KR20230114319A - 산소 흡착/흡수 매질의 제거에 의한 연료 전지 스타트업/셧다운저하 경감 - Google Patents

산소 흡착/흡수 매질의 제거에 의한 연료 전지 스타트업/셧다운저하 경감 Download PDF

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Abstract

스타트업 및 셧다운 사이클들 동안 연료 전지(110)의 저하를 감소시키기 위한 시스템들 및 방법들의 양태들이 개시된다. 애노드 배기류(201')가 산소 포획 매질(86)을 통한 유체 연통을 통해 주기적으로 지향된다. 연료 전지의 셧다운 후 및 스타트업 전에 또는 스타트업 동안 매질(86)이 애노드 배기류에서 산소를 제거한다. 주기적으로, 수집된 산소를 퍼징하고 매질을 재생성하기 위해 산소 포획 매질(86)을 가열하는 것이 이용된다.

Description

산소 흡착/흡수 매질의 제거에 의한 연료 전지 스타트업/셧다운 저하 경감{FUEL CELL STARTUP/SHUTDOWN DEGRADATION MITIGATION}
본 개시는 연료 전지 시스템(fuel cell system)들 및 더 구체적으로 연료 전지 스타트업 및 셧다운 동안 촉매 및 촉매 지원체(catalyst support)의 저하(degradation)를 방지하거나 경감(mitigate)시키는 연료 전지 시스템들에 관한 것이다.
연료 전지들은 연료 가스와 산화 가스 사이의 전기화학 반응에 의해 전기를 생성한다. 연료 가스는 종종 수소이고 산화 가스는 공기이다. 팔라듐 및 백금과 같은 금속들이 연료 가스와 산화 가스 사이의 전기화학 반응을 야기하기 위한 촉매들로서 사용된다.
오늘날, 연료 전지 시스템들은 멤브레인 또는 전해질에 걸쳐 일어나는 전기화학 반응을 촉진하기 위해 촉매들에 의존한다. 지원 구조체가 필요한 멤브레인 및 촉매를 지원하도록 구성된다. 촉매작용(catalysis)이 반응을 위한 표면적을 증가시키는 역할을 한다. 종종, 팔라듐 또는 백금과 같은 금속 촉매들이 탄소와 같은 촉매 지원 재료 상에 사용된다. 이 촉매작용은 효과적인 반응률(reaction rate)들을 산출하기 위해 특정 조건들 내에서 동작할 필요가 있다.
연료 전지 시스템의 내구성, 수명, 및 성능이 연료 전지 시스템에 사용되는 촉매 및 촉매 지원체의 상태의 직접적인 함수라는 점이 널리 알려져 있다.
연료 셀 성능 및 수명은 촉매 표면적이 감소되면 감소할 것이다. 촉매 지원 구조체가 저하되거나 쇠퇴되면, 반응을 위해 이용가능한 촉매의 성질 및 양이 영향받는다. MEA(membrane electrode assembly)를 통해 연료 전지 스택의 애노드 구획(anode compartment)에 산소를 도입하는 연료 전지 활동이 애노드 및 캐소드 전위에서의 증가를 초래하여 탄소 지원체 저하로 이끈다는 점도 널리 알려져 있다.
연료 전지가 셧다운된 후 MEA를 통해 애노드 구획 내로 산소가 확산될 수 있기 때문이다. 스타트업시 수소가 도입될 때 혼합된 O2 + H2 파면(wave front)이 멤브레인을 가로질러 통과하여 MEA의 애노드측 상의 국부 전위를 증가시켜 캐소드 전위가 탄소가 감소되는 지점까지 증가하는 것을 초래한다. 이는 촉매를 지원하는 탄소를 분해(break down)하여 전극 면적의 손실을 초래한다.
그러한 문제들을 처리하기 위해 전압 제한과 같은 전략들이 구현되어 왔다. 전압을 제한하기 위한 다양한 전략들이 구현/탐구되어 왔다. 이 전략들은 연료 전지의 스타트업 동안 불활성 퍼지 가스(inert purge gas)들을 도입하는 것 및 연료 전지 상에 보조 부하(auxiliary load)를 부과하는 것을 포함한다. 다른 전략은 시스템으로부터 산소 농도를 고갈시키는 것이어 왔다.
일부 경우들에서, 촉매 부식의 양이 개선되었지만 완전히 제거되지는 않아 왔다. 다른 경우들에서, 이용된 전략은 촉매 지원체 부식, 특히 탄소의 양을 감소시키지 않아 왔다.
이전에 언급된 이점들에도 불구하고, 연료 전지 시스템들은 촉매 부식과 연관된 도전과제들을 겪는 것을 계속하고 있다.
연료 전지들이 내구성이 있고, 연장된 수명 및 안정적인 성능이도록 연료 전지가 촉매 또는 촉매 지원체 부식을 야기하지 않도록 구성되는 것이 바람직하다. 따라서, 개시된 시스템 및 프로세스들은 현재 이용가능한 연료 전지 시스템들에서 이 단점들 중 하나 이상을 극복하는 것에 지향된다.
본 개시의 일부 양태에 따르면, 연료 전지 시스템 내의 탄소 지원체 및 이 탄소 지원체(들) 상에 지원되는 촉매들 상의 연료 전지 시스템에 대한 셧다운 및 스타트업 사이클들의 영향을 감소시키고/감소시키거나 경감시키기 위한 방법들, 시스템들 및 디바이스들의 양태들을 포함하는 연료 전지 시스템 및 사용 방법이 개시된다.
예를 들어, 연료 전지 셧다운 동안, 공기가 MEA(membrane electrode assembly)를 통해 캐소드 구획들로 유동하고, 이에 의해 애노드 구획에 산소를 도입한다. 불행히도, 연료 전지가 셧다운되었을 때 산소가 MEA(membrane electrode assembly)를 통해 애노드 구획 내로 확산할 수 있다. 이어서 수소 연료 가스가 연료 전지 스타트업 동안 애노드에 전달되어, 기존의 산소와 새롭게 도입된 수소 사이의 전기화학 반응을 일으켜 애노드 전위를 증가시킨다. 애노드 전위에서의 큰 증가는 캐소드 전위를 상승시키며, 이는 탄소를 감소시킨다. 이 더 높은 전위는 촉매 및 촉매 지원체 부식을 야기한다.
따라서 빈번한 셧다운 및 스타트업 사이클들을 요하는 응용들에 대해, 연료 전지 시스템의 성능이 크게 영향받는다.
스타트업시, 연료 전지 시스템에 수소가 도입될 때 산소가 연료 전지의 캐소드측으로부터 애노드측으로 이주할 것이기 때문에 산소와 수소의 혼합물이 초기에 멤브레인을 가로질러 통과하여 애노드 상의 국부 전위를 증가시킨다. 이는 결국 캐소드 전위를 탄소가 감소되는 지점까지 증가시킨다. 이는 금속 촉매들을 지원하는 탄소를 분해시키거나 감소시켜 전극 면적의 손실을 초래하고 연료 전지 시스템의 성능이 크게 영향받는다.
지원체를 보호하고 부식을 경감시키기 위해 연료 전지의 애노드측이 거의 순수한 수소를 포함하고 산화제(oxidant)를 거의 또는 전혀 포함하지 않고 그대로 유지하는 것이 중요하다.
