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KR101129937B1 - 연료 전지 동력 설비를 위한 수소 패시베이션 셧다운시스템 - Google Patents

연료 전지 동력 설비를 위한 수소 패시베이션 셧다운시스템 Download PDF

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KR101129937B1
KR101129937B1 KR1020067002506A KR20067002506A KR101129937B1 KR 101129937 B1 KR101129937 B1 KR 101129937B1 KR 1020067002506 A KR1020067002506 A KR 1020067002506A KR 20067002506 A KR20067002506 A KR 20067002506A KR 101129937 B1 KR101129937 B1 KR 101129937B1
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KR
South Korea
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hydrogen
anode
cathode
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fuel cell
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Inventor
폴 알. 마조토
주니어 프렐리 프란시스 알.
갈렌 더블유. 컬프
마이클 엘. 페리
칼 에이. 레이서
라이언 제이. 발루트
Original Assignee
유티씨 파워 코포레이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

본 발명은 연료 전지 동력 설비(10)용 수소 패시베이션 셧다운 시스템에 관한다. 애노드 유동로(24)는 수소 연료가 애노드 촉매(14) 부근으로 유동하도록 유도하기 위해 애노드 촉매(14)와 유체 연통되며, 캐소드 유동로(38)는 산화제가 연료 전지(12)의 캐소드 촉매에 인접하게 유동하도록 유도하기 위해 캐소드 촉매(16)와 유체 연통된다. 수소 연료가 애노드 유동로(24)와 캐소드 유동로(38) 사이에 이송되도록 허용된다. 수소 저장조(66)가 연료 전지(12) 작동 동안 수소를 수용 및 저장하기 위해 그리고 연료 전지(12)가 셧다운될 때마다 연료 전지(12) 안으로 수소를 방출하기 위해 애노드 유동로(24)와 유체 연통되게 고정된다.
연료 전지, 셧다운 시스템, 수소 패시베이션, 셧다운 방법, 동력 설비

Description

연료 전지 동력 설비를 위한 수소 패시베이션 셧다운 시스템 {HYDROGEN PASSIVATION SHUT DOWN SYSTEM FOR A FUEL CELL POWER PLANT}
본 발명은 운송 차량, 휴대용 동력 설비 또는 고정식 동력 설비용으로 적합한 연료 전지 동력 설비에 관한 것이며, 특히 동력 설비의 반복적인 셧다운(shutting down) 및 시동으로 인한 연료 전지의 성능 저하를 최소화하는 시스템에 관한 것이다.
연료 전지 동력 설비(fuel cell power plants)는 공지된 것이며, 통상적으로는 동력 설비와 운송 차량 등의 전기 장치에 동력을 공급하기 위해 수소 함유 환원 유체 연료 및 산소 함유 산화 반응물 스트림으로부터 전기 에너지를 생성하는데 사용된다. 종래 기술의 연료 전지 동력 설비에서, 연료 전지에 접속된 전기 회로가 연결 해제되거나 개방되어 셀이 셧다운 직후 또는 셧다운되는 동안과 같이 셀에 부하가 없을 때, 애노드 전극에 남아있는 수소 연료와 함께 캐소드 전극에 존재하는 공기는 허용할 수 없는 애노드 및 캐소드 포텐셜을 일으켜서 전극 촉매 및 촉매 지지 물질의 산화와 부식, 그리고 이로 인한 셀 성능 열화의 원인이 된다는 것은 공지되어 있다.
연료 전지의 셧다운 시에 캐소드 전극을 화합하기 어려운(passive), 비산화 상태로 복귀시키기 위해 패시베이션(passivation) 노력이 제안되어 왔다. 예를 들어, 이러한 셀 성능 저하를 최소화하거나 방지하도록 셀의 셧다운 시에 애노드 및 캐소드 전극을 패시베이션시키기 위해 애노드 유동장 및 캐소드 유동장 모두를 정화하는 데 사용되는 불활성 가스가 고려되었다. 또한, 시동 시에 불활성 가스 정화의 사용은 안전상의 문제인 수소와 공기로 된 가연성 혼합물의 존재 가능성을 회피한다. 공동 소유된 미국 특허 제5,013,617호 및 제5,045,414호는 애노드측 정화 가스로 100 퍼센트 질소를 사용하고 캐소드측 정화 혼합물은 질소 기재(balance of nitrogen)에 매우 작은 퍼센트의 산소(예를 들어, 1 퍼센트 미만)를 포함하는 것을 개시한다. 또한, 이들 특허 모두는 캐소드 포텐셜을 허용 한계인 0.3 내지 0.7볼트 사이로 신속하게 낮추기 위해 정화 공정의 시동 중에 셀에 가상의 전기 부하(dummy electrical load)를 연결하는 선택 사양을 고려한다. 그러나, 이러한 저장된 불활성 가스의 비용 및 복잡성은 특히 소형화 및 비용 절감이 필수적이고 시스템이 자주 셧다운 및 시동되어야 하는 자동차 용도에서 바람직하지 않다.
촉매 및 촉매 지지 물질의 부식을 최소화하기 위한 다른 노력은 주 전원 사용 장치(이후, '주 부하(primary load)'라 한다)를 접속 해제함으로써 연료 전지 동력 설비를 셧다운시키는 단계, 공기를 셧다운(shut down)시키거나 산화 유동을 처리하는 단계, 연료 전지 가스가 셀에 평형을 이루는 방식으로 시스템 외부의 가스 유동 및 시스템 내로의 수소 연료 유동을 제어하는 단계, 셧다운 동안 적어도 0.0001 (체적) 퍼센트의 수소와 나머지 연료 전지 불활성 가스 기재의 가스 조성을 유지하는 단계를 포함한다. 또한, 이러한 연료 전지 셧다운 방법은 주 부하를 접속 해제한 후에 캐소드 유동장으로의 공기 공급을 셧다운하는 단계 후에, 잔류하는 산화물이 완전히 소모될 때까지 애노드 유동장으로의 새로운 연료(fresh fuel)를 계속 공급하는 단계를 포함한다. 이러한 산화물 소모는 바람직하게는 셀에 인가된 작은 보조 부하를 구비함으로써 촉진되고, 이는 또한 전극 포텐셜을 빠르게 떨어뜨린다. 모든 산화물이 소모되면, 수소 연료 공급은 정지된다. 그 후에, 셧다운이 계속되는 동안 수소 농도가 모니터링되고, 필요한 경우에 수소가 추가되어 바람직한 수소 농도 레벨이 유지된다.
공지된 전극 촉매 및 촉매 지지 물질의 산화 및 부식 문제의 개선은 캐소드 전극 상의 산소 존재라는 해로운 결과를 저감시키며, 연료 전지의 셧다운 및 시동 직후, 그리고 셧다운 및 시동 중에 허용할 수 없는 애노드 및 캐소드 전극 포텐셜을 일으키는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이의 반응 유체의 불균형을 감소시킨다. 그러나, 공지된 해결 방안에도 불구하고 시동 중에 애노드 유동장 내에 존재하는 산소는, 허용할 수 없으며 국부적인 전극 포텐셜 및 촉매와 촉매 지지 물질의 부식을 야기시키는 역 전류를 일으킨다. 또한, 설비가 셧다운되거나 방치되는 동안 동력 설비의 연료 전지로의 수소의 적극적인 부가는 시스템 파손이 잠재적으로 가연성인 수소 농축물을 동력 설비 외부에 누출시킬 수 있는 심각한 안전 문제를 제기한다.
결과적으로, 연료 전지 동력 설비의 재시동 직후 또는 셧다운 동안, 설비의 셧다운에서의 설비 연료 전지 내의 산화와 부식을 최소화하며, 설비의 심각한 성능 저하를 제거하는 연료 전지 동력 설비용 셧다운 시스템이 필요하다.
