KR20160032233A - 연료 전지 적층체의 작동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단순한 구조를 갖고 신뢰성 있게 내부 기체가 제거되는 연료 전지 적층체(2)를 제공하기 위해, 산소 및 수소가 반응 기체로서 기체 입구 측에서 연료 전지에 공급되고, 적어도 산소가 기체 회로(6)를 통해 연료 전지 내에서 순환하는, 복수의 연료 전지 및 하나 이상의 기체 회로(6, 8)를 포함하는 연료 전지 적층체(2)의 작동 방법에 관한 것이다.

Description

연료 전지 적층체의 작동 방법, 연료 전지 적층체 및 연료 전지 시스템 {METHOD FOR OPERATING A FUEL CELL STACK, FUEL CELL STACK AND FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료 전지 적층체의 작동 방법에 관한 것이다. 본 발명은 추가로 연료 전지 적층체 및 이러한 연료 전지 적층체를 갖는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
수소-산소 PEM (양성자교환막) 연료 전지는 반응물로서 수소 매질과 산소 매질 둘 다를 사용하여 작동된다. 이들 반응 기체는, 순도에 따라, 제조 공정으로부터 유래되는 1 내지 0.001 부피%의 불활성 또는 영족 기체를 함유한다. 연료 전지의 작동 시에, 이들 불활성 기체 성분은 반응물 챔버 내에 축적되며, 연료 전지의 작동을 방해하지 않도록 제거되어야 한다. 이러한 이유로, 불활성 기체는 연료 전지로부터 지속적으로 또는 간헐적으로 제거되어야 한다. 충분히 환기된 환경에서 (예를 들어 야외에서), 이것은 산소 측에서는 문제가 되지 않지만, 수소 측에서는 기체를 적절하게 경로배정함으로써 잔류 애노드 기체로 인해 가연성 기체 혼합물이 발생하지 않도록 해야 한다. 폐쇄된 대기에서 (예를 들어 잠수함에서), 소위 잔류 기체의 양은 최소로 감소되어야 한다. 부가적으로, 소량의 잔류 기체는 반응물의 높은 활용 수준을 의미하기도 한다.
수소-산소 연료 전지의 불활성 기체 상용성, 소량의 잔류 기체 및 반응물의 높은 활용은 예를 들어 연료 전지의 소위 계단화(cascading)에 의해 달성된다. 이러한 연료 전지의 계단화는 예를 들어 EP 2122737 A1에 기술되어 있다. 이러한 계단화는, 계단(cascade) (= 회로) 당 불활성 기체 농도가 증가하다가 마지막 계단인 소위 퍼지(purging) 전지에서 끝나는, 서로 포개어진 일련의 수소-산소 회로를 나타낸다. 이들 전지의 전압은 퍼지 전지의 배출 및 따라서 전체 연료 전지 적층체의 배출을 조절한다. 이로써, 예를 들어 잠수함에서 요망되는 바와 같은, 더 소량의 잔류 기체가 달성될 수 있다.
그러나, 상기에서 기술된 해결책은, 내부 계단화의 구현을 위한 전지 수준에서의 비교적 복잡한 구조의 다양한 부품을 갖는 연료 전지 적층체, 및 이와 연관된 복잡한 공정 및 제어 기술 (분리기, 밸브 등)을 의미한다.
따라서 본 발명의 목적은, 불활성 기체가 신뢰성 있게 배출되는, 연료 전지 시스템의 연료 전지 적층체의 단순한 구조를 가능하게 하는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따라, 산소 및 수소가 반응 기체로서 연료 전지의 기체 입구 측에서 공급되고, 적어도 산소가 연료 전지 내의 기체 회로를 통해 순환 모드로 공급되는, 복수의 연료 전지 및 하나 이상의 기체 회로를 포함하는 연료 전지 적층체의 작동 방법에 의해 달성된다.
상기 목적은 추가로 본 발명에 따라, 산소 및 수소가 반응 기체로서 기체 입구 측에서 공급될 수 있는 복수의 연료 전지를 포함하고 추가로 적어도 산소 측에 산소의 순환 모드를 위한 기체 회로를 포함하는 연료 전지 적층체에 의해 달성된다.
상기 목적은 마지막으로 본 발명에 따라, 하나 이상의 이러한 연료 전지 적층체를 갖는 연료 전지 시스템, 특히 PEM 연료 전지 시스템에 의해 달성된다.
추가의 유리한 구성 및 실시양태는 청구범위의 종속항에서 특징지워진다.
