작자가 효과적으로 (바람직하게는 자동으로) 대응하여 이들 시스템들의 산출량, 효율, 안전 및 지속성을 유지할 수 있게 하는 측정들에 의해서 연료전지 스택들 및 전해조들과 같은 전기화학적 리액터들의 작동에 대한 이해를 향상시키도록 개발되어야 할 점들이 남아있다.
상기 요건들을 해결하기 위해, 본 발명은 리액터의 내부 작동의 특성들에 관한 정보를 전달하고, 특히, 이 작동을 모니터링하고 제어하기에 적합하며, 특별히 연료전지 스택 또는 전해조를 위한, 신규의 전기화학적 리액터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 대상은, 연료전지 스택 또는 전해조와 같은, 전기화학적 리액터이다. 상기 리액터는 각각이 전해질과 전기적으로 접촉하는 일 면을 갖는 적어도 하나의 전극 플레이트를 구비하는 전기화학적 전지들의 스택; 스택의 외부와 가스를 교환하기 위해, 교환 회로 내에서 각각의 전지들의 상기 면에 연결되는 적어도 하나의 매니폴드; 회로 내의 상기 가스의 조성에 민감한 센서; 및 예를 들어 상기 센서에 의해 전달되는 정보에 따라 가스의 농도를 조절하기 위해, 리액터의 작동 조건을 모니터링하기 위한 적어도 하나의 수단을 구비한다. 본 발명에 따르면, 이 리액터는 전지들의 스택과 상기 매니폴드가 단일의 리액터 바디를 형성하며 리액터 바디는 상기 매니폴드와 연통하는 리액터 바디 내로 통합되는 적어도 하나의 챔버를 구비하는 것을 특징으로 하며, 상기 가스 조성 센서가 상기 단일의 바디에 장착되며 상기 챔버 내 상기 가스의 일 성분의 제자리 농도에 직접적으로 노출되는 센서티브 유닛을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성으로, 리액터의 전기화학적 전지들에 사용된 가스의 농도를 측정하는 센서(특히, 연료전지 스택 내에서 리액터의 전기화학적 전지들의 양극(anode)에 연결되거나, 또는 전해조 내에서 전기화학적 전지들의 음극에 연결된, 회로 내 수소 농도를 측정하기 위한 센서)는 상기 전기화학적 전지들의 반응 조건들(예를 들어 반응 전지 스택(reaction cell stack) 내 포함된 가스의 온도, 습도 조건들 및 조성들의 측면에서)과 밀접하게 연관되어 있다. 게다가, 전지들의 블록과, 이 전지들과 상기 챔버 사이의 가스 교환을 보장하는 덕트에 의해 형성된 바디에 직접적으로 통합되는 챔버 내에 센서가 고정되기 때문에, 측정의 대상이 되는 가스의 유동율은 상대적으로 낮고 전지들 내 사용된 가스의 유동율에 가깝다. 이는 측정 정밀도에 도움이 된다. 또한, 반응이 발생하는 스택에 대하여 센서가 가까운 것도 응답 시간을 줄이는 데에 이로운 요인이다.
본 발명을 실시하기 위한 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 챔버는 시스템 플레이트 내에 형성되며, 상기 시스템 플레이트는, 상기 스택의 단부 전지와 병렬 배치되는 제1면을 구비하며, 상기 매니폴드는 그것이 통과하는 상기 전지들의 스택을 떠나자마자 상기 제1면으로 통하며, 상기 시스템 플레이트는 상기 제1면의 맞은 편에 제2면을 구비하며, 상기 제2면은 상기 가스 회로의 하나 이상의 요소들을 상기 바디의 외부에 고정시키기 위한 서포트를 형성한다. 따라서, 상기 가스의 흐름을 보장하고 제어하기 위한 제어 부재들이 고정된 시스템 플레이트의 제2면을 통해, 단일의 바디와 무관한 가스 회로의 이 부분들은 통합된 챔버에 연결될 수 있다.
따라서, 어셈블리는 가스 조성 센서인 코어에 통합되는 소형의 어셈블리를 형성하며, 그 온도는 전지 스택 내에 존재하는 것과 동일하게 유지된다. 이는 센서의 센서티브 유닛을 바로 둘러싸는 공기 내 수분의 응결의 위험을 저절로 줄이는 요인이 된다. 이러한 응결이 다양한 상황들에서 해로울 수 있다는 것은 나중에 보여질 것이다. 이러한 요인으로 응결물들을 제거하기 위한 인용된 선행문헌 내 언급되는 복잡한 배치들을 없애는 것이 적어도 부분적으로 가능해 진다. 게다가, 회로의 외부와 전지들에 의해 제공된 매니폴드 사이의 통합된 챔버를 통해 지나가는 가스의 유동률은 가스 회로의 다른 부분들 내에 비해 더 작다. 이 요인은 센서의 측정 정밀도에 유리하다. 또한, 아주 가까이에 있는 근접성은 혼합물 내 조성 변화들에 대한 센서의 응답 시간을 줄이는 데 기여한다.
이러한 실시예에서, 상기 제1 및 제2 면들 사이의 상기 시스템 플레이트의 벽(특히, 측벽)에 상기 조성 센서를 장착하는 것은 적절할 수 있다. 이러한 센서가 상기 벽의 내측 상에, 상기 챔버의 분위기와 직접적으로 접촉하며 챔버 내 가스의 일 성분의 제자리 농도를 감지하는 유닛이 수용된, 캐비티를 둘러싸는 중공의 엔드 피스를 가지도록 제공하는 것이 유리할 수 있다. 유리한 실시예에 따르면, 상기 중공의 엔드 피스 내에 센서티브 유닛을 수용하는 캐비티는 가스-기밀 및 액체-기밀 격벽에 의해 센서의 일 부분에 형성된 다른 챔버로부터 분리되고, 상기 일 부분은 상기 챔버에 대해 상대적으로 상기 벽의 외측 상에 장착되며, 센서티브 유닛에 의해 전송된 신호들을 처리하기 위한 유닛의 회로들은 상기 일 부분에 장착된다. 이 배치를 통해, 상기 격벽이 센서티브 유닛으로부터 나온 전도체들에 의해 밀봉되게 관통되며, 캐비티와 상기 센서의 다른 챔버 사이의 차압에 견디도록 제공될 수 있다. 따라서, 단일의 리액터 바디의 외부로의 수소 누설에 대한 어떠한 위험도 상기 센서의 배치로 인해, 특히 센서의 전기적 연결부들이 모이는 영역에서 제거될 수 있다. 게다가, 처리 유닛은 단일의 바디 내 장착된 센서티브 유닛에 아주 근접하게 위치될 수 있다. 따라서, 센서티브 유닛에 의해 출력된, 신호들의 간섭은 이들 두 유닛들의 근접성 때문에 매우 크게 감소된다고 이해될 것이다. 그러므로, 시스템의 정밀성은 더욱 향상된다.
본 발명을 수행하기 위한 바람직한 일 측면에 따르면, 상기 회로 내의 가스 농도 센서는 상기 센서가 침지된 가스 혼합물의 열전도율의 변화들에 의존하는 신호를 전달하기에 적합하다. 이러한 타입의 센서는 리액터 내부에 직접적으로 사용되기에 매우 적합하며, 특히 이러한 타입의 리액터 내에서 자주 발견되는 혼합물들 내 가스 농도의 측정치들을, 우수한 응답 시간으로, 전달하는 것으로 알려져 있다.
일 기술에 따르면, 가스의 열전도율 변화들을 감지하는 센서는, 특히 제어되는 조건들 하에서 가열 수단과 서포트의 온도를 모니터링하는 수단이 제공된 서포트를 구비한다. 정상 상태에서, 이 온도는 가열 수단으로부터의 열 유입과, 서포트에 의한 서포트 주변 매체로의 열 발산에 의존한다. 열 발산은 한편으로는 서포트의 온도와 주변 매체의 온도의 차이에 의존하며, 다른 한편으로는 주변 가스 혼합물의 열전도율에 의존한다. 열전도율은 존재하는 각 가스들의 성질과 그들의 혼합물 내에서의 농도에 의존한다.
이러한 관찰들로부터 시작하여, 본 발명은, 단지 과학적 목적들로 전기화학적 리액터 내부에서 일어나는 현상들을 알기 위해서뿐만 아니라, 리액터 자체의 내부에 기초하여 그 작동과 성능을 정기적으로 모니터링하기 위한 수단으로서, 전술된 원리들에 따라 설계된 전기화학적 리액터 내 가스(특히, 수소)의 제자리 농도를 측정하는 것과 관계된다. 또 다른 측면에 따르면, 본 발명은 이들 측정치들이 이 리액터의 다양한 작동상의 제어들에 의해 사용하는 것을 제공하며, 이는 리액터의 작동상의 안전을 경고, 체크, 최적화 및/또는 보장하기 위함이다.
많은 전기화학적 리액터들의 작동이, 시간이 경과 함에 따라, 조사되는 가스 혼합물의 열전도율을 측정하는 것에 기초하는 가스 농도 센서의 무결성(integrity)을 유지하는 데에 따른 문제점을 야기할 수 있는, 액체들(특히, 물)의 사용 및/또는 형성을 동반한다는 것은 위에서 보여졌다.