본 발명은 연료 전지 동력 설비를 위한 수소 패시베이션 셧다운 시스템이다. 상기 시스템은 수소 함유 환원 유체 연료로부터 전기 전류를 생성하는 적어도 하나의 연료 전지를 포함하고, 산화 반응물 스트림을 처리하는 단계를 포함한다. 연료 전지는 전해질의 대향 측면 상에 캐소드 촉매 및 애노드 촉매와, 수소 연료를 연료 전지를 통해 유동시키고 애노드 촉매에 인접하게 유동시키게 유도하도록(directing) 애노드 촉매와 유체 연통하는 애노드 유동로와, 산화물을 연료 전지를 통해 유동시키고 캐소드 촉매에 인접하게 유동시키게 유도하도록 캐소드 촉매와 유체 연통하는 캐소드 유동로를 포함한다. 수소 입구 밸브는 애노드 유동로 내로 유동하도록 수소 연료를 선택적으로 허용하는 애노드 유동로와, 수소 함유 환원 유체 연료 저장 소스 사이에 고정된다. 산화물 입구 밸브는 캐소드 유동로 내로 유동하도록 산화물을 선택적으로 허용하는 캐소드 유동로와, 산소 함유 산화물 저장 소스 사이에 고정된다.
시스템은 애노드 유동로와 캐소드 유동로 사이의 수소 연료의 이송을 선택적으로 허용하기 위해 캐소드 유동로와 애노드 유동로 사이에서 연통하도록 고정된 수소 이송 수단을 포함한다. 수소 이송 수단은 애노드 유동로와 캐소드 유동로 사이에서 유체 연통하는 수소 이송 밸브, 애노드 유동로로부터 전해질을 통해 캐소드 유동로 내로 수소를 펌핑하기 위한 전기화학 펌프 또는 애노드 유동로로부터 양성자 교환 박막(proton exchange membrane, PEM) 전해질을 통해 캐소드 유동로로 수소의 확산을 허용하는 PEM 전해질의 형태일 수 있다. 또한, 수소 저장조는 애노드 유동로와 유체 연통하게 고정된다. 수소 저장조는 수소 입구 밸브가 애노드 유동로를 통해 수소 연료의 유동을 허용하도록 개방될 때마다 수소를 방출 및 저장하고, 또 수소 저장조는 수소 입구 밸브가 폐쇄되어 애노드 유동로 내의 수소 농도가 연료 전지의 작동 중의 수소 농도 이하로 저하될 때마다 애노드 유동로 안으로 수소를 방출한다. 수소 저장조는 애노드 유동로 내의 매니폴드 상의 코팅과 같이 애노드 유동로 내에 위치되거나, 애노드 촉매를 지지하거나 애노드 촉매와 유체 연통하는 다공성 지지판 내에 위치된 수소화물과 같은 수소 저장 매체일 수 있다. 또한, 수소 저장조는 용기 내의 수소 저장 매체를 가질 수 있는 연료 전지의 외부에 고정된 수소 용기일 수 있다.
상기 시스템의 양호한 실시예의 사용에서, 연료 전지가 셧다운될 때마다 산화물이 캐소드 유동로 안으로 유동하는 것을 방지하도록 산화물 입구 밸브가 폐쇄되고, 캐소드 유동로 내의 산소가 소모되며, 그 후에 연료 저장 소스로부터의 수소 연료 및 수소 저장조 내에 저장된 수소가 캐소드 유동로 안으로 이동할 수 있게 하도록 수소 이송 밸브가 개방된다. 캐소드 유동로 및 애노드 유동로가 대체로 약 100 퍼센트 수소로 충진되면, 수소 입구 밸브가 폐쇄되고 임의의 수소 배출 및 산화물 배출 밸브가 폐쇄된다. 셧다운 기간 동안, 대기로부터 어느 정도의 산소가 연료 전지로 유입되고, 수소 저장조 내의 수소는 저장조로부터 애노드 유동로 및 캐소드 유동로 내로 계속적으로 이동하여 산소와 반응하고 유동로 내의 0.0001 퍼센트를 초과하는 수소의 제한 농도(finite concentration)를 유지한다.
상기 시스템의 다른 양호한 실시예에서, 캐소드 재생 송풍기 및 산화제 송풍기를 포함하는 캐소드 재생 라인은 캐소드 유동로의 캐소드 입구와 캐소드 배출관 사이의 유체 연통되게 고정될 수 있다. 셧다운 공정 중에, 캐소드 재생 또는 산화제 송풍기는 산화물 소스 격리 밸브가 폐쇄된 후에 수소 연료를 애노드 유동로로부터 수소 이송 밸브를 통해 캐소드 유동로 내로 신속하게 순환시키도록 작동될 수 있다.
다른 실시예에서, 시스템은 연료 전지 동력 설비가 셧다운되는 동안 애노드 및 캐소드 유동로 내의 수소 연료의 농도를 측정하도록 사용될 수 있는 수소 센서를 포함할 수 있다. 수소 농도가 0.0001퍼센트 미만과 같이 허용 한계 미만으로 내려갔다는 것을 센서가 검출하면, 제어기는 설비의 시동 직전과 같이 연료 전지 동력 설비가 셧다운된 동안에 수소를 능동적으로 안내하여 애노드 및 캐소드 유동로에 진입시키도록 수소 입구 밸브를 개방할 수 있다. 센서로부터의 출력은 또한 시동 공정을 선택하는데 사용될 수 있다. 예시적인 시동 공정은 신속한 연료 정화를 포함하고, 수소 연료는 전극 촉매 및 촉매 지지 물질의 산화 및 부식을 최소화하도록 1.0초 동안, 바람직하게는 0.2초 동안, 가장 바람직하게는 0.05초 미만 동안 연료 전지의 애노드 유동장을 가로지르도록 유도된다. 수소 센서는 당업계에 공지된 직접 수소 농도 센서이거나, 연료 전지의 촉매와 전기적으로 연통된 센서 회로일 수 있다.
또한, 시스템은 애노드 유동로의 애노드 배출관과 애노드 입구 사이에서 유체 연통하도록 고정된 애노드 재생 송풍기 및 애노드 재생 라인을 포함할 수 있다. 또한, 애노드 재생 라인 및 송풍기는 환원 유체 연료 저장 소스와 유체 연통할 수 있어서, 애노드 재생 송풍기가 수소 연료를 애노드 유동로를 통해 신속하게 이동시킬 수 있다.
다른 실시예에서, 애노드 유동로는 애노드 배출 통기구를 포함할 수 있으며, 캐소드 유동로는 캐소드 배출 통기구를 포함할 수 있어서, 애노드 배출 통기구 및 캐소드 배출 통기구는 모두 중력 방향에서 볼 때 연료 전지 아래에 위치된다. 수소가 산소보다 가볍기 때문에, 유동로로 유입되는 대기 산소는 애노드 및 캐소드 배출 통기구를 통해 애노드 및 캐소드 유동로 외부로 하향 유동하려는 경향이 있는 반면, 수소는 상부에 잔류하려는 또는 연료 전지 내에 잔류하려는 경향이 있을 것이며, 이로 인해 연료 전지 동력 설비의 셧다운 중에 0.0001 퍼센트 초과의 제한 수소 농도를 유지하는 것을 돕는다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술의 결점을 극복하는 연료 전지 동력 설비를 위한 수소 패시베이션 셧다운 시스템을 제공하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 설비의 셧다운 중에 약 100 퍼센트의 수소로 설비의 애노드 유동로 및 캐소드 유동로를 대체로 충진 및 유지하여, 연료 전지 동력 설비가 셧다운되어 있는 동안 연료 전지 캐소드 및 애노드 촉매와 촉매 지지 물질을 패시베이션시키는(passivate) 연료 전지 동력 설비를 위한 수소 패시베이션 셧다운 시스템을 제공하는 것이다.
