KR20130071380A - 연료전지 애노드의 고압 작동 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 또는 연료전지 시스템의 작동 방법에 관한 것으로, 상기 연료전지 또는 연료전지 시스템은 애노드(1), 캐소드(2) 및 그 사이에 배치된 전해질(3)을 포함하고, 애노드(1)는 애노드 가스 챔버(A) 내에 배치되며, 캐소드(2)는 캐소드 가스 챔버(K) 내에 배치된다. 연료전지 시스템을 간단하게 하기 위해 그리고 일반적으로 세척 과정(퍼지)에 의해 발생하는 가스 손실을 방지하기 위해, 애노드 가스 챔버(A) 내의 압력(pA)이 캐소드 가스 챔버(K) 내의 압력(PK)보다 적어도 1.5 bar 더 높도록 애노드 가스 챔버(A)에 연료가스가 공급되고, 캐소드 가스 챔버(K)에는 산소가 공급된다. 또한, 본 발명은 연료전지, 연료전지 시스템, 및 차량 또는 열병합 발전 설비와 같은 이동식 또는 고정식 시스템에 관한 것이다.

Description

연료전지 애노드의 고압 작동{HIGH PRESSURE OPERATION OF A FUEL CELL ANODE}
본 발명은 연료전지 또는 연료전지 시스템의 작동 방법, 연료전지, 연료전지 시스템 및 차량 또는 열병합 발전 설비와 같은 이동식 또는 고정식 시스템에 관한 것이다.
양자교환 멤브레인(PEM:Proton Exchange Membrane)을 포함하는 연료전지 시스템의 경우에 애노드측에 수소 외에도 외부 가스가 모이고, 상기 외부 가스는 실질적으로 연료의 불순물, 질소 및 수증기 같은 투과 기체 및 경우에 따라서 수분으로 이루어진다. 일반적으로 상기 외부 가스는 가스 혼합물의 세척, 소위 퍼지(purge)에 의해 농도가 제한된다. 연료전지 시스템의 가스 채널 내에서 수소 부족이 발생하지 않도록 하기 위해, 애노드 가스는 일반적으로 노즐 펌프(Jet Pump) 또는 수소 재순환 블로어(HRB:Hydrogen Recirculation Blower)에 의해 회로에서 재순환된다. 애노드 압력은 일반적으로, 실질적으로 캐소드 압력에 상응하도록 조절된다. 이를 달성하기 위해, 통상 수소 압력 조절 밸브, 수소 재순환 블로어 및 퍼지 밸브(purge valve)가 장착된다.
간행물 US 2007/0026268 A1, US 2008/0124591 A1 및 DE 10 2009 033 023 A1호에 수소로 작동되는 연료전지 시스템이 공지되어 있다.
본 발명의 과제는 연료전지 시스템을 간단하게 할 수 있고, 연료전지 시스템의 효율을 높일 수 있음으로써 연료전지 시스템의 제조 비용과 작동 비용을 감소시킬 수 있는 연료전지 또는 연료전지 시스템의 작동 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제는 독립 청구항의 대상에 의해 해결된다.
본 발명은 애노드 가스 챔버 내에 배치된 애노드, 캐소드 가스 챔버 내에 배치된 캐소드 및 그 사이에 배치된 전해질을 포함하는 연료전지 또는 연료전지 시스템의 작동 방법에 관한 것이다.
애노드 가스 챔버 내의 압력이 캐소드 가스 챔버 내의 압력보다 적어도 1.5 bar 더 높도록, 애노드 가스 챔버에는 연료가스, 특히 수소가 그리고 캐소드 가스 챔버에는 산소가 특히 공기 형태로 공급된다.
이러한 조치에 의해 바람직하게 외부 가스량이 많고 및/또는 연료 소비가 많을 때에도 충분한 연료가스 공급, 특히 수소 공급이 보장될 수 있다.
또한, 바람직하게 연료전지 시스템은 매우 간단해질 수 있고, 연료전지 시스템의 효율은 높아질 수 있다. 이로 인해 바람직하게 연료전지 시스템의 제조 비용과 작동 비용이 감소될 수 있다.
특히 이로 인해 애노드 압력 조절 정확성이 낮아질 수 있고, 연료가스 압력 조절 밸브 및 특히 퍼지 가스가 배출되는 가운데 외부 가스를 제거하는 세척 조치/퍼지 조치가 생략될 수 있다.