따라서, 일 실시예에 따르면, 주변 가스의 전도율 변화들을 감지하는 유닛을 가지는 가스 농도 센서는, 위에서 정의된 바와 같이 리액터 내부의 가스 회로에서, 액체들과 접촉하게 되는 센서티브 유닛으로부터 보호되는 영역에 상기 센서를 위치시킴으로써(예를 들어, 방수 스크린을 사용함으로써) 사용된다. 예를 들어, 이 목적을 위해, 단일의 바디에 통합되는 챔버의 분위기와 센서티브 유닛의 표면 사이에 가스-투과성 방수 스크린을 형성하기 위한 미소다공성 막을 사용하는 것이 가능하다.
센서가 침지된 가스의 제자리 수소 농도의 정밀한 측정을 위해서, 위와 같이 위치되며 선택적으로 보호되는 센서가 침지된 가스의 열전도율 변화들을 감지한다는 사실을 사용하는 것이 가능하며, 이는 상응하는 가스 회로 내 수소 농도뿐만 아니라, 상기 회로 내 수증기 농도에도 의존한다. 다른 가열 온도들에 근거하여 센서티브 유닛의 환경 내에서 전도율에 대한 몇몇 측정들을 제어하기에 적합한 제어 장치를 이용하여, 가스의 수증기 함량에 따라 정정되는, 이 센서를 둘러싸는 가스의 수소 농도를 결정하는 것이 가능하다.
또한, 모니터링되고 있는 가스의 수분 함량을 측정하는 공지의 수단을 사용하는 것이 가능하다. 또한, 센서티브 유닛에 의해 전달된 농도 측정치들을 혼합물 내 감지된 수분 함량에 따라 정정하기 위해, 센서의 신호 처리 유닛은 습도 센서로부터의 신호들을 받기 쉽다. 실제로, 상기 회로 내 수소의 농도를 감지하는 센서를 갖는 수소 가스 회로뿐만 아니라, 산소에 기초한 가스 혼합물(순수한 상태로, 또는 혼합물로서(특히, 공기))을 위한 회로를 포함하는 전기화학적 리액터에도 상기 시스템은 적용되며, 이는 센서의 환경 내 가스 혼합물의 수소 함량에 의존하는 정보를 전달하기 위함이다.
유리한 적용에 따르면, 본 발명에 따른 가스 농도 측정 장치는, 적절한 곳에서, 이산화탄소의 존재 및 그 농도를 결정하기 위해 리액터 내 가스 혼합물의 전도율을 측정하기 위한 장치를 구비하며, 이들은 때때로 리액터의 특정 부분들의 우수한 건전성 또는 무결성에 관한 중요한 지표를 나타낸다.
방금 기술된 리액터는 향상된 연료전지 스택 또는 향상된 전해조의 구조에 유리하게 적용된다. 따라서, 예를 들어, 연료전지 스택의 수소 회로 내 수소 농도를 모니터링함으로써, 작동 중에, 연료전지 스택의 전기화학적 전지들의 입구로 주입되는 가스의 수소 농도를 체크하는 것이 가능하다. 예를 들어, 수소 농도에 의존하는 센서의 출력은 퍼지 밸브을 간헐적으로 작동시키기 위한 제어 장치에 의해 사용되어, 불순물들과 함께 혼합된 가스의 일정 양들을 수소 가스 회로로부터 제거하여, 상기 회로 내에서 미리 정해진 수준보다 높게 수소 농도를 유지한다.
더욱이, 연료전지 스택을 폐쇄하는 단계 동안 수소 회로 내 수소 농도에 관한 이러한 센서로부터의 지표들을 사용하여, 산화-감지 요소들의 환경이 수소 고갈 모드 내에 있는 것을 방지하는 것이 유리하다. 게다가, 이어서, 스택이 휴지 중에 있어 아무런 에너지도 생성되지 못하고 있는 기간 동안, 센서는 대기 모드로 유리하게 유지되어, 수소 가스 회로 내 수소 농도가 상대적으로 낮은 임계값 아래로 떨어지는지를 체크한다. 이는 산화-감지 요소들의 환경이 수소 고갈 모드로 도입되는 위험이 있다는 것을 나타낸다. 이 경우, 제어 유닛은 수소 농도를 상기 상대적으로 낮은 임계값보다 높게 재형성시키기 위해 추가적인 양의 수소를 수소 회로 내로 주입시킨다. 실제로, 이 임계값은 연료전지 스택의 전해 전지들의 양극 포텐셜이 제로 수준으로 남아 있는 데 필요한 수소 농도에 대응된다.
또한, 수소 농도 센서는, 예를 들어 전해질로서 사용되는 폴리머 막의 구멍과 같은, 두 회로들 사이 투과성 결함에 의한 수소로 향하는 산소의 확산을 감지하도록 유리하게 사용될 수 있다. 또한, 산소 회로가 이러한 센서를 갖춘다면, 산소로 향하는 수소의 확산이 감지되어 시스템의 안전을 향상시킬 수 있다.
마지막으로, 우리들은 본 발명에 따른 리액터가 수소를 포함하지 않는 혼합물 내 이산화탄소(CO2)의 수준을 측정하기에 적합한 센서를 갖출 수 있음을 알았다. 이러한 배치는, 실험적 이유들로 또는 정보를 중복으로 제공하기 위해, 연료전지 스택의 조정들이 올바른지 그리고 탄소로 구성될 수 있는 스택의 부분들을 부적절하게 산화시키게 하는 조건들이 없는지를 체크하는 것을 목적으로 하는 연료전지 스택에 사용될 수 있다. 예를 들어, 이것은 촉매 서포트에 적용될 수 있으며, 이는 솜털 같은 분말 그래파이트에 근거하여 생산된다.
또한, 본 발명은 수소 가스 회로가 전해 전지들의 스택의 기본적인 전지들이 갖는 각각의 음극들의 가스 출구들을 모으는 통합된 챔버를 구비하는, 전해조의 구조를 위한 (위에서 정의된)전기화학적 리액터의 적용에 관한 것이다. 수소 농도 센서는 이 회로 내 생성된 수소의 농도에 의존하는 적어도 하나의 신호를 제어 유닛에 전달하여, 수소 회로 내에 장착되어 전해조의 작동을 제어한다. 물론, 동일한 적용이 산소 생성 회로 내에서 유리하게 실시된다. 이때 수신되는 지표들은 생성된 가스들의 순도를 영구적으로 모니터링하고 전해조가 우수한 안전 조건들 하에서 작동되는 것을 보증하는데 사용된다. 예를 들어, 산소로 향하는 수소의 확산(반대도 포함)은, 두 회로들 사이의 열악한 불투과성 때문에, 감지될 수 있다.
본 발명의 다른 특징들과 장점들은, 비한정적 예시들로서 본 발명의 실시예들을 도시하는 첨부된 도면들을 참조하여 제공되는 이하의 기재로부터 이해될 것이다.
도1은 두 수소 농도 센서들을 구비하는 연료전지 스택의 전체 사시도이다.
도2는 도1의 센서들 중 하나의 장착을 도시하는 단면도이며, 상기 센서는 전기화학적 리액터의 엔드 플레이트의 벽을 통해 스택의 인클로저 내로 관통된다.
도3은 수소 공급 입구 상에 장착된 센서에 의한 측정치들에 기초하여 스택을 제어하기 위한 장치의 일 예시의 기능적 조직을 도시하는 블록도이다.
도4는, 본 발명에 따라 전기화학적 리액터를 위한 처리 전자장비와 함께 가스 혼합물의 수소 농도를 측정하기 위한 센서의 구성에 대한 매우 단순화된 개략도이다.
도5는 연료전지 스택 내의 전기화학적 전지의 일 실시예의 개략도이다.
도6은 본 발명의 원리에 따라 제어 장치를 구비한 전해조의 단순화된 개략도이다.
도1은 연료전지 스택(10)의 외부를 도시한다. 연료전지 스택은 특히 두 엔드 플레이들(17,18)(이 중 하나(17)는 시스템 플레이트라 불림) 사이에 함께 수용된 전기화학적 전지들의 스택에 의해 특히 형성되는 평행 육면체(parallelepipedal)의 일반적인 형상의 단일 바디(15)를 구비한다. 아래에서 설명되는 바와 같이, 이 도면은, 스택의 상부에서, 전지 스택 내부에서 각각 수소와 산소를 공급하기 위한 정렬된 개구들에 의해 형성된 두 매니폴드들(24,24')의 돔 형상들(13-1,13-2)을 도시한다. 이 예시에서, 연료전지 스택(10)의 구성은 출원인의 국제 공개 제WO2007/045416호에서 기재되고 도시된 타입이다.
