KR20160023815A - 연료 전지 공기 흐름 방법 및 시스템 - Google Patents

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누베라 퓨엘 셀스, 인크.
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Abstract

본 발명은 연료 전지 전력 시스템에 대한 공기 흐름을 관리하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은, 압축기로부터 배출된 공기를 제공하는 단계 및 가습 장치로부터 배출된 공기를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 상기 압축기로부터 배출된 공기를 연료 전지의 업스트림에서 상기 가습 장치로부터 배출된 공기와 혼합하는 단계 및 상기 혼합물을 상기 연료 전지의 캐소드로 공급하는 단계를 포함한다.

Description

연료 전지 공기 흐름 방법 및 시스템{FUEL CELL AIR FLOW METHOD AND SYSTEM}
본 발명은 연료 전지들을 위한 공기 흐름 관리에 관한 것이며, 특히, 전력 시스템들에서 사용되는 연료 전지들의 공기 흐름 관리에 관한 것이다.
연료 전지는 화학 반응들로부터 전류를 생성하기 위해 사용되는 장치이다. 연료 전지 기술은 예를 들어, 운송 차량들, 휴대용 전원 공급 애플리케이션들과 같은 기술들의 범위에 대한 종래의 전원에 대한 유망한 대안을 제공한다. 연료 전지는 산소 또는 다른 산화제들과의 화학 반응을 통해 연료(예로서, 수소, 천연 가스, 메탄올, 가솔린 등)의 화학 에너지를 전기로 변환한다. 화학 반응은 전형적으로 전기, 열 및 물을 생산한다. 기본 연료 전지는 음으로 대전된 애노드, 양으로 대전된 캐소드, 및 전해질이라고 불리는 이온 전도성 재료를 포함한다.
다른 연료 전지 기술들은 상이한 전해질 재료들을 이용한다. 예를 들어, 양자 교환 막(PEM) 연료 전지는 전해질로서 고분자 이온-전도성 막을 이용한다. 수소 PEM 연료 전지에서, 수소 원자들은 애노드에서 전기화학적으로 전자들과 양자들(수소 이온들)로 분리된다. 애노드에서의 전기화학적 반응은 2H2 → 4H++ 4e-이다.
반응에 의해 생성된 전자들은 전기 부하 회로를 통해 캐소드로 흘러, 직류 전기를 생성한다. 반응에 의해 생성된 양자들은 전해질 막을 통해 캐소드로 확산한다. 전해질은 양으로 대전된 이온들의 통과를 허용하는 동안, 음으로 대전된 전자들의 통과를 방지하도록 구성될 수 있다.
전해질을 통한 양자들의 이동에 따라서, 양자들은 캐소드에서 전기 부하 회로를 통과한 전자들과 반응할 수 있다. 캐소드에서의 전기화학적 반응은 물과 열을 생성하고, 그것은 다음과 같이 발열 반응으로 표현된다: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O.
작동시, 단일 연료 전지는 일반적으로 약 1 볼트를 생성할 수 있다. 특정 애플리케이션에 대한 전력의 원하는 양을 얻기 위해, 각각의 연료 전지들은 연료 전지 스택을 형성하도록 조합된다. 연료 전지들은 캐소드, 전해질 막, 및 애노드를 포함하는 각각의 전지와 함께 순차적으로 적층된다. 각 캐소드/막/애노드 조립체는 전형적으로 2극 극판들에 의해 양 사이드들 상에서 지지되는 "막 전극 조립체"(MEA)를 구성한다. 가스들(수소 및 공기)는 흐름 필드들으로 알려진 극판들에 형성된 채널들 또는 그루브들을 통해 MEA의 전극들에 공급된다. 기계적 지지를 제공하는 것 외에도, 2극 극판들(흐름 필드 극판들 또는 세퍼레이터 극판들로 또한 알려진)은 스택 내의 별도의 개별 전지들을 전기적으로 연결함과 동시에 물리적으로 분리한다. 2극 극판들은 또한 집전기들로서의 역할을 하고, 연료와 산화제에 대한 접속 채널들(access channels)을 각각의 전극 표면들에 제공하고, 연료 전지의 동작중에 형성된 물의 제거를 위한 채널들을 제공한다. 추가의 반응을 촉진시키기 위해, 캐소드 반응으로부터 형성된 물이 연속적으로 캐소드로부터 제거되어야만 한다. 물은 배기 가스 수증기의 형태로 캐소드로부터 제거될 수 있다.