예를 들어 연료가스 저장기와 애노드 사이에 하나의 기계식, 특히 비조절식 감압기만을 배치할 수 있고, 복잡한 연료가스 압력 조절 밸브 및 상응하는 압력 센서를 생략할 수 있다.
퍼지 가스의 배출이 생략될 수 있음으로써, 퍼지 가스의 배출에 의한 연료가스, 특히 수소의 손실이 방지될 수 있다. 또한, 이로 인해 소위 캐소드 퍼지(특히 수소를 제거하기 위해 흡입된 공기와 애노드에서 배출된 연료가스를 함유한 퍼지 가스의 혼합)와 같이 퍼지와 관련된 다른 조치도 생략될 수 있다.
연료가스 손실이 감소될 수 있음으로써, 바람직하게 시스템의 효율은 높아질 수 있다. 차량에 상기 방법이 사용되는 경우에, 이로 인해 주행 거리가 연장될 수 있다.
애노드 측에서 수분 축적이 다른 조치에 의해, 예를 들어 추후에 설명되는 수증기 비투과성 애노드-전해질-캐소드-구조 또는 그에 따라 조정된 작동 전략에 의해 방지될 수 있는 경우에, 연료가스 재순환, 연료가스 재순환 라인 및 연료가스 재순환 블로어 또는 연료가스 재순환 펌프가 모두 생략될 수 있다.
애노드 가스 챔버 내의 압력은 캐소드 가스 챔버 내의 압력보다 예컨대 적어도 2 bar, 특히 적어도 3 bar, 예를 들어 적어도 4 bar 더 높을 수 있다.
다른 실시예에서, 애노드 가스 챔버 내의 압력은 캐소드 가스 챔버 내의 압력보다 ≥ 1.5 bar 또는 ≥ 2 bar 또는 ≥ 3 bar 또는 ≥ 4 bar 내지 ≤ 10 bar 또는 ≤ 8 bar 또는 ≤ 6 bar 더 높다. 상기와 같은 압력 차에서 특히 경우에 따라서 애노드로부터 전해질을 통해 캐소드의 방향으로 연료가스의 투과에 의해 야기될 수 있는 투과로 인한 연료가스 손실은 바람직하게 낮다.
다른 실시예에서, 애노드 가스 챔버 내의 압력은 ≥ 4 bar 내지 ≤ 8 bar 예를 들어 ≥ 4 bar 내지 ≤ 6 bar이다.
다른 실시예에서, 캐소드 가스 챔버 내의 압력은 ≥ 1 bar 내지 ≤ 3 bar 예를 들어 ≥ 1.5 bar 내지 ≤ 2.7 bar이다.
예를 들어 애노드 가스 챔버 내의 압력은 ≥ 4 bar 내지 ≤ 8 bar, 예를 들어 ≥ 4 bar 내지 ≤ 6 bar일 수 있고, 캐소드 가스 챔버 내의 압력은 ≥ 1 bar 내지 ≤ 3 bar, 예를 들어 ≥ 1.5 bar 내지 ≤ 2.7 bar일 수 있다.
기본적으로 외부 가스 제거를 위한 애노드의 세척, 특히 퍼지는 생략될 수 있다.
작동 전략 및 연료전지의 구조에 따라 특히 캐소드측이 매우 습하게 작동되고 특히 애노드-전해질-캐소드-구조가 수증기 투과성인 경우에, 경우에 따라서 유체 상태의 수분이 애노드측에 축적될 수 있다. 유체 상태의 수분의 상기와 같은 축적은 전해질, 특히 양자교환 멤브레인의 활성 표면을 커버할 수 있고, 기능을 제한할 수 있다.
상기 축적된 수분은 세척/퍼지에 의해 제거될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 작동 방법에 의해 작동되는 연료전지 시스템에서도, 수분을 배출하고 예컨대 수분을 응축물 컨테이너에 축적하기 위해, 특히 연료가스 재순환 블로어 또는 연료가스 재순환 펌프에 의한 연료가스 재순환이 이루어지는 것이 바람직할 수 있다. 예컨대 플로팅 스위치 및/또는 배출 밸브에 의해 응축물 컨테이너에 축적된 수분이 제거될 수 있다. 그러나 퍼지 가스는 배출될 필요가 없기 때문에, 상기와 같은 방법에서도 연료가스 손실이 발생하지 않는다.
