KR20240036092A - 연료 전지의 수소 및 산소 함유 잔류 가스의 처리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 전지 스택(2)에 전기적 및 기계적으로 결합된 복수의 연료 전지(3)를 포함하고, 연료 전지(3)의 수소 및 산소 함유 잔류 가스에 대한 잔류 가스 처리 디바이스(4)를 더 포함하는 연료 전지 조립체(1)에 관한 것으로, 잔류 가스 처리 디바이스(4)는 연료 전지(3)와는 별도의 전력 회로(8)를 통해 유도되며 촉매(6) 및 멤브레인(7)을 포함하는 재결합 연료 전지(5)를 포함한다. 본 발명은 또한 연료 전지(3)의 수소 및 산소 함유 잔류 가스를 처리하는 방법에 관한 것이다.

Description

연료 전지의 수소 및 산소 함유 잔류 가스의 처리
본 발명은 연료 전지를 구비한 연료 전지 조립체와, 연료 전지의 수소 함유 및 산소 함유 잔류 가스에 대한 잔류 가스 처리 디바이스, 및 연료 전지로부터의 수소 함유 및 산소 함유 잔류 가스를 처리하는 방법에 관한 것이다.
연료 전지, 복수의 연료 전지를 구비한 연료 전지 조립체, 및 이를 작동시키는 방법은 본 기술 분야에 광범위하게 공지되어 있다. 연료 전지는 적어도 2개의 반응 가스의 화학 반응, 특히 에너지 방출성(exergonic) 화학 반응이 전지가 제공하는 에너지를 적어도 부분적으로 전기적 에너지로서 방출하는 전기화학 전지이다. 따라서, 연료 전지는 전기적 에너지 공급 목적뿐만 아니라, 특정 상황에서는 열 에너지 공급 목적으로도 사용된다.
연료 전지의 한 가지 용도는, 예를 들어 중단 없는 에너지 공급, 마이크로그리드 등의 제공을 허용하는 고정 용례이다. 더욱이, 연료 전지를 사용하여 난방 목적의 열 에너지를 또한 제공할 수 있다.
추가적으로, 연료 전지는 또한 차량, 예를 들어 페리 또는 잠수함과 같은 선박, 항공기, 및 자동차에도 사용되며, 특히 예를 들어 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등과 같이 전기적으로 추진될 수 있는 차량에 사용된다.
다른 빈번한 의도는 연료 전지를 이용하여 전기적으로 추진될 수 있는 차량의 주행 범위를 개선하는 것이며, 연료 전지는 차량의 전기적 추진 설비의 전기적 에너지 공급을 위한 각각의 차량 배터리의 사용에 대한 추가 또는 대안으로 제공된다.
빈번하게 사용되는 연료 전지의 한 종류는 수소-산소 연료 전지이며, 일반적으로 수소와 산소의 전기화학 반응이 전기적 에너지와 열을 발생시킨다. 연료 전지의 구성에 따라, 산소의 공급을 공기로 대체하거나 보충할 수도 있다. 물은 반응의 산물이다. 더욱이, 각각의 전극의 구역에는 연료 전지에서 배출될 대응 잔류 가스가 있으며, 예를 들어 애노드 역할을 하는 전극에서의 수소 함유 잔류 가스 및 캐소드 역할을 하는 전극에서의 산소 함유 잔류 가스가 있다.
수소-산소 연료 전지의 정상적인 작동에서는, 애노드에 수소가 공급되는 반면, 캐소드에 산소가 공급된다. 전극은, 예를 들어 폴리머 전해질 멤브레인 등에 의해 형성될 수 있는 전해질을 통해 서로 전기화학적 상호작용을 한다. 수소의 공급은 순수한 수소 가스를 통해 아니면 수소 함유 연료 가스를 통해 실현될 수 있다. 유사하게, 산소의 공급은 순수한 산소 가스를 통해 아니면, 예를 들어 공기의 형태로 실현될 수 있다.