본 개시의 연료 전지 시스템의 방법들 또는 동작, 디바이스들, 시스템들의 일부 양태들이 본원에 개시된다. 본 개시는 적어도 하나의 연료 전지 - 각각의 연료 전지는 애노드 및 캐소드를 포함하고, 애노드는 수소를 유체 수용(fluidly receive)하도록 구성되고 캐소드는 산소를 포함하는 공기원(air source)을 유체 수용하도록 구성됨 - ; 애노드 배기체(anode exhaust)를 수용하고 애노드 배기체로부터 산소를 제거하도록 구성된 애노드 배출구(anode outlet)에 유체 연결된 산소 소기 시스템(oxygen scavenging system)을 포함하는 정화 유닛(purification unit)을 포함하고, 정화 유닛은 정화 유닛을 빠져나가는 산소의 양을 애노드에 지향되기 전에 감소시키도록 구성된다. 일부 경우들에서, 정화 유닛은, 산소를 흡착하는 것 및 흡수하는 것 중 적어도 하나를 하도록 구성된 재생성가능 산소 포획 매질(regenerable oxygen capture media)을 포함한다. 산소 포획 매질은, 산소를 흡착하는 것 및 흡수하는 것 중 적어도 하나를 하도록 구성된다. 일부 경우들에서, 매질은 촉매를 제거하는 산소를 포함한다. 일부 경우들에서, 산소 포획 매질은, 적어도 수소 가스를 포함하는 유체(fluid)로 매질을 스트리핑(stripping)함으로써 재생성된다.
위에서 설명된 시스템들에서, 일부 경우들에서, 산소 포획 매질을 재생성하기 위한 열이 적어도 하나의 전기 가열기에 의해 제공된다. 또 다른 경우들에서 산소 포획 매질은, 수소 가스를 연소시키도록 구성된 촉매 가열기 요소(catalytic heater element)로 매질을 가열함으로써 재생성된다. 일부 경우들에서, 촉매 가열기 요소는 정화 유닛과 열 연통된다.
위에서 설명된 시스템들에서, 일부 경우들에서, 촉매는 팔라듐, 백금, 루테늄, 로듐, 오스뮴, 이리듐 금, 은, 레늄, 철, 크로뮴, 코발트, 구리, 망간, 텅스텐, 니오븀, 티타늄, 탄탈륨, 납, 인듐, 카드뮴, 주석, 비스무트 및 갈륨으로 구성된 그룹의 적어도 하나의 부재를 포함한다. 일부 경우들에서, 선택된 촉매 또는 촉매를 형성하는 합금이 0 °C만큼 낮은 온도들에서 수소를 연소시키도록 구성된다. 일부 경우들에서, 선택된 촉매 또는 촉매를 형성하는 합금이 -30 °C만큼 낮은 온도들에서 수소를 연소시키도록 구성된다.
연료 전지로부터의 애노드 배기류(anode exhaust stream)를 산소 포획 매질을 포함하는 흡수 모듈에 유체 연결하는 단계; 셧다운 후 및 스타트업 전 및 스타트업 동안 중 적어도 하나에서 산소 포획 매질에 의해 애노드 배기류에서 산소를 제거하는 단계; 및 흡수 모듈의 애노드 배기 하류(anode exhaust downstream)를 스타트업 전에 애노드 연료 유입구(anode fuel inlet)로 지향시키는 단계 - 배기 하류는 감소된 산소 함량을 가짐 - 를 포함하는 본 개시의 스타트업 및 셧다운 사이클들 동안 연료 전지의 저하를 감소시키기 위한 연료 전지 시스템의 방법들 또는 동작, 디바이스들, 시스템들의 일부 양태들이 본원에 개시된다. 일부 경우들에서, 산소 포획 매질은, 흡수된 산소를 충분히 가열되었을 때 릴리즈하도록 재생성될 수 있는 촉매이다. 일부 경우들에서, 방법은, 매질에 열을 제공하도록 구성된 산소 포획 매질에 애노드 오프 가스 버너(anode off-gas burner)를 열 연결하는 단계; 및 매질을 가열하기 위해 애노드 오프 가스 버너 내의 수소를 연소시키는 단계를 포함한다. 일부 경우들에서, 연소를 위한 수소의 원들이 애노드 배기류, 수소 연료원 및 재순환 루프 내의 재순환된 수소 중 하나 이상을 포함한다. 일부 경우들에서, 방법은, 릴리즈된 산소를 포함하는 가스류를 애노드 오프 가스 버너에 유체 연결하는 단계; 및 산소를 증기 및 배기체로서 릴리즈하는 단계를 포함한다.
적어도 하나의 연료 전지는 애노드측 및 캐소드측을 갖고, 애노드측은 수소 가스 연료 공급을 유체 수용하도록 구성되고 캐소드측은 산소를 포함하는 공기원을 수용하도록 구성된다. 산소 소기 시스템은, 애노드 배기체로부터 수소를 제거하고 산소 흡수제 매질(oxygen absorbent media)을 포함하는 흡수 모듈을 갖는 수소를 연소시키는 것으로부터 열을 생성하도록 구성된 유입구 및 배출구를 갖는 애노드 오프 가스 버너를 포함하는 애노드 배출구와 유체 연통된다. 흡수 모듈은 애노드 배기체에 유체 연결되고, 산소 소기 시스템은, 수소 연료 공급에서의 산소의 양을 애노드 유동장(anode flow field)에 지향되기 전에 스타트업 동안 감소시키도록 구성된다. 일부 경우들에서, 흡수제 매질은, 니켈 및/또는 탄소를 또한 포함할 수 있는 촉매를 제거하는 산소이다. 일부 경우들에서, 흡수제 매질은 산소가 로딩된 후 재생성될 수 있다. 일부 경우들에서, 애노드 오프 가스 버너 내의 적어도 하나의 촉매 가열기가 수소를 연소시키도록 구성된다. 일부 경우들에서, 제어기가 시스템 내의 유체 유동을 제어하기 위해 밸브들을 선택적으로 개방하고 폐쇄한다.
본 개시의 연료 전지 시스템의 방법들 또는 동작, 디바이스들, 시스템들의 일부 양태들이 본원에 개시된다. 본 개시는 애노드측 및 캐소드측을 갖는 적어도 하나의 연료 전지를 포함하고, 애노드측은 수소 가스 연료 공급을 유체 수용하도록 구성되고 캐소드측은 산소를 포함하는 공기원을 수용하도록 구성된다. 산소 소기 시스템은, 애노드 배기체로부터 수소를 제거하고 산소 흡수제 매질(oxygen absorbent media)을 포함하는 흡수 모듈을 갖는 수소를 연소시키는 것으로부터 열을 생성하도록 구성된 유입구 및 배출구를 갖는 애노드 오프 가스 버너를 포함하는 애노드 배출구와 유체 연통된다. 흡수 모듈은 애노드 배기체에 유체 연결되고, 산소 소기 시스템은, 수소 연료 공급에서의 산소의 양을 애노드 유동장(anode flow field)에 지향되기 전에 스타트업 동안 감소시키도록 구성된다. 일부 경우들에서, 흡수제 매질은 촉매를 제거하는 산소이다. 일부 경우들에서, 흡수제 매질은 산소가 로딩된 후 재생성될 수 있다. 일부 경우들에서, 애노드 오프 가스 버너 내의 적어도 하나의 촉매 가열기가 수소를 연소시키도록 구성된다. 일부 경우들에서, 촉매는 팔라듐, 백금, 루테늄, 로듐, 오스뮴, 이리듐 금, 은, 레늄, 철, 크로뮴, 코발트, 구리, 망간, 텅스텐, 니오븀, 티타늄, 탄탈륨, 납, 인듐, 카드뮴, 주석, 비스무트 및 갈륨으로 구성된 그룹의 적어도 하나의 부재를 포함한다. 일부 경우들에서, 백금, 팔라듐, 로듐 및 이들의 조합들 및 합금들이 촉매 재료로서 바람직하다. 일부 경우들에서, 선택된 촉매들 또는 촉매를 형성하는 합금이 0 °C만큼 낮은 온도들에서 수소를 연소시키도록 구성된다. 일부 경우들에서, 선택된 촉매들 또는 촉매를 형성하는 합금이 -30 °C만큼 낮은 온도들에서 수소를 연소시키도록 구성된다.