다른 실시예에서 상기 방법은 애노드 가스 또는 (잔류-)연료가스를 포함하는 애노드 가스 챔버가 특히 가스의 재순환 중에 세척/퍼지되는 방법 단계를 포함하고, 이 경우 세척 후에 가스는 배출되지 않는다. 애노드 가스란 특히 애노드 가스 챔버 영역에서 발생하는 가스 또는 가스 혼합물일 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 다른 특징 및 장점들과 관련해서 하기에 설명되는 본 발명에 따른 연료전지, 연료전지 시스템, 본 발명에 따른 이동식 또는 고정식 시스템과 관련한 설명, 도면 및 도면 설명이 참조된다.
본 발명의 다른 대상은 특히 본 발명에 따른 방법으로 작동하는 애노드, 캐소드 및 그 사이에 배치된 전해질을 포함하는 연료전지이다.
전해질은 특히 애노드로부터 캐소드로 연장된 방향으로, 예컨대 ≥0.4 N/㎟의 압축 강도를 갖는다. 예를 들어 전해질은 특히 애노드로부터 캐소드로 연장된 방향으로 ≥0.5 N/㎟ 또는 ≥0.6 N/㎟의 압축 강도를 가질 수 있다. 예를 들어 전해질은 특히 애노드로부터 캐소드로 연장된 방향으로 ≥0.4 N/㎟ 내지 ≤1 N/㎟, 예를 들어 ≥0.4 N/㎟ 또는 ≥0.5 N/㎟ 또는 ≥0.6 N/㎟ 내지 ≤1 N/㎟ 또는 ≤0.9 N/㎟ 또는 ≤0.8 N/㎟ 또는 ≤0.7 N/㎟ 또는 ≤0.6 N/㎟의 압축 강도를 가질 수 있다.
애노드는 특히 애노드 가스 챔버 내에 배치될 수 있고, 캐소드는 캐소드 가스 챔버 내에 배치될 수 있다. 애노드 가스 챔버에 특히 연료가스, 특히 수소가 공급될 수 있고, 캐소드 가스 챔버에는 산소가 특히 공기 형태로 공급될 수 있다.
실시예에서, 전해질은 양자교환 멤브레인을 포함한다. 상기 양자교환 멤브레인은 예컨대 나피온으로 형성될 수 있다. 멤브레인(그 자체)의 충분한 압축 강도는 폴리테트라플로오르에틸렌(PTFE)과 같은 보강제의 첨가에 의해 및/또는 높은 화학적 가교도에 의해 달성될 수 있다. 대안으로서 또는 추가로 전해질의 압축 강도는 캐리어, 예컨대 캐리어 층에 의해 구현될 수 있다.
다른 실시예에서 전해질은 특히 캐소드를 향한 면에, 평평한 부분에 놓인다. 특히 평평한 부분은 적어도 부분적으로 가스 투과성, 예컨대 미세 다공성 발포 금속 재료로 형성될 수 있다. 평평한 부분에 의해 압력차에 대한 전해질의 허용오차가 개선될 수 있는데, 그 이유는 전해질은 압력차가 있을 때 약간의 힘만 견디면 되기 때문이다. 발포 금속 재료에 의해 가스 공급 및/또는 가스 배출이 보장될 수 있다. 따라서 바람직하게 압력차가 있을 때 원치않는 힘을 전해질에 가할 수 있는 가스 채널의 형성을 위한 홈 및/또는 돌출부로 이루어진 구조는 적어도 연료전지의 전해질 영역에서 생략될 수 있다. 전체적으로, 이러한 조치에 의해 바람직하게 압력차에 대한 전해질의 내성이 높아질 수 있다.
다른 실시예에서, 애노드-전해질-캐소드-구조, 특히 전해질은 수증기 비투과성이다. 따라서 바람직하게 애노드측의 습기는, 작동 중에 및/또는 시스템 냉각시 유체 상태의 수분이 애노드측에 축적되지 않을 정도로 감소 또는 방지될 수 있다. 이는, 애노드의 재순환 또는 관류/퍼지의 완전한 생략을 가능하게 한다.
다른 실시예에서 양자교환 멤브레인은 수증기 비투과성이다. 따라서 바람직하게 애노드의 재순환 또는 관류/퍼지가 생략될 수 있다.