시스템 플레이트(17)은 펌프들, 밸브들, 센서들 등과 같이 다양한 기능적 부재들과 연통하기 위해 개구들이 만들어진 외부 면(19)을 갖는다. 이 부재들(이들 중 몇몇은 도1에서 명료하게 도시됨)은 상기 면(19)에 직접적으로 고정될 수 있으며, 스택 내에서 유체들을 순환시키며 외부와 교환시키도록 의도된다. 상기 면(19)으로부터 맞은 편 상에서, 시스템 플레이트(17)는 시스템의 코어를 구성하는 전기화학적 전지들의 스택의 단부 전지(end cell)와 직접 병렬 배치되는 내면(29)을 갖는다. 스택은, 스택 또는 스택 내부의 리액터의 작동에 필요한 유체들의 흐름을 보장하는 채널들을 함께 연결하는 매니폴더들에 의해 관통된다. 스택의 매니폴드들은, 시스템 플레이트(17)의 단부 면(29)에 제공되는, 도2의 도면 부호 26과 같은, 구멍들에 이른다. 이 시스템 플레이트(17)는, 스택(22)의 매니폴더들을 시스템 플레이트(17)의 외면(19)과 병렬 배치되게 기능적 부재들에 연결시키는 (플레이트의 재료로부터 절삭될 수 있는) 매니폴드들, 챔버들, 또는 통로들에 의해 상기 플레이트의 두께를 거쳐 관통된다. 따라서, 플레이트(17)는 리액터의 작동 유체들 사이에서 적어도 대부분의 기능적 연결부들을 만들기 위한 작고 튼튼한 어셈블리를 생산하는 데에 기여한다.
더욱 상세하게는, 한쪽 매니폴드(24)에 수소를 공급하고 소비되지 않은 수소를 각 전지들의 출구에서 방출(44)시키기 위해, 시스템 플레이트(17)는 전지들의 스택들을 지나가는 혼합물을 운반하는 연료 가스 회로의 두 매니폴드들(24,44)(도2 및 도3)의 입구들 및 출구들을 수용한다. 유사하게, 시스템 플레이트(17)는 전지들에 산소를 전달하는 산화제 혼합 회로의 매니폴드들을 위한 (도시되지 않은)산소 유입 및 배출 라인들을 수용한다. 연료전지의 전지들의 스택을 냉각하기 위해, 이 플레이트 내 수용된 (도시 안 된)라인들의 시스템은 냉각수를 순환시키도록 제공된다. 또한, 엔드 플레이트 내 제공된 공간은 그 중에서도 도3의 블록도에 도시된 전기적 연결 부재들과 유동 명령 및 제어 부재들을 그 안에 수용하는 것을 가능하게 하며, 이는 뒤에 상세하게 기술될 것이다. 또한, 위에서 설명된 바와 같이, 시스템 플레이트(17)는 (예를 들어 가스들의 압력 및 온도를 측정하고 냉각수의 온도를 측정하기 위한) 측정 부재들을 고정시키고 연결하는데 사용된다. 또한, 본 발명의 일 특징에 따르면, 연료전지 스택(10) 내부에 존재하는 가스 혼합물들 중 적어도 하나의 조성에 관한 정보를 제공할 수 있는 장치가 시스템 플레이트(17) 내에 제공된다. 이 목적을 위해서, 수소 농도 센서(11)는 (도2에 도시된) 센서티브 유닛(30)을 구비하며, 상기 센서티브 유닛의 헤드는 이 플레이트(17) 내부에 제공된 수소 회로의 일부를 구성하는 챔버(20)와, 플레이트(17)의 밖으로 돌출되는 슬리브(C40) 내부에 수용되는 처리 유닛(12)으로 통한다. 센서티브 유닛(30)으로부터 오는 신호들을 수신하는 처리 유닛(12)은 리액터의 작동 가스 혼합물 또는 혼합물들 내 제자리 수소 농도에 특히 의존하는 시스템에 측정치들을 전달하도록 설계된다. 조작자(operator)에게 직접적인 정보를 제공하는 역할은 논외로 하더라도, 이 측정치들은, 나중에 설명되는 바와 같이, 리액터의 운영을 모니터링하고, 바람직하게는 작동을 자동적으로 제어하는 것을 가능하게 한다. 이하에서는, 특히 높은 순도 수준을 유지하기 위해 수소 회로의 간헐적인 배기(purging)를 최적으로 제어하도록 생성된 측정치들이 어떻게 사용될 수 있는 지가 설명될 것이다. 또한, 수소 농도를 측정하는 것의 잠재적 이점들은 연료전지가 닫혔을(shut down) 때의 경우(즉, 다시 말해 대기 상태에 있는 경우) 전기화학적 전지들의 분위기(atmosphere)의 치명적인 수소 고갈을 방지하는데 유용하게 이용되지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
도2는 상술한 시스템 플레이트(17)의 내부 공간의 일부를 도시하며, 이는 (도3에서 도시되는) 탱크(50)로부터 나오는 수소를 흡입하는 챔버(20)를 포함한다. 플레이트(17) 외부 단부 면(19)으로부터 맞은 편 상에서, 이 챔버는 전기화학적 반응이 발생하는 전지들(25)의 스택에 의해 경계가 이루어진다. 인접한 전지들은 수소 가스 공급 매니폴드(24)에 의해 관통되며, 상기 매니폴드(24)는 그 소스를 입구(26)를 통해 챔버(20) 내로 도입시킨다.
적절한 가압-가스-기밀 시일(49; pressurised-gas-tight seal)과 함께 중공의 엔드 피스(31)가 지나가는 드릴홀(28)이 시스템 플레이트(17)의 상부 측면(27)에 제공되며, 센서티브 유닛(30)의 헤드는, 수소 농도 센서 바디(11)의 일 단부에서, 상기 엔드 피스 내부에 수용되고 보호되며, 이는 도1에 도시된다. 센서티브 유닛(30)의 헤드는 회로 웨이퍼(32)를 구비하여 센서티브 유닛을 구성한다. 회로 웨이퍼(32)는 엔드-피스(31)의 하부에 제공되는 챔버(36) 내에 장착된다. 챔버(36)는 중공의 엔드-피스(31)의 단부 벽에 뚫린 채널(34)를 통해 리액터 내 챔버(20)와 연통한다. 센서티브 유닛의 웨이퍼(32)의 일 면은 챔버(36) 내 채널(34)의 출구를 향하며, 웨이퍼(32)는 채널(34)을 통해 챔버(20)의 분위기와 직접적으로 접촉한다. 중요한 측면에 따르면, 필터(37)가 챔버(20)의 가스들과 혼합될 수 있는 물과의 어떠한 접촉도 하지 않도록 웨이퍼(32)를 분리시키기 위해 챔버(36) 내 채널(34)의 입구 상에 배치된다는 것이며, 이는 후술하는 이유들 때문이다. 필터(37)는 가스들에 대해서는 투과성이 있으나, 물에 대해서는 투과성이 없는 재료로 이루어진다. 예를 들어, 등록상표 "GORE-TEX"란 브랜드 이름을 갖는 상업적으로 입수 가능한 직물은 이러한 용도에서의 성능으로 잘 알려져 있다. 상기 재료는 필수적으로 Teflon(등록 상표) 실들의 합성 직물로 이루어진다.
중공의 엔드-피스(31)의 맞은편에서, 수소 농도 센서(11)의 바디는 플레이트(17)의 외부 측벽(27)으로부터(이 벽(27)에 고정된 중공의 쓰러스트 플랜지(35)(thrust flange)로부터) 돌출된 원통형의 슬리브(48)를 갖는다. 처리 유닛(12)은 인쇄 회로 기판(42) 상에 장착된 회로에 의해 형성되며, 인쇄 회로 기판(42)의 컨택트 핀들은 단부(71)에서 원통형 슬리브(48)의 내부 공간의 서포트(73) 상에 장착된 연결 하우징(78) 내의 커넥터(72)에 연결된다. 연결 하우징(78) 내 일 단부에 연결된 일 세트의 전기 전도체들(46)은 원통형 슬리브(48)의 내부 및 플랜지(35)의 중공 내부를 통과하여, 이는 센서의 엔드-피스(31)의 단부에서 챔버(36)의 상부를 차단시키는 절연 분할 플러그(75)까지 이어진다. 플러그(75)는 챔버(36) 내 가스의 압력을 견딜 수 있도록 중공의 엔드-피스(31) 내의 슬리브(76)의 내부로 밀봉되게 고정된다. 상기 플러그(75)는 상부 면 상에서 연료전지 스택이 설치되는 공간 내의 주변 압력을 받는다. 또한, 각 전도체(46)는 분할 플러그(75)를 통해 챔버(34) 내 플러그(75)의 하부 면 상에 형성된 각각의 접속 패드(77)에 전기적으로 연결된다. 또한, 센서의 센서티브 유닛(30)의 웨이퍼(32)는 챔버(34)로 향하는 센서티브 면을 가지며, 상기 하부 면에 접착된다.
센서티브 회로들의 웨이퍼(32)의 각 출력 패드는 본딩 와이어라고도 불리는 (도2에서 너무 미세하여 보이지 않는) 전기적 연결 와이어를 통해 각각의 접속 패드(77)에 연결되어, 전기 전도체들(46)을 통해 센서티브 유닛(30)과 처리 유닛(12) 사이의 전기적 연결을 형성한다. 전기적 연결부들 또는 본딩들은 리액터 내부에 존재하는 분위기의 부식성 작용을 견디도록 생산된다. 금 전도체들은 산업용 센서들에서의 전기적 본딩 전도체들을 위해 통상 사용되는 알루미늄 전도체들보다 선호된다. 다르게는, 보호층이 전도 부분들을 덮는다. 이러한 제약은 산화 환원 반응의 전기화학적 리액터들에서 접하는 분위기의 성질 때문이다. 전기 전도체들(46)은 씰링이 약화되는 것을 막기 위해 유리 비드(bead)들 내의 플러그(75)를 통과해서 지나가서, 챔버(20) 내 함유된 가스는 새어 나가지 않는다.