이러한 종류의 수소-산소 연료 전지에 의하면, 일반적으로 전극들 사이에 직류 전압이 제공되며 예를 들어 약 1 V 이하에 이를 수 있다. 따라서, 전형적으로, 복수의 연료 전지는 직렬 연결로 전기적으로 작동되고 융합되어 연료 전지 조립체의 연료 전지 스택을 형성할 수 있다.
연료 전지의 작동에 있어서, 미반응 잔류 가스가 출구에서 발생한다. 이러한 가스는 일반적으로 주변으로 방출된다. 폴리머 전해질 연료 전지의 경우에는, 수소 함유 잔류 가스와 산소 함유 잔류 가스로 구성된다. 연료 전지를 폐쇄형 시스템에서 작동해야 하는 경우, 잔류 가스를 별도로 보관해야 한다. 안전한 별도 보관을 가능하게 하기 위해서는, 잔류 가스의 수소 함량을 폭발 한계 아래로 낮추거나 이상적으로는 완전히 피해야 한다.
예를 들어, 부식과 산화를 방지하기 위해 가스 공간에 수소가 충전된 경우, 비작동 모듈은 산소측에도 수소를 함유할 수 있다.
연료 전지는 실제로 작동을 시작하기 전에 먼저 질소로 퍼지되지만, 그럼에도 불구하고, "새로운 산소"가 산소측에서 "기존 수소"를 만나 반응할 수 있으며, 이 경우 연료 전지(들)를 손상시킬 수 있는 양의 열 에너지가 방출될 수 있다.
따라서, 과잉 수소는 촉매 버너 또는 재결합기라고 불리는 것을 사용하여, 기존 산소의 도움으로 하류 반응에 의해 종종 소비될 수 있다. 이러한 촉매 버너 또는 재결합기는 별개의 구성요소이다.
연료 전지로부터의 수소 함유 및 산소 함유 잔류 가스를 처리하는 방법, 및 잔류 가스 처리 시스템은, 예를 들어 WO 2020/038907 A1에 개시되어 있다. WO 2020/038907 A1의 교시 내용은 연료 전지 조립체의 실질적으로 폐쇄형 작동에 특히 적합하며, 여기서는 잔류 가스가 단순히 주변, 예를 들어, 주변 대기 등으로 방출되지 않는다. 비록 이 교시가 확립되었지만, 그럼에도 불구하고, 명백한 단점이 있다. 특히, 연료 전지의 작동 상태가 변경될 때, 그리고 특히 연료 전지를 켜고 끄는 동작 중에, 잔류 가스 회로의 잔류 가스 혼합물은 원치 않는 가스 조성을 생성할 수 있으며, 이는 WO 2020/038907 A1의 교시에 따른 최적의 이용에 영향을 미칠 수 있다.
따라서, 본 발명이 기초로 하는 목적은 주로 최적의 잔류 가스 처리가 실현될 수 있게 하기 위해, 연료 전지를 구비한 연료 전지 조립체와 연료 전지의 수소 함유 및 산소 함유 잔류 가스에 대한 잔류 가스 처리 디바이스, 그리고 연료 전지로부터의 수소 함유 및 산소 함유 잔류 가스를 처리하는 방법을 제공하는 것이다.
해결책으로서, 본 발명은 독립항에 따라, 연료 전지를 구비한 연료 전지 조립체와 연료 전지의 수소 함유 및 산소 함유 잔류 가스에 대한 잔류 가스 처리 디바이스, 그리고 연료 전지로부터의 수소 함유 및 산소 함유 잔류 가스를 처리하는 방법을 제안한다.
종속항의 특징을 통해 유리한 전개가 명백해진다.