다른 실시예에서, 애노드-전해질-캐소드-구조, 특히 전해질은 수증기 차단층을 포함한다. 따라서 애노드-전해질-캐소드-구조는 바람직하게 수증기 비투과 특성을 가질 수 있다. 예를 들어 수증기 차단층은 전해질 또는 멤브레인의 표면에 대해 평행하게 형성될 수 있다. 따라서, 수분이 멤브레인을 통해 캐소드측에서 애노드측으로 확산하는 것이 방지될 수 있다. 특히 수증기 차단층은 전해질 또는 멤브레인 표면 위에 애노드 측에, 즉 애노드를 향한 측면에 형성될 수 있다. 바람직하게 수증기 차단층은 양자 전도성이므로, 특히 애노드측에서 캐소드측으로 양호한 양자 전도성이 보장될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지의 다른 특징 및 장점들과 관련해서 본 발명에 따른 방법, 추후에 설명되는 본 발명에 따른 연료전지 시스템, 본 발명에 따른 이동식 또는 고정식 시스템과 관련한 설명, 도면 및 도면 설명이 참조된다.
본 발명의 다른 대상은 본 발명에 따른 적어도 하나의 연료전지를 포함하는, 특히 본 발명에 따른 방법에 의해 작동되는 연료전지 시스템이다.
연료전지 시스템은 특히 연료 공급 시스템을 포함할 수 있고, 상기 시스템은, 애노드에 연료가스, 특히 수소를 공급하고 경우에 따라서 애노드로부터 배기가스를 배출하도록 설계된다.
본 발명에 따른 작동 방법은, 바람직하게 연료 공급 시스템을 매우 간단하게 할 수 있다. 즉, 연료가스 저장기와 애노드 사이에 하나의 기계식, 특히 비조절식 감압기만이 배치될 수 있고, 예컨대 상기 감압기는 예컨대 연료가스 저장기가 완전히 충전된 경우에 700 bar 내지 적어도 2.5 bar 또는 경우에 따라서 거의 빈 연료가스 저장기의 경우에 20 bar일 수 있는 연료가스 저장기 내의 가스 압력을 예를 들어 ≥ 4 bar 내지 8 bar ≤로 감소시킬 수 있다. 복잡한 연료 가스 압력 조절 밸브 및 상응하는 압력 센서가 바람직하게 생략될 수 있다.
실시예에서 연료가스 공급 시스템은 따라서 연료가스 저장기와 애노드 사이에 연료가스 압력 조절 밸브를 포함하지 않는다.
다른 대안 또는 추가 실시예에서 연료가스 공급 시스템은 연료가스 저장기와 애느도 사이에 압력 센서를 포함하지 않는다.
연료전지 시스템이 수증기 비투과성 애노드-전해질-캐소드-구조를 가진 연료전지를 포함하는 경우에도, 바람직하게 연료가스 재순환, 연료가스 재순환 블로어 및/또는 연료가스 재순환 펌프, 수분/응축물 분리기 및 배출/퍼지 밸브가 생략될 수 있다.
다른 실시예에서, 연료가스 공급 시스템은 연료 재순환, 특히 연료 재순환 라인 및/또는 연료 재순환 블로어 및/또는 연료 재순환 펌프를 포함하지 않는다.
다른 대안 또는 추가 실시예에서 연료가스 공급 시스템은 수분/응축물-분리기를 포함하지 않는다.
다른 대안 또는 추가 실시예에서 연료가스 공급 시스템은 배출/퍼지 밸브를 포함하지 않는다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 다른 특징 및 장점들과 관련해서 본 발명에 따른 방법, 본 발명에 따른 연료전지, 추후에 설명되는 본 발명에 따른 이동식 또는 고정식 시스템과 관련한 설명, 도면 및 도면 설명이 참조된다.
본 발명의 다른 대상은 본 발명에 따른 적어도 하나의 연료전지 및/또는 본 발명에 따른 연료전지 시스템을 포함하고 및/또는 본 발명에 따른 방법을 실시하는 이동식 또는 고정식 시스템이다. 경우에 따라서 본 발명에 따른 시스템은 휴대용 시스템일 수 있다. 특히 본 발명에 따른 시스템은 차량, 예컨대 하이브리드 차량, 플러그 인 하이브리드 차량 또는 전기 차량일 수 있거나 또는 예컨대 주거 건물 또는 상업 건물, 산업 공장, 발전소 또는 차량을 위한 열병합 발전 설비, 예컨대 마이크로 열병합 발전 설비일 수 있다. (마이크로)열병합 발전 설비란 특히 에너지 캐리어로부터 전류와 열을 동시에 생성하기 위한 설비일 수 있다.