본 발명은 수소 및 산소를 사용하여 작동되도록 설계된 연료 전지 적층체의 제조 및 공정 조작의 복잡성을 순환 모드를 사용함으로써 단순화할 수 있다는 발견에 기초한다. 여기서 순수한 산소를 사용하는 공정의 특별한 특성이 고려되어야 한다. 공기를 사용하여 작동되는 PEM 연료 전지의 공기 측에서의 기체 회로에서의 순환 모드는 전형적인데, 왜냐하면 일반적으로 과도한 공기는 캐소드 측에서 연료 전지에 의해 퍼지되기 때문이다. 산소 모드에서는 특히 재료 (금속, 가스켓 등)의 선택이 특히 중요하다. 일반적으로 공기호흡형 연료 전지의 통상적인 구조 재료는 산소 모드에서의 요구 사항을 견디지 못한다.
본 발명에 따르면, 비록 바람직하게는 반응 기체 (산소 및 수소) 둘 다가 순환 모드로 연료 전지 적층체에 공급되는 것이지만, 적어도 산소의 순환 모드가 제공된다. 이러한 목적을 위해 두 개의 개별적인 기체 회로가 제공된다. 바람직하게는 산소 측의 순환 모드와 수소 측의 순환 모드는 서로 독립적으로 제어 또는 조절된다.
실시양태의 바람직한 변형예에 따라, 기체 회로 내에 존재하는 반응 기체의 농도가 측정되고, 농도 변화에 기초하여 반응 기체의 공급 및/또는 배출이 제어 또는 조절된다. 이러한 경우에 농도의 변화는 직접적으로 농도 측정기에 의해 기록될 수 있다. 이러한 경우에 기체 회로에서의 순환 모드의 작동 매개변수의 변화는 특히 수소 유동 내의 불활성 기체의 농도가 3부피%이고 산소 유동 내의 불활성 기체의 농도가 15부피%일 때 시작된다.
실시양태의 추가의 바람직한 변형예에 따라, 연료 전지의 전지 전압이 측정되고, 전지 전압 변화에 기초하여 반응 기체의 공급 및/또는 배출이 제어 또는 조절된다. 여기서 농도의 변화는 전지 전압을 통해 간접적으로 측정된다.
기체 회로 내의 불활성 기체의 백분율의 상승에 대응하여, 기체 회로 내에 존재하는 반응 기체의 부피 유량 (또한 하기에서 순환 속도라고 지칭됨)이 적당하게 변경된다. 이를 특히 기체 회로 내에 설치된 반응 기체를 위한 압축기의 속도를 조절함으로써 수행한다. 부가적으로 또는 대안적으로, 기체 회로 내에 존재하는 반응 기체는 바람직하게는 적어도 부분적으로 인출되고, 신선한 반응 기체가 공급된다. 반응 기체 내의 불활성 기체의 백분율이 상승하기 시작할 때 반응 기체의 부피 유량이 특히 증가된다. 따라서 특정량의 기체의 높은 활용이 달성된다. 이러한 조치가 불충분한 경우에, 즉 불활성 기체의 백분율이 계속 상승하는 경우에, 반응 기체의 일부가 배출되고 신선한 기체로 대체된다. 이로써 연료 전지 적층체에서의 공정의 효율이 증가한다.
즉, 수소-산소 PEM 연료 전지 적층체의 순환 모드는 특히 기체 농도가 각각 각 반응 기체 100%일 때 시작되고 초기에 급격히 감소하며; 연속 작동 시에 (정상 상태), 불활성 기체의 최대 백분율은 전형적으로 산소의 경우에 약 40%이고 수소의 경우에 약 5%이다. 이러한 경우에, 수소-산소 PEM 연료 전지의 불활성 기체 상용성 (즉 전압 또는 성능의 일관성)은 하기에 의해 달성된다:
1) 불활성 기체의 백분율이 상승하거나 전지 전압이 저하될 때, 순환을 증가시키고, 불활성 기체의 상응하는 양을 위해 또는 전지 전압이 못 미쳐질 때, 산소 및 수소를 위한 기체 챔버를 서로 독립적으로 부분적으로 배출시키고 그에 대응하게 새로운 반응물을 첨가하거나;
2) 불활성 기체의 백분율이 상승하거나 전지 전압이 저하될 때, 순환을 증가시키고, 불활성 기체의 상응하는 양을 위해 또는 전지 전압이 못 미쳐질 때 또는 수소 재결합기를 위한 잔류 기체의 필요량을 위해, 기체 챔버를 부분적으로 배출시키고 그에 대응하게 새로운 신선한 반응물을 첨가한다. 이러한 경우에 수소 재결합기를 위해 최적의, 즉 가장 적은 부피를 초래하는, 잔류 기체인 수소 및 산소의 물로의 전환은 연료 전지 적층체의 퍼지 거동을 결정한다.