본 발명은 연료 전지 스택에 전기적 및 기계적으로 융합된 복수의 연료 전지를 포함하고, 연료 전지의 수소 함유 및 산소 함유 잔류 가스에 대한 잔류 가스 처리 디바이스를 더 포함하는 연료 전지 조립체에서, 잔류 가스 처리 디바이스는 연료 전지와는 별도의 전력 회로를 통해 유도되는 촉매 및 멤브레인을 구비한 재결합 연료 전지를 포함하는 것으로 규정함으로써 이러한 연료 전지 조립체에 관한 목적을 달성한다.
연료 전지 조립체의 구성은 하나 이상의 소위 재결합 전지를 포함하도록 확장된다. 이러한 연료 전지는 연료 전지 조립체에 사용되는 촉매 및 멤브레인을 구비한 일반 전지이다. 형성된 잔류 가스는 재결합 연료 전지 내로 유도되며, 여기서 전기화학적으로 반응하여 물을 생성한다. 재결합 연료 전지는 나머지 연료 전지와는 별도의 전력 회로를 통해 유도된다.
본 발명의 유리한 실시예에서, 재결합 연료 전지는 연료 전지 스택에서 연료 전지의 바로 하류에 있으며, 이는 콤팩트한 구성을 가능하게 한다.
대안적인 실시예에서, 재결합 연료 전지는 연료 전지 스택 외부에 배열된다. 이 경우, 기존 연료 전지 스택은 그대로 유지될 수 있다.
전압 및/또는 전류의 측정 디바이스는 재결합 연료 전지에 통합되거나 또는 재결합 연료 전지에 연결되는 것이 유리하다. 이를 통해 잔류 가스에서 수소의 전환을 측정할 수 있으며, 최상의 경우 재결합 전지 출구에서 수소의 양에 대한 정보를 제공할 수 있다.
본 발명의 추가의 유리한 실시예에서, 금속 시트 재결합 전지는 연료 전지와 재결합 연료 전지 사이에 배열되고, 재결합 연료 전지의 멤브레인은 금속 시트 재결합 전지에서 금속 시트로 대체된다. 전지의 중앙에 있는 금속 시트는 이 금속 시트 재결합 전지를 기계적으로 및 열적으로 더 안정적으로 만든다. 기계적으로 더 안정적인 금속 시트 재결합 전지의 연료 전지 스택에 있는 연료 전지로부터의 반응물 혼합물의 직접적인 반응 때문에, 후속 멤브레인 재결합 연료 전지에 발생할 수 있는 손상을 방지할 수 있다.
연료 전지로부터의 수소 함유 및 산소 함유 잔류 가스를 처리하는 방법에 관한 목적은 연료 전지 스택에 전기적 및 기계적으로 융합된 연료 전지로부터의 잔류 가스를 연료 전지와는 별도의 전력 회로를 통해 유도되는 재결합 연료 전지에 공급하는 방법에 의해 달성된다.
유리하게는, 연료 전지 스택 내의 잔류 가스가 재결합 연료 전지에 공급된다.
이에 대한 대안으로, 잔류 가스가 연료 전지 스택 외부로 유도되어 스택 외부에 배열된 재결합 연료 전지에 공급되는 것이 유리할 수 있다.
이 경우 재결합 연료 전지의 전압 및/또는 전류 강도를 측정하면 유용하다.
유리하게는, 잔류 가스는 재결합 연료 전지 내로 유도되기 전에 먼저 재결합 연료 전지의 멤브레인이 금속 시트로 대체된 금속 시트 재결합 전지를 통해 유동한다.
본 발명에 의하면, 잔류 가스의 재결합이 연료 전지 스택의 구성에 직접 통합될 수 있다. 전압 및/또는 전류의 측정을 통해, 재결합 전지의 반응성을 측정할 수 있으며, 추가의 가스 센서가 필요하지 않다. 연료 전지 스택에 통합하면 뚜렷한 기하학적 이점을 얻을 수 있다. 그 구성 때문에, 재결합 시스템은 최적으로 냉각될 수 있다. 특정 경우에, 반응물로부터 에너지를 회수하는 것이 또한 가능할 것이다.
