KR20130099684A - Method for self-humidifying fuel cell system and fuel cell system using the same - Google Patents

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KR20130099684A
KR20130099684A KR1020120021375A KR20120021375A KR20130099684A KR 20130099684 A KR20130099684 A KR 20130099684A KR 1020120021375 A KR1020120021375 A KR 1020120021375A KR 20120021375 A KR20120021375 A KR 20120021375A KR 20130099684 A KR20130099684 A KR 20130099684A
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장종현
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남석우
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황승준
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Abstract

PURPOSE: A self humidifying method of a fuel cell device is provided to easily humidify a room without a humidifier; reduce the size of the fuel cell system without a separate cell for humidification; increase a fuel power density. CONSTITUTION: A self humidifying method of a fuel cell device in which more than one alkali anion exchange membrane fuel cell or a stack and more than one polymer electrolyte membrane fuel cell or the stack are arranged by turns comprises the following: a step of supplying hydrogen gas to the alkali anion exchange membrane fuel cell or the stack; a step of supplying the hydrogen gas which is emitted from the alkali anion exchange membrane fuel cell or the stack, and which is humidified with the water which is generated in the alkali anion exchange membrane fuel cell or the stack to the polymer electrolyte membrane fuel cell or the stack.

Description

연료 전지 장치의 자체 가습 방법 및 이를 이용한 연료 전지 장치{Method for self-humidifying fuel cell system and fuel cell system using the same} Method for self-humidification of fuel cell device and fuel cell device using same {Method for self-humidifying fuel cell system and fuel cell system using the same}

본 명세서는 연료 전지의 자체 가습 방법 및 이를 이용한 연료 전지 장치에 관한 것이다.The present specification relates to a self-humidifying method of a fuel cell and a fuel cell device using the same.

현재 고분자 전해질 막 연료 전지 기술은 술폰산 그룹을 가지는 탄화수소계 고분자 또는 퍼플루오르화 고분자 막을 채용하고 있다.Currently, polymer electrolyte membrane fuel cell technology employs a hydrocarbon-based polymer or a perfluorinated polymer membrane having a sulfonic acid group.

이러한 물질들은 마이크로 페이스 분리에 의하여 친수성과 소수성 영역으로 나누어지는 경향을 보여준다. 여기서, 상기 친수성 영역이 채널을 형성하며, 이 채널은 물을 포함한다. These materials show a tendency to be divided into hydrophilic and hydrophobic regions by micro face separation. Here, the hydrophilic region forms a channel, which channel comprises water.

술폰산 그룹을 가지는 고분자는 높은 프로톤 전도도를 가지지만, 충분히 물로 가습 되는 경우에만 높은 프로톤 전도도를 나타낸다. 즉, 프로톤 전도도가 물 함량에 의존하므로, 고분자막의 가습을 유지하는 것이 연료 전지 성능에 매우 중요하다. 예컨대 60~80℃의 작동 온도에서 건조 가스가 공급되거나, 작동 온도가 100℃ 이상으로 높아져 물이 증발하는 경우에는 프로톤 전도도가 저하되어 셀 성능의 저하를 가져올 수 있다.Polymers with sulfonic acid groups have a high proton conductivity, but only show high proton conductivity when sufficiently moistened with water. That is, since the proton conductivity depends on the water content, maintaining the humidification of the polymer membrane is very important for fuel cell performance. For example, when dry gas is supplied at an operating temperature of 60 ° C. to 80 ° C., or when the operating temperature is increased to 100 ° C. or higher to evaporate water, proton conductivity may be lowered, resulting in deterioration of cell performance.

이에 따라 나피온과 같은 PFSA 막에 기초한 고분자 전해질 막 연료 전지 셀과 스택은 일반적으로 가습 가스(humidified gases)를 사용하여 작동된다.Accordingly, polymer electrolyte membrane fuel cell and stacks based on PFSA membranes, such as Nafion, are generally operated using humidified gases.

비특허 문헌 1에는 유해한 환경에서 작동하는 로봇에 사용되는 스택 시스템이 개시되어 있다. 해당 스택 시스템은 7개의 가습기 셀(humidifier cell)과 22개의 고분자 전해질 막 연료 전지 셀들로 구성된다. 비록 22개의 활성 셀들이 에너지를 제공하지만, 상기 7개의 가습기 셀들은 블라인드 셀(blind cell)로서, 이 셀들의 목적은 단지 출구 공기 흐름으로부터의 물을 스택에 공급되는 연료 가스 흐름으로 이동하기 위한 목적으로만 사용되는 것이다. Non-Patent Document 1 discloses a stack system for use in a robot operating in a hazardous environment. The stack system consists of seven humidifier cells and 22 polymer electrolyte membrane fuel cell cells. Although 22 active cells provide energy, the seven humidifier cells are blind cells, the purpose of which is only to move water from the outlet air stream to the fuel gas stream supplied to the stack. Is used only.

그런데, 본 발명자들의 연구 결과에 따르면, 위 기술은 가습기 셀이 공간을 여전히 많이 차지한다는 문제점이 있다. 즉, 해당 기술에서는 셀 스택 사이즈가 감소한다고 기재되어 있지만, 여전히 블라인드 셀이 공간을 차지하는 문제점이 있다.However, according to the results of the present inventors, the above technique has a problem that the humidifier cell still takes up a lot of space. That is, although the technology describes that the cell stack size is reduced, there is still a problem that the blind cells occupy space.

비특허문허 1: S.Y. Lee et al., J. Fuel Cell Sci. Tech., 2010 (7), 31006-1~7.Non Patent Literature 1: S.Y. Lee et al., J. Fuel Cell Sci. Tech., 2010 (7), 31006-1-7.

본 발명의 구현예들에서는, 별도의 가습기 장치가 없이도 연료 또는 공기(산소)의 가습이 가능한 자체 가습 가능한 연료 전지 시스템으로서, 가습기를 대체하기 위한 별도의 블라인드 셀을 필요로 하지 않으며, 자체 가습을 용이하게 수행할 수 있는 연료전지의 자체 가습 방법 및 장치를 제공하는 것이다.In embodiments of the present invention, a self-humidizable fuel cell system capable of humidifying fuel or air (oxygen) without a separate humidifier device, does not require a separate blind cell to replace the humidifier, It is to provide a method and apparatus for self-humidifying a fuel cell that can be easily performed.

본 발명의 구현예들에서는, 하나 이상의 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지(AAEMFC) 셀 또는 스택과 하나 이상의 고분자 전해질 막 연료 전지(PEMFC) 셀 또는 스택이 교대로 배치된 연료 전지 장치의 자체 가습 방법으로서, 수소 가스를 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택에 공급하는 단계; 및 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택에서 방출된 수소 가스로서, 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택에서 생성된 물에 의하여 가습된 수소 가스를 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택에 공급하는 단계;를 포함하는 연료 전지 장치의 자체 가습 방법을 제공한다.In embodiments of the present invention, a method of self-humidifying a fuel cell device in which one or more alkaline anion exchange membrane fuel cell (AAEMFC) cells or stacks and one or more polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) cells or stacks are alternately disposed, Supplying hydrogen gas to an alkali anion exchange membrane fuel cell or stack; And supplying hydrogen gas discharged from the alkali anion exchange membrane fuel cell or stack to the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack, the hydrogen gas moistened by water generated in the alkali anion exchange membrane fuel cell or stack. It provides a method of self-humidifying a fuel cell device comprising a.

