KR20170104591A - 자가-가열 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

양성자 교환 멤브레인 (PEM) 연료 전지들을 포함하는 연료 전지 시스템들, 예컨대 시스템들은 온도에 따라 변화될 수 있는 하나 초과의 내부 전기 저항을 가지도록 설계된다. 그러한 내부 전기 저항 레벨들의 변화는 저온으로부터, 물 관리 및 연료 전지 동작에 최적인 상승 온도로 연료 전지들의 신속한 예열을 허용한다. 연료 전지 시스템들은 적어도 하나의 연료 전지 및 상기 적어도 하나의 연료 전지에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 저항기-스위치 유닛을 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 저항기-스위치 유닛은 저항기 및 스위치를 포함하며, 그리고 상기 스위치는 저항기와 전기적으로 병렬로 연결된다.

Description

자가-가열 연료 전지 시스템
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2015년 1월 21일 자로 출원된 미국 가출원 제62/105,875호의 우선권 주장 출원이며, 상기 가출원은 본 명세서에 참조로 병합된다.
본 개시 내용은 일반적으로 하나 이상의 연료 전지들, 예컨대, 하나 초과의 내부 전기 저항 레벨들을 갖도록 설계된 양성자 교환 멤브레인 연료 전지들을 포함하는 연료 전지 시스템들에 관한 것이다. 내부 전기 저항 레벨은 온도에 따라 실질적으로 변화되도록 설계되었다. 그러한 전기 저항 레벨들의 변화는, 저온으로부터, 물 관리 및 연료 전지 동작에 최적인 상승 온도까지 연료 전지 시스템의 신속한 가열을 허용한다. 그러한 연료 전지 시스템들은 차량 및 고정 응용 분야용 수소 연료 전지들을 포함한다.
현재, 양성자 교환 멤브레인 (PEM) 연료 전지들과 같은 연료 전지들은 추운 환경에서, 특히 영하의 온도 이하에서 시작할 때 상당한 어려움이 있다. 영하의 온도에서 PEM 연료 전지를 동작하는 동안 산소 환원 반응 (ORR)으로 생성된 물이 반응 위치로의 산소 이동을 방해하는 캐소드 촉매 층 (CL)에서 얼음을 형성하여 PEM 연료 전지가 결국 셧 다운되게 할 수 있는 것으로 널리 알려져 있다. 여러 기술들은 추운 환경에서 동작하는 연료 전지들을 해결하려고 시도한다.
예를 들어, 미국 특허 제6,358,638B1호는 저온 시작 동안 열을 생성하여 연료 전지 스택을 빙점을 향해 예열하는 (warm-up) 제자리 (in-situ) 화학 가열 방법을 개시한다. 이러한 방법에서, 소량의 O2가 애노드에 주입되어 애노드 촉매 층에서 O2-H2 연소를 유도하여 열을 발생시킨다. 또는 소량의 H2가 캐소드에 주입되어 열 생산을 위한 캐소드 촉매 층에서 H2-O2 연소를 유도한다. 두 경우 모두, 상기 방법은, 얼음으로 변하게 되고 촉매 층이 채워지는 물을 생성하고 그 결과 연료 전지가 동작 불능이 되기 때문에 효과적이지 못하다. 이러한 방법에 의해 생성된 열의 양은 촉매 층의 물 저장 용량에 의해 제한되며, 얇은 촉매 층에서 작은 보이드 공간으로 인해 다소 작다. 추가적으로, 이러한 방법은 애노드 촉매 층에서의 H2-O2 촉매 반응이 캐소드 촉매 층에서의 탄소 부식을 촉진하고, 캐소드 촉매 층에서의 H2-O2 촉매 반응은 멤브레인에 걸쳐 핫 스팟 형성을 초래할 수 있기 때문에, 촉매 층의 열화를 발생시킨다.
미국 특허 제8,263,278B2호는 낮은 전지 전압, 나아가 저효율 동작을 유지하여, 연료 전지 스택을 예열하기 위해 더 많은 내부 열이 발생되도록 하는 산소 결핍 기술을 개시한다. 이러한 산소 결핍 방법은 애노드로부터 캐소드 컴파트먼트 (compartment)로의 수소 펌핑을 유도하여, 주위로 방출되기 전에 가연성 한계 이하로 수소 농도를 유지하기 위해 캐소드 배기의 희석을 필요로 한다. 산소 결핍 방법은 또한 정교한 제어 단계들을 필요로 하며, 그리고 연료 전지 물질들의 저하를 유발할 수 있다.
그러므로, 영하의 온도로부터 연료 전지를 신속하게 시동시키기 위한, 간단하고 비-저하 방법을 개발하는 것이 바람직하다.
더욱이, 낮은 주위 온도, 예컨대 실온에서 동작하는 연료 전지들에서의 물 관리는, 최적의 범위, 예컨대 60-80 ℃에 도달하기 전에, 매우 어렵다. 물을 적절하게 관리하고 전극, 가스 확산층 및 유동 채널이 액체 물에 의해 범람하는 것을 방지하기 위해 정교한 제어와 함께 거대한 가습 시스템이 사용된다. 저온에서의 이러한 물 관리 문제에 대한 간단한 접근은 전지가 실온으로부터 상승 온도의 설계 점으로 빠르게 가열되는 열적 방법일 수 있다. 보다 높은 전지 온도는 기상 (vapor phase) 확산을 통해 물의 증발 및 제거를 극적으로 촉진하여 연료 전지 구성 요소들 및 물질들의 범람을 완화한다.
본 개시 내용의 이점은 연료 전지 시스템들의 설계 및 동작을 포함한다. 본 개시 내용의 연료 전지 시스템들은 시스템 내의 하나 이상의 연료 전지의 온도에 기반하여 상이한 내부 전기 저항 레벨들에서 동작하도록 유리하게 설계된다.
그러한 이점 및 다른 장점들은 적어도 부분적으로 자가-가열 (self-heating) 연료 전지 시스템에 의해 만족된다. 상기 시스템은 적어도 하나의 연료 전지, 및 저항기 및 스위치를 포함하는 적어도 하나의 저항기-스위치 유닛을 포함하며, 상기 스위치는 상기 저항기와 전기적으로 병렬로 연결된다. 스위치는 저항기를 통해 전류를 유도할 수 있거나 (고 저항 상태), 저항기를 우회하도록 전류를 유도할 수 있다 (저 저항 상태). 저항기는 바람직하게는 연료 전지와 직접 접촉하여 위치되어, 상기 저항기로부터 생성된 열이 연료 전지를 가열 할 수 있게 한다.
본 개시 내용의 실시예들은 다음의 특징들의 임의의 하나 이상의 조합들을 포함한다. 예를 들어, 상기 시스템은 연료 전지들의 스택을 포함할 수 있고, 상기 적어도 하나의 연료 전지는 상기 연료 전지들의 스택 중에 있다. 추가적으로, 하나 이상의 연료 전지들은 개별적으로 애노드 촉매 전극, 캐소드 촉매 전극 및 이들 사이의 양성자 교환 멤브레인을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 연료 전지들은 매우 얇은 두께, 예컨대, 1 마이크로미터 이하의 두께를 가진 애노드 촉매 층 및/또는 캐소드 촉매 층을 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 하나 이상의 연료 전지들은, 애노드 상의 연료 흐름을 위한 플로필드 (flowfield)를 갖는 바이폴라 플레이트 (bipolar plate), 멤브레인-전극 조립체 상의 확산 매체, 캐소드 상의 산화제 흐름을 위한 플로필드를 갖는 바이폴라 플레이트를 더 포함할 수 있고, 상기 저항기는 상기 바이폴라 플레이트들 중 하나와 직접 접촉하여 위치된다. 일부 실시예들에서, 상기 저항기는 연료 전지 내부에, 또는 연료 전지 외부에 있거나, 또는 상기 시스템이 연료 전지들의 스택을 포함할 때 저항기-스위치 유닛은 상기 스택 내의 2 개의 전지들 사이에 개재될 수 있다. 다른 실시예들에서, 저항기는 상기 시트의 한쪽 또는 양쪽 주요 표면들 상에서 하나 이상의 전기 절연막들을 가진 얇은 금속 시트일 수 있고, 그리고/또는 상기 시트는 상기 저항기의 어느 한 말단부에서 탭들을 가질 수 있다. 여전히 추가 실시예들에서, 상기 시스템은 스위치를 동작시키는 제어기를 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 제어기는 연료 전지 상의 온도 센싱 디바이스로부터의 입력을 수신하도록 더 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어기는 적어도 하나의 연료 전지의 표면 온도를 측정할 수 있는 온도 센싱 디바이스로부터의 입력에 기반하여 스위치를 개방 상태 또는 폐쇄 상태로 동작시키도록 구성된다.
