KR102746643B1 - Methods and systems for controlling water imbalance in electrochemical cells - Google Patents
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Abstract
전기화학 전지에서 물 불균형을 제어하는 시스템 및 방법이 제공된다. 이 방법은 waterin과 watercreated에서 waterout을 뺀 값을 합산함으로써 전기화학 전지에서 현재의 물 불균형을 결정하는 단계를 포함할 수 있다. waterin은 산화제 공급 가스에 의해 전기화학 전지로 도입된 물의 양을 나타내고; watercreated는 전기화학 반응에서 전기화학 전지에 의해 생성된 물의 양을 나타내고; waterout은 산화제 배출 가스에 의해 전기화학 전지에서 배출되는 물의 양을 나타낸다. 이 방법은 현재의 물 불균형을 반복적으로 결정하고 동작 중에 결과들을 계속 합산함으로써 전기화학 전지의 동작 동안 누적된 물 불균형을 추적하는 단계를 포함한다. 그리고, 이 방법은 또한 누적 물 불균형에 기초하여 전기화학 전지로 들어가는 산화제 공급 가스의 유량을 조정하는 단계를 포함한다.A system and method for controlling water imbalance in an electrochemical cell are provided. The method can include the step of determining a current water imbalance in the electrochemical cell by summing the values of water in and water created minus water out . water in represents the amount of water introduced into the electrochemical cell by the oxidizer feed gas; water created represents the amount of water produced by the electrochemical cell in the electrochemical reaction; and water out represents the amount of water discharged from the electrochemical cell by the oxidizer exhaust gas. The method includes the step of tracking an accumulated water imbalance during operation of the electrochemical cell by repeatedly determining the current water imbalance and continuously summing the results during operation. The method also includes the step of adjusting a flow rate of oxidizer feed gas into the electrochemical cell based on the accumulated water imbalance.
Description
본 개시사항은 전기화학 전지들에 관한 것이며, 보다 구체적으로 전기화학 전지 또는 전지들의 적층에서 물의 불균형을 제어하기 위한 방법들 및 시스템들에 관한 것이다.The present disclosure relates to electrochemical cells, and more particularly to methods and systems for controlling water imbalance in an electrochemical cell or stack of cells.
일반적으로 연료 전지들 또는 전기분해 전지들로 분류되는 전기화학 전지들은 화학 반응들에서 전류를 생성하거나, 전류 흐름을 사용하여 화학 반응을 유도하는데 사용되는 디바이스이다. 예를 들어, 연료 전지는 연료(예 : 수소, 천연 가스, 메탄올, 가솔린, 등)와 산화제(공기 또는 산소)의 화학 에너지를 전기 및 열과 물의 폐기물들로 변환한다. 기본 연료 전지는 음으로 대전된 애노드, 양으로 대전된 캐소드 및 전해질로 불리는 이온-전도성 재료로 구성된다.Electrochemical cells, commonly classified as fuel cells or electrolysis cells, are devices that produce electric current from chemical reactions, or use the flow of electric current to drive chemical reactions. For example, a fuel cell converts the chemical energy of a fuel (e.g., hydrogen, natural gas, methanol, gasoline, etc.) and an oxidizer (air or oxygen) into electricity and heat and water as a waste product. A basic fuel cell consists of a negatively charged anode, a positively charged cathode, and an ion-conducting material called an electrolyte.
다른 연료 전지 기술들은 다른 전해질 재료들을 사용한다. 양성자 교환막(PEM) 연료 전지는 예를 들어 고분자 이온-전도 막을 전해질로 사용한다. 수소 PEM 연료 전지에서, 수소 원자들은 애노드에서 전기화학적으로 전자들과 양성자들(수소 이온들)로 분리된다. 그런 다음 전자들은 회로를 통해 캐소드로 흐르고 전기를 생성하는 반면, 양성자들은 전해질 막을 통해 캐소드로 확산된다. 캐소드에서 수소 양성자들은 전자들 및 산소(캐소드에 공급된)와 결합하여 물과 열을 생성한다.Different fuel cell technologies use different electrolyte materials. Proton exchange membrane (PEM) fuel cells, for example, use polymer ion-conducting membranes as the electrolyte. In a hydrogen PEM fuel cell, hydrogen atoms are electrochemically separated at the anode into electrons and protons (hydrogen ions). The electrons then flow through a circuit to the cathode, generating electricity, while the protons diffuse through the electrolyte membrane to the cathode. At the cathode, the hydrogen protons combine with electrons and oxygen (supplied to the cathode) to produce water and heat.
전기분해 전지는 역으로 동작되는 연료 전지를 나타낸다. 기본적인 전기분해 전지는 외부 전위가 가해지면 물을 수소와 산소 가스로 분해함으로써 수소 발생기로서 기능한다.An electrolysis cell is a fuel cell that operates in reverse. A basic electrolysis cell functions as a hydrogen generator by decomposing water into hydrogen and oxygen gases when an external potential is applied.
수소 연료 전지 또는 전기분해 전지의 기본 기술은 예를 들어, 전기화학적 수소 압축, 정제 또는 팽창과 같은 전기화학적 수소 조작에 적용될 수 있다. 전기화학적 수소 조작은 수소 관리에 전통적으로 사용되는 기계 시스템의 실행 가능한 대안으로 부상했다. 에너지 운반체로서 수소의 성공적인 상용화와 "수소 경제"의 장기적인 지속 가능성은 주로 연료 전지, 전기분해 전지 및 다른 수소 조작/관리 시스템들의 효율성과 비용-효율성에 의존한다.The basic technology of hydrogen fuel cells or electrolysis cells can be applied to electrochemical hydrogen manipulation, such as electrochemical hydrogen compression, purification or expansion. Electrochemical hydrogen manipulation has emerged as a viable alternative to the mechanical systems traditionally used for hydrogen management. The successful commercialization of hydrogen as an energy carrier and the long-term sustainability of the "hydrogen economy" largely depend on the efficiency and cost-effectiveness of fuel cells, electrolysis cells and other hydrogen manipulation/management systems.
동작시, 단일 연료 전지는 일반적으로 약 1 볼트를 생성할 수 있다. 원하는 양(amount)의 전력을 얻기 위해, 개별 연료 전지들이 결합되어 연료 전지 적층을 형성하며, 연료 전지들은 순차적으로 함께 적층된다.In operation, a single fuel cell can typically produce about 1 volt. To obtain a desired amount of power, individual fuel cells are combined to form a fuel cell stack, with the fuel cells being stacked together sequentially.
전술한 바와 같이, 연료와 산화제를 전기로 변환하는 부산물로서 캐소드에서 물이 생성될뿐만 아니라, 산화제 및/또는 연료 가스(총칭하여 "입력 가스들")에서 습기/증기로서 전지에 물이 또한 도입될 수 있다. 그리고 전기화학 전지가 다양한 환경 조건들에서 동작할 수 있기 때문에, 입력 가스들의 습도(및 다른 파라미터들, 예를 들어 온도)가 달라질 수 있다.As mentioned above, in addition to water being produced at the cathode as a byproduct of converting fuel and oxidizer to electricity, water may also be introduced into the cell as moisture/vapor in the oxidizer and/or fuel gases (collectively, “input gases”). And since electrochemical cells can operate under a variety of environmental conditions, the humidity (and other parameters, such as temperature) of the input gases may vary.
물은 일반적으로 반응 가스들, 예를 들어 산소의 고갈된 흐름에 의해 전기화학 전지들로부터 제거된다. 물의 비효율적인 제거는 전기화학 전지의 물의 범람을 초래할 수 있다. 전기화학 전지의 물의 범람은 반응 가스 흐름의 감소 또는 완전 중단을 초래할 수 있다. 물의 과도한 축적은 개별 전기화학 전지의 고장을 초래할 수 있고, 이는 전기화학 전지 적층의 불안정 및/또는 고장을 초래할 수 있다.Water is typically removed from electrochemical cells by a depleted flow of reactant gases, such as oxygen. Inefficient removal of water can result in flooding of the electrochemical cell with water. Flooding of the electrochemical cell with water can result in a reduction or complete cessation of the flow of reactant gases. Excessive accumulation of water can result in failure of individual electrochemical cells, which can result in instability and/or failure of the electrochemical cell stack.
전기화학 전지에 물의 과잉이 성능에 악영향을 미칠 수 있지만, 물은 전지의 동작을 지원하기 위해 필요하다. 예를 들어 고분자 막의 수분 함량은 이온 전도도를 증가시키기 때문에 전기화학 반응을 가능하게 한다.Although excess water in an electrochemical cell can adversely affect performance, water is necessary to support the operation of the cell. For example, the water content of a polymer membrane increases the ionic conductivity, which enables electrochemical reactions.
물 균형 또는 평형(즉, 범람 상태와 건조 상태 사이에서)을 유지하려는 시도들은, 예를 들어, 전류 출력을 수분 함량과 연관시키는 것, 및 전류 변화가 전지의 성능 변화를 시사할 때 동작 조정을 행하는 것을 포함하였다. 그러나 이러한 상관 관계들은 급변하는 평형 역학을 고려하지 않고, 따라서 평형을 수정하려는 노력들은 너무 늦거나 불충분할 수 있어서, 전기화학 전지 성능은 저하되거나 중단될 수 있다.Attempts to maintain water balance or equilibrium (i.e., between flooded and dry conditions) have included, for example, correlating current output with water content and adjusting operation when current changes indicate changes in cell performance. However, these correlations do not take into account the rapidly changing equilibrium dynamics, and thus efforts to correct equilibrium may be too late or insufficient, resulting in degraded or even interrupted electrochemical cell performance.
전기화학 전지에서 수분 함량 평형을 유지해야 할 필요성을 고려하여, 본 개시사항은 전기화학 전지들 및 전기화학 전지 적층들에서 기존의 물 관리 기술과 관련된 하나 이상의 문제점들을 극복하도록 설계된 방법들 및 시스템들에 관한 것이다.In view of the need to maintain water content equilibrium in electrochemical cells, the present disclosure is directed to methods and systems designed to overcome one or more problems associated with existing water management technologies in electrochemical cells and electrochemical cell stacks.
한 양상에서, 본 개시사항은 전기화학 전지에서 물 불균형을 제어하는 방법에 관한 것이다. 일부 실시예들에서, 방법은 waterin과 watercreated에서 waterout을 뺀 값을 합산함으로써 전기화학 전지에서 현재의 물 불균형을 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, waterin은 산화제 공급 가스에 의해 전기화학 전지로 도입된 물의 양일 수 있고; watercreated는 전기화학 반응에서 전기화학 전지에 의해 생성된 물의 양일 수 있고; waterout은 산화제 배출 가스에 의해 전기화학 전지에서 배출되는 물의 양일 수 있다. 일부 실시예들에서, 방법은 또한 현재 물 불균형을 반복적으로 결정하고 동작 동안 결과들을 합산함으로써 전기화학 전지의 동작 동안 누적 물 불균형을 추적하는 단계를 포함할 수 있다. 그리고, 일부 실시예들에서, 방법은 또한 누적 물 불균형에 기초하여 전기화학 전지로 들어가는 산화제 공급 가스의 유량을 조정하는 단계를 포함할 수 있다.In one aspect, the present disclosure relates to a method for controlling water imbalance in an electrochemical cell. In some embodiments, the method can include determining a current water imbalance in the electrochemical cell by summing water in and water created minus water out . In some embodiments, water in can be an amount of water introduced into the electrochemical cell by an oxidizer feed gas; water created can be an amount of water produced by the electrochemical cell in the electrochemical reaction; and water out can be an amount of water discharged from the electrochemical cell by the oxidizer exhaust gas. In some embodiments, the method can also include tracking a cumulative water imbalance during operation of the electrochemical cell by repeatedly determining the current water imbalance and summing the results during operation. And, in some embodiments, the method can also include adjusting a flow rate of oxidizer feed gas into the electrochemical cell based on the cumulative water imbalance.
다른 양상에서, 본 개시사항은 전기화학 전지 시스템에 관한 것이다. 일부 실시예들에서, 전기화학 전지 시스템은 전기화학 전지; 복수의 산화제 가스 입구 센서, 산화제 가스 배출 센서, 냉각제 입구 센서, 냉각제 배출 센서 및 전류 트랜스듀서; 및 제어기를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어기는 waterin과 watercreated에서 waterout을 뺀 값을 합산함으로써 전기화학 전지에서 현재 물 불균형을 결정하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, waterin은 산화제 공급 가스에 의해 전기화학 전지로 도입된 물의 양일 수 있고; watercreated는 전기화학 반응에서 전기화학 전지에 의해 생성된 물의 양일 수 있고, waterout은 산화제 배출 가스에 의해 전기화학 전지에서 배출되는 물의 양일 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어기는 또한 현재 물 불균형을 반복적으로 결정하고 동작 동안 결과들을 합산함으로써 전기화학 전지의 동작 동안 누적 물 불균형을 추적하도록 구성될 수 있다. 그리고, 일부 실시예들에서, 제어기는 또한 누적 물 불균형에 기초하여 전기화학 전지로 들어가는 산화제 공급 가스의 유량을 조정하도록 구성될 수 있다.In another aspect, the present disclosure relates to an electrochemical cell system. In some embodiments, the electrochemical cell system can include an electrochemical cell; a plurality of oxidizer gas inlet sensors, an oxidizer gas exhaust sensor, a coolant inlet sensor, a coolant exhaust sensor, and a current transducer; and a controller. In some embodiments, the controller can be configured to determine a current water imbalance in the electrochemical cell by summing water in and water created minus water out . In some embodiments, water in can be an amount of water introduced into the electrochemical cell by the oxidizer supply gas; water created can be an amount of water produced by the electrochemical cell in the electrochemical reaction, and water out can be an amount of water discharged from the electrochemical cell by the oxidizer exhaust gas. In some embodiments, the controller can also be configured to track a cumulative water imbalance during operation of the electrochemical cell by repeatedly determining the current water imbalance and summing the results during operation. Additionally, in some embodiments, the controller may also be configured to adjust the flow rate of oxidant supply gas into the electrochemical cell based on the accumulated water imbalance.
