연료 전지 전압 제어 장치 document_id A220623030610

2002년 11월 26일자로 출원된 미국 특허 출원 제10/305,301호는, 도1과 관련하여 설명되는 바와 같이, 연료 전지 동력 장치의 시동 동안의 반응물의 도입 및 차단 동안의 반응물의 소비로부터 발생하는 개별 전지 전압을 제한하기 위해 연료 전지 스택의 전기 출력부에 선택적으로 부착된 보조 부하의 사용을 개시하고 있다. 도1에 있어서, 종래 기술의 연료 전지 시스템(100)은 애노드(104), 캐소드(106) 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 전해질층(108)을 포함하는 연료 전지(102)를 포함한다. 애노드는 전해질층(108)을 향하는 기판의 측면에 애노드 촉매층(112)이 배치된 애노드 기판(110)을 포함한다. 캐소드는 전해질층(108)을 향하는 기판의 측면에 캐소드 촉매층(116)이 배치된 캐소드 기판(114)을 포함한다. 전지는 또한 애노드 기판(110)에 인접한 애노드 유동장 판(118) 및 캐소드 기판(114)에 인접한 캐소드 유동장 판(120)을 포함한다. 캐소드 유동장 판(120)은 캐소드 기판에 인접하여 캐소드 유동장 판을 가로질러 연장되어, 입구(124)로부터 캐소드를 가로질러 출구(126)까지 공기와 같은 산화제를 반송하기 위한 캐소드 유동장을 형성하는 복수의 채널(122)을 구비한다. 애노드 유동장 판(118)은 애노드 기판에 인접하여 애노드 유동장 판을 가로질러 연장되어, 입구(130)로부터 애노드를 가로질러 출구(132)까지 수소 함유 연료를 반송하기 위한 애노드 유동장을 형성하는 복수의 채널(128)을 구비한다. 몇몇 전지들은 또한 캐소드 유동장 판(120)에 인접한 냉각기(131)를 포함하며, 이 냉각기(131)는 워터 펌프(134)를 이용하여 냉각기(131), 방열용 라디에이터(136) 및 유동 제어 밸브 또는 오리피스(138)를 통하여 진행하는 루프(132)를 통해 물을 순환시킴으로써 전지로부터 열을 제거한다. 몇몇 연료 전지 시스템에 있어서, 판(118, 122, 131)과 같은 애노드 및 캐소드 유동장 판과 냉각기 판 등은 다공성이며, 전지의 애노드 및 캐소드로 가스를 운반하고 각각의 전지에 대해 물을 반입 또는 반출하는데 사용된다. 이들 시스템에 있어서는, 반응물 채널이 냉각제에 의해 폐색되는 것을 방지하기 위해 차단 공정 동안에 펌프(134)와 같은 냉각제 루프 펌프는 켜진 상태로 유지되어야 한다. 단일 전지(120)만이 도시되어 있지만, 실제로 연료 전지 시스템은 전기적으로 직렬 접속된 복수의 인접 전지(즉, 전지들의 스택)를 포함한다. 연료 전지 시스템은 여압된 수소 함유 연료의 공급원(140)과, 공기의 공급원(142)과, 공기 송풍기(144)와, 주 부하(146)로 지칭되는 주 전기 사용 장치와, 보조 부하(148)와, 애노드 배출물 재생 루프(150)와, 재생 루프 송풍기(152)를 포함한다. 정상적인 연료 전지 작동 동안, 전지가 주 부하(146)에 전기를 공급하고 있을 때, 주 부하 스위치(154)는 폐쇄되고(도면에서는 개방되어 있는 것으로 도시됨), 보조 부하 스위치(156)는 개방된다. 공기 송풍기(144), 애노드 배출물 재생 송풍기(152) 및 냉각제 펌프(134)는 모두 켜진 상태이고, 재생 루프(150)의 밸브(170) 및 애노드 배출물 도관(174)의 애노드 배출물 배기 밸브(172)와 마찬가지로, 연료 공급원(140)으로부터 재생 송풍기(152)의 하류에 위치하는 애노드 재생 루프(150) 안으로의 연료 공급 도관의 밸브(166)는 개방된다. 도관(160)의 공기 입구 공급 밸브(158)는 개방된다. 공기 공급원(142)으로부터 재생 송풍기(152)의 상류에 위치하는 재생 루프내의 한 지점을 향하는 도관(164)의 공기 공급 밸브(162)는 폐쇄된다. 