KR20160138189A - 연료 전지들을 위한 캐소드 가스 재순환 방법 및 시스템 - Google Patents

연료 전지들을 위한 캐소드 가스 재순환 방법 및 시스템 Download PDF

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안토니오 마지오레
기암파올로 시빌리아
파올로 쥬끼
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누베라 퓨엘 셀스, 인크.
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Abstract

연료 전지 모듈을 위한 캐소드 재순환 시스템은 불활성 가스를 수신하도록 구성된 불활성 가스 유입구 통로 및 산소를 수신하도록 구성된 산소 가스 유입구 통로, 불활성 가스 유입구 통로, 산소 가스 유입구 통로, 및 적어도 하나의 캐소드의 유입구와 유체가 통하는 블렌딩 구성 요소, 및 산소 및 불활성 가스를 함유하는 혼합 가스 스트림을 재순환시키도록 구성된 블렌딩 구성 요소 및 적어도 하나의 캐소드의 배출구와 유체가 통하는 재순환 라인을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 캐소드로부터 방출된 혼합 가스의 적어도 일 부분은 블렌딩 구성요소로 다시 재순환될 수 있고, 산소, 불활성 가스, 또는 산소 및 불활성 가스 모두는 재순환된 혼합 가스 스트림으로 도입되고 이후 적어도 하나의 캐소드의 유입구로 공급될 수 있다.

Description

연료 전지들을 위한 캐소드 가스 재순환 방법 및 시스템{CATHODE GAS RECIRCULATION METHOD AND SYSTEM FOR FUEL CELLS}
본 출원은, 각각이 전체로 참조로서 통합된, 2014년 3월 27일에 출원된 미국 가출원 번호 제 61/971,179 호 및 2014년 4월 30일에 출원된 미국 가출원 번호 제 61/986,753 호의 이익을 주장한다.
본 발명은 연료 전지 모듈들을 위한 캐소드 가스 재순환 시스템 및 방법에 관한 것이고, 특히 주변 공기가 이용 가능하지 않은 연료 전지들의 애플리케이션들에 대한 것이다.
많은 연료 전지 애플리케이션들에 대해, 주변 환경은 주변 공기 중 산소의 풍부한 공급을 제공하여 전기 화학 반응의 입력 구성 요소로서 연료 전지(예를 들면, 양자 교환 멤브레인 연료 전지)의 캐소드에 공급한다. 그러나, 특정한 애플리케이션들에서, 주변 환경으로부터 연료 전지로의 주변 공기에 의해 산소를 공급하는 것이 실행가능하지 않거나 몇몇 경우들에서 가능하지 않다. 예를 들면, 수중에서 동작하는 것(예를 들면, 잠수함) 또는 우주 공간에서 동작하는 것(예를 들면, 우주선)은 환경으로부터의 주변 공기가 이용 가능하지 않은 애플리케이션들이다.
예컨대 이러한 애플리케이션들에 대하여, 순수한 산소는 일반적으로 다양한 목적들을 위해 저장되고 주변 공기에 대한 대체물로서 연료 공기의 캐소드에 공급될 수 있다. 그러나, 캐소드에 순수한 산소를 공급하는 것은 결점들을 갖는다. 예를 들면, 순수한 산소를 캐소드에 공급하는 것은 산소 사용 표준들에 대한 인증을 충족하는 연료 전지를 필요로 할 수 있고, 이는 실질적으로 연료 전지의 비용 및 복잡성을 증가시킬 수 있다. 또한, 순수한 산소를 사용하는 것은 안전성 문제들을 증가시킬 수 있다. 예를 들면, 연료 전지 멤브레인에서 핀홀 누설들 또는 높은 레이트의 크로스-오버는 폭발성 혼합물(예를 들면, 산소 및 수소)의 형성을 야기할 수 있다. 이들 문제들을 고려하면, 표준 연료 전지 설계들 및 기술은 양립할 수 없고, 따라서 복잡한 맞춤 설계들이 이들 애플리케이션들을 위해 요구된다.
따라서, 본 개시의 목적은 연료 전지 모듈들을 위한 캐소드 가스 재순환 시스템 및 순수한 산소 공급 애플리케이션들을 위해 표준 양자 교환 멤브레인(PEM) 연료 전지 설계들의 사용을 가능하게 하는 동작의 방법을 제공하는 것이다. 시스템 및 방법은 캐소드를 통해 불활성 가스 스트림(예를 들면, N2)을 재순환시키는 것 및 하나 이상의 연료 전지들이 순수한 산소 스트림들보다 오히려 불활성 가스가 풍부한 가스 스트림에 노출되도록 이를 순수한 산소와 혼합하는 것을 포함한다.
일 양태에서, 본 개시는 연료 전지 모듈을 위한 캐소드 재순환 시스템에 관한 것이다. 캐소드 재순환 시스템은 불활성 가스를 수용하도록 구성된 불활성 가스 유입구 통로 및 산소를 수용하도록 구성된 산소 가스 유입구 통로, 불활성 가스 유입구 통로, 산소 가스 유입구 통로, 및 적어도 하나의 캐소드의 유입구와 유체가 통하는 블렌딩 구성 요소, 및 산소 및 불활성 가스를 함유하는 혼합 가스 스트림을 재순환시키도록 구성되는 블렌딩 구성 요소 및 적어도 하나의 캐소드의 출구와 유체가 통하는 재순환 라인을 포함할 수 있고, 적어도 하나의 캐소드로부터 방출된 혼합 가스의 적어도 일 부분은 블렌딩 구성 요소로 다시 재순환되고, 산소, 불활성 가스 또는 산소 및 불활성 가스 모두는 재순환된 혼합 가스 스트림으로 도입되고, 이후 적어도 하나의 캐소드의 유입구로 공급된다.
다른 실시예에서, 불활성 가스는 질소일 수 있다. 다른 실시예에서, 적어도 하나의 캐소드로 진입하는 혼합 가스 스트림에서 산소 대 불활성 가스의 비율은 약 10:90 내지 약 40:60의 범위에 있다. 다른 실시예에서, 캐소드 재순환 시스템은 적어도 하나의 캐소드로부터 방출된 혼합 가스 스트림으로부터 수증기를 제거하도록 구성된 격리판을 추가로 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 캐소드 재순환 시스템은 복수의 밸브들, 기구들, 및 적어도 하나의 캐소드의 유입구에 공급된 혼합 가스 스트림의 압력을 제어하도록 구성된 제어기들을 추가로 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 블렌딩 구성 요소는 이젝터를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 캐소드 재순환 시스템은 혼합 가스를 압축하도록 구성된 재순환 라인과 이어진 압축기를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 캐소드 재순환 시스템은 혼합 가스의 온도를 조절하도록 구성된 적어도 하나의 열 교환기를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 연료 전지 모듈은 적어도 하나의 양자 교환 멤브레인 연료 전지를 수용할 수 있다. 다른 실시예에서, 혼합 구성 요소를 통해 혼합 가스로 공급된 산소 몰 수가 적어도 하나의 캐소드에서 소비된 산소의 몰 수들과 실질적으로 동등하다.