양자 교환 막(PEM) 연료 전지에서, 전해질로서 행동하는 고분자 이온 전도성 막은 막의 전도성을 촉진하기 위하여 특정 습도 수준을 요구한다. 최적의 연료 전지 성능에 대한 주요 과제는 PEM 연료 전지의 적당한 막 습도를 유지하는 것이다. 완전히 수화(hydrated)되지 않은 PEM 막은 양자(protonic) 전도성의 감소를 야기할 수 있고, 저항 손실, 감소된 전력 출력, 및 감소된 수명(membrane life)을 야기할 수 있다. 반면, 막 내에 너무 많은 물의 존재는 막을 범람할 수 있고, 이것은 막을 통한 흐름 채널들을 잠재적으로 차단하고 연료 전지 성능과 작동 수명에 부정적으로 영향을 미친다. 연료 전지에 들어가는 반응물(Reactants), 예로서, 수소와 산소를 함유하는 공기는 온도와 습도에 따라 변할 수 있고, 따라서 PEM 연료 전지의 막과 성능에 영향을 미칠 수 있다.
PEM 연료전지가 효율적으로 작동하고 최대 출력 전력을 생산하기 위해, PEM 연료 전지는 적절히 가습되어야 한다. 캐소드의 입구 공기 습도를 조절함으로써, 전해질 막을 통한 물 운송에 영향을 미치는 것이 가능하다. 구체적으로, 전기 삼투 드래그(예로서, 수소 양자들에 의해 애노드에서 캐소드로의 전해질 막에 걸쳐 드래그된 물 분자들) 와 역확산(예로서, 전해질 막에 걸친 물의 경사로 인해 캐소드에서 애노드로 이동하는 물 분자들)의 균형을 잡는 것이 가능하다. 캐소드 입구 공기를 가습하는 것은 PEM 연료 전지들로 하여금 더 높은 온도들에서 동작하는 것과 더 큰 전력 출력을 생산하는 것을 허용한다. PEM 연료 전지들이 적당하게 가습되지 않은 경우에, PEM 연료 전지들은 완전히 건조되어 방해된 전기화학 반응들을 야기할 수 있다. 예를 들어, 예를 들어, 막이 탈수되는 경우 전해질 막 구멍들(pores)은 수축될 수 있고, 이는 캐소드로부터 애노드로 물의 역확산을 제한할 수 있다. 그러나, PEM 연료 전지들에서의 너무 많은 물은 추가적인 문제들을 더 야기시킬 수 있다. 과도한 물이 캐소드에 형성되는 경우, 캐소드에서의 환원 반응의 동역학들이 방해될 수 있다. 그러므로, 연료 전지를 적당하게 가습하는 공기 흐름의 효율적인 방법에 대한 필요성이 존재한다.
전술한 상황들을 고려하여, 본 발명 개시는 연료 전지 전력 시스템들의 공기 흐름 관리를 위한 방법 및 시스템을 제공한다.
본 발명 개시의 일 양상은 연료 전지 전력 시스템에 대한 공기 흐름을 관리하는 방법에 관한 것이며, 상기 방법은 가습 장치로부터 배출된(expelled) 공기를 제공하는 단계; 압축기로부터 배출된 공기를 연료 전지의 가습 장치 상류부문으로부터 배출된 공기와 혼합하는 단계; 및 공기 혼합물을 연료 전지의 캐소드에 공급하는 단계를 포함한다.
본 발명 개시의 또 다른 양상은 연료 전지 공기 흐름 관리 시스템에 관한 것이며, 상기 시스템은 연료 전지에 공기를 공급하도록 구성된 압축기; 연료 전지에 공기를 공급하도록 구성된 가습 장치; 및 압축기에서 가습 장치로 향하는 공기의 양과 상기 가습 장치를 우회하는 공기의 양을 결정하도록 구성된 제어기를 포함한다.
본 발명 개시의 또 다른 양상은 연료 전지 공기 흐름 관리 시스템에 관한 것이며, 상기 시스템은: 압축기; 가습 장치; 압축기와 가습 장치에 유동적으로 연결된 연료 전지; 및 압축기로부터 연료 전지로 및 압축기로부터 가습 장치로 흐르는 공기를 조절하도록 구성된 제어기를 포함하고, 여기서 공기의 제 1 비율은 압축기에서 연료전지로 흐르고, 공기의 제 2 비율은 압축기에서 가습 장치로 흐르고, 제 1 비율은 제 2 비율과 동일하지 않다.