본 발명의 구현예들에서는 또한, 하나 이상의 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지(AAEMFC) 셀 또는 스택과 하나 이상의 고분자 전해질 막 연료 전지(PEMFC) 셀 또는 스택이 교대로 배치된 연료 전지 장치의 자체 가습 방법으로서, 공기 또는 산소를 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택에 공급하는 단계; 및 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택에서 방출된 공기 또는 산소로서, 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택에서 생성된 물에 의하여 가습된 공기 또는 산소를 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택에 공급하는 단계;를 포함하는 연료 전지 장치의 자체 가습 방법을 제공한다.Embodiments of the invention also provide a self-humidifying method of a fuel cell device in which one or more alkaline anion exchange membrane fuel cell (AAEMFC) cells or stacks and one or more polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) cells or stacks are alternately disposed. Supplying air or oxygen to the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack; And supplying air or oxygen discharged from the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack to the alkali anion exchange membrane fuel cell or stack, wherein the air or oxygen moistened by the water generated in the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack is supplied to the alkali anion exchange membrane fuel cell or stack. It provides a method of self-humidifying a fuel cell device comprising a.

본 발명의 예시적인 구현예에서는, 상기 가습된 수소의 일부를 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택으로 다시 공급하거나, 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택으로부터 방출된 수소 가스를 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택으로 다시 공급하거나, 상기 가습된 공기 또는 산소의 일부를 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택에 다시 공급하거나, 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택으로부터 방출된 공기 또는 산소를 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택으로 다시 공급한다.In an exemplary embodiment of the present invention, a portion of the humidified hydrogen is supplied back to an alkali anion exchange membrane fuel cell or stack, or hydrogen gas released from the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack is supplied to an alkali anion exchange membrane fuel cell. The air or oxygen released from the cell or stack, or a portion of the humidified air or oxygen back to the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack, or the air or oxygen released from the alkali anion exchange membrane fuel cell or stack Feed back to the battery cell or stack.

본 발명의 예시적인 구현예에서, 하나 이상의 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택 또는 하나 이상의 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택에서 생성된 전력은 에너지 사용 장치의 주 전력으로 이용되고, 주 전력을 공급하지 않는 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택 또는 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택은 이차 전지의 충전 전력 또는 이차 전지를 대신하여 주 전력에 대한 보조 전력으로 이용된다.In an exemplary embodiment of the invention, the power generated in one or more polymer electrolyte membrane fuel cell or stack or one or more alkali anion exchange membrane fuel cell or stack is used as the main power of the energy consuming device and supplies the main power. Alkali anion exchange membrane fuel cell or stack or polymer electrolyte membrane fuel cell or stack which is not used is used as an auxiliary power to the main power instead of the charging power of the secondary battery or the secondary battery.

본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 방법은 가습된 수소 가스 및/또는 가습된 공기 또는 산소의 습도를 측정하고, 이 측정치에 대응하여 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택 및/또는 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택에 공급되는 전류 또는 전압을 조절하도록 한다.In an exemplary embodiment of the invention, the method measures the humidity of humidified hydrogen gas and / or humidified air or oxygen and corresponds to the measurement an alkali anion exchange membrane fuel cell or stack and / or polymer electrolyte membrane. Adjust the current or voltage supplied to the fuel cell or stack.

본 발명의 예시적인 구현예에서, 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택 및 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택은 같거나 상이한 전압에서 운전된다.In an exemplary embodiment of the invention, the alkali anion exchange membrane fuel cell or stack and the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack are operated at the same or different voltages.

본 발명의 구현예들에서는, 하나 이상의 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택 및 하나 이상의 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택이 교대로 배치된 연료 전지 장치로서, 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택으로부터 나온 수소 가스 흐름 관이 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택으로 유입되고, 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택으로부터 나온 공기 또는 산소 가스 흐름 관이 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택으로부터 유입되는 연료 전지 장치의 자체 가습 장치가 제공된다.In embodiments of the present invention, a fuel cell device in which one or more alkali anion exchange membrane fuel cell or stack and one or more polymer electrolyte membrane fuel cell or stack are disposed alternately, wherein A fuel cell device in which an outflowing hydrogen gas flow tube flows into a polymer electrolyte membrane fuel cell or stack, and an air or oxygen gas flow tube from the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack enters an alkali anion exchange membrane fuel cell or stack Its own humidification device is provided.

본 발명의 예시적인 구현예에서, 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택으로부터 나온 수소 가스 흐름 관은 분기되고, 분기된 관 중 하나는 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택으로 유입되고, 나머지 관은 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택으로 유입된다.In an exemplary embodiment of the invention, the hydrogen gas flow tubes from the alkali anion exchange membrane fuel cell or stack are branched, one of the branched tubes flows into the alkali anion exchange membrane fuel cell or stack, and the remaining tubes are The polymer electrolyte membrane is introduced into a fuel cell or stack.

본 발명의 예시적인 구현예에서, 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택으로부터 나온 수소 가스 흐름 관은 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택으로 유입된다.In an exemplary embodiment of the invention, the hydrogen gas flow tubes from the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack are introduced into the alkali anion exchange membrane fuel cell or stack.

본 발명의 예시적인 구현예에서, 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택으로부터 나온 공기 또는 산소 가스 흐름 관은 분기되고, 분기된 관 중 하나는 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택으로 유입되고, 나머지 관은 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택으로 유입된다.In an exemplary embodiment of the invention, the air or oxygen gas flow tubes from the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack are branched, one of the branched tubes enters the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack, and the remaining tubes are Alkali anion exchange membrane is introduced into the fuel cell or stack.

본 발명의 예시적인 구현예에서, 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택으로부터 나온 공기 또는 산소 흐름 관은 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택으로 유입된다.In an exemplary embodiment of the invention, air or oxygen flow tubes from an alkali anion exchange membrane fuel cell or stack are introduced into the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack.

본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 연료 전지 장치에서는, 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택에 공급된 수소 가스가 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택을 통과하면서 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택에서 생성된 물에 의하여 가습된다.In an exemplary embodiment of the present invention, in the fuel cell device, the alkali anion exchange membrane fuel cell or the hydrogen gas supplied to the alkali anion exchange membrane fuel cell or stack passes through the alkali anion exchange membrane fuel cell or stack. Humidified by water generated in the stack.

본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 연료 전지 장치에서는, 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택에 공급된 공기 또는 산소가 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택을 통과하면서 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택에서 생성된 물에 의하여 가습된 후 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택에 공급된다.In an exemplary embodiment of the present invention, in the fuel cell device, air or oxygen supplied to the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack passes through the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack, It is humidified by the resulting water and then supplied to an alkali anion exchange membrane fuel cell or stack.