다른 양태에서, 본 개시는 연료 전지의 캐소드를 통하는 혼합 가스를 재순환시키는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 캐소드로 혼합 가스 스트림을 공급하는 단계로서, 혼합 가스 스트림은 산소 및 불활성 가스를 포함하는, 상기 공급 단계, 캐소드로부터 결핍된 혼합 가스 스트림을 수집하는 단계, 및 산소, 불활성 가스, 또는 산소 및 불활성 가스 모두를 결핍된 혼합 가스 스트림에 추가하고 혼합 가스 스트림으로서 캐소드의 유입구에 재순환시키는 단계를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 방법은 불활성 가스가 질소인 것을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 방법은 적어도 하나의 캐소드에 진입하는 혼합 가스 스트림에서 불활성 가스에 대한 산소의 비가 약 10:90 내지 약 40:60의 범위에 있는 것을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 방법은 격리판을 사용하여 결핍된 혼합 가스 스트림에 대해 수증기를 제거하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 방법은 적어도 하나의 캐소드의 유입구로 공급된 혼합 가스 스트림의 압력을 제어하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 방법은 산소, 불활성 가스, 또는 둘 모두를 이젝터를 통해 결핍된 혼합 가스 스트림으로 배출하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 방법은 적어도 하나의 캐소드로부터 방출된 결핍된 가스 스트림을 압축하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 방법은 온도 설정점을 유지하기 위해 결핍된 혼합 가스 스트림을 냉각하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 방법은 결핍된 혼합 가스 스트림에 추가된 산소의 몰 수가 캐소드에서 소비된 양에 대응하도록 산소 추가량을 제어하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
다른 양태에서, 본 개시는 캐소드 및 애노드를 포함하는 적어도 하나의 연료 전지를 갖는 연료 전지 모듈 하우징에 관한 것이다. 연료 전지 모듈 하우징은 불활성 가스 스트림 및 산소 스트림, 불활성 가스 스트림 및 산소 스트림에 의해 유체가 통하는 블렌딩 구성 요소, 및 블렌딩 구성 요소와 유체가 통하는 적어도 하나의 연료 전지의 캐소드로부터 방출된 결핍된 혼합 가스 스트림을 포함할 수 있고, 캐소드의 출구로부터 방출된 결핍된 혼합 가스 스트림의 적어도 일 부분은 불활성 가스 스트림, 산소 스트림, 또는 둘 모두가 결핍된 혼합 가스 스트림으로 도입되어 캐소드의 유입구로 공급되도록 구성되는 블렌딩 구성 요소로 다시 재순환된다.
본 개시의 목적들 및 이점들은 후속하는 상세한 설명에서 부분적으로 설명될 것이고, 상세한 설명으로부터 부분적으로 분명해질 것이거나, 또는 본 개시의 실시를 통해 인식될 수 있다. 본 개시의 목적들 및 이점들은 첨부된 청구항들에서 특별히 지시된 요소들 및 조합들에 의해 실현 및 달성될 것이다.
다음의 상세한 설명은 단지 예이고 설명적이며 청구된 것으로 본 개시를 제한하는 것이 아님이 이해될 것이다.
본 명세서의 일부에 통합되고 그를 구성하는 첨부하는 도면들은 본 개시의 실시예들을 도시하고, 상세한 설명과 함께 본 개시의 원리들을 설명하는 역할을 한다.
본 개시는 연료 전지 모듈들을 위한 캐소드 가스 재순환 시스템 및 순수한 산소 공급 애플리케이션들을 위해 표준 양자 교환 멤브레인(PEM) 연료 전지 설계들의 사용을 가능하게 하는 동작의 방법을 제공한다.
도 1은 일 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 모듈의 흐름도.
도 2는 일 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 모듈의 흐름도.
도 3은 일 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 모듈의 흐름도.
도 4는 일 예시적인 실시예에 따른 캐소드 가스 재순환을 위해 구성된 연료 전지 모듈을 동작시키는 방법의 플로차트.
참조는 여기서 본 개시의 예시적인 실시예들에 대해 상세히 행해질 것이고, 그의 예들은 첨부하는 도면들에 도시된다. 가능한 경우, 동일한 참조 번호들은 동일하거나 유사한 부분들을 참조하기 위해 도면들 전체에서 사용될 것이다.
본 개시는 예시적인 실시예들을 참조하여 여기에 기술된다. 여기에 기술된 실시예들은 그로 제한되는 것이 아님이 이해된다. 본 기술의 통상의 기술 및 여기에 제공된 교시들에 대한 접근을 갖는 사람들은 추가의 변형들, 애플리케이션들, 실시예들, 및 본 개시의 범위에 모두 속하는 동등물들의 대체물을 인식할 것이다.
도 1은 일 예시적인 실시예에 따라 연료 전지(110) 및 캐소드 재순환 시스템(120)을 포함하는 연료 전지 모듈(100)의 개략도를 도시한다. 캐소드 재순환 시스템(120)은 불활성 가스 유입구 통로(101A)를 통해 수신되도록 구성된 불활성 가스 스트림(101), 산소 유입구 통로(102A)를 통해 수신되도록 구성된 산소 스트림(102), 재순환 라인(103A)을 통해 순환된 혼합 가스 재순환 스트림(103), 블렌딩 구성 요소(104), 및 격리판(105)을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 연료 전지 모듈(100)은 연료 전지 모듈(100) 내 연료 전지 스택을 형성하는 복수의 연료 전지들(110)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 연료 전지 모듈(100)은, 예를 들면, 서로 병렬로 연결된 연료 전지 모듈(100) 내의 5, 10, 20, 25, 50, 100, 또는 그 이상의 연료 전지들을 포함할 수 있다.
일 예시적인 실시예에 따라, 연료 전지 모듈(100) 내 설치된 연료 전지(110)는 다양한 상이한 연료 전지 구성들일 수 있다. 예를 들면, 연료 전지(110)는 양자 교환 멤브레인(PEM) 연료 전지 또는 산소가 캐소드에서 반응의 입력일 수 있는 다른 유사한 연료 전지들일 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 연료 전지(110)는 전해질 멤브레인(113)에 의해 분리된 캐소드(111) 및 애노드(112)를 포함할 수 있다.