다른 목적은 설비의 셧다운 중에 설비의 애노드 유동로 및 캐소드 유동로 내의 수소 농도를 검출하고, 설비가 연료 전지 캐소드 및 애노드 촉매와 촉매 지지 물질을 패시베이션시키게 시동되기 전에 추가의 수소를 유동로에 진입하는 것을 허용하는 연료 전지 동력 설비를 위한 수소 패시베이션 셧다운 시스템을 제공하는 것이다.
도1은 본 발명에 따라 구성된 연료 전지 동력 설비를 위한 수소 패시베이션 셧다운 시스템의 양호한 실시예의 개략도이다.
상세하게 도면을 참조하면, 연료 전지 동력 설비를 위한 수소 패시베이션 셧다운 시스템의 제1 실시예가 도1에 도시되며, 일반적으로 도면 부호 10으로 표시된다. 시스템(10)은 (본 명세서에서 애노드 전극으로 참조되는) 애노드 촉매(14)를 갖는 연료 전지(12)와 같은 적어도 하나의 연료 전지와, 애노드와 캐소드 사이에 배치된 전해질(18)을 포함한다. 전해질(18)은 미국 특허 제6,024,848호에 개시된 형태의 양성자 교환 박막(PEM)의 형태이거나, 인산 전해질 연료 전지와 같이 통상 산 수성 전해질 연료 전지에서 볼 수 있는 세라믹 매트릭스 내에 유지될 수 있다.
애노드 촉매(14)는 애노드 기판층(20) 상에 지지될 수 있고, 캐소드 전극(16)은 캐소드 기판층(22) 상에 지지될 수 있다. 또한, 시스템(10)은 수소 함유 환원 유체 연료를 연료 전지(12)를 통하여 연료 소스(54)로부터 애노드 촉매(14)에 근접하게 진행하도록 유도시키기 위해 애노드 촉매(14)와 유체 연통하는 애노드 유동로(24)를 포함한다. 애노드 유동로(24)는 본 기술 분야에 공지된 매니폴드 등과 같이 수소 연료를 연료 전지(12)로 유도하기 위한 애노드 입구(26)를 포함한다. 애노드 입구(26)는, 빈틈, 채널 또는 지지 재료의 세공으로서 형성되고, 수소 연료가 애노드 촉매(14)에 근접하게 진행하도록 유도하기 위해 애노드 촉매(14)에 근접하여 유체 연통하며 애노드 유동로(24)의 부분인 애노드 유동장(28)과 유체 연통한다. 애노드 유동로(24)는 수소 연료를 연료 전지(12) 밖으로 유도하기 위해 애노드 유동장(28)과 유체 연통하는 애노드 배출관(30)도 포함한다. 애노드 배출 밸브(32)는 애노드 배출관(30)과 유체 연통하도록 고정되고, 애노드 배출 통기구(34)는 애노드 배출 밸브(32)에 고정된다. 본 기술 분야에 공지된 바와 같이, 가스가 반응 또는 응축 시 소모됨으로 인하여 연료 전지(12)를 셧다운하는 동안 애노드 유동로(24) 내에서 부분적인 진공이 형성되는 것을 피하기 위해 대기 중의 공기가 애노드 유동로(24)로 유입될 수 있도록 공지된 일방향 성질을 갖는 애노드 진공 완화 밸브(36) 또는 체크 밸브가 애노드 배출관(30), 애노드 재생 라인(75) 또는 애노드 유동로(24)에 고정될 수 있다.
또한, 시스템(10)은 산소 함유 산화제가 연료 전지(12)를 통해 캐소드 촉매(16)에 근접하게 진행하도록 유도하기 위해 캐소드 촉매(16)와 유체 연통하는 캐소드 유동로(38)를 포함한다. 캐소드 유동로(38)는 본 기술 분야에 공지된 매니폴드와 같이 산화제를 연료 전지(12)로 유도하기 위한 캐소드 입구(40)를 포함한다. 빈틈, 채널 또는 지지 재료의 세공으로서 형성되고, 산화제가 캐소드 촉매(16)에 근접하게 진행하도록 유도하기 위해 캐소드 촉매(16)에 근접하게 유체 연통되며, 캐소드 유동로(24)의 일부인 캐소드 입구(40)는 캐소드 유동장(42)과 유체 연통한다. 또한, 캐소드 유동로(38)는 산화제를 연료 전지(12) 밖으로 유도하기 위해 캐소드 유동장(42)과 유체 연통하는 캐소드 배출관(44)을 포함한다. 캐소드 배출 밸브(46)는 캐소드 배출관(44)과 유체 연통하도록 고정되고, 캐소드 배출 통기구(48)는 캐소드 배출 밸브(44)에 고정된다. 본 기술 분야에 공지된 바와 같이, 가스가 반응시 또는 응축시 소모됨으로 인하여 연료 전지(12)가 정지하는 동안 캐소드 유동로(38) 내에서 부분적인 진공이 형성되는 것을 피하기 위해, 대기 중의 공기가 캐소드 유동로(38)로 유입될 수 있도록 공지된 일방향 성질을 갖는 캐소드 진공 완화 밸브(50) 또는 체크 밸브가 캐소드 배출관(44) 또는 캐소드 유동로(38)에 고정될 수 있다.
애노드 배출 통기구(34) 및 캐소드 배출 통기구(48) 모두는 연료 전지(12) 아래에 배치되고, 여기서 "아래"는 도1에 도시된 화살표(53) 방향으로 표시된 중력 방향이다. 애노드 유동로(24) 및 캐소드 유동로(38)로부터 가스를 방출시키도록 배치된 애노드 배출 통기구(34)와 캐소드 배출 통기구(48)를 연료 전지(12) 아래에 구비함으로써, 임의의 수소가 통기구(34, 48)를 통과하기 전에 더 무거운 산소가 통기구(34, 48)를 통하여 중력 방향(53)으로 유동하기 쉬운 반면, 산소보다 가벼운 수소 가스는 산소 위로 상승하여 연료 전지(12) 내에 잔류하기 쉽다. 또한, 애노드 배출 통기구(34) 및 캐소드 배출 통기구(48)는 연료 전지(12) 내부에 진공이 형성되는 것을 방지하는 진공 완화 밸브의 형태일 수 있다.
수소 입구 밸브(52)는 애노드 유동로(24)의 애노드 입구(26)와 수소 연료가 애노드 유동로(24)로 유입되도록 선택적으로 유도하기 위한 수소 함유 환원 유체 연료 저장조 소스(54) 사이에서 유체 연통하도록 고정된다. 수소 연료 공급 라인(55)은 수소 연료 소스(54)와 수소 입구 밸브(52) 사이에 고정될 수 있다. 산화제 입구 밸브(56)는 대기와 같은 산소 함유 산화제 소스(58)와, 산화제가 캐소드 유동로(38)로 유입되도록 선택적으로 유도하기 위한 캐소드 입구(58) 사이에서 유체 연통하도록 고정된다. 산화제 송풍기 또는 압축기(60)는 산화제가 캐소드 유동로(38) 내에 유입되어 통과할 때 이를 가압하기 위하여 산화제 입구 밸브(56)와 산화제 소스(58) 사이의 산화제 공급 라인(62)에 고정될 수 있다. 산화제 입구 밸브(56)는 송풍기(60)의 상류 또는 (도1에 도시된 바와 같은) 산화제 송풍기(60)의 하류에 위치될 수 있다.
또한, 시스템은 연료 전지(12)의 셧다운 동안 애노드 유동로(24)와 캐소드 유동로(38) 사이로의 수소 연료 이송을 선택적으로 허용하기 위해, 애노드 유동로(24)와 캐소드 유동로(38) 사이에서 연통하는 수소 이송 수단을 포함한다. 애노드 입구(26) 및 캐소드 입구(40) 사이에서와 같이, 수소 이송 수단은 애노드 유동로(24)와 캐소드 유동로(38) 사이에서 유체 연통하도록 고정된 수소 이송 밸브(64)일 수 있다. 본 명세서에서 어구 "선택적으로" 허용하는 또는 안내하는의 사용은 수소 이송 밸브(64)와 같은 스위치 또는 밸브가 애노드 유동로(24)와 캐소드 유동로(38) 사이로의 수소 연료의 유동을 가능케 하도록 개방 상태로 선택되거나, 밸브(64)가 애노드와 캐소드 유동로(24, 38) 사이로의 수소 연료의 유동을 금지하도록 폐쇄 상태로 선택되는 것을 의미한다.