본 발명은 도면을 참조하여 예시적으로 더 자세히 설명된다. 개략적으로 그리고 축척대로는 아니게,
도 1은 본 발명에 따른 제1 연료 전지 조립체를 도시하고,
도 2는 PEM 연료 전지의 모델 구성을 도시하고,
도 3은 본 발명에 따른 제2 연료 전지 조립체를 도시하고,
도 4는 본 발명에 따른 제3 연료 전지 조립체를 도시한다.
도 1은 연료 전지 스택(2)과 작동부(13)를 포함하는 연료 전지 조립체(1)를 단순화된 표현으로 도시한다. 연료 전지 스택(2)은 복수의 개별 연료 전지(3), 여기서는 PEM 연료 전지로 구성되며, 이들은 서로 적층되어 전기적으로 직렬로 연결된다.
추가적으로, 도 1은 연료 전지 스택(2)의 연료 전지(3)의 수소 함유 및 산소 함유 잔류 가스에 대한 본 발명의 잔류 가스 처리 디바이스(4)를 도시한다. 이 잔류 가스 처리 디바이스(4)는 재결합 연료 전지(5)를 포함하고, 그 모델 구성은 연료 전지 스택(2)의 연료 전지(3)와 다르지 않다. 반응물의 유동 방향(9)과 관련하여, 재결합 연료 전지(5)는 연료 전지(3)의 하류에 있지만, 전기적으로 직렬로 연결되지 않고, 대신 연료 전지(3)와는 별도의 전력 회로(8)를 통해 라우팅된다.
도 2는 연료 전지 구성을 단순화된 형태로 단면으로 도시한다. 연료 전지(3) 및 재결합 연료 전지(5) 각각은 멤브레인(7)과 그 양 측면에 촉매층(6) 및 가스 확산층(14)을 갖는다. 가스 확산층(14)과 촉매층(6)은 함께 가스 확산 전극(24)을 형성한다. 이는 인접한 연료 전지(3)에 대한 전기적 연결을 생성하고 수소 및 산소 반응물에 대한 가스 공간(17 및 18)을 형성하는 가스 분배 구조(16)를 수용하는 바이폴라 플레이트(15)에 의해 인접해 있다. 수소에 대한 가스 공간(17)에 있는 전극(24)은 애노드라고도 불리며, 산소에 대한 가스 공간(18)에 있는 전극(24)은 캐소드라고도 불린다. 표현을 단순화하기 위해, 연료 전지, 및 밀봉부 등에 대해 반응물을 공급 및 배출하는 채널은 도시되지 않는다.
연료 전지 조립체(1)의 작동부(13)는 기술적 연결부, 센서, 밸브, 수분 분리기 등을 포함한다. 따라서, 수소의 공급(19) 및 배출(20)을 위한 연결부와 산소의 공급(21) 및 배출(22)을 위한 연결부가 존재한다. 또한, 연료 전지 조립체(1)의 작동부 단부에서는, 전기 부하 연결부(23)가 외부로 라우팅되어, 이에 대한 부하(도시되지 않음)의 연결이 연료 전지 조립체(1)로부터 전력을 공급받을 수 있게 한다. 도 1의 예시적인 실시예에서, 반응물의 유동 방향(9)에 있어서, 재결합 연료 전지(5)는 연료 전지 스택(2)의 연료 전지(3)의 바로 하류에 위치되어, 콤팩트한 구성를 달성한다.
도 3은 본 발명에 따른 연료 전지 조립체(1)의 대안적인 실시예를 도시하며, 여기서, 반응물의 유동 방향(9)에 있어서, 재결합 연료 전지(5)는 연료 전지 스택(2) 외부의 연료 전지(3) 하류에 있다.