본 기술의 목적들을 위해, 연료 전지(110)가 PEM 연료 전지라는 것이 가정될 것이다. 그러나, 여기에 기술된 바와 같이, 본 개시는 PEM 연료 전지들로 한정되지 않는다. 본 기술에 알려진 바와 같이, PEM 연료 전지에 대해, 수소 원자들은 애노드(112)에서 전자들 및 양자들(수소 이온들)로 전기 화학적으로 분리될 수 있다. 전기 부하 회로(도 1에 도시되지 않음)를 통해 캐소드(111)로의 반응 흐름에 의해 생성된 전자들은 직류 전기를 생성한다. 전기 화학적 반응에 의해 생성된 양자들은 전해질 멤브레인(113)을 통해 캐소드(111)로 확산한다. 전해질(113)은 음으로 하전된 전자들의 통과를 방지하는 반면에 양으로 하전된 이온들의 통과를 허용하도록 구성될 수 있다. 전해질(113)을 통해 양자들의 통과에 후속하여, 캐소드(111)에서 양자들은 전기 부하 회로를 통해 전달된 전자들 및 캐소드(111)에 공급된 산소와 반응하여 열 및 물을 생성할 수 있다.
일 예시적인 실시예에 따라, 연료 전지 모듈(100)은 블렌딩 구성 요소(104)로부터 캐소드(111)로 혼합 가스 스트림(160)을 공급하도록 구성될 수 있다. 일 예시적인 실시예에 따라, 혼합 가스 스트림(106)은 불활성 가스 및 산소의 혼합물을 포함할 수 있다. 또한, 몇몇 실시예들에 따라, 연료 전지 모듈(100)은 캐소드(111) 및 연료 전지(110) 내 습도를 조절하기 위해 캐소드(111)에 수증기 스트림(107)을 공급하도록 구성될 수 있다.
일 예시적인 실시예에 따라, 불활성 가스 스트림(101) 중 불활성 가스는, 예를 들면, 질소 또는 다른 유사한 가스일 수 있다. 일 예시적인 실시예에 따라, 혼합 가스 스트림(106)에서 산소의 퍼센티지는 약 21%일 수 있고, 불활성 가스의 퍼센티지는 약 79%일 수 있다. 다른 실시예들에서, 혼합 가스 스트림(106)을 형성하는 산소 및 불활성 가스의 퍼센티지는 변할 수 있다. 예를 들면, 불활성 가스는 혼합 가스 스트림(106) 중 약 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%, 또는 10%보다 적게 포함할 수 있다. 유사하게, 산소 가스는, 예를 들면, 혼합 가스 스트림(106) 중 약 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%, 또는 10%보다 적게 포함할 수 있다. 다른 실시예들에 따라, 혼합 가스 스트림(106)에서 불활성 가스에 대한 산소의 비는 독립적으로, 예를 들면, 약 10:90, 20:80, 30:70, 40:60, 50:50, 60:40, 70:30, 80:20, 또는 90:10일 수 있다. 또한, 혼합 가스 스트림(106)에서 불활성 가스에 대한 산소의 비는 독립적으로 변할 수 있고, 예를 들면, 상기 비는 10:90 내지 90:10, 10:90 내지 80:20, 10:90 내지 70:30, 10:90 내지 60:40, 10:90 내지 50:50, 10:90 내지 40:60, 10:90 내지 30:70, 10:90 내지 20:80, 20:80 내지 90:10, 20:80 내지 80:20, 20:80 내지 70:30, 20:80 내지 60:40, 20:80 내지 50:50, 20:80 내지 40:60, 및 20:80 내지 30:70의 범위에 있을 수 있다. 혼합 가스 스트림(106)이 다른 가스들, 예를 들면, 아르곤, 이산화탄소, 네온, 메탄, 헬륨, 크립톤, 수소, 크세논, 오존, 이산화 질소, 요오드, 일산화탄소, 및 암모니아의 추적량들(예를 들면, 1%보다 적음)을 포함할 수 있다.
여기에 기술되는 혼합 가스 스트림(106)으로부터의 산소는 캐소드(111)에서 발생하는 전기 화학적 반응에 의해 소비될 수 있다. 결과로서, 결핍된 혼합 가스 스트림(108)은 캐소드(111)로부터 출력될 수 있다. 결핍된 혼합 가스 스트림(108)은 캐소드(111)에서 전기 화학적 반응에 의해 생성된 수증기 및 몇몇 실시예들에서 캐소드(111)에 공급된 수증기를 포함할 수 있다. 결핍된 혼합 가스 스트림(108)에서 산소의 농도는 전기 화학적 반응에 의해 소비된 산소의 손실에 의해 혼합 가스 스트림(106)보다 작을 수 있다. 예를 들면, 혼합 가스 스트림(106) 중 산소의 약 1%, 5%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% 또는 100%는 캐소드(111)에서 발생하는 전기 화학적 반응에 의해 소비될 수 있다.
일 예시적인 실시예에 따라, 실질적으로 제로 불활성 가스는 캐소드(111)에서 누설에 의해 소비되거나 손실될 수 있다. 예를 들면, 캐소드(111)에 진입하는 혼합 가스 스트림(106)에서 불활성 가스의 몰 수는 실질적으로 캐소드(111)로부터 방출된 몰 수와 동등할 수 있다. 그러나, 혼합 가스 스트림(106)으로부터 산소의 소비에 의해, 결핍된 혼합 가스 스트림(108)에서 불활성 가스의 농도는 혼합 가스 스트림(106) 내 농도보다 클 수 있다. 예를 들면, 불활성 가스는 결핍된 가스 스트림 중 약 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%, 또는 10%보다 더 많이 포함할 수 있다.
결핍된 혼합 가스 스트림(108)은 격리판(105)과 유체가 통할 수 있다. 격리판(105)은 결핍된 혼합 가스 스트림(108)으로부터 수증기의 적어도 일부를 제거하도록 구성될 수 있다. 격리판(105)으로부터 제거된 수증기는 물 재순환 스트림(105A)으로서 방출될 수 있다. 물 재순환 스트림(105A)은 재활용될 수 있다. 결핍된 혼합 가스 스트림(108)은 물 격리판(105)으로부터 혼합 가스 재순환 스트림(103)이라고도 불리는 재순환 라인(103A)으로 출력될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 재순환 라인(103A)은 혼합 가스 재순환 스트림(103)이 혼합 가스 스트림(106)으로부터 불활성 가스 스트림(101), 산소 스트림(102), 또는 둘 모두와 조합되게 하는 블렌딩 구성 요소(104)와 유체가 통할 수 있다.
여기에 기술되는 재순환 시스템(120)은 실질적으로 제로 불활성 가스가 재순환 시스템(102) 내에서 소비 또는 손실될 수 있도록 구성될 수 있다. 따라서, 재순환 시스템(120)은, 일단 불활성 가스의 정상 상태 베이스라인 체적이 순환시에 확립될 수 있다면, 이후 추가의 불활성 가스의 단지 최소량들만이 블렌딩 구성 요소(104)를 통해 불활성 가스 스트림(101)으로부터 추가될 필요가 있도록 구성될 수 있다. 추가된 추가의 불활성 가스의 최소 체적은 다양한 이유들에 의한 재순환 시스템(120)에서 불활성 가스의 임의의 손실과 실질적으로 동등할 수 있다. 예를 들면, 온도, 파이핑 누설들, 및 개스킷 누설들, 등에 의한 체적 감소.