본 개시 내용의 또 다른 양태는 적어도 하나의 연료 전지의 온도가 온도 (T1)보다 클 때의 시스템의 제 1 내부 저항 (R1), 및 상기 적어도 하나의 연료 전지의 온도가 T1보다 낮을 때의 상기 시스템의 제 2 내부 저항 (R2)을 가진 자가-가열 연료 전지 시스템을 포함하고, T1보다 약 2 ℃ 낮은 R2의 값은 T1에서의 R1의 값의 적어도 2 배이다. 그러한 자가-가열 연료 전지 시스템은 상기에서 기술되고 본 명세서에서 참조된 임의의 하나 이상의 특징들을 포함할 수 있다.
추가적인 실시예들은 다음 특징들의 임의의 하나 이상의 조합들을 포함한다. 예를 들어, T1은 0 ℃ 이하, 예컨대, -5 ℃ 내지 0 ℃이다. 다른 실시예들에서, T1은 95 ℃ 미만, 예컨대 45 내지 95 ℃, 바람직하게는 60 내지 80 ℃이다.
본 개시 내용의 또 다른 양태는 자가-가열 연료 전지 시스템을 동작시키는 방법을 포함한다. 상기 방법은, R1 또는 R2를 T1에 따라 활성화시키는 스위치를 활성화시킴으로써, 상기 시스템 내의 적어도 하나의 연료 전지의 온도가 온도 (T1)보다 클 때 상기 시스템을 제 1 내부 저항 (R1)으로 동작시키는 단계, 및 상기 적어도 하나의 연료 전지의 온도가 T1보다 낮을 때 상기 시스템을 상기 시스템의 제 2 내부 저항 (R2)으로 동작시키는 단계를 포함한다. 상기 자가-가열 연료 전지 시스템은 상기에서 또는 본 명세서에서 기술된 특징들 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 개시 내용의 추가적인 이점들은 다음의 상세한 설명으로부터 통상의 기술자에게 용이하게 명백해질 것이며, 본 개시 내용의 바람직한 실시예는 본 개시 내용을 수행하는데 있어, 고려된 최적의 모드의 예시에 의해 단지 간단하게 도시 및 기술된다. 이해될 수 있는 바와 같이, 본 개시 내용은 다른 실시예들 및 상이한 실시예들을 가능하게 하고, 그의 여러 세부 사항은 다양하고 명백한 관점에서 변형될 수 있되, 본 개시 내용으로부터 벗어남 없이 변형될 수 있다. 이에 따라서, 도면 및 상세한 설명은 본질적으로 제한됨 없이 예시적인 것으로 간주되어야 한다.
첨부된 도면을 참조하면, 동일한 도면 부호를 가진 요소는 전체에 걸쳐 유사한 요소를 나타내고, 도면에서:
도 1a 내지 도 1c는, 시스템 내의 연료 전지의 저항이 온도에 따라 변화되는 이상적인 자가-가열 연료 전지 시스템의 특성들을 개략적으로 도시한다. 도 1a는 임계 온도 T1에서의 단계형 점프를 도시하고; 도 1b는 임계 온도 T1 주위에서 급격하지만 완만한 점프를 도시하며; 그리고 도 1c는 다수의 임계 온도들에서의 다-단계 변화를 도시한다. 본 개시 내용의 자가-가열 연료 전지 시스템의 특성 곡선들 (실선으로 도시됨)은 종래의 연료 전지의 특성 곡선들 (점선으로 도시됨)과 대조된다.
도 2a 내지 도 2d는, 본 개시 내용의 실시예에 따른 자가-가열 연료 전지 시스템이 영하의 온도로부터 연료 전지의 내부 가열을 어떻게 촉진할 수 있는지에 대한 단계별 메커니즘의 개략도이다. 도면에서 도시된 바와 같이: 높은 내부 저항은 전지 온도의 급격한 상승을 촉진시키는 높은 내부 열 발생 및 낮은 출력 전압을 유도한다.
도 3은 본 개시 내용의 실시예에 따른, 연료 전지의 바이폴라 플레이트에 부착된 저항기-스위치 유닛 (RSU)을 가진 단일 연료 전지의 개략도이다.
도 4는 본 개시 내용의 실시예에 따른, 연료 전지 스택 내의 2 개의 연료 전지들 사이에 개재된 저항기-스위치 유닛을 갖는 또 다른 자가-가열 연료 전지 시스템의 구조를 도시한다.
도 5는 본 개시 내용의 실시예에 따른, 연료 전지 스택 내의 다양한 연료 전지들 사이에 삽입된 다수의 RSU들을 갖는 또 다른 자가-가열 연료 전지 시스템의 구조를 도시한다.
도 6은 본 개시 내용의 실시예에 따른, 확산 매체와 바이폴라 플레이트 사이에 삽입된 RSU를 갖는 자가-가열 연료 전지 시스템을 도시한다. RSU는 바이폴라 플레이트와 동일한 립 패턴 (rib pattern)으로 절단된다.
도 7은 Kapton과 같은 절연막들로 양쪽 주요 표면들 상에 덮여지고 다층 콤팩트 구조로 접혀지는 얇은 금속 시트로 제조된 박막 저항기의 실시예를 도시한다.
도 8은 시트 형태를 하고 전지 절연막들에 의해 양쪽 주요 면들 상에 덮여진 패턴화된 저항기의 일 실시예를 도시한다. 저항기는 본 개시 내용의 실시예에 따라 하부 및 상부 연료 전지의 바이폴라 플레이트들 사이에 삽입된다. 저항기의 2 개의 말단부는 스위치와 함께 하부 및 상부 바이폴라 플레이트들 각각에 전기적으로 연결된다.
도 9는 차량에 전기적으로 연결된, 본 개시 내용의 실시예에 따른 연료 전지 시스템를 도시한 다이어그램이다.
도 10은 본 개시 내용의 실시예에 따른, 실온으로부터의 연료 전지 시스템의 시작 동안 전류 밀도 및 온도 응답을 도시한 차트이다..
본 개시 내용은 자가-가열 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 그러한 시스템은 적어도 하나의 연료 전지 및 적어도 하나의 저항기-스위치 유닛 (RSU)을 포함할 수 있다. 저항기-스위치 유닛은 저항기 및 스위치를 포함하고, 상기 스위치는 저항기와 전기적으로 병렬로 연결된다. 스위치는 저항기를 통해 전류를 유도할 수 있거나 (고 저항 상태), 또는 저항기를 우회하도록 전류를 유도할 수 있다 (저 저항 상태). 저항기를 통하는 전류는 열을 발생시킨다. 바람직하게는, 저항기는 연료 전지와 직접 접촉하여 위치되어, 저항기로부터 발생된 열이 연료 전지를 가열시킬 수 있다.
바람직하게는, 내부 저항의 변화는 특정한 연료 전지 시스템에 따라 설정될 수 있는 임계 온도 T1에서 발생하나, 상기 임계 온도는 통상적으로 95 ℃ 미만이다. 그러나, T1은 또한 0 ℃ 이하, 예컨대, -5 ℃ 내지 0 ℃로 설정될 수 있어서, 연료 전지는 영하 온도로부터 신속하게 자가-가열될 수 있다. 이러한 메커니즘에 의해, 실온 또는 그 이하로부터 시작하는 연료 전지 동작은 매우 높은 내부 저항 레벨을 나타낼 것이며, 이는 엄청난 열을 발생시키고 연료 전지를 최적의 동작 범위, 예컨대 약 60 ℃ 내지 80 ℃로 신속하게 가열시킨다. 그러한 구조는 또한 예를 들어 PEM 연료 전지에서 물 관리를 용이하게 할 수 있다.