본 발명의 예시적인 구현예에서는, 상기 연료 전지 장치는, 하나 이상의 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택 및 하나 이상의 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택이 직렬 또는 병렬로 배치한다. In an exemplary embodiment of the invention, the fuel cell device comprises one or more alkali anion exchange membrane fuel cell or stack and one or more polymer electrolyte membrane fuel cell or stack arranged in series or in parallel.

본 발명의 예시적인 구현예에서, 하나 이상의 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택 또는 하나 이상의 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택에서 생성된 전력은 에너지 사용 장치의 주 전력으로 이용되고, 주 전력을 공급하지 않는 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택 또는 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택은 이차 전지의 충전 전력 또는 이차 전지를 대신하여 주 전력에 대한 보조 전력으로 이용된다.In an exemplary embodiment of the invention, the power generated in one or more polymer electrolyte membrane fuel cell or stack or one or more alkali anion exchange membrane fuel cell or stack is used as the main power of the energy consuming device and supplies the main power. Alkali anion exchange membrane fuel cell or stack or polymer electrolyte membrane fuel cell or stack which is not used is used as an auxiliary power to the main power instead of the charging power of the secondary battery or the secondary battery.

본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 연료 전지 장치는 가습된 수소 가스 및/또는 가습된 공기 또는 산소의 습도를 측정하는 센서를 더 포함하고, 상기 센서에 의하여 측정된 가습 정도에 대응하여, 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택 및/또는 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택에 공급되는 전류 또는 전압을 조절하는 전류 또는 전압 조절 장치를 더 포함한다.In an exemplary embodiment of the invention, the fuel cell device further comprises a sensor for measuring the humidity of the humidified hydrogen gas and / or humidified air or oxygen, corresponding to the degree of humidification measured by the sensor, alkali And a current or voltage regulating device for regulating the current or voltage supplied to the anion exchange membrane fuel cell or stack and / or the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack.

본 발명의 예시적인 구현예에서, 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택 및 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택은 같거나 상이한 전압에서 운전된다.In an exemplary embodiment of the invention, the alkali anion exchange membrane fuel cell or stack and the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack are operated at the same or different voltages.

본 발명의 구현예들에 따르면, 별도의 가습기 장치가 없이도 가습이 가능하면서도, 별도의 가습용 셀 없이, 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택과 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택을 교대로 배치하는 것에 의하여, 연료 전지 시스템의 사이즈를 축소할 수 있고, 연료 파워 밀도를 상승시킬 수 있다.According to embodiments of the present invention, the humidification is possible without a separate humidifier device, but without an additional humidifying cell, alternately arranging an alkali anion exchange membrane fuel cell or stack and a polymer electrolyte membrane fuel cell or stack. As a result, the size of the fuel cell system can be reduced, and the fuel power density can be increased.

또한, 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택과 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택이 각각 별도로 구비되는 것이고, 각각의 구성 요소 예컨대 가스 확산 층이나 집전판의 공유가 없으므로, 전류나 전압의 개별 제어가 용이하다. In addition, an alkali anion exchange membrane fuel cell or stack and a polymer electrolyte membrane fuel cell or stack are provided separately, and there is no sharing of each component such as a gas diffusion layer or a current collector, so that individual control of current or voltage is not possible. It is easy.

도 1은 본 발명의 구현예에 따른 연료 전지 장치와 그 자체 가습 개념을 도시하는 개략도이다.
도 2는 도 1의 연료 전지 장치에서의 가스 흐름을 상세히 보여 주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 구현예에서 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택 및 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택이 병렬 연결된 것을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 예시적인 구현예에서 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택 및 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택이 직렬로 연결된 것을 나타내는 도면이다.
도 5 내지 7은 본 발명의 예시적인 구현예에서 더미 로드를 사용하는 예들을 나타내는 도면이다.
1 is a schematic diagram illustrating a fuel cell device and its own humidification concept according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing in detail the gas flow in the fuel cell device of FIG.
FIG. 3 is a diagram illustrating an alkali anion exchange membrane fuel cell or stack and a polymer electrolyte membrane fuel cell or stack connected in parallel in an exemplary embodiment of the invention.
4 is a diagram showing that an alkali anion exchange membrane fuel cell or stack and a polymer electrolyte membrane fuel cell or stack are connected in series in another exemplary embodiment of the present invention.
5-7 illustrate examples of using dummy rods in an exemplary embodiment of the present invention.

이하 본 발명의 구현예들을 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

본 명세서에서 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 또는 고분자 전해질 막 연료 전지의 셀은 양극, 음극, 막, 분리판, 가스 확산층을 모두 포함하는 셀을 의미한다.In the present specification, a cell of an alkali anion exchange membrane fuel cell or a polymer electrolyte membrane fuel cell means a cell including all of an anode, a cathode, a membrane, a separator, and a gas diffusion layer.

본 명세서에서 자체 가습이란 연료 전지 장치 외부로부터 별도의 물공급 없이 자체적으로 수소 가스 또는 공기 또는 산소를 가습하는 것을 의미한다.In the present specification, self-humidification means humidifying hydrogen gas or air or oxygen by itself without a separate water supply from the outside of the fuel cell device.

본 명세서에서 가습은 건조 가스를 가습하는 것을 의미하는 것일 뿐만 아니라, 일부 가습된 것을 추가 가습하는 것도 가습이라는 의미에 포함될 수 있다.In this specification, the humidification may mean not only humidifying the dry gas, but additional humidification of some humidified parts may be included in the meaning of humidification.

본 명세서에서 에너지 사용 장치는 연료 전지 장치로부터 전력을 공급받는 모든 형태의 에너지 사용 장치를 포함하는 것으로서, 예컨대 자동차, 무인 항공기, 모터싸이클, 배, 비행기, 잠수함, 로봇, 노트북, 셀폰 등 제반 에너지 사용 장치를 모두 포함한다. 이러한 에너지 사용 장치는 연료 전지 장치로부터 전력을 공급받는 것일 뿐만 아니라 이차 전지로부터 전력을 공급받는 하이브리드 형식의 에너지 사용 장치를 포함한다.As used herein, the energy-using device includes all types of energy-using devices that are powered from a fuel cell device, such as automobiles, drones, motorcycles, ships, airplanes, submarines, robots, laptops, cell phones, etc. Includes all devices Such energy use devices include not only power supplied from a fuel cell device but also hybrid type energy use devices powered from a secondary battery.

본 발명의 구현예들에서는 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지와 고분자 전해질 막 연료 전지를 포함하는 연료 전지 장치에서 연료 및/또는 공기(산소)의 가스 흐름을 공유하도록 한다.Embodiments of the present invention share a gas flow of fuel and / or air (oxygen) in a fuel cell device comprising an alkali anion exchange membrane fuel cell and a polymer electrolyte membrane fuel cell.