대안으로, 수소 이송 수단은 전기화학 수소 펌프 형태일 수도 있으며, 수소는 본 기술 분야에 공지된 방식으로 연료 전지를 통해 직류를 보내어 애노드 유동로(24)로부터 캐소드 유동로(38)로 전기화학적으로 펌핑되어, 수소가 애노드 촉매(14)에서 소모되고 캐소드 촉매(16)에서 방출되어 캐소드 유동장(42)에서의 수소 농도를 증가시킨다. 이러한 수소 이송 전기화학 펌프는 연료 전지(12)의 셧다운 동안 캐소드 유동로(38) 내의 산소 농도를 감소시켜 산소 농도를 감소하기 위한 추가의 밸브 및 배관에 대한 필요를 줄인다. 수소 이송 수단은 수소 이송 양성자 교환 박막 (PEM) 전해질(18)일 수도 있고, 캐소드 유동장(42) 내의 수소 농도가 애노드 유동장(28) 내의 수소 농도와 대체로 평형이 될 때까지 수소는 PEM 전해질(18)을 가로질러 확산된다. 이러한 수소 이송 수단은 전술한 수소 이송 밸브(64) 및 수소 이송 전기화학 펌프보다 낮은 속도로 수소를 이송하지만, 수소 이송 PEM 전해질은 최소로 복잡한 수소 이송 수단이다.
또한, 시스템(10)은 애노드 유동로(24)와 유체 연통하도록 고정되어 수소 연료를 저장하기 위한 수소 저장조 수단을 포함한다. 수소 저장조 수단은 용기(66)와 애노드 유동로(24)의 애노드 입구(26) 사이에 고정된 용기 공급 라인(68)을 통하는 것과 같이 애노드 유동로(24)와 유체 연통하도록 연료 전지(12)의 외부에 고정된 (도1에 도시된 바와 같은) 수소 용기(66)의 형태일 수 있다.
대안으로서, 수소 저장조 수단은 코팅 등에 의해 캐소드 유동로(38) 내에 고정된 수소화물과 같은 수소 저장 매체의 형태일 수 있다. 또한, 수소 저장 매체는 다공성 애노드 기판층(20)의 세공 코팅처럼 도포될 수 있어서, 수소 연료는 연료가 애노드 유동로(24)를 통과함에 따라 저장 매체 내에 저장된다. 또한, 수소 용기(66)는 용기(66) 내에 수소 저장 매체를 포함할 수 있다. 또한, 수소 저장 매체가 애노드 유동로(24)를 통과하는 수소 연료와 유체 연통하도록 수소 저장 매체는 애노드 입구(26) 또는 애노드 배출관(30) 내에 형성된 입구나 배출 매니폴드의 코팅의 형태일 수 있다. 수소 저장조 수단의 수소 저장 매체는 수소 연료에 노출되는 애노드 유동장(28) 내의 코팅일 수도 있다. 따라서, 수소 연료를 저장하기 위한 수소 저장조 수단은 연료가 애노드 유동로(24)를 통과함에 따라 수소 연료를 저장할 수 있고, 이러한 매체는 더 이상 수소 연료가 수소 연료 저장 소스(52)로부터 애노드 유동로(24)로 통과하지 않는 경우에는 언제라도 저장된 수소를 애노드 유동로(24)로 수동적으로 방출할 수 있다. 수소 저장조 수단 및 수소 이송 수단은, 시스템(10)이 대체로 순수한 수소인 애노드 유동로(24) 및 캐소드 유동로(38)에서의 수소 농도를 얻을 수 있도록 구성되거나, 대안으로 본래 순수한 수소인 애노드 유동로(24)와 캐소드 유동로(38) 내에서의 농도를 얻을 수 있도록 구성되는데, 여기서, "대체로 순수한 수소"란 70 퍼센트 수소보다 큰 수소 농도이며, "본래 순수한 수소"란 90 퍼센트 수소보다 큰 수소 농도를 나타낸다.
또한, 연료 전지 동력 설비(10)용 수소 패시베이션 셧다운 시스템은 도1에 도시된 바와 같이, 캐소드 유동로(38)의 캐소드 배출관(44)과 송풍기(60) 상류 및 산화제 소스 격리 밸브(71) 하류의 산화제 공급 라인(62) 사이에서 유체 연통하도록 고정된 제1 캐소드 재생 라인(70)을 포함할 수 있다. 캐소드 재생 밸브(72)는 캐소드 배출 스트림의 일부가 캐소드 배출관(44)에서 산화물 공급 라인(62)으로 진행하여 캐소드 유동로(38)를 다시 통과하는 것을 선택적으로 허용할 수 있다. 산화제 소스 격리 밸브(71)가 폐쇄될 때, 캐소드 유동장(42), 본 기술 분야에 공지된 배관 및 관련 입구와 출구 매니폴드를 포함하는 캐소드 유동로(38)로부터 산소 감소 속도를 가속하도록 캐소드 재생 송풍기(76) 또는 산화제 송풍기(60)가 셧다운 공정 동안 연속적으로 또는 간헐적으로 작동될 수 있다. 이러한 재생 유동이 없는 경우 캐소드 유동로(38) 매니폴드 내에 함유된 산소는 캐소드 촉매(16) 상의 수소와 반응하는 캐소드 유동장(42)으로 천천히 확산된다. 수소와의 이러한 반응은 수소를 소모시킴으로써, 연료 전지(12)가 화합하기 어려운 상태(passive state)에서 유지될 수 있는 시간을 감소시킨다. 제1 캐소드 재생 라인(70) 및 캐소드 유동로(38)를 통해 수소 저장조 수단(66)으로부터 수소를 재생하는 것은 연료 전지(12) 셧다운 공정의 마지막에 연료 전지(12)의 수소 농도를 최대화한다. 그 결과, 연료 전지(12)가 추가의 수소를 연료 전지(12)에 부가하지 않고 화합하기 어려운 상태로 유지될 수 있는 지속 시간을 최대화한다.
제2 캐소드 재생 라인(74)은 캐소드 재생 밸브(72)와 캐소드 입구(40) 사이에서 유체 연통하도록 고정될 수 있고, 캐소드 재생 송풍기(76)는 제2 캐소드 재생 라인을 통하는 유동을 가속하도록 제2 캐소드 재생 라인(74)에 고정될 수 있다. 또한, 시스템(10)은 애노드 재생 라인(75)을 통한 유동을 가속하도록 애노드 재생 라인(75)에 고정된 애노드 재생 송풍기(77)를 갖는 애노드 배출관(30)과 애노드 입구(26) 사이에서 유체 연통하도록 고정된 애노드 재생 라인(75)을 포함할 수 있다.
또한, 시스템(10)은 애노드 유동로(24) 및 캐소드 유동로(38) 내의 수소의 농도를 검출하기 위한 수소 센서 수단을 포함할 수 있다. 수소 센서 수단은 연료 전지 동력 설비(10)가 셧다운될 때 캐소드 유동로(38) 내의 수소 농도를 감지하여 제어기에 전달하기 위해, 예를 들면 캐소드 유동장(42) 내에 고정된 직접 수소 센서(78) 또는 본 기술 분야에 공지된 센서일 수 있다. 이러한 제어기는 컴퓨터, 전자-기계 스위치, 인적 제어자(human controller) 등과 같이 검출된 정보를 수용하여 응답할 수 있는 본 기술 분야에 공지된 임의의 제어기 수단(도시되지 않음)일 수 있다.
