수동적 반응제 공급부를 구비한 연료 전지의 가동 방법 document_id A220623108370

전기화학적 연료 전지는 연료 및 산화제를 전기로 변환한다. 고체 폴리머 전기화학적 연료 전지는 일반적으로 이온교환 멤브레인 또는 2개의 전극, 즉 애노드와 캐소드 사이에 설치된 몇 가지 다른 종류의 고체 폴리머 전해질을 활용하며, 그 각각은 원하는 전기화학적 반응을 유도하기 위한 촉매의 층을 포함한다. 종래의 수소 연료 전지 시스템의 실시예를 도 1에 참조번호 10으로 개략적으로 나타낸다. 상기 시스템은 애노드(12)와 수소 가스 입구(14), 및 캐소드(18)와 공기 입구(20)를 포함한다. 수소 가스는 입구(14)에서 연료 전지에 유입되고, 애노드(12)에서 산화되어 양성자(16)와 전자(17)를 형성한다. 보통 공기로부터 얻어지는 산소는 캐소드(18)에서 환원되어 물(22)을 형성한다. 상기 연료 전지 시스템은 또한 애노드(12)로부터 캐소드(18)로의 양성자의 통로를 위한 양성자 교환 멤브레인(24)을 포함한다. 멤브레인(24)은 수소 이온을 안내할 뿐 아니라 산화물 스트림(stream)으로부터 수소 연료 스트림을 분리시킨다. 종래의 연료 전지는 또한 산화제 및 연료용 출구(24, 26)를 각각 포함한다. 많은 종래의 연료 전지에서, 전기전도성 반응제 유동 필드 플레이트(flow field plate)를 이용하여, 가압될 수 있는 반응제 스트림을 반응제 스트림 입구와 출구 사이로 애노드와 캐소드를 가로질러 흐르도록 인도한다. 그러한 반응제 유동 필드 플레이트는 전형적으로 일면 또는 양면에 형성된 하나 이상의 유동 통로 또는 채널을 가진다. 유체 유동 필드 플레이트는 집전기로서 작용하여, 전극을 지지하고, 연료 및 산화물에 대해 각각의 애노드 및 캐소드 표면으로의 접근 채널 또는 통로를 제공하며, 전지를 가동하는 동안 형성되는 물과 같은 반응 생성물을 제거하기 위한 통로를 제공한다. 전극 전체에 반응제가 충분히 공급되지 않으면 연료 전지의 성능은 현저히 저하될 수 있다. 따라서, 종래의 연료 전지에서는 전극에 적절한 공급을 보장하기 위해 연료 전지에 과량의 반응제를 제공하는 것이 통상적이었다. 애노드 전극의 경우에, 이것은 일반적으로 귀중한 연료를 낭비하는 것이며, 공급된 연료량 대비 전력 생성에 실제로 소비된 연료량의 비인 연료 활용도를 저하시킨다. 이상적으로는, 연료 전지에 공급된 모든 연료가 전력 생성에 사용되는 것이다(연료 활용도 1 또는 100%). 몇몇 연료 전지는 반응제 활용도를 증가시키려는 시도로 반응제측의 한쪽 또는 양쪽에서 폐쇄 모드로 가동하도록 설계된다. 이러한 상황에서, 폐쇄측에서 사용되는 반응제는 일반적으로 실질적으로 순수하다. 그러나, 그러한 시스템과 관련된 문제 중 하나는, 애노드에서 축적되어 국소적 연료 농도를 희석시키는 경향이 있는 비반응성 성분의 누적이다. 전력 요구량을 유지하는 데 필요한 연료 공급이(국소적으로 시스템에서의 특별한 연료 전지 내에서 조차) 이용될 수 없는 경우, 연료 전지 시스템은 전반적 또는 국소적 연료 고갈(fuel starvation)을 겪을 수 있다. 연료 고갈은 연료 전지에 대해 영구적, 회복불능의 재료 손상을 야기하여 성능의 저하 또는 궁극적인 시스템의 고장을 초래할 수 있다. 폐쇄 연료 시스템의 애노드에서 누적되기 쉬운 비반응성 성분의 소스로는 여러 가지가 있다. 그중 하나는 연료 스트림 자체의 불순물이며- 연료가 다른 성분들의 농도가 매우 낮은 실질적으로 순수한 것이더라도, 이들 불순물은 폐쇄 시스템에서 시간이 지남에 따라 축적되기 쉽다. 또한, 캐소드에서 생성된 물과 공기로부터의 질소(통기형 구조에서)는 전해질을 가로질러 애노드에서 누적되기 쉽다. 전형적인 해법은, 폐쇄 시스템 가동시 애노드에서 축적될 수 있는 비반응성 성분의 누적물을 주기적으로 배출시키기 위한 퍼지 밸브(purge valve)(폐쇄 시스템 가동시 정상적으로 폐쇄되어 있음)를 연료 통로 중 어딘가에 설치하는 것이다. 종래의 연료 전지 퍼지 시스템에서, 퍼지 밸브는, 예를 들면 수작업으로 또는 규칙적인 고정된 시간 간격으로, 또는 모니터된 파라미터에 응답하여 수시로 개방된다. 이와는 달리, 비반응성 성분의 누적을 방지하기 위해 반응제의 연속적인 소형 벤트(vent)를 사용할 수도 있다. 연료 전지 시스템을 통한 반응제 유동 통로는, 비반응성 성분이 어셈블리내의 각각의 전지의 출구 영역에서가 아니라 연료 전지 어셈블리의 단 하나 또는 몇 개의 연료 전지에서 먼저 누적되기 쉬운 구조로 만들어질 수 있다. 그러한 시스템은 진정으로 데드-엔드(dead-end)되지 않고, 퍼징이나 연속적 벤트가 폐쇄된 연료 공급 시스템을 가진 연료 전지의 성능을 개선할 수는 있지만, 귀중한 연료를 낭비시키고, 결과적으로 연료 활용도를 저하시킨다. 또한, 시스템에 대한 기생 부하(parasitic load)를 증가시키고, 퍼징 장치가 필요할 경우에는 복잡성을 증대시킨다. 그뿐 아니라, 주변 환경으로의 수소의 방출은 바람직하지 않을 수 있다.