이 모든 예방책들이 제공되며, 센서티브 유닛(30,32) 및 처리 유닛(12)을 갖는 수소 농도 센서(11)는 챔버(20) 내 함유된 가스의 성질들과 특히, 연료전지 스택의 작동에 가장 중요한 파라미터인, 수소 함량을 특징짓는 물리적 파라미터들의 제자리 측정을 실행하도록 작동한다. 전기화학적 리액터의 내부에서 연속적으로 또는 거의 연속적으로 제자리 측정들을 수행하는 것은, 센서티브 유닛(30,32)이 침지된 가스의 열전도율에 민감한 센서를 리액터에 통합시킴으로써, 작동상 실현가능하게 된다고 나타난다. 이 파라미터를 측정하는 것은 연료전지 스택과 같은 전기화학적 리액터의 분위기 내 수소 함량들을 감지하는 데에 특히 적합한 것으로 입증된다. 가스들을 보면, 수소의 열전도율이 사실상 가장 높다는 것은 실제로 알려져 있다. 이 성질로 다른 가스들 (특히 소정 환경들에서 혼합된 채로 발견되기 쉬운 산소와 질소) 중에서 수소를 감지하는 것이 용이해진다. 이러한 타입의 측정을 하기 위해서, 예를 들어 전류가 흐르는 저항기를 사용하여 가열되는 재질의 웨이퍼를 센서가 포함한다. 소정의 온도를 유지하도록 충당된 전력을 측정함으로써, 웨이퍼가 침지된 분위기 내의 열손실에 의해 소멸된 동력을 결정하고 그로부터 주위 가스의 열전도율을 추론하는 것이 가능하다.
도 4에서 아주 개략적으로 도시된 바와 같이, 수소 농도 센서(11)의 센서티브 회로들의 웨이퍼(32)는 플레이트 또는 필름 형태의 기판(예를 들어, 실리콘 기판)으로 구성된다. 기판은, 통합되든 또는 적층되든 간에, 전지 저항 발열요소(132)로 덮이며, 이 요소는 공급 터미널들(133,134)을 통해 처리 유닛(12)에 의해 제어되는 전류 소스에 의해 공급된다. 웨이퍼(32)의 면들 중 하나는, 예를 들어 PT100 열저항성 층이라 불리는 것에 의해 형성되는, 온도 센서(135)를 가지며, 이 센서는, 주변 가스 내 가열 및 열 발산의 결합된 작용을 통해, 센서티브 유닛(32)의 웨이퍼의 순간 온도에 대응하는 신호들을 전달하도록 전도체들(136) 세트를 통해 처리 유닛(12)에 연결된다. 게다가, 수소 농도 센서(11)는 주변 가스의 온도를 결정하기 위해 온도 탐침(138)(예를 들어 PT100 탐침)을 포함한다. 이러한 센서들의 물리적인 부분은, 예를 들어, 1988년 5월 11일 자 제EP　0　291　462　B1호와 1991년 2월 25 자 제EP 0 501 089 A1호의 특허 문서들에 기술되어 있다.
수소 농도 센서(11)의 처리 유닛(12)이 네 신호 라인들을 통해 센서티브 유닛(32)에 연결된 디지털 모듈(82)을 포함하는 것은 도4에 도시된다. 도4에서 간략하게 도시된 디지털 모듈(82)은 마이크로컨트롤러 내 설치된 알고리즘의 기능들을 간략하게 나타낸 것이며, 도3에서 간략하게 도시된 바와 같이, 연료전지 스택의 제어 유닛(80)에 전달되는 수소 농도 센서(11)로부터의 출력량들(output quantities)을 계산하기 위한 모듈(81)을 구비한다.
처리 유닛(12)의 출력을 이송하는 제1 라인(301)은, 디지털/아날로그 컨버터를 통해, 웨이퍼(32)의 센서의 발열 저항요소(132)에 적용되는 전압을 제어한다. 상기 전압은 제어 유닛(80)의 가열 동력 조절기(311)를 사용하여 제어된다.
제2 라인(303)은 전압 신호를 받으며, 이는 발열 저항요소(132)를 통해 흐르는 전류의 이미지이다. 이 정보는 처리 유닛(12)의 입력 시 A/D(아날로그/디지털) 컨버터에 의해 변환되어, 수소 농도 센서(11)의 저항요소(132) 내에서 실제로 소멸되는 가열 동력(heating power)을 제어하기 위한 제어 회로(313)에 의해 사용된다. 개략도에서 도시되는 바와 같이, 디지털 모듈(82) 내의 비교기(comparator)(320)로 보내지는 이 정보는 계산 모듈(81)의 출력(322)으로서 생성되는 설정(setpoint) 값과 비교된다. 디지털 모듈(82)에서, 이 두 양들 사이의 비교의 결과물은 가열 동력 조절기(311)의 입력(321)을 제어한다. 그러므로, 센서티브 유닛(30)의 웨이퍼(32)의 가열은 디지털 모듈(82)의 출력(322)에 매 순간 표시되는 가열 동력 설정값(setpoint)을 토대로 하여 디지털 피드백 루프를 통해 생성된다. 더 나은 측정 정밀도는 일정한 가열 동력으로 달성된다.
제3 라인(305)에 의해 웨이퍼(32)의 온도 센서(135)에 의한 아날로그 신호 출력이 처리 유닛(12)의 입력에 수신될 수 있다. 아날로그/디지털 변환 후, 이 신호는 디지털 모듈(82) 내 온도-계산 유닛(315)에 의해 사용되며, 이어서 상기 온도-계산 유닛은 계산 모듈(81)에 이 정보를 제공한다.
마지막으로, 제4 라인(307)은, 온도 탐침(138)(주변 온도)으로부터 출력 전압을 받으며, 아날로그/디지털 변환 후, 이 정보를 계산 모듈(81)의 입력에서 표시하기 위해 디지털 모듈 내 온도-계산 유닛(317)에 전송하는, 처리 유닛(12)의 입력에 대응된다.
그러므로, 계산 모듈(81)은 실질적인 센서 가열 동력, 웨이퍼(32)의 온도, 및 온도 탐침(138)의 주변 온도에 관한 정보를 이들의 입력들(314,316,318) 상에서 수신하며, 측정된 수소 함량, 주변 온도, (아래에서 기술된 기법에 의하거나, 또는 도시 안 된 특정 습도 센서로부터 얻어지는) 수증기 함량 퍼센티지, 및 네 출력들(342,344,346,348)에서의 이산화탄소(CO2) 함량의 순서로 측정치들을 결정할 수 있다.
몇몇 경우들에서, 센서는 가스 매체의 수소 농도의 함수로서 직접적으로 눈금이 매겨질 수 있다(calibrate). 또 다른 구성요소가 가스 혼합물 내 존재할 때, 제2의 측정이 필요하다고 판명될 수 있다. 따라서, 수증기가 존재할 때, 제2의 측정이 다른 가열 동력에서 수행되는 기법을 사용하는 것이 가능하며, 이는 다른 평형 온도로 이어진다. 수증기의 전도성은 수소의 전도성과는 서로 다른 온도의 종속성을 가지기 때문에, 다른 온도들에서 두 측정의 조합에 의해 습성 가스(wet gas)의 실제 수소 함량과 동시에 수증기 퍼센티지가 산출될 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 또 다른 해결책은 센서티브 유닛(30)에 통합된 공지된 타입의 센서(예를 들어, 전기용량 측정 원리(capacitive measurement principle)로 작동하는 센서)에 의한 수증기 함량의 직접적인 구체적 측정을 이용하는 것에 있다.
만약 혼합물 내 부가적인 가스가 존재한다면, 언급된 기법을 사용하여 이 농도들을 결정하는 것이 쉽지 않다. 다행히도, 문제의 적용에서, 수소와 이산화탄소는 공존하기 쉽지 않은 것으로 나타났다. 이는 바로, 산화환원 반응들(redox reactions)을 수반하는 현재 기술의 전기화학적 리액터에서는, 이산화탄소의 생성을 낳게 되는 부식 현상의 원인이 되는 수소가 없기 때문이다. 이산화탄소의 열전도율은 공기의 열 전도율보다 현저하게 낮다(즉, 25°C 에서 16.4 mW/Km). 그러므로, 수소 대신에 이산화탄소의 존재를 측정하기 위한 유사 기술을 이용하는 것이 가능하다.
실제 리액터 구조로 돌아와서, 도3은 매니폴드(24)에 의해 가로질러진 전지들(25)의 스택(22)을 개략적으로 도시된다. 매니폴더(24)의 입구(26)는 챔버(20)로부터 입구 라인(40)에 의해 전달되는 가압 수소를 받는다. 또한, 매니폴드(44)는, 양극 쪽 각 전지의 구성요소들과 반응 접촉(reaction contact)하게 된 후에, 각 전기화학적 전지(25)의 출구에 모인 수분을 함유한 수소 혼합물을 방출하기 위해 스택(22)을 가로지른다.