대안으로는, 수소 센서 수단은 외부 회로(82)를 통하는 것과 같이 연료 전지(12)의 캐소드 촉매(14) 및 애노드 촉매(16)와 전기적으로 연통하도록 고정된 센서 회로(80)일 수 있다. 센서 회로(80)는 D.C. 종래식 조정 전원, 배터리형 전원과 같은 직류 전원(84), 표준 전압계(86)와 같이 센서 회로 내의 전압을 측정하기 위한 전압-측정 장치 수단, 및 센서 회로 스위치(88)를 포함한다. 애노드 유동장(28) 및 캐소드 유동장(42) 양쪽에서의 가스 조성이 순수한 수소에서 공기로 변화될 때, 센서 회로(80)는 고정된 전류에서 전압을 설정함으로써(establishing) 조정된다. 센서 회로(80)는 애노드 촉매(14)와 캐소드 촉매(16) 사이의 전압차를 측정하여 애노드 유동로(24)와 캐소드 유동로(38) 내의 수소 농도를 결정하기 위해 소정의 감지 지속 시간 동안 소정의 검출 전류를 연료 전지(12)에 선택적으로 이송할 수 있다.
연료 전지 동력 설비(10)의 정상적인 작동 중, 주 부하부(90)는 연료 전지(12)에 의해 발생된 전류를 외부 회로(82)를 통해 수신하며, 주 부하 스위치(92)는 폐쇄된다.(상기 스위치는 도1에서 개방된 것으로 도시된다.) 그리고, 보조 부하부(94)는 전류를 수신하지 않고 보조 부하 스위치(96)는 개방되어, 연료 전지 동력 설비(10)는 전기 모터 등과 같은 주 부하부(90)에만 전기를 공급하며, 센서 회로 스위치(88)가 개방되어, 센서 회로(84)는 애노드 및 캐소드 촉매(14, 16)로 임의의 전류를 유도하지 않는다. 산화제 송풍기(60)와 애노드 배출 재생 송풍기가 켜진다. 수소 입구 밸브(52)와 애노드 배출 밸브(32)가 개방되면 산화제 입구 밸브(56)와 캐소드 배출 밸브(46)가 개방된다. 애노드 진공 완화 밸브(36)는 공기가 애노드 유동로로 유동하지 않도록 폐쇄된다.
따라서, 상기 설비(10)의 정상적인 작동 중, 산화제 소스(58)로부터의 공기 등의 프로세스 산화제는 캐소드 유동로(38)를 통해 캐소드 유동장(42)으로 연속적으로 운반되고 캐소드 배출 통기구(48)를 통해 캐소드 유동로(38)를 떠난다. 연료 소스(54)로부터의 수소 함유 환원 유체 연료는 애노드 유동로(24)를 통해 애노드 유동장(28)으로 연속적으로 운반된다. 수소 연료가 소모된 애노드 배출 스트림의 일부는 애노드 배출 통기구(34)와 애노드 배출 밸브(32)를 통해 애노드 유동로(24)를 떠나는 반면에, 종래 기술의 공지된 방식에서는 애노드 재생 라인(75)과 애노드 재생 송풍기(77)가 애노드 유동로(24)를 통해 애노드 배출의 잔부를 재순환시킨다. 애노드 배출 일부를 재생하는 것은 애노드 유동로(24)를 통한 상대적으로 균일한 가스 조성을 유지하고 증가된 수소 이용을 가능하게 한다. 수소는 애노드 유동로를 통과할 때, 공지된 방식으로 애노드 촉매층(14)에 전기화학적으로 반응하여, 양성자(수소 이온)와 전자들을 생성한다. 전자들은 애노드 촉매(14)로부터 외부 회로(82)를 통해 캐소드 촉매(16)로 유동하여 주 부하부(90)에 전력을 공급한다.
작동하는 연료 전지 동력 설비(10)를 셧다운시키는 것은 주 부하부(90)를 접속 해제하도록 외부 회로(82) 내의 주 부하 스위치(92)(도1에 도시됨)를 개방 또는 접속 해제하는 것을 포함한다. 수소 입구 밸브(52)는 개방되게 유지되며, 애노드 배출 재생 송풍기(77)는 애노드 배출의 일부의 재순환을 계속하도록 유지된다. 하지만, 애노드 배출 밸브(32)는 진입하는 연료 내의 수소 함유량에 따라 개방 또는 폐쇄를 유지한다. 신선한 공기 또는 산소의 캐소드 유동로(38)를 통한 유동은 캐소드 송풍기(60)를 정지시켜 중단된다.
셧다운 중, 보조 부하부(94)가 보조 부하 스위치(96)를 폐쇄하여 외부 회로(82)에 연결될 수 있다. 보조 부하부(94)를 통해 전류가 유동하면, 통상 전기화학적 전지 반응이 발생하여, 캐소드 유동로(38) 내의 산소 농도가 감소되고 전지 전압이 낮아진다. 연료 전지(12) 내에 남아있는 모든 산소가 전기화학적으로 반응할 만큼 연료 전지(12) 내에 충분한 수소가 존재하는 동안, 보조 부하부(94)의 인가가 개시된다. 최소한 전지 전압이 소정치, 양호하게는 전지당 0.2 볼트 이하로 내려갈 때까지는 보조 부하부가 연결을 유지하는 것이 바람직하다. 캐소드 촉매(14)와 애노드 촉매(16)를 가로질러 접속된 다이오드(98)는 전지 전압을 감지하여 전지 전압이 소정치보다 높으면 보조 부하부(94)를 통해 전류가 통전될 수 있도록 한다. 이 방식에서, 연료 전지(12) 전압은 소정치로 감소되어 제한된다. 전지 전압이 전지당 0.2 볼트로 떨어지면, 캐소드 유동장(42) 내의 실질적으로 모든 산소와 전해질(18)을 가로질러 애노드 유동장(28)으로 확산되는 모든 것이 소모된다. 그 후, 보조 부하부(94)는 보조 부하 스위치(96)를 개방하여 연결 해제될 수 있지만, 연결을 유지하는 것이 바람직하다.
그 후, 수소 이송 밸브(64)는 개방 상태로 선택되어 수소 연료가 애노드 유동로(24)로부터 캐소드 유동로(38)로 통과할 수 있게 한다. 그 후, 산화제 소스 격리 밸브(71)가 폐쇄되고 캐소드 재생 밸브(72)는 개방되어, 수소 이송 밸브(64)와 캐소드 유동로(38)를 통해 애노드 유동로(24)로부터 수소가 흡인되도록(admitting) 캐소드 재생 송풍기(76) 또는 산화제 송풍기(60)가 작동된다. 수소 센서 수단이 애노드 유동로(24)와 캐소드 유동로(38) 내의 수소 농도가 100 퍼센트 수소라고 판단하면, 애노드 배출 밸브(32)와 캐소드 배출 밸브(46)는 폐쇄되고, 산소 입구 밸브(52), 산화제 입구 밸브(56) 및 캐소드 재생 밸브(72) 역시 폐쇄되는 반면에, 수소 이송 밸브(64)는 개방을 유지한다. 그 후, 수소 저장조 수단 내에 저장된 수소는 연료 전지 동력 설비(10)의 셧다운 중 애노드 유동로(24)와 캐소드 유동로(38) 내의 상승된 수소 농도를 유지하기 위해 수동적으로 방출된다. 셧다운 공정 중 애노드 유동로(24)와 캐소드 유동로(38) 내의 수소 농도를 최대화하는 것이 바람직하다. 셧다운 공정의 말미에 수소 농도를 최대화하는 것은 연료 전지(12)가 더 이상의 수소를 첨가하지 않고 화합하기 어려운 상태에서 유지되는 시간을 최대화한다. 셧다운시 양호한 수소 농도는 70 퍼센트 초과이며, 더 양호한 수소 농도는 90 퍼센트 초과이다. 셧다운 기간 중, 보조 부하부(94)는 보조 부하 스위치(96)를 폐쇄하여 외부 회로(82)와 접속되는 것이 바람직하다. 이것은 개별적인 전극 또는 캐소드 촉매(16) 및 캐소드 기질(22)이 연료 전지(12)로 공기 누설될 가능성을 최소화한다.