본 개시 내용의 양태에서, 연료 전지 시스템은, 연료 전지 시스템 내의 적어도 하나의 연료 전지의 온도가 온도 (T1)보다 클 때의 시스템의 제 1 내주 저항 (R1) 및 상기 적어도 하나의 연료 전지의 온도가 T1보다 낮을 때의 시스템의 제 2 내부 저항 (R2)을 포함하도록 구성된다. R2의 값은 단계형 함수와 같이 급격히 변하거나, 또는 약 T1에서 연속적이지만 급격한 저항 변화와 같이 급격하게 변화하는 것이 바람직하다. 예를 들어, T1보다 약 2 ℃ 낮은 R2 값은 T1에서의 R1 값의 적어도 2 배이다. 바람직하게는, T1보다 약 2 ℃ 낮은 R2 값은 T1에서 R1의 값의 적어도 2 배 내지 50 배이다. 연료 전지 시스템의 내부 저항의 변화는 바람직하게 가역적이며, 즉, 내부 저항은 T1 주위에서 R2와 R1 사이에서 스위칭될 수 있다.
바람직하게는, 연료 전지의 저온 시작 및 물 관리 모두의 필요성은 본 개시 내용에 따른 자가-가열 연료 전지 시스템에 의해 해결될 수 있다. 예를 들어, 전지 온도가 임계 값, 예컨대 약 0 ℃ 아래로 떨어질 시에, 전지의 내부 옴 저항은 실질적으로 증가할 수 있어서, 전지 전압 및 에너지 효율은 낮아지고, 결과적으로 내부 열 발생을 실질적으로 증가시킨다. 더욱이, 물 생산에 대한 열의 비율은 현저하게 개선될 수 있으며, 이는 빙점하의 온도로부터 연료 전지 시스템의 급속한 가열을 촉진하는 반면, 촉매 층에서 얼음으로 변할 수 있는 생산 물 (product water)에 의한 연료 전지 셧 다운의 가능성을 현저하게 최소화시킨다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 빙점하 및 영하는 0 ℃ 이하의 온도를 의미한다.
본 개시 내용의 연료 전지 시스템은 다양한 연료 전지 구성으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 개시 내용의 연료 전지 시스템은 수소, 메탄올, 히드라진 등의 연료가 연료 전지에서 직접 반응할 수 있는 직접 시스템들, 및 천연 가스 또는 다른 화석 연료들과 같은 연료가 수소 풍부 가스로 개질되고 그 후에 상기 수소 풍부 가스를 연료 전지 내로 공급함으로써, 우선적으로 변환되는 간접 시스템으로 구현될 수 있다. 그러한 시스템들은 예를 들어 차량 또는 고정 시설들에 파워를 공급하는데 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 연료 전지 시스템은, 수소 또는 수소-함유 가스들 상에서 동작할 수 있는 양성자 교환 멤브레인 연료 전지를 포함한다. 다른 실시예들에서, 연료 전지 시스템은 알칼리 멤브레인 연료 전지, 폴리벤즈이미다졸 (polybenzimidazole, PBI) 연료 전지들, 또는 고체 산화물 연료 전지와 같은 100 내지 300 ℃에서 동작하는 중간-온도 연료 전지이다. 이들 다양한 연료 전지 시스템 구성들 모두가 본 개시 내용에서 사용될 수 있다.
본 개시 내용의 일 양태에서, 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 연료 전지 및 적어도 하나의 저항기-스위치 유닛을 포함한다. 저항기-스위치 유닛은 적어도 하나의 연료 전지에 전기적으로 연결된다. 시스템 동작 중에 연료 전지에 의해 생성된 전류는 저항기-스위치 유닛을 통해 그리고 또 다른 연료 전지 또는 외부 부하에 직접 또는 간접적으로 흐른다.
연료 전지의 주요 구성 요소들은 예를 들어 애노드, 캐소드 및 이들 사이의 전해질을 포함할 수 있다. 소정의 구성들에서, 애노드 전극은 애노딕 (anodic) 촉매 층 및 가스 확산 층을 포함하며, 그리고 캐소드 전극은 캐소딕 촉매 층 및 가스 확산 층을 포함한다. 애노드 및 캐소드는 연료를 애노드에 공급하고 산화제를 캐소드에 공급하는 채널들을 가진 바이폴라 플레이트들에 의해 삽입될 수 있다. 소정의 연료 전지들은 양성자 교환 멤브레인 연료 전지들과 같은 멤브레인-전극 조립체 (MEA)를, 바이폴라 플레이트들 및 상호 연결부들 및 때때로 애노드와 캐소드 사이의 가스 누출을 밀봉/방지하는 가스켓들과 함께 포함한다. 단일 연료 전지의 방전 중에 생성되는 전압이 낮아지는 경향이 있기 때문에, 보다 높은 전압을 얻기 위해 다수의 연료 전지들이 전기적으로 함께 연결되는 것이 바람직하다. 그러한 시스템들은 보통 연료 전지 스택으로 지칭된다.
본 개시 내용의 자가-가열 연료 전지 시스템의 저항기-스위치 유닛은 저항기 및 스위치를 포함하며, 상기 스위치는 저항기와 전기적으로 병렬로 연결된다. 자가-가열 연료 전지 시스템이 연료 전지 스택을 포함할 때, 다수의 저항기-스위치 유닛은 연료 전지 스택 내의 여러 위치에 걸쳐 연료 전지들 사이에 삽입될 수 있다. 다수의 저항기-스위치 유닛들은 스택 내의 연료 전지들에 전기적으로 연결된다. 그러한 시스템들에서, 다수의 스위치들은 제어 알고리즘에 따라 순차적으로 활성화될 수 있다.
본 개시 내용에 유용한 저항기들은 예를 들어 흑연, 고정렬 열분해 흑연 (highly ordered pyrolytic graphite, HOPG), 스테인리스 강, 니켈, 크롬, 니크롬, 구리, 알루미늄, 티타늄 또는 이들의 조합들로 구성될 수 있다. 소정의 실시예들에서, 본 개시 내용의 저항기는 하나 이상의 연료 전지들과 양호한 열 접촉을 가질 수 있도록 큰 표면적으로 평평하는 것이 바람직하다. 다른 실시예들에서, 저항기는 시트의 한쪽 또는 양쪽 주요 표면들 상에 하나 이상의 전기 절연막들을 가진 얇은 금속 시트일 수 있다. 그러한 시트는 저항기의 양단에 탭들을 가질 수 있으며, 하나 이상의 연료 전지들에, 그리고 스위치에 저항기를 전기적으로 연결하는데 사용될 수 있다. 저항기는 1 내지 100 마이크로미터의 전체 두께를 가질 수 있다.
추가적으로, 본 개시 내용의 저항기의 저항은, 시트 형태로 저항기 내에 패턴을 형성하는 것, 즉 저항기 시트로부터 물질을 제거하는 것과 같은, 저항기 내에 패턴을 형성함으로써 조정될 수 있다. 패턴화는 저항기가 기계적 강도 및 용접성에 대한 충분한 두께를 가지지만 큰 저항을 가질 수 있도록 한다. 그러한 패턴들은 예를 들어 구불구불한 패턴 (serpentine pattern)을 포함한다.
본 개시 내용의 저항기들과 함께 사용될 수 있는 전기 절연막들은 예를 들어 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 염소화 (chlorinated) 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리이미드, PVDF, PTFE, 나일론 또는 이들의 공중합체들을 포함한다. 전기 절연막들은 0.1 내지 50 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다.