연료 전지로부터의 애노드 배기류를 산소 흡수 매질을 포함하는 흡수 모듈에 유체 연결하는 단계; 셧다운 동안 그리고 스타트업 전에 연료 전지 시스템의 셧다운과 스타트업 사이에 연료 전지의 유동 분배 채널들의 캐소드 갤러리로부터 유동 분배 채널들의 애노드 갤러리로 이주된 애노드 배기류에서 산소를 산소 흡수 매질에 의해 제거하는 단계; 및 산소 흡수 탈착 매질(oxygen absorption-desorption media)의 애노드 배기 하류를 스타트업 전에 애노드 연료 유입구로 지향시키는 단계를 포함하는 스타트업 및 셧다운 사이클들 동안 연료 전지 컴포넌트들 및/또는 동작의 저하를 감소시키기 위한 연료 전지 시스템의 방법들 또는 동작, 디바이스들, 시스템들의 일부 양태들이 본원에 개시된다. 일부 경우들에서, 산소 흡수 탈착 매질은, 흡수된 산소를 충분히 가열되었을 때 릴리즈하도록 재생성될 수 있는 촉매이다.
연료 전지로부터의 애노드 배기류를 산소 흡수 매질을 포함하는 흡수 모듈에 유체 연결하는 단계; 셧다운 동안 그리고 스타트업 전에 연료 전지 시스템의 셧다운과 스타트업 사이에 연료 전지의 유동 분배 채널들의 캐소드 갤러리로부터 유동 분배 채널들의 애노드 갤러리로 이주된 애노드 배기류에서 산소를 산소 흡수 매질에 의해 제거하는 단계; 및 산소 흡수 탈착 매질의 애노드 배기 하류를 스타트업 전에 애노드 연료 유입구로 지향시키는 단계를 포함하는 스타트업 및 셧다운 사이클들 동안 연료 전지 컴포넌트들 및/또는 동작의 저하를 감소시키기 위한 연료 전지 시스템의 방법들 또는 동작, 디바이스들, 시스템들의 일부 양태들이 본원에 개시된다. 일부 경우들에서, 방법은, 매질에 열을 제공하도록 구성된 산소 흡수 탈착 매질에 애노드 오프 가스 버너를 열 연결하는 단계; 및 매질을 가열하기 위해 애노드 오프 가스 버너 내의 수소를 연소시키는 단계를 포함한다. 일부 경우들에서, 릴리즈된 산소를 포함하는 가스류를 애노드 오프 가스 버너에 유체 연결하고, 산소를 증기 및 배기체로서 릴리즈한다.
연료 전지로부터의 애노드 배기류를 산소 흡수 매질을 포함하는 흡수 모듈에 유체 연결하는 단계; 셧다운 동안 그리고 스타트업 전에 연료 전지 시스템의 셧다운과 스타트업 사이에 연료 전지의 유동 분배 채널들의 캐소드 갤러리로부터 유동 분배 채널들의 애노드 갤러리로 이주된 애노드 배기류에서 산소를 산소 흡수 매질에 의해 제거하는 단계; 및 산소 흡수 탈착 매질의 애노드 배기 하류를 스타트업 전에 애노드 연료 유입구로 지향시키는 단계를 포함하는 스타트업 및 셧다운 사이클들 동안 연료 전지 컴포넌트들 및/또는 동작의 저하를 감소시키기 위한 연료 전지 시스템의 방법들 또는 동작, 디바이스들, 시스템들의 일부 양태들이 본원에 개시된다. 일부 경우들에서, 방법은, 애노드 오프 가스 버너를 통해 배기체를 통과시키는 것을 통해 애노드 배기체로부터 수소를 스크러빙(scrubbing)하는 단계를 포함한다. 일부 경우들에서, 방법은, 연료 전지 시스템의 스타트업과 셧다운 사이에 산소 흡수 탈착 매질을 재생성하기 위해 애노드 오프 가스 버너에서 촉매 가열기를 통해 애노드 배기체 내의 수소를 연소시키는 단계를 포함한다. 일부 경우들에서, 제어기가 애노드 배출구로부터의 유체 유동을 제어하기 위해 밸브들을 선택적으로 개방하고 폐쇄한다.
본 개시의 위에서 언급된 그리고 다른 특징들 및 이점들, 및 이를 달성하는 방식은, 첨부한 도면들과 함께 본 개시의 일 양태의 다음 설명에 대한 참조에 의해 명백해질 것이며 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 동작 동안 촉매의 저하를 경감시키거나 감소시키도록 구성된 본 개시의 연료 전지 전력 시스템의 동작의 방법 및 시스템의 양태들을 도시한다.
도 2는 동작 동안 촉매의 저하를 경감시키거나 감소시키도록 구성된 본 개시의 연료 전지 전력 시스템의 동작의 방법 및 시스템의 양태들을 도시한다.
도 2b 내지 도 2d는 산소 경감 매질의 재생성과 관련된 몇몇 모드들에서의 시스템 및 방법의 동작의 양태들을 예시한다.
본 개시는 연료 전지 스타트업 및 셧다운 프로세스들 동안 촉매 및 촉매 지원체의 저하를 방지하거나 경감시키기 위한 연료 전지 시스템을 제공한다. 산소 흡수 탈착 스키마 및 디바이스가 독립형 유닛(stand-alone unit)으로서 그리고 연료 전지 시스템 내에 개시된다. 스타트업시의 연료 시스템에의 애노드의 유체 연결로부터의 산소의 제거는 연료 전지 플레이트(들)의 애노드 및 캐소드측에서 전위 스파이크(potential spike)들을 감소시키고 내부의 탄소 지원체의 부식 및 촉매 및/또는 촉매들의 지원체에 대한 면적의 감소를 감소/경감시킨다.
시스템 개요
도 1은 연료 전지 어셈블리(20) 및 냉각제 저장 모듈(coolant storage module)(30)을 포함하는 연료 전지 시스템(10)의 일부 양태들을 도시하는 개략도이다. 본 개시는 동작 동안 촉매의 저하를 경감시키거나 감소시키도록 구성된 연료 전지 전력 시스템의 동작을 포함한다.
연료 전지 어셈블리(20)는 함께 스태킹(stacking)된 복수의 양성자 교환 멤브레인 연료 전지들을 포함하는 하나 이상의 연료 전지 스택(21) 및 본 기술분야에 잘 알려진 펌프들, 밸브들, 팬 제어기들 및 회로 등을 포함하는 BOP(balance of plant)(미도시)를 포함한다. 도시된 연료 전지 어셈블리(20)는 증발식으로(evaporatively) 냉각되는 연료 전지 어셈블리이다. 이 예시에서, 냉각제는, 글리콜, 물 기타 또는 수용액(aqueous solution)들과 같은 다른 냉각제들이 사용될 수 있다는 점이 이해될 것이지만, 물을 포함한다. 냉각제 또는 물 저장 모듈(30)은, 이 예시에서, 연료 전지 어셈블리(20)의 수화(hydration) 및/또는 증발 냉각을 위한 순수(pure water)를 저장한다. 냉각제 저장 모듈(30)은 냉각제 공급부(40)를 홀드하기 위한 냉각제 저장 탱크(32)를 포함한다.