특히 각각의 반응물 챔버 내의 수소 또는 산소의 백분율은 적절한 센서에 의해 동시에 결정되고 이로부터 퍼지가 유도된다. 대안적으로 또는 부가적으로, 잔류 기체 중 하나, 특히 수소의 농도가 감지되고, 특히 산소 회로의, 순환 속도 및 퍼지는 전지 전압을 통해 조절된다.
순환 속도 (즉 기체 회로 내에서의 반응 기체의 부피 유량 또는 처리량)는 바람직하게는 압력 손실분 측정에 의해, 예를 들어 압축기 또는 연료 전지를 통해 결정된다. 압력 손실분을 사용하여, 반응 기체의 유동 속도 또는 부피 유량을 결정한다 (최소 부피 유량에 못 미쳐서는 안 됨).
연료 전지 또는 연료 전지 적층체 내에서의 압력의 증가는, 특히 연료 전지 적층체의 출구와 압축기 (또는 순환 펌프) 사이에 공급 밸브가 배열됨으로써 달성된다.
이러한 경우에 잔류 기체의 배출을 위한 배출 밸브는 적당하게 3-방향 밸브로서 실행된다. 따라서, 불활성 기체를 함유하는 반응물은 배출 작업 동안에 연료 전지 출구로부터 인출되고 동시에 연료 전지 입구에는 공급 밸브를 통해 신선한 반응물이 공급되며, 여기서 불활성 기체를 함유하는 반응 기체와 신선한 기체의 혼합은 회피된다.
순환 모드는 특히 동시에 공급되는 여러 개의 연료 전지에 적용된다.
발생하는 불활성 기체의 최대 백분율은 특히 수소 재결합기 (또는 또 다른 연료 전지)에서의 잔류 기체의 2차 처리 동안에 감소한다.
상기에서 기술된 작동 모드는 소형 연료 전지 장치 또는 모듈(module) (약 50 kW 이하)이 상호 연결된 방식으로 작동되는 경우에 특히 유리한데, 왜냐하면 여기서는 대안적인 계단 원리가 적용될 수 없거나, 또는 특히 공간 또는 비용의 이유로 상당한 경비가 들기 때문이다.
따라서, 본 발명에 따르면, 순환 속도 및 반응 기체 배출이 성능 특징 및/또는 기체 농도에 따라 변동하는 수소-산소 PEM 연료 전지 적층체의 단일 또는 이중 순환 모드가 제공된다. 연료 전지의 계단화가 없어도 순환 모드 덕분에 불활성 기체 상용성이 증가한다. 따라서, 마찬가지로, 계단화를 위한 센서 및 작동기의 상응하는 비용 및 따라서 이와 연관된 제조의 복잡성이 회피된다.
불활성 기체의 백분율은 기체의 품질 및 퍼지 특징에 따라 달라진다. 전형적으로 불활성 기체의 최대 백분율은 산소의 경우에 약 40%이고, 따라서 공기-작동되는 PEM 연료 전지의 불활성 기체의 백분율에 못 미치기 쉬우며, 또한 효율 수준은 훨씬 더 높다.
본 발명의 예시적인 실시양태는 도면에 기초하여 더 상세하게 설명된다:
도 1은 재결합 없는 연료 전지 적층체의 반응 기체의 순환 모드를 도시한다.
도 2는 재결합 있는 연료 전지 적층체의 반응 기체의 순환 모드를 도시한다.
다양한 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 의미를 갖는다.
도 1은 (여기서는 더 상세하게 도시되지 않는) 복수의 연료 전지 및 이와 연관된 제어기(4)를 포함하는 연료 전지 적층체(2)를 도시한다. 연료 전지 적층체(2)의 기체 입구 측에서 산소 O2 및 수소 H2가 공급된다. 각 반응 기체에 대해 기체 회로(6, 8)가 제공되고, 따라서 반응 기체인 산소 및 수소가 순환 모드로 연료 전지 적층체(2)에 공급된다. 두 도면 모두에서 기체 분리기는 도면 부호 9로 표시된다.