본 개시 내용의 스위치는, 예를 들어 T1에서 상 전이 (phase transition) 및 상당한 볼륨 변화를 겪는 상-변화 물질, 또는 바이메탈 스위치, 또는 볼륨이 온도 T1에서 상당히 팽창하는 고체 물질과 같은 열 민감 디바이스들에 의해 활성화되는 것들을 포함할 수 있다. 추가적으로, 본 개시 내용의 스위치는 전기기계 릴레이 및 온도 제어기, 또는 온도 센서를 갖는 고체-상태 릴레이, 온도 센서를 갖는 파워 MOSFET, 또는 온도 센서를 갖는 고-전류 스위치로 구성될 수 있다.
소정의 실시예들에서, 자가-가열 연료 전지 시스템은 스위치를 동작 시키도록 구성된 제어기를 포함할 수 있다. 제어기는 더욱이 연료 전지의 표면 온도를 측정할 수 있는 온도 센싱 디바이스, 예컨대 서모커플 또는 서미스터로부터의 입력을 수신하도록 더 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어기는 온도 센싱 디바이스로부터의 입력에 기반하여 스위치를 개방 상태 또는 폐쇄 상태로 동작시키도록 구성될 수 있다.
본 개시 내용의 이점은 내부 저항이 전지 온도에 따라 변할 수 있는 PEM 연료 전지와 같은 연료 전지 시스템이다. 전지 온도가 임계 값 아래에 있을 때, 예컨대, 빙점 아래에 있을 때, 전지의 옴 저항은 급격하게 증가하여 전지 전압 및 효율은 낮아지게 되고, 내부 열 발생은 실질적으로 증가한다. 구체적으로, 연료 전지의 열 발생율은 다음과 같이 연료 전지에서의 물 생산률과 관련될 수 있다:
Figure pct00001
여기서, F는 패러데이 상수이고, MH2O는 분자량이고, Eh는 열역학적 전지 전위 (H2-O2 반응의 경우, =Δh/2F~1.48V)이며, 그리고 Vcell은 전지 출력 전압이다. 또한, Tajiri 및 Wang의 Modeling and Diagnostics of Polymer Electrolyte Fuel Cells, Vol 49, Chapter 3, Cold Start of Polymer Electrolyte Fuel Cells, Springer Science, 2010을 참고한다. 물 생산에 대한 열 발생의 비율이 저 출력 전압으로 상당히 높아, 빙점하 온도로부터 연료 전지의 급속한 예열을 촉진하면서, 시스템 내의 물/얼음의 형성으로 인한 연료 전지의 막힘 및 셧다운의 가능성을 최소화하는 것을 명확하게 알 수 있다.
본 개시 내용의 자가-가열 연료 전지 시스템의 양태는, 시스템 내의 연료 전지가 임계 온도 T1에 도달할 때 시스템의 내부 저항이 급격하게 변할 수 있다는 것이다. 자가-가열 연료 전지 시스템의 내부 저항의 그러한 변화는 도 1a 내지 도 1c의 이상적인 저항-대-온도 관계에 도시되어 있으며, 본 개시 내용의 연료 전지 시스템 (실선)은 종래의 연료 전지 시스템 (점선)의 것과 대비된다. 예를 들어, 도 1a에 도시된 바와 같이, 본 개시 내용의 연료 전지 시스템의 임계 값 T1, 즉, -5 ℃ 내지 0 ℃에서의 내부 저항은 온도에 따라 단계형 함수로 변화할 수 있다. 도 1b는 임계 온도 주위의, 즉 -5 ℃ 내지 0 ℃의 전지 내부 저항에서의 완만하지만 급격한 변화를 도시한다. 도 1c는 T1 아래의 다수의 임계 온도에서 시스템의 옴 저항의 다단계 변화를 도시하며, 예컨대 T1 (T1a 및 T1b) 아래의 시스템의 내부 전기 저항은 다수의 서브-레벨들 (R2a 및 R2b)을 가진다.
자가-가열 연료 전지 시스템이 빙점하 온도로부터 시스템의 가동을 향상시키고 가속시킬 수 있는 메커니즘이 도 2a 내지 도 2d에 도시된다. 예를 들어, 임계 값 T1 아래의 주변 온도에서 시작하여, 연료 전지 시스템은 도 2a의 고 저항 상태에서 동작될 수 있어, 도 2b의 저 출력 전압 및 도 2c의 고 내부 열 발생을 초래한다. 후자는 도 2d의 연료 전지 온도의 급격한 상승을 초래한다. 일단 연료 전지 온도가 T1을 초과하면, 시스템은 종래의 연료 전지 시스템에서와 같이 낮추기 위해 시스템의 내부 저항을 감소시키는 저 저항 상태로 낮춰, 전기 출력 전압 및 에너지 변환 효율을 종래의 연료 전지에서와 같이 높일 수 있다.
도 3은 본 개시 내용의 자가-가열 연료 전지 시스템의 실시예를 도시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 연료 전지 시스템 (300)은 연료 전지 (340)를 포함한다. 이 실시예에서, 연료 전지 (340)는 확산 매체 (315)를 갖는 멤브레인 전극 조립체 (MEA)이다. 확산 매체를 갖는 MEA는 확산 매체 (312) 상의 애노드 촉매 층 (310), 양성자 교환 멤브레인 (320), 및 확산 매체 (332) 상의 캐소드 촉매 층 (330)을 포함한다. 양성자 교환 멤브레인의 통상적인 예는 퍼플루오로술폰산-테트라플루오르에틸렌 공중합체 (perfluorosulfonic acid-tetrafluorethylene copolymer)로 이루어진다. MEA는, 애노드에 연료를 공급하고 캐소드 (316 및 336, 각각)에 산화제를 공급하기 위한 채널들을 가진 2 개의 바이폴라 플레이트들 (314, 334) 사이에 삽입된다. 이 실시예에서, 가스 연료가 흐를 수 있는 바이폴라 플레이트 (314) (애노드 측면이라 칭함), 애노드 확산 매체 (312), 멤브레인 전극 조립체, 및 캐소드 확산 매체는, 산화제, 예컨대, 공기가 흐를 수 있는 또 다른 바이폴라 플레이트 (334) (캐소드 측면이라 칭함)에 연결된다. 저항기-스위치 유닛 (RSU)은 양쪽 어느 바이폴라 플레이트에 부착될 수 있다. 이 실시예에서, RSU (350)는 바이폴라 플레이트 (334)를 통해 그리고 바이폴라 플레이트 (334)와 직접 접촉하여 연료 전지 (340)에 전기적으로 연결된다.
도면에 도시된 바와 같이, RSU (350)는 바이폴라 플레이트 (334)에 전기적으로 연결되어 직접 접촉하는 전도성 금속 상부 시트 (352), 전도성 금속 하부 시트 (354), 상부 시트 (352)와 하부 시트 (354) 사이에 개재된 박막 저항기 (356), 및 상부 시트 (352)와 하부 시트 (354)를 전기적으로 연결시킬 수 있는 열 스위치 (358)를 포함한다.
RSU를 통해 흐르는 전류는 도면의 확대 섹션 (blow-up section)에 표시된다. 예를 들어, 연료 전지 온도가 임계 값 (T1)을 초과할 때마다와 같이, 스위치 (358)가 닫히면 (저 저항 상태), 전류는 전도성 금속 시트들 (352 및 354)을 통해 연료 전지로부터 전적으로는 아니더라도 지배적으로 흘러 (점선 (370)으로 도시됨), 박막 저항기 (356)를 효과적으로 우회하여, 전지에 여분의 내부 전기 저항을 부가하지 않는다. 그러나, 전지 온도가 임계 값 T1 아래로 떨어지면 스위치가 열리고 (고 저항 상태), 연료 전지로부터 생성된 전류가 박막 저항기를 통해 흐르게 하여 (실선 (380)으로 표시됨), 시스템의 전체 전지 저항을 ΔR 만큼 증가시키고 출력 전압을 저 레벨로 낮추고, 예컨대, 시스템 출력 전압은 전지당 약 0.1V로 낮출 수 있다. 저항기 상에서 발생된 Joule 열은 결과적으로 연료 전지의 예열을 T1 초과로 가속시킨다. 일단 전지 온도가 T1을 초과하여 상승하면, 스위치는 폐쇄 상태 (저 저항 상태)에서 동작될 수 있으며, 그리고 내부 저항은 RSU가 없는 종래의 연료 전지의 낮은 값 특성으로 회복되고, 단자 전압은 소정의 전류 하에 정상 동작 레벨로 점프한다.