따라서, 정상적인 작동 동안, 공급원(142)으로부터의 공기가 도관(160)을 거쳐 캐소드 유동장 입구(124) 안으로 지속적으로 전달되고, 도관(176)을 거쳐 전지 출구(126)를 빠져나간다. 여압된 공급원(140)으로부터의 새로운 수소 함유 연료는 연료를 재생 루프(150) 안으로 유도하는 도관(168)을 거쳐 애노드 유동장 안으로 지속적으로 전달된다. 고갈된 연료를 함유하는 애노드 배출물의 일부가 도관(174)을 거쳐 배기 밸브(172)를 통해 애노드 유동장을 빠져나가는 한편, 재생 송풍기(152)가 종래 기술에 공지된 방식으로 재생 루프를 거쳐 애노드 유동장을 통해 애노드 배출물의 잔류분을 재순환시킨다. 재생 유동은 약간의 수증기를 전지에 복귀시켜 연료 입구 근처에서의 전지의 건조를 방지할 뿐만 아니라, 애노드 유동장의 입구(130)로부터 출구(132)까지 비교적 균일한 가스 조성을 유지하는데 도움을 준다. 연료에 존재하는 수소는 정상적인 전지 작동 동안 공지된 방식으로 전기화학 반응하여 양자(수소 이온) 및 전자를 생성한다. 전자는 애노드(104)로부터 외부 회로(178)를 통해 캐소드(106)로 유동하여 부하(146)에 전력을 공급하는 한편, 양자는 애노드(104)로부터 전해질(108)을 통해 캐소드(106)로 유동한다. 전지 촉매 및 촉매 지지체의 부식에 따른 결과인 심각한 전지 성능 저하를 방지하기 위해, 이하의 공정이 전지를 차단하는데 사용될 수 있다. 스위치(154)가 개방되어, 주 부하를 외부 회로로부터 단절시킨다. 밸브(166)가 개방 상태로 유지되어, 애노드 유동장으로의 연료의 유동을 허용한다. 애노드 배기 밸브뿐만 아니라, 바람직하게는 공기 입구 공급 밸브(158)도 폐쇄된다. 애노드 배출물을 전지를 통해 지속적으로 재순환시키기 위해, 재생 유동 밸브(170)가 개방 상태로 유지될 수 있고, 재생 송풍기(152)가 켜진 상태로 유지될 수 있다. 이것은 애노드에 있어서의 국부적인 연료 부족을 방지한다. 그 후, 스위치(156)가 폐쇄되고, 이에 따라서 작은 보조 저항 부하(148)가 전지를 가로질러 외부 회로(177, 178)에 접속된다. 스위치(156)가 폐쇄된 상태에서, 캐소드 유동장에 있어서의 산소 집중이 감소되도록, 통상적인 전지 전기화학적 반응이 지속적으로 발생한다. 캐소드 챔버내의 압력이 주변 압력 아래로 떨어지는 것을 방지하기 위해, 밸브(158)는 보조 부하 적용 주기 동안 부분적으로 개방될 수 있다. 바람직하게는, 보조 부하(148)는 약 15초 내지 1분 안에 약 0.90 내지 1.0볼트의 개방 회로 전압으로부터 약 0.20볼트까지 전지 전압을 낮추도록 크기가 결정된다. 이를 달성하는데 필요한 부하의 크기는 전지의 수, 전지의 크기 및 애노드 유동장 및 임의의 연료 매니폴드 등의 내부 및 캐소드 유동장 및 임의의 공기 매니폴드 등의 내부의 수소 및 공기의 최대 체적과 같은 전지의 상세에 의해 좌우될 것이다. 연료 퍼지 개시전의 보조 부하의 적용으로 인한 낮은 레벨의 전류 생산때문에, 차단 동안 전지 성능 저하를 야기하는 것으로 생각되는 "역전류"의 크기가 공기 퍼지 단계 동안 낮아질 것이다. 전지 전압이 소정 크기까지(바람직하게는 0.2볼트 이하의 전지 전압까지) 감소되면, 스위치(156)는 개방될 수 있거나 또는 폐쇄 상태로 유지될 수 있고, 밸브(166)는 나머지 차단 공정 전체에 걸쳐 또는 부분적으로 폐쇄된다. 애노드 배출물이 더 이상 재순환하는 것을 방지하기 위해 재생 밸브(170)가 폐쇄되고 재생 송풍기는 꺼진다. 애노드 배출물 배기 밸브가 개방되고, 그 후 공기 유동 밸브(162)가 개방되어, 공급원(142)으로부터의 공기가 밸브(170)의 바로 하류에 위치하고 재생 송풍기(152)의 바로 상류에 위치하는 재생 루프 안으로 유입되는 것을 허용한다. 상술한 공정에 따라 전지가 차단되었다고 가정하면, 애노드 및 캐소드 유동장 내부에는 희석된 수소 및 질소만이 존재할 것이다. 