전술한 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명은 단지 예시적이고 설명적인 것이며 청구된 본 개시사항의 제한 사항이 아님을 이해해야 한다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory only and are not restrictive of the claimed disclosure.
본 명세서에 포함되고 그 일부를 구성하는 첨부 도면들은 본 개시사항의 실시예들을 예시하고, 상세한 설명과 함께 본 개시사항의 원리를 설명하는 역할을 한다.The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of this specification, illustrate embodiments of the present disclosure and, together with the description, serve to explain the principles of the present disclosure.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 전기화학 전지 시스템의 개략도.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 전기화학 전지 시스템에서 물 불균형을 제어하는 방법을 예시하는 흐름도.
도 3은 도 2의 흐름도의 연속으로, 예시적인 실시예에 따른 전기화학 전지 시스템에서 물 불균형을 제어하는 방법을 도시한 흐름도.Figure 1 is a schematic diagram of an electrochemical cell system according to an exemplary embodiment.
FIG. 2 is a flow chart illustrating a method for controlling water imbalance in an electrochemical cell system according to an exemplary embodiment.
FIG. 3 is a flow chart illustrating a method for controlling water imbalance in an electrochemical cell system according to an exemplary embodiment, as a continuation of the flow chart of FIG. 2.
이제 본 개시사항의 본 예시적인 실시예들에 대한 참조가 상세하게 이루어질 것이며, 그 예들은 첨부된 도면들에 도시되어 있다. 가능하면 도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 부분들을 나타내기 위해 동일한 참조 번호들이 사용된다. 전기화학 전지, 특히 수소, 산소 및 물을 사용하는 연료 전지와 관련하여 설명되었지만, 본 개시사항의 디바이스들 및 방법들은 전기분해 전지들, 수소 정화기들, 수소 확장기들 및 수소 압축기들을 포함하지만 이에 국한되지 않는 다양한 유형들의 연료 전지들 및 전기화학 전지들에 사용될 수 있음이 이해된다.Reference will now be made in detail to exemplary embodiments of the present disclosure, examples of which are illustrated in the accompanying drawings. Wherever possible, like reference numerals will be used throughout the drawings to refer to like or similar parts. While described with respect to an electrochemical cell, and particularly a fuel cell using hydrogen, oxygen and water, it is to be understood that the devices and methods of the present disclosure may be used in various types of fuel cells and electrochemical cells, including but not limited to electrolysis cells, hydrogen purifiers, hydrogen expanders and hydrogen compressors.
도 1은 본 개시사항의 예시적인 실시예에 따른 전기화학 전지 시스템(100)의 개략도를 도시한다. 전기화학 전지 시스템(100)은 예를 들어 PEM 연료 전지가 될 수 있는 전기화학 전지(10)를 포함할 수 있고, PEM 연료 전지는 전해질에 의해 분리된 애노드 및 캐소드를 가질 수 있다. 시스템(100)은 전기화학 전지(10)를 통해 산화제 가스(예를 들어, 산소 또는 주변 공기), 반응 가스(예를 들어, 수소) 및 냉각제를 수용하고 방출하도록 구성될 수 있다. 도 1 및 다음의 설명은 전기화학 전지(10)을 참조하지만, 설명은 복수의 전기화학 전지들(10)을 포함할 수 있는 전기화학 전지 적층에 동일하게 적용 가능함을 이해해야 한다.FIG. 1 illustrates a schematic diagram of an electrochemical cell system (100) according to an exemplary embodiment of the present disclosure. The electrochemical cell system (100) may include an electrochemical cell (10), which may be, for example, a PEM fuel cell, wherein the PEM fuel cell may have an anode and a cathode separated by an electrolyte. The system (100) may be configured to receive and expel an oxidizer gas (e.g., oxygen or ambient air), a reactant gas (e.g., hydrogen), and a coolant through the electrochemical cell (10). While FIG. 1 and the following description reference an electrochemical cell (10), it should be understood that the description is equally applicable to an electrochemical cell stack that may include a plurality of electrochemical cells (10).
산화제 가스는 전기화학 전지(10)의 캐소드로 전달될 수 있는 반면, 연료 가스는 전기화학 전지(10)의 애노드로 전달될 수 있다. 냉각제는 또한 전기화학 전지(10)의 냉각제 경로로 전달될 수 있다. 냉각제는 냉각제 펌프(44)에 의해 냉각제 입구 라인(32A)을 통해 전기화학 전지(10)에 공급될 수 있고, 냉각제 출구 라인(32B)을 통해 전기화학 전지(10)로부터 배출된다. 산화제 가스는 산화제 가스 입구 라인(34A)을 통해 전기화학 전지(10)로 공급되고, 산화제 가스 배출 라인(34B)을 통해 배출될 수 있다. 산화제 가스는 압축기(42) 또는 다른 적절한 디바이스에 의해 산화제 가스 입구 라인(34A)에 공급될 수 있다. 일부 실시예들에서, 압축기(42)는 주변 환경 또는 다른 적절한 산화제 소스로부터 산화제(예를 들어, 공기)를 공급받을 수 있다. 연료 가스는 연료 가스 입구 라인(36A)을 통해 전지(10)로 공급될 수 있고, 연료 가스 배출 라인(36B)을 통해 배출될 수 있다. 전지(10)는 또한 전기 부하(30)에 연결된 전류 회로(28)를 포함할 수 있다. 동작시, 각각의 입구 라인들을 통해 전기화학 전지(10)로의 산화제 및 연료 가스의 흐름은 애노드와 캐소드를 분리시키는 전해질 막에서 전기화학 반응을 초래하여, 전류 회로(28)를 통해 전기 부하(30)에 공급되는 전류를 생성한다.The oxidizer gas may be delivered to the cathode of the electrochemical cell (10), while the fuel gas may be delivered to the anode of the electrochemical cell (10). A coolant may also be delivered to the coolant path of the electrochemical cell (10). The coolant may be supplied to the electrochemical cell (10) via a coolant inlet line (32A) by a coolant pump (44) and exhausted from the electrochemical cell (10) via a coolant outlet line (32B). The oxidizer gas may be supplied to the electrochemical cell (10) via the oxidizer gas inlet line (34A) and exhausted via the oxidizer gas exhaust line (34B). The oxidizer gas may be supplied to the oxidizer gas inlet line (34A) by a compressor (42) or other suitable device. In some embodiments, the compressor (42) may be supplied with the oxidizer (e.g., air) from the ambient environment or another suitable oxidizer source. Fuel gas may be supplied to the cell (10) through a fuel gas inlet line (36A) and may be exhausted through a fuel gas exhaust line (36B). The cell (10) may also include a current circuit (28) connected to an electrical load (30). In operation, the flow of oxidant and fuel gas through the respective inlet lines into the electrochemical cell (10) causes an electrochemical reaction in the electrolyte membrane separating the anode and cathode, thereby generating an electric current that is supplied to the electrical load (30) through the current circuit (28).
전기화학 전지 시스템(100)은 냉각제 입구 라인(32A)을 따라 배치될 수 있는 하나 이상의 냉각제 입구 센서들 및 냉각제 출구 라인(32B)을 따라 배치될 수 있는 하나 이상의 냉각제 출구 센서들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 시스템(100)은 냉각제 입구 라인(32A)을 통해 전기화학 전지(10)에 공급되는 냉각제의 냉각제 입구 온도를 측정하도록 구성된 냉각제 입구 센서(20)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 시스템(100)은 냉각제 출구 라인(32B)을 통해 전기화학 전지(10)로부터 냉각제 방출의 냉각제 출구 온도를 측정하도록 구성된 냉각제 출구 센서(22)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 다른 냉각제 입구 센서들 및 냉각제 출구 센서들은 유입 및 유출되는 냉각제의 다른 특성들을 측정하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 추가적인 온도 센서들, 유량 센서, 압력 센서 또는 전도도 센서가 사용될 수 있다.The electrochemical cell system (100) may include one or more coolant inlet sensors disposed along the coolant inlet line (32A) and one or more coolant outlet sensors disposed along the coolant outlet line (32B). For example, as illustrated in FIG. 2, the system (100) may include a coolant inlet sensor (20) configured to measure a coolant inlet temperature of coolant supplied to the electrochemical cell (10) via the coolant inlet line (32A). In some embodiments, the system (100) may include a coolant outlet sensor (22) configured to measure a coolant outlet temperature of coolant discharged from the electrochemical cell (10) via the coolant outlet line (32B). In some embodiments, other coolant inlet sensors and coolant outlet sensors may be used to measure other characteristics of the incoming and outgoing coolant. For example, additional temperature sensors, flow sensors, pressure sensors, or conductivity sensors may be used.
전기화학 전지 시스템(100)은 또한 산화제 가스 입구 라인(34A)을 따라 위치될 수 있는 하나 이상의 산화제 가스 입구 센서들을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에 따라, 시스템(100)은 적어도 4개의 산화제 가스 유입 센서들(24), 즉 산화제 공급 가스의 주변 압력을 측정하기 위한 제 1 산화제 가스 입구 센서(24A), 산화제 공급 가스의 주변 온도를 측정하기 위한 제 2 산화제 가스 입구 센서(24B), 산화제 공급 가스의 주변 습도를 측정하기 위한 제 3 산화제 가스 입구 센서(24C), 및 산화제 공급 가스의 질량 유량을 측정하기 위한 제 4 산화제 가스 입구 센서(24D)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서 단일 산화제 가스 입구 디바이스는 이들 파라미터들 중 몇 가지를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서 산화제 센서(24)는 단일 디바이스로서 산화제 공급 가스의 주변 압력, 주변 온도 및 습도를 측정할 수 있다. 일부 실시예들에서, 산화제 가스 입구 센서(24)는 단일 디바이스로서 산화제 공급 가스의 주변 압력, 주변 온도, 산화제 질량 유량 및/또는 습도를 측정할 수 있다. 일부 실시예들에서, 추가적인 산화제 가스 입구 센서들(24)은 유입 산화제 공급 가스의 다른 속성들을 측정하기 위하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 산화제 가스 입구 센서는 산화제 가스 조성, 또는 일산화탄소, 암모니아, 황, 휘발성 유기 화합물들, 및/또는 연료 전지 동작 및 수명에 해로울 수 있는 다른 종들과 같은 오염 종들의 레벨을 측정하도록 구성될 수 있다. The electrochemical cell system (100) may also include one or more oxidizer gas inlet sensors positioned along the oxidizer gas inlet line (34A). According to an exemplary embodiment, the system (100) may include at least four oxidizer gas inlet sensors (24), namely, a first oxidizer gas inlet sensor (24A) for measuring an ambient pressure of the oxidizer feed gas, a second oxidizer gas inlet sensor (24B) for measuring an ambient temperature of the oxidizer feed gas, a third oxidizer gas inlet sensor (24C) for measuring an ambient humidity of the oxidizer feed gas, and a fourth oxidizer gas inlet sensor (24D) for measuring a mass flow rate of the oxidizer feed gas. In some embodiments, a single oxidizer gas inlet device may be used to measure several of these parameters. For example, in some embodiments, the oxidizer sensor (24) may measure the ambient pressure, the ambient temperature, and the humidity of the oxidizer feed gas as a single device. In some embodiments, the oxidizer gas inlet sensor (24) may measure ambient pressure, ambient temperature, oxidizer mass flow rate, and/or humidity of the oxidizer feed gas as a single device. In some embodiments, additional oxidizer gas inlet sensors (24) may be used to measure other properties of the incoming oxidizer feed gas. For example, in some embodiments, the oxidizer gas inlet sensor may be configured to measure oxidizer gas composition, or levels of contaminant species such as carbon monoxide, ammonia, sulfur, volatile organic compounds, and/or other species that may be detrimental to fuel cell operation and life.
전기화학 전지 시스템(100)은 또한 산화제 가스 배기 라인(34B)을 따라 위치된 하나 이상의 산화제 가스 배기 센서들(26)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 산화제 가스 출구 배기 센서들(28)은 산화제 가스 배기 라인(34B)을 통해 전기화학 전지(10)로부터 배출된 산화제 가스의 압력을 측정하기 위한 적어도 하나의 제 1 산화제 가스 배기 센서(26A)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 추가적인 산화제 가스 배기 센서들(24)은 전기화학 전지(10)로부터 배출된 산화제 가스의 다른 속성들을 측정하기 위하여 사용될 수 있다. 예컨대, 시스템(100)은 전기화학 전지(10)로부터 배출된 산화제 가스의 습도를 측정하기 위한 제 2 산화제 가스 배기 센서(26B)를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 전기화학 전지(10)로부터 배출된 산화제 가스의 유량, 온도 또는 조성을 측정하기 위한 산화제 가스 배기 센서들은 시스템(100)에 의해 사용될 수 있다.The electrochemical cell system (100) may also include one or more oxidizer gas exhaust sensors (26) positioned along the oxidizer gas exhaust line (34B). For example, as illustrated in FIG. 2, the oxidizer gas exhaust sensors (28) may include at least one first oxidizer gas exhaust sensor (26A) for measuring the pressure of oxidizer gas exhausted from the electrochemical cell (10) via the oxidizer gas exhaust line (34B). In some embodiments, additional oxidizer gas exhaust sensors (24) may be used to measure other properties of the oxidizer gas exhausted from the electrochemical cell (10). For example, the system (100) may include a second oxidizer gas exhaust sensor (26B) for measuring the humidity of the oxidizer gas exhausted from the electrochemical cell (10). In other embodiments, oxidizer gas exhaust sensors may be used by the system (100) to measure the flow rate, temperature, or composition of oxidizer gas exhausted from the electrochemical cell (10).
