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KR101023584B1 - 수명 연장을 위한 작동 온도를 갖는 연료 전지 조립체 - Google Patents

수명 연장을 위한 작동 온도를 갖는 연료 전지 조립체 Download PDF

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KR101023584B1
KR101023584B1 KR1020077012371A KR20077012371A KR101023584B1 KR 101023584 B1 KR101023584 B1 KR 101023584B1 KR 1020077012371 A KR1020077012371 A KR 1020077012371A KR 20077012371 A KR20077012371 A KR 20077012371A KR 101023584 B1 KR101023584 B1 KR 101023584B1
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Abstract

본 발명의 연료 전지 조립체(20)는 연료 전지 조립체(20)의 기대 수명에 기초하여 선택되는 온도 범위 내의 평균 작동 온도에서 작동하는 전기화학적 활성 부분(40)을 포함한다. 일 실시예에서, 전기화학적 활성 부분의 평균 작동 온도 범위는 약 340°F(171°C)과 약 360°F(182°C) 사이이다. 전기화학적 활성 부분의 최고 작동 온도와 최저 작동 온도는 평균 작동 온도 범위를 벗어날 수도 있다. 일 실시예에서, 전기화학적 활성 부분은 적어도 300°F(149°C)이며 400°F(204°C)보다 낮은 온도로 유지된다.
연료 전지 조립체, 전기화학적 활성 부분, 평균 작동 온도, 유효 수명

