KR20140067146A - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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피터 데이비드 후드
크리스토퍼 제임스 커크
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Abstract

그 자신의 수소 누출 검출기로서 작용하는 연료 전지 시스템이 개시된다. 본 시스템은, 적어도 하나의 캐소드 및 산화성 가스를 그 캐소드를 통해 또는 그 캐소드 위로 전달하기 위한 캐소드 도관을 포함하는 연료 전지; 및 연료 전지를 수용하고 이 연료 전지 주위에 플레넘(plenum)을 규정하는 하우징을 포함한다. 환기 시스템이 플레넘으로부터 공기를 캐소드 도관 안으로 강제 유입시키도록 되어 있고, 제어 시스템은 연료 전지 전압을 모니터링하고 상기 캐소드 도관내의 수소 존재로 인한 전압 강하를 검출하도록 되어 있다. 본 시스템은 적층체로 있는 다수의 연료 전지들을 포함할 수 있다. 제어 시스템은 연료 전지 또는 상기 연료 전지 적층체에 있는 하나 이상의 연료 전지의 실제 전압을 결정하기 위한 전지 전압 모니터링 시스템; 상기 연료 전지 또는 연료 전지 적층체의 작동 조건을 나타내는 입력을 받는 처리기를 포함할 수 있다. 그 처리기는 모니터링되는 하나 이상의 연료 전지의 예상 전압을 결정하여, 실제 전압과 예상 전압 간의 차가 캐소드 도관내 수소의 미리 정해진 레벨을 나타내는 미리 정해진 문턱값을 초과하는지의 여부를 판단하게 된다.

Description

연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료 전지 시스템, 특히 수소가 연료 전지의 애노드측에 공급되고 연료 전지의 캐소드측에는 산소가 공급되며 물 부생성물이 연료 전지의 캐소드측에서 발생되어 그 캐소드측으로부터 제거되는 양자 교환 막형 연료 전지에 관한 것이다.
이러한 연료 전지는 일반적으로 2개의 다공성 전극 사이에 위치되는 양자 교환 막(PEM) 및 막-전극 어셈블리(MEA)를 포함한다. MEA 자체는 통상적으로 (ⅰ) MEA의 캐소드 면에 인접하는 제 1 면을 갖는 캐소드 확산 구조체와 (ⅱ) MEA의 애노드 면에 인접하는 제 1 면을 갖는 애노드 확산 구조체 사이에 위치된다. 애노드 확산 구조체의 제 2 면은, 전류를 모으고 애노드 확산 구조체의 제 2 면에 수소를 분산시키기 위한 애노드 유체 흐름장 플레이트와 접촉한다. 캐소드 확산 구조체의 제 2 면은, 전류를 모으고 캐소드 확산 구조체의 제 2 면에 산소를 분산시키며 또한 MEA로부터 과잉의 물을 빼내기 위한 캐소드 유체 흐름장 플레이트와 접촉한다. 복수의 그러한 연료 전지는 통상적으로 직렬 구성으로 층을 이루어 연료 전지 적층체를 형성하게 된다.
연료 전지 적층체는 통상적으로, 연료 전지 시스템의 다른 구성 요소를 위한 지지 및/또는 보호를 제공할 수 있는 하우징 또는 다른 지지 프레임 또는 구조체 내부에 설치될 수 있다. 연료 전지 시스템의 다른 구성 요소들은, 캐소드 확산 구조체를 강제 환기시켜 산소를 전달하기 위한 하나 이상의 팬, 연료 전달 시스템, 연료 및 공기 흐름 모니터링 시스템, 온도 모니터링 시스템, 전지 전압 모니터링 시스템, 및 연료 전지 적층체에 제어 기능을 제공하기 위한 전자 장치와 같은 다양한 요소를 포함할 수 있다.
연료 전지 시스템에 공통적으로 사용되는 추가적인 일 구성 요소는, 연료 전지 적층체 또는 지원 연료 전달 시스템으로부터의 수소 누출을 검출하기 위한 수소 검출기이다. 수소 누출 검출기는 연료 전지 적층체의 안전한 작동에 중요한 요소일 수 있지만, 그 연료 전지 시스템의 구성을 더 복잡하게 하고 또한 비용도 더 들게 된다. 또한, 수소 누출 검출기는 수소 누출물의 존재를 성공적으로 검출할 수 있지만, 세어 나온 가스를 다루는 것을 적극적으로 도와주지는 않는데, 오히려 누출 검출기는 통상적으로 경보 조건을 촉발시키고 그리고/또는 연료 전지 및/또는 연료 공급을 차단하는데 사용된다.