연료 전지 시스템(100)을 재시동하기 위해서는, 보조 부하 스위치(156)가 (만약 개방되어 있다면) 폐쇄되어 보조 부하(148)를 외부 회로(177, 178)에 접속시키고, 냉각제 루프 밸브(138)가 (만약 폐쇄되어 있다면) 개방되고, 펌프(134)가 켜진다. 공기 유동 밸브(158)가 폐쇄되며; 송풍기(144)가 꺼진다. 애노드 배출물 배기 밸브(172)가 개방되고, 도관(162)의 공기 유동 밸브가 폐쇄된다. 재생 유동 밸브(170)가 또한 개방되고, 재생 송풍기(152)가 켜진다. 연료 유동 밸브(166)가 개방되어 공급원(140)으로부터 여압된 수소가 애노드 유동장 안으로 유입되는 것을 허용한다. 애노드 배출부(172)에 수소가 도달하면, 보조 부하 스위치(156)가 개방된다. 공기 유동 밸브(158)가 개방되고, 공기 송풍기(144)가 켜지며, 스위치(154)가 폐쇄되어, 전지(102)를 가로질러 주 부하를 접속시킨다. 이제 전지는 정상적으로 작동될 수 있다. 상술한 종래 기술의 고정 보조 부하 전압 제한 기능에는 몇 가지 문제가 존재한다. 시동 동안, 전지 스택 전압이 소정 레벨 위로 상승할 때, 고정 보조 부하가 연료 전지 스택에 접속되고, 소정 시간후에, 또는 일부 실시예에 있어서는 직류 전류가 특정 레벨 아래로 낮아진 후에 단절된다. 부하는 이 시간 동안 일정하게 유지된다. 시동 및 차단 모두에 대해 동일한 보조 부하가 사용된다면, 결과적으로 시동이나 차단 중 어느 하나 또는 두 가지 모두가 최적화되지 않을 것이다. 차단 공정 동안에는, 전지 스택 전압이 특정 레벨 아래로 저하될 때까지, 상이한 저항 및 전력 등급을 가진 분리형 보조 부하가 연료 전지에 접속되고, 그 후에 단절될 수 있다. 시동 및 차단 동안의 전압 제한을 위해 2개의 분리형인 별개의 보조 부하를 사용하면 실시 및 패키징이 저렴하다. 시동 동안, 애노드 연료는 각각의 연료 전지 내부에 있어서 균일한 농도가 아니거나 유동장을 통해 각각의 연료 전지 안으로 동일한 양이 진행하지 않는 방식으로 전체 연료 전지 스택 안으로 도입될 수 있다. 충분한 연료를 구비하지 않은 전지로부터 전류를 끌어내면, 불충분한 연료를 가진 개별 전지에 부전압을 초래하는 "연료 부족"이라고 하는 결과가 발생한다. 따라서, 보조 부하와 결합하는데 사용되는 개방 회로 전지 스택 전압은 모든 전지가 충분한 연료를 갖는 것을 보장할 만큼 충분히 높게 설정되어야 한다. 이것은 많은 개별 전지가 바람직하지 않은 연료 전지 저하 기제가 발생하는 전압 레벨보다 큰 전압 레벨까지 상승하는 결과를 가져온다. 종래 기술의 시스템은 제조 공차에 의해 개별 동력 장치들 사이에 발생되는 편차, 또는 동력 장치 작동 수명 전체에 걸쳐 동력 장치에 발생하는 편차를 수용할 만큼 충분히 견고하지 못하다. 개별 전지의 부전압을 방지하기 위해서는 보조 부하를 접속 및 단절하는데 사용되는 제어 파라미터에 신중해야한다. 이것은 많은 개별 전지들이 전지 저하 기제를 최소화하는데 요구되는 것보다 큰 전압 레벨까지 상승한다는 것을 의미한다. 시동 및 차단 동안의 전압 제한을 위해 사용되는 보조 부하는 이들 전이 주기 동안 연료 전지에 의해 발생되는 최대 에너지를 방산시키도록 크기가 결정되어야 한다. 냉각제의 온도 및 주변 환경의 온도와 같은 환경 조건이, 정상적이고 통상적인 동력 장치 작동 조건에 비해 비용 초과 설계를 초래하는 최악의 경우를 설계에 고려하여야 한다. 시동 및 차단을 위해 단일 보조 부하 또는 분리형 고정 보조 부하 중 어느 하나를 사용하는데 있어서, 초과-전압 조건 및 그로 인한 연료 전지 성능 저하의 완화가 불충분하여, 연료 전지 스택의 모든 전지들에 보다 균일한 연료 도입을 제공하기 위해 연료 입구 매니폴딩 시스템의 포뮬레이션에 주목하게 되었다. 이들 시스템은 연료 전지 동력 장치에 의해 구동되는 전기 자동차와 같은 소형의 응용예에 사용하기에는 비용이 많이 들고 귀찮은 것들이다.