도 1에는 도시되어 있지 않지만, 시스템(100)의 일부 실시예들에서, 연료 가스 입구 라인(36A)은 하나 이상의 연료 가스 입구 센서들을 포함할 수 있다. 이러한 센서들은 예를 들어 전기화학 전지(10)에 공급되는 연료 공급 가스의 온도, 압력, 상대 습도, 유량, 등을 측정하도록 구성될 수 있다. 유사하게, 연료 가스 배출 라인(36B)은 하나 이상의 연료 가스 배출 출구 센서들(미도시)을 포함할 수 있다. 이러한 센서들은 예를 들어, 전기화학 전지(10)로부터 배출되는 연료 가스의 온도, 압력, 상대 습도, 유량, 등을 측정하는데 유용할 수 있다.Although not shown in FIG. 1, in some embodiments of the system (100), the fuel gas inlet line (36A) may include one or more fuel gas inlet sensors. These sensors may be configured to measure, for example, temperature, pressure, relative humidity, flow rate, etc. of the fuel supply gas supplied to the electrochemical cell (10). Similarly, the fuel gas exhaust line (36B) may include one or more fuel gas exhaust outlet sensors (not shown). These sensors may be useful for measuring, for example, temperature, pressure, relative humidity, flow rate, etc. of the fuel gas exhausted from the electrochemical cell (10).
상술한 바와 같이, 전류는 전지(10)에 의해 생성되어, 전류 회로(28)를 통해 전기 부하(30)에 공급된다. 전류는 예를 들어 전류 회로(28)에 연결된 전류 트랜스듀서(46)에 의해 측정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전류 트랜스듀서(46)는 예를 들어 홀-효과 센서 또는 션트 센서일 수 있다. 일부 실시예들에서, 전기화학 전지(10), 전기 회로(28) 및/또는 전기화학 전지 적층에 걸친 저항은 전류의 작은 변화에 응답하여 전지 또는 적층 전압을 측정함으로써 결정될 수 있다. 예를 들어, 전류는 일반적으로 1000Hz보다 큰 고주파 파형(사인파, 삼각파, 사각파 또는 다른 파형)을 사용하거나, 연료 전지 적층의 부하를 빠르게 연결하거나 분리하여 단계적 변화(전기 히터 또는 유사한 디바이스, "전류 차단" 방법과 같은)를 사용하여 교란될 수 있다. 부과된 전류 변화로 나눈 전지 또는 적층 전압의 결과적인 변화는 일반적으로 옴의 법칙에 따라 저항에 비례한다. 특정 연료 전지 설계에 대한 특정 전압-전류-저항 관계는 실험적으로 결정될 수 있다. 전기화학 전지들에 대한 다양한 모델들은 당업자들에게 공지되어 있으며, 측정된 전압 및 전류 변화들을 전지의 수화 상태를 결정하는데 의미있는 저항 값으로 변환하는데 사용될 수 있다.As described above, current is generated by the cell (10) and supplied to the electrical load (30) through the current circuit (28). The current may be measured, for example, by a current transducer (46) connected to the current circuit (28). In some embodiments, the current transducer (46) may be, for example, a Hall-effect sensor or a shunt sensor. In some embodiments, the resistance across the electrochemical cell (10), the electrical circuit (28), and/or the electrochemical cell stack may be determined by measuring the cell or stack voltage in response to small changes in current. For example, the current may be perturbed using a high frequency waveform (sine, triangle, square, or other waveform) typically greater than 1000 Hz, or by rapidly connecting or disconnecting a load to the fuel cell stack in a stepwise manner (such as an electric heater or similar device, a "current interrupt" method). The resulting change in cell or stack voltage divided by the imposed change in current is typically proportional to the resistance according to Ohm's law. Specific voltage-current-resistance relationships for a particular fuel cell design can be determined experimentally. Various models for electrochemical cells are known to those skilled in the art and can be used to convert measured voltage and current changes into resistance values that are meaningful for determining the hydration state of the cell.
시스템(100)은 도 1에 도시된 제어기(40)를 포함할 수 있다. 제어기(40)는 예를 들어 냉각제 입구 센서(20), 냉각제 배출 센서(22), 산화제 가스 입구 센서들(24)(예를 들어, 24A, 24B, 24C, 24D), 및 산화제 가스 배기 센서(26A)를 포함하는 시스템(100)의 모든 센서들과 통신하도록 구성될 수 있다. 제어기(40)는 대응하는 센서의 측정 값을 나타내는 각각의 센서로부터 신호들을 수신하도록 구성될 수 있다. 제어기(40)는 또한 전류 트랜스듀서(46), 압축기(42), 산화제 가스 입구 센서(24B), 냉각제 입구 센서(20), 및/또는 냉각제 펌프(44)와 통신(예를 들어, 신호를 송수신하도록) 구성될 수 있다.The system (100) may include a controller (40) as illustrated in FIG. 1. The controller (40) may be configured to communicate with all of the sensors of the system (100), including, for example, the coolant inlet sensor (20), the coolant exhaust sensor (22), the oxidizer gas inlet sensors (24) (e.g., 24A, 24B, 24C, 24D), and the oxidizer gas exhaust sensor (26A). The controller (40) may be configured to receive signals from each of the sensors indicative of a measurement value of the corresponding sensor. The controller (40) may also be configured to communicate with (e.g., to send and receive signals to) the current transducer (46), the compressor (42), the oxidizer gas inlet sensor (24B), the coolant inlet sensor (20), and/or the coolant pump (44).
시스템(100)의 동작 동안, 전지에 저장된 물이 증가하거나(즉, 범람 상태로 이동하거나), 감소하는(즉, 건조 상태로 이동하는) 것을 방지하기 위해, 전지에 들어가는 물의 양과 전지에 의해 생성된 물의 양은 전지를 떠나는 물의 양과 정확한 균형을 유지해야 한다. 전지에 저장된 물이 너무 오랫동안 증가하거나 감소하는 곳에서 전지가 동작하면, 전지는, 전지 성능이 저하되거나 전지가 더 이상 동작할 수 없을 지점으로 범람 상태가 되거나 건조될 수 있다. 전지에 들어가는 물과 전지에 의해 생성된 물을 더한 것이 전지를 빠져 나가는 물과 완벽한 균형을 유지하는 것이 바람직하지만, 환경 및 동작 조건들, 물리적 시스템 센서들에 고유한 측정 오류들 및/또는 시스템에 사용되는 하드웨어의 물리적 제한은 지속적인 물 균형을 방해하고 전지 내에 저장된 누적 물의 0이 아닌 양을 초래한다. 이러한 0이 아닌 양은, 원하는 것보다 더 많은 물이 저장되었음을 나타내는 양의 양(즉, 범람하는 경향), 또는 원하는 것보다 적은 물이 저장됨을 나타내는 음의 양(즉, 건조 경향)이 될 수 있다.During operation of the system (100), the amount of water entering the cell and the amount of water produced by the cell must be precisely balanced with the amount of water leaving the cell to prevent the water stored in the cell from increasing (i.e., moving toward a flooding state) or decreasing (i.e., moving toward a dry state). If the cell is operated where the water stored in the cell increases or decreases for too long, the cell may become flooded or dry to the point where cell performance degrades or the cell can no longer operate. Although it is desirable for the water entering the cell plus the water produced by the cell to be perfectly balanced with the water leaving the cell, environmental and operating conditions, measurement errors inherent in the physical system sensors, and/or physical limitations of the hardware used in the system can disrupt a continuous water balance and result in a non-zero amount of cumulative water stored within the cell. This non-zero amount can be a positive amount indicating that more water is stored than desired (i.e., tending to flood), or a negative amount indicating that less water is stored than desired (i.e., tending to dry).
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 개시내용은 시간에 따른 누적 물 불균형(예를 들어, 값)을 추적하고, 시스템이 그렇게 할 수 있게 되면, 이러한 누적 물 균형을 0으로 되돌리도록 전지의 동작 조건을 조정하는 시스템 및 방법을 제공한다. 개시된 방법은 waterin(, 몰/초)으로 지칭될 수 있는 산화제 공급 가스에 의해 도입된 물의 양과, watercreated(, 몰/초)로 지칭될 수 있는 전기화학 반응에 의해 생성될 수 있는 물의 양에서 waterout(, 몰/초)로 지칭될 수 있는 산화제 배출 가스에 의해 전지(10)로부터 방출되는 물의 양을 뺀 값을 합산함으로써 전기화학 전지(10)의 현재 물 불균형을 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 따라서 주어진 움직임에서 실시간 물 균형은 식 1에 의해 반영될 수 있다:To address these issues, the present disclosure provides a system and method that tracks accumulated water imbalance (e.g., value) over time and, when the system is able to do so, adjusts the operating conditions of the battery to bring this accumulated water balance back to zero. The disclosed method comprises water in ( , the amount of water introduced by the oxidizing agent supply gas, which may be referred to as water created ( , the amount of water that can be produced by an electrochemical reaction (water out ) which can be expressed in moles/second , moles/sec) may be included to determine the current water imbalance of the electrochemical cell (10) by adding up the values minus the amount of water released from the cell (10) by the oxidizer exhaust gas, which may be referred to as the current water imbalance. Thus, the real-time water balance in a given motion can be reflected by Equation 1:
(식 1) (Formula 1)
여기서 은 순간적인 물 불균형(몰/초)을 나타내며, , 및 은 위에서 정의한 바와 같다. 이 0일 때, 주어진 순간의 물 흐름(몰/초)은 균형잡힌 것으로 간주될 수 있다. 식 1이 0이 아니면, 물 불균형이 존재할 수 있다. 예를 들어, 이 0보다 크면 전기화학 전지(10) 내의 물의 양은 증가할 것이고, 이 0보다 작으면 전기화학 전지(10) 내의 물의 양은 감소할 것이다. 따라서 누적 물 불균형(N)은 시간 함수로 계산할 수 있다.Here represents the instantaneous water imbalance (mol/sec), , and is as defined above. When this is 0, the water flow (in moles/sec) at a given instant can be considered balanced. If Equation 1 is not 0, a water imbalance may exist. For example, If this is greater than 0, the amount of water in the electrochemical cell (10) will increase, If this is less than 0, the amount of water in the electrochemical cell (10) will decrease. Therefore, the accumulated water imbalance (N) can be calculated as a function of time.
(식 2) (Formula 2)
예시적인 실시예에 따르면, 전기화학 전지(10) 내의 물의 양은 동작 중에 추적될 수 있다. 누적 물 불균형을 추적하는 것은 현재 물 불균형을 반복적으로 결정하고 동작 중에 결과를 계속 합산하는 것을 포함할 수 있다. 일정 시간 동안의 누적 물 균형(몰)은 식 3으로 나타낼 수 있다.In an exemplary embodiment, the amount of water within the electrochemical cell (10) can be tracked during operation. Tracking the cumulative water imbalance can include repeatedly determining the current water imbalance and continuously summing the results during operation. The cumulative water balance (in moles) over a period of time can be expressed by Equation 3.
(식 3) (Formula 3)
위 식은 다음과 같이 다시 작성할 수 있다.The above equation can be rewritten as follows:
(식 4) (Formula 4)
여기서 는 을 나타내고, 은 를 나타내고, 는 을 나타낸다(모두 몰/초).Here Is , represents silver Indicates, Is (all in moles/second).
전기화학 전지에 들어가는 물의 양()은 식 5 내지 식 7에 도시된 바와 같이, 산화제 질량 유량, 주변 온도, 주변 압력 및 주변 상대 습도의 측정으로부터 계산될 수 있다.The amount of water entering the electrochemical cell ( ) can be calculated from measurements of oxidizer mass flow rate, ambient temperature, ambient pressure, and ambient relative humidity, as shown in Equations 5 to 7.
(식 5) (Formula 5)
(식 6) (Formula 6)
(식 7) (Formula 7)
식 6과 식 7은 식 5에 통합되어, 전기화학 전지에 들어가는 물의 양()이 식 8에 의해 계산될 수 있게 한다.Equations 6 and 7 are integrated into Equation 5 to give the amount of water entering the electrochemical cell ( ) can be calculated by Equation 8.
(식 8) (Formula 8)
기호 RHS는 전지(10)에 공급되는 산화제 공급 가스의 상대 습도를 나타내며, 이는 제 3 산화제 가스 유입 센서(24C)에 의해 측정될 수 있다. 기호 pS는 전지(10)에 공급되는 산화제 공급 가스의 압력을 나타내며, 이는 제 1 산화제 가스 입구 센서(24A)에 의해 측정될 수 있다. 기호 는 온도 TS에서 평가된 물의 증기압을 나타내며, 이는 물에 대한 고정된 속성이며 온도의 함수이다. 기호 는 전기화학 전지(10)에 공급되는 산화제 가스의 질량 유량(그램/초)을 나타낼 수 있으며, 는 습식 산화제 가스의 분자량(그램/몰)이며, 이는 산화제 가스의 온도, 압력 및 상대 습도의 함수가 될 수 있다. 따라서, 시스템(100) 및 제어기(40)는 산화제 가스 입구 센서(24)에 의해 제공되는 측정된 값들에 기초하여 전기화학 전지에 도입된 물의 양()(몰/초)을 계산하도록 구성될 수 있다.The symbol RH S represents the relative humidity of the oxidizer supply gas supplied to the cell (10), which can be measured by the third oxidizer gas inlet sensor (24C). The symbol p S represents the pressure of the oxidizer supply gas supplied to the cell (10), which can be measured by the first oxidizer gas inlet sensor (24A). The symbol represents the vapor pressure of water evaluated at temperature T S , which is a fixed property of water and a function of temperature. Symbol can represent the mass flow rate (grams/second) of the oxidizing gas supplied to the electrochemical cell (10), is the molecular weight (grams/mole) of the wet oxidizer gas, which can be a function of the temperature, pressure and relative humidity of the oxidizer gas. Accordingly, the system (100) and the controller (40) determine the amount of water introduced into the electrochemical cell based on the measured values provided by the oxidizer gas inlet sensor (24). )(mol/sec) can be configured to calculate.