전술한 일반적인 설명과 다음의 상세한 설명 둘 모두가 단지 예시적이고 설명적이며 청구된 본 발명 개시를 제한하지 않음이 이해되어야 한다.
본 발명 개시는 예로서, 자동차의 PEM 연료 전지들을 위한 공기 흐름 시스템과 같은 특정 애플리케이션들에 대한 도시적인 실시예들을 참조하여 본 명세서에 기술된다. 본 명세서에 기술된 실시예들이 이에 한정되지 않는 것이 이해되어야 한다. 본 명세서에 제공된 교시들에 접근하는 당업자는 추가 수정들, 응용들, 실시예들, 및 본 발명 개시의 범위 내에 모두 들어가는 균등물들의 대체물을 인식할 것이다. 예를 들어, 본 명세서에 기술된 원리들은 임의의 적당한 애플리케이션(예로서, 자동의, 휴대형, 산업의, 고정의, 백업 전력 또는 이동 장치 연료 전지 애플리케이션들)을 위한 임의의 적당한 PEM 연료 전지와 함께 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명 개시는 전술한 또는 다음의 설명들에 의해 제한되지 않는다.
도 1은 예시적인 일 실시예에 따른 연료 전지 전력 시스템의 일부의 개략도.
도 2는 예시적인 일 실시예에 따른 연료 전지 전력 시스템의 흐름 통로들을 도시한 그래프.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 전력 시스템(100)의 개략도이다. 전력 시스템(100)은 연료 전지(110), 압축기(120), 가습 장치(130), 전기 회로(140), 및 제어기(200)를 포함할 수 있다. 연료 전지(110)는 또한 애노드(111), 캐소드(112), 및 양자 교환 막(PEM)(113)을 포함할 수 있다. 연료 전지(110)는 수소, 일산화탄소, 메탄올, 또는 메탄을 포함한 희석 경질 탄화수소와 같은 다양한 연료들을 수용할 수 있다. 애노드(111)는 전기화학적으로 연료를 전자들과 양자들로 분리할 수 있다. 전자들은 전기 회로(150)를 통해 캐소드(112)로 흐를 수 있고 그 과정에서 전기를 생성할 수 있는 반면, 양자들이 PEM(113)을 통해 캐소드(112)로 이동한다. 캐소드(112)에서, 양자들은 전자들과 결합하고 공기 공급기(120)에 의해 공급된 산소와 반응하여 물과 열을 생성할 수 있다. 캐소드(112)에서 생성된 여분의 물은 캐소드 출구 스트림(160)으로 연료 전지(110)로부터 제거될 수 있다. 애노드 출구 스트림(170)은 애노드(111) 내의 사용되지 않은 연료가 연료 전지(110)를 나가는 것을 허용할 수 있다. 사용되지 않은 연료는 전반적인 전력 시스템 효율성을 증가하기 위해 재활용될 수 있다.
연료 전지(110)는 개방형 흐름 필드 설계를 갖는 PEM 연료 전지를 포함할 수 있다. 개방형 흐름 필드 연료 전지들은 일반 양도된 미국특허 출원(공개번호 2011/0223514호)에 기술되었고, 이 출원은 그 전체가 참조로서 본 명세서에 통합된다. 개방형 흐름 필드 설계는 캐소드(112)에서 생성된 물이 다시 흐르게 하여 PEM(113)을 가습하는 것을 허용한다.
일부 실시예들에서, 연료 전지(110)는 복수의 연료 전지들로 적층되어(도시되지 않음) 연료 전지 스택을 형성할 수 있다. 예를 들어, 연료 전지(110)가 연료전지 자체에 주어진 애플리케이션을 지원하기에 충분한 전력을 생성할 수 없는 경우, 적층되어 충분한 양의 전력을 제공할 수 있다.
입구 스트림(150)은 공기를 연료 전지(110)의 캐소드(112)로 공급할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 입구 스트림(150)은 압축기(120)와 가습 장치(130)를 통과하여 캐소드로 라우팅(enroute)된다. 입구 스트림(150)에 의해 공급된 공기는 하나 이상의 요소들, 예로서, 유효성(availability), 온도, 압력, 또는 습도에 따라서 변할 수 있다. 예를 들어, 공기는 연료 전지(110)에 대한 환경으로부터 주변 공기를 포함할 수 있다. 주변 공기는 주변 공기의 온도에서 측정된 0~100% 사이의 상대 습도를 가질 수 있다.