도5를 참조하면, 도5는 도1의 연료전지 스택(10)의 분해도와 같이, 리액터를 위한 전기화학적 전지의 분해도를 도시한다. 스택(22)의 각 전해 전지(25)는, 예를 들어 등록상표 Nafion？ 이름으로 듀퐁(DuPont)에 의해 개발되어 판매되는 중합체 재료로 구성되는 고체의 전해질 막(104)을 기초로 형성된다. 이 막은 가스를 통해 운반된 물에 의해, 그리고 전지 내 반응에 의해 생성된 물에 의해, 영구적으로 가습된다. 이 막의 각 면(104-f)은, 예를 들어, 얇은 백금-주입식 그래파이트 층(도시안됨)으로 구성되는 촉매와 긴밀하게 접촉한다. 각 측면에서, 이와 같이 코팅된 막은 기체 확산 층(각각 106-1,106-2)과 긴밀하게 접촉한다.
어셈블리는 쌍극 플레이트들로 불리는 두 금속 플레이트들(각각은 108-1,108-2임) 사이에서 압축되며, 각 플레이트는 반응의 가스들 중 하나를 각각 채널들(110-1,110-2)의 시스템을 통해 가스 확산 층들과 접촉하게 하는 역할을 수행한다. 이 채널들은, 가스가 아주 긴 선회로(sinuous path)를 따라 촉매를 공급하도록, 각 플레이트의 면들 중 하나에서 에칭된다. 또한, 각 전지 내 냉각제의 순환을 위한 채널들의 네트워크를 형성하도록, 각 플레이트의 다른 면이 에칭된다. 전기화학적 전지의 양극 측 상에서, 수소 가스 회로의 채널 또는 채널들은 매니폴드(24)가 형성된 쪽 입구로 통하고, 소정 압력 하에 공급받아, 매니폴드(44) 내 출구로 이어지며, 반응에 의해 흡수되지 않은 가스는 전지 내 통로 중에서 막(104)과 접촉하며 전달된다(다른 가스(즉, 산소 가스)에 대한 매니폴드들(24',44')에 대해서도 마찬가지임). 또한, 각각의 금속 플레이트(108-1)는 전기화학적 반응으로부터 나오는 전자들을 모으는 양극 플레이트를 전기적으로 구성하며, 상기 전자들은 적절한 전도체들을 통해 연료전지 스택의 출구 및 외부 사용자 부하에 적절한 곳으로 전도된다. 전지의 각 양극 플레이트는 인접한 전지의 음극 플레이트(108-2)에 대하여 적용되며, 따라서 두 전지들을 전기적으로 직렬로 연결시켜 전지 스택의 출구에서 충분한 전압을 얻는다. 따라서, 각 양극 플레이트(108-1)의 다른 측면 상에서, 전기화학적 전지는 산화제 가스를 촉매와 긴밀하게 접촉하게 배치되는 전지에 공급하기 위한 금속 음극 플레이트(108-2)를 구비한다. 이 음극 플레이트는 전기적으로 스택의 음극 출력에 연결된다.
도3을 참조하면, 순수한 또는 거의 순수한 가압 수소 연료의 탱크(50)는 온/오프 출력 밸브(51)를 포함한다. 정교하게 제어된 압력 수준까지 가스를 팽창시키도록 수소 출력 압력은 밸브(51)의 뒤를 잇는 비례 솔레노이드 밸브(52)(proportional solenoid valve)에 의해 제어된다. 이 밸브는 벤츄리(54)를 통해 라인(40)에 연결된다. 팽창된 가스는 스택의 전기화학적 전지들로 보내지며, 여기에서 큰 압력 강하를 겪는다. 수소 유동률은 시스템에 의해서 제어되지 않는다. 작동상에 있어서, 연료전지 스택은 움직이는 흐름을 생성하기 위해 필요한 수소의 정확한 양을 취한다. 그러나, 가스가 충분한 압력으로 전달되는 것을 보장할 필요가 있다. 이 압력 통제를 수행하는 것이 비례 솔레노이드 밸브(52)의 역할이다. 다른 형태로서, 압력이 수소 농도 센서(11)에 의해 측정된 수소 농도 정보의 함수로서 통제되는 것을 보장하는 것이 가능하다. 전지들로의 입력에 존재하는 비수소 불순물들과 함께, 각 전지(25) 내에서 소비되지 않은 수소는 출력 라인(62)으로 수집되도록 매니폴드(44)에 의해 흡수된다. 이 라인은 이 가스들 내 함유된 수증기의 일부가 액화되는 콘덴서(60)로 통한다. 물은 콘덴서(60)의 바닥에서 추출될 수 있고 수소 회로 내부의 압력의 영향하에 출력 라인(64)을 통해 연료전지로부터 방출될 수 있다. 상기 출력라인은 연료전지를 제어하도록 할당된 컴퓨터 제어 유닛(80)의 제어하에 있는 액츄에이터(118)에 의해 작동되는 솔레노이드 밸브(114)에 의해 제어된다.
매니폴드(44)로부터 온 가스들은 콘덴서(60) 내에서 제습된 후에 상기 가스들을 복귀 또는 재순환 펌프(74)로 이송하는 라인(66)을 통해 콘덴서(60)로부터 회수된다. 상기 복구 또는 재순환 펌프(74)는 벤츄리(54)의 2차적 흡입부(56)로 연결되는데, 이에 의해 흡수된 가스들이 탱크(50)로부터 나온 새로운 가스의 흐름과 혼합되도록 라인(40)으로 재주입될 수 있다.
이 사이클은 솔레노이드 밸브(114)가 콘덴서(60)로부터 나온 가스의 일부가 재순환되기 보단 방출되도록 하는 퍼지 단계를 작동시킬 때까지 계속되며, 이는 스택(22)의 각 전지 내 전해 막(104)을 공급하기 위해, 라인(40), 출력 라인(62), 라인(66), 2차적 흡입부(56), 매니폴드들(24,44), 및 채널들에 의해 형성되는 수소 회로 내 존재하는 가스 혼합물로의 재순환 때문에 축적되는 경향이 있는 비수소 가스 불순물들의 양을 줄이기 위함이다. 산소 회로(도시안됨)와 관련하여, 연료전지가 산소 회로 내 공기를 사용할 때 일반적으로 재순환은 일어나지 않는다. 만약 산소 회로에 순수한 산소가 공급되면, 도3에서 수소에 대해 도시된 것과 비슷한 회로는 재순환 및 자동 퍼지 시스템을 제공받을 수 있으나, 가스 혼합물 내 존재하기 쉬운 가스들의 전도율들은 서로 매우 비슷하기 때문에 열전도율에 근거한 가스 농도 센서를 사용할 가능성은 없다.
도3에 도시된 시스템의 설명에 대한 마무리로, 수소 농도 센서(11)는 도4의 출력부들(342,344,346,348)을 통해 제어 유닛(80)에 연결되며, 도3에서 상기 출력부들(342,344,346,348)은 제어 라인(120)으로 함께 그루핑되는 것으로 도시된다. 도2에 도시되는 바와 같이, 높은 정밀도를 위해, 전기 처리 유닛(12)은 센서의 센서티브 유닛에 매우 근접하게 배치되고, 챔버(20)의 벽에 고정된 동일 센서 바디 내에 장착된다. 매니폴드(24) 내부의 가스 압력의 측정치들은 매니폴드(24)의 외벽에서 수소 농도 센서(11) 옆에 배치되는 압력 센서(125)에 의해 전달되며, 다른 제어 라인(122)을 통해 제어 유닛(80)에 보내진다. 제어 유닛(80)으로부터 나온 제어 라인(124)은 비례 압력-통제 솔레노이드 밸브(52)를 작동시키기 위한 액츄에이터(58)를 제어하는 역할을 한다. 마지막으로, 특히 센서들(11,125)에 의해 전달된 측정치들의 제어 하에 상기 펌프의 회전 속도를 제어하도록, 제어 유닛은 펌프(74)의 모터에 연결된 제어 라인(126)을 제어한다.
전기화학적 리액터 산업(특히 연료전지 산업)에서, 적어도 산소 산화제의 경우에는, 매우 순수한 가스들을 쓰는 것이 통상적이다. 그러나, 가스를 함유하는 탱크(50)(도3) 내의 극미량의 불순물들이 신선한 가스의 공급들과 함께 연료전지 스택의 요소들로 재순환되면서 축적된다. 따라서, 예를 들어, 일반적인 온도 및 압력 조건 하에서, 연료전지 스택 내에서 분당 100리터의 수소 가스가 다른 가스로 이루어진 불순물을 초기에 0.5% 함유한다면, 통상 0.5리터의 비수소 불순물이 매 분 연료전지 스택의 연료 공급 회로로 도입된다. 불순물은 빠르게 축적될 수 있다. 그러므로, 상대적으로 잦은 고정된 시간 동안 소정 간격으로 수소 출력 회로를 배기하여 상기 요건들에 의해 엄격하게 정당화되는 양보다 더 많은 가스의 양들을 추출함으로써, 상기 높은 임계값을 넘는 순도 수준을 유지하는 것이 필요하다.