생성된 물의 양()(몰/초)은 식 9를 사용하여 계산될 수 있다.The amount of water produced ( )(mol/sec) can be calculated using Equation 9.
(식 9) (Formula 9)
위 식에서 i는 전류(예 : 전류 트랜스듀서(46)에 의해 측정된 암페어)를 나타내고, F는 패러데이 상수(96485.3 C/mol)이며 StA는 전지에 공급되는 수소 연료의 양을 측정된 전류 i를 생성하는데 필요한 수소 연료의 양으로 나눈 것을 나타내는 유효 애노드 화학량론 비율이다. StA는 연료 전지 시스템 및 제어 설계에 의해 결정되는 파라미터이며, 캐소드 스트림으로의 애노드 퍼징, 애노드로부터 캐소드로의 수소 연료 교차 및/또는 시스템에 고유할 수 있는 수소 연료의 캐소드로의 다른 유사한 전달을 통해 "낭비된" 수소 연료를 고려한다.In the above equation, i represents current (e.g., in amperes as measured by the current transducer (46), F is the Faraday constant (96485.3 C/mol), and St A is the effective anode stoichiometry ratio which represents the amount of hydrogen fuel supplied to the cell divided by the amount of hydrogen fuel required to produce the measured current i. St A is a parameter determined by the fuel cell system and control design, and accounts for "wasted" hydrogen fuel via anode purging into the cathode stream, hydrogen fuel crossing from the anode to the cathode, and/or other similar transfers of hydrogen fuel to the cathode that may be unique to the system.
배기 산화제 가스를 통해 전기화학 전지(10)로부터 배출되는 물의 양은 식 10에 의해 계산될 수 있다.The amount of water discharged from the electrochemical cell (10) through the exhaust oxidizer gas can be calculated by Equation 10.
(식 10) (Formula 10)
여기서 RHE는 전기화학 전지(10)로부터 배출되는 산화제 가스의 습도를 나타낸다. N(즉, 식 1의 해)이 0이상이면, RHE는 100%가 될 수 있다. N이 0보다 작을 때, RHE의 추정치는 본 명세서에서 더 상세하게 기술되는 모델을 사용하여 결정될 수 있다. 기호 pE는 산화제 가스 배기 라인을 통해 전기화학 전지(10)로부터 배출되는 산화제 가스의 압력을 나타내며, 이는 제 1 산화제 가스 배기 센서(26A)에 의해 측정될 수 있다. 기호 는 물의 증기압을 나타내며, 이는 물에 대한 고정된 속성이며, 온도의 함수이다. 를 결정하는데 사용되는 온도는 냉각제 배기 센서(22)에 의해 측정된 냉각제 출구 온도(TE)일 수 있다. 기호 은 산화제 배출 가스에서 물이 아닌 종의 총 흐름을 나타내고, 이는 식 11에 의해 계산될 수 있다.Here, RH E represents the humidity of the oxidizing gas discharged from the electrochemical cell (10). When N (i.e., the solution of Equation 1) is greater than or equal to 0, RH E can be 100%. When N is less than 0, an estimate of RH E can be determined using a model described in more detail herein. The symbol p E represents the pressure of the oxidizing gas discharged from the electrochemical cell (10) through the oxidizing gas exhaust line, which can be measured by the first oxidizing gas exhaust sensor (26A). The symbol represents the vapor pressure of water, which is a fixed property of water and a function of temperature. The temperature used to determine may be the coolant outlet temperature (T E ) measured by the coolant exhaust sensor (22). Symbol represents the total flux of non-water species in the oxidizer exhaust gas, which can be calculated by Equation 11.
(식 11) (Formula 11)
여기서 는 식 12에 의해 계산될 수 있다.Here can be calculated by Equation 12.
(식 12) (Formula 12)
는 식 12에 의해 계산될 수 있다. can be calculated by Equation 12.
(식 13). (Formula 13).
위에서 논의한 바와 같이, N(즉, 식 2의 해)이 0이상일 때, RHE는 100%일 수 있다. N이 0보다 작을 때, RHE의 추정치는 모델을 사용하여 결정될 수 있다, 예를 들어 RHE는 실험 데이터로부터 파생될 수 있고, 이에 의해 RHE는 전지(10)의 최고 성능과 일치할 수 있다. 예를 들어, 전기화학 전지의 동작 특성은 RHE와 전기화학 전지 성능 사이의 상관관계를 결정하기 위해 일정 범위의 온도들 및 유량들에 대해 모니터링될 수 있다. RHE를 사용하면, 식 1이 에 대해 풀릴 수 있고, 이는 식 14를 초래하고, 전지의 물 균형 동작을 초래할 산화제 유량을 나타낸다.As discussed above, when N (i.e., the solution of Equation 2) is greater than or equal to 0, RH E can be 100%. When N is less than 0, an estimate of RH E can be determined using a model, for example, RH E can be derived from experimental data, whereby RH E can be consistent with the best performance of the cell (10). For example, the operating characteristics of the electrochemical cell can be monitored over a range of temperatures and flow rates to determine the correlation between RH E and electrochemical cell performance. Using RH E , Equation 1 can be can be solved for, which leads to Equation 14, which represents the oxidizer flow rate that will result in the water balance operation of the cell.
(식 14) (Formula 14)
여기서 StA는 애노드의 화학량논(anode stoich)이고, fE는 물인 산화제의 배출 흐름의 몰 분율이다. fS는 물인 산화제의 유입 흐름의 몰 분율 이다. 식 14는 전지 내의 물 흐름의 균형을 위한 산화제 가스 유량을 결정하는 데 사용될 수 있다.Here, St A is the anode stoichiometry and f E is the mole fraction of the oxidant exhaust stream, which is water. f S is the mole fraction of the incoming stream of the oxidizing agent, which is water. Equation 14 can be used to determine the oxidizer gas flow rate to balance the water flow within the cell.
제어기(40)는 하나 이상의 센서들(예를 들어, 냉각제 입구 센서(20), 냉각제 배출 센서(22), 산화제 가스 입구 센서(24), 산화제 가스 배기 센서(26) 및 전류 트랜스듀서(46))에 의해 측정된 특성들에 기초하여, 본 명세서에 설명된 하나 이상의 계산들을 실행하도록 구성될 수 있어서, 전지 내의 물 유량의 균형을 맞추는 목표 산화제 공급 가스 유량의 계산을 가능하게 한다. 제어기(40)는 산화제 공급 가스 유량을 조정하거나 산화제 공급 가스 유량을 설정하는 다른 제어기 또는 엔진에 신호를 전달하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어기(40)는 산화제 공급 가스 유량을 조정하기 위해 PID 제어기를 이용하도록 구성될 수 있다. 산화제 공급 가스 유량의 조정은 누적 물 불균형이 0 또는 대략 0이 되도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어기(40)는 누적 물 균형이 설정 임계값을 넘어 0에서 벗어날 때, 산화제 공급 가스 유량의 조정이 물-균형 유량에서 멀어지도록 구성될 수 있다. 예를 들어, N이 0보다 큰 경우(즉, 전지 내의 과잉 저장된 물), 제어기는 전지에서 물을 제거하고 N이 0을 향하게 하기 위한 순수한 건조 조건을 주도적으로 생성하기 위하여, 산화제 공급 가스 유량을 물-균형 유량보다 큰 값으로 조정할 수 있다. 반대로, N이 0 미만인 경우(즉, 전지에 저장된 물이 부족), 제어기는 전지에 물을 추가하고 N이 0을 항하게 하기 위한 순수한 범람 조건을 주도적으로 생성하기 위하여, 산화제 공급 가스 유량을 물-균형 유량보다 작은 값으로 조정할 수 있다.The controller (40) can be configured to perform one or more calculations described herein based on characteristics measured by one or more sensors (e.g., a coolant inlet sensor (20), a coolant exhaust sensor (22), an oxidizer gas inlet sensor (24), an oxidizer gas exhaust sensor (26), and a current transducer (46)) to enable calculation of a target oxidizer feed gas flow rate that balances water flow within the cell. The controller (40) can be configured to adjust the oxidizer feed gas flow rate or to signal another controller or engine to set the oxidizer feed gas flow rate. In some embodiments, the controller (40) can be configured to utilize a PID controller to adjust the oxidizer feed gas flow rate. The adjustment of the oxidizer feed gas flow rate can be configured such that the cumulative water imbalance is zero or approximately zero. In some embodiments, the controller (40) can be configured such that the adjustment of the oxidizer feed gas flow rate moves away from the water-balanced flow rate when the cumulative water balance deviates from zero by a set threshold. For example, when N is greater than 0 (i.e., excess water stored in the cell), the controller may adjust the oxidizer feed gas flow rate to a value greater than the water-balance flow rate to proactively create pure dry conditions to remove water from the cell and drive N toward 0. Conversely, when N is less than 0 (i.e., insufficient water stored in the cell), the controller may adjust the oxidizer feed gas flow rate to a value less than the water-balance flow rate to proactively create pure flooding conditions to add water to the cell and drive N toward 0.
본 명세서에 설명된 현재 물 불균형의 결정은 설정된 빈도로 제어기(40)에 의해 반복될 수 있다. 예를 들어, 제어기(40)는 약 0.01 초, 약 0.1 초, 약 0.5 초, 약 1 초, 약 2 초, 약 3 초, 약 4 초, 약 5 초, 약 10초, 약 20 초, 약 30 초 또는 약 60 초의 빈도로 결정을 반복하도록 구성될 수 있다.The determination of the current water imbalance as described herein can be repeated by the controller (40) at a set frequency. For example, the controller (40) can be configured to repeat the determination at a frequency of about 0.01 seconds, about 0.1 seconds, about 0.5 seconds, about 1 second, about 2 seconds, about 3 seconds, about 4 seconds, about 5 seconds, about 10 seconds, about 20 seconds, about 30 seconds, or about 60 seconds.
도 1에 도시된 바와 같이, 냉각제는 전기화학 전지(10)의 온도를 제어하기 위해 전기화학 전지(10)를 통해 순환될 수 있다. 일부 실시예들에서, 냉각제는 일반적으로 고정된 입구 냉각제 온도로 전기화학 전지(10)에 공급될 수 있다. 특정 조건들 하에서, 전지가 충분히 냉각되지 않으면, 전지의 물 불균형은, 물 불균형이 다시 0이 되게 하는데 필요한 산화제 공급 가스 유량이 시스템(100)의 한계를 초과하는(예 : 압축기(42)의 출력 용량을 초과하는) 지점에 도달할 수 있다. 이러한 상황을 피하기 위해, 입구 냉각제 온도가 주변 조건들의 세트(예 : 공기 온도, 압력 및 습도)에 따라 설정될 수 있으므로, 누적 물 불균형이 0이 되게 하는데 필요한 최대 산화제 공급 가스 유량(식 14의 결과)은 산화제 공급 가스 흐름을 생성하는 압축기(42)의 동작 한계 내에 있게 된다.As illustrated in FIG. 1, a coolant may be circulated through the electrochemical cell (10) to control the temperature of the electrochemical cell (10). In some embodiments, the coolant may be supplied to the electrochemical cell (10) at a generally fixed inlet coolant temperature. Under certain conditions, if the cell is not sufficiently cooled, the water imbalance in the cell may reach a point where the oxidizer feed gas flow rate required to bring the water imbalance back to zero exceeds the limitations of the system (100) (e.g., exceeds the output capacity of the compressor (42)). To avoid this situation, the inlet coolant temperature may be set based on a set of ambient conditions (e.g., air temperature, pressure, and humidity) such that the maximum oxidizer feed gas flow rate required to bring the accumulated water imbalance to zero (the result of Equation 14) is within the operating limitations of the compressor (42) that generates the oxidizer feed gas flow.
일부 실시예들에서, 전기화학 전지(10)에 냉각제를 공급하는 냉각제 펌프(44)는 일반적으로 고정된 속도로 동작하도록 구성될 수 있다. 이는 냉각제 출구 온도가 연료 전지 전력에 따라 변하는 것을 허용할 것이다. 냉각제 입구 온도를 설정하고 냉각제 펌프(44)에 대해 일정한 속도를 설정함으로써, 냉각제 펌프(44)를 제어하기 위해 필요한 관련 펌프 하드웨어 및 제어 하드웨어가 단순화 될 수 있다.In some embodiments, the coolant pump (44) that supplies coolant to the electrochemical cell (10) may be configured to generally operate at a fixed speed. This will allow the coolant outlet temperature to vary with fuel cell power. By setting the coolant inlet temperature and setting a constant speed for the coolant pump (44), the associated pump hardware and control hardware required to control the coolant pump (44) can be simplified.