압축기(120)는 공기가 연료 전지(100)에 들어가기 전에, 입구 스트림(150) 내의 공기를 압축하도록 구성될 수 있다. 공기는 흡입구(suction inlet)(도시되지 않음)를 통해 압축기(120)로 들어갈 수 있고, 출구(도시되지 않음)를 통해 압축기로부터 방출될 수 있다. 일 실시예에서, 압축기(120)는 내부 챔버(도시되지 않음) 내의 공기를 압축하여 건조 공기를 생성할 수 있다. 도 2와 관련하여 이하에서 더 상세하게 설명된 바와 같이, 건조 공기는 가습 장치(130) 또는 연료 스택(110)으로 흐를 수 있다. 압축기(120)는 피스톤, 스크류, 스크롤 또는 팬케이크 타입을 포함하는 업계에서 알려진 임의의 타입의 압축기를 포함할 수 있다.
압축기(120)로부터의 건조 공기는 입구 스트림(150)을 경유하여 가습 장치(130)로 흐를 수 있다. 그러므로, 가습 장치(130)는 압축기(120)와 연료 전지(110) 사이의 캐소드(112)로 유동적으로 연결될 수 있다. 가습 장치(130)는 입구 스트림(150) 내의 물을 가열, 냉각, 또는 첨가함으로써 입구 스트림(150)의 습도를 변경하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 가습 장치(130)는 충분한 물을 더하여 습도를 예로서 약 +/- 1%, 약 +/- 2%, 약 +/- 5%, 또는 약 +/- 10% 만큼 증가시킬 수 있다. 가습 장치(130)는 전기 회로(140) 또는 다른 대체 전력 공급원에 의해 전력을 공급받을 수 있다.
대안적인 실시예들에서(도시되지 않음), 가습 장치(130)는 연료 전지(110) 또는 연료 전지 스택으로 통합되고, 따라서 단일 장치를 형성할 수 있다. 이러한 집적 가습 장치는 연료 전지 또는 연료 전지 스택으로 조립된 추가의 플레이트들을 포함할 수 있다. 추가의 플레이트들은 스택을 연료 전지 구역들과 가습 구역들로 분리할 수 있다. 가습 구역들은 냉각수가 막을 통해 침투하여 인접 구역의 가스를 가습하는 것을 허용한다. 집적 가습 장치는 공간 요구사항들과 하드웨어를 상호연결하는 양을 줄일 수 있다.
상술된 바와 같이, 몇몇의 반응들이 연료 전지(110) 내에서 발생할 수 있다. 양자들 및 전자들은 캐소드에서 결합할 수 있으며, 산소와 반응하여 물과 열을 생성할 수 있다. 생성된 열은 다양한 메커니즘들에 의해 연료전지(110)로부터 제거될 수 있다. 예를 들어 연료 전지는 냉각 유체의 흐름이 연료 전지로부터의 열을 제거하고 그 열을 외부적으로 배출하는 것을 허용하는 냉각제 채널을 포함할 수 있다. 게다가, 열 교환기(180)는 생성된 여분의 열을 배출하기 위해 사용될 수 있다. 열 교환기(180)는 예로서, 쉘 및 튜브, 플레이트, 플레이트 및 쉘, 또는 플레이트 및 핀 열 교환기를 포함할 수 있다. 열 교환기(180)는 연료 전지(110)에 인접하여 생성된 열이 전도에 의해 열 교환기로 이동하는 것을 허용할 수 있다. 대안적인 장치는 냉각제 유체 흐름으로 하여금 연료 전지(110)를 통해 흘러 여분의 열을 배출될 수 있는 열 교환기(180)로 전달하도록 하는 것을 포함할 수 있다.
