KR101320328B1 - 독립운전 수소펌프 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 독립운전 수소펌프 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 여러 구현예에 따른 수소펌프 시스템은 외부 전원 없이도 독립적으로 운전하여 수소를 분리 또는 정제할 수 있다.
Description
본 발명은 독립운전 수소펌프 시스템에 관한 것이다.
효과적인 수소 분리 또는 정제 기술은 수소 경제의 발전을 위해 반드시 필요한 전제적 요건이다. 즉 여러 분야에서 수소를 에너지원으로 사용하기 위해서는 수소 정제 기술이 발전해야 한다.
구체적으로, 수소는 예를 들어 암모니아 생산, 정유, 메탄올 생산, 수소화 공정과 같은 다양한 산업 공정에서 사용되는 중요한 반응물 또는 부산물이다. 따라서 많은 공정에 있어, 예를 들어 CO2 혼합가스에서 수소를 제거함으로써 CO2를 농축하여 CO2 제거 공정에 활용하거나, 탄소계 연료의 반응 생성물 또는 부산물로 배출되는 혼합 기체 중에 H2/(CO+CO2) 비율을 높이거나, 암모니아 생산 공정에서 H2/N2 비율을 조절하는 것이 에너지원으로 수소의 사용에 있어 매우 중요하다.
수소 정제를 위하여, 종래 양성자 교환막(proton exchange membrnae, PEM)을 이용하여 전기화학적 수소 펌핑 기술은 종래 US 3,489,670호 등에 의해 공지된 바 있으나, 이러한 기술들은 모두 외부 전원이 별도로 공급되어야만 운전이 가능하다는 한계가 있다.
따라서, 본 발명은 외부 전원 없이도 수소를 분리 또는 정제할 수 있는 독립운전 수소펌프 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 대표적인 일 측면에 따르면, (i) (a1) 제1 수소펌프, (a2) 제2 수소펌프, ... (am) 제m 수소펌프로 구성된 m개의 수소펌프, 및 (ii) (b1) 제1 연료전지, (b2) 제2 연료전지, ... (bn) 제n 연료전지로 구성된 n개의 연료전지를 포함하는 독립운전 수소펌프 시스템 관한 것이다.
본 발명의 여러 구현예에 따르면, 외부 전원 없이도 수소를 분리 또는 정제할 수 있는 다양한 형태의 독립운전 수소펌프 시스템이 제공된다.
도 1은 기존 수소펌프 시스템에 대한 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 독립운전 수소펌프 시스템에 대한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 독립운전 수소펌프 시스템의 내부 구조에 대한 개략도이다. 도 3에서 스택 맨 좌측 수소펌프와 스택 맨 우측의 연료전지를 연결하는 외부 전선은 생략하였으며, 외부 전선에 온도 유지 등을 위한 저항(Vr), 추가 전원(Vext), 전류계 등이 포함될 수 있다.
도 4a, 4b는 PBI 막을 사용한 MEA의 성능 곡선이다(혼합가스 H2+CO2, 160 ℃).
도 5a, 5b는 Nafion 막을 사용한 MEA의 성능 곡선이다(RH 100%, H2, 65 ℃).
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따라 1개의 연료전지와 1개 이상의 수소펌프로 시스템을 구성하고, 연료전지 운전 시 생성된 전압과 수소펌프 운전 시 필요한 총 전압이 같을 경우에, 수소펌프 개수에 따른 전류밀도의 변화를 보여준다(Nafion막을 사용한 MEA).
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따라 1개의 연료전지와 1개 이상의 수소펌프로 시스템을 구성하는 경우에, 수소펌프 개수에 따른 수소 발생량을 보여준다(Nafion막을 사용한 MEA).
도 8은 본 발명의 일 구현예에 따라 1개의 연료전지와 1개 이상의 수소펌프로 시스템을 구성하는 경우에, '수소펌프 개수'에 따른 '연료전지 가격 대비 시스템 총 가격 비율'을 보여준다(Nafion막을 사용한 MEA).