상기 설비(10)의 셧다운 중, 공기로부터의 산소는 밀봉부를 통하거나, 또는 애노드 진공 완화 밸브(36)나 캐소드 진공 완화 밸브(50)를 통해 캐소드 유동로(24) 또는 애노드 유동로(38)로 누설될 수 있어, 결국 수소 기준 전극에 대한 애노드 및 캐소드 촉매(14, 16)의 전위가 0.2 볼트 높아져서, 연료 전지(12) 내의 산화 부식을 초래한다. 따라서, 산소를 소모하여 임의의 산화 부식을 최소화하기 위해 전극 전위가 0.2 볼트에 이르기 전에 환원 유체 소스(54)로부터의 수소 가스가 흡인된다. 수소는 애노드 입구 밸브(52)를 개방하고 애노드 재생 송풍기(68)를 작동하여 애노드 유동로(24)를 통해 순환될 수 있으며, 애노드 배기 밸브(32)는 폐쇄를 유지한다. 대안으로는, 수소 연료 저장 소스(54)와 애노드 재생 라인(75) 사이에서 유체 연통식으로 고정된 애노드 재생 밸브(100)는 애노드 유동로(24)에 수소를 공급하도록 개방될 수 있으며, 수소 입구 밸브(52)는 폐쇄를 유지한다. 이러한 흡인된 수소 역시 수소 이송 수단을 통과하여 캐소드 유동로(38)를 통과한다. 또한, 캐소드 재생 송풍기(76) 또는 산화제 송풍기(60)는 캐소드 유동로(38)를 통한 수소의 분배를 촉진하도록 사용될 수 있다. 유동로(24, 38)로 흡입된 수소의 양은 애노드 및 캐소드 유동로(24, 38) 내의 수소 농도에 반비례할 수 있다. 이것은 연료 전지(12)를 화합하기 어려운 상태로 유지하기 위해 요구되는 수소량을 최소화하고 연료 전지(12)가 설비(10)의 셧다운 중 유동로(24, 38)에 수소를 첨가하지 않고 화합하기 어려운 상태로 유지될 수 있는 시간을 최대화할 수 있다.
또한, 센서 회로(80)는 애노드 유동로(24)와 캐소드 유동로(38)로의 수소 연료의 흡인을 제어하기 위해 (도시되지 않은) 수소 흡인 제어 수단과 통신이 가능하다. 수소 흡인 제어 수단은, 셧다운 모니터링 전압이 센서 전압 제한치 부근임을 또는 센서 전압 제한치를 초과했음을 센서 회로(80)가 검출하는 즉시 유동로(24, 38)로의 수소의 흡인 작업을 수행할 수 있는 본 기술 분야의 공지된 임의의 제어기일 수 있다. 예시적인 제어기 수단에는, (도시되지 않은) 동력 설비 조작자에 의한 수소 입구 밸브(52), 애노드 재생 밸브(100)의 간단한 수동 개방이나, 조작자 또는 제어 시스템에 의해 유동로(24, 38) 안으로 수소를 흡인시킬 수 있는 그리고 애노드 배출 재생 송풍기(77)를 시동시킬 수 있는 임의의 다른 기구가 포함된다. 다른 제어 수단에는, 본 기술 분야에 개방 밸브 및 송풍기 등으로 공지된, 감지된 신호에 응답하는 애노드 재생 송풍기(68), 캐소드 재생 송풍기 뿐만 아니라 수소 입구 밸브(52), 애노드 재생 밸브(100)와 전압 측정 장치를 합체한 전기-기계적 제어가 포함될 수 있다.
예컨대, 시스템(10)을 사용하는 수동적인 방법(passive method)에서는, 연료 전지에 의해 전력이 공급되는 자동차가 밤 사이 셧다운되는 것과 같은 셧다운 기간 후, (도시되지 않은) 조작자가 연료 전지(12)를 시동하기 직전에 충분한 양의 수소가 애노드 및 캐소드 유동로(24, 39) 내에 있는지를 판단하기 위해 직접 감지 센서(direct sensor)와 같은 센서 수단을 사용할 수 있다. 센서(78)가, 애노드 전극(14) 및 캐소드 전극(16) 전위를 적절하게 낮은 전위로, 예를 들어, 표준 수소 전극보다 0.2 볼트 낮은 전위로 유지하도록 적당한 수소가 제공되는 것을 나타내면, 수소 이송 밸브(64)가 폐쇄되며, 수소 입구 밸브(52), 산화제 입구 밸브(56) 및 격리 밸브(71)가 개방되어 산화제 송풍기(60)가 활성화되고 애노드 및 캐소드 배출 밸브(32, 46)가 개방되는 일반적인 시동이 사용될 수 있다.
하지만, 센서 수단이 수소의 부적절한 농도를 감지하면, 신속한 수소 정화가 애노드 및 캐소드 촉매(14, 16)와 애노드 및 캐소드 지지 기재층(20, 22)과 접촉한 산소를 제거하도록 사용될 수 있다. 신속한 수소 연료 정화는 1.0초 미만에, 양호하게는 0.2초 미만에, 가장 양호하게는 0.05초 미만에 애노드 입구(26)로부터 애노드 배출관(30)까지 애노드 유동장(28)을 가로지르도록 수소 연료를 유도하는 단계를 포함한다. 보조 부하부(94)는 수소 정화 중 연결되는 것이 바람직하다. 캐소드 유동장(42)으로의 공기 유동은 수소 정화가 완료되고 보조 부하부(96)가 제거된 후 시작된다. 이러한 신속한 수소 연료 정화는 공지된 고압화 수소 연료 소스(54), 또는 역시 공지된 연료 송풍기 또는 압축기를 사용하여 달성될 수 있다. 시스템(10)의 이러한 수동적인 사용에서, 조작자가 있을 경우 수소만이 연료 전지(12)에 흡인되어, 시스템 고장이 동력 설비(10)로부터 수소의 가연성 농축의 방출을 유발할 수 있는, 수반되지 않은 수소 이송의 안전에 대한 우려를 제거한다.
대안으로서, 본 수소 패시베이션 셧다운 시스템(10)의 다른 적극적인 사용에서는, 센서 수단이 캐소드 및 애노드 전극(14, 16) 전위가 허용 가능한 수준보다 더 상승하는 때를 감지하도록 사용될 수 있어서, 수소 흡인 제어기는 센서 수단으로부터의 감지된 정보에 반응하여 수소 입구 밸브(52) 또는 애노드 재생 밸브(100)를 제어하여 허용 가능한 수준 이하로 전극 전위를 감소시켜 애노드 유동로(24)로 적당량의 수소를 흡인한다.
시스템(10)의 특정 실시예에서의 작동 요구 조건은 장기간의 셧다운을 고려하지 않거나, 또는 연료 전지(12)가 수소의 허용될 수 없는 고갈을 제한하기 위해 적절하게 밀봉된 환경에서는, 시스템(10)은 상술된 바와 같이 수소 용기(66)와 같은 수소 저장조 수단으로부터 저장된 수소의 수동적인 방출에만 의존할 수 있다. 이러한 실시예에서, 시스템(10)은, 연료 전지로부터 주 부하부(90)를 연결 해제하는 단계와, 예컨대 산화제 송풍기를 차단해서 산화제 소스로부터 캐소드 유동로(38)로의 산화제 흡인을 종결하는 단계와, 애노드 유동로(24)로부터 캐소드 유동로(38)로 수소의 통과를 허용하도록 수소 이송 수단을 작동시키는 단계와, 애노드 유동로(24)와 캐소드 유동로(38)가 소정의 적절한 체적의 수소로 충전될 때마다 애노드 유동로(24)로의 수소 연료의 유동을 차단하는 단계와, 예컨대 수소 용기(66)와 같은 수소 저장조 수단 내에 저장된 수소의 애노드 유동로(24), 수소 이송 밸브 및 캐소드 유동로(24)로의 방출을 허용하는 단계를 통한 연료 전지(12)의 수소 패시베이션을 포함한다. 또한, 시스템의 이러한 실시예는 캐소드 유동로(38) 내에서 산소를 더욱 신속하게 소비하도록 캐소드 재생 송풍기를 작동시키는 단계와, 애노드 및 캐소드 유동로(24, 38)가 수소로 충전될 때 애노드 및 캐소드 배출 밸브(32, 46)를 폐쇄하는 단계를 선택적으로 포함할 수 있다.