제어기(200)는 압축기(120), 가습 장치(130), 연료 전지, 및 모니터에 대한 다양한 센서들(도시되지 않음)에 연결되어 전력 시스템(100)을 조절할 수 있다. 제어기(200)는 전력 시스템(100)의 하나 이상의 파라미터들을 감지하고, 이러한 파라미터들을 기초로 하여 공기 흐름을 조절하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어기(200)는 상기 파라미터들을 기초로 하여 가습 장치(130) 및 연료 전지(110)로 흐르는 공기의 양을 결정하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 제어기(200)는 전력 시스템(100)의 집적 구성요소가 될 수 있다. 다른 실시예들에서, 제어기(200)는 전력 시스템(100)의 다양한 구성요소들과 통신하는 별도의 구성요소가 될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 입구 스트림(150)은 압축기(120), 가습 장치(130) 및 연료 전지(110)를 유동적으로 연결하는 복수의 통로들을 포함할 수 있다. 추가적으로, 출구 스트림(190)은 연료 전지(110)와 가습 장치(130)를 유동적으로 연결하는 복수의 통로들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 압축기(120)로부터의 공기의 제 1 비율은 입구 스트림(150)을 경우하여 가습 장치(130)(점 A)로 흐를 수 있다. 압축기(120)로부터의 공기의 제 2 비율은 가습 장치(130)를 우회하여 입구 스트림(150)을 경유하여 연료 전지(110)(점 B)로 직접 흐를 수 있다. 제 1 및 제 2 비율들은 동일하거나 다른 양일 수 있다. 일 실시예에서, 공기의 약 100%는 가습 장치(130)로 흐르고, 공기의 약 0%는 가습 장치(130)를 우회한다. 다른 실시예들에서, 공기의 약 75%는 가습 장치(130)로 흐를 수 있고, 공기의 약 25%는 가습 장치(130)를 우회할 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 공기의 약 50%는 가습 장치(130)로 흐를 수 있고, 공기의 약 50%는 가습 장치(130)를 우회할 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 공기의 약 25%는 가습 장치(130)로 흐를 수 있고, 공기의 약 75%는 가습 장치(130)를 우회할 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 공기의 약 0%는 가습 장치(130)로 흐를 수 있고, 공기의 약 100%는 가습 장치(130)를 우회할 수 있다.
예를 들어, 공기의 전체 양은 압축기(120)로부터 가습 장치(130)를 향할 수 있다. 또 다른 예시에서, 압축기(120)로부터 가습 장치(130)로 향하는 공기의 양은 압축기(120)로부터 연료 전지(110)로 향하는 공기(즉, 가습 장치(130)를 우회하는 공기)의 양보다 3 배 더 많을 수 있다. 또 다른 예시에서, 압축기(120)로부터 가습 장치(130)로 향하는 공기의 양은 압축기(120)로부터 연료 전지(110)로 향하는 공기의 양과 동일할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 압축기(120)로부터 가습 장치(130)로 향하는 공기의 양은 압축기(120)로부터 연료 전지(110)로 향하는 공기의 양의 3분의 1일 수 있다. 추가적으로, 압축기(120)로부터의 공기의 총량은 연료 전지(110)로 향하게 될 수 있다.
제어기(200)는, 예를 들어, 연료 전지(110)의 성능, 작동 조건들, 환경 조건들, 연료 전지(110)의 업스트림의 공기의 상대 습도, 연료 전지(110) 업스트림의 공기의 이슬점 온도, 연료 전지(110)의 입구 또는 출구 냉각 온도 등을 포함하는 다양한 요소들을 기초로 하여, 가습 장치(130)로 흐르는 공기의 양 및 가습 장치(130)를 우회하는 양을 결정할 수 있다.
상술된 바와 같이, 압축기(120)는 건조 공기를 배출할 수 있고, 가습 장치(130)는 이 공기의 농도를 바꿀 수 있고 증가된 습도를 갖는 공기(예로서, 습윤 공기)를 배출할 수 있다. 가습 장치(130)로부터의 습윤 공기는 가습 장치(130)를 우회한 압축기(120)로부터의 건조 공기와 혼합될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 혼합은 연료 전지(110)의 업스트림에서 이루어질 수 있다. 혼합된 건조 및 습윤 공지는 연료 전지(110)의 캐소드(112)로 흐를 수 있다.
출구 스트림(190)은 연료 전지(110)와 가습 장치(130)를 유동적으로 연결할 수 있고 연료 전지(110)를 대기와 유동적으로 연결할 수 있다. 일부 실시예들에서, 출구 스트림(190)은 연료 전지(110)로부터 배출된 공기를 다시 가습 장치(130)로 재순환 시킬 수 있다. 재순환된 공기는 습윤 공기가 될 수 있고, 가습 장치(130) 내에서 압축기(120)로부터의 건조 공기와 혼합될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 이러한 혼합 공기는 그러므로 입구 스트림(150)을 경유하여 연료 전지(110)로 다시 흐를 수 있다.