Description

수명 연장을 위한 작동 온도를 갖는 연료 전지 조립체{FUEL CELL ASSEMBLY WITH OPERATING TEMPERATURES FOR EXTENDED LIFE}
본 발명은 일반적으로 연료 전지에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명은 연료 전지의 수명 연장을 실현하기 위한 온도에서 연료 전지를 작동하는 것에 관한 것이다.
연료 전지는 잘 알려져 있고 다양한 분야에 대해 용도가 증가하고 있다. 예를 들어, 인산 연료 전지(PAFC)가 연료 전지의 한 종류로 알려져 있고, 고정 동력 발생에 사용된다. 전지 적층 조립체를 통상 5년 마다 갈아주어야 하는 것이 인산 연료 전지의 단점으로 알려져 있다. 5년이 지나면, 대부분의 분야에서 유용하고 수용가능한 정도 이하로 조립체의 성능이 저하된다. 이러한 성능의 손실은 통상 촉매 층의 부분이 전해질에 잠김으로써 나타난 결과이다. 전지 적층 조립체의 작동 온도와 전극 전위의 시간 경과에 따른 결합의 결과로 탄소 섬유 촉매 지지체의 표면이 산화된다. 이 때문에 성능이 저하하는 잠김이 일어난다.
공지된 구성처럼 전지 적층 조립체의 빈번한 대체를 요구하지 않는 향상된 연료 전지 구성을 제공하는 것이 바람직하다. 본 발명은 그 필요에 응한다.
본 발명의 실시예에 따라 작동되는 연료 전지 조립체의 예는 조립체의 전체 유효수명에 있어서 약 340°F(171°C)와 약 360°F(182°C) 사이 범위의 평균 온도에서 작동하는 전기화학적 활성 부분을 포함한다. 예를 들어, 종래의 작동 온도 범위에 따른 구성과 비교해서, 상기 범위 내의 평균 작동 온도를 이용하면 연료 전지 조립체의 유효 수명이 두 배가 된다.
연료 전지 조립체를 작동시키는 한가지 예시적 방법은 조립체의 전기화학적 활성 부분의 온도와 시간에 따른 성능 사이의 관계를 결정하는 단계를 포함한다. 이렇게 결정된 관계를 기초로 평균 작동 온도를 선택함으로써 원하는 최소 시간 동안 필요한 최소 한도의 성능을 얻을 수 있다.
일 실시예에서, 평균 작동 온도의 범위는 약 340°F(171°C)에서 약 360°F(182°C) 사이이다.
삭제
본 발명의 다양한 특징 및 장점은 다음의 실시예의 상세한 설명에서 당업자에게 명확해 질 것이다. 상세한 설명과 함께 수반되는 도면을 간략하게 설명하면 다음과 같다.
도1은 연료 전지 조립체를 개략적으로 도시한다.
도2는 온도와 시간 경과에 따른 연료 전지 성능 사이의 관계에 대한 그래프이다.
도3은 연료 전지의 작동과 시간 사이의 관계의 예들에 대한 그래프이다.
도1은 연료 전지 조립체(20)에 대해 개략적으로 도시하였다. 전지 적층 조립체는 전해질 부분(26)의 양측에 복수의 애노드(22)와 캐소드(24)를 포함한다. 이것은 공지된 방법으로 작동한다. 예를 들면, 전해질(26)은 인산을 포함하여, 조립체는 인산 연료 전지 조립체로 알려진다.
도시된 예는 또한 냉각기(30)를 포함하는데, 냉각제가 입구(32)로 들어가고 출구(34)로 나오는 공지된 방법으로 작동한다.
연료 전지 조립체는 조립체 내의 다양한 위치에서 다양한 온도를 가지는 것으로 알려져 있다. 논의 목적을 위해, 캐소스(24)와 애노드(22)에서 촉매들 사이의 중첩되는 지역인 전기화학적 활성 부분을, 연료 전지 조립체(20)의 전기화학적 활성 부분(40)이라 칭한다. 또한, 국부 전류 밀도의 변화와 냉각기(30)의 구성 때문에 전기화학적 활성 부분 내에서 온도가 변하는 것으로 알려져 있다. 예를 들어, 각각의 냉각기들 사이의 전형적인 전지 개수와 전지로부터 냉각기로의 열 흐름의 방향 때문에, 전지 적층 내의 냉각제 흐름 방향과 축 방향으로 온도 구배가 존재한다. 조립체 내의 온도 또한 전지로부터의 전력 요구가 변함에 따라 변한다.
연료 전지 조립체의 하나의 특징은 전기화학적 활성 부분의 작동 온도가 조 립체의 유효 수명에 직접적인 영향을 준다는 것이다. 예를 들어, 도2는 작동 온도에 대한 400°F(204°C)에 관한 감쇠 인자(decay factor)를 나타낸 플로트(50)이다. 곡선(52)은 전지 성능의 감쇠와 온도 사이의 관계의 일례를 도시한다. 도2로부터 알 수 있는 바와 같이, 온도가 높으면 감쇠율도 상승하여, 결국 연료 전지의 유효 수명이 단축된다. 본 발명의 예시적인 실시에 따르면, 온도와 시간 경과에 따른 성능 사이의 관계는 연료 전지 조립체의 작동 온도 범위를 선택할 때 결정 인자로 사용된다.
전형적인 방법에 의하면, 인산 연료 전지 동력 장치의 작동 환경은 최대 초기 성능과 초기 동력 장치 효율에 도달하도록 선택되었다. 이 방법은 전지 적층 조립체 내의 물질들의 한도에 기초하여 설정되는 작동 온도를 요구한다. 이 방법은 전기화학적 활성 부분(40)에 대한 작동 온도들을 선택할 때 결정 인자로서 성능 저하를 고려하지 않는다. 따라서, 본 상세한 설명에서 앞서 기술한 예시적인 방법은 전형적인 방법에서 사용되어 지지 않는 결정 인자에 기초한다.