본 발명의 목적은 연료 전지 시스템에서 수소 누출을 검출하기 위한 개선된 시스템을 제공하는 것이다.
일 양태에 따르면, 본 발명은, 적어도 하나의 캐소드 및 산화성 가스를 그 캐소드를 통해 또는 그 캐소드 위로 전달하기 위한 캐소드 도관을 포함하는 연료 전지; 상기 연료 전지를 수용하고 이 연료 전지 주위에 플레넘(plenum)을 규정하는 하우징; 상기 플레넘으로부터 공기를 상기 캐소드 도관 안으로 강제 유입시키도록 되어 있는 환기 시스템; 및 연료 전지 전압을 모니터링하고 상기 캐소드 도관내의 수소 존재로 인한 전압 강하를 검출하도록 되어 있는 제어 시스템을 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다. 상기 하우징은 연료 전지의 캐소드 배출면을 제외하고는 그 연료 전지의 모든 면을 구속하는 플레넘을 규정할 수 있으며, 상기 캐소드 배출면은 캐소드 도관의 하류 단부를 포함한다. 상기 환기 시스템은 공기를 상기 플레넘 안으로 불어 넣기 위해 상기 하우징의 벽에 배치되는 팬을 포함할 수 있다. 상기 하우징은 플레넘내의 일차 공기 배출 경로가 상기 캐소드 도관을 지나도록 구성될 수 있다. 상기 연료 전지 시스템은 상기 하우징 내의 하나 이상의 적층체에 형성되는 복수의 상기 연료 전지를 포함할 수 있다. 상기 제어 시스템은, 연료 전지 또는 상기 연료 전지 적층체에 있는 하나 이상의 연료 전지의 실제 전압을 결정하기 위한 전지 전압 모니터링 시스템; 상기 연료 전지 또는 연료 전지 적층체의 작동 조건을 나타내는 입력을 받고 또한 모니터링되는 하나 이상의 연료 전지의 예상 전압을 상기 입력으로부터 결정하기 위한 처리기; 및 상기 실제 전압과 예상 전압 간의 차가 캐소드 도관내 수소의 미리 정해진 레벨을 나타내는 미리 정해진 문턱값을 초과하는지의 여부를 판단하기 위한 비교기를 포함할 수 있다. 상기 하우징은 주변 공기를 상기 플레넘 안으로 유입시키기 위한 적어도 하나의 공기 입구를 포함할 수 있으며, 상기 시스템은, 상기 캐소드 도관의 하류에 배치되며 상기 플레넘으로부터 공기를 상기 캐소드 도관 안으로 끌어들여 이 도관으로부터 그 공기를 배출시키도록 되어 있는 팬을 더 포함한다.
이제, 본 발명의 실시 형태를 첨부 도면을 참조하여 예시적으로 설명하도록 한다,
도 1 은 하우징 내부에 배치되는 연료 전지 적층체를 포함하는 연료 전지 시스템을 나타낸다.