다른 실시예들에서, 연료 전지(110)로부터의 공기, 예로서 습윤 공기의 제 1 비율은 출구 스트림(190)을 경유하여 가습 장치(130)(점 D)로 흐를 수 있으며 전력 시스템(110) 내에서 재순환될 수 있다. 연료 전지(110)로부터의 공기, 예로서, 습윤 공기의 제 2 비율은 출구 스트림(190)을 경유하여 대기(점 E)로 배출될 수 있다. 공기의 제 2 비율은 대기로 대출되기 전에 가습 장치(130)로부터 배출된 습윤 공기(점 F)와 혼합될 수 있다. 제 1 및 제 2 비율들은 동일하거나 다른 양들일 수 있다. 일 실시예에서, 공기의 약 100%는 가습 장치(130)로 흐르고, 공기의 약 0%는 대기로 흐른다. 또 다른 실시예들에서, 공기의 약 75%는 가습 장치(130)로 흐를 수 있고, 공기의 약 25%는 대기로 흐를 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 공기의 약 50%는 가습 장치(130)로 흐를 수 있고, 공기의 약 50%는 대기로 흐를 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 공기의 약 25%는 가습 장치(130)로 흐를 수 있고, 공기의 약 75%는 대기로 흐를 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 공기의 약 0%는 가습 장치(130)로 흐를 수 있고, 공기의 약 100%는 대기로 흐를 수 있다.
예를 들어, 공기의 모든 양은 연료 전지(110)에서 가습 장치(130)로 향하게 될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 연료 전지(110)로부터 가습 장치(130)로 향하게 되는 공기의 양은 연료 전지(110)로부터 대기로 향하는 공기의 양보다 3 배 더 많을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 연료 전지(110)로부터 가습 장치(130)로 향하는 공기의 양은 연료 전지(110)로부터 대기로 향하는 공기의 양과 동일할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 연료 전지(110)로부터 가습 장치(130)로 향하는 공기의 양은 연료 전지(110)로부터 대기로 향하는 공기의 양의 3분의 1 일 수 있다. 추가적으로, 연료 전지(110)로부터의 공기의 전체 양은 대기로 향하게 될 수 있다.
제어기(200)는, 예를 들어, 연료 전지(110)의 성능, 작동 조건들, 환경 조건들, 연료 전지(110)의 업스트림의 공기의 상대 습도, 연료 전지(110)의 업스트림의 공기의 이슬점 온도, 연료 전지(110)의 입구 또는 출구 냉각 온도 등을 포함하는 다양한 요소들을 기초로 하여, 가습 장치(130)로 흐르는 공기의 양 및 대기로 흐르는 양을 결정할 수 있다.
일부 실시예들에서, 가습 장치(130)로부터 배출된 공기(점 C로 이동되는)의 흐름 속도는 압축기(120)로부터 배출된 공기(점 C로 직접적으로 이동되고 점 B에서 가습 장치(130)를 우회하는)의 흐름 속도보다 더 작을 수 있다. 예를 들어, 가습 장치(130)로부터 배출된 공기의 흐름 속도는 가습 장치(130)를 우회하는 공기에 비해 약 100%에서 약 0%로 감소 될 수 있다. 이러한 흐름 속도의 감소는 연료 전지(110)로 들어가는 공기에 요구되는 최적의 습도에 따라 달라질 수 있다. 추가적으로, 가습 장치로부터 배출된 공기(점 C로 이동되는)는 압축기(120)로부터 배출된 공기(점 C로 직접적으로 이동되고 점 B에서가습 장치(130)를 우회하는)와 실질적으로 동일한 압력을 포함할 수 있다. 하나 이상의 밸브들(200), 또는 다른 유압 장치들은, 예를들어, 압축기(120) 및 가습 장치(130)로부터 배출되는 공기의 압력을 조절하기 위해 사용될 수 있다.
입구 스트림(150) 및 출구 스트림(190)의 통로들 내의 건조 및 습윤 공기의 분리는 통로들 내의 불균일한 압력을 생성할 수 있다. 예를 들어, 입구 스트림(150) 내의 건조 공기는 출구 스트림(190) 내의 습윤 공기보다 더 높은 압력을 포함할 수 있다. 그러므로, 점들(A, B, 및 C)은 각각 점들(D,E, 또는 F)보다 더 높은 압력을 포함할 수 있다. 입구 스트림(150) 및 출구 스트림(190)의 통로들은 대체로 균일하거나 그렇지 않다면 통로들 내의 압력들을 변경하기 위한 다양한 내부 직경들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 건조 공기를 갖는 통로들은 습윤 공기를 갖는 통로들보다 더 큰 직경들을 포함할 수 있다.