도 1은 본 발명의 구현예에 따른 연료 전지 장치와 그 자체 가습 개념을 도시하는 개략도이고, 도 2는 도 1의 연료 전지 장치에서의 가스 흐름을 상세히 보여 주는 도면이다.1 is a schematic diagram illustrating a fuel cell device and a humidification concept according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a detailed view of gas flow in the fuel cell device of FIG. 1.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 구현예에 따른 연료 전지 장치는 하나 이상의 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택과 하나 이상의 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택이 교대로 배치된 연료 전지 장치로서, 수소 또는 공기(산소) 가스의 흐름이 도 1 및 2에 도시된 바와 같이 두 가지 다른 종류의 연료 전지를 연결하고 있는 것이다.1 and 2, a fuel cell device according to an embodiment of the present invention is a fuel in which one or more alkali anion exchange membrane fuel cell or stack and one or more polymer electrolyte membrane fuel cell or stack are alternately disposed. As the battery device, the flow of hydrogen or air (oxygen) gas connects two different kinds of fuel cells as shown in Figs.

도 1 및 도 2에서는 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 스택에 고분자 전해질 막 연료 전지 스택이 배치된 것을 나타낸다. 여기서, 각 스택을 구성하는 셀의 개수는 1, 2, 3...n개일 수 있다. 여기서, n은 특별히 제한되지 않으며 예컨대 10000개일 수 있다. 상기 알카리 음이온 교환 막 연료 전지 스택의 총 수는 예컨대 1 내지 1000일 수 있다. 또한, 상기 고분자 전해질 막 연료 전지 스택의 총 수 역시 예컨대 1 내지 1000일 수 있다. 1 and 2 show that a polymer electrolyte membrane fuel cell stack is disposed on an alkali anion exchange membrane fuel cell stack. Here, the number of cells constituting each stack may be 1, 2, 3, ... n. Here, n is not particularly limited and may be 10000, for example. The total number of alkaline anion exchange membrane fuel cell stacks may be, for example, 1 to 1000. In addition, the total number of the polymer electrolyte membrane fuel cell stacks may also be 1 to 1000, for example.

예시로서, 본 발명의 구현예들에서는 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 스택 및 고분자 전해질 막 연료 전지 스택의 배치로서 6개의 고분자 전해질 막 연료 전지 셀로 하나의 고분자 전해질 막 연료 전지 스택을 구성하고, 2개의 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지로 하나의 스택을 구성하여 이들을 함께 배치할 수 있다. As an example, in the embodiments of the present invention, one polymer electrolyte membrane fuel cell stack is composed of six polymer electrolyte membrane fuel cell cells as an arrangement of an alkali anion exchange membrane fuel cell stack and a polymer electrolyte membrane fuel cell stack, and two alkali Anion exchange membrane fuel cells can be constructed as one stack and placed together.

또는, 예컨대, 3개의 고분자 전해질 막 연료 전지 셀, 하나의 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀, 3개의 고분자 전해질 막 연료 전지 셀, 하나의 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀과 같이 교대로 배치할 수 있다. 또는, 예컨대, 하나의 고분자 전해질 막 연료 전지 셀과 하나의 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀이 교대로 배치되는 것일 수도 있다.Alternatively, for example, three polymer electrolyte membrane fuel cell, one alkali anion exchange membrane fuel cell, three polymer electrolyte membrane fuel cell, and one alkali anion exchange membrane fuel cell can be arranged alternately. Alternatively, for example, one polymer electrolyte membrane fuel cell and one alkali anion exchange membrane fuel cell may be alternately arranged.

이와 같은 각 스택 또는 셀은 각각 별도의 프레임에 장착하여 복수 개의 프레임으로 해당 연료 전지 장치를 구성하거나, 혹은 전체가 하나의 프레임에 장착되도록 할 수 있다.Each of these stacks or cells may be mounted on a separate frame to configure a corresponding fuel cell device with a plurality of frames, or may be mounted on one frame.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 연료 전지 장치는, 하나 이상의 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택 및 하나 이상의 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택이 인접하여 배치하고 있고, 해당 셀 또는 스택들은 수소 가스 또는 공기 또는 산소의 가스 흐름 라인에 의하여 서로 연결된다.As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell device includes at least one alkali anion exchange membrane fuel cell or stack and at least one polymer electrolyte membrane fuel cell or stack disposed adjacent to each other. They are connected to one another by a gas flow line of hydrogen gas or air or oxygen.

도 1 및 도 2를 참조하여 상술하면, 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지의 애노드에서는 수소가 수산화 이온과 반응하여 물을 생성한다. 따라서, 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지의 애노드 측에 수소를 공급(도 1의 1번)하게 되면, 해당 수소 가스 중 반응에 사용되지 않고 남은 수소 가스는 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지를 통과하면서 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지에서 생성된 물에 의하여 자체 가습될 수 있다. 여기서, 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지의 애노드 측에 제공되는 수소 가스는 건조 수소 가스를 주로 하지만, 의도적으로 일부를 가습한 경우나 자체 가습에 의하여 더 가습되는 경우를 배제하는 것은 아니다. 1 and 2, hydrogen reacts with hydroxide ions to produce water in an anode of an alkali anion exchange membrane fuel cell. Therefore, when hydrogen is supplied to the anode side of the alkali anion exchange membrane fuel cell (No. 1 in FIG. 1), the remaining hydrogen gas which is not used for the reaction in the hydrogen gas passes through the alkali anion exchange membrane fuel cell and exchanges the alkali anion. It can be self-humidified by the water produced in the membrane fuel cell. Here, the hydrogen gas provided on the anode side of the alkali anion exchange membrane fuel cell mainly uses dry hydrogen gas, but does not exclude the case of intentionally humidifying a part or the case of further humidification by self-humidification.

이와 같이 자체 가습된 수소는 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지로부터 방출되어(도 1의 2번), 고분자 전해질 막 연료 전지에 공급된다. 여기서, 방출된 수소(자체 가습된 수소)의 일부는 다시 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지의 애노드 측(도 1의 1번)으로 공급되도록 순환될 수 있다. The self-humidified hydrogen is released from the alkali anion exchange membrane fuel cell (No. 2 in FIG. 1), and is supplied to the polymer electrolyte membrane fuel cell. Here, some of the released hydrogen (self-humidified hydrogen) may be circulated back to the anode side (No. 1 in FIG. 1) of the alkali anion exchange membrane fuel cell.

고분자 전해질 막 연료 전지의 애노드에 공급된 가습된 수소는 수소 이온과 전자로 분해된다. 분해되지 않고 남은 수소는 고분자 전해질 막 연료 전지로부터 배출된다(도 1의 3번). 여기서도, 방출된 수소(고분자 전해질 막 연료 전지를 통과하며 다시 건조된 상태)는 다시 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지의 애노드 측(도 1의 1번)으로 공급되도록 순환될 수 있다. The humidified hydrogen supplied to the anode of the polymer electrolyte membrane fuel cell is decomposed into hydrogen ions and electrons. Hydrogen remaining without decomposition is discharged from the polymer electrolyte membrane fuel cell (No. 3 in FIG. 1). Here too, the released hydrogen (through the polymer electrolyte membrane fuel cell and again dried) can be circulated back to the anode side (No. 1 in FIG. 1) of the alkali anion exchange membrane fuel cell.