일 예시적인 실시예에 따라, 재순환 시스템(120)은 블렌딩 구성 요소가(104) 혼합 가스 스트림(106)을 형성하기 위해 산소 스트림(102)으로부터의 산소의 흐름을 혼합 가스 재순환 스트림(103)으로 제어하도록 구성될 수 있다. 혼합 가스 재순환 스트림(103)에 추가된 산소의 흐름 속도는 캐소드(111)에서 소비된 산소의 양에 대응할 수 있다(예를 들면, 실질적으로 동등하다).
재순환 시스템(120)은 계속 또는 주기적으로 산소 스트림(102)으로부터 산소를 추가하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 정상 상태에서, 재순환 시스템(120)은 산소 스트림(102)이 캐소드(111) 내 산소의 소비 속도와 동등한 속도로 계속 혼합 가스 재순환 스트림(103)에 추가될 수 있도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 재순환 시스템(120)은 산소가 혼합 가스 재순환 스트림(103)에 주기적으로 추가되도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 산소 농도 낮은 레벨 설정점 및 산소 농도 설정점은 선택될 수 있고, 재순환 시스템(120)은 낮은 레벨 설정점이 도달될 때 산소가 추가되고, 산소 농도 설정점이 도달될 때까지 산소를 추가하는 것을 계속하도록 구성될 수 있다. 산소 스트림(102)으로부터 산소의 추가는 하나 이상의 흐름 제어 디바이스들(예를 들면, 밸브들)에 의해 제어될 수 있다.
도 1에 도시되는 연료 전지 모듈(100)은 애노드(112)에 수소 스트림(130)을 공급하고, 애노드(112)로부터 결핍된 수소 스트림(131)을 방출하도록 구성될 수 있다. 도 1에 도시되지 않았지만, 연료 전지 모듈(100)은 소비되지 않은 수소를 재활용하기 위해 결핍된 수소 스트림(131)을 재순환시키고 이를 수소 스트림(130)과 조합하도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예들은 여기에 나중에 기술된다.
여기에 기술되는 연료 전지(100)는 표준 모듈식 설계 및 구성일 수 있다. 예를 들면, 연료 전지(100)는 연료 전지 모듈 내에 설치될 수 있고, 연료 전지 모듈은 불활성 가스 및 산소의 혼합물보다는 주변 환경으로부터의 주변 대기를 캐소드(111)에 공급하도록 구성된다. 여기에 기술된 재순환 시스템(120)은, 심지어 주변 환경으로부터의 주변 대기를 끌어들이는 것은 실현가능하지 않거나 가능하지 않은 애플리케이션들에 대해서조차, 그것이 표준 연료 전지 기술 및 설계들(예를 들면, 연료 전지(100))의 이용을 가능하게 하는 연료 전지 모듈(100) 내에 통합될 수 있도록 구성될 수 있다.
다른 실시예들에서, 재순환 시스템(120)은 연료 전지 모듈(100) 내로 통합되기보다 연료 전지(110)로 직접 통합될 수 있다. 다른 실시예들에서, 재순환 시스템(120)은 집적 구성 요소보다 연료 전지 모듈(100) 또는 연료 전지(100)에 결합되도록 구성된 외부 모듈식 구성 요소가 되도록 구성될 수 있다.
여기에 기술되는, 연료 전지 모듈(100) 및 재순환 시스템(120)은 그 중 일 부분이 산소인 불활성 가스가 풍부한 스트림(즉, 혼합 가스 스트림(106))을 연료 전지(110)의 캐소드(111)에 공급하도록 구성될 수 있다. 캐소드(111) 및 연료 전지(110)에 순수한 산소 스트림보다는 불활성 가스가 풍부한 스트림(즉, 혼합 가스 스트림(106))을 공급함으로써, 연료 전지 모듈(100)의 대부분의 유체 조절 구성 요소들은 표준 구성 요소들(예를 들면, 산소 검증 구성 요소들이 아님)일 수 있고, 연료 전지(100) 유체 조절 구성 요소들 모두가 표준 구성 요소들일 수 있다. 다시 말해서, 순수한 산소에 대한 노출이 이들 구성 요소들로 제한될 수 있기 때문에, 산소 스트림(102)(즉, 순수한 산소)을 조절하는 유체 구성 요소들만이 산소 검증 구성 요소들이 필요하도록 연료 전지 모듈(100) 및 재순환 시스템(120)이 구성될 수 있다.
또한, 순수한 산소 스트림보다 불활성 가스가 풍부한 스트림(즉, 혼합 가스 스트림(106))을 캐소드(111) 및 연료 전지(110)에 공급함으로써, 연료 전지(110)에서 형성하는 폭발성 혼합물에 대한 가능성이 감소될 수 있다. 이러한 감소는 전해질(113)에서 핀 홀 누설이 발생하는 경우, 약간의 산소를 함유하는 질소가 풍부한 가스 스트림(즉, 혼합 가스 스트림(106)) 대신에, 순수한 산소보다는 멤브레인을 통한 누설 및 수소와의 혼합은 전해질을 거쳐 누설할 수 있고 형성되는 폭발성 혼합물의 가능성을 감소시키는 수소와 혼합할 수 있다는 사실의 결과일 수 있다.
일 예시적인 실시예에 따라, 여기에 기술된 바와 같이 불활성 가스 및 소비되지 않은 산소를 재순환시킴으로써, 연료 전지 동작을 위해 이용된 산소 및 불활성 가스의 양은 재순환이 없거나 단일 통과 동작에 비해 실질적으로 적을 수 있다. 예를 들면, 결핍된 가스가 재순환되지 않는 혼합 가스를 수신하는 캐소드는 동일한 기간 동안 동일한 연료 전지를 동작시키기 위해 상당히 큰 체적을 요구할 것이다.
도 2 및 도 3은 연료 전지 모듈(200)의 예시적인 실시예들의 개략도들을 도시한다. 연료 전지 모듈(200)은 여기에 기술된 연료 전지 모듈(100)과 유사할 수 있다. 연료 전지 모듈(200)은 연료 전지(210) 및 캐소드 재순환 시스템(220)을 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 연료 전지(210)는 연료 전지 모듈(200) 내에 포함될 수 있고, 캐소드 재순환 시스템(220)은 연료 전지 모듈(200)과 유체가 통할 수 있다. 연료 전지(210)는 캐소드(211), 전해질 멤브레인(213)에 의해 분리된 애노드(212), 및 냉각 요소(214)를 포함할 수 있다. 연료 전지 모듈(100)과 유사하게, 몇몇 실시예들에 따라, 연료 전지 모듈(200)은 연료 전지 모듈(200) 내 연료 전지 스택을 형성하는 복수의 연료 전지들(210)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 연료 전지 모듈(200)은 서로 병렬로 포함된 연료 전지 모듈(200) 내 5, 10, 20, 25, 50, 100, 또는 그 이상의 연료 전지들(210)을 포함할 수 있다.