도 2 는 도 1 의 연료 전지 시스템에 포함되어 있는 수소 누출 검출 시스템의 기능 요소들을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1 을 참조하면, 연료 전지 시스템(1)은 하우징(2) 내부에 배치되는 연료 전지 적층체(2)를 포함한다. 하우징(3)은 연료 전지 적층체(2)를 수용하며 그 연료 전지 적층체 주위에 공기 공간 또는 플레넘(4; plenum)을 규정한다. 연료 전지 적층체(2)는, 적층체(2)에 있는 연속적인 전지(5)의 출력 전압이 직렬로 연결되어 원하는 전압의 적층체 출력을 제공하도록 통상적인 적층 구성으로 함께 층을 이루고 있는 복수의 전지(5)를 포함한다. 연료 전지 적층체(2)는, 적층체에 있는 막-전극 어셈블리의 애노드측에 연료를 전달하기 위한 애노드 채널 및 적층체에 있는 막-전극 어셈블리의 캐소드측에 산화제를 전달하기 위한 캐소드 채널을 포함하는 통상적인 구성으로 되어 있다. 연료 전지 적층체(2)는, 실질적으로 대기압에서 상기 캐소드 채널을 통한 강제 환기를 통해 산화제가 MEA의 캐소드측에 전달되도록 개방 캐소드 형으로 될 수 있다. 적층체(2)는, 캐소드 공기가 취입되는 캐소드 입구면(6) 및 캐소드 공기가 방출되는 캐소드 배출면(7)을 포함하는 다수의 면을 포함한다. 도 1 에서 보는 바와 같이, 하우징(3)은 바람직하게는 연료 전지(2)를 완전히 에워싸지는 않고, 캐소드 배출면(7)을 하우징(4) 외부의 주변 공기에 노출시킨다. 공기가 적층체(2)의 가장자리 주위를 지나는 것을 방지하기 위해 하우징은 그 적층체의 가장자리에 시일링될 수 있다.
하우징(3)은 구멍(8) 및 이 구멍 안에 있는 관련 팬(9)을 포함하는데, 연료 전지 적층체의 작동 중에 그 팬은 공기를 상기 플레넘(4) 안으로 끌어들여 그 플레넘 내의 공기 압력을 약간 상승시키게 되며, 따라서 그 공기가 캐소드 입구면(6) 안으로 유입하여 연료 전지 적층체(2) 내의 캐소드 도관을 통과해서 캐소드 배출면(7)을 통해 방출된다. 공기가 캐소드 도관을 통해 전달되는 중에, 그 공기는 적층체에 있는 연료 전지의 캐소드 표면을 통과하거나 그 위를 지나가는 산화성 가스를 제공하며, 또한 물 부생성물을 캐소드 밖으로 배출면(7)에 이동시키게 된다. 팬(9)은 또한 하우징내의 지원 전자 장치(15)에 공기를 불어 주도록 위치될 수 있는데, 이리하여, 회로 장치가 냉각되고 그래서 연료 전지에 들어가는 공기가 예열된다. 적절한 공기 흐름을 발생시키는 다른 형태의 환기 시스템이 사용될 수 있는데, 예컨대 송풍기, 압축기 등이 사용될 수 있다. "팬"은 그러한 모든 공기 흐름 발생기를 포함하는 것이다.
연료 전지 적층체는 일반적으로, 막-전극 어셈블리, 확산층, 유체 흐름 플레이트 및 다양한 층들을 시일링하는 가스켓을 포함하는 수십 또는 수백개의 층으로 만들어진다. 층의 시일링이 불완전하거나 사용되는 재료가 시간이 지남에 따라 악화되면, 수소 가스가 세어 나올 수 있다. 그러므로, 많은 경우에, 적층체(2)로부터의 수소 가스의 세어 나옴을 모니터링하는 것이 바람직하다. 도 1 의 설계에서, 적층체(2)에서 수소 가스가 세어 나오면 주로 수소가 플레넘(4) 안으로 누출될 것임을 알 수 있을 것이다. 또한, 하우징(3) 안에 들어 있는 지원 연료 전달 시스템으로부터 수소가 세어 나오면, 수소가 플레넘(4) 안으로 누출될 것이다. 본 발명자들은, 연료 전지 적층체 그 자체가 적절한 제어 시스템과 함께 수소 누출을 검출하는데 사용될 수 있으므로 별도의 수소 검출기를 플레넘(4) 내부에 제공할 필요가 없다는 것을 인식하였다.
플레넘(4) 안으로 누출되는 수소는 강제 환기되어 캐소드 입구면(6)을 통과하여 연료 전지 적층체의 캐소드 도관 안으로 들어가게 된다. 연료 전지의 MEA의 캐소드 면에 수소가 있으면, 전압이 강하되고 연료 전지의 효율이 손실된다. 이 전압 강하는 후술하는 제어 시스템을 사용하여 연료 전지를 주의 깊게 모니터링하여 검출될 수 있다. 또한, 하우징의 입구 가까이에 있는(반드시 하우징 내부에 있을 필요는 없음) 수소 누출물은 팬(9)에 의해 하우징 안으로 끌려 들어갈 수 있고 결과적으로 그 수소가 캐소드 도관을 통해 강제 환기된다.