연료 전지 어셈블리(20) 및 내부의 스택(들)은 연료 및 산화제를 수용하도록 구성된다. 도 1b는 단일 연료 전지 어셈블리(20) 내의 연료 전지 스택들(21 및 21')의 어레이 또는 그룹화의 개략도를 도시한다.
수소와 같은 연료의 유체 유동은 애노드 유입구(24)를 통해 애노드로이고 공기와 같은 산화제의 유체 유동은 캐소드 유입구(25)를 통해 캐소드로이다. 연료의 통과 유동(through flow)을 가능하게 하기 위한 애노드 배기체(26)가 제공된다. 산화제의 통과 유동을 가능하게 하기 위한 캐소드 배기체(27)가 제공된다. 배기 유동들이 또한 어셈블리(20)를 통과했을 수 있는 일부 반응 부산물들 및 임의의 냉각제/수화 액체를 캐리(carry)한다는 점이 이해될 것이다. 캐소드 배기체(27)는 생산된 물 및 냉각제(물)(40')를 캐소드 배기 유동으로부터 분리하기 위한 냉각제 분리기(28)를 포함할 수 있다. 분리된 물은 냉각제 저장 모듈(30)에 저장된다. 이 예시가 스택을 통과한 물(냉각제)의 재활용을 보여주는 한편, 본 개시가 냉각제를 재활용하지 않거나 상이한 방식으로 냉각제를 재활용하는 시스템들에 적용가능하다는 점이 이해될 것이다. 캐소드 배기체(27)로부터의 공기가 AOBH(anode off-gas burner)에서의 사용을 위해 압축기(82)에 제공될 수 있다.
냉각제 저장 모듈(30)은, 모듈(30)이 스택 내에 연료 전지들과 통합될 수 있다는 점이 이해될 것이지만, 도관(conduit)들에 의해 연료 셀 어셈블리에 유체 연결된다. 냉각제 저장 모듈(30)은 연료 전지 어셈블리(20)의 증발 냉각을 위한 캐소드 유동 내로의 냉각제의 도입을 가능하게 하도록 캐소드 유입구(25)에 연결된다. 냉각제는 별도의 도관에 의해 스택에 도입될 수 있다.
냉각제 저장 모듈(30)은 복수의 냉각제 저장 탱크들을 포함할 수 있다. 연료 전지 어셈블리를 통해 산화제를 구동하는 압축기들은 연료 전지 어셈블리의 스타트업 후 비교적 빠르게 따뜻해질 수 있고 따라서 열 교환기 및 작동 유체 및/또는 열 파이프(유체 연결)를 사용하여 산화제(공기원)(12) 내의 압축기들로부터의 열을 냉각제 저장 모듈로 이동시키고 일부 경우들에서 폐열(waste heat)이 애노드 오프 가스 버너를 적어도 부분적으로 구동하는데 이용될 수 있다. 냉각제 주입/유동 제어기(100)가 연료 전지 시스템의 추가 동작들을 제어하기 위한 연료 전지 시스템 제어기(105)의 일부를 형성할 수 있다.
촉매 가열기
연료 전지 시스템(10)은 연소 촉매의 촉매작용에 의해 연소 연료를 연소시키는 적어도 하나의 촉매 가열기(52)를 포함한다. 촉매 가열기는 상이한 방식들로 시스템(10)의 가열 요구들을 충족시키는데 사용될 수 있다. 종래의 연료 전지 시스템들은 전기 가열기들을 사용해 왔다. 전기 가열기들은, 그러나, 배터리 드레인(battery drain) 및 다른 기생 손실들을 포함하지만 이에 제한되는 것은 아닌 언급된 바와 같은 단점들을 갖는다.
촉매 가열기(52)는 하나 이상의 촉매 가열 요소(55)를 포함한다. 촉매 가열기(52)는 촉매 가열 요소(55)를 수용하기 위한 하우징(57)을 제공할 수 있다. 촉매 가열 요소(55)는 연소를 위한 촉매 재료를 포함한다. 촉매 재료는 기재(substrate) 상에 지원될 수 있다. 촉매 가열기(52) 및 촉매 가열 요소(55)에 대한 다양한 상이한 구조들이 본 개시에 의해 고려된다.
바람직하게, 촉매 가열기(52)는 연료 전지 어셈블리(20)와 독립적이다. 독립적인 촉매 가열기(52)는, 연료 전지 어셈블리(20)가 셧다운되는 동안 동작하는 것을 계속할 수 있다. 이 특징은, 냉각제 온도가 유지되고 연료 전지 동작의 함수가 아니기 때문에 특히 유리하다. 촉매 가열기(52)가 연료 전지 어셈블리와 독립적이지 않으면, 연료 전지 스타트업이 영하의 동작 주변 조건들에서 지연될 수 있다.
촉매 재료들
위의 구현들은 촉매 가열기들의 사용을 상세(detail)하고, 이 가열기들은 다수의 상이한 재료들로 구성될 수 있다. 적합한 촉매 재료들의 비배타적 리스트는 금속들을 포함한다. 다음 금속들이 촉매 재료로서 기능할 수 있다; 다른 것들 중에서도, 팔라듐, 백금, 루테늄, 로듐, 오스뮴 이리듐 금, 은, 레늄, 철, 크로뮴 코발트, 구리, 망간 텅스텐, 니오븀, 티타늄, 탄탈륨, 납, 인듐, 카드뮴, 주석, 비스무트 및 갈륨뿐만 아니라 이 금속들의 화합물들 및 합금들. 본 개시의 일 양태에서, 백금, 팔라듐, 로듐 및 이들의 조합들 및 합금들이 촉매 재료로서 바람직하다. 본 개시의 다른 양태에서, 촉매 재료는 바람직하게 팔라듐이다. 다른 적합한 촉매 재료들 및 금속들은 일반적으로 숙련된 기능공 및/또는 본 기술분야의 통상의 기술자에게 알려져 있다.
촉매 재료는 바람직하게 비교적 낮은 온도들에서 연료 전지 시스템용 연료원(즉, 수소 가스)을 자발적으로 연소시킨다. 예를 들어, 본 개시의 일부 양태들에서, 촉매 재료는 0 °C만큼 낮은 또는 심지어 - 30 °C만큼 낮은 온도들에서 수소 가스를 연소시킬 수 있다. 비교적 낮은 온도들로부터 비교적 높은 온도들까지를 포함한 광범위한 온도들에 걸쳐 화염(open flame) 없이 수소 가스를 안전하게 연소시키는 촉매 재료를 선택하는 것이 또한 유용할 수 있다.
촉매 재료는 바람직하게 비교적 낮은 농도들의 수소를 사용하여 연소를 유도할 수 있다. 본 개시의 일 양태에서, 촉매 가열기는 애노드 배기류에 존재하는 수소 가스를 연소시키도록 구성된다. 애노드 배기류에서의 수소 농도는, 연료 전지 어셈블리가 정상 상태 조건에서 동작할 때 비교적 낮다. 예를 들어, 애노드 배기체의 수소 농도는 1%만큼 낮을 수 있다. 애노드 배기체는 아래에서 더 상세히 설명된다. 대안적으로, 촉매 가열기는 수소원으로부터 직접적으로 수소 가스를 수용할 수 있다. 이는 특정 환경들에서 연료 전지 시스템에 이로울 수 있다.