일 예시적인 실시예에 따라, 캐소드 재순환 시스템(220)은 불활성 가스 유입구 통로(201A)를 통해 수신되도록 구성된 불활성 가스 스트림(201)을 포함할 수 있다. 캐소드 재순환 시스템(220)은 산소 유입구 통로(202A)를 통해 수신되도록 구성된 산소 스트림(202)을 추가로 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 불활성 가스 유입구 통로(201A) 및 산소 유입구 통로(202A)는 블렌딩 구성 요소(204)와 조합되고 유체가 통할 수 있다. 도 2에 도시된 실시예에 따라, 블렌딩 구성 요소(204)는 이젝터(204A)를 포함할 수 있다. 이젝터(204A)는 불활성 가스 스트림(201), 산소 스트림(202), 또는 둘 모두를 수신하고 이를 혼합 가스 재순환 스트림(203)과 혼합하도록 구성될 수 있다. 불활성 가스 스트림(201), 산소 스트림(202), 또는 둘 모두는 혼합 가스 재순환 스트림(203)의 압력을 증가시키는 구동 유체의 역할을 할 수 있다. 불활성 가스 스트림(201) 및 산소 스트림(202)의 압력은 변할 수 있다. 예를 들면, 불활성 가스 스트림(201) 및 산소 스트림(202)은, 예를 들면, 약 0 psi 내지 100 psi, 100 psi 내지 200 psi, 200 psi 내지 300 psi, 300 psi 내지 400 psi, 400 psi 내지 425 psi, 425 psi 내지 450 psi, 450 psi 내지 475 psi, 475 psi 내지 500 psi, 또는 500 psi보다 큰 범위에서, 유입구 통로들(201A, 202A)에 공급될 수 있다.
이젝터(204A)는 혼합 가스 스트림(206)을 방출하고 이를 캐소드(211)로 공급하도록 구성될 수 있다. 혼합 가스 스트림(206)은 여기에 기술된 혼합 가스 스트림(106)과 동일한 불활성 가스 및 산소의 혼합물을 포함할 수 있다. 혼합 가스 스트림(206)에 대하여 산소에 대한 불활성 가스의 농도 및 비는 혼합 가스 스트림(106)과 동일하게 변할 수 있다.
캐소드(211)에서 발생하는 전기 화학적 반응은 혼합 가스 스트림(206) 내 산소의 적어도 일 부분을 소비할 수 있다. 결과로서, 캐소드(211)로부터의 방출된 것은 결핍된 혼합 가스 스트림(208)일 수 있다. 결핍된 혼합 가스 스트림(208)은 캐소드(211)에서 전기 화학 반응의 결과로서 생성된 수증기를 포함할 수 있다. 캐소드(211)에서 전기 화학 반응의 다른 산출물이 가열될 수 있다. 따라서, 결핍된 혼합 가스 스트림(208)은 연료 전지(210)로부터 방출되고 연료 전지 모듈(200) 내에 포함된 열 교환기(209)에 공급될 수 있다.
열 교환기(209)는 튜브 및 셸, 플레이트 및 프레임, 또는 열 교환기 구성과 유사한 다른 것일 수 있다. 열 교환기(209)는 그의 열 에너지의 적어도 일 부분을 열 교환기(209)를 통해 순환된 냉각 유체(209A)에 이동시킴으로써 결핍된 혼합 가스 스트림(208)을 냉각시킬 수 있다. 냉각 속도는 냉각 유체(209A)의 흐름 속도를 제어함으로써 제어될 수 있다. 열 교환기(209)를 나가는 결핍된 혼합 가스 스트림(208)의 온도는 결핍된 혼합 가스 스트림(208)에 대한 미리 결정된 온도 설정점에 도달하기 위해 냉각 유체(209A)의 흐름 속도를 조정하도록 구성된 제어기와 연결될 수 있는 온도 전송기에 의해 모니터링될 수 있다.
가열 교환기(209)를 나가는 결핍된 혼합 가스 스트림(208)은 격리판(205)을 통해 전달될 수 있다. 격리판(205)은 결핍된 혼합 가스 스트림(208)으로부터 수증기를 제거하고 이를 재순환 또는 벤트 라인(205A)을 통해 방출하도록 구성될 수 있다. 결핍된 혼합 가스 스트림(208)은 혼합 가스 재순환 스트림(203)으로서 격리판(205)을 나올 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 혼합 가스 재순환 스트림(203)은 혼합 가스 스트림(206)을 형성하기 위해 혼합 가스 재순환 스트림(203)이 불활성 가스 스트림(201), 산소 스트림(202), 또는 둘 모두와 조합되게 하는 이젝터(204A)와 유체가 통할 수 있다.
캐소드(111), 열 교환기(209), 격리판(205), 및 모든 상호 접속하는 파이핑를 통해 발생하는 압력 저하의 결과로서, 혼합 가스 재순환 스트림(203)은 캐소드(111)에 공급된 혼합 가스 스트림(206)의 압력보다 낮은 압력에 있을 수 있다. 따라서, 이젝터(204A)는 이젝터(204A)에서 구동 가스 스트림의 역할을 하는 불활성 가스 스트림(201), 산소 스트림(202), 또는 둘 모두를 혼합 가스 재순환 스트림(203)과 조합시킴으로써 그가 이젝터(204A)를 통과할 때, 혼합 가스 재순환 스트림(203)의 압력을 부스팅하도록 구성될 수 있다.
일 예시적인 실시예에 따라, 도 2에 도시된 바와 같이, 연료 전지 모듈(200)은 수소 스트림(230) 및 제 2 불활성 가스 스트림(231)을 수신하도록 구성될 수 있고, 둘 중 하나의 스트림 또는 두 개의 스트림들의 조합은 연료 전지(210)에 공급될 수 있다. 수소 스트림(230), 제 2 불활성 가스 스트림(231), 또는 둘 모두는 연료 전지(210) 내 제 2 이젝터(233)에 공급될 수 있다. 제 2 이젝터(233)는 수소 스트림(230), 제 2 불활성 가스 스트림(232), 또는 둘 모두를 수신하고, 이를 수소 재순환 스트림(232)과 조합하도록 구성될 수 있다. 제 2 이젝터(233)는 제 2 혼합 가스 스트림(234)을 방출하고 이를 애노드(212)로 공급하도록 구성될 수 있다.