일부 실시예들에서, 시스템(100) 및 제어기(40)는 누적 물 불균형을 0으로 주기적으로 재교정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어기(40)는 산화제 공급 가스의 유량을 일시적으로 증가시켜 전기화학 전지(10)를 건조시키도록 구성될 수 있다. 이를 수행하는 동안, 제어기(40)는 전지(10)에 걸친 저항을 측정하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 저항은 전류-차단 방법 또는 본 명세서에서 설명된 다른 방법들을 사용하여 측정될 수 있다. 제어기(40)는 측정된 저항이 0 인 누적 물 불균형에 대응하는 목표 저항과 거의 동일한 때를 결정하고, 이후 제어기 소프트웨어 내의 누적 물 불균형 변수를 0으로 재설정하도록 구성될 수 있다. 이러한 프로세스는 물의 레벨(즉, 전지의 저항)의 직접 측정을 통해 물 불균형 계산에서 누적된 오류들(위에서 설명된 식들에서 사용된 측정 오류들에 부분적으로 기인하여)이 정정되도록 허용한다. 이러한 재교정 프로세스는 시스템 부하가 예컨대 시스템 셧다운 도중에 제어될 수 있을 때 주기적으로 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서, 재교정 동안, 저항 증가를 모니터링하면서, 목표 값이 달성되면 셧다운을 중지시키면서, 그리고 예를 들어, 제어기 소프트웨어의 누적 물 불균형 변수를 0으로 재설정하면서 의도적으로 전지를 건조시키기 위해, 물-균형 유량보다 큰 산화제 유량이 전지에 제공될 수 있다. 목표 값은 저항의 절대 값이 될 수 있거나, 셧다운 프로세스 시작부터 저항의 상대적 증가일 수 있다. 목표 상대 증가는 예를 들어 약 0.5% 내지 약 300%, 약 0.5% 내지 약 200%, 약 0.5% 내지 약 100%, 약 1.0% 내지 약 50%, 또는 약 5% 내지 약 25%일 수 있다. 일부 실시예들에서, 목표 저항의 절대 값은 전기화학 전지(10)의 초기 시동 동안 결정될 수 있다.In some embodiments, the system (100) and controller (40) may be configured to periodically recalibrate the accumulated water imbalance to zero. For example, the controller (40) may be configured to temporarily increase the flow rate of the oxidizer supply gas to dry out the electrochemical cell (10). While doing so, the controller (40) may be configured to measure the resistance across the cell (10). In some embodiments, the resistance may be measured using a current-interrupt method or other methods described herein. The controller (40) may be configured to determine when the measured resistance is approximately equal to a target resistance corresponding to a cumulative water imbalance of zero, and thereafter reset a cumulative water imbalance variable within the controller software to zero. This process allows accumulated errors in the water imbalance calculation (due in part to measurement errors used in the equations described above) to be corrected through direct measurement of the water level (i.e., the resistance of the cell). This recalibration process can be performed periodically when the system load can be controlled, for example, during a system shutdown. In some embodiments, during the recalibration, an oxidizer flow rate greater than the water-balance flow rate can be provided to the cell to intentionally dry out the cell while monitoring the resistance increase, stopping the shutdown when the target value is achieved, and resetting a cumulative water imbalance variable in the controller software to zero, for example. The target value can be an absolute value of the resistance, or a relative increase in the resistance from the start of the shutdown process. The target relative increase can be, for example, from about 0.5% to about 300%, from about 0.5% to about 200%, from about 0.5% to about 100%, from about 1.0% to about 50%, or from about 5% to about 25%. In some embodiments, the absolute value of the target resistance can be determined during initial start-up of the electrochemical cell (10).
일부 실시예들에서, 시스템(100) 및 제어기(40)는 산화제 배출 가스의 습도를 측정함으로써 누적 물 불균형을 0으로 재교정할 수 있다. 예를 들어, 제어기(40)는 전기화학 전지(10)를 건조시키기 위해 산화제 공급 가스의 유량을 일시적으로 증가시킬 수 있다. 이를 수행하는 동안, 제어기(40)는 산화제 배출 가스의 습도를 측정(예를 들어, 제 2 산화제 가스 배출 습도 센서(26B)에 의해 측정)하도록 구성될 수 있다. 제어기(40)는 산화제 배출 가스의 습도가 0의 누적 물 불균형에 대응하는 목표 습도 내에 있을 때를 결정하고 누적 물 불균형을 0으로 재설정하도록 구성될 수 있다. 목표 습도는 예를 들어 약 50% 내지 약 99%, 약 60% 내지 약 99%, 약 70% 내지 약 99%, 약 80% 내지 약 99%, 약 90% 내지 약 99%, 약 50% 내지 약 90%, 약 60% 내지 약 90%, 약 70% 내지 약 90%, 약 80% 내지 약 90%, 약 50% 내지 약 80%, 약 60% 내지 약 80%, 약 70% 내지 약 80%, 또는 약 75% 내지 약 80%일 수 있다.In some embodiments, the system (100) and the controller (40) can recalibrate the accumulated water imbalance to zero by measuring the humidity of the oxidizer exhaust gas. For example, the controller (40) can temporarily increase the flow rate of the oxidizer supply gas to dry the electrochemical cell (10). While doing so, the controller (40) can be configured to measure the humidity of the oxidizer exhaust gas (e.g., as measured by the second oxidizer gas exhaust humidity sensor (26B)). The controller (40) can be configured to determine when the humidity of the oxidizer exhaust gas is within a target humidity corresponding to a cumulative water imbalance of zero and reset the cumulative water imbalance to zero. The target humidity can be, for example, about 50% to about 99%, about 60% to about 99%, about 70% to about 99%, about 80% to about 99%, about 90% to about 99%, about 50% to about 90%, about 60% to about 90%, about 70% to about 90%, about 80% to about 90%, about 50% to about 80%, about 60% to about 80%, about 70% to about 80%, or about 75% to about 80%.
일부 실시예들에서, 시스템(100)은 전기화학 전지(10)에 의해 배출되는 산화제 가스의 측정된 저항 및 측정된 습도 둘 모두에 기초하여 재교정을 수행하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 시스템(100)은 설정된 빈도로 재교정을 수행하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 시스템(100)은 적어도 하루에 한 번 또는 적어도 격일에 한 번 재교정을 수행하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 재교정은 하루에 한 번, 이틀에 한 번, 3 일에 한 번, 한 주에 한 번, 2주에 한 번, 한 달에 한 번, 두 달에 한 번, 6개월에 한 번, 또는 매년 한 번 발생할 수 있다. 일부 실시예들에서, 재교정은 전기화학 전지의 실행 시간에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 재교정은 약 1시간, 약 2시간, 약 3시간, 약 4시간, 약 5시간, 약 10시간, 약 15시간, 약 25시간, 약 50시간, 약 100시간, 약 200 시간 또는 약 500 시간의 실행 시간 후에 시작될 수 있다. 일부 실시예들에서, 재교정은 시스템(100)에 대한 셧다운 시퀀스 동안 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서, 재교정은 시스템(100)에 대한 모든 셧다운 시퀀스 동안 수행된다. 일부 실시예들에서, 재교정은 시스템(100)에 대한 두 번의 셧다운 시퀀스 동안 한 번 수행된다. 일부 실시예들에서, 재교정은 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25 또는 30 번의 종료 시퀀스마다 한 번씩 수행된다.In some embodiments, the system (100) can be configured to perform recalibration based on both the measured resistance of the oxidizer gas emitted by the electrochemical cell (10) and the measured humidity. In some embodiments, the system (100) can be configured to perform recalibration at a set frequency. For example, the system (100) can be configured to perform recalibration at least once a day or at least once every other day. In some embodiments, recalibration can occur once a day, once every two days, once every three days, once a week, once every two weeks, once a month, once every two months, once every six months, or once a year. In some embodiments, recalibration can be determined based on the run time of the electrochemical cell. For example, recalibration can be initiated after about 1 hour, about 2 hours, about 3 hours, about 4 hours, about 5 hours, about 10 hours, about 15 hours, about 25 hours, about 50 hours, about 100 hours, about 200 hours, or about 500 hours of run time. In some embodiments, recalibration can be performed during a shutdown sequence for the system (100). In some embodiments, recalibration is performed during every shutdown sequence for the system (100). In some embodiments, recalibration is performed once during every two shutdown sequences for the system (100). In some embodiments, recalibration is performed once every 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, or 30 shutdown sequences.
일부 실시예에서, 시스템(100)은 산화제 배출 가스 라인에 위치된 고정 오리피스(orifice)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서,이 오리피스는 수동 제어를 유지하면서(즉, 능동 이동 부분들이 없는) 최대 전력에서 목표 캐소드 배기 압력의 달성을 초래할 수 있다.In some embodiments, the system (100) may include a fixed orifice positioned in the oxidizer exhaust gas line. In some embodiments, this orifice may result in achieving a target cathode exhaust pressure at maximum power while maintaining passive control (i.e., without active moving parts).
도 2는 전기화학 전지(10)에서 물 균형을 제어하는 시스템(100)의 동작 동안 제어기(40)에 의해 수행되는 예시적인 프로세스를 도시한다. 도 2의 흐름도에 도시된 바와 같이, 물 불균형 제어의 활성화는 전기화학 전지(10)의 활성화를 통해 개시될 수 있다(단계(202)). 제어기(40)는, 단계(202)로부터 다양한 센서들(예 : 산화제 가스 입구 센서(24), 냉각제 입구 센서(20), 냉각제 출구 센서(22) 및 산화제 가스 배출 센서(들)(26), 전류 트랜스듀서(46))로부터 신호들을 수신함으로써, 전류 회로를 통과하는 전류 측정 및 전기화학 전지(10)를 통해 순환하는 산화제 가스 및 냉각제의 측정된 속성들을 추적하기 시작할 수 있다(단계(204). 제어기(40)는 전기화학 전지(10)의 이러한 속성들을 연속적으로 추적하거나 주기적인 빈도로 추적을 반복하도록 구성될 수 있다.FIG. 2 illustrates an exemplary process performed by a controller (40) during operation of a system (100) for controlling water balance in an electrochemical cell (10). As depicted in the flow chart of FIG. 2, activation of the water imbalance control may be initiated by activation of the electrochemical cell (10) (step (202)). The controller (40) may begin to track the current passing through the current circuit and measured properties of the oxidizer gas and coolant circulating through the electrochemical cell (10) by receiving signals from various sensors (e.g., the oxidizer gas inlet sensor (24), the coolant inlet sensor (20), the coolant outlet sensor (22), and the oxidizer gas exhaust sensor(s) (26), and the current transducer (46)) from step (202) (step (204). The controller (40) may be configured to continuously track these properties of the electrochemical cell (10) or to repeat the tracking at a periodic frequency.
단계(204)로부터, 제어기(40)는 전기화학 전지(10)에서 현재의 물 불균형의결정을 시작할 수 있다(단계(206)). 단계(206)는 waterin과, watercreated에서 waterout 을 뺀 값을 합산하는 것을 포함할 수 있다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, waterin은 산화제 공급 가스에 의해 전기화학 전지로 들어가는 물의 양을 나타낼 수 있고, watercreated는 전기화학 반응에서 전기화학 전지에 의해 생성된 물의 양을 나타낼 수 있으며, waterout은 산화제 배출 가스에 의해 전기화학 전지로부터 배출된 물의 양을 나타낼 수 있다. waterin, watercreated 및 waterout을 계산하는데 사용할 수 있는 측정된 속성들, 값들 및 식들이 본 명세서에서 설명된다. 제어기(40)는 현재 물 불균형을 연속적으로 결정하거나, 예를 들어 속성들의 각 측정 후에 주기적인 빈도로 결정을 반복하도록 구성될 수 있다(단계(204)).From step (204), the controller (40) can begin determining a current water imbalance in the electrochemical cell (10) (step (206)). Step (206) can include adding water in and water created minus water out . As described herein, water in can represent an amount of water introduced into the electrochemical cell by the oxidizer feed gas, water created can represent an amount of water produced by the electrochemical cell in the electrochemical reaction, and water out can represent an amount of water discharged from the electrochemical cell by the oxidizer exhaust gas. Measured attributes, values, and equations that can be used to calculate water in , water created , and water out are described herein. The controller (40) can be configured to continuously determine the current water imbalance, or to repeat the determination at a periodic frequency, for example, after each measurement of the attributes (step (204)).
단계(206)로부터, 제어기(40)는 이후 전기화학 전지(10)의 누적 물 불균형을 추적할 수 있다(단계(208)). 단계(208)은 현재 물 불균형을 반복적으로 결정하고 전기화학 전지(10)의 동작 동안 결과들을 합산하는 것을 포함할 수 있다. 누적 물 불균형을 추적하기 위해 현재 물 불균형을 합산하는데 사용될 수 있는 식이 본 명세서에서 설명된다. 단계(208)로부터, 제어기(40)는 이후 누적 물 불균형이 0에서 벗어나는지 여부를 결정할 수 있다(단계(210)). 누적 물 불균형이 0에서 벗어나지 않았거나(예를 들어, 거의 0과 같거나), 0의 설정된 허용 임계값 내에 있다면(단계(210) : 아니오), 제어기(40)는 단계(204)로 돌아가 프로세스를 반복할 수 있다. 일부 실시예들에서, 누적 물 불균형은 0으로부터 최대 0.1g의 물/전지, 최대 0.2g의 물/전지, 최대 0.5g의 물/전지, 최대 1.0g의 물/전지, 최대 2.0g의 물/전지, 또는 최대 5.0g의 물/전지까지 벗어날 수 있고, 여전히 0의 허용되는 임계값 이내로 간주된다. 누적 물 불균형이 0에서 벗어 났거나(즉, 0이 아님), 0의 설정된 허용 임계값을 벗어난 경우(단계(210) : 예), 제어기(40)는 단계(212)로 진행할 수 있다. 단계(212)는 누적된 물 불균형에 기초하여 전기화학 전지(10)로 들어가는 산화제 공급 가스의 유량을 조정하는 것을 포함할 수 있다. 단계(212)의 일부로서, 제어기(40)는 미리 결정된 시간 내에 누적 물 불균형을 0으로 만들기 위해 산화제 공급 가스에 대한 허용 가능한 유량을 계산할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어기(40)는 조정을 제어하기 위해 PID 루프를 이용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 단계(212)로부터 제어기(40)는 단계(202)로 돌아가서, 전기화학 전지가 셧다운되거나 물 불균형 모드가 비활성화 될 때까지 프로세스를 반복할 수 있다.From step (206), the controller (40) can then track the cumulative water imbalance of the electrochemical cell (10) (step (208)). Step (208) can include repeatedly determining the current water imbalance and summing the results during operation of the electrochemical cell (10). An equation that can be used to sum the current water imbalance to track the cumulative water imbalance is described herein. From step (208), the controller (40) can then determine whether the cumulative water imbalance deviates from zero (step (210)). If the cumulative water imbalance does not deviate from zero (e.g., is approximately equal to zero) or is within a set tolerance threshold of zero (step (210) : No), the controller (40) can return to step (204) and repeat the process. In some embodiments, the accumulated water imbalance can deviate from zero by up to 0.1 g of water/cell, up to 0.2 g of water/cell, up to 0.5 g of water/cell, up to 1.0 g of water/cell, up to 2.0 g of water/cell, or up to 5.0 g of water/cell and still be considered within an acceptable threshold of zero. If the accumulated water imbalance deviates from zero (i.e., is not zero) or is outside the set acceptable threshold of zero (step (210) : Yes), the controller (40) can proceed to step (212). Step (212) can include adjusting the flow rate of the oxidizer feed gas into the electrochemical cell (10) based on the accumulated water imbalance. As part of step (212), the controller (40) can calculate an acceptable flow rate for the oxidizer feed gas to bring the accumulated water imbalance to zero within a predetermined amount of time. In some embodiments, the controller (40) may utilize a PID loop to control the regulation. In some embodiments, from step (212), the controller (40) may return to step (202) and repeat the process until the electrochemical cell is shut down or the water imbalance mode is deactivated.