본 발명의 실시예에 따라 설계된 연료 전지 조립체의 예는 적어도 선택된 시간 동안 적어도 최소 수준의 성능(즉, 허용 전력 출력)을 달성하기 위해 선택된 전기화학적 활성 부분(40)에 대한 평균 작동 온도 범위를 포함한다. 일 실시예에서는, 약 340°F(171°C)에서 약 360°F(182°C) 사이 범위 내에 있는 전기화학적 활성 부분(40)의 평균 작동 온도를 포함한다. 이 평균 작동 온도 범위는 연료 전지 조립체의 유효 수명에 걸친 평균으로 고려된다. 물론, 공지된 이유로 작동 온도에서 약간의 변동은 있을 것이다.
일 실시예에서, 평균 작동 온도 범위에서 벗어난 전기화학적 활성 부분(40)의 최대 작동 온도는 약 380°F(193°C)에서 약 400°F(204°C) 사이에서 유지된다. 최대 온도를 상기 범위 내의 온도 이하로 유지하는 것은 연료 전지 조립체에서의 상승 온도와 직접적으로 관련된 성능 감쇠를 감소시킨다. 일 실시예에서, 전기화학적 활성 부분(40)의 최대 작동 온도는 390°F(199°C)이다. 이러한 최대 작동 온도는 냉각기들 사이의 전지 적층물의 중앙 부근의 전지에서 주로 발생한다.
일 실시예에서, 작동 환경하의 전기화학적 활성 부분의 절대 최저 온도는 적어도 300°F(149°C)의 온도로 유지된다. 최저 온도를 적어도 300°F(149°C)로 유지하는 것은, 개질 연료에 존재하는 일산화탄소에 의한 애노드 촉매의 중독을 최소화하는 것에 우선시 된다.
공지된 방법으로 작동하는 산 응축 구역(acid condensation zones) 같이, 전기화학적 활성 부분(40)이 아닌 연료 전지 조립체의 비전기화학적 활성 부분은 더 낮은 온도에서 작동할 수도 있다. 연료 전지 조립체의 비전기화학적 활성 부분에 대한 허용 범위는 전기화학적 활성 부분으로 사용되는 범위와는 다를 수도 있고, 특별한 상황의 필요를 충족시키도록 선택될 수도 있다.
예를 들어, 일 실시예에서 냉각제 입구(32)는 대략 270°F(132°C)의 작동 온도를 가지고, 냉각제 출구(34)는 약 337°F(169°C)와 관련 온도를 가진다. 이 예시 온도는 350°F(177°C)의 평균 전기화학적 활성 부분 작동 온도와 390°F(199°C)의 전기화학적 활성 부분(40)의 최대 온도에 대응하는 온도다.
공지된 인산 연료 전지들은 대략 대기 압력과 대략 10기압 사이의 반응 압력 에서 작동한다. 압력 증가에 따라 감쇠 속도가 증가하는 것은 공지되어 있다. 이것은 높은 압력에서 더 습윤성 있게 되는 탄소 섬유 촉매 지지체의 산화로 인한 결과이다. 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 조립의 하나의 예에 있어서, 바람직한 작동 압력은 대략 대기 압력(약 14.7과 20psia 사이)이다.
일부 실시예에 있어서, 성능과 시간 사이의 관계에 기초하여 전기화학적 활성 부분에 대한 평균 작동 온도 범위를 선택하는 것은 작동 온도의 선택에 전형적 방법을 이용하는 연료 전지와 비교해서 연료 전지 수명의 초기에 다소 낮은 전압 출력과 낮은 효율을 제공한다. 그러나 본 발명의 방법에 의하면, 평균 전압과 효율성은 높은 온도에서 작동하는 전지보다 높다. 또한, 본 발명의 방법에 의하면, 연료 전지는 연장된 수명 동안 향상된 출력을 제공할 수 있다. 일 실시예에서, 연료 전지 조립체의 유효 수명은 전형적인 온도 범위를 사용하는 유사한 구성의 조립체에 비해 두 배가 된다.
도3은 시간 경과에 따른 전지당 전압의 플로트(60)를 포함한다. 제1 곡선(62)은 전술한 예에 대응하는 평균 작동 온도 범위를 사용하는 연료 전지 조립체에 대한 관계의 일례를 나타낸다. 곡선(64)은 전형적인 높은 온도 작동 범위를 사용하는 상응하는 구성의 연료 전지 조립체를 나타낸다. 비록 곡선(64)이 연료 전지 수명의 초기에 높은 전압 출력을 포함하지만, 증가 되는 감쇠 속도는 본 발명에 따른 작동 온도 범위를 사용하는 연료 전지가 훨씬 긴 유효 시간 동안에 높은 효율에서 더 큰 전력을 곧 바로 생산하는 것을 나타낸다. 도시된 예를 들면, 초기 성능과 효율에서 약간의 손실이 있지만, 그것은 연료 전지 조립체에 의해 생산된 전 기의 낮은 비용과 낮은 수명 비용을 가져오는 낮아진 성능 감쇠 속도와 전체적인 평균 전력의 증가에 비해 과하게 고려되는 것이다. 인산화 연료 전지에 대하여 기술하였지만, 본 발명은 고온 중합체 전해질 연료 전지와 같은 기타 연료 전지에 적용될 수 있다.
본 설명에 의해, 당업자는 특별한 상황의 요구를 최적으로 충족시키는 적절한 온도 값을 선택할 수 있을 것이다.
상기의 설명은 사실상 제한이기보다는 예시적이다. 기술된 실시예에 대한 변형과 수정이 본 발명의 본질 내에 있을 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명의 법률상 보호 범위는 첨부의 청구 범위에 의해 결정된다.