도 3이 하나의 연료 전지 및 하나의 RSU를 도시하지만, 본 개시 내용의 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택과 같은 다수의 연료 전지들 및 상기 연료 전지 스택 내의 여러 위치에 걸쳐 연료 전지들 사이에 삽입된 다수의 RSU를 가질 수 있다.
본 개시 내용의 또 다른 실시예는 적어도 하나의 연료 전지 및 RSU를 가진 연료 전지 시스템을 제조하는 것을 포함한다. 그러한 시스템은 층별 증착에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어, 바이폴라 플레이트는 우선, 폴리 (크실릴렌, xylylene) 폴리머 (예컨대, 파릴렌, parylene)와 같은 전기 절연 층을 증착한 다음, 전도성 층 (예컨대, 금속)을 증착하여 구불구불한-패턴화된 저항기 층을 형성하는 기판으로 사용될 수 있다. 전도성 층은 폴리 (크실릴렌) 폴리머 (예컨대, 파릴렌) 코팅과 같은 또 다른 전기 절연 층에 의해 덮일 수 있다. 그러한 저항기 층은 2 개의 인접한 바이폴라 플레이트들에 전기적으로 연결될 수 있다. 그러한 구조는 가전 제품에 사용되는 바와 같은 마이크로-연료 전지 시스템들에 유용할 수 있다.
본 개시 내용의 자가-가열 연료 전지 시스템의 추가 실시예들은 도 4, 도 5 및 도 6에 도시된다. 이들 실시예들은 스택 내의 2 개의 전지 사이들에 삽입된 저항기-스위치 유닛 (RSU) (도 4), 스택 내의 전지들 사이에 개재된 다수의 RSU들 (도 5), 또는 바이폴라 플레이트와 확산 매체 사이에 삽입된 RSU (도 6)를 도시한다. 후자의 경우 (도 6), RSU는 바이폴라 플레이트 상의 립 패턴과 매칭하는 형상으로 절단된다.
예를 들어, 도 4는 2 개의 연료 전지들 (440a, 440b) 사이의 RSU (450)를 도시한다. 연료 전지들은, 애노드 (416a, 416b)에 연료를 공급하고 캐소드 (436a, 436b)에 산화제를 공급하는 채널들을 가진 2 개의 바이폴라 플레이트들 (414a, 434a 및 414b, 434b) 사이에 삽입된 확산 매체 (415a 및 415b, 각각)를 갖는 멤브레인 전극 조립체들 (MEA)을 포함한다.
이 실시예에서, RSU (450)는 연료 전지 (440a)의 하부 바이폴라 플레이트 (434a) 및 연료 전지 (440b)의 상부 바이폴라 플레이트 (414b)를 통해 시스템 내의 연료 전지들에 전기적으로 연결된다. RSU는 양쪽 바이폴라 플레이트들 (434a 및 414b)과 직접 접촉한다. RSU (450)는 바이폴라 플레이트 (434a)에 전기적으로 연결되어 직접 접촉하는 전도성 금속 상부 시트 (452), 바이폴라 플레이트 (414b)에 전기적으로 연결되어 직접 접촉하는 전도성 금속 하부 시트 (454), 상부 시트 (452)와 하부 시트 (454) 사이에 개재된 박막 저항기 (456), 및 상부 시트 (452)와 하부 시트 (454)를 전기적으로 연결시킬 수 있는 열 스위치 (458)를 포함한다.
RSU (450)는 도 3을 참조하여 기술된 것과 동일한 방식으로 동작될 수 있다. 예를 들어, 연료 전지 온도가 임계 값 (T1)을 초과할 때마다와 같이, 스위치 (458)가 닫히면 (저 저항 상태), 전류는 전도성 금속 시트들 (452 및 454)을 통해 연료 전지로부터 전적으로는 아니더라도 지배적으로 흘러, 박막 저항기 (456)를 효과적으로 우회하여, 전지에 여분의 내부 전기 저항을 부가하지 않는다. 그러나, 전지 온도가 임계 값 T1 아래로 떨어지면 스위치가 열리고 (고 저항 상태), 연료 전지들로부터 생성된 전류가 박막 저항기를 통해 흐르게 하여, 시스템의 전체 전지 저항을 ΔR 만큼 증가시키고 출력 전압을 저 레벨로 낮춘다. 저항기 상에서 발생된 Joule 열은 결과적으로 연료 전지의 예열을 T1 초과로 가속시킨다. 일단 전지 온도가 T1을 초과하여 상승하면, 스위치는 폐쇄 상태 (저 저항 상태)에서 동작될 수 있으며, 그리고 내부 저항은 RSU가 없는 종래의 연료 전지의 낮은 값 특성으로 회복되고, 단자 전압은 소정의 전류 하에 정상 동작 레벨로 점프한다.
도 5는 본 개시 내용의 연료 전지 시스템의 또 다른 실시예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 2 개의 RSU들 (550a, 550b)은 연료 전지들 (540a, 540b과 540b, 540c) 사이에 위치한다. 연료 전지들은, 바이폴라 플레이트들 (534a, 514b과 534b, 514c, 각각) 사이에 삽입된 확산 매체 (515a, 515b 및 515c, 각각)를 갖는 멤브레인 전극 조립체들 (MEA)을 포함한다. 바이폴라 플레이트들은, 애노드 (516a, 516b, 516c)에 연료를 공급하고 캐소드 (536a, 536b, 536c)에 산화제를 공급하는 채널들을 가진다.
이 실시예에서, RSU (550a)는 연료 전지 (540a)의 하부 바이폴라 플레이트 (534a) 및 연료 전지 (540b)의 상부 바이폴라 플레이트 (514b)를 통해 시스템 내의 연료 전지들에 전기적으로 연결된다. RSU (550b)는 연료 전지 (540b)의 하부 바이폴라 플레이트 (534b) 및 연료 전지 (540c)의 상부 바이폴라 플레이트 (514c)를 통해 시스템 내의 연료 전지들에 전기적으로 연결된다. RSU들은 인접한 연료 전지들의 바이폴라 플레이트들과 직접 접촉한다. RSU들 각각은, 바이폴라 플레이트에 전기적으로 연결되어 직접 접촉되는 전도성 금속 상부 시트, 바이폴라 플레이트에 전기적으로 연결되어 직접 접촉하는 전도성 금속의 하부 시트, 상부 시트와 하부 시트 사이에 개재된 박막 저항기, 및 상부 시트와 하부 시트를 전기적으로 연결시킬 수 있는 스위치를 포함한다.
이 실시예의 RSU들은 도 4를 참조하여 기술된 것과 동일한 방식으로 동작될 수 있다. 예를 들어, 연료 전지 온도가 임계 값 (T1)을 초과할 때마다와 같이, 스위치가 닫히면 (저 저항 상태), 전류는 전도성 금속 시트들을 통해 연료 전지로부터 전적으로는 아니더라도 지배적으로 흘러, 박막 저항기를 효과적으로 우회한다. 그러나, 전지 온도가 임계 값 T1 아래로 떨어지면 스위치가 열리고 (고 저항 상태), 연료 전지들로부터 생성된 전류가 박막 저항기를 통해 흐르게 하여, 시스템의 전체 전지 저항을 ΔR 만큼 증가시키고 출력 전압을 저 레벨로 낮춘다. 저항기 상에서 발생된 Joule 열은 결과적으로 연료 전지의 예열을 T1 초과로 가속시킨다. 일단 전지 온도가 T1을 초과하여 상승하면, 스위치는 폐쇄 상태 (저 저항 상태)에서 동작될 수 있으며, 그리고 내부 저항은 RSU가 없는 종래의 연료 전지의 낮은 값 특성으로 회복되고, 단자 전압은 소정의 전류 하에 정상 동작 레벨로 점프한다.