시스템(10)의 요구 조건에 따라 연료 전지의 시동 전에 수동적으로 또는 적극적으로 수소를 재충전하기 위해, 연료 전지(12)를 셧다운하는 동안 연료 전지(12) 내의 산소를 수소와 교체하여 촉매 및 촉매 지지 물질의 산화 부식을 감소시키는 연료 전지 촉매 또는 전극(14, 16)의 효율적인 패시베이션을 제공하는 연료 전지 동력 설비(10)를 위한 본 발명의 수소 패시베이션 셧다운 시스템을 알게 될 것이다.

Claims (27)

  1. a. 전해질(18)의 대향측 상의 캐소드 촉매(16) 및 애노드 촉매(14)와, 수소 연료가 연료 전지(12)를 통해 그리고 애노드 촉매(14) 부근으로 유동하도록 유도하기 위해 애노드 촉매(14)와 유체 연통하는 애노드 유동로(24)와, 산화제 스트림이 연료 전지(12)를 통해 그리고 캐소드 촉매(14) 부근을 유동하도록 유도하기 위해 캐소드 촉매(16)와 유체 연통하는 캐소드 유동로(38)를 구비하며, 수소 함유 환원 유체 연료와 산소 함유 산화 반응물 스트림으로부터 전류를 발생시키는 적어도 하나의 연료 전지(12)와,
    b. 수소 함유 환원 유체 연료 소스(54)와, 수소 연료가 애노드 유동로(24) 안으로 흐르도록 선택적으로 허용하는 애노드 유동로(24) 사이에 고정된 수소 입구 밸브(52)와,
    c. 산소 함유 산화제 소스(58)와, 산화제가 캐소드 유동로(38) 안으로 흐르도록 선택적으로 허용하는 캐소드 유동로(38) 사이에 고정된 산화제 입구 밸브(56)와,
    d. 애노드 유동로(24)와 캐소드 유동로(38) 사이에서의 수소 연료의 유동을 선택적으로 허용하기 위해, 애노드 유동로(24)와 산화제 유동로(38) 사이에서 연통되게 고정된 수소 이송 수단과,
    e. 수소 연료의 유동이 애노드 유동로(24)를 통해 흐르도록 허용하게 수소 입구 밸브(52)가 개방될 때마다 수소 연료를 저장하기 위해, 그리고 수소 입구 밸브(52)가 폐쇄될 때마다 수소 연료를 애노드 유동로(24) 안으로 방출하기 위해, 애노드 유동로(24)와 유체 연통하게 고정된 수소 저장조 수단을 포함하는 연료 전지 동력 설비(10)용 수소 패시베이션 셧다운 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 수소 저장조 수단은 애노드 유동로(24)와 유체 연통된, 연료 전지(12) 외측에 고정된 수소 용기(66)를 포함하는 수소 패시베이션 셧다운 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 수소 용기(66)는 용기(66) 내에 저장된 수소 저장 매체를 포함하는 수소 패시베이션 셧다운 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 수소 저장조 수단은 애노드 유동로(24)와 유체 연통하게 고정된 수소 저장 매체를 포함하는 수소 패시베이션 셧다운 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 수소 저장조 수단은 애노드 유동로(24) 내에 고정된 수소 저장 매체를 포함하는 수소 패시베이션 셧다운 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 수소 저장조 수단은 애노드 촉매(14)를 지지하는 다공성 애노드 기판층(20) 내에 고정된 수소 저장 매체를 포함하는 수소 패시베이션 셧다운 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 수소 이송 수단은 애노드 유동로(24)와 캐소드 유동로(38) 사이에서 유체 연통하게 고정된 수소 이송 밸브(64)를 포함하는 수소 패시베이션 셧다운 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 수소가 애노드 촉매(14)에서 소모되고 캐소드 촉매(16)에서 방출되도록, 수소 이송 수단이 연료 전지(12)와 전기적으로 연통되게 고정된 직류 소스를 갖는 수소 이송 전기화학 펌프를 포함하는 수소 패시베이션 셧다운 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 수소 이송 수단은 캐소드 촉매(16)와 애노드 촉매(14) 사이에 고정된 수소 이송 양성자 교환 박막 전해질(18)을 포함하고, 수소 이송 양성자 교환 박막 전해질(18)은 캐소드 유동로(38) 내의 수소의 농도가 애노드 유동로(24) 내의 수소의 농도와 대체로 평형이 될 수 있도록 양성자 교환 박막 전해질(18)을 가로지르는 수소의 확산을 허용하는 수소 패시베이션 셧다운 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 캐소드 유동로(38)의 캐소드 배출관(44)과 유체 연통하게 고정된 캐소드 바이패스 밸브(72)와, 캐소드 유동로(24)의 캐소드 입구(40)와 캐소드 바이패스 밸브(72) 사이에서 유체 연통하게 고정된 캐소드 바이패스 라인(74)과, 캐소드 배출 스트림의 유동을 캐소드 유동로(24)의 캐소드 입구(40)를 통해 캐소드 배출관(44)으로부터 선택적으로 유도 및 가속시키기 위해 캐소드 입구(40)에 고정된 산화제 송풍기(60) 또는 캐소드 바이패스 라인(74)에 고정된 캐소드 바이패스 송풍기(76) 중 하나를 더 포함하는 수소 패시베이션 셧다운 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 애노드 배출 스트림을 연료 전지(12)로부터 이격되게 동력 설비(10) 외부로 유도하기 위해 애노드 유동로(24)와 유체 연통하게 고정된 애노드 배출 통기구(34)와, 캐소드 배출 스트림을 연료 전지(12)로부터 이격되게 그리고 동력 설비(10)의 외부로 유도하기 위해 캐소드 유동로(38)와 유체 연통하게 고정된 캐소드 배출 통기구(48)를 더 포함하며, 애노드 배출 통기구(34)와 캐소드 배출 통기구(48)는 중력 방향(53)에 있어서 연료 전지(12) 하부에 고정되는 수소 패시베이션 셧다운 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 애노드 배출 통기구(34)는 진공 완화 밸브이고, 캐소드 배출 통기구(48)는 연료 전지(12) 내부에 진공이 형성되는 것을 방지하는 진공 완화 밸브인 수소 패시베이션 셧다운 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 애노드 유동로(24)의 애노드 배출관(30)과 애노드 유동로의 애노드 입구(26) 사이에서 유체 연통되게 고정된 애노드 재생 라인(75)과, 애노드 배출관(30)과 애노드 입구(26) 사이의 애노드 배출 스트림의 유동을 선택적으로 유도 및 가속시키기 위해 애노드 재생 라인(75)에 고정된 애노드 재생 송풍기(77)를 더 포함하는 수소 패시베이션 셧다운 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 애노드 유동로(24) 및 캐소드 유동로(38) 내의 수소의 농도를 검출하기 위해 연료 전지(12)와 연통되게 고정된 수소 센서 수단을 더 포함하는 수소 패시베이션 셧다운 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 수소 센서 수단은 애노드 촉매(14) 및 캐소드 촉매(16)와 전기적 연통되게 고정된 센서 회로(80)를 포함하며, 센서 회로(80)는 전원(84)과, 전압-측정 장치(86)와, 센서 회로 스위치(88)를 포함하며, 센서 회로(80)는, 전원(84)이 애노드 촉매(14)와 캐소드 촉매(16) 사이의 전압차를 측정하기 위해 소정의 검출 지속 시간 동안 소정의 검출 전류를 연료 전지(12)에 선택적으로 통전시킬 수 있도록, 연료 전지(12)에 고정되는 수소 패시베이션 셧다운 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 외부 회로(82)에 연결된 보조 부하(94)를 더 포함하며, 보조 부하(96)는 캐소드 유동로(38) 내의 산소 농도를 감소시키고 연료 전지 전압을 낮추는 수소 패시베이션 셧다운 시스템.