Claims (28)

  1. 연료 전지 조립체의 작동 방법이며,
    조립체의 전기화학적 활성 부분의 온도와 시간에 따른 성능 사이의 관계를 결정하는 단계와,
    선택된 최소 한도 이상의 시간 동안 선택된 최소 한도 이상의 성능을 달성하도록 상기 결정된 관계에 기초하여 평균 작동 온도 범위를 선택하는 단계를 포함하는 연료 전지 조립체의 작동 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 평균 작동 온도 범위는 340°F(171°C)와 360°F(182°C) 사이인 연료 전지 조립체의 작동 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 대기압의 압력에서 연료 전지 조립체를 작동하는 단계를 포함하는 연료 전지 조립체의 작동 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 연료 전지는 인산 연료 전지인 연료 전지 조립체의 작동 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 연료 전지는 고온 중합체 전해질 연료 전지인 연료 전지 조립체의 작동 방법.
  9. 연료 전지 조립체의 작동 방법이며,
    조립체의 전체 유효 수명 동안 340°F(171°C)와 360°F(182°C) 사이의 평균 작동 온도 범위 내에서 연료 전지 조립체의 전기화학적 활성 부분을 작동하는 단계를 포함하는 연료 전지 조립체의 작동 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제9항에 있어서, 대기압의 압력에서 연료 전지 조립체를 작동하는 단계를 포함하는 연료 전지 조립체의 작동 방법.
  14. 제9항에 있어서, 상기 연료 전지는 인산 연료 전지인 연료 전지 조립체의 작동 방법.
  15. 제9항에 있어서, 상기 연료 전지는 고온 중합체 전해질 연료 전지인 연료 전지 조립체의 작동 방법.
  16. 연료 전지 조립체이며,
    조립체의 전체 유효 수명 동안 340°F(171°C)와 360°F(182°C) 사이의 평균 온도 범위 내에서 작동하는 전기화학적 활성 부분을 포함하는 연료 전지 조립체.
  17. 제16항에 있어서, 상기 조립체는 대기압의 압력에서 작동하는 연료 전지 조립체.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 제16항에 있어서, 270°F(132°C)의 관련 온도를 갖는 냉각제 입구와 337°F(169°C)의 관련 온도를 갖는 냉각제 출구를 포함하는 연료 전지 조립체.
  22. 제16항에 있어서, 인산 연료 전지를 포함하는 연료 전지 조립체.
  23. 제16항에 있어서, 고온 중합체 전해질 연료 전지를 포함하는 연료 전지 조립체.
  24. 제1항에 있어서, 상기 평균 작동 온도 범위는 연료 전지 조립체의 작동에 사용되는 연료 전지 조립체의 작동 방법.
  25. 제1항에 있어서, 상기 결정된 관계는 연료 전지 조립체의 기대 유효 수명 이상의 기간을 포함하는 연료 전지 조립체의 작동 방법.
  26. 제1항에 있어서, 상기 연료 전지 조립체의 전체 유효 수명에 걸쳐 연료 전지 조립체 작동에 선택된 평균 작동 온도 범위를 사용하는 단계를 포함하는 연료 전지 조립체의 작동 방법.
  27. 제9항에 있어서, 연료 전지 조립체 작동에 평균 작동 온도 범위를 사용하는 단계를 포함하는 연료 전지 조립체의 작동 방법.
  28. 제16항에 있어서, 상기 전기화학적 활성 부분은 평균 온도에서 작동하는 연료 전지 조립체.
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