도 6은 RSU가 바이폴라 플레이트와 확산 매체 사이에 삽입되는 본 개시의 실시예를 도시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 연료 전지 (640)는 확산 매체 (615)를 갖는 멤브레인 전극 조립체 (MEA)를 포함한다. 확산 매체를 갖는 MEA는 확산 매체 상의 애노드 촉매 층, 양성자 교환 멤브레인, 및 확산 매체 상의 캐소드 촉매 층을 포함하며, 이들은 도시의 편의를 위해 도시되지 않았다. MEA는, 애노드에 연료를 공급하고 캐소드 (616 및 636, 각각)에 산화제를 공급하는 채널들을 가진 2 개의 바이폴라 플레이트들 (614, 634) 사이에 삽입된다.
이 실시예에서, RSU (650)는 바이폴라 플레이트 (634)와 연료 전지 (640)의 확산 매체 사이에 삽입된다. 확산 매체는 캐소드 또는 애노드와 연관된 것일 수 있다. RSU (650)는, 확산 매체에 전기적으로 연결되어 직접 접촉하는 전도성 금속 상부 시트 (652), 전도성 금속 하부 시트 (654), 상부 시트 (652)와 하부 시트 (654) 사이에 개재된 박막 저항기 (656), 및 상부 시트 (652)와 하부 시트 (654)를 전기적으로 연결시킬 수 있는 열 스위치 (658)를 포함한다. A-A 도면에 도시된 바와 같이, 하부 시트 (654)는 바이폴라 플레이트 (634)의 구불구불한 패턴과 매칭하는 구불구불한 패턴을 가진다.
이 실시예의 RSU의 동작은 도 3에서 기술된 바와 같다. 예를 들어, 연료 전지 온도가 임계 값 (T1)을 초과할 때마다와 같이, 스위치 (658)가 닫히면 (저 저항 상태), 전류는 전도성 금속 시트들 (652 및 654)을 통해 연료 전지로부터 전적으로는 아니더라도 지배적으로 흘러, 박막 저항기 (656)를 효과적으로 우회한다. 그러나, 전지 온도가 임계 값 T1 아래로 떨어지면 스위치가 열리고 (고 저항 상태), 연료 전지로부터 생성된 전류가 박막 저항기를 통해 흐르게 하여, 시스템의 전체 전지 저항을 ΔR 만큼 증가시키고 출력 전압을 저 레벨로 낮춘다. 저항기 상에서 발생된 Joule 열은 결과적으로 연료 전지의 예열을 T1 초과로 가속시킨다. 일단 전지 온도가 T1을 초과하여 상승하면, 스위치는 폐쇄 상태 (저 저항 상태)에서 동작될 수 있으며, 그리고 내부 저항은 RSU가 없는 종래의 연료 전지의 낮은 값 특성으로 회복되고, 단자 전압은 소정의 전류 하에 정상 동작 레벨로 점프한다.
본 개시 내용의 또 다른 양태에서, RSU의 저항기는 25 um 스테인리스 강 시트와 같은 얇은 금속 시트로 제조될 수 있고, 절연막, 예컨대 양쪽 주요 표면들 상의 7.5 um Kapton 막으로 덮일 수 있다. 그러한 저항기는 콤팩트한 다층 구조로 접혀 RSU에 사용될 수 있다. 도 7은 그러한 RSU를 도시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 얇은 금속 시트 (710)는 그의 양쪽 주요 표면들 (712a, 712b) 상에서 절연 층 (712)으로 코팅된다. 얇은 금속 시트 (710)는 전기 접점들을 형성하는 노출 영역들 (710a 및 710b) (예컨대, 절연막이 없는 영역들)을 가진다. 얇은 금속 시트 (710)는 콤팩트한 다층 구조체 (714)로 접힐 수 있다. 다층 구조체는, 노출 영역 (710a)이 하나의 전지의 하부 바이폴라 플레이트와 전기적으로 연결되고 노출 영역 (710b)이 인접한 전지의 상부 바이폴라 플레이트와 전기적으로 접촉하도록 인접한 연료 전지들 (740a, 740b) 사이에서 삽입될 수 있다. 스위치 (758)는 다층 구조체 (714)를 우회시키거나 (폐쇄 상태), 또는 다층 구조체를 통해 전류를 흐르게 하기 위해 (개방 상태), 바이폴라 플레이트들과 전기 접촉으로 다층 구조체 (714)를 전기적으로 연결시킬 수 있다.
접힌 구조의 상부 및 하부에서의 코팅되지 않은 금속 표면들은 도 3에 도시된 전도성 시트들과 유사한 작용을 하는 2 개의 바이폴라 플레이트들에 전기적으로 연결된다. 도 7에 도시된 2 개의 바이폴라 플레이트들, 접힌 저항기 및 스위치의 구성은 도 3에 기술된 RSU와 같이 동작한다.
저항기의 존재가 연료 전지 출력 전압을 정상적으로 약 0.6V/cell로부터 약 0.1V/cell로 낮추도록 설계되는 경우, 저항기의 저항은 대략 0.5V/I로 추정 될 수 있고, 여기서 I는 연료 전지로부터 생성된 전류이고, 예를 들어, 연료 전지가 200 amps를 발생시키는 경우, 저항기의 저항은 2.5 mΩ/cell로 설계되어야 한다.
본 개시 내용의 또 다른 양태는 T1 아래의 다수의 임계 온도에서 자가-가열 연료 전지 시스템의 내부 전기 저항의 다단계 변화이다. 그러한 프로파일은 시스템이 정상 동작 온도보다 낮을 때 적절한 파워 조정을 제공할 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 스위치 #2 (550b)는 임계 온도 (T1a), 즉, -15 ℃에서 닫히도록 설정될 수 있는 반면 (저 저항 상태), 다른 스위치들은 여전히 열린 채로 설정될 수 있다 (고 저항 상태). 이는 -15 ℃ 이상으로부터 일부 파워 부스트를 제공할 것이다. 차후에, 스위치 #1 (550a)은 T1, 예컨대, -5 ℃에서 닫히도록 설정되어 (저 저항 상태), 또 다른 파워 부스트를 제공할 수 있다. 파워 출력이 적절하게 조절될 수 있도록 연료 전지 온도에 따라 다양한 스위치들을 턴 온하기 위하 제어 알고리즘을 설계 및 실행할 수 있다.
도 8은 본 개시 내용의 또 다른 실시예를 도시한다. 여기서, 상부 및 하부 연료 전지 사이의 바이폴라 플레이트는 RSU를 사이에 두고 두 부분들로 분리된다. 예를 들어, 도면은 구불구불한 플로필드 (820)를 갖는 바이폴라 플레이트 (834) 및 플레이트 (834)에 내장된, 양쪽 주요 표면들 상의 절연막들을 가진 저항기 시트 (856)를 도시한다. 바이폴라 플레이트 (834)는 2 개의 연료 전지들 사이에 위치할 수 있고, 예컨대, 바이폴라 플레이트의 상부 부분 (834a)은 상부 연료 전지와 접촉할 수 있고, 바이폴라 플레이트의 하부 부분 (834b)은 하부 연료 전지와 접촉할 수 있으며, 이들은 도시의 편의를 위해 도시되지 않았다.