본 발명에 따른 이동식 또는 고정식 시스템의 다른 특징 및 장점들과 관련해서 본 발명에 따른 방법, 본 발명에 따른 연료전지, 본 발명에 따른 연료전지 시스템과 관련한 설명, 도면 및 도면 설명이 참조된다.
본 발명에 따른 대상의 다른 장점 및 바람직한 실시예들은 도면에 의해 도시되고, 하기에서 설명된다. 도면은 서술한 특징들만을 포함하고, 본 발명을 어떠한 형태로 제한하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 실시예의 개략도.
도 1은 연료전지 시스템이 애노드(1), 캐소드(2) 및 그 사이에 배치된 전해질(3)을 가진 연료전지를 포함하는 것을 도시한다. 애노드(1)는 애노드 가스 챔버(A) 내에 배치되고, 캐소드(2)는 캐소드 가스 챔버(K) 내에 배치된다. 화살표는 전해질(3)이 애노드(1)로부터 캐소드(2)를 향해 연장되는 방향으로 압축 강도 ≥ 0.4 N/㎟를 갖는 것을 나타낸다. 이는, 애노드(1)가 캐소드(2)보다 훨씬 높은 압력 pA, 예컨대 6 bar로 작동하는 것을 가능하게 하고, 상기 캐소드는 예컨대 2 bar의 압력 pk로 작동될 수 있다. 이는 연료전지 시스템을 훨씬 간단하게 형성할 수 있게 하고, 더 높은 효율로 작동할 수 있게 한다.
애노드측에서 압력 상승에 의해, 연료가스, 특히 수소의 소비가 큰 경우에도 다량의 전류 방출에 의해 연료전지의 애노드측에 항상 충분한 연료가스가 존재하는 것이 보장될 수 있다. 에너지 평형과 관련해서 캐소드측에서 동시에 압력이 상승하는 것은 바람직하지 않은데, 그 이유는 공기 압축을 위해 너무 많은 에너지가 이용되기 때문이다.
따라서 연료전지는 전해질(3)이 예컨대 캐리어 상에 배치되고 애노드(1)와 캐소드(2) 사이의 압력차 ≥ 4 bar에도 불구하고 손상되지 않도록 기계적으로 조정된다. 예를 들어, 발포 금속 캐리어를 가진, 수증기 비투과성 양자 교환 멤브레인이 전해질(3)로서 사용될 수 있다.
도 1은 연료전지 시스템이 연료가스 공급 시스템(10)을 포함하는 것을 도시하고, 상기 연료가스 공급 시스템은 애노드(1)에 연료가스, 예컨대 수소를 공급하도록 설계된다.
도 1은 연료가스 공급 시스템(10)이 연료가스 저장기(11)를 포함하는 것을 도시하고, 상기 연료가스 저장기는 특히 연료가스 저장기(11)의 충전 레벨을 측정하기 위해 연료가스 저장기 압력 센서(12)를 갖는다. 충전 레벨에 따라 수소 저장기(11)에는 대개 적어도 2.5 bar, 경우에 따라서 탱크가 빈 경우에는 20 bar 내지 탱크가 완전히 충전된 경우에 700 bar의 압력이 존재한다.
연료가스 저장기(11) 내의 압력은 간단한 기계식 감압기(13)에 의해 감소되고, 상기 감압기는 복잡한 조절부를 갖지 않는다. 투과 상수로부터, 전해질(3)을 통해 캐소드(2)의 방향으로 연료가스의 투과로 인한 연료가스 손실이 바람직하게 낮다는 것을 추정할 수 있다. 또한, 이미 낮은 투과 손실은 감압기(13)의 적절한 설계에 의해 더 감소될 수 있다.