제 2 혼합 가스 스트림(234)은 불활성 가스 및 수소의 혼합물을 포함할 수 있다. 수소에 대한 불활성 가스의 농도 및 비율은 변할 수 있다. 다른 실시예들에서, 제 2 혼합 가스 스트림(234)은, 예를 들면, 약 50%, 60%, 70, 80%, 90%, 95%, 98%, 또는 99% 수소보다 큰 거의 전체적으로 수소일 수 있다. 수소 스트림(230) 및 제 2 불활성 가스 스트림(231)은, 예를 들면, 약 50 psi 내지 200 psi, 100 psi 내지 150 psi, 100 psi 내지 125 psi, 또는 125 psi 내지 150 psi의 범위에 있는 압력에서 연료 전지 모듈(200)에 공급될 수 있다.
애노드(212)에서 발생하는 전기 화학적 반응은 제 2 혼합 가스 스트림(234) 내 수소의 적어도 일 부분에서 소비할 수 있다. 결과로서, 애노드(212)로부터의 방출은 결핍된 제 2 혼합 가스 스트림(235)일 수 있다. 결핍된 제 2 혼합 가스 스트림(235)은 애노드(212)로부터 수집된 일부 수증기를 포함할 수 있다. 따라서, 결핍된 제 2 혼합 가스 스트림(235)은 애노드(212)로부터 방출되고 제 2 격리판(235)으로 공급될 수 있다.
제 2 격리판(236)은 제 2 혼합 가스 스트림(235)으로부터 수증기를 제거하고 이를 재순환 또는 벤트 라인(237)을 통해 방출하도록 구성될 수 있다. 결핍된 제 2 혼합 가스 스트림(235)은 수소 재순환 스트림(232)으로서 제 2 격리판(236)으로부터 방출될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 수소 재순환 스트림(232)은 수소 재순환 스트림(232)이 제 2 혼합 가스 스트림(234)을 형성하기 위해 제 2 불활성 가스 스트림(231), 수소 스트림(230), 또는 둘 모두와 조합되게 하도록 제 2 격리판(233)과 유체가 통할 수 있다.
도 2에 도시되는 바와 같이, 연료 전지(210)는 캐소드(211)와 접촉하는 냉각 요소(214)를 추가로 포함할 수 있다. 냉각 요소(214)는 캐소드(211)의 온도를 제어하기 위해 냉각 유체(240)를 순환시키도록 구성될 수 있다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 연료 전지(210)는 냉각 유체(240)의 온도를 조절하도록 구성된 냉각 유체(240)를 갖는 라인에서 가열 요소(250)를 추가로 포함할 수 있다.
도 2에 도시되는 바와 같이, 연료 전지 모듈(200) 및 연료 전지(210)는 복수의 밸브들, 복수의 기구들, 복수의 오리피스 판들, 및 다양한 구성 요소들을 연결하는 유체 전달 라인들을 추가로 포함할 수 있다. 복수의 밸브들은 다양한 밸브 스타일들, 예를 들면, 2방향 밸브들, 3방향 밸브들, 볼 밸브들, 버터플라이 밸브들, 게이트 벨브들, 체크 벨브들, 흐름 제어 밸브들을 포함할 수 있다. 복수의 밸브들은 다양한 수단, 예를 들면, 스프링 구동, 전기 구동, 공압식 구동, 또는 그의 조합에 의해 구동될 수 있다. 복수의 기구들은 다양한 파라미터들, 예를 들면, 온도, 압력, 흐름 속도, 레벨, 습도, 등을 측정하기 위한 다양한 기구 형태들을 포함할 수 있다. 복수의 오리피스들은 다양한 직경들을 가질 수 있고 대응하는 오리피스를 통해 가스 흐름의 흐름 속도를 감소시키도록 구성될 수 있다.
도 3은 이젝터(204A)가 제거되고, 압축기(260)가 캐소드 재순환 시스템(220)에 추가된 것을 제외하면 도 2와 동일한 연료 전지 모듈(200)의 개략도를 도시한다. 압축기(260)는 블렌딩 구성 요소(204)에서 스트림을 불활성 가스 스트림(201), 산소 스트림(202), 또는 둘 모두를 혼합하기 전에 혼합 가스 재순환 스트림(203)을 압축하고, 결과로서 혼합 가스 재순환 스트림(203)의 압력을 증가시키도록 구성될 수 있다. 도 3에 도시된 예시적인 실시예에 따라, 이젝터(204A)를 통해 구동 가스의 역할을 하기보다는(도 2를 참조), 도 3의 혼합 가스 재순환 스트림(203)이 압축되고 불활성 가스 스트림(201), 산소 스트림(202), 또는 둘 모두와 조합될 때 구동 가스의 역할을 하기 때문에, 불활성 가스 스트림(201) 및 산소 스트림(202)은 낮은 압력에 있을 수 있다. 예를 들면, 도 3에 도시된 불활성 가스 스트림(201) 및 산소 스트림(202)은, 예를 들면, 약 0 psi 내지 5 psi, 5 psi 내지 10 psi, 10 psi 내지 15 psi, 15 psi 내지 20 psi, 20 psi 내지 25 psi, 25 psi 내지 30 psi, 30 psi 내지 40 psi, 40 psi 내지 50 psi, 또는 50 psi보다 큰 범위에서 유입구 통로들(201A, 202A)에 공급될 수 있다.
압축기(260)는 압축의 결과로서 혼합 가스 재순환 스트림(203)에 대한 압력 증가가 캐소드(111), 열 교환기(209), 격리판(205), 및 상호 접속하는 파이핑에 의해 생성된 압력 강하에 대응할 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 압축기(260)는, 예를 들면, 약 1 바 내지 10 바, 1 바 내지 20 바, 1 바 내지 30 바, 1 바 내지 40 바, 10 바 내지 20 바, 10 바 내지 30 바, 10 바 내지 40 바, 20 바 내지 30바, 또는 20 바 내지 40 바의 범위로 혼합 가스 재순환(203)의 압력을 증가시키도록 구성될 수 있다. 압축기(260)는, 예를 들면, 회전식, 왕복, 원심, 축, 등인 다양한 상이한 압축기 형태들 중 하나일 수 있다. 다른 실시예들에서(도시되지 않음), 압축기(260)는 도 3에 도시되는 모듈로 통합되기보다 연료 전지 모듈(200)의 외부에 있도록 구성될 수 있다.
또 다른 실시예(도시되지 않음)에서, 연료 전지 모듈(200)은 여기에 기술된 압축기(260)는 및 이젝터(204A) 모두를 포함할 수 있다.