이 실시예에서, RSU의 저항기 (856)는 2 개의 말단부들 (856a, 856b)에서 2 개의 탭들을 갖는 패턴화된 전기 전도성 얇은 시트이다. 탭들은 저항기 시트를 바이폴라 플레이트의 상부 및 하부 부분에 전기적으로 연결시킨다. 탭 (856a)은 저항기 시트 (856)를, 상부 연료 전지에 전기적으로 연결된 바이폴라 플레이트의 상부 부분 (834a)에 전기적으로 연결시키며, 그리고 탭 (856b)은 저항기 시트 (856)를 하부 연료 전지에 전기적으로 연결된 바이폴라 플레이트의 하부 부분 (834b)에 전기적으로 연결시킨다. 시트의 양쪽 주요 면들은 전기 절연막들로 덮이거나 코팅된다. 절연 물질들의 예들은 다음을 포함한다: 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 염소화 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리이미드, PVDF, PTFE, 나일론 또는 이들의 공중합체들. 시트의 2 개의 탭들은 바이폴라 플레이트의 하부 및 상부 부분들 각각에 전기적으로 연결된다. 추가적으로, 온도 제어기에 의해 제어될 수 있는 스위치 (858)는 저항기 시트 (856)의 2 개의 탭들 (856a, 856b)에 전기적으로 연결된다. 전지 온도가 임계점 T1보다 낮으면 스위치가 OPEN되어, 저항기 시트로부터 연료 전지까지 여분의 저항이 부가된다. 일단 전지 온도가 T1을 넘어 상승하면, 스위치는 CLOSED되어, 전류가 저항기 시트를 우회하고, 이로써 연료 전지 내부 저항이 저 레벨로 다시 시작된다.
도 9는 자동차를 동작시키도록 구성된 본 개시 내용의 자가-가열 연료 전지 시스템을 도시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 연료 전지 시스템은 저항기 (20)가 전기 연결되어 직접 접촉하는 연료 전지 (10), 및 스위치 (30)를 포함한다. 스위치 (30)가 도면에 도시된 바와 같이 열릴 때, 전류는 저항기 (20)를 통해 흐르고 열을 발생시켜 연료 전지 (10)를 가열한다. 상기 시스템은 연료 전지 (10) 및 인버터 (100)에 전기적으로 연결된 DC/DC 컨버터 (130), 인버터 (100)에 전기적으로 연결된 전기 모터 (110) 및 스위치에 전기적으로 연결되고 상기 스위치를 열어 저항기에 열을 생성하여 연료 전지를 가열하도록 구성된 제어기 (80)를 더 포함한다. 전기 모터 (110)는 차량의 차륜들 (120L, 120R)을 구동하기 위해 구동 트레인에 기계적으로 연결될 수 있다.
시스템은 또한, 연료 전지 (10)에 전기적으로 모두 연결되고 제어기 (80)에 전기적으로 연결되며 제어기 (80)에 입력을 모두 제공할 수 있는, 전압 센서 (150), 전류 센서 (140) 및 온도 센서 (50)를 포함할 수 있다.
동작시 및 시스템의 시동 명령을 수신하면, 제어기 (80)는 온도 센서 (50) 또는 등가 디바이스를 사용하여 연료 전지 (10)의 표면 온도를 검출한다. 제어기 (80)는 연료 전지 (10)의 표면 온도가 사전 설정된 임계 온도보다 낮은 경우에 예열 동작이 필요하다고 결정하고, 스위치 (30)를 오프시킨다. 저항기 (20)는 회로에서 동작되고, 연료 전지 시스템은 고 저항 모드에서 동작되어 단자 전압을 낮춘다. 제어기는 동시에 DC/DC 컨버터 (130)에 저 단자 단자 (150) 및 소정의 전류 (140)를 인버터 (100)에 대한 충분히 높은 전압 파워로 변환하도록 요구한다. 인버터는 그 후에 차륜들 (120)에 연결된 전기 모터 (110)를 구동한다. 연료 전지 (10)의 온도가 임계 온도에 도달할 때, 제어기는 저항기 (20)를 우회시키기 위해 스위치 (30)를 온으로 명령한다.
본 개시 내용은 저온에서의 물 관리가 매우 어려운 것으로 알려진, 1 마이크로미터 이하와 같은, 아주 얇은 (untrathin) 촉매 층들을 갖는 연료 전지들에 특히 효과적이다. 본 개시 내용은 또한 급속 가동을 위한, 알칼리 멤브레인 연료 전지들, 인산 연료 전지들과 같은 중간 온도 연료 전지들, 및 고체 산화물 연료 전지들와 같은 다른 타입들의 연료 전지들 및 이들 시스템들에도 적용된다.
예
다음 예들은 본 개시 내용의 소정의 바람직한 실시예들을 추가로 도시하기 위한 것이며, 본질적으로 제한적이지 않다. 기술 분야의 통상의 기술자는 단지 본 명세서에 기술된 특정 물질 및 절차에 대한 통상적인 실험, 다수의 균등물을 사용하여 인식하거나, 또는 확인할 수 있을 것이다.
25 cm2의 PEM 연료 전지는 애노드 및 캐소드 측면들 양쪽에 대해 스탬핑된-금속 바이폴라 플레이트들을 사용하여 조립되었다. 립 폭이 0.6 mm이고 폭이 0.6 mm이며, 높이가 0.35 mm인 치수를 가진 구불구불한 플로필드가 사용되었다. 이러한 전지에 사용된 MEA는 18 um 불소화 복합 멤브레인 및 각 측면에 첨가된 0.32 mg/cm2 Pt를 갖는 촉매 층들을 포함했다. 30 um 미세 다공성 층 (microporous layer, MPL)으로 코팅된 테플론-코팅된 Toray-030 (Teflon-coated Toray-030) 카본 페이퍼는 가스 확산 매체로 사용되었다. 시트 형태의 저항기는 캐소드 플레이트에 부착되었고, 0.2 Ohm 또는 0.5 Ohm-cm2의 저항을 가지도록 크기가 정해졌다. 전체 전지의 열 용량 (thermal mass)은 0.1 J/(cm2K)로 추정되었다. 전지는 2 개의 Lexan 플레이트들 사이에 삽입되어 단열 조건들을 제공하였다.
제 1 세트의 테스트들은 연료 및 공기 측면들 둘 다에 관해 실온, 즉 20 ℃, 및 2 atm (절대)의 압력에서 연료 전지를 자가 시동하도록 진행되었다. 수소 및 공기 흐름은 주변 온도에 대응하는 0 및 60 % 상대 습도에 있었고, 이때 흐름 화학량 (flow stoichiometries)은 1A/cm2에서 1.5 및 2 각각이였다. 결과적인 전류 및 온도 대 시간은, 하나의 전지 전압이 0.1V로, 다른 하나가 0.2V로 일정하게 유지되는 두 경우들에 대해 도 10에 도시된다. 볼 수 있는 바와 같이, 전지는 실온으로부터 60℃의 최적의 동작 온도로 예열되되, 단지 0.1V의 경우에 2.7 초, 0.2V의 경우에 3.4 초 각각으로 예열된다. 한편, 전류 밀도는 0.1V의 경우 전지 온도가 60 ℃에 도달할 때 t=0에서 ~ 0.9에서 1.2 A/cm2로, 0.2V의 경우에는 0.75에서 1.02 A/cm2로 증가한다. 이들 테스트들은 본 개시 내용에 따른 연료 전지 및 저항기를 포함하는 연료 전지 시스템이 그 자체로 신속하게 예열되어, 주변 조건들 하에서 연료 전지 동작이 단지 몇 초 동안 지속되는 차선의 범위에 있게 할 수 있음을 명백히 보여준다. 그러므로, 본 개시 내용의 자가-가열 연료 전지 시스템은 종래의 연료 전지 시스템에 비해 저온에서의 연료 전지의 물 관리를 크게 향상시킬 수 있다. 상술된 실험들에서 보여준 바와 같이, PEM 연료 전지 시스템에 대한 임의의 가습 시스템들을 완전히 제거하는 것도 가능하다.
본 개시 내용의 바람직한 실시예 및 그 다용도의 예들만이 본 개시 내용에 도시 및 기술된다. 본 개시 내용은 다양한 다른 조합 및 환경에서 사용될 수 있으며, 본 명세서에 표현된 바와 같이 본 개시 내용의 개념의 권리 범위 내에서 변경 또는 변화될 수 있음을 이해하여야 한다. 이로써, 예를 들어, 기술 분야의 통상의 기술자는 단지 본 명세서에 기술된 특정 물질, 절차 및 장치에 대한 통상적인 실험, 다수의 균등물을 사용하여 인식하거나, 또는 확인할 수 있을 것이다. 그러한 균등물은 본 개시 내용의 권리 범위 내에 있는 것으로 고려되며, 다음의 청구 범위에 의해 포괄된다.