본 발명의 여러 측면들 중 하나에 따르면, 수소 가스 회로 내의 수소 농도 센서(11)의 의해 수행된 순수한 수소 농도의 측정치들에 따라 수소 회로의 배기를 제어하기 위해, 전기화학적 리액터들의 환경에 적합한 수소 함량 측정을 위한 기술을 제공하는 것이 유리하다. 작동 중에 모니터링되는 농도가 수소 가스 회로 내 수소 가스 함량(%)이 미리 정해진 임계값 아래로 떨어짐을 나타내는 미리 정해진 수준에 다다르게 되면, 회로의 배기 조건들을 수정하도록 제어 유닛(80)은 배기 솔레노이드 밸브(114)의 제어부(115)에 작용한다.
이 예에서 제어 유닛(80)은, 연료전지의 적절한 작동을 위한 한계로서 여겨지는 비수소 불순물 함량에 상응하는, 아래쪽 임계값에 대해 상대적인 매니폴드(24)의 수소 농도를 모니터링하도록 작동 가능하게 프로그램된다. 따라서, 현재의 표준 프랙티스에 따라, 만약 수소 농도가 99%보다 크다면, 배기 솔레노이드 밸브(114)는 최소한의 빈도로 최소한의 시간 동안 개방되어 수소를 낭비하지 않고 과도한 물을 제거한다. 그러나, 제어 유닛이 수소 농도 센서(11)에 의해 전송된 정보에 근거하여 수소 함량이 99% 아래로 떨어진 것을 감지하면, 콘덴서(60)의 추출 출력 라인(64) 상에서 배기 솔레노이드 밸브(114)가 열리는 빈도는 증가된다. 두 퍼지들 사이에서 센서에 의해 감지된 수소 농도가 증가하자마자, 회로 내 함유된 가스의 보충 때문에, 제어 유닛은 배기 솔레노이드 밸브(114)가 열리는 빈도를 다시 감소시킨다. 물론, 예를 들어 규칙적인 간격들로 퍼지를 작동시키고 개방 시간을 변화시킴으로써, 배기 기능들을 다르게 제어하도록 수소 농도 센서(11)를 사용하는 것이 가능하다.
열전도율에 근거한 수소 농도 센서(11)에 의해 제자리에서 조건에 따라서 연속적으로 또는 거의 연속적으로 수행된 측정치들에 따라, 회로 배기 과정을 제어함으로써 주 가스 회로의 작동을 최적에 가깝게 유지시키기 위해, 연료전지 내의 주 가스 회로를 배기시키는 시스템의 일 유리한 실시예가 본 명세서에 기술되어 있으며, 수소 농도 센서의 장착은 도2와 함께 기술되었다. 이러한 구성으로, 탱크 내 또는 리액터의 분위기 내에 저장된 산화제 가스의 실제 오염 수준들에 따라서, 연료전지 스택의 입구에서의 순수한 수소의 소비를 최적화하는 것이 가능하다. 실제로, 일반적으로 권고되는 것과는 달리, 결국 이러한 구성으로 연료전지 스택에 낮은 순도의 수소를 손상의 위험 없이 공급하는 것이 가능하다. 가스들을 생산하는 비용은 요구되는 순도에 따라 크게 바뀌기 때문에, 낮은 순도의 수소가 사용될 수 있다는 사실은 연료전지 스택들의 발전을 촉진시키는 상당한 경제적 이득이다.
다른 측면에 따르면, 위에서 언급된 도면 부호 11과 같은 가스 농도 센서는 방금 기술된 퍼지 제어 기능을 부수적으로 갖는 연료전지에 사용되며, 이는 폐쇄, 및 뒤따르는 휴지 또는 저장 기간 동안 시스템을 온전하게 유지하기 위함이다. 구체적으로, 제어 유닛(80)은 수소 농도 센서(11)에 의한 제어된 주기적 측정치들을 기초로 하여 연료 가스 회로의 수소 함량을 계속해서 모티터링하고 수소가 항상 존재하는지를 계속 체크하도록 프로그램된다. 본 명세서에서 기술된 모델 상에 작동되는 연료전지 스택들을 사용해본 결과, 스택의 소정 요소들(특히 그래파이트를 기초로 한 촉매 서포트들과 같은 탄소를 함유한 요소들)은 0에 가깝거나 0에 해당되는 포텐셜로 유지되어야 한다. 이 조건은 이들 요소들이 수소로 둘러싸인 한 만족되며, 상기 요소들의 전기화학적 포텐셜은 0이다. 다르게는, 공기 중에 놓여진 연료전지의 전기화학적 전지들의 환경에 천천히 그러나 돌이킬 수 없게 침투하는 산소 때문에 전기화학적 포텐셜이 약 1 볼트로 증가한다. 산소의 존재는 그래파이트 요소들의 산화에 좋은 전기적 조건을 생성하고, 따라서, 시스템의 작동에 필수적인 부분을 파괴하기 쉽다.
또한, 연료전지의 폐쇄 단계 시간동안 또는 이후의 휴지 단계들 동안 산화-센서티브 요소들이 수소 고갈을 겪게 되는 환경을 방지하기 위해, 출원인은 도면 부호 11과 같은 열전도율 센서가 연료전지의 수소 회로 내 준수되는 상대적으로 낮은 농도 임계값(수 %)을 감지하는 데에 매우 충분히 적합하다 것을 알아낼 수 있었다. 이 조건을 방지하기 위해, 폐쇄 과정은 수소 농도 센서(11)에 의해 전달된 수소 농도 정보에 따라 유리하게 수행될 수 있다. 폐쇄 후 휴지 단계 동안, 수소 농도 센서(11)는 주기적으롤 작동되어 측정을 수행한다. 예를 들어, 제어 유닛이 수소 농도 센서(11)에 의해 전달된 정보에서 이러한 조건의 급박한 위험을 감지하면, 폐쇄 또는 저장 상태로 있는 리액터의 연료 회로 내 수소 함량을 프로그램된 수준으로 재설정하도록, 제어 라인(124)을 통해 순수-수소 흡입 밸브가 개방된다.
다른 실시예에 따르면, 콘덴서(60)를 떠나는 출력 라인(64)은 퍼지들 동안 연료전지로부터 방출된 연료 가스의 압력으로 통상 유지되는, 작은 버퍼 탱크(170)에 연결된다. 연료전지가 폐쇄 모드 또는 대기 모드에 있을 때, 수소 회로 내 내부 압력은 일반적으로 대기압과 가까운 압력까지 낮아진다. 제어 유닛(80)이 일시적으로 솔레노이드 밸브(114)를 개방하기 위해 액츄에이터(115)를 작동시킬 때, 적절한 수준에서 수소 함량을 재설정하도록 압력차로 인해 어느 정도 양의 가스가 작은 버퍼 탱크(170)로부터 콘덴서(60)를 통과해 수소 회로로 지나갈 수 있게 된다. 출원인은, 출력 라인(64)이 솔레노이드 밸브(114)로부터 충분히 멀리 연장될 때 솔레노이드 밸브(114)가 열리게 될 때 요구되는 최소한의 수소 함량을 재설정하기에 충분한 버퍼 비축물을 구성할 수 있음을 발견하였다.
도면 부호 11과 같은 센서를 사용하는 연료전지의 제어에 관한 일 가능한 측면에 따르면, 이 예시에서, 제어 유닛은 수소 회로의 매니폴드(24)에 도입되는 가스들의 수증기 함량에 관한 측정치를 생성하도록 프로그램된다. 입력 라인(40)을 통해 이 회로로 도입되는 가스는 탱크(50)로부터 나온 순수한 건조 수소 가스와 펌프(71)의 도움을 받아, 벤츄리를 통해 재순환되는 가스의 혼합물에 의해 생성된다. 물은 연료전지 내 전기화학적 작용의 생성물들 중 하나이므로, 라인(66) 내 콘덴서를 떠나는 가스는 수분으로 포화되어 있다. 그러므로, 매니폴드(24)의 입구(26)에 도입되는 가스의 수분 함량은 혼합물의 계량에 의해 통제될 수 있다. 전기화학적 반응의 장소가 되는 고체 막 전해질이 최적으로 작동할 수 있기 위해서는 습윤 상태를 유지해야 하기 때문에, 이 파라미터는 연료전지의 작동에 중요하다. 결과로서, 처리 유닛(12)의 제어 하에서 수소 농도 센서(11)는 주변 온도에 대한 T1 및 T2 온도 차이들에서 제1 및 제2 전도성 측정들을 수행하며, 이 측정들로부터 순수 수소 및 수증기의 함량의 전도성이 제어 유닛에 의해 결정될 수 있다. 다르게는, 수증기 함량은 또 다른 특정 센서(예를 들어 커패시티브 센서)에 의해 전달될 수 있다. 각 경우에서, 제어 유닛(80)은 재순환 펌프의 속도를 조정하여, 매니폴드(24)로 도입되는 가스의 수소 함량을 적절한 수준에서 계속 유지시키면서 고체 전해질 막의 올바른 작동에 유리한 소정의 범위 내에서 수분 함량을 유지한다.
연료전지 스택(10)에서의 도면 부호 11과 같은 두 개의 가스 농도 센서들을 사용하는 것이 유리할 수 있다. 도1은, 수소 연료 회로의 입구의 수소 농도 센서(11)에 추가하여, 산소(또는 가압 공기)를 전달하는 산화제 회로의 입구의 제2의 수소 농도 센서(11')를 도시한다. 제2의 수소 농도 센서(11')는 수소 농도 센서(11)와 동일할 수 있다. 음극으로 보내진 가스의 수분 함량의 측정에 있어서, 수소 농도 센서(11')를 사용하여 산소 회로로부터 측정을 할 때 이점이 있을 수 있다. 순환하는 가스는 수소 회로(양극 회로) 측 상에서보다 산소 회로(음극 회로) 측 상에서 더 많은 물을 획득한다.