여기에 기술되는 연료 전지 모듈들은 혼합 가스 스트림이 연료 전지 모듈 내 연료 전지들의 하나 이상의 캐소드들을 통해 재순환되도록 하나 이상의 연료 전지들의 동작을 가능하게 할 수 있다. 도 4는 일 예시적인 실시예에 따라 연료 전지 모듈들을 동작시키기 위한 방법(400)의 플로차트를 도시한다. 방법(400)은 단계들(402, 404, 406)을 포함할 수 있다. 단계(402)는 혼합 가스 스트림을 캐소드에 공급하는 단계를 포함할 수 있고, 혼합 가스 스트림은 산소 및 불활성 가스를 포함한다. 단계(404)는 캐소드로부터 결핍된 혼합 가스 스트림을 수집하는 단계를 포함할 수 있다. 단계(406)는 혼합 가스 스트림을 생성하기 위해 산소, 불활성 가스, 또는 산소 및 불활성 가스를 결핍된 가스 스트림에 추가하는 단계를 포함할 수 있다.
여기에 기술되는 방법(400)은 다양한 불활성 가스들, 예를 들면, 질소, 아르곤, 등을 이용하여 수행될 수 있다. 일 예시적인 실시예에 따라, 방법(400)에 대하여, 혼합 가스에서 산소의 퍼센티지는 약 21%일 수 있고, 불활성 가스의 퍼센티지는 약 79%일 수 있다. 다른 실시예들에서, 혼합 가스 스트림(106)을 구성하는 산소 및 불활성 가스의 퍼센티지는 변할 수 있다. 예를 들면, 불활성 가스는 혼합 가스 스트림(106) 중 약 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%, 또는 10%보다 적게 포함할 수 있다. 유사하게, 산소 가스는, 예를 들면, 혼합 가스 스트림(106) 중 약 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%, 또는 10%보다 적게 포함할 수 있다. 다른 실시예들에 따라, 혼합 가스 스트림에서 불활성 가스에 대한 산소의 비는, 독립적으로, 예를 들면, 약 10:90, 20:80, 30:70, 40:60, 50:50, 60:40, 70:30, 80:20, 또는 90:10일 수 있다.
일 예시적인 실시예에 따라, 방법(400)은 결핍된 혼합 가스 스트림으로부터 수증기를 제거하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 수증기는 수증기 격리판을 통과함으로서 결핍된 혼합 가스 스트림으로부터 제거될 수 있다. 결핍된 혼합 가스 스트림으로부터 분리된 물은 연료 전지 모듈로부터 재활용되거나 방출될 수 있다.
방법(400)은 연료 전지 모듈 및 연료 전지 내의 다양한 가스 스트림들의 압력을 제어하기 위해 복수의 밸브들, 복수의 전달 장치들, 및 다른 다양한 흐름 제어 구성 요소들을 이용하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들면, 밸브들 및 전달 장치들은 불활성 가스 스트림, 산소 스트림, 혼합 가스 스트림, 결핍된 혼합 가스 스트림, 재순환 스트림, 제 2 혼합 가스 스트림, 결핍된 제 2 혼합 가스 스트림, 수소 스트림, 제 2 불활성 가스 스트림, 및 수소 재순환 스트림의 압력 및 흐름 속도를 제어하기 위해 사용될 수 있다. 연료 전지에 공급된 전기 화학적 반응 입력들(예를 들면, 수소 및 산소)의 흐름을 제어함으로써, 연료 전지의 동작(예를 들면, 전기 출력)이 제어될 수 있다.
산소, 불활성 가스, 또는 산소 및 불활성 가스 모두를 결핍된 가스 스트림에 추가하는 단계를 포함하는 단계(406)는 이젝터(예를 들면, 204A)를 통해 가스 스트림을 통하게 하는 방식에 의해 수행되고, 산소, 불활성 가스, 또는 산소 및 불활성 가스 스트림 모두는 구동 가스 스트림의 역할을 하고 혼합 가스 스트림을 형성하는 결핍된 가스 스트림으로 혼합된다.
다른 실시예에서, 방법(400)은 재순환 스트림을 압축하는 단계, 및 이후 산소 스트림, 불활성 가스 스트림 또는 산소 및 불활성 가스 스트림 모두와 조합하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 결핍된 가스 스트림은, 예를 들면, 여기에 기술된 압축기(600)를 사용하여 압축될 수 있다.
여기에 기술된 연료 전지 모듈들 및 방법들은 공기 구동을 위해 사용된 누설 검사 및 수용 기준들을 위해 구성될 수 있다.
본 개시의 다른 실시예들이 여기에 개시된 본 개시의 실행 및 명세의 고려로부터 당업자들에게 명백할 것이다. 다음의 청구항들에 의해 나타낸 본 개시의 범위 및 정신에 의해 명세 및 예들은 단지 예시로서 생각되는 것이 의도된다.
100 : 연료 전지 모듈 101 : 불활성 가스 스트림
101A : 불활성 가스 유입구 통로 102 : 산소 스트림
102A : 산소 유입구 통로 103 :혼합 가스 재순환 스트림
103A : 재순환 라인 104 : 블렌딩 구성 요소
105 : 격리판 106 : 혼합 가스 스트림
107 : 수증기 스트림 108 : 결핍된 혼합 가스 스트림
110 : 연료 전지 111 : 분리된 캐소드
112 : 애노드 113 : 전해질 멤브레인
120 : 캐소드 재순환 시스템 160 : 혼합 가스 스트림

Claims (20)

  1. 연료 전지 모듈을 위한 캐소드 재순환 시스템에 있어서,
    불활성 가스를 수신하도록 구성된 불활성 가스 유입구 통로 및 산소를 수신하도록 구성된 산소 가스 유입구 통로;
    상기 불활성 가스 유입구 통로, 상기 산소 가스 유입구 통로, 및 적어도 하나의 캐소드의 유입구와 유체가 통하는 블렌딩 구성 요소; 및
    산소 및 불활성 가스를 함유하는 혼합 가스 스트림을 재순환시키도록 구성된 상기 블렌딩 구성 요소 및 적어도 하나의 캐소드의 배출구와 유체가 통하는 재순환 라인을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 캐소드로부터 방출된 상기 혼합 가스의 적어도 일 부분은 상기 블렌딩 구성 요소로 다시 재순환되고, 산소, 불활성 가스, 또는 산소 및 불활성 가스 모두는 재순환된 혼합 가스 스트림으로 도입되고, 이후 상기 적어도 하나의 캐소드의 유입구로 공급되는, 연료 전지 모듈을 위한 캐소드 재순환 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 불활성 가스는 질소인, 연료 전지 모듈을 위한 캐소드 재순환 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 캐소드에 진입하는 상기 혼합 가스 스트림에서 산소 대 불활성 가스의 비는 약 10:90 내지 약 40:60의 범위에 있는, 연료 전지 모듈을 위한 캐소드 재순환 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 캐소드로부터 방출되는 상기 혼합 가스 스트림으로부터 수증기를 제거하도록 구성된 격리판을 추가로 포함하는, 연료 전지 모듈을 위한 캐소드 재순환 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    복수의 밸브들, 기구들, 및 상기 적어도 하나의 캐소드의 유입구에 공급된 상기 혼합 가스 스트림의 압력을 제어하도록 구성된 제어기들을 추가로 포함하는, 연료 전지 모듈을 위한 캐소드 재순환 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 블렌딩 구성 요소는 이젝터를 포함하는, 연료 전지 모듈을 위한 캐소드 재순환 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합 가스를 압축하도록 구성된 상기 재순환 라인과 이어진 압축기를 추가로 포함하는, 연료 전지 모듈을 위한 캐소드 재순환 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합 가스의 온도를 조절하도록 구성된 적어도 하나의 열 교환기를 추가로 포함하는, 연료 전지 모듈을 위한 캐소드 재순환 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 모듈은 적어도 하나의 양자 교환 멤브레인 연료 전지를 수용하는, 연료 전지 모듈을 위한 캐소드 재순환 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 블렌딩 구성 요소를 통해 상기 혼합 가스에 공급된 산소의 몰 수는 상기 적어도 하나의 캐소드에서 소비된 산소의 몰 수들과 실질적으로 동등한, 연료 전지 모듈을 위한 캐소드 재순환 시스템.