도 2 에 나타나 있는 바와 같이, 연료 전지 적층체(2)는 적어도 2개의 전지 전압 모니터링 단자(20)를 포함하는데, 이 단자는 전지 또는 일련의 전지 또는 심지어는 전체 저층체의 전압을 검출하는데 사용될 수 있다. 연료 전지는 적층체에 있는 많은 전지에서 또는 직렬로 연결된 전지들의 선택된 그룹에서 전지 전압 모니터링 단자를 가질 수 있다. 전지 또는 적층체 전압(들)은 전지 전압 모니터링 회로(21)에 전달되어 기록된다. 처리기(22)가 연료 전지 전압(들)을 모니터링하고 캐소드 도관내의 수소 존재로 인한 전지 또는 적층체 전압의 강하를 검출하도록 되어 있다.
이를 위해, 처리기(22)는 전지 또는 적층체 전압 출력의 예기치 못한 변화를 검출하고 전지 또는 적층체 전압이 예기치 않게 떨어진 경우에 검출 조건을 촉발시킬 수 있다. 대안적으로, 처리기는 전지 또는 적층체에 대한 현재의 작동 조건을 받으면 실제 전지 또는 적층체 전압 출력을 예상되는 전지 또는 적층체 전압 출력과 비교할 수 있다. 이를 위해, 처리기(22)에는, 연료 전지(들) 또는 적층체의 감지된 작동 조건에 대응하는 복수의 입력(23)이 제공될 수 있다. 이들 작동 조건은 온도, 연료 흐름, 전기적 부하, 캐소드 출력 습도, 국부적인 주변 습도, 연료 전지 나이, 대기압, 최근의 작동 이력 등과 같은 파라미터를 포함할 수 있다. 처리기는 상기 입력들을 사용하여, 적절한 알고리즘 또는 룩업 테이블을 이용하여 예상 전압을 결정하는데 사용될 수 있는 작동 조건을 결정할 수 있다. 처리기는 측정된 실제 전압과 연료 전지의 작동 조건으로부터 구해지는 예상 전압 간의 차가 예컨대 플레넘 안으로 들어가는 수소 누출물로 인해 생기는 캐소드 도관내 수소의 미리 정해진 레벨을 나타내는 문턱값 또는 특정 양을 초과하는지의 여부를 판단하기 위한 비교기를 포함할 수 있다. 처리기가 상기 작동 조건들 중의 일부 또는 전부를 알고 있어야 하는 정도는 필요한 수소 검출의 감도(sensitivity)에 달려 있다. 연료 전지의 캐소드는 수소의 존재에 아주 민감할 수 있는데, 그래서, 캐소드 공기 흐름 중에 수소가 단지 몇 ppm 만이 있어도 전지 전압의 상당한 강하(심지어는 거의 제로까지 떨어질 수 있음)가 일어날 수 있다.
수소 검출을 위한 도 1 및 2 의 하우징(3)의 폐쇄식 구성 및 환기 시스템의 다른 이점으로서, 연료 전지에 의해 검출되는 누출된 수소는 PEM의 캐소드측에서 일어나는 반응에 의해 어느 정도 소비될 것이다. 수소는 캐소드에서 배출되는 물로 되어 안전하게 배출될 것이다. 따라서, 누출된 수소를 편리하게 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 그 수소는 연료 전지 그 자체에 의해 부분적으로 또는 완전히 무해하게 될 수 있다.
도 1 및 2와 관련하여 설명한 예시적인 연료 전지 시스템의 다양한 변화가 가능하다.
적층체(2)의 캐소드 배출면(7)은 하우징(3) 내부에 수용될 수도 있지만, 적절한 환기 도관이나 다른 공기 흐름 도관에 의해 하우징 외부에 직접 연결될 수 있다.
팬(9)은 연료 전지 적층체의 하류 캐소드 배출면(7) 상에 또는 그에 인접하여 위치될 수 있고 또한 플레넘(4)으로부터 공기를 캐소드 도관을 통해 끌어올 수 있다. 이러한 구성에서, 하우징(3)에 있는 구멍(8)의 크기는 바람직하게는, 상당히 세어 나온 충분한 수소가 끌려 캐소드 도관을 통과하기에 충분한 약간의 부압을 플레넘 안에 유지시키기에 배출 팬이 충분히 강하도록 되어 있다. 구멍(8)은 더 원활한 공기 흐름을 위해 하우징 주위에 분산되어 있는 다수의 구멍을 포함할 수 있다.