한편, 고분자 전해질 막 연료 전지의 캐소드에서는 산소가 수소 이온과 반응하여 물이 생성된다. 따라서, 고분자 전해질 막 연료 전지의 캐소드 측에 공기 또는 산소를 공급하게 되면(도 1의 4번), 해당 공기 또는 산소 중 반응에 사용되지 않고 남은 공기 또는 산소는 고분자 전해질 막 연료전지를 통과하면서 고분자 전해질 막 연료 전지에서 생성된 물에 의하여 자체 가습될 수 있다. 고분자 전해질 막 연료 전지의 캐소드 측에 공급되는 공기 또는 산소는 건조 공기 또는 산소일 수 있지만, 오히려 어느 정도 가습된 상태의 공기 또는 산소를 제공하고 고분자 전해질 막 연료 전지를 통과하면서 추가 가습되도록 하는 것이 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택의 작동을 위하여 바람직하다.On the other hand, in the cathode of the polymer electrolyte membrane fuel cell, oxygen reacts with hydrogen ions to generate water. Therefore, when air or oxygen is supplied to the cathode side of the polymer electrolyte membrane fuel cell (No. 4 in FIG. 1), the remaining air or oxygen not used for the reaction in the air or oxygen passes through the polymer electrolyte membrane fuel cell, The water produced in the electrolyte membrane fuel cell can be self-humidified. The air or oxygen supplied to the cathode side of the polymer electrolyte membrane fuel cell may be dry air or oxygen, but rather it is the polymer that provides the air or oxygen in a somewhat humidified state and allows further humidification as it passes through the polymer electrolyte membrane fuel cell. Electrolytic membranes are preferred for operation of fuel cell or stack.

이와 같이 가습된 공기 또는 산소는 고분자 전해질 막 연료 전지로부터 방출되고(도 1의 5번), 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지에 공급된다. 한편, 상기 5번 위치에서 가습된 상태인 공기 또는 산소가 다시 4번 위치로 순환하여 가습된 상태에서 고분자 전해질 막 연료 전지에 제공되도록 하는 것이 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택의 작동을 위하여 바람직하다.The humidified air or oxygen is discharged from the polymer electrolyte membrane fuel cell (No. 5 in FIG. 1) and supplied to the alkali anion exchange membrane fuel cell. On the other hand, it is preferable for the operation of the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack so that the air or oxygen humidified in the fifth position is circulated back to the fourth position to be provided to the polymer electrolyte membrane fuel cell in the humidified state. .

알칼리 음이온 교환 막 연료 전지의 캐소드에 가습된 공기 또는 산소가 공급되고, 이 중 산소는 물과 반응하여 수산화 이온을 생성하게 된다. 상기 가습된 공기 또는 산소 중의 물은 이와 같은 반응과 전기삼투압력(electroosmotic drag)에 의하여 제거된다. 물이 제거된 건조 공기가 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지로부터 방출된다(도 1의 6번). 여기서 방출된 공기 또는 산소는 다시 4번 위치로 가도록 순환될 수 있다.Humidified air or oxygen is supplied to the cathode of the alkali anion exchange membrane fuel cell, of which oxygen reacts with water to produce hydroxide ions. Water in the humidified air or oxygen is removed by this reaction and electroosmotic drag. Dry air from which water has been removed is discharged from the alkaline anion exchange membrane fuel cell (No. 6 in FIG. 1). The air or oxygen released here can be circulated back to the fourth position.

더 구체적으로 상술하여 보면, 예컨대 65℃에서 가스는 리터 당 9mmol의 물을 흡수할 수 있다. 이 온도에서 1리터 가스는 37mmol의 분자로 구성되므로, 완전히 수화된 조건에서는 수소 28mmol/L 및 물 9mmol/L로 구성되는 것을 예측할 수 있다.More specifically, for example, at 65 ° C., the gas may absorb 9 mmol of water per liter. At this temperature, 1 liter of gas is composed of 37 mmoles of molecules, so under fully hydrated conditions it can be expected to consist of 28 mmoles of hydrogen and 9 mmoles of water.

알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 애노드 반응에서 1mmol의 수소는 2mmol의 물을 생성한다. 화학 양론 비가 7.2인 경우, 7.2 당량의 수소가 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지에 공급되면, 6.2 당량 수소와 2 당량 물이 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지로부터 방출되고, 이에 따라 완전히 가습된 가스 흐름을 만들 수 있다. 화학 양론 비가 7.5인 경우 7.5 당량의 수소가 공급되는 경우라면 97%의 가습회된 가스 흐름을 만들 수 있다. In an alkali anion exchange membrane fuel cell anode reaction, 1 mmol of hydrogen produces 2 mmol of water. When the stoichiometric ratio is 7.2, 7.2 equivalents of hydrogen are fed to the alkali anion exchange membrane fuel cell, 6.2 equivalents of hydrogen and 2 equivalents of water are released from the alkali anion exchange membrane fuel cell, thus creating a fully humidified gas stream. have. If the stoichiometric ratio is 7.5, a 7.5% humidified gas stream can be produced if 7.5 equivalents of hydrogen are supplied.

알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 스택과 고분자 전해질 막 연료 전지 스택이 같은 전류를 사용하고, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택이 2.5 화학 양론 비를 가진다면, 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 스택으로부터 방출되는 7.5 화학 양론 비를 가지는 가스는 각각 2.5 화학 양론 비를 가지는 3개의 고분자 전해질 막 연료 전지 스택에 97%의 가습화된 수소 가스 흐름을 공급하도록 3개의 수소 가스 흐름으로 나누어질 수 있다.7.5 If the alkaline anion exchange membrane fuel cell stack and the polymer electrolyte membrane fuel cell stack use the same current, and the polymer electrolyte membrane fuel cell stack has a 2.5 stoichiometric ratio, 7.5 stoichiometric ratio released from the alkali anion exchange membrane fuel cell stack The gas having can be divided into three hydrogen gas streams to supply 97% humidified hydrogen gas streams to three polymer electrolyte membrane fuel cell stacks each having a 2.5 stoichiometric ratio.

건조 공기 흐름이 고분자 전해질 막 연료 전지 스택 애노드에 2.0의 화학 양론 비로 공급된다면, 이 공기는 2 당량의 산소와 8 당량의 질소로 구성되게 된다. 그리고, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택 애노드로부터 방출되는 가스는 8 당량의 질소, 1 당량의 산소 및 2 당량의 물로 구성되게 되며, 이 가스 흐름은 75%의 상대 습도를 가지는 것이다. If a dry air stream is supplied to the polymer electrolyte membrane fuel cell stack anode at a stoichiometric ratio of 2.0, the air will consist of 2 equivalents of oxygen and 8 equivalents of nitrogen. The gas discharged from the polymer electrolyte membrane fuel cell stack anode is composed of 8 equivalents of nitrogen, 1 equivalent of oxygen, and 2 equivalents of water, and the gas flow has a relative humidity of 75%.