Claims (28)

  1. 자가-가열 연료 전지 시스템에 있어서,
    적어도 하나의 연료 전지, 및 상기 적어도 하나의 연료 전지에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 저항기-스위치 유닛을 포함하며,
    상기 적어도 하나의 저항기-스위치 유닛은 저항기 및 스위치를 포함하며, 그리고 상기 스위치는 상기 저항기와 전기적으로 병렬로 연결되는, 자가-가열 연료 전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 연료 전지의 온도가 온도 (T1)보다 클 때의 상기 시스템의 제 1 내부 저항 (R1), 및 상기 적어도 하나의 연료 전지의 온도가 T1보다 낮을 때의 상기 시스템의 제 2 내부 저항 (R2)을 포함하고, T1보다 약 2 ℃ 낮은 R2의 값은 T1에서의 R1의 값의 적어도 2 배인, 자가-가열 연료 전지 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 T1은 0℃ 이하인, 자가-가열 연료 전지 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 T1은 95 ℃ 미만인, 자가-가열 연료 전지 시스템.
  5. 청구항 2에 있어서,
    T1 주위에서, R1과 R2 사이에는 완만하지만 급격한 변화가 있는, 자가-가열 연료 전지 시스템.
  6. 청구항 2에 있어서,
    T1 아래의 다수의 임계 온도에서 상기 시스템의 저항에는 다단계 변화 (multi-step change)가 있는, 자가-가열 연료 전지 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료 전지는, 애노드 상의 연료 흐름을 위한 플로필드 (flowfield)를 갖는 바이폴라 플레이트 (bipolar plate), 멤브레인-전극 조립체 상의 확산 매체, 캐소드 상의 산화제 흐름을 위한 플로필드를 갖는 바이폴라 플레이트를 포함하며, 상기 저항기는 상기 바이폴라 플레이트들 중 하나와 직접 접촉하여 위치되는, 자가-가열 연료 전지 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 저항기는 상기 적어도 하나의 연료 전지 내부에, 또는 상기 적어도 하나의 연료 전지 외부에 있는, 자가-가열 연료 전지 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    연료 전지들의 스택을 포함하며,
    상기 적어도 하나의 연료 전지는 상기 연료 전지들의 스택 중에 있으며, 그리고 상기 저항기-스위치 유닛은 상기 연료 전지들의 스택 내의 2 개의 연료 전지들 사이에 개재되는, 자가-가열 연료 전지 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    연료 전지 스택 내의 여러 위치에 걸친 연료 전지들 사이에 삽입되는 다수의 저항기-스위치 유닛들을 포함하는, 자가-가열 연료 전지 시스템.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 확산 매체와, 상기 적어도 하나의 연료 전지의 바이폴라 플레이트들 중 하나 사이에 삽입된 적어도 하나의 저항기-스위치 유닛을 포함하는, 자가-가열 연료 전지 시스템.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 저항기는 상기 저항기의 하나의 말단부에 2 개의 탭들을 가지는, 자가-가열 연료 전지 시스템.
  13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저항기는, 흑연, 스테인레스 강, 니켈, 크롬, 니크롬, 구리, 알루미늄, 티타늄 또는 이들의 합금들로 구성된 전기 전도성 시트를 포함하는, 자가-가열 연료 전지 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 저항기는, 상기 시트의 한쪽 또는 양쪽 주요 표면들 상에서 하나 이상의 전기 절연막들을 가진 얇은 금속 시트인, 자가-가열 연료 전지 시스템.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 저항기는 1 내지 100 마이크로미터의 전체 두께를 가지는, 자가-가열 연료 전지 시스템.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 전기 절연막들은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 염소화 (chlorinated) 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리이미드, PVDF, PTFE, 나일론 또는 이들의 공중합체들을 포함하는, 자가-가열 연료 전지 시스템.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 연료 전지의 표면 온도를 측정할 수 있는 온도 센싱 디바이스로부터의 입력에 기반하여, 상기 스위치를 개방 상태 또는 폐쇄 상태로 동작시키도록 구성된 제어기를 더 포함하는, 자가-가열 연료 전지 시스템.
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위치는 전기기계 릴레이 및 온도 제어기, 또는 온도 센서를 갖는 고체-상태 릴레이, 온도 센서를 갖는 파워 MOSFET, 또는 온도 센서를 갖는 고-전류 접촉기로 구성되는, 자가-가열 연료 전지 시스템.
  19. 청구항 10에 있어서,
    다수의 스위치들은 제어 알고리즘에 따라 순차적으로 활성화될 수 있는, 자가-가열 연료 전지 시스템.
  20. 청구항 1 내지 청구항 19 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 연료 전지는 수소 또는 수소-함유 가스 상에서 동작할 수 있는 양성자 교환 멤브레인 연료 전지인, 자가-가열 연료 전지 시스템.
  21. 청구항 1 내지 청구항 19 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 연료 전지는 알칼리 멤브레인 연료 전지, 100 내지 300 ℃에서 동작하는 중간-온도 연료 전지, 폴리벤즈이미다졸 (polybenzimidazole. PBI) 연료 전지, 인산 연료 전지, 또는 고체 산화물 연료 전지인, 자가-가열 연료 전지 시스템.
  22. 청구항 20 또는 청구항 21에 있어서,
    상기 적어도 하나의 연료 전지는 1 마이크로미터 이하의 두께를 가진 애노드 촉매 층 및/또는 캐소드 촉매 층을 포함하는, 자가-가열 연료 전지 시스템.
  23. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료 전지에 전기적으로 연결된 DC/DC 컨버터, 상기 DC/DC 컨버터에 전기적으로 연결된 인버터, 상기 인버터에 전기적으로 연결된 전기 모터, 및 상기 스위치에 전기적으로 연결되고 상기 스위치를 열어 상기 저항기에 열을 생성하여 상기 연료 전지를 가열하도록 구성된 제어기를 더 포함하는, 자가-가열 연료 전지 시스템.
  24. 자가-가열 연료 전지 시스템을 동작하는 방법에 있어서,
    R1 또는 R2를 T1에 따라 활성화시키는 스위치를 활성화시킴으로써,
    상기 시스템 내의 적어도 하나의 연료 전지의 온도가 온도 (T1)보다 클 때 상기 시스템을 제 1 내부 저항 (R1)으로 동작시키는 단계, 및
    상기 적어도 하나의 연료 전지의 온도가 T1보다 낮을 때 상기 시스템을 상기 시스템의 제 2 내부 저항 (R2)으로 동작시키는 단계를 포함하는, 자가-가열 연료 전지 시스템 동작 방법.
  25. 청구항 24에 있어서,
    상기 적어도 하나의 연료 전지는 멤브레인-전극 조립체; 애노드 촉매 전극; 캐소드 촉매 전극; 저항기 및 스위치를 포함한 저항기-스위치 유닛 - 상기 스위치는 상기 저항기와 전기적으로 병렬로 연결됨; 상기 연료 전지 상의 온도 센싱 디바이스; 및 상기 온도 센싱 디바이스로부터의 입력을 수신하여 상기 스위치를 동작시키도록 구성된 제어기;를 포함하는, 자가-가열 연료 전지 시스템 동작 방법.
  26. 청구항 25에 있어서,
    상기 제어기는 상기 온도 센싱 디바이스로부터의 입력에 기반하여, 상기 스위치를 열어 상기 저항기-스위치 유닛을 온시키는, 자가-가열 연료 전지 시스템 동작 방법.
  27. 청구항 24 내지 청구항 26 중 어느 한 항에 있어서,
    T1은 0 ℃ 이하인, 자가-가열 연료 전지 시스템 동작 방법.
  28. 청구항 24 내지 청구항 26 중 어느 한 항에 있어서,
    T1은 95 ℃ 미만인, 자가-가열 연료 전지 시스템 동작 방법.
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