  11. 연료 전지의 캐소드를 통해 혼합 가스를 재순환시키는 방법에 있어서,
    혼합 가스 스트림을 상기 캐소드에 공급하는 단계로서, 상기 혼합 가스 스트림은 산소 및 불활성 가스를 포함하는, 상기 공급 단계;
    상기 캐소드로부터 결핍된 혼합 가스 스트림을 수집하는 단계; 및
    산소, 불활성 가스, 또는 산소 및 불활성 가스 모두를 상기 결핍된 혼합 가스 스트림에 추가하고 상기 혼합 가스 스트림으로서 상기 캐소드의 유입구에 대해 재순환시키는 단계를 포함하는, 연료 전지의 캐소드를 통해 혼합 가스를 재순환시키는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 불활성 가스는 질소인, 연료 전지의 캐소드를 통해 혼합 가스를 재순환시키는 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 캐소드에 진입하는 상기 혼합 가스 스트림에서 산소 대 불활성 기체의 비는 약 10:90 내지 약 40:60의 범위에 있는, 연료 전지의 캐소드를 통해 혼합 가스를 재순환시키는 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    격리판을 사용하여 상기 결핍된 혼합 가스 스트림에 대해 수증기를 제거하는 단계를 추가로 포함하는, 연료 전지의 캐소드를 통해 혼합 가스를 재순환시키는 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 캐소드의 상기 유입구에 공급된 상기 혼합 가스 스트림의 압력을 제어하는 단계를 추가로 포함하는, 연료 전지의 캐소드를 통해 혼합 가스를 재순환시키는 방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    산소, 불활성 가스, 또는 둘 모두를 이젝터를 통하여 상기 결핍된 혼합 가스 스트림으로 배출하는 단계를 추가로 포함하는, 연료 전지의 캐소드를 통해 혼합 가스를 재순환시키는 방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 캐소드로부터 방출되는 상기 결핍된 혼합 가스 스트림을 압축하는 단계를 추가로 포함하는, 연료 전지의 캐소드를 통해 혼합 가스를 재순환시키는 방법.
  18. 제 11 항에 있어서,
    온도 설정점을 유지하기 위해 상기 결핍된 혼합 가스 스트림을 냉각시키는 단계를 추가로 포함하는, 연료 전지의 캐소드를 통해 혼합 가스를 재순환시키는 방법.
  19. 제 11 항에 있어서,
    상기 결핍된 혼합 가스 스트림에 추가된 산소의 몰 수가 상기 캐소드에서 소비된 양에 대응하도록 산소 추가량을 제어하는 단계를 추가로 포함하는, 연료 전지의 캐소드를 통해 혼합 가스를 재순환시키는 방법.
  20. 캐소드 및 애노드를 포함하는 적어도 하나의 연료 전지를 갖는 연료 전지 모듈 하우징에 있어서,
    불활성 가스 스트림 및 산소 스트림;
    상기 불활성 가스 스트림 및 상기 산소 스트림과 유체가 통하는 블렌딩 구성 요소; 및
    상기 블렌딩 구성 요소와 유체로 통하는 상기 적어도 하나의 연료 전지의 상기 캐소드로부터 방출된 결핍된 혼합 가스 스트림을 포함하고,
    상기 캐소드의 배출구로부터 방출된 상기 결핍된 혼합 가스 스트림의 적어도 일 부분은 상기 블렌딩 구성 요소로 다시 재순환되고, 상기 블렌딩 구성 요소 내에서 상기 불활성 가스 스트림, 상기 산소 스트림, 또는 둘 모두는 상기 결핍된 혼합 가스 스트림으로 도입되어, 상기 캐소드의 유입구로 공급되도록 구성되는, 연료 전지 모듈 하우징.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210004430A (ko) 2019-07-04 2021-01-13 이향숙 전열 난방시스템을 구성한 쇼파
WO2021125669A1 (ko) * 2019-12-20 2021-06-24 범한퓨얼셀 주식회사 수중 재순환식 연료전지 시스템

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20190148752A1 (en) * 2017-11-13 2019-05-16 Lg Fuel Cell Systems Inc. Fuel cell stack temperature control
DE102018121371A1 (de) 2018-08-31 2020-03-05 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Verfahren zur Steigerung der Kaltstartfähigkeit sowie des Lastaufschalt- und Leistungsvermögens von Brennstoffzellen bei gleichzeitiger Sauerstoffabreicherung des Systemabgases
CN112993320A (zh) * 2019-12-14 2021-06-18 中国科学院大连化学物理研究所 一种改善密闭环境中燃料电池性能的方法及系统

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5045414A (en) * 1989-12-29 1991-09-03 International Fuel Cells Corporation Reactant gas composition for fuel cell potential control
JP3211297B2 (ja) * 1991-10-31 2001-09-25 石川島播磨重工業株式会社 溶融炭酸塩型燃料電池のカソード電極酸化方法
JP2002260698A (ja) * 2001-02-27 2002-09-13 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
US20070065711A1 (en) * 2005-09-21 2007-03-22 Gopal Ravi B Air independent power production
FR2952233B1 (fr) * 2009-10-30 2011-12-16 Michelin Soc Tech Procedure de detection de l'etat d'une pile a combustible.

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210004430A (ko) 2019-07-04 2021-01-13 이향숙 전열 난방시스템을 구성한 쇼파
WO2021125669A1 (ko) * 2019-12-20 2021-06-24 범한퓨얼셀 주식회사 수중 재순환식 연료전지 시스템

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