일부 실시예들에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 단계(212)와 단계(204) 사이에서 제어기(40)는 전기화학 전지의 셧다운이 시작되었는지 여부를 결정할 수 있다(단계(214)). 어떠한 셧다운도 시작되지 않은 경우(단계(214) : 아니오), 제어기(40)는 단계(204)로 돌아갈 수 있다. 셧다운이 시작된 경우(단계(214) : 예), 제어기(40)는 도 3에 도시된 바와 같이 셧다운 전에 누적 물 불균형의 재교정이 호출될지를 결정할 수 있다(단계(216)). 재교정이 호출되지 않는 경우(단계(216) : 아니오)(예를 들어, 재교정이 최근에 수행된 경우), 제어기(40)는 전기화학 전지(10)의 셧다운을 진행할 수 있다(단계(218)). 일부 실시예들에서, 단계(216)와 단계(218) 사이에, 제어기(40)는 전기화학 전지(10)의 캐소드 측의 기준선 퍼지를 수행하기 위해 일정 기간 동안 전기화학 전지에 대한 산화제 공급 가스의 유량을 증가시킬 수 있다(선택적 단계(217)). 단계(217)의 기간은 고정된(예를 들어, 약 1초 내지 약 30초, 바람직하게는 15초 이하의 값에서), 또는 일부 실시예들에서 제어기(40)에 의해 결정되는 가변적인 기간일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 제어기(40)는 하나 이상의 측정된 또는 계산된 파라미터들(예를 들어, 산화제 가스 입구 질량 유량, 산화제 가스 입구 주변 온도, 산화제 가스 입구 주변 압력, 산화제 가스 입구 주변 상대 습도, 냉각제 입구 온도, 냉각제 출구 온도, 산화제 가스 배출 온도, 산화제 가스 배출 압력, 산화제 가스 배출 상대 습도 또는 누적 물 불균형 값)에 기초하여 단계(217)의 기간을 결정할 수 있다.In some embodiments, as illustrated in FIG. 2, between steps (212) and (204), the controller (40) may determine whether a shutdown of the electrochemical cell has been initiated (step (214)). If no shutdown has been initiated (step (214) : No), the controller (40) may return to step (204). If a shutdown has been initiated (step (214) : Yes), the controller (40) may determine whether a recalibration of the accumulated water imbalance is to be invoked prior to shutdown, as illustrated in FIG. 3 (step (216)). If a recalibration is not invoked (step (216) : No) (e.g., if a recalibration has been recently performed), the controller (40) may proceed with a shutdown of the electrochemical cell (10) (step (218)). In some embodiments, between steps (216) and (218), the controller (40) can increase the flow rate of the oxidizer feed gas to the electrochemical cell for a period of time to perform a baseline purge of the cathode side of the electrochemical cell (10) (optional step (217)). The period of step (217) can be fixed (e.g., from about 1 second to about 30 seconds, preferably less than or equal to 15 seconds), or in some embodiments a variable period of time determined by the controller (40). For example, in some embodiments, the controller (40) can determine the period of step (217) based on one or more measured or calculated parameters (e.g., oxidizer gas inlet mass flow rate, oxidizer gas inlet ambient temperature, oxidizer gas inlet ambient pressure, oxidizer gas inlet ambient relative humidity, coolant inlet temperature, coolant outlet temperature, oxidizer gas exhaust temperature, oxidizer gas exhaust pressure, oxidizer gas exhaust relative humidity, or accumulated water imbalance value).
재교정이 호출된 경우(단계(216) : 예), 일부 실시예들(예를 들어, 옵션 1)에서, 제어기(40)는 전기화학 전지(10)를 건조시키기 위해, 전기화학 전지(10)로의 산화 공급 가스의 유량을 일시적으로 증가시키는 것으로 시작하는 재교정 절차를 개시할 수 있다(단계(220)). 단계(220)로부터, 제어기(40)는 전기화학 전지(10)의 저항 측정을 시작할 수 있다(단계(222)). 단계(222)로부터, 제어기(40)는 측정된 저항이, 0인 누적 물 불균형에 대응하는 목표 저항과 거의 동일한지 여부를 결정할 수 있다(단계(224)). 측정된 저항이 미리 결정된 셧다운 시간 내에 목표 저항에 도달하지 않으면(단계(224) : 아니오), 제어기(40)는 단계(220)로 돌아가 전기화학 전지(10)로의 산화제 공급 가스의 흐름을 동일한 유량로 계속하거나, 흐름을 추가로 증가시킬 수 있다. 측정된 저항이 미리 결정된 셧다운 시간 내에 목표 저항에 도달하면(단계(224) : 예), 제어기(40)는 누적 물 불균형 변수를 0으로 재설정할 수 있다(단계(226)). 단계(226)로부터, 제어기(40)는 전기화학 전지(10)의 셧다운을 계속할 수 있다(단계(218)).If recalibration is invoked (Step (216) : Yes), in some embodiments (e.g., Option 1), the controller (40) may initiate a recalibration procedure that begins by temporarily increasing the flow rate of oxidizing feed gas to the electrochemical cell (10) to dry out the electrochemical cell (10) (Step (220)). From Step (220), the controller (40) may begin measuring the resistance of the electrochemical cell (10) (Step (222)). From Step (222), the controller (40) may determine whether the measured resistance is approximately equal to a target resistance corresponding to a zero accumulated water imbalance (Step (224)). If the measured resistance does not reach the target resistance within a predetermined shutdown time (Step (224) : No), the controller (40) may return to Step (220) and continue the flow of oxidizing feed gas to the electrochemical cell (10) at the same flow rate, or may further increase the flow. If the measured resistance reaches the target resistance within the predetermined shutdown time (step (224) : Yes), the controller (40) can reset the accumulated water imbalance variable to zero (step (226)). From step (226), the controller (40) can continue the shutdown of the electrochemical cell (10) (step (218)).
옵션 1(도 3에 도시되지 않음)의 다른 실시예에서, 제어기(40)는 목표 저항 값에 기초하지 않고 측정된 저항의 증가에 기초하여 누적 물 불균형 값을 재설정 할 때를 결정할 수 있다. 예를 들어, 셧다운이 시작되고 재교정이 호출되는 경우, 제어기(40)는 측정된 저항이 셧다운 시작시 측정된 기준 저항에 비해 증가했는지 여부를 결정할 수 있다. 저항의 변화는 측정된 저항 값과 기준 저항의 차이를 기준 저항으로 나눈 값(즉,{(측정된 저항)-(기준 저항)}/(기준 저항)을 계산하여 결정할 수 있다. 예를 들어 저항이 미리 정해진 셧다운 시간 내에 셧다운이 시작될 때 측정 된베이스 라인 저항에 비해, 약 0.5% 내지 약 300%, 약 0.5% 내지 약 200%, 약 0.5% 내지 약 100%, 약 1.0% 내지 약 50%, 또는 약 5% 내지 약 25%로 증가하였다면, 제어기(40)는 누적 물 불균형 변수를 0으로 재설정할 수 있다. 저항이 미리 정해진 셧다운 시간 내에 목표량을 증가시키지 않으면, 제어기(40)는 증가된 유량 단계로 돌아갈 수 있고, 동일한 유량로 전기화학 전지(10)로의 산화제 공급 가스의 흐름을 계속할 수 있거나, 유량을 더 증가시킬 수 있다.In another embodiment of Option 1 (not shown in FIG. 3), the controller (40) may determine when to reset the accumulated water imbalance value based on an increase in measured resistance rather than a target resistance value. For example, when a shutdown is initiated and a recalibration is invoked, the controller (40) may determine whether the measured resistance has increased relative to the baseline resistance measured at the start of the shutdown. The change in resistance can be determined by calculating the difference between the measured resistance and the reference resistance divided by the reference resistance (i.e., {(measured resistance) - (reference resistance)}/(reference resistance). For example, if the resistance has increased from about 0.5% to about 300%, from about 0.5% to about 200%, from about 0.5% to about 100%, from about 1.0% to about 50%, or from about 5% to about 25% compared to the measured baseline resistance when the shutdown is initiated within the predetermined shutdown time, the controller (40) can reset the accumulated water imbalance variable to zero. If the resistance does not increase by the target amount within the predetermined shutdown time, the controller (40) can revert to the increased flow rate step and continue the flow of oxidant supply gas to the electrochemical cell (10) at the same flow rate, or can further increase the flow rate.
다른 실시예들(예를 들어, 옵션 2)에서, 재교정이 호출되는 경우(단계(216) : 예), 제어기(40)는 전기화학 전지(10)를 건조시키기 위해, 전기화학 전지(10)로의 산화제 공급 가스의 유량을 일시적으로 증가시키는 것으로 시작하는 재교정 절차를 시작할 수 있다(단계(228)). 단계(228)로부터, 제어기(40)는 산화제 배출 가스의 습도 측정을 시작할 수 있다(단계(230)). 단계(230)로부터, 제어기(40)는 측정된 습도가 0인 누적 물 불균형에 대응하는 목표 습도와 대략 동일한 지 여부를 결정할 수 있다(단계(232)). 측정된 습도가 미리 결정된 셧다운 시간 내에 목표 습도에 도달하지 않은 경우(단계(232) : 아니오), 제어기(40)는 단계(228)로 돌아가서 전기화학 전지(10)로의 산화제 공급 가스의 흐름을 동일한 유량으로 계속할 수 있거나, 유량을 더 증가시킬 수 있다. 측정된 습도가 미리 결정된 셧다운 시간 내에 목표 습도에 도달하면(단계(232) : 예), 제어기(40)는 누적 물 불균형 변수를 0으로 재설정할 수 있다(단계(226)). 단계(226)로부터, 제어기(40)는 전기화학 전지(10)를 셧다운하는 것을 계속할 수 있다(단계(218)). 미리 결정된 셧다운 시간은 고정되거나 가변적일 수 있으며, 이 경우 하나 이상의 변수들(예를 들어, 누적 물 불균형, 최대 산화제 유량, 시스템(100)에 대한 동작 시간 제한)에 기초하여 결정될 수 있다. 미리 결정된 셧다운 시간은 예를 들어 약 1초 미만 내지 약 20분 범위일 수 있다. 예를 들어, 미리 정해진 셧다운 시간은 약 1초, 약 2초, 약 3초, 약 4초, 약 5초, 약 10초, 약 15초, 약 20초, 약 30초, 약 40초, 약 50초, 약 60초, 약 75초, 약 90초, 약 2분, 약 3분, 약 4분, 약 5분, 약 6분, 약 7분, 약 8분, 약 9분, 약 10분 , 약 11분, 약 12분, 약 13분, 약 14분, 약 15분, 약 16분, 약 17분, 약 18분, 약 19분 또는 약 20분일 수 있다.In other embodiments (e.g., Option 2), when a recalibration is invoked (Step (216) : Yes), the controller (40) can initiate a recalibration procedure that begins by temporarily increasing the flow rate of the oxidizer feed gas to the electrochemical cell (10) to dry the electrochemical cell (10) (Step (228)). From Step (228), the controller (40) can initiate a humidity measurement of the oxidizer exhaust gas (Step (230)). From Step (230), the controller (40) can determine whether the measured humidity is approximately equal to a target humidity corresponding to a zero cumulative water imbalance (Step (232)). If the measured humidity does not reach the target humidity within a predetermined shutdown time (Step (232) : No), the controller (40) can return to Step (228) and continue the flow of oxidizer feed gas to the electrochemical cell (10) at the same flow rate, or can further increase the flow rate. If the measured humidity reaches the target humidity within the predetermined shutdown time (step (232) : Yes), the controller (40) can reset the accumulated water imbalance variable to zero (step (226)). From step (226) the controller (40) can continue to shut down the electrochemical cell (10) (step (218)). The predetermined shutdown time can be fixed or variable, in which case it can be determined based on one or more variables (e.g., accumulated water imbalance, maximum oxidizer flow rate, operating time limit for the system (100)). The predetermined shutdown time can range from, for example, less than about 1 second to about 20 minutes. For example, the predetermined shutdown time can be about 1 second, about 2 seconds, about 3 seconds, about 4 seconds, about 5 seconds, about 10 seconds, about 15 seconds, about 20 seconds, about 30 seconds, about 40 seconds, about 50 seconds, about 60 seconds, about 75 seconds, about 90 seconds, about 2 minutes, about 3 minutes, about 4 minutes, about 5 minutes, about 6 minutes, about 7 minutes, about 8 minutes, about 9 minutes, about 10 minutes, about 11 minutes, about 12 minutes, about 13 minutes, about 14 minutes, about 15 minutes, about 16 minutes, about 17 minutes, about 18 minutes, about 19 minutes, or about 20 minutes.