연료 전지 적층체(2)에서 누출되는 수소가 하우징 내부에 잡혀 연료 전지의 캐소드 도관 안으로 강제 유입되도록 하우징(3)은 비교적 기밀한 것이 바람직하다. 그러나, 완전한 기밀이 필수적인 것은 아님을 이해할 것이다. 요구되는 하우징의 폐쇄의 정도는, 팬의 강도, 적층체를 통과하는 필요한 공기 흐름 및 더 많은 공기 흐름에 있는 수소의 작은 농도를 검출하는 것에 대한 적층체의 민감도에 의해 부분적으로 결정될 것이다. 따라서, 필요한 것은, 적층체(2)에서 누출된 수소의 충분한 부분이 신뢰성 있는 검출을 위해 캐소드 도관을 통해 강제 환기되기 위해 잡혀 있도록 하우징(3)이 충분한 봉쇄를 플레넘(4)에 주는 것 뿐이다. 바람직한 구성에서, 하우징과 환기 시스템은, 플레넘(4)에 있는 일차(즉, 주요) 공기 배출 경로가 캐소드 도관을 지나가도록 구성되어 있다.
하우징(3)은 어떤 크기의 연료 전지 또는 연료 전지 적층체라도 수용할 수 있으며, 다수의 적층체가 공통의 하우징을 공유할 수 있다.
다른 실시 형태가 첨부된 청구 범위에 포함된다.

Claims (7)

  1. 연료 전지 시스템으로서,
    적어도 하나의 캐소드 및 산화성 가스를 그 캐소드를 통해 또는 그 캐소드 위로 전달하기 위한 캐소드 도관을 포함하는 연료 전지;
    상기 연료 전지를 수용하고 이 연료 전지 주위에 플레넘(plenum)을 규정하는 하우징;
    상기 플레넘으로부터 공기를 상기 캐소드 도관 안으로 강제 유입시키도록 되어 있는 환기 시스템; 및
    연료 전지 전압을 모니터링하고 상기 캐소드 도관내의 수소 존재로 인한 전압 강하를 검출하도록 되어 있는 제어 시스템을 포함하는 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징은 연료 전지의 캐소드 배출면을 제외하고는 그 연료 전지의 모든 면을 구속하는 플레넘을 규정하며, 상기 캐소드 배출면은 캐소드 도관의 하류 단부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 환기 시스템은 공기를 상기 플레넘 안으로 불어 넣기 위해 상기 하우징의 벽에 배치되는 팬을 포함하는 연료 전지 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 하우징은 플레넘내의 일차 공기 배출 경로가 상기 캐소드 도관을 지나도록 구성되어 있는 연료 전지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징 내의 하나 이상의 적층체에 형성되는 복수의 상기 연료 전지를 포함하는 연료 전지 시스템.
  6. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은,
    연료 전지 또는 상기 연료 전지 적층체에 있는 하나 이상의 연료 전지의 실제 전압을 결정하기 위한 전지 전압 모니터링 시스템;
    상기 연료 전지 또는 연료 전지 적층체의 작동 조건을 나타내는 입력을 받고 또한 모니터링되는 하나 이상의 연료 전지의 예상 전압을 상기 입력으로부터 결정하기 위한 처리기; 및
    상기 실제 전압과 예상 전압 간의 차가 캐소드 도관내 수소의 미리 정해진 레벨을 나타내는 미리 정해진 문턱값을 초과하는지의 여부를 판단하기 위한 비교기를 포함하는 연료 전지 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징은 주변 공기를 상기 플레넘 안으로 유입시키기 위한 적어도 하나의 공기 입구를 포함하며, 상기 시스템은, 상기 캐소드 도관의 하류에 배치되며 상기 플레넘으로부터 공기를 상기 캐소드 도관 안으로 끌어들여 이 도관으로부터 그 공기를 배출시키도록 되어 있는 팬을 더 포함하는 연료 전지 시스템.
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