바람직하게, 수소 가스는 촉매 가열기에 도입되기 전에 공기와 미리 혼합된다. 공급되는 공기는 연료 전지 어셈블리용으로 사용되는 동일한 공기원에 의해 제공될 수 있다. 이 경우, 연료 전지 어셈블리 내의 캐소드 유동장으로의 공기 유입구가 촉매 가열기에 유체 연결된다. 대안적으로, 공급되는 공기는 연료 전지 어셈블리용 공기원으로부터 분리된 원으로부터 제공될 수 있다. 공기를 냉각제 모듈 및 촉매 가열기로 지향시키기 위해 팬들이 사용될 수 있다. 공급되는 공기와 수소 가스를 혼합하기 위해 촉매 가열기의 상류에 혼합 챔버가 제공될 수 있다. 수소 가스 혼합물은 이어서 촉매 가열기로 지향되고, 여기서 가스 혼합물이 촉매 재료와 직접 접촉하게 되고 이에 의해 촉매 연소 반응을 트리거한다. 촉매 연소 반응에 의해 생성되는 열의 양은 촉매 재료, 가스 혼합물 내의 수소 농도 및 촉매 가열기로의 가스 혼합물의 유동률에 크게 의존한다. 일부 양태들에서, 가스 혼합물은 Min: 34: 1(질량 기준) -화학량적 비율; Max: 180: 1(질량 기준)의 공기 대 수소 비율을 포함한다.
영하의 온도들에서 수소가 연소되게 하는 촉매 재료들이 그러나, 더 추운 기후에서 동작하는 연료 전지 시스템들에 특히 유리하다. 백금족 금속들이 이 관점에서 특히 효과적이다.
기재 지원
촉매 재료가 기재 상에 지원될 수 있다. 예를 들어, 촉매 재료는 숙련된 기능공 및/또는 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 잘 알려진 방법들을 사용하여 적합한 기하학적 표면적의 기재 상에 퇴적되거나 코팅될 수 있다. 적합한 기재들은 금속들, 세라믹 재료들, 및 이들의 조합을 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 기재는 세라믹 발포체(ceramic foam) 또는 발포 금속과 같은 다공성 또는 발포 재료일 수 있다. 기재는 또한, 포일(foil)들, 플레이트들, 와이어들, 와이어 메쉬들, 허니콤브(honeycomb)들 등 또는 이들의 조합과 같은 구조체들을 포함할 수 있다. 기재 재료는 연료원의 촉매 연소에 의해 생성된 열을 분산시키는 것을 보조할 수 있다.
배기 조정(exhaust mediation)
연료 전지 시스템(10)은, 내부의 수소의 제거를 통해 애노드 배기체를 정화하는 것 및 애노드 배기체를 스크러빙하는 것 중 적어도 하나를 하도록 구성된 애노드 오프 가스 버너(84)를 보여준다. 특히 자동차 응용에서, 배출 표준은 배기류에서의 수소의 ppm을 엄격하게 제한할 수 있다. 시스템은 공기원(12)에 유체 연결되고, 연료 전지 어셈블리(20)는 또한 냉각제 모듈(30)에 연결될 수 있다. 배기 시스템은 압축기(82) 및 AOBH(anode off-gas burner heater)(84)를 포함한다. AOBH는 이전에 설명된 바와 같이 촉매 가열기(52)일 수 있다. 배기 모듈은 애노드 배기류 내의 수소 가스를 수용하고, 냉각제 해동(coolant thawing) 및 산소 소기 매질의 재생성을 위해 재활용되고 사용되는, 터빈 생산 전기 전력과 같은 추가 응용들을 위해 사용되는, 시스템으로부터 배기되는 것 중 하나 이상일 수 있는 열을 생성하는 수소를 연소시킨다. 애노드 배기체로부터의 수소의 제거는 "스크러빙"으로도 지칭될 수 있다.
열 모듈
열 모듈(70)은 캐소드 배기체로부터 물을 회수(recover)하도록 구성되고 이 물은 열 모듈(70)에 유체 연결된 1차 물 배출구(74)를 통해 냉각제 저장 모듈(30)에 추가될 수 있다. 열 모듈을 빠져나가는 캐소드 배기체(76)가 도시된다.
압축기(82)는 시스템에 유체 연결되고 공기원(12)으로부터 직접적으로 공기를 수용할 수 있다. 산화제류(12') 및/또는 배기 공기(27')는 팬 또는 이들이 가압되는 압축기(82)를 통해 유체 연결부를 통과한다. 압축기로부터의 공급물이 오프 가스 버너(84)에 제공된다. 오프 가스 버너는 배기류에서 수소 ppm을 줄이고(diminish) 흡수 모듈(85)과 열 연통으로 위치될 때 그렇지 않으면 손실되었을 오프 가스 연소로부터의 열이 포획되고 흡착/흡수 모듈(85)에 패킹된 산소 포획 매질(86)을 재생성하도록 제공된다. 모듈은 정화 유닛으로 지칭될 수 있다. 흡착/흡수 모드에서 애노드에 수소를 공급하는데 사용되는 배출류로부터 산소를 제거한다. 산소 소기제(oxygen scavenger)로도 지칭되는 산소 포획 매질이 이에 의해 포획된 산소를 제거하도록 주기적으로 재생성되어야 한다. 용어 흡수제가 명세서 전반에 걸쳐 사용되지만, 매질, 동작 환경 등에 따라 화학적 레벨에서 발생하는 실제 프로세스가 흡수 뿐만 아니라 또는 대신에 흡착을 포함할 수 있다. 이 예시에서 정화 유닛은, 산소 경감 시스템(300)을 형성하는 (산소 포획, 산소 흡수, 산소 흡착 또는 산소 흡수제 매질로도 지칭될 수 있는) 산소 흡수 탈착 매질(86)을 재생성하도록 열을 제공하는 AOBH(anode off-gas burner heater)와 일체형인 것으로 구성된다. 이 결합은, 매질에 열을 제공하기 위한 열 연결이 매질을 재생성하는데 필수적이므로 바람직하다. 물리적 결합이 일부 경우들에서 유리할 수 있지만 모든 경우들에 필요되는 것은 아니다. 재생성은 캐소드 출력류(26)에서 수소를 이용함으로써 또는 배기 압축기(82) 내로 들어가는 유체류에 수소를 첨가함으로써 달성된다. 산소 흡수제 매질(86)을 충분히 가열함으로써 산소와 수소가 물을 형성하고 매질을 재생성한다. 물은 가스류에서 수증기로서 산소 흡수제 매질(86)의 외부로 캐리된다.
산소 흡수제 매질(86)은 연료 전지 동작 동안 주기적으로 재생성된다. 스타트업에서, 애노드는 애노드 내로 이주된 산소를 포함할 것이고 그러한 산소가 존재하는 연료 전지를 동작(스타트업)시키는 것이 캐소드 전위를 상승시킴으로써 캐소드 지원체를 부식시키고 이에 의해 캐소드 지원체를 산화시킴으로써 손상시킬 것이고 이는 결국 지원체를 저하시키고 멤브레인 표면적을 감소시킨다. 수소 유체 유동으로 산소 포획 매질을 스트리핑하는 것이 재생성의 일부일 수 있다.
애노드 오프 가스 버너는 흡수 재료로 둘러싸일 수 있고 흡수 모듈은 흡수 모듈과 유체 연결된 애노드 배기류의 부분으로부터 산소를 제거하고 연료 전지 스택의 스타트업을 위해 감소된 산소를 연료에 제공하도록 기능한다.
도 2a 내지 도 2d는 동작 동안 촉매의 저하를 경감시키거나 감소시키도록 구성된 본 개시의 연료 전지 전력 시스템의 동작의 방법 및 시스템의 양태들을 도시한다.