본 발명의 한 전개에 따르면, 전압 및/또는 전류에 대한 측정 디바이스(10)가 재결합 연료 전지(5)에 통합된다(도 2 참조). 도 1 및 도 4의 예시적인 실시예에서, 전력 회로(8)에 대한 대응 연결부는 나머지 연결부 구역에 배열된다. 도 3에서는 대응 연결부가 외부 재결합 연료 전지(5)에 있다.
도 1의 예시적인 실시예에 대하여, 도 4의 연료 전지 조립체는 연료 전지(3)와 재결합 연료 전지(5) 사이의 금속 시트 재결합 전지(11)의 배열에 의해 변경되었다. 이러한 금속 시트 재결합 전지(11)의 구성은, 재결합 연료 전지(5)의 멤브레인(7)이 금속 시트(12)로 대체되어, 재결합 연료 전지(5)에 비해 기계적 안정성이 증가하고 수소와 산소의 반응으로 인해 발생하는 기계적/열적 스트레스가 전지를 손상시키지 않고 이 전지 내에서 이미 발생할 수 있게 하고, 따라서 후속 재결합 연료 전지(5)에 발생할 수 있는 손상이 방지되게 할 수 있다는 점에서 재결합 연료 전지(5)의 구성과 다르다.

Claims (10)

  1. 연료 전지 스택(2)에 전기적 및 기계적으로 융합된 복수의 연료 전지(3)를 포함하고, 연료 전지(3)의 수소 함유 및 산소 함유 잔류 가스에 대한 잔류 가스 처리 디바이스(4)를 더 포함하는 연료 전지 조립체(1)에 있어서, 잔류 가스 처리 디바이스(4)는 연료 전지(3)와는 별도의 전력 회로(8)를 통해 유도되는 촉매(6) 및 멤브레인(7)을 구비한 재결합 연료 전지(5)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 조립체(1).
  2. 제1항에 있어서, 반응물의 유동 방향(9)에서, 재결합 연료 전지(5)는 연료 전지 스택(2)의 연료 전지(3)의 바로 하류에 있는, 연료 전지 조립체(1).
  3. 제1항에 있어서, 반응물의 유동 방향(9)에서, 재결합 연료 전지(5)는 연료 전지 스택(2) 외부의 연료 전지(3)의 하류에 있는, 연료 전지 조립체(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 전압 및/또는 전류에 대한 측정 디바이스(10)가 재결합 연료 전지(5)에 통합되거나 또는 재결합 연료 전지(5)에 연결되는, 연료 전지 조립체(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 연료 전지(3)와 재결합 연료 전지(5) 사이에는 금속 시트 재결합 전지(11)가 배열되고, 재결합 연료 전지(5)의 멤브레인(7)은 금속 시트 재결합 전지(11)에서 금속 시트(12)로 대체되는, 연료 전지 조립체(1).
  6. 연료 전지(3)로부터의 수소 함유 및 산소 함유 잔류 가스를 처리하는 방법이며, 연료 전지 스택(2)에 전기적 및 기계적으로 융합된 연료 전지(3)로부터의 잔류 가스는 연료 전지(3)와는 별도의 전력 회로(8)를 통해 유도되는 재결합 연료 전지(5)에 공급되는, 방법.
  7. 제6항에 있어서, 연료 전지 스택(2) 내의 잔류 가스는 재결합 연료 전지(5)로 공급되는, 방법.
  8. 제6항에 있어서, 잔류 가스는 연료 전지 스택(2) 외부로 유도되어 재결합 연료 전지(5)로 공급되는, 방법.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 재결합 연료 전지(5)의 전압 및/또는 전류 강도가 측정되는, 방법.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 잔류 가스는 재결합 연료 전지(5) 내로 유도되기 전에, 먼저 재결합 연료 전지(5)에서와 같은 멤브레인(7) 대신 금속 시트(12)가 배열된 금속 시트 재결합 전지(11)를 통해 유동하는, 방법.
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