밸브들(200)은 추가적으로 입구 스트림(150) 및 출구 스트림(190) 내의 공기의 흐름을 변경할 수 있다. 예를 들어, 밸브들(200)은 압축기(120)로부터의 공기를 가습 장치(130) 또는 연료 전지(110)를 향하게 할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 예를 들어 밸브들(200)은 연료 전지(110)로부터의 공기를 가습 장치(130) 또는 대기로 흐르게 할 수 있다. 밸브들(200)이 공기를 흐르게 하기 위해 전력 시스템(200) 내의 다양한 위치들에 배치될 수 있다는 것이 고려된다. 밸브들(200)은 특정 애플리케이션에 필요한 조정 수준에 따라 비례 또는 온-오프가 될 수 있다.
전력 시스템(100)의 공기 흐름은 가습 장치(130)로 하여금 압축기(120)로부터의 공기의 감소된 양의 농도를 변경(예로서, 더 습하게)하도록 허용할 수 있다. 예를 들어, 가습 장치(130)는 감소된 흐름 속도에서 압축기(120)로부터의 공기의 감소된 양을 순환시킬 수 있다. 그러므로, 가습 장치(130)는 종래의 장치들보다 더 작은 크기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 가습 장치(130)는 약 50%, 약 40%, 약 30%, 약 20%, 또는 약 10%만큼 감소된 체적 또는 약50%, 약 40%, 약 30%, 약 20%, 또는 약 10%만큼 감소된 무게를 포함할 수 있다. 추가적으로, 전력 시스템(100)은 원하는 습도의 공기 흐름을 연료 전지에 제공할 수 있고, 연료 전지의 수명을 증가시킬 수 있다. 전력 시스템(100)에 의한 연료 전지의 습도의 이러한 제어는 전압 및 전류 출력에 관하여 연료 전지 스택의 최적화를 허용할 수 있다.
본 개시사항의 또 다른 실시예들은 본 개시사항의 명세서 및 실시를 고려하는 당업자에게 명백할 것이다. 명세서 및 예들이 단지 예시로서 고려되어야하고, 본 발명 개시의 진정한 범주 및 사상은 다음의 청구 항들에 의해 지시되는 것이 의도된다.

Claims (20)

  1. 연료 전지 전력 시스템에 대한 공기 흐름을 관리하는 방법에 있어서:
    압축기로부터 배출된 공기를 제공하는 단계;
    가습 장치로부터 배출된 공기를 제공하는 단계;
    상기 압축기로부터 배출된 공기를 연료 전지의 업스트림(상류)에서 상기 가습 장치로부터 배출된 공기와 혼합하는 단계;
    상기 공기 혼합물을 상기 연료 전지의 캐소드에 공급하는 단계를 포함하는, 연료 전지 전력 시스템에 대한 공기 흐름을 관리하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축기로부터 배출된 공기의 제 1 비율이 상기 가습 장치로 향하게 되도록 결정하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 전력 시스템에 대한 공기 흐름을 관리하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 결정은 상기 연료 전지의 업스트림에서 공기의 상대 습도, 상기 연료 전지의 업스트림의 공기의 이슬점 온도, 상기 연료 전지의 입구 냉각 온도 또는 상기 연료 전지의 출구 냉각 온도로부터 선택된 성능 요소들을 기초로 하는, 연료 전지 전력 시스템에 대한 공기 흐름을 관리하는 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 압축기로부터 배출된 공기의 제 2 비율을 상기 가습 장치를 우회하도록 향하게 결정하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 전력 시스템에 대한 공기 흐름을 관리하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 비율은 상기 압축기로부터 배출된 공기의 전체 양의 약 50%이고, 상기 제 2 비율은 약 50%인, 연료 전지 전력 시스템에 대한 공기 흐름을 관리하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축기로부터 배출된 상기 공기는 건조 공기이고, 상기 가습 장치로부터 배출된 상기 공기는 습윤 공기인, 연료 전지 전력 시스템에 대한 공기 흐름을 관리하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축기로부터 배출된 상기 공기는 상기 가습 장치로부터 배출된 상기 공기보다 더 높은 흐름 속도를 갖는, 연료 전지 전력 시스템에 대한 공기 흐름을 관리하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지로부터의 공기의 제 3 비율을 상기 가습 장치로 향하게 하고, 상기 연료 전지로부터의 제 4 비율을 상기 대기로 향하게 하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 전력 시스템에 대한 공기 흐름을 관리하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 연료 전지로부터 상기 가습 장치로 또는 상기 대기로 향하는 공기의 양의 결정은 상기 연료 전지 업스트림의 공기의 상대 습도, 상기 연료 전지(110) 업스트림의 공기의 이슬점 온도, 상기 연료 전지의 입구 냉각 온도 또는 상기 연료 전지의 출구 냉각 온도로부터 선택된 성능 요소들을 기초로 하는, 연료 전지 전력 시스템에 대한 공기 흐름을 관리하는 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 3 비율은 상기 연료 전지로부터의 전체 양의 약 50%이고, 상기 제 4 비율은 약 50%인, 연료 전지 전력 시스템에 대한 공기 흐름을 관리하는 방법.