일부 실시예들에서, 제어기(40)는 산화제 공급 가스의 유량 증가(예를 들어, 단계(220 및 228)에서)의 초기 크기가 미리 결정된 셧다운 시간(예를 들어, 최적화된 미리결정된 셧다운 시간)에 따라 고정될 수 있도록 구성될 수 있다. 제어기(40)가 고정된 미리결정된 셧다운 시간 내에 0으로의 재교정을 달성할 수 없는 경우(즉, 단계(226)), 제어기(40)는 단계(220 또는 228)로 돌아가 동일한 유량을 계속하거나, 산화제의 유량을 증가시켜, 재교정 및 셧다운 프로세스를 가속화할 수 있다. 이러한 증가의 크기는 예를 들어, 시스템(100)이 셧다운을 완료하려고 시도하는 속도, 또는 셧다운 개시시 또는 제어기(40)가 단계(228 또는 220)로 복귀한 시간에 누적 물 불균형 값에 기초하여 결정될 수 있다.In some embodiments, the controller (40) may be configured such that the initial amount of the increase in the flow rate of the oxidizer feed gas (e.g., in steps (220) and (228)) may be fixed based on a predetermined shutdown time (e.g., an optimized predetermined shutdown time). If the controller (40) is unable to achieve recalibration to zero within the fixed predetermined shutdown time (i.e., step (226)), the controller (40) may return to step (220 or 228) and continue at the same flow rate, or may increase the flow rate of the oxidizer to accelerate the recalibration and shutdown process. The amount of this increase may be determined based on, for example, the speed at which the system (100) attempts to complete shutdown, or the cumulative water imbalance value at the time the shutdown is initiated or the controller (40) returns to step (228 or 220).
일부 실시예들에서, 제어기(40)는 셧다운 시퀀스의 시작시의 누적된 물 불균형에 기초하여 유량의 초과 증가를 호출하도록 구성될 수 있다. 제어기(40)는 미리 결정된 셧다운 시간 및 최대 산화제 유량에 기초하여 유량 증가를 결정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어기(40)는 최적화된 미리결정된 셧다운 시간 내에 0으로의 재교정을 달성하기 위해(도달 단계(226)), 산화제 유량을 증가시킴으로써 미리결정된 셧다운 시간을 시도하고 최적화(예를 들어, 최소화)하도록 구성될 수 있다. 전기화학 전지(10)로의 산화제 가스의 유량의 증가는 계산된 물 균형(예를 들어, ((미리 결정된 물 균형 값)-(계산된 물 균형 값))/(계산된 물 균형 값)에 기초할 수 있다. 일부 실시예들에서, 산화제 가스의 유량 증가는 약 5% 내지 약 500%, 약 25% 내지 약 400%, 약 50% 내지 약 300%, 또는 약 75% 내지 약 200%의 범위일 수 있다. 일부 실시예들에서, 산화제 가스의 유량 증가는 적어도 5%, 적어도 10%, 적어도 15%, 적어도 20%, 적어도 25%, 적어도 30%, 적어도 35%, 적어도 40%, 적어도 45%, 적어도 50%, 적어도 75%, 적어도 100%, 적어도 125%, 적어도 150%, 적어도 175%, 적어도 200%, 적어도 225%, 적어도 250%, 적어도 275%, 적어도 300%, 적어도 325%, 적어도 350%, 적어도 375%, 적어도 400%, 적어도 425%, 적어도 450%, 적어도 475%, 또는 적어도 최소 500%일 수 있다. 특정 상황들에서(예 : 누적 물 불균형이 높아 전기화학 전지가 더 범람하였음을 나타내면), 호출되는 유량의 초과 증가는 최대 산화제 유량(예 : 압축기(42)의 한계)을 초과할 수 있고, 이 경우 최적화된 미리결정된 셧다운 시간 내에 0으로의 재교정을 달성할 수 없다. 따라서, 제어기(40)는 추가 셧다운 시간을 허용해야 할 수 있다(예를 들어, 단계(220 또는 228)로 돌아감으로써).In some embodiments, the controller (40) can be configured to invoke an excess increase in flow rate based on the accumulated water imbalance at the start of the shutdown sequence. The controller (40) can be configured to determine the flow rate increase based on a predetermined shutdown time and a maximum oxidizer flow rate. For example, the controller (40) can be configured to attempt and optimize (e.g., minimize) the predetermined shutdown time by increasing the oxidizer flow rate to achieve a recalibration to zero within an optimized predetermined shutdown time (reaching step (226)). The increase in the flow rate of the oxidizer gas into the electrochemical cell (10) can be based on a calculated water balance (e.g., ((predetermined water balance value)-(calculated water balance value))/(calculated water balance value). In some embodiments, the increase in the flow rate of the oxidizer gas can be in the range of from about 5% to about 500%, from about 25% to about 400%, from about 50% to about 300%, or from about 75% to about 200%. In some embodiments, the increase in the flow rate of the oxidizer gas can be at least 5%, at least 10%, at least 15%, at least 20%, at least 25%, at least 30%, at least 35%, at least 40%, at least 45%, at least 50%, at least 75%, at least 100%, at least 125%, at least 150%, at least 175%, at least 200%, at least 225%, at least 250%, at least 275%, at least 300%, at least 325%, at least 350%, at least 375%, at least 400%, at least 425%, at least 450%, at least 475%, or at least 500%. In certain circumstances (e.g., where the cumulative water imbalance is high, indicating that the electrochemical cell is further flooded), the excess increase in flow rate called upon may exceed the maximum oxidizer flow rate (e.g., a limitation of the compressor (42)), in which case a recalibration to zero may not be achieved within the optimized predetermined shutdown time. Thus, the controller (40) may need to allow additional shutdown time (e.g., by returning to step (220 or 228)).
상술한 설명은 예시의 목적으로 제공되었다. 이는 총 망라한 것은 아니며, 개시된 정확한 형태들 또는 실시예들로 국한되는 것은 아니다. 실시예들의 수정들, 개조들 및 다른 응용들은 개시된 실시예들의 명세서 및 실행을 고려함으로써 명백해질 것이다. 예를 들어, 연료 전지(10)의 설명된 실시예들은 다양한 전기화학 전지들과 함께 사용되도록 적응될 수 있다. 유사하게, 본 명세서에 기술된 전지들 및 전기화학 적층들의 배열은 단지 예시일 뿐이며 일정 범위의 다른 연료 전지들의 구성들에 적용될 수 있다.The above description has been provided for illustrative purposes. It is not exhaustive or limited to the precise forms or embodiments disclosed. Modifications, adaptations, and other applications of the embodiments will become apparent from consideration of the specification and practice of the disclosed embodiments. For example, the described embodiments of the fuel cell (10) can be adapted for use with a variety of electrochemical cells. Similarly, the arrangement of cells and electrochemical stacks described herein is merely illustrative and can be applied to a range of other fuel cell configurations.
더욱이, 예시적인 실시예들이 본 명세서에서 설명되었지만, 그 범주는 본 개시사항에 기초한 등가 요소들, 수정들, 생략들, 조합들(예를 들어, 다양한 실시예들에 걸친 양상들의), 적응들 및/또는 변경들을 갖는 임의의 및 모든 실시예들을 포함한다. 청구항들의 요소들은 청구항들에 사용된 언어에 기초하여 폭넓게 해석되어야 하며, 본 명세서에서 또는 본 명세서의 실행 도중에 설명된 예들에 국한되지 않고, 이 예들은 비배타적인 것으로 해석되어야 한다. 또한, 개시된 방법들의 단계들은 단계들의 재정렬 및/또는 단계들의 삽입 또는 삭제를 포함하여 임의의 방식으로 수정될 수 있다.Moreover, while exemplary embodiments have been described herein, the scope includes any and all embodiments having equivalent elements, modifications, omissions, combinations (e.g., aspects across various embodiments), adaptations, and/or changes based on the present disclosure. The elements of the claims are to be construed broadly based on the language used in the claims and are not limited to the examples described in this specification or during the practice of this specification, which examples are to be construed as non-exclusive. Furthermore, the steps of the disclosed methods may be modified in any manner, including by reordering the steps and/or inserting or deleting the steps.
본 개시사항의 특징들 및 이점들은 상세한 명세서로부터 명백하고, 따라서 첨부된 청구항들이 본 개시사항의 진정한 사상 및 범주 내에 속하는 모든 전지들 및 전지 적층들을 포함하는 것으로 의도된다. 본 명세서에서 사용된 "하나"는 "하나 이상"을 의미한다. 유사하게, 복수 용어의 사용은 주어진 문맥에서 모호하지 않는한 반드시 복수를 나타내는 것은 아니다. "및" 또는 "또는"과 같은 단어는 특별히 달리 지시하지 않는한 "및/또는"을 의미한다. 또한, 본 개시사항을 연구함으로써 수 많은 수정들 및 변형들이 쉽게 발생할 수 있기 때문에, 본 개시사항을 예시되고 설명된 정확한 구성 및 동작으로 제한하는 것은 바람직하지 않으며, 따라서 모든 적절한 수정들 및 등가물들이 본 개시사항의 범주 내에 속하는 것으로 재분류될 수 있다.The features and advantages of the present disclosure are apparent from the detailed specification, and thus it is intended that the appended claims cover all cells and battery stacks falling within the true spirit and scope of the present disclosure. As used herein, the term "a" or "an" means "one or more." Similarly, the use of the plural terms does not necessarily mean a plurality unless the context clearly dictates otherwise. Words such as "and" or "or" mean "and/or" unless the context clearly dictates otherwise. Furthermore, since numerous modifications and variations will readily occur to a student of the present disclosure, it is not desirable to limit the present disclosure to the precise construction and operation illustrated and described, and therefore all suitable modifications and equivalents may be reclassified as falling within the scope of the present disclosure.
본 명세서에 사용된 용어 "약"은 25%, 20%, 15%, 10%, 5% 또는 1%의 변동으로 명시된 값의 위와 아래의 수치 값을 수정하는데 사용된다. 일부 실시예들에서, 용어 "약"은 10%의 변동으로 명시된 값 위 및 아래의 수치 값을 수정하는데 사용된다. 일부 실시예들에서, 용어 "약"은 15%의 변동으로 명시된 값 위 및 아래의 수치 값을 수정하는 데 사용된다. 일부 실시예들에서, 용어 "약"은 10%의 변동으로 명시된 값 위 및 아래의 수치 값을 수정하는데 사용된다. 일부 실시예들에서, 용어 "약"은 5%의 변동으로 명시된 값 위 및 아래의 수치 값을 수정하는데 사용된다. 일부 실시예에서, 용어 "약"은 1%의 변동으로 명시된 값 위 및 아래의 수치 값을 수정하는데 사용된다.The term "about" as used herein is used to modify a numerical value above and below a stated value by a variation of 25%, 20%, 15%, 10%, 5%, or 1%. In some embodiments, the term "about" is used to modify a numerical value above and below a stated value by a variation of 10%. In some embodiments, the term "about" is used to modify a numerical value above and below a stated value by a variation of 15%. In some embodiments, the term "about" is used to modify a numerical value above and below a stated value by a variation of 10%. In some embodiments, the term "about" is used to modify a numerical value above and below a stated value by a variation of 5%. In some embodiments, the term "about" is used to modify a numerical value above and below a stated value by a variation of 1%.
본 명세서에 사용된 용어 "연료 전지" 및 "전기화학 연료 전지" 및 이들의 복수 변형들은 상호 교환적으로 사용될 수 있으며 의미가 동일한 것으로 이해된다.The terms “fuel cell” and “electrochemical fuel cell” and their plural variations, as used herein, are used interchangeably and are understood to have the same meaning.
마이크로컨트롤러들에 의해 사용되는 것들과 같은, 본 명세서의 기록된 설명에 기초한 컴퓨터 프로그램들, 프로그램 모듈들 및 코드들은 쉽게 소프트웨어 개발자의 범위 내에 있다. 컴퓨터 프로그램들, 프로그램 모듈들 또는 코드는 다양한 프로그래밍 기술들을 사용하여 생성될 수 있다. 예를 들어, 이들은 MatLab/Simulink, LabVIEW, Java, C, C++, 어셈블리 언어 또는 이러한 프로그래밍 언어들 중 어느 하나로 또는 이에 의해 설계될 수 있다. 이러한 프로그램들, 모듈들 또는 코드 중 하나 이상은 디바이스 시스템 또는 기존 통신 소프트웨어에 통합될 수 있다. 프로그램들, 모듈들 또는 코드는 또한 펌웨어 또는 회로 로직으로 구현하거나 복제될 수 있다.Computer programs, program modules and codes based on the written description of this specification, such as those used by microcontrollers, are readily within the scope of software developers. The computer programs, program modules or codes may be created using various programming technologies. For example, they may be designed in or by MatLab/Simulink, LabVIEW, Java, C, C++, assembly language or any of these programming languages. One or more of these programs, modules or codes may be incorporated into a device system or existing communications software. The programs, modules or codes may also be implemented or replicated in firmware or circuit logic.