동작(108)의 방법 및 시스템이 도시되고 시스템 및 방법의 일부 양태들의 단순화된 개요이다. 개시된 시스템은, 연료 전지의 동작의 셧다운 사이클들 동안 연료 전지 멤브레인을 가로질러 확산할 수 있는 시스템 내의 산소를 경감시키거나 처리함으로써 연료 전지 스택(110) 내의 촉매 지원 구조체들의 저하를 감소시키도록 구성된다. 확산 경감은 캐소드측으로부터 애노드측까지이다. 남아있는 경감되지 않은 산소가 시스템을 손상시킨다. 산소는 스타트업 동안 연료 전지 내의 촉매용 탄소 지지체를 부식시키고 감소시킬 것이다. 스타트업의 양태들은 연료 전지 스택이 수소 연료를 애노드 내로 직접 그리고 산화제를 캐소드 내로 수용하는 것을 포함한다. 셧다운 프로세스의 양태들은 연료 전지 스택이 더 이상 전기를 생산하지 않고 더 이상 연료를 수용하지 않을 때이다.
연료 전지 셧다운 동안, 산소가 연료 전지 시스템 내에 불가피하게 존재한다. 시스템에 존재하는 산소의 1차 원(primary source)이 배출구로부터 캐소드 유동장까지 유래한다. 캐소드에는 수소 연료 가스와 반응하는 공기원이 공급되기 때문에, 캐소드 배출구가 공기 함유 산소를 연료 전지 시스템 및 애노드 유동장에 도입한다. 시스템에 도입된 공기는 미반응 반응물들 또는 산소를 나타낸다. 산소는 이어서 MEA를 가로질러 이동하고 전위 및 압력을 증가시킨다. 수소의 전위는 연료 전지 상의 애노드측(120) 상에서 ~0V RHE이고 캐소드측(115) 상에서 산소의 전위는 ~1V RHE(이론적으로 1.23V)이며 개방 회로 전압에서 적어도 1V 전위차를 준다. 애노드측(115)은 애노드 유입구(116)에 그리고 애노드 배출구(117)에 유체 연결된다. 애노드측(115)은 또한, 애노드측을 통해 층류 유동(laminar flow)을 지향시키거나, 확산시키거나 또는 달리 영향을 주기 위한 범프(bump)들, 디보트(divot)들, 채널들, 및 벽들을 포함하지만 이에 제한되는 것은 아닌, 표면 특징들을 갖는 유동 분배 채널들(115')의 갤러리를 제공하도록 구성될 수 있다.
캐소드측(120)은 캐소드 유입구(121)에 그리고 캐소드 배출구(122)에 유체 연결된다. 캐소드측(120)은 또한, 애노드측을 통해 층류 유동을 지향시키거나, 확산시키거나 또는 달리 영향을 주기 위한 표면 특징들을 갖는 유동 분배 채널들(120')의 갤러리를 제공하도록 구성될 수 있다.
경감되지 않은 스타트업 동안 (유입되는 수소에 의해 애노드로부터 공기가 퍼지됨에 따라) 초기 "파면"이 있는 유체로서 관통 이동하는, 애노드측 내에 공기와 수소의 혼합물이 존재하고 파'면'에서 가스 혼합물이 전극 표면을 가로질러 이동하여 0.5V까지 국부 애노드 전위를 상승시킬 수 있다. (산소를 포함하는) 공기만 갖는 캐소드측은 ~1V(이론적으로 1.23V) 전위를 가지므로 캐소드측 상의 1V 차이를 유지하기 위해, 탄소가 더 높은 산화 전위를 갖는 CO & CO2로 산화하기 시작한다. 캐소드 전위가 1.4V 위로 상승할 때 탄소 부식률이 크게 증가한다. 따라서, 백금(촉매)을 홀드하는 탄소 지원체가 산화되어, 전극에 더 이상 바인딩되지 않아 백금 표면적을 효과적을 낮춘다. 위의 문제(들)를 경감시키기 위해 산소 흡수 매질 디바이스, 시스템 및 방법은, 배기류 내의 수소가 애노드 유입구(116)로 다시 재지향되거나 재순환되기 전에 애노드 배기류로부터 산소를 제거하도록 구성된다. 흡수 모듈의 애노드 배기 하류는, 개선되고 따라서 경감된 산소를 갖는 애노드 배기체를 포함할 것이다. 이 시스템들은 재생성 없이 제한된 용량을 갖는 흡수 또는 산소 포획 매질에 의해 동작하고 따라서 동작 시스템(operating system)에서 사용하려면 재생성을 요할 것이다. 재생성은 소기된 산소를 릴리즈하기에 충분한 열의 추가에 의해 달성된다. AOBH를 흡수 모듈(85)과 열적으로 연결하는 것은, 흡수 매질의 재생성을 위해 에너지를 제공하기 위해 시스템 손실을 이용하는 추가 이득을 제공한다.
시스템(108)의 주요 양태들은 연료 전지(110), 수소 연료 공급부(200), 산소 경감 시스템(300), 공기 공급부(산화제)(400), 냉각제 공급부(500) 및 연료 전지의 동작 동안 생산되는 물(600)을 포함한다. 연료 전지는, 수소(200) 및 산화제(400)를 내부의 복수의 바이폴라 플레이트들에 분배하기 위한 유동 분배 채널들의 갤러리를 제공하는 하나 이상의 플레넘(plenum)(112)을 갖는다. 플레이트의 캐소드측(115)은 산화제(400)를 수용하고 애노드측은 수소(200)를 수용하며, MEA(125)는 2개의 측들을 분리한다. MEA는 이전에 개시된 바와 같이 탄소 지원체를 포함하고 촉매를 지원한다. 간결성을 위해 냉각제 공급 유동이 더 상세되지 않는다.
동작의 방법 및 시스템의 추가 양태들은 다음을 포함한다:
A. 수소 공급부: 수소 연료 공급부(200)가 연료 전지(110)에 유체 연결되고 수소가 스택의 애노드측을 통해 유동함. 애노드 배출구 유동(201')이 시스템에 유체 연결되고 재순환 루프의 일부일 수 있다. 연료 전지 스택에의 유체 경로들은, 제 1 밸브(202), 가스 인젝터 밸브(204), 수동 이젝터 밸브(206), 제 2 밸브(208), 제 1의 3방향 솔레노이드 밸브(three-way solenoid valve)(210), 제 2의 3방향 솔레노이드 밸브(212), 응축기(condenser)(214) 및 물을 제거하기 위한 분리기(216)를 포함한다. 응축기(214)는, 때로는 일반적으로 AOBH로도 지칭되는 산소 경감 또는 소기 시스템(300)에 존재하는 가스류의 온도 제어를 위해 사용될 수 있다. 수소 루프는 또한, 펌프(218), 연결 오리피스(220), 제 3 밸브(222) 및 구리, 산화 아연 또는 니켈계 미세 분말 흡수제(nickel-based fine powder absorbent)와 같은 산소 흡수 매질(86)을 포함하도록 구성된 산소 경감 시스템(300)을 가열하기 위해 수소를 제공하기 위한 공기 공급부(400)에의 연결부(225)를 가질 수 있다. 자발적으로 산소를 흡수하는 임의의 재료가 사용될 수 있음에 유념해야 할 것이지만 대부분의 후보 재료들은 금속들, 금속 산화물들 또는 이들의 합금들이다.
제 3 밸브(222)는 재생성 모드 동안을 제외하고 폐쇄된다. 흡수 모듈(85)은 지속적인 동작을 위해 재생성을 요하는 매질(86)을 포함한다. AOBH는 재순환 루프에 유체 연결된 유입구(305)를 갖고 이에 의해 산소 흡수 매질의 재생성 동안 릴리즈되는 산소가 배출구(307)를 통해 배기될 수 있다. 공기 공급부(401)가 유입구(305)에 유체 연결된다.