마지막으로, 바람직한 적용에 따르면, 도면 부호 11과 같은 수소 농도 센서를 통해, 적절한 곳에서, 산소 회로 내의 이산화탄소의 존재로 인한 부식의 시작을 감지할 수 있다. 이산화탄소의 열전도율은, 전도성이 아주 유사하고, 물론, 수소의 열전도율보다 한층 더 낮은 많은 일반 가스들(특히 질소 및 산소)의 열전도율과 비교하여 낮다. 연료전지 스택(10)에서의 도면 부호 11과 같은 두 개의 가스 농도 센서들을 사용하는 것은 유리할 수 있다. 도1은, 수소 연료 회로의 입구의 수소 농도 센서(11)에 추가하여, 산소(또는, 가압 공기)를 전달하는 산화제 회로의 입구의 제2의 수소 농도 센서(11')를 도시한다. 제2의 수소 농도 센서(11')는 수소 농도 센서(11)와 동일할 수 있다. 예를 들어 막 내의 구멍과 같은, 두 회로들 사이의 통기율 상의 결점을 감지하기 위해, 센서(11)는 수소 내 산소의 존재를 감지할 있으며, 반면에 센서(11')는 산소 내 수소의 존재를 감지할 수 있다. 한 가스의 다른 가스로의 확산은 안전을 위협하기 쉽기 때문에, 이 정보를 중복으로 제공하는 것이 유리하다.
마지막으로, 바람직한 적용에 따르면, 도면 부호 11과 같은 수소 농도 센서를 통해 적절한 곳에서, 산소 회로 내의 이산화탄소의 존재로 인한 부식의 시작을 감지할 수 있다. 이산화탄소의 열전도율은, 전도성이 아주 유사하고, 물론, 수소의 열전도율과 비교할 때도 낮은 많은 일반 가스들(특히 질소 및 산소)의 열전도율과 비교하여 낮다. 이들 가스들의 열전도율을 알기 때문에, 수소 농도 센서의 측정들에 기초하여 가스 혼합물의 이산화탄소 함량을 계산하고, 이에 따라 심지어 작은 양들의 CO2 존재를 감지하도록 수소 농도 센서(11 또는 11')을 프로그램하는 것은 간단하다.
양극 측에서, 높은 수소 농도를 갖는 가스의 유동은 접촉하는 부분들에 대한 제로(0) 포텐셜을 의미하며, 따라서, 충분한 수소가 있는 한 부식의 위험을 피한다. 따라서, 만약 연료전지를 폐쇄할 때 상기 언급된 예방책들이 취해진다면, 부식 위험들은 적절하게 제어된다. 그러므로, 이 경우에서 수소 농도 센서(11 또는 11')에 의해 제공된 추가적인 능력은 대부분의 연료전지 시스템의 연구 및 개발 단계들에 특히 적용된다. 그러나, 이는 주목할만한 안전 보조 부재를 나타낸다.
도6은 전기의 공급으로부터 수소 및 산소를 제조하는 데에 사용될 수 있는 산업용 전기분해 장치를 매우 개략적으로 도시한다. 이러한 타입의 적용에 있어서, 생성된 가스들이 양질인 것을 최대한 보장하는 것은 중요하다. 의도된 적용 면에서 생성된 가스들이 가능한 한 순수해야되는 것도 중요하지만, 이들 가스들의 바로 그 성질 때문에, 이러한 혼합물들은 재산과 조작자의 안전에 매우 위험할 수 있다. 이런 타입의 설비에서, 수소 회로는, 음극 플레이트들의 작은 가스 채널들의 모든 출구들을 연결하는 매니폴드를 포함하여, 이들을 스택의 수소 출구로 합친다. 유사하게, 산소 매니폴드는 스택의 기본적인 전지들의 플레이트들의 산소 출구들을 설비의 외부 출구로 연결시킨다. 각 회로에서, 생성된 가스들의 일부가 모여지기 전 전해질을 통해 확산되면서, 생성되는 가스들은 더 높거나 또는 더 낮은 순도가 될 수 있다. 게다가, 누설들의 존재는 수소 및 산소가 회로들 사이에서 교환되는 것을 야기시키며, 이는 제때에 감지되지 않는다면 산소/수소 혼합물이 폭발하는 심각한 위험을 초래할 수 있다.
본 발명의 이러한 측면에 따르면(도6), 열전도율에 기초한 두 수소 농도 센서들이 사용된다. 일 센서(211)는, 양극 측에서 전지들의 스택에 의해 산소 출력 매니폴드(도면에 도시되지 않음)와 같이 형성된 리액터 바디에 통합되는 시스템 엔드 플레이트(215) 내 챔버(217) 안에 있다. 음극 측 상에서 다른 한 센서(212)는, 수소 매니폴드(도시되지 않음)의 출구에서 상기 바디와 통합되는 시스템 엔드 플레이트(216) 내 챔버(237) 안에 있다. 그러므로, 이러한 센서들 중 하나는 작은 수소 가스 농도들을 측정하고, 반면에 다른 하나의 센서는 높은 농도들을 측정한다. 여기서 하나의 이점은, 간헐적으로 또는 연속적으로 가스 샘플들을 뽑아내야 하지 않으면서도 전해조에서 직접적으로 생성된 가스들의 질을 측정하는 것이 가능하다 데에 있다.
도6에서, 전해조(200)는 기본적인 전기화학적 전지들(225)의 스택(220)을 구비한다. 전기화학적 전지들에는 물이 공급되며, 상기 물은 촉매가 있는 데서 물을 통해 흐르는 전류의 효과를 통해 수소 및 산소로 분해된다. 스택(220)은 두 시스템 엔드 플레이트들 사이에서 물려 있고, 이 중 일 시스템 엔드 플레이드(215)는 분리 인클로저를 폐쇄하며, 분리 인클로저의 상부는 전지들(225)의 스택으로부터 나온 산소를 수용하는 챔버(217)를 형성한다. 나머지 일 플레이트(216)는 분리 인클로저를 폐쇄하며, 분리 인클로저의 상부 부분은 전지들(225) 내의 작용으로부터 나온 수소를 수용하는 챔버(237)를 형성한다. 각 플레이트들에서, 분리 인클로저들의 바닥 부분은 각각, 스택(220) 내부의 전지들(225)에 물을 공급하기 위한 매니폴드(도시되지 않음)의 입구(226,227)로 통한다.
덕트(218)로부터 나와 분리 플레이트(215) 내에 모인 산소는 회로 내 함유된 물로부터 분리되며, 분리 인클로저(217)의 바닥에 쌓인 물은 입구(226)에서 전해조로 재순환된다. 분리 인클로저(217)의 상부 부분 내 챔버(217)는 생성된 산소를 인출하기 위한 탭(220)을 포함한다. 생성된 산소 가스의 순도를 체크하고 %수소 함량이 안전 임계값 이상으로 증가하는 어떠한 잠재적인 위험 조건도 미리 감지하는 데 사용되는 수소 농도 센서(211)의 센서티브 유닛(223)이 이 챔버(217)의 상부 부분으로 통한다. 유사하게, 전지들에 의해 생성된 수소는 스택(220)으로부터 나와서 덕트(228)를 통해 시스템 플레이트(216) 내부에 형성된 분리 인클로저로 보내진다. 플레이트(216)의 분리 인클로저의 바닥에 축적된 물은 스택의 전지들(225)에 물을 공급하기 위한 매니폴드(도시안됨)의 입구(227)로 재순환된다. 플레이트(216) 내로 들어간 수소는 시스템 플레이트(216)의 상부 부분 내 챔버(237)에 축적된다. 이 챔버(237)로 통하는 것은, 생성된 수소 가스의 순도를 체크하기 위해 사용되는 수소 농도 센서(212)의 센서티브 유닛(233)이며, 상기 수소 가스는 회수 탭(230)을 통해 배출될 수 있다. 반응에는, 양극 회로 측(235) 상의 전류-수집 플레이트와 음극 회로 측(236) 상의 전류-수집 플레이트가 연결된 발전기에 의해 전기 에너지가 공급된다.