본 개시사항의 다른 실시예는 본 명세서의 명세서 및 본 명세서의 실시를 고려하여 당업자에게 명백할 것이다. 명세서 및 실시예는 단지 예시로서 고려되는 것으로 의도되며, 본 개시의 진정한 범위 및 사상은 다음의 청구 범위에 의해 표시된다.Other embodiments of the present disclosure will be apparent to those skilled in the art from consideration of the specification and practice of the present disclosure. It is intended that the specification and examples be considered as exemplary only, with a true scope and spirit of the present disclosure being indicated by the following claims.
Claims (45)
waterin과 watercreated 에서 waterout을 뺀 값을 합산하여 상기 전기화학 전지에서 현재 물 불균형을 결정하는 단계로서,
상기 waterin은 산화제 공급 가스에 의해 상기 전기화학 전지로 도입되는 물의 양이고;
상기 watercreated는 전기화학 반응으로부터 상기 전기화학 전지에 의해 생성된 물의 양이고;
상기 waterout은 산화제 배출 가스에 의해 상기 전기화학 전지로부터 배출된 물의 양인, 상기 현재 물 불균형을 결정하는 단계;
상기 현재의 물 불균형을 반복적으로 결정하고 동작 도중에 결과들을 계속 합산함으로써 상기 전기화학 전지의 동작 도중 누적 물 불균형을 추적하는 단계; 및
상기 누적 물 불균형에 기초하여 상기 전기화학 전지에 들어가는 상기 산화제 공급 가스의 유량(flow rate)을 조정하는 단계를 포함하고,
상기 방법은:
상기 전기화학 전지를 건조시키기 위해 일시적으로 상기 전기화학 전지로의 상기 산화제 공급 가스의 유량을 증가시키고;
상기 전기화학 전지의 저항을 측정하고;
상기 측정된 저항이, 0인 상기 누적 물 불균형에 대응하는 목표 저항과 거의 같은지의 여부를 결정하고;
상기 측정된 저항이 상기 목표 저항과 거의 같을 때 상기 누적 물 불균형을 0으로 재설정함으로써,
상기 누적 물 불균형을 0으로 재교정하는 단계를 더 포함하는, 전기화학 전지에서 물 불균형을 제어하는 방법.In a method for controlling water imbalance in an electrochemical cell,
A step for determining the current water imbalance in the electrochemical cell by adding the values obtained by subtracting water out from water in and water created .
The above water in is the amount of water introduced into the electrochemical cell by the oxidizer supply gas;
The above water created is the amount of water produced by the electrochemical cell from the electrochemical reaction;
The step of determining the current water imbalance, wherein the water out is the amount of water discharged from the electrochemical cell by the oxidizer exhaust gas;
A step of tracking the cumulative water imbalance during the operation of the electrochemical cell by repeatedly determining the current water imbalance and continuously summing the results during the operation; and
A step of adjusting the flow rate of the oxidizer supply gas entering the electrochemical cell based on the accumulated water imbalance,
The above method:
Temporarily increasing the flow rate of the oxidizing agent supply gas to the electrochemical cell to dry the electrochemical cell;
Measuring the resistance of the above electrochemical cell;
Determine whether the measured resistance is approximately equal to a target resistance corresponding to the accumulated water imbalance being zero;
By resetting the accumulated water imbalance to zero when the measured resistance is approximately equal to the target resistance,
A method for controlling water imbalance in an electrochemical cell, further comprising the step of re-correcting the accumulated water imbalance to zero.
상기 입구 냉각제 온도는, 상기 누적 물 불균형을 0으로 만드는데 필요한 잠재적으로 최대 산화제 가스 유량이 상기 산화제 공급 가스 흐름을 공급하는 압축기의 동작 한계 내에 있도록 보장하는 방식으로, 주변 조건들의 세트를 기반으로 설정되는, 전기화학 전지에서 물 불균형을 제어하는 방법.In the first aspect, the coolant is supplied to the electrochemical cell at a generally fixed inlet coolant temperature,
A method of controlling water imbalance in an electrochemical cell, wherein the inlet coolant temperature is set based on a set of ambient conditions such that the potentially maximum oxidizer gas flow rate required to make the accumulated water imbalance zero is within the operating limits of the compressor supplying the oxidizer feed gas flow.
상기 전기화학 전지의 기준 저항을 측정하고;
상기 전기화학 전지를 건조시키기 위해 일시적으로 상기 전기화학 전지로의 상기 산화제 공급 가스의 유량을 증가시키고;
상기 전기화학 전지의 현재 저항을 측정하고;
상기 측정된 현재 저항이 상기 기준 저항에 비해 증가했는지의 여부를 결정하고;
상기 측정된 현재 저항이 상기 기준 저항에 비해 0.5% 내지 300% 만큼 증가했을 때 상기 누적 물 불균형을 0으로 재설정함으로써,
상기 누적 물 불균형을 0으로 재교정하는 단계를 더 포함하는, 전기화학 전지에서 물 불균형을 제어하는 방법.In paragraph 1,
Measuring the reference resistance of the above electrochemical cell;
Temporarily increasing the flow rate of the oxidizing agent supply gas to the electrochemical cell to dry the electrochemical cell;
Measuring the current resistance of the above electrochemical cell;
Determine whether the measured current resistance has increased compared to the reference resistance;
By resetting the accumulated water imbalance to zero when the measured current resistance increases by 0.5% to 300% compared to the reference resistance,
A method for controlling water imbalance in an electrochemical cell, further comprising the step of re-correcting the accumulated water imbalance to zero.
상기 전기화학 전지를 건조시키기 위해 일시적으로 상기 전기화학 전지로의 상기 산화제 공급 가스의 유량을 증가시키고;
상기 산화제 배출 가스의 습도를 측정하고;
상기 산화제 배출 가스의 상기 측정된 습도가, 0인 누적 물 불균형에 해당하는 목표 습도와 거의 동일한지의 여부를 결정하고;
상기 측정된 습도가 상기 목표 습도와 거의 같을 때 상기 누적 물 불균형을 0으로 재설정함으로써,
상기 누적 물 불균형을 0으로 재교정하는 단계를 더 포함하는, 전기화학 전지에서 물 불균형을 제어하는 방법.In paragraph 1,
Temporarily increasing the flow rate of the oxidizing agent supply gas to the electrochemical cell to dry the electrochemical cell;
Measuring the humidity of the above oxidizer exhaust gas;
Determine whether the measured humidity of the above oxidizer exhaust gas is approximately equal to a target humidity corresponding to a zero accumulated water imbalance;
By resetting the accumulated water imbalance to 0 when the measured humidity is almost equal to the target humidity,
A method for controlling water imbalance in an electrochemical cell, further comprising the step of re-correcting the accumulated water imbalance to zero.
전기화학 전지;
복수의 산화제 가스 입구 센서들, 산화제 가스 배출 센서, 냉각제 입구 센서, 냉각제 배출 센서, 및 전류 트랜스듀서; 및
제어기로서,
waterin과 watercreated에서 waterout을 뺀 값을 합산함으로써 상기 전기화학 전지에서 현재 물 불균형을 결정하며,
상기 waterin은 산화제 공급 가스에 의해 상기 전기화학 전지로 도입된 물의 양이고;
상기 watercreated는 전기화학 반응에서 상기 전기화학 전지에 의해 생성된 물의 양이고;
상기 waterout은 산화제 배출 가스에 의해 상기 전기화학 전지로부터 배출되는 물의 양인, 상기 전기화학 전지에서 현재 물 불균형을 결정하고;
상기 현재의 물 불균형을 반복적으로 결정하고 동작 도중에 결과들을 계속해서 합산함으로써 상기 전기화학 전지의 동작 도중에 누적 물 불균형을 추적하고;
상기 누적 물 불균형에 기초하여 상기 전기화학 전지로 들어가는 상기 산화제 공급 가스의 유량을 조정하도록 구성된, 상기 제어기를 포함하고,
상기 제어기는:
상기 전기화학 전지를 건조시키기 위해 일시적으로 상기 전기화학 전지로의 상기 산화제 공급 가스의 유량을 증가시키는 것;
상기 전기화학 전지의 저항을 측정하는 것;
상기 측정된 저항이, 0인 누적 물 불균형에 해당하는 목표 저항과 거의 동일하면, 상기 산화제 공급 가스의 흐름을 중지시키는 것; 및
상기 누적 물 불균형을 0으로 재설정하는 것에 의해, 상기 누적 물 불균형을 0으로 재교정하도록 구성되는, 전기화학 전지 시스템.In an electrochemical cell system,
electrochemical cell;
a plurality of oxidizer gas inlet sensors, an oxidizer gas discharge sensor, a coolant inlet sensor, a coolant discharge sensor, and a current transducer; and
As a controller,
The current water imbalance in the electrochemical cell is determined by adding the values of water in and water created minus water out .
The above water in is the amount of water introduced into the electrochemical cell by the oxidizer supply gas;
The above water created is the amount of water produced by the electrochemical cell in the electrochemical reaction;
The above water out determines the current water imbalance in the electrochemical cell, which is the amount of water discharged from the electrochemical cell by the oxidizer exhaust gas;
Tracking the cumulative water imbalance during operation of the electrochemical cell by repeatedly determining the current water imbalance and continuously summing the results during operation;
comprising a controller configured to adjust the flow rate of the oxidizer supply gas entering the electrochemical cell based on the accumulated water imbalance;
The above controller:
Temporarily increasing the flow rate of the oxidizing agent supply gas to the electrochemical cell to dry the electrochemical cell;
Measuring the resistance of the above electrochemical cell;
If the measured resistance is approximately equal to the target resistance corresponding to a zero accumulated water imbalance, stopping the flow of the oxidizer supply gas; and
An electrochemical cell system configured to re-correct said accumulated water imbalance to zero by resetting said accumulated water imbalance to zero.
상기 제어기는 적어도 30초마다 상기 현재 물 불균형의 결정을 반복하도록 구성되는, 전기화학 전지 시스템.In paragraph 22,
An electrochemical cell system, wherein said controller is configured to repeat the determination of said current water imbalance at least every 30 seconds.
상기 제어기는 적어도 1Hz의 주파수에서 상기 산화제 공급 가스의 유량을 반복적으로 조정하도록 구성되는, 전기화학 전지 시스템.In paragraph 22,
An electrochemical cell system, wherein the controller is configured to repeatedly adjust the flow rate of the oxidizer supply gas at a frequency of at least 1 Hz.
일반적으로 고정된 입구 냉각제 온도에서 상기 전기화학 전지에 냉각제를 공급하도록 구성된 냉각제 펌프를 추가로 포함하고, 상기 입구 냉각제 온도는 상기 누적 물 불균형을 0으로 만드는데 필요한 잠재적인 최대 산화제 가스 유량이 상기 산화제 공급 가스 흐름을 공급하도록 구성된 압축기의 동작 한계 내에 있는 것을 보장하는 방식으로, 주변 조건들의 세트에 기초하여 설정되는, 전기화학 전지 시스템.In paragraph 22,
An electrochemical cell system further comprising a coolant pump configured to supply coolant to said electrochemical cell at a generally fixed inlet coolant temperature, said inlet coolant temperature being set based on a set of ambient conditions in such a way as to ensure that the potential maximum oxidant gas flow rate required to render said accumulated water imbalance zero is within the operating limits of a compressor configured to supply said oxidant supply gas flow.
상기 제어기는:
상기 전기화학 전지를 건조시키기 위해 일시적으로 상기 전기화학 전지로의 상기 산화제 공급 가스의 유량을 증가시키는 것;
상기 산화제 배출 가스의 습도를 측정하는 것;
상기 산화제 배출 가스의 습도가, 0인 누적 물 불균형에 해당하는 목표 습도 미만이면, 상기 산화제 공급 가스의 흐름을 중지시키는 것; 및
상기 누적 물 불균형을 0으로 재설정하는 것에 의해, 상기 누적 물 불균형을 0으로 재교정하도록 구성되는, 전기화학 전지 시스템.In paragraph 22,
The above controller:
Temporarily increasing the flow rate of the oxidizing agent supply gas to the electrochemical cell to dry the electrochemical cell;
Measuring the humidity of the above oxidizer exhaust gas;
If the humidity of the oxidizer exhaust gas is less than the target humidity corresponding to a zero accumulated water imbalance, stopping the flow of the oxidizer supply gas; and
An electrochemical cell system configured to re-correct the accumulated water imbalance to zero by resetting the accumulated water imbalance to zero.
산화제 배출 가스의 압력을 최대 전력에서 제어하도록 구성된 산화제 배출 가스 라인에 위치된 고정 오리피스를 추가로 포함하는, 전기화학 전지 시스템.In paragraph 22,
An electrochemical cell system further comprising a fixed orifice positioned in the oxidizer exhaust gas line configured to control the pressure of the oxidizer exhaust gas at maximum power.
상기 제어기는 상기 산화제 공급 가스의 습도, 상기 산화제 공급 가스의 압력, 및 상기 산화제 공급 가스의 유량에 기초하여, waterin을 결정하도록 구성되는, 전기화학 전지 시스템.In paragraph 22,
An electrochemical cell system, wherein the controller is configured to determine water in based on the humidity of the oxidizer supply gas, the pressure of the oxidizer supply gas, and the flow rate of the oxidizer supply gas.
상기 제어기는 상기 전기화학 전지에 의해 생성된 전류 및 애노드 화학량론적 비율에 의해 생성된 전류에 기초하여 생성된 watercreated을 결정하도록 구성되는, 전기화학 전지 시스템.In paragraph 22,
An electrochemical cell system, wherein the controller is configured to determine the water created based on the current generated by the electrochemical cell and the current generated by the anode stoichiometric ratio.
상기 제어기는 산화제 배출 가스의 습도 및 상기 산화제 배출 가스의 압력에 기초하여 waterout을 결정하도록 구성되는 전기화학 전지 시스템.In paragraph 22,
An electrochemical cell system wherein the controller is configured to determine water out based on the humidity of the oxidizer exhaust gas and the pressure of the oxidizer exhaust gas.
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