  17. 애노드 촉매(14)와, 전해질(18)의 대향측 상의 캐소드 촉매(16)와, 수소 연료가 연료 전지(12)를 통해 그리고 애노드 촉매(14) 부근으로 유동하도록 유도하기 위해 애노드 촉매(14)와 유체 연통된 애노드 유동로(24)와, 산화제 스트림을 연료 전지(12)를 통해 그리고 캐소드 촉매(14) 부근으로 유동하도록 유도하기 위해 캐소드 촉매(16)와 유체 연통된 캐소드 유동로(38)를 갖는 연료 전지(12)에 대해서, 수소 함유 환원 유체 연료 및 산소 함유 산화 반응물 스트림으로부터 전류를 발생시키는 적어도 하나의 연료 전지(12)를 갖는 연료 전지 동력 설비(10)를 셧다운하는 방법이며,
    a. 연료 전지(12)로부터 주 부하(90)를 연결 해제하는 단계와,
    b. 산화제 소스(58)로부터 캐소드 유동로(24) 안으로의 산화제의 유동을 종결시키는 단계와,
    c. 보조 부하(94)를 연료 전지(12)에 연결시키는 단계와,
    d. 애노드 유동로(24)로부터 캐소드 유동로(38) 안으로의 수소 연료의 이송을 허용하는 단계와,
    e. 애노드 유동로(24) 및 캐소드 유동로(38)가 70 퍼센트 수소 초과의 수소 농도로 충진될 때마다 수소 연료 소스(54)로부터 애노드 유동로(24) 안으로의 수소 연료의 유동을 종결시키는 단계와,
    f. 애노드 유동로(24)와 유체 연통되게 고정된 수소를 저장하는 수소 저장조 수단 내에 저장된 수소의 애노드 유동로(24) 및 캐소드 유동로(38) 안으로의 방출을 허용하는 단계를 포함하는 연료 전지 동력 설비의 셧다운 방법.
  18. 제17항에 있어서, 애노드 유동로(24)로부터 캐소드 유동로(38) 안으로의 수소 연료의 이송을 허용하는 단계는, 수소 연료가 애노드 유동로(24)와 캐소드 유동로(38) 사이에 유체 연통하게 고정된 수소 이송 밸브(64)를 통과하도록 유도하는 단계를 포함하는 연료 전지 동력 설비의 셧다운 방법.
  19. 제17항에 있어서, 애노드 유동로(24)로부터 캐소드 유동로(38) 안으로의 수소 연료의 이송을 허용하는 단계는, 연료 전지(12)에 직류를 통과시킴으로써 수소를 애노드 유동로(24)로부터 캐소드 유동로(38) 안으로 전기화학적으로 펌핑하는 단계를 포함하는 연료 전지 동력 설비의 셧다운 방법.
  20. 제17항에 있어서, 애노드 유동로(24)로부터 캐소드 유동로(38) 안으로의 수소 연료의 이송을 허용하는 단계는, 수소가 양성자 교환 박막 전해질(18)을 통해 애노드 유동로(24)로부터 캐소드 유동로(38) 안으로 확산될 수 있도록, 애노드 촉매(14)와 캐소드 촉매(16) 사이에 양성자 교환 박막 전해질(18)을 고정하는 단계를 포함하는 연료 전지 동력 설비의 셧다운 방법.
  21. 제17항에 있어서, 수소 연료의 이송을 허용하는 단계 이후 및 수소 연료의 유동을 종결시키는 단계 이전에, 산화제 송풍기(60) 또는 캐소드 바이패스 송풍기(76) 중 하나로 캐소드 유동로(38)의 캐소드 배출관(44)으로부터 캐소드 바이패스 라인(74)을 통해 캐소드 유동로(38)의 캐소드 입구(40) 쪽으로 캐소드 배출 스트림의 유동을 가속시키는 단계를 더 포함하는 연료 전지 동력 설비의 셧다운 방법.
  22. 제17항에 있어서, 수소 저장조로부터 애노드 유동로(24) 내로의 수소의 방출을 허용하는 단계 이후에, 애노드 유동로(24) 또는 캐소드 유동로(38) 내의 수소의 농도를 검출하는 수소 센서 수단으로 애노드 유동로(24) 또는 캐소드 유동로(38) 내의 수소의 양을 주기적으로 검출하여, 애노드 유동로(24) 또는 캐소드 유동로(38) 내의 수소의 농도가 70 페센트를 초과하여 유지되도록 센서 수단에 의해 검출되는 수소의 농도에 따라 애노드 유동로(24)에 수소를 흡인시키는 단계를 더 포함하는 연료 전지 동력 설비의 셧다운 방법.
  23. 제22항에 있어서, 애노드 유동로(24) 안으로 수소를 흡인시키는 단계는 애노드 유동로(24) 내의 90 퍼센트 수소 초과의 농도로 애노드 유동로(24) 내에 수소를 흡인시키는 단계를 더 포함하는 연료 전지 동력 설비의 셧다운 방법.
  24. 제17항에 있어서, 수소 저장조로부터 애노드 유동로(24) 안으로 수소를 방출하도록 허용하는 단계 이후에, 애노드 유동로(24) 또는 캐소드 유동로(38) 내의 수소의 농도를 검출하는 수소 센서 수단으로 애노드 유동로(24) 또는 캐소드 유동로(38) 내의 수소의 양을 주기적으로 검출하여, 애노드 유동로(24) 또는 캐소드 유동로(38) 내의 수소의 검출된 농도에 반비례하는 농도로 애노드 유동로(24) 안으로 수소를 흡인시키는 단계를 더 포함하는 연료 전지 동력 설비의 셧다운 방법.
  25. 제17항에 있어서, 수소 저장조로부터 애노드 유동로(24) 안으로의 수소의 방출을 허용하는 단계 이후에, 애노드 유동로(24) 또는 캐소드 유동로(38) 내의 수소의 농도를 검출하는 수소 센서 수단으로 애노드 유동로(24) 또는 캐소드 유동로(38) 내의 수소의 양을 검출하여, 검출된 수소 농도가 0.0001 퍼센트 미만일 때마다, 수소 연료가 애노드 입구(26)와 애노드 배출관(30) 사이에 1.0 초 미만 내에 연료 전지(12)의 애노드 유동장(28)을 가로지르도록 유도되어 연료 전지(12)를 시동시키는 신속한 수소 연료 정화를 수행하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 동력 설비의 셧다운 방법.
  26. 제25항에 있어서, 신속한 수소 연료 정화 단계는 수소 연료가 애노드 입구(26)와 애노드 배출관(30) 사이에 0.2 초 미만 내에 연료 전지(12)의 애노드 유동장(28)을 가로지르도록 유도하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 동력 설비의 셧다운 방법.
  27. 제25항에 있어서, 신속한 수소 연료 정화 단계는 수소 연료가 애노드 입구(26)와 애노드 배출관(30) 사이에 0.05 초 미만 내에 연료 전지(12)의 애노드 유동장(28)을 가로지르도록 유도하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 동력 설비의 셧다운 방법.
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