흡수 및 산소 경감 동안 애노드 배기 유입구(308)가 흡수 모듈(85) 내의 산소 흡수 매질(86)에 유체 연결되고, 스타트업 전의 애노드 배기류가 캐소드로부터 이주한 산소를 포함할 것이며 경감되지 않은 채 남아있으면 연료 전지에 해로울 것이다. AOBH의 일부일 수 있는 산소 경감 모듈 내의 매질(86)이 스트림으로부터 산소를 흡수한다. 경감되거나, 폴리싱되거나 또는 달리 산소가 감소된 애노드 배기류는, 비제한적인 예시에 도시되고, AOBH 내에 있으며 애노드 배기 배출구(309)를 통해 AOBH의 외부로 유체 연결된다. 애노드 배기체는 유체류로부터 산소를 퍼징하도록 재순환 루프에 있을 수 있다.
매질은 애노드 가스원으로부터 산소를 흡착하거나 흡수할 수 있는 임의의 재료일 수 있다. 매질은 산소 소기 시스템(또한 일 유형의 정화 유닛)을 통과하는 애노드 가스원과 충분한 접촉을 하기에 적합한 임의의 형태일 수 있다. 유사하게, 정화 유닛은, 매질을 포함할 수 있고 실질적으로 산소가 없는 가스류 또는 질소가 풍부한 가스류를 양산하기 위해 산소 함유 애노드원에 매질의 허용가능하거나 충분한 노출을 제공할 수 있는 임의의 장치 또는 디바이스를 포함할 수 있다. 매질을 재생성하기 위해 하나 이상의 가열 수단이 (별도로 도시되지는 않았지만 AOBH 내에 임베딩될 필요는 없는) 산소 경감 시스템에 열적으로 연결되고 매질(86)이 산소 경감 시스템에 의해 포획된 산소를 릴리즈하게 하기에 충분한 열을 제공하도록 구성된다. 수단은 촉매 가열기들(52), 시스템으로부터의 폐열, 다른 화학적 또는 전기적 가열 요소들을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 일부 경우들에서, 산소 소기 시스템(300)은 매질(86)과 열 연통된 AOBH를 포함한다.
일부 경우들에서, 애노드 유동(201')이 수소 재순환 루프의 상류에서 연결부(225)에서 AOBH 재생성 유입구(305)에 유체 연결된다. 일부 경우들에서, AOBH에 유체 연결된 수소 공급부(201)가 수소 재순환 루프로부터 그러나 임의의 응축(condensation) 및 물 분리의 하류에 유체 연결될 수 있다. 선택적으로, 재생성 배출구(307)로부터 배기된 가스가 기계적 에너지를 회수하기 위해 가스 팽창 스테이지(미도시)에 공급될 수 있다.
3방향 솔레노이드 밸브들(210 및 212)은 흡수 및 재생성 동안 산소 소기 시스템(300) 및/또는 AOBH 유입구들 및 배출구들로부터의 유동을 조절하기 위해 제어기(105)에 의해 제어된다. 재생성 동안 제어기는 산소를 제거하기 위해 매질(86)을 통해 최소의 미리 결정된 요구되는 유동률을 유지한다. 3방향 솔레노이드 밸브들(210 및 212) 및 다른 밸브들은 또한 셧다운시 갇힌 체적을 최소화하기 위해 제어기에 의해 조절될 수 있다. 3방향 솔레노이드 밸브들(210 및 212) 및 다른 밸브들은, 시스템이 ‘오프' 상태에 있을 때 AOBH 흡수기측(AOBH absorber side)을 격리시키기 위해 제어기(105)에 의해 조절될 수 있다. 3방향 솔레노이드 밸브들(210 및 212) 및 다른 밸브들은 정상 연료 전지 동작 동안 AOBH를 격리시키기 위해 제어기에 의해 조절된다.
B. 산화제 공급부: 공기(산화제) 공급부(400)가 연료 전지(110)에 유체 연결(401)되고 공기가 스택의 캐소드측을 통해 유동함. 공기 공급부(400)는 또한 산소 흡수/소기 시스템(300)에 유체 연결되고 이에 의해 소기 시스템(300) 내의 (도 1에 도시된) 촉매 가열 요소(55)에 유체 연결을 통해 공기 및 수소를 제공할 수 있다.
C. 냉각제 공급부: 선택적으로 냉각제 공급부(500)가 연료 전지(110)에 유체 연결되고 냉각제가 스택을 통해 유동하고 스택을 냉각시킴. 냉각제 공급부는 또한 본원에 개시된 연료 전지 시스템 및 동작 방법에 대한 BOP(balance of plant)의 물 소기 시스템의 일부인 수동 응축기(350)를 냉각시키는 것으로 도시된다. 분리기(216)는 연료류들로부터 소기되거나 환원(reclaim)된 물을 수집하기 위한 유체 연결부(601)에 연결되고 물의 유동은 제 1 물 공급 밸브(602)를 통해 제어될 수 있다.
산소 경감 또는 소기를 통해 처리되는 근본적인 문제는 셧다운과 스타트업 사이에 연료 전지의 애노드측으로부터 산소를 제거하는 것이다. 셧다운 동안, 이전에 개시된 바와 같이, 산소가 멤브레인을 가로질러 이주할 것이고 이에 의해 연료 전지 내의 플레이트들에 대한 탄소 지원체의 양측 상의 증가된 전압 전위를 셋업한다. 남아있는 경감되지 않은 전위 변화들이 탄소 지원체의 부식을 야기할 것이다. 산소 소기 시스템은 고정된 또는 가변 시간 프레임에 대한 연료 전지의 사전 스타트업에 사용된다. 시간 프레임은, 산소 소기 시스템(300)을 통한 애노드 연료 유체 연결을 유동시키기 위한 시간을 결정하기 위해 압력, 온도, 가스 성분들의 하나 이상의 센서 측정으로부터 타임 오프 및/또는 데이터를 측정하는 LUT(look-up table) 또는 제어기(미도시)에 의해 제공될 수 있다. 일부 경우들에서, 산소 소기 시스템을 통한 애노드측 연료의 유동 시간은 10초 내지 90초 사이이다. 다른 경우들에서, 시간은 20초 내지 70초이고, 다른 경우들에서 시간은 30초 내지 60초이다. 또 다른 경우들에서 시간은 60초이고, 또 다른 경우들에서 시간은 60초보다 작으며 또 다른 경우들에서 시간은 60초보다 크다. 흡수가 완료된 후 산소 흡수 매질(86)은 재생성을 요한다. 재생성 사이클은 산소 흡수 매질을 미리 결정된 온도로 가열하는 것을 포함하고 이에 의해 흡수된 산소가 릴리즈된다. 산소 소기 시스템(300)은 응축기 및 분리기에 유체 연결될 수 있고 이에 의해 산소가 수소와 조합되어 물 제거가능 라인(601)을 통해 유체 연결되는 물을 형성하며 나머지 실질적으로 산소가 없거나 또는 질소가 풍부한 가스류가 애노드 수소 연료 공급 유체 연결부(201)로 리턴될 수 있다.
흡수 국면의 양태들이 도 2b에 예시된다. 연료 전지(110)가 오프로딩되고 애노드 유동(201')이 연료 전지의 캐소드측으로부터 애노드측으로 이주한 산소를 포함할 것이다. 내부의 탄소 지원체를 부식시키는 전압 스파이크를 회피하기 위해, 가스 인젝터(204), 제 2 밸브(208), 제 3 밸브(222) 및 제 1 3방향 솔레노이드 밸브(210)가 애노드 유동(201')을 AOBH의 애노드 배기 유입구(308)에 지향시키도록 구성된다. 애노드 유동(201')은, 흡수 매질 폴리싱, 세정, 소기 등이 애노드 배기체 내의 산소를 감소시킨 후 애노드 배기 배출구(309)를 통해 AOBH에 존재한다.