  11. 연료 전지 공기 흐름 관리 시스템에 있어서,
    공기를 연료 전지에 공급하도록 구성된 압축기;
    공기를 상기 연료 전지에 공급하도록 구성된 가습 장치; 및
    상기 압축기로부터 상기 가습 장치로 향하는 공기의 양 및 상기 가습 장치를 우회하는 공기의 양을 결정하도록 구성된 제어기를 포함하는, 연료 전지 공기 흐름 관리 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 결정은 상기 연료 전지 업스트림의 공기의 상대 습도, 상기 연료 전지 업스트림의 공기의 이슬점 온도, 상기 연료 전지의 입구 냉각 온도 또는 상기 연료 전지의 출구 냉각 온도로부터 선택된 성능 요소들을 기초로 하는, 연료 전지 공기 흐름 관리 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 압축기로부터 공급된 공기는 건조 공기이고 상기 가습 장치로부터 공급된 공기는 습윤 공기인, 연료 전지 공기 흐름 관리 시스템.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 압축기로부터 공급된 공기는 상기 가습 장치로부터 공급된 공기보다 더 높은 흐름 속도를 갖는, 연료 전지 공기 흐름 관리 시스템.
  15. 제 11 항에 있어서,
    가습 장치는 상기 연료 전지로부터의 공기를 재순환시키도록 구성되는, 연료 전지 공기 흐름 관리 시스템.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 압축기로부터 상기 가습 장치로 향하는 공기의 양은 상기 가습 장치를 우회하는 공기의 양보다 3 배 더 많은, 연료 전지 공기 흐름 관리 시스템.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 연료 전지로부터 상기 가습 장치로 향하는 공기의 양 및 상기 연료 전지로부터 상기 대기를 향하게 된 공기의 양을 결정하도록 구성되는, 연료 전지 공기 흐름 관리 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 연료 전지로부터의 공기의 상기 결정은 상기 연료 전지의 업스트림의 공기의 상대 습도, 상기 연료 전지의 업스트림의 공기의 이슬점 온도, 상기 연료 전지의 입구 냉각 온도 또는 상기 연료 전지의 출구 냉각 온도로부터 선택된 성능 요소들을 기초로 하는, 연료 전지 공기 흐름 관리 시스템
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 연료 전지로부터 상기 가습 장치로 향하는 공기의 양은 상기 연료 전지로부터 상기 대기로 향하는 공기의 양보다 3 배 더 많은, 연료 전지 공기 흐름 관리 시스템.
  20. 공기 흐름 관리 시스템을 갖는 연료 전지에 있어서,
    압축기;
    가습 장치;
    상기 압축기와 상기 가습 장치에 유동적으로 연결된 연료 전지; 및
    상기 압축기로부터 상기 연료 전지 및 상기 압축기로부터 상기 가습 장치로 흐르는 상기 공기를 조절하도록 구성된 제어기를 포함하고,
    공기의 제 1 비율은 상기 압축기로부터 상기 연료 전지로 흐르고 공기의 제 2 비율은 상기 압축기로부터 상기 가습 장치로 흐르고, 상기 제 1 비율은 상기 제 2 비율과 동일하지 않은, 공기 흐름 관리 시스템을 갖는 연료 전지.
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