일반적으로 연료전지 시스템의 연료 공급 시스템은 연료가스 압력을 더 감소시키기 위해, 정확히는 특히 캐소드 가스 챔버(K) 내의 압력으로 조절하기 위해, 추가로 연료가스 저장기(11) 또는 감압기(13)와 애노드(1) 또는 애노드 가스 챔버(A) 사이에 연료가스 압력 조절 밸브(14)를 갖는다. 연료가스 압력 조절 밸브(14)의 파선의 경계선은, 본 발명에 따른 방법의 실시시 상기 연료가스 압력 조절 밸브(14)가 생략될 수 있다는 것과 도시된 실시예에서 연료가스 공급 시스템(10)이 상기 연료가스 압력 조절 밸브(14)를 포함하지 않는 것을 나타낸다. 본 발명에 따른 방법이 상기 연료가스 압력 조절 밸브(14)가 제공된 연료전지 시스템에서 실시되는 경우에, 연료가스 압력 조절 밸브(14)는 특수하게 설계된 감압기(13) 대신 가능한 압력 과도 상승을 감소시키고 투과 손실을 더 낮추는데 이용될 수 있다.
도면부호 15로 도시된 파선의 원은, 일반적으로 연료가스 압력 조절 밸브(14)와 애노드(1) 또는 애노드 가스 챔버(A) 사이에 배치된 압력 센서(15)가 생략될 수 있음을 나타내고, 따라서 도시된 실시예에서 연료가스 공급 시스템(10)도 상기 압력 센서(15)를 포함하지 않는다.
도 1의 다른 파선들은, 도시된 실시예에서 연료가스 공급 시스템(10)도 연료가스 재순환(17), 수분 분리기(16) 및 배출/퍼지 밸브(18)를 포함하지 않는 것을 나타낸다.
연료가스는 도시된 실시예에서 연료가스 저장기(11)로부터 직접 특히 비조절식 감압기(13)를 지나 애노드 가스 챔버(A) 내로 또는 애노드(1)로 안내된다. 경우에 따라서 애노드 가스 챔버(A)는 막힌 구조(dead end)로서 형성될 수 있고, 애노드 가스 챔버(A)를 통과 또는 관류한 후에 (잔류-)연료가스의 방출을 위한 배출 라인을 포함하지 않을 수 있다. 그러나, 애노드 가스 챔버(A)의 하류측에 예컨대 밸브(도시되지 않음)가 배치될 수도 있고, 상기 밸브는 작동 단계의 종료 후에, 예컨대 차량의 주행 종료 후에, 또는 더 긴 작동 시간 간격 후에 또는 보수 작업 후에, 예컨대 애노드 가스 챔버(A) 내의 연료가스, 특히 수소를 캐소드 가스와의 정화 반응에 의해 제거하기 위해 개방된다.
또한, 도 1은 연료전지 시스템이 산소 공급 시스템(20)을 포함하는 것을 도시하고, 상기 산소 공급 시스템은 캐소드(2)에 산소를 예컨대 공기 형태로 공급하도록 설계된다. 도 1은, 공기가 흡입되고 압축기(21)에서 압축되는 것을 도시한다. 후속해서 압축된 공기는 가스 가습기(22)를 통해 안내되고, 상기 가습기에서 흡입된 공기는 캐소드 가스 챔버(K)로부터 나온 배출 공기의 습기에 의해 습해진다. 도 1은, 캐소드 가스 챔버(K)의 상류에 다양한 센서들(23, 24, 25), 예컨대 유량 센서, 압력 센서 및 온도 센서가 배치될 수 있다는 것을 도시한다. 캐소드 가스 챔버(K)의 관류 후에 배출 공기는 전술한 가스 가습기(22) 및 압력 조절 밸브(26)를 통해 배출된다.
수증기 투과성 연료전지의 애노드는 6 bar의 압력 pA으로 작동되고, 상기 연료전지의 캐소드(K)는 2 bar의 압력 pK로 작동되는 경우에, 캐소드측이 60℃일 때 스택 유입부의 부분 압력들은 질소(N2) 약 1.6 bar, 산소(O2) 0.4 bar 및 수증기(H2O) 약 0.2 bar이고, 스택 배출부의 부분 압력들은 질소(N2) 약 1.24 bar, 산소(O2) 약 0.16 bar 및 수증기(H2O) 약 0.20 bar인 것이 추정되었다.
애노드측에는 우선 연료가스, 특히 수소가 표준 SAE J2719 또는 ISO 146872에 따른 낮은 불순물을 가진 상태로 존재한다. 작동시 애노드 가스 챔버 내의 상기 불순물은 유입될 외부 가스와 투과에 의해 배출되는 외부 가스의 비율에 따라 풍부화된다.