위와 같은 계산에서 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 스택은 고분자 전해질 막 연료 전지 스택 사이즈의 1/3이 되므로, 가스 흐름 비율은 3배로 되며, 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 스택 가스 흐름은 75%의 습도를 가지는 것이고, 3 화학 양론 비를 가지며, 24 당량의 질소, 3 당량의 산소, 6 당량의 물이 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 스택으로부터 방출된다. 따라서, 전체 스택으로서는 질소는 24 당량, 산소는 2 당량, 물은 4 당량이 된다(즉, 55%의 상대 습도).In the above calculation, the alkali anion exchange membrane fuel cell stack is 1/3 of the polymer electrolyte membrane fuel cell stack size, so the gas flow rate is tripled, and the alkali anion exchange membrane fuel cell stack gas flow has a humidity of 75%. Having a stoichiometric ratio, 24 equivalents of nitrogen, 3 equivalents of oxygen, and 6 equivalents of water are released from the alkali anion exchange membrane fuel cell stack. Thus, the total stack is 24 equivalents of nitrogen, 2 equivalents of oxygen, and 4 equivalents of water (ie, 55% relative humidity).

본 발명의 구현예들에서는 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택과 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택을 교대로 배치하는 것에 의하여, 자체 가습을 용이하게 할 수 있다. In embodiments of the present invention, self-humidification may be facilitated by alternately arranging an alkali anion exchange membrane fuel cell or stack and a polymer electrolyte membrane fuel cell or stack.

뿐만 아니라, 본 발명의 구현예들에서 예컨대 2차 전지를 함께 이용하는 경우에, 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택과 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택의 역할을 분담시켜 응용성을 높일 수 있다.In addition, in the embodiments of the present invention, for example, when using a secondary battery together, the role of the alkaline anion exchange membrane fuel cell or stack and the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack can be shared to increase the applicability.

즉, 위 두 종류의 셀 또는 스택 중 어느 하나는 기본 전력 생산에 이용될 수 있고 다른 하나는 추가 전력(피크 파워) 제공을 위한 2차 전지의 충전 또는 추가 전력의 제공 그 자체에 이용될 수 있다. That is, any one of the above two kinds of cells or stacks may be used for primary power production and the other may be used for charging the secondary battery for providing additional power (peak power) or for providing additional power itself. .

예컨대, 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택은 2차 전지를 충전시키는데 사용하고, 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택은 기본 전력을 생산하는데 사용하도록 하는 것이 바람직하다.For example, it is preferred that the alkali anion exchange membrane fuel cell or stack be used to charge the secondary battery, and the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack be used to produce basic power.

또한, 알칼리 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택(또는 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택) 자체가 피크 파워(peak power; 피크 시점에서 보조적으로 제공되는 파워)의 제공에 사용될 수 있고, 알칼리 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택(또는 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택)이 2차 전지와 함께 피크 파워(peak power; 피크 시점에서 보조적으로 제공되는 파워)의 제공에 사용될 수 있다. In addition, an alkali exchange membrane fuel cell or stack (or polymer electrolyte membrane fuel cell or stack) itself may be used to provide peak power (alternatively provided power at peak time), and an alkali exchange membrane fuel cell A cell or stack (or polymer electrolyte membrane fuel cell or stack) can be used with the secondary cell to provide peak power (power supplementally provided at the peak time).

참고로, 2차 전지는 일반적으로 연료 전지와 함께 사용되어 과도한 에너지를 수용(2차 전지의 충전)하거나 추가 전력을 제공(2차 전지의 방전)하는 등의 역할을 하는 것이다. For reference, a secondary battery is generally used together with a fuel cell to serve to receive excessive energy (charging of a secondary battery) or to provide additional power (discharging of a secondary battery).

예시적인 구현예에서, 상기 연료 전지 장치는 가습된 수소 가스 및/또는 가습된 공기 또는 산소의 습도를 측정하는 센서를 더 포함하는 것이 바람직하다. 이 센서는 도 1에서 예컨대 2번 또는 5번에 위치하여 가습된 상태를 측정하도록 할 수 있다. In an exemplary embodiment, the fuel cell device preferably further comprises a sensor for measuring the humidity of humidified hydrogen gas and / or humidified air or oxygen. This sensor can be located in FIG. 1, for example, at 2 or 5 to measure the humidified state.

본 발명의 예시적인 구현예들에서, 상기 센서에 의하여 측정된 가습 정도에 대응하여, 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택 및/또는 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택에 공급되는 전류 또는 전압을 조절하는 전류 또는 전압 조절 장치를 더 포함할 수 있다.In exemplary embodiments of the invention, the current or voltage supplied to the alkali anion exchange membrane fuel cell or stack and / or the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack is adjusted in response to the degree of humidification measured by the sensor. It may further include a current or voltage regulation device.

본 발명의 구현예들에서는, 특히 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택과 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택이 각각 별도로 구비되는 것이고, 각각의 구성 요소 예컨대 가스 확산 층이나 집전판의 공유가 없으므로, 전류나 전압의 개별 제어가 용이하다. In embodiments of the present invention, in particular, an alkali anion exchange membrane fuel cell or stack and a polymer electrolyte membrane fuel cell or stack are provided separately, and there is no sharing of each component such as a gas diffusion layer or current collector, Individual control of current or voltage is easy.

이러한 점을 이용하여, 가습된 수소 가스 및/또는 가습된 공기 또는 산소의 습도를 센싱하고, 이 센싱 값에 대응하여 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택 및/또는 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택에 공급되는 전류 또는 전압을 조절하는 전류 또는 전압을 조절함으로써, 가습 정도를 조절할 수 있고, 나아가 각 연료 전지 셀 또는 스택의 성능을 조절할 수 있다. 여기서, 상기 전류 또는 전압 조절 장치는 해당 센싱 값에 대응하여 필요한 전류 또는 전압을 조절하는 프로세서 또는 컴퓨터일 수 있다.Using this, the humidity of humidified hydrogen gas and / or humidified air or oxygen is sensed and the alkali anion exchange membrane fuel cell or stack and / or the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack is corresponding to this sensing value. By adjusting the current or voltage to adjust the current or voltage supplied to the humidification degree, it is possible to adjust the degree of humidification, and further, to control the performance of each fuel cell or stack. Here, the current or voltage regulating device may be a processor or a computer that adjusts a required current or voltage according to the sensing value.