비활성화(de-active) 또는 중성 국면의 양태들이 도 2c에 예시된다. 연료 전지(110)가 로드시(on-load) 애노드 유동(201')이 산소를 거의 또는 전혀 포함하지 않을 것이고 제 2 밸브(208) 및 제 1의 3방향 솔레노이드 밸브(210)가 AOBH를 회피하기 위해 애노드 유동(201')을 지향시키도록 구성된다.
단순화된 재생성 국면의 일부 양태들이 도 2d에 예시된다. 연료 전지(110)가 로드시 애노드 유동(201')이 상당한 양의 수소를 포함하지 않을 것이고 가스 인젝터(204), 제 2 밸브(208), 제 3 밸브(222) 및 제 1의 3방향 솔레노이드 밸브(210)가 애노드 유동(201')을 지향시키도록 구성된다. 제 1의 3방향 솔레노이드 밸브(210)가 1-3 구성에서 개방되고 제 3 밸브(222)가 개방되며 따라서 재생성 사이클 동안, 흡수된 산소가 캐리어 가스로서 애노드 배기 가스를 통해 릴리즈되고 배출된다. AOBH는 저장된 산소를 릴리즈하도록 흡수 모듈(85) 내의 매질(86)에 충분한 열을 열적으로 전달하도록 충분히 가열된다. 공기 공급부(401)는 (재생성) 유입구(305)에 유체 연결되고 또한 연결부(225)를 통해 수소(201)를 수용하며 이에 의해 공기 및 수소가 배출구(307)로부터 배기되는 릴리즈된 산소 생성 수증기와 수소를 조합하는 매질(86)을 통해 통과한다.
더 큰 온도 변동들이 있는 다른 재생성 프로세스의 양태들은 약 15 °C의 더 낮은 온도 스타트업들을 포함한다. 그러나, 동작 동안 약 80 °C의 온도들이 예상된다. 스타트업시에 시스템을 통한 반응물들의 체적 유동이 또한 낮기 때문에 더 낮은 압력들이 정상 상태일 것이다. 반대로, 더 높은 동작 온도들에서 시스템의 유체 연결을 통한 더 큰 체적 유동이 있을 것이다. 도 2d에 상세된 시스템은 동작 동안 이 다양한 조건들을 수용하도록 구성된다. 시스템의 캐소드측 및 애노드측 각각에 대한 압력은 일반적으로 연료 전지 스택의 저하를 회피하기 위해 약 1 bar 내지 2 bar 사이에서 동일해야 한다. 추가적으로, 동작 동안 시스템은 더 뜨거운 주변 조건들 하에서 동작할 때 3 bar만큼 높이 가압될 수 있고 이는 결국 방열을 도울 것이다.
이전의 설명이 개시된 시스템 및 기술의 예시들을 제공한다는 점이 이해될 것이다. 그러나, 본 개시의 다른 구현예들이 이전의 예시들과 상세하게는 상이할 수 있다는 점이 고려되어야 한다. 본 개시 또는 본 개시의 예시들에 대한 모든 참조들은 해당 시점에서 논의되는 특정 예시를 참조하도록 의도되고 더 일반적으로 본 개시의 범위에 대한 임의의 제한을 암시하도록 의도되는 것은 아니다. 특정 특징들에 관한 구별(distinction) 및 폄하(disparagement)의 모든 언어는 그 특징들에 대한 선호도의 부족을 표시하도록 의도되지만, 달리 표시되지 않는 한 본 개시의 범위로부터 완전히 배제하도록 의도되는 것은 아니다.

Claims (11)

  1. 연료 전지 시스템(fuel cell system)에 있어서,
    적어도 하나의 연료 전지 - 각각의 연료 전지는 애노드 유입구(anode inlet) 및 캐소드 유입구를 포함하고, 상기 애노드 유입구는 수소를 유체 수용(fluidly receive)하도록 구성되고 상기 캐소드 유입구는 산소를 포함하는 공기원(air source)을 유체 수용하도록 구성됨 - ;
    상기 적어도 하나의 연료 전지의 애노드 배출구(anode outlet), 상기 애노드 유입구, 및 상기 애노드 배출구와 상기 애노드 유입구 사이에서 유체 연결되는 정화 유닛(purification unit)을 포함하는 제1 애노드 배기 경로; 및
    상기 애노드 배출구 및 상기 애노드 유입구 사이에 위치되는 상기 정화 유닛 없이 상기 애노드 배출구 및 상기 애노드 유입구를 포함하는 제2 애노드 배기 경로
    를 포함하고,
    상기 정화 유닛은, 상기 애노드 배출구를 빠져나간 애노드 배기류(anode exhaust stream) 내의 산소의 양을, 상기 애노드 배기류가 상기 제1 애노드 배기 경로를 통해 상기 애노드 유입구에 지향되기 전에 감소시키도록 구성되고, 상기 감소는 셧다운 후, 스타트업 전, 및 스타트업 동안, 중 적어도 하나에 대해 수행되고,
    셧다운 후, 스타트업 전, 및 스타트업 동안 외의 다른 시간에서, 상기 애노드 배기류는 상기 제2 애노드 배기 경로를 통해 상기 애노드 배출구로부터 상기 애노드 유입구로 유동하고,
    상기 정화 유닛은 산소를 흡착하는 것 및 흡수하는 것 중 적어도 하나를 하도록 구성된 재생성가능 산소 포획 매질(regenerable oxygen capture media)을 포함하고,
    촉매 유효 표면적의 감소는 멤브레인 전극 어셈블리의 애노드 측에 대해 경감되는 것인, 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 정화 유닛은 산소 소기 시스템(oxygen scavenging system)인 것인, 연료 전지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 산소 포획 매질은 산소 제거 촉매를 포함하는 것인, 연료 전지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 산소 포획 매질은, 적어도 수소 가스를 포함하는 유체로 상기 산소 포획 매질을 스트리핑(stripping)함으로써 재생성되는 것인, 연료 전지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 산소 포획 매질을 재생성하기 위한 열이 적어도 하나의 전기 가열기에 의해 제공되는 것인, 연료 전지 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 산소 포획 매질은, 수소 가스를 연소시키도록 구성된 촉매 가열기 요소로 상기 산소 포획 매질을 가열함으로써 재생성되는 것인, 연료 전지 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 촉매 가열기 요소는 상기 정화 유닛과 열 연통되는 것인, 연료 전지 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 산소 포획 매질은 니켈, 구리, 산화 아연 및 탄소 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 연료 전지 시스템.
  9. 제 3 항에 있어서, 상기 산소 제거 촉매는 팔라듐, 백금, 루테늄, 로듐, 오스뮴, 이리듐 금, 은, 레늄, 철, 크로뮴, 코발트, 구리, 망간, 텅스텐, 니오븀, 티타늄, 탄탈륨, 납, 인듐, 카드뮴, 주석, 비스무트 및 갈륨으로 구성된 그룹 중 적어도 하나의 부재를 포함하는 것인, 연료 전지 시스템.
  10. 제 3 항에 있어서, 선택된 상기 산소 제거 촉매 또는 상기 산소 제거 촉매를 형성하는 합금은 0 °C만큼 낮은 온도들에서 수소를 연소시키도록 구성되는 것인, 연료 전지 시스템.
  11. 제 3 항에 있어서, 선택된 상기 산소 제거 촉매 또는 상기 산소 제거 촉매를 형성하는 합금은 -30 °C만큼 낮은 온도들에서 수소를 연소시키도록 구성되는 것인, 연료 전지 시스템.
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