압력계 및 반응 기체의 농도를 측정하기 위한 농도 측정기(12a, 12b)가 각각의 기체 회로(6, 8)에 통합된다. 측정 신호는 제어기(4)로 보내지고 이들 측정 신호에 기초하여 3-방향 밸브(14a, 14b)가 작동한다. 부가적으로 연료 전지의 작동 시의 전압 강하를 측정하기 위한 전압계(13)가 제공된다.
두 기체 회로(6, 8)는 서로 독립적으로 제어된다. 각각의 기체 회로(6, 8)에서 산소 또는 수소의 최소 농도가 이루어질 때, 존재하는 반응 기체는 적어도 부분적으로 배출되고 밸브(16a, 16b)를 통해 신선한 기체에 의해 배출된다.
부가적으로, 각 반응 기체를 연료 전지 적층체(2)에 공급하기 위한 순환 펌프 또는 압축기(18a, 18b)가 각각의 기체 회로(6, 8)에 통합된다.
도 2는 연료 전지 적층체(2)의 하류에서 수소 및 산소 유동이 수소 재결합기(20)에 공급되고, 이로부터 물 유동(22) 및 불활성 기체 유동(24)이 인출된다는 점에서만 도 1과 다르다. 재결합기(20) 대신에, 추가의 하류 소비 장치, 예를 들어, 추가의 연료 전지 또는 추가의 연료 전지 적층체가 제공될 수 있고, 여기에서 산소와 수소가 반응한다.

Claims (15)

  1. 복수의 연료 전지 및 하나 이상의 기체 회로(6, 8)를 포함하는 연료 전지 적층체(2)의 작동 방법이며,
    산소 및 수소가 반응 기체로서 연료 전지의 기체 입구 측에서 공급되고, 적어도 산소가 기체 회로(6)를 통해 순환 모드로 연료 전지에 공급되는, 연료 전지 적층체(2)의 작동 방법.
  2. 제1항에 있어서, 반응 기체 둘 다가 순환 모드로 연료 전지에 공급되는, 연료 전지 적층체(2)의 작동 방법.
  3. 제2항에 있어서, 산소 측의 순환 모드와 수소 측의 순환 모드가 서로 독립적으로 제어 또는 조절되는, 연료 전지 적층체(2)의 작동 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 기체 회로(6, 8) 내에 존재하는 반응 기체의 농도가 측정되고, 농도 변화에 기초하여 반응 기체의 공급 및/또는 배출이 제어 또는 조절되는, 연료 전지 적층체(2)의 작동 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 연료 전지의 전지 전압이 측정되고, 전지 전압 변화에 기초하여 반응 기체의 공급 및/또는 배출이 제어 또는 조절되는, 연료 전지 적층체(2)의 작동 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 기체 회로(6, 8) 내에 존재하는 반응 기체의 부피 유량이 변경되는, 연료 전지 적층체(2)의 작동 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 기체 회로(6, 8) 내에 존재하는 반응 기체가 적어도 부분적으로 인출되고, 신선한 반응 기체가 공급되는, 연료 전지 적층체(2)의 작동 방법.
  8. 산소 및 수소가 반응 기체로서 기체 입구 측에서 공급될 수 있는 복수의 연료 전지를 포함하고 추가로 적어도 산소 측에 산소의 순환 모드를 위한 기체 회로(6)를 포함하는 연료 전지 적층체(2).
  9. 제8항에 있어서, 수소 측에 수소의 순환 모드를 위한 추가의 기체 회로(8)를 포함하는 연료 전지 적층체(2).
  10. 제9항에 있어서, 산소 측의 기체 회로(6) 및 수소 측의 기체 회로(8)를 서로 독립적으로 제어하도록 설계된 제어 장치(4)를 포함하는 연료 전지 적층체(2).
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 기체 회로(6, 8) 내에 존재하는 반응 기체의 농도를 측정하기 위한 농도 측정기(12a, 12b)를 포함하는 연료 전지 적층체(2).
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 연료 전지의 전지 전압을 측정하기 위한 전압계(13)를 포함하는 연료 전지 적층체(2).
  13. 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 기체 회로(6, 8)에 통합된 반응 기체용 압축기(18a, 18b)를 포함하는 연료 전지 적층체(2).
  14. 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 기체 회로(6, 8) 내에 존재하는 반응 기체를 인출하기 위한 제1 배출 밸브(14a, 14b), 및 신선한 반응 기체를 기체 회로(6, 8) 내로 공급하기 위한 공급 밸브(16a, 16b)를 포함하는 연료 전지 적층체(2).
  15. 제8항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 연료 전지 적층체(2)를 갖는 연료 전지 시스템, 특히 PEM 연료 전지 시스템.
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