지금까지 기술되었던 것들은, 샘플들이 리액터의 바디에 통합된 챔버들 외부에서 취해지는 것이 요구되거나 심지어 리액터의 작동을 멈추는 일 없이, 이 장치의 연속적인 작동에 적합한 전기화학적 리액터, 연료전지 스택, 또는 전해조를 위한 작동상의 제어 시스템이다. 열전도율 센서의 융통성, 작동상의 유연성, 넓은 민감도 영역, 및 뛰어난 응답 시간에 의해, 전기화학적 리액터들 및 특히 수소가 포함되는 산화 환원 반응의 리액터들의 특정 환경 내에서, 이러한 타입의 센서는 소중한 도구가 된다. 이는 모니터링되는 매체 내의 수소 농도, 및 가능한 다른 가스들(특히, 이산화탄소 CO2)의 농도를 측정하는 데 특히 효과적이며, 또한 간단하게 경제적인 방식으로 전기화학적 리액터의 작동 조건들 및 파라미터들을 운영하는 데 특히 효과적이다. 이러한 점은 상기 측정치를 센서의 단일 기능의 처리에 적용하는 것에 만족하지 않고, 리액터를 대기상태에서 유지시키고 지속적인 작동시 성능을 유지시키기 위한 조건하에서, 스택의 운용상에 영향을 주기 쉬운 복수의 파라미터들을 동시에 또는 부가적으로 제어하는 센서들을 통해 이득을 취하고자 한다면 더욱 그렇다. 열전도율을 측정하는 것에 기초한 가스 농도 센서들을 사용함으로써, 이러한 전기화학적 과정을 제어하기 위한 많은 함수들을 시행하는 것이 가능하다. 또한, 시스템은, 전해조의 경우 전달된 가스들의 질이 모니터링되고 전해조의 작동상 안전이 영구적으로 체크되는 것을 가능하게 한다.
물론, 본 발명은 기술되거나 도시된 예시들로 한정되지 않으며, 첨부된 청구항들에 의해 정해지는 본 발명의 범위로부터 떨어짐 없이 다양한 변형들이 이루어질 수 있다.

Claims (17)

  1. 연료전지 스택 또는 전해조와 같은 전기화학적 리액터이며,
    각각이 전해질과 전기적으로 접촉하는 일 면을 갖는 적어도 하나의 전극 플레이트(108-1)를 구비하는, 전기화학적 전지들(25)의 스택(22)과,
    상기 스택의 외부와 가스를 교환하기 위해, 교환 회로 내에서 각각의 전지들의 상기 일 면에 연결되는 적어도 하나의 매니폴드(24)와,
    상기 회로 내의 상기 가스의 조성을 감지하는 센서(11), 및
    특히 상기 센서의 제어 하에서, 상기 리액터의 조건을 모니터링하기 위한 적어도 하나의 수단을 구비하며,
    상기 전지들의 스택과 덕트는 단일의 리액터 바디(15)를 형성하며, 상기 단일의 리액터 바디는 상기 매니폴드와 연통되게 상기 바디로 통합되는 적어도 하나의 챔버(20)를 구비하며,
    상기 가스 조성 센서(11)는 상기 단일의 바디 내 장착되며, 상기 챔버(20) 내 상기 가스의 일 성분의 제자리 농도에 직접적으로 노출되는 센서티브 유닛(30)을 구비하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 리액터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 챔버는 시스템 플레이트(17) 내에 형성되며,
    상기 시스템 플레이트는 상기 스택의 단부 전지와 병렬 배치되는 제1면(29)을 구비하며, 상기 매니폴드(24)는 그것이 통과하는 상기 전지들의 스택을 떠나자마자 상기 제1면(29)으로 통하며,
    상기 시스템 플레이트(17)는 상기 제1면의 맞은 편에 제2면(19)을 구비하며, 상기 제2면은 상기 가스 회로의 하나 이상의 요소들을 상기 바디(15)의 외부에 고정시키기 위한 서포트를 형성하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 리액터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 가스 조성 센서(11)는 상기 서포트 플레이트(17)의 벽(27)에 장착되며,
    상기 가스 조성 센서(11)는, 상기 벽(27)의 내면 상에서, 상기 챔버(20)의 분위기와 연통하고 상기 챔버(20) 내 가스의 일 성분의 제자리 농도를 감지하는 상기 유닛(30,32)이 수용되는 캐비티(36)를 둘러싸는 중공의 엔드 피스(31)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 리액터.
  4. 제3항에 있어서, 상기 센서티브 유닛(30,32)을 상기 중공의 엔드 피스(31) 내에 수용하는 상기 캐비티(36)는 가스-기밀 및 액체-기밀 격벽(75)에 의해 상기 센서의 일부(48)에 형성된 다른 챔버로부터 분리되며,
    상기 일부는, 센서티브 유닛으로부터의 신호들을 처리하기 위한 처리 유닛(12)이 장착되는 상기 챔버(20)에 대하여 상기 벽(27)의 외측에 장착되는 것을 특징으로 하는 전기화학적 리액터.
  5. 제4항에 있어서, 상기 격벽(75)은 상기 센서티브 유닛(30,32)으로부터 나온 전도체들(46)에 의해 밀봉되게 관통되며, 상기 캐비티(36)와 상기 센서(11)의 상기 다른 챔버 사이의 차압을 견디는 것을 특징으로 하는 전기화학적 리액터.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서티브 유닛(30,32)은 가스-투과성이지만 물-불투과성인 필터(37)에 의해 상기 챔버(20)의 분위기로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 전기화학적 리액터.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 챔버 내 가스 혼합물의 수소 함량에 의존하는 측정치를 전달하기 위해, 상기 가스 조성 센서(11)는 상기 센서티브 유닛(30,32)이 침지되는 가스의 열전도율의 변화들을 감지하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 리액터.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단일의 리액터 바디(15)는, 상기 스택의 전지들을 제2 가스 회로 내에서 상기 바디에 통합되는 제2 챔버에 연결시키는 제2 매니폴드(24')와,
    상기 단일의 리액터 바디(15) 내 장착되고 상기 제2 챔버 내 상기 가스의 일 성분의 제자리 농도에 직접적으로 노출되는 센서티브 유닛을 구비하는 제2 가스 조성 센서(11')를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 리액터.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 처리 유닛(12)은 상기 바디에 고정되기에 적합한 상기 센서티브 유닛(30)과 바로 근접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 전기화학적 리액터.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 조성 센서는 상기 센서티브 유닛(30,32)의 환경 내 이산화탄소 농도를 감지하기에 적합한 것을 특징으로 하는 전기화학적 리액터.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서는 상기 센서가 침지된 가스의 열전도율의 변화들을 감지하고, 이것은 상응하는 가스 회로 내 수소의 농도와 상기 회로 내 수증기 농도에 의존하며,
    상기 센서는, 다른 가열 온도들로부터 센서티브 유닛의 환경 내 전도율의 복수의 측정들을 제어하여 이러한 환경 내 수증기 농도를 결정하기에 적합한 제어 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학학 리액터.
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 조성 센서(11)는 상기 가스 조성 센서가 침지된 가스의 열전도율의 변화들을 감지하고, 이것은 상응하는 가스 회로 내 수소 농도와 상기 회로 내 수증기 농도에 의존하며,
    상기 리액터는, 상기 통합된 챔버 내 가스의 습도를 직접적으로 감지하는 제2 센서와, 상기 가스 조성 센서와 상기 습도 센서의 제어 하에 상기 챔버 내 수소 농도의 측정치를 전달하기에 적합한 처리 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 리액터.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 전기화학적 리액터로 구성되는 연료전지 스택이며, 상기 센서(11)는 수소 가스 회로 내 장착되고,
    적어도 부분적으로 수소 소스로부터 나오는 수소 가스를 상기 연료전지 스택의 도입 덕트 내로 허용하기 위한 상기 통합된 챔버와,
    상기 전기화학적 전지들 내의 반응 후 스택의 출구에 있는 수소 가스 흡수 라인과,
    상기 흡수 라인으로부터 나온 수소 가스의 적어도 일부를 상기 통합된 챔버에 주입시키기 위한 주입 장치와,
    상기 통합된 챔버 내 수소 농도를 미리 정해둔 순도 수준보다 높게 유지하기 위해, 상기 가스 조성 센서(11)에 의해 제어되는 제어 유닛의 작용하에 있는 상기 흡수 라인의 퍼지 밸브(114)를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  14. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 전기화학적 리액터로 구성되는 연료전지 스택이며, 폐쇄 단계들 동안, 및/또는 에너지가 생성되지 않는 대기 상태에서, 상기 수소 가스 회로 내 수소 농도 센서(11)에 반응하여, 수소 농도를 미리 정해둔 임계값보다 높게 유지시키기 위한 경고 또는 모니터링 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  15. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 전기화학적 리액터로 구성되는 연료전지 스택이며, 상기 산소 회로 내 장착되는 제2 가스 농도 센서(11')를 포함하여 산소 가스 내 수소의 존재를 감지할 수 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  16. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 리액터로 구성되는 전해조(200)이며, 수소 가스 회로는 챔버를 구비하는 수소 분리기(237)를 포함하며, 상기 챔버는 상기 리액터 바디에 통합되며 상기 전기화학적 전지들(225)의 스택의 기본적인 전지들의 음극들의 가스 출구들에 연결되고,
    상기 가스 조성 센서(212)가 상기 챔버 내 장착되어 상기 회로 내에 생성되는 수소의 농도에 의존하는 적어도 하나의 신호를 상기 제어 유닛(80)으로 전달하는 것을 특징으로 하는 전해조.
  17. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 리액터로 구성되는 전해조(200)이며, 산소 가스 회로는 챔버를 구비하는 산소 분리기(217)를 포함하며, 상기 챔버는 상기 리액터 바디에 통합되며 전해 전지들의 스택의 기본적인 전지들의 양극들의 가스 출구들에 연결되고,
    산소 조성 센서(211)가 상기 챔버 내 장착되어, 상기 회로 내 존재하는 수소의 농도에 의존하는 적어도 하나의 신호를 상기 제어 유닛(80)에 전달하는 것을 특징으로 하는 전해조.
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