추가로, 캐소드로부터 멤브레인을 통한 투과에 의해 애노드 가스 챔버 내의 질소(N2)와 수증기(H2O)의 농도는 애노드 가스 챔버와 캐소드 가스 챔버 내의 가스 고유의 부분 압력이 보상될 때까지 그리고 애노드 가스 챔버에서 수소(H2) 약 6 내지 3.9 bar, 질소(N2) 0 내지 최대 1.6 bar 그리고 수증기(H2O) 0 내지 0.2 bar의 스택 입력부 부분 압력이 존재할 때까지 증가한다.
1 애노드
2 캐소드
A 애노드 가스 챔버
K 캐소드 가스 챔버

Claims (15)

  1. 연료전지 또는 연료전지 시스템의 작동 방법으로서, 상기 연료전지 또는 연료전지 시스템은
    - 애노드(1),
    - 캐소드(2) 및
    - 그 사이에 배치된 전해질(3)을 포함하고,
    상기 애노드(1)는 애노드 가스 챔버(A) 내에 배치되며, 상기 캐소드(2)는 캐소드 가스 챔버(K) 내에 배치되고, 상기 애노드 가스 챔버(A) 내의 압력(pA)이 상기 캐소드 가스 챔버(K) 내의 압력(pK)보다 적어도 1.5 bar 더 높도록, 상기 애노드 가스 챔버(A)에 연료가스, 특히 수소가 공급되며, 상기 캐소드 가스 챔버(K)에는 산소가 특히 공기 형태로 공급되는, 작동 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 애노드 가스 챔버(A) 내의 상기 압력(pA)은 상기 캐소드 가스 챔버(K) 내의 상기 압력(pK)보다 ≥1.5 bar 내지 ≤10 bar 더 높은 것을 특징으로 하는 작동 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 애노드 가스 챔버(A) 내의 상기 압력(pA)은 ≥4bar 내지 ≤8 bar, 특히 ≥4 bar 내지 ≤6 bar인 것을 특징으로 하는 작동 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 가스 챔버(K) 내의 상기 압력(pK)은 ≥1 bar 내지 ≤3 bar, 특히 ≥1.5 bar 내지 ≤2.5 bar인 것을 특징으로 하는 작동 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 가스 챔버(A)가 특히 가스의 재순환 하에 애노드 가스로 세척되는 단계를 포함하고, 상기 가스는 세척 후에 배출되지 않는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
  6. 특히 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 작동되는 연료전지로서,
    - 애노드(1),
    - 캐소드(2) 및
    - 그 사이에 배치된 전해질(3)을 포함하고,
    상기 전해질(3)은 특히 상기 애노드(1)로부터 상기 캐소드(2)를 향해 연장된 방향으로 압축 강도 ≥0.4 N/㎟를 갖는 연료전지.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 전해질(3)은 양자교환 멤브레인을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 전해질(3)은 특히 상기 캐소드(2)를 향한 측면에, 평평한 부분에 배치되고, 특히 상기 평평한 부분은 적어도 부분적으로 가스 투과성 발포 금속 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드(1)-전해질(3)-캐소드(2)-구조, 특히 상기 전해질(3)은 수증기 비투과성인 것을 특징으로 하는 연료전지.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양자교환 멤브레인은 수증기 비투과성인 것을 특징으로 하는 연료전지.
  11. 제 6 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드(1)-전해질(3)-캐소드(2)-구조는, 특히 상기 전해질(3)은 수증기 차단층을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  12. 제 6 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 연료전지를 포함하는 연료전지 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 연료전지 시스템은 연료가스 공급 시스템(10)을 포함하고, 상기 연료가스 공급 시스템은
    - 연료가스 저장기(11)와 애노드(1) 사이에 연료가스 압력 조절 밸브(14)를 포함하지 않고, 및/또는
    - 연료가스 저장기(11)와 상기 애노드(1) 사이에 압력 센서(15)를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 연료전지를 포함하고, 상기 연료전지 시스템은 연료가스 공급 시스템(10)을 포함하고, 상기 연료가스 공급 시스템은
    - 연료 가스 재순환(17), 특히 연료 재순환 라인 및/또는 연료 가스 재순환 블로어 및/또는 연료 재순환 펌프 및/또는
    - 수분 분리기(16) 및/또는
    - 배출 밸브(18)를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  15. 제 6 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 연료전지 및/또는 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 연료전지 시스템을 포함하고 및/또는 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실시하는 이동식 또는 고정식 시스템, 특히 차량 또는 열병합 발전 설비.
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