예시적인 구현예에서, 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택에서 물의 과잉(water flooding)이 있는 경우(예컨대, 외부의 고온 다습 환경에 기인할 수 있다), 이를 습도 측정 센서(humidity sensor)가 센싱하고, 이 센싱된 결과로부터, 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택의 출력 전압(power output)이 감소하도록 조절할 수 있다. 반대로, 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택이 많이 가습될 필요가 있는 경우(예컨대, 외부의 저온 건조 환경에 기인할 수 있다), 이를 습도 측정 센서(humidity sensor)가 센싱하고, 이 센싱된 결과로부터, 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택의 출력 전압(power output)이 증가하도록 조절할 수 있다. In an exemplary embodiment, if there is water flooding in the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack (eg, it may be due to an external high temperature and high humidity environment), it is sensed by a humidity sensor and From this sensed result, the output voltage of the alkali anion exchange membrane fuel cell or stack can be adjusted to decrease. Conversely, if a polymer electrolyte membrane fuel cell or stack needs to be highly humidified (eg, due to an external low temperature drying environment), it can be sensed by a humidity sensor and from this sensed result The alkali anion exchange membrane can be adjusted to increase the power output of the fuel cell or stack.

예시적인 구현예에서, 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택 및 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택은 같거나 상이한 전압에서 운전될 수 있다.In an exemplary embodiment, the alkali anion exchange membrane fuel cell or stack and the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack can be operated at the same or different voltages.

도 3은 본 발명의 예시적인 구현예에서 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택 및 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택이 병렬 연결된 것을 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 다른 예시적인 구현예에서 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택 및 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택이 직렬로 연결된 것을 나타내는 도면이다.3 is a diagram showing an alkali anion exchange membrane fuel cell or stack and a polymer electrolyte membrane fuel cell or stack in parallel in an exemplary embodiment of the invention, and FIG. 4 is an alkali in another exemplary embodiment of the invention. The anion exchange membrane fuel cell or stack and the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack are shown in series.

도 3에 도시된 바와 같이 병렬 연결되는 경우에는 각 셀 또는 스택에서 전압이 동일하지만, 전류는 각 셀 또는 스택의 성능에 따라 변화하게 된다. In the case of parallel connection as shown in FIG. 3, the voltage is the same in each cell or stack, but the current changes according to the performance of each cell or stack.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이 직렬 연결되는 경우에는 각 셀 또는 스택에서 전압이 상이하지만 전류는 동일하게 된다. 이와 같이 전류가 동일한 경우에는 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택이 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택의 성능을 제한할 수 있다. 그러므로, 도 1 및 2와 같이 가스의 흐름은 연결되도록 하되, 전기적으로는 각 연료전지 셀 또는 스택을 별개로 하면 위와 같은 성능 제한의 문제점을 방지할 수 있다.On the other hand, in the case of being connected in series as shown in Figure 4, the voltage is different in each cell or stack, but the current is the same. As such, when the currents are the same, the alkali anion exchange membrane fuel cell or stack may limit the performance of the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack. Therefore, as shown in FIGS. 1 and 2, the flow of gas is connected, but electrically preventing each fuel cell cell or stack separately may prevent the problem of the above performance limitation.

한편, 병렬 또는 직렬 연결의 경우에 더미 로드(dummy load; 의사 부하) 또는 저항의 추가 사용을 통하여 전압의 차이를 조정하고 역방향 전압을 방지할 수 있다(도 5 내지 7 참조).On the other hand, in the case of parallel or series connection, it is possible to adjust the difference in voltage and to prevent the reverse voltage through the additional use of a dummy load or a resistor (see FIGS. 5 to 7).

본 발명의 구현예에 따른 연료 전지 장치는 자동차, 무인 항공기, 모터싸이클, 배, 비행기, 잠수함, 로봇, 노트북, 셀폰 등 각종 에너지 사용 장치에 연결되어 동력을 전달할 수 있다.The fuel cell device according to the embodiment of the present invention may be connected to various energy use devices such as automobiles, unmanned aerial vehicles, motorcycles, ships, airplanes, submarines, robots, laptops, cell phones, and the like to transmit power.

이상에서 설명한 바와 같은 연료 전지 장치에 따르면, 별도의 가습기 장치가 없이도 가습이 가능하면서도, 별도의 가습용 셀 없이, 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택과 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택을 교대로 배치하는 것에 의하여, 연료 전지 시스템의 사이즈를 축소할 수 있고, 또한 연료 파워 밀도를 30% 이상, 예컨대 32% 이상 상승시킬 수 있다.According to the fuel cell device as described above, it is possible to humidify without a separate humidifier device, but alternately an alkaline anion exchange membrane fuel cell or stack and a polymer electrolyte membrane fuel cell or stack without a separate humidification cell. By arranging, the size of the fuel cell system can be reduced, and the fuel power density can be increased by 30% or more, for example, 32% or more.

이상에서 예시적인 구현예들을 참조하여 본 발명이 설명되었지만, 청구항에 기술되는 바와 같은 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위에서 기술 내용의 다양한 변화가 가능함은 물론이다.While the invention has been described above with reference to exemplary embodiments, of course, various changes in technical details are possible without departing from the scope of the invention as set forth in the claims.

Claims (17)

하나 이상의 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택과 하나 이상의 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택이 교대로 배치된 연료 전지 장치의 자체 가습 방법으로서,
수소 가스를 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택에 공급하는 단계; 및
알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택에서 방출된 수소 가스로서, 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택에서 생성된 물에 의하여 가습된 수소 가스를 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택에 공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치의 자체 가습 방법.
A method of self-humidification of a fuel cell device in which at least one alkali anion exchange membrane fuel cell or stack and at least one polymer electrolyte membrane fuel cell or stack are disposed alternately,
Supplying hydrogen gas to an alkali anion exchange membrane fuel cell or stack; And
Supplying hydrogen gas discharged from the alkali anion exchange membrane fuel cell or stack to the polymer electrolyte membrane fuel cell or the stack; Self-humidifying method of a fuel cell device comprising a.
제 1 항에 있어서,
상기 방법은 공기 또는 산소를 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택에 공급하는 단계; 및
고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택에서 방출된 공기 또는 산소로서, 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택에서 생성된 물에 의하여 가습된 공기 또는 산소를 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택에 공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치의 자체 가습 방법.
The method of claim 1,
The method includes supplying air or oxygen to a polymer electrolyte membrane fuel cell or stack; And
Supplying air or oxygen moistened by water generated in the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack to the alkali anion exchange membrane fuel cell or stack, as air or oxygen released from the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack; Self-humidifying method of the fuel cell device comprising a.
하나 이상의 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택과 하나 이상의 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택이 교대로 배치된 연료 전지 장치의 자체 가습 방법으로서,
공기 또는 산소를 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택에 공급하는 단계; 및
고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택에서 방출된 공기 또는 산소로서, 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택에서 생성된 물에 의하여 가습된 공기 또는 산소를 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택에 공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치의 자체 가습 방법.
A method of self-humidification of a fuel cell device in which at least one alkali anion exchange membrane fuel cell or stack and at least one polymer electrolyte membrane fuel cell or stack are disposed alternately,
Supplying air or oxygen to the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack; And
Supplying air or oxygen moistened by water generated in the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack to the alkali anion exchange membrane fuel cell or stack, as air or oxygen released from the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack; Self-humidifying method of the fuel cell device comprising a.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가습된 수소의 일부를 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택으로 다시 공급하거나,
고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택으로부터 방출된 수소 가스를 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택으로 다시 공급하거나,
상기 가습된 공기 또는 산소의 일부를 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택에 다시 공급하거나,
알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택으로부터 방출된 공기 또는 산소를 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택으로 다시 공급하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치의 자체 가습 방법.
The method according to any one of claims 1 to 3,
A portion of the humidified hydrogen is fed back to an alkali anion exchange membrane fuel cell or stack, or
Supply hydrogen gas released from the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack back to the alkali anion exchange membrane fuel cell or stack,
Supplying part of the humidified air or oxygen back to the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack;
A method of self-humidification of a fuel cell device, characterized by supplying air or oxygen released from an alkali anion exchange membrane fuel cell or stack back to the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 가습된 수소 가스 또는 가습된 공기 또는 산소의 습도를 측정하고, 측정치에 대응하여 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택 및 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상의 셀 또는 스택의 전류 또는 전압을 조절하도록 하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치의 자체 가습 방법.
The method according to any one of claims 1 to 3,
The method measures the humidity of humidified hydrogen gas or humidified air or oxygen and in response to the measurement one or more cells selected from the group consisting of alkali anion exchange membrane fuel cell or stack and polymer electrolyte membrane fuel cell or stack. Or regulating a current or voltage of the stack.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택 및 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택은 직렬 또는 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치의 자체 가습 방법.
The method according to any one of claims 1 to 3,
The alkali anion exchange membrane fuel cell or stack and the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack are connected in series or in parallel.
하나 이상의 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택 및 하나 이상의 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택이 교대로 배치된 연료 전지 장치로서,
알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택으로부터 나온 수소 가스 흐름 관이 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택으로 유입되고,
고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택으로부터 나온 공기 또는 산소 가스 흐름 관이 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택으로부터 유입되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치의 자체 가습 장치.
A fuel cell device in which at least one alkali anion exchange membrane fuel cell or stack and at least one polymer electrolyte membrane fuel cell or stack are disposed alternately,
Hydrogen gas flow tubes from the alkali anion exchange membrane fuel cell or stack are introduced into the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack,
Self-humidifying apparatus of a fuel cell device, characterized in that air or oxygen gas flow tubes from a polymer electrolyte membrane fuel cell or stack are introduced from an alkali anion exchange membrane fuel cell or stack.
제 7 항에 있어서,
알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택으로부터 나온 수소 가스 흐름 관은 분기되고, 분기된 관 중 하나는 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택으로 유입되고, 나머지 관은 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택으로 유입되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치의 자체 가습 장치.
The method of claim 7, wherein
Hydrogen gas flow tubes from the alkaline anion exchange membrane fuel cell or stack are branched, one of the branched tubes flows into the alkali anion exchange membrane fuel cell or stack, and the other tube is transferred to the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack. Self-humidifying device of the fuel cell device, characterized in that the flow.
제 7 항에 있어서,
고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택으로부터 나온 수소 가스 흐름 관은 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택으로 유입되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치의 자체 가습 장치.
The method of claim 7, wherein
The hydrogen gas flow tube from the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack is introduced into the alkali anion exchange membrane fuel cell or stack.
제 7 항에 있어서,
고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택으로부터 나온 공기 또는 산소 가스 흐름 관은 분기되고, 분기된 관 중 하나는 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택으로 유입되고, 나머지 관은 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택으로 유입되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치의 자체 가습 장치.
The method of claim 7, wherein
The air or oxygen gas flow tubes from the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack are branched, one of the branched tubes enters the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack, and the remaining tubes are alkali anion exchange membrane fuel cell or stack. Self-humidifying device of the fuel cell device, characterized in that flowing into.
제 7 항에 있어서,
알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택으로부터 나온 공기 또는 산소 흐름 관은 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택으로 유입되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치의 자체 가습 장치.
The method of claim 7, wherein
The air or oxygen flow tube from the alkali anion exchange membrane fuel cell or stack flows into the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack.
제 7 항에 있어서,
상기 연료 전지 장치에서는, 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택에 공급된 수소 가스가 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택으로부터 방출되면서 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택에서 생성된 물에 의하여 가습된 후 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택에 공급되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
The method of claim 7, wherein
In the fuel cell device, the hydrogen gas supplied to the alkali anion exchange membrane fuel cell or stack is humidified by water generated in the alkali anion exchange membrane fuel cell or stack while being discharged from the alkali anion exchange membrane fuel cell or stack. And then supplied to the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack.
제 7 항 또는 제 12 항에 있어서,
상기 연료 전지 장치는, 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택에 공급된 공기 또는 산소가 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택을 통과하면서 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택에서 생성된 물에 의하여 가습된 후 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택에 공급되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
13. The method according to claim 7 or 12,
The fuel cell device may include an alkali after humidifying air or oxygen supplied to a polymer electrolyte membrane fuel cell or stack by water generated in the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack while passing through the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack. A fuel cell device characterized by being supplied to an anion exchange membrane fuel cell or stack.
제 7 항에 있어서,
상기 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택 또는 상기 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택에서 생성된 전력은 에너지 사용 장치의 주 전력으로 이용되고, 주 전력을 공급하지 않는 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택 또는 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택은 이차 전지의 충전 전력 또는 이차 전지를 대신하여 주 전력에 대한 보조 전력으로 이용되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
The method of claim 7, wherein
The power generated in the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack or the alkali anion exchange membrane fuel cell or stack is used as the main power of the energy consuming device and does not supply the main power. Or the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack is used as an auxiliary power to the main power instead of the charging power of the secondary battery or the secondary battery.
제 7 항에 있어서,
상기 연료 전지 장치는, 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택 및 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택은 직렬 또는 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
The method of claim 7, wherein
The fuel cell device is characterized in that the alkali anion exchange membrane fuel cell or stack and the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack are connected in series or in parallel.
제 15 항에 있어서,
상기 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택 및 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택에는 더미 로드(dummy load)가 추가로 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
The method of claim 15,
And a dummy load is further connected to the alkali anion exchange membrane fuel cell or stack and the polymer electrolyte membrane fuel cell or stack.
제 7 항에 있어서,
상기 연료 전지 장치는 가습된 수소 가스 및 가습된 공기 또는 산소 중 하나 이상의 습도를 측정하는 센서를 더 포함하고, 상기 센서에 의하여 측정된 가습 정도에 대응하여, 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지 셀 또는 스택 및 고분자 전해질 막 연료 전지 셀 또는 스택으로 이루어지는 그룹에서 선택된 하나 이상의 연료 전지 셀 또는 스택에 공급되는 전류 또는 전압을 조절하는 전류 또는 전압 조절 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
The method of claim 7, wherein
The fuel cell apparatus further includes a sensor for measuring humidity of at least one of humidified hydrogen gas and humidified air or oxygen, and corresponding to the degree of humidification measured by the sensor, an alkali anion exchange membrane fuel cell or stack; And a current or voltage regulating device for regulating a current or voltage supplied to at least one fuel cell or stack selected from the group consisting of a polymer electrolyte membrane fuel cell or a stack.
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