도 9는 본 발명의 일 구현예에 따라 1개의 연료전지와 1개 이상의 수소펌프로 시스템을 구성하는 경우에, 수소펌프 개수에 따른 효율을 계산하여 보여주는 그래프이다(Nafion막을 사용한 MEA). 여기서, α는 연료전지가격 대비 수소펌프 가격(M수소펌프/M연료전지)을 의미한다.
도 2는 본 발명에 따른 독립운전 수소펌프 시스템에 대한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 독립운전 수소펌프 시스템의 내부 구조에 대한 개략도이다. 도 3에서 스택 맨 좌측 수소펌프와 스택 맨 우측의 연료전지를 연결하는 외부 전선은 생략하였으며, 외부 전선에 온도 유지 등을 위한 저항(Vr), 추가 전원(Vext), 전류계 등이 포함될 수 있다.
도 4a, 4b는 PBI 막을 사용한 MEA의 성능 곡선이다(혼합가스 H2+CO2, 160 ℃).
도 5a, 5b는 Nafion 막을 사용한 MEA의 성능 곡선이다(RH 100%, H2, 65 ℃).
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따라 1개의 연료전지와 1개 이상의 수소펌프로 시스템을 구성하고, 연료전지 운전 시 생성된 전압과 수소펌프 운전 시 필요한 총 전압이 같을 경우에, 수소펌프 개수에 따른 전류밀도의 변화를 보여준다(Nafion막을 사용한 MEA).
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따라 1개의 연료전지와 1개 이상의 수소펌프로 시스템을 구성하는 경우에, 수소펌프 개수에 따른 수소 발생량을 보여준다(Nafion막을 사용한 MEA).
도 8은 본 발명의 일 구현예에 따라 1개의 연료전지와 1개 이상의 수소펌프로 시스템을 구성하는 경우에, '수소펌프 개수'에 따른 '연료전지 가격 대비 시스템 총 가격 비율'을 보여준다(Nafion막을 사용한 MEA).
도 9는 본 발명의 일 구현예에 따라 1개의 연료전지와 1개 이상의 수소펌프로 시스템을 구성하는 경우에, 수소펌프 개수에 따른 효율을 계산하여 보여주는 그래프이다(Nafion막을 사용한 MEA). 여기서, α는 연료전지가격 대비 수소펌프 가격(M수소펌프/M연료전지)을 의미한다.
이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, (i) (a1) 제1 수소펌프, (a2) 제2 수소펌프, ... (am) 제m 수소펌프로 구성된 m개의 수소펌프, 및 (ii) (b1) 제1 연료전지, (b2) 제2 연료전지, ... (bn) 제n 연료전지로 구성된 n개의 연료전지를 포함하는 독립운전 수소펌프 시스템이 개시된다.
상기 (a1) 제1 수소펌프는 (a1-1) 제1 수소펌프 전극-막 접합체, 및 상기 제1 수소펌프 전극-막 접합체 일측에 위치한 (a1-2) 제1 수소펌프 수소공급부과 (a1-3) 제1 수소펌프 잔여기체배출부, 및 상기 제1 수소펌프 전극-막 접합체 타측에 위치한 (a1-4) 제1 수소펌프 수소배출부를 포함하고; 상기 (a2) 제2 수소펌프는 (a2-1) 제1 수소펌프 전극-막 접합체, 및 상기 제2 수소펌프 전극-막 접합체 일측에 위치한 (a2-2) 제2 수소펌프 수소공급부과 (a2-3) 제2 수소펌프 잔여기체배출부, 및 상기 제2 수소펌프 전극-막 접합체 타측에 위치한 (a2-4) 제2 수소펌프 수소배출부를 포함하고; ... 상기 (am) 제m 수소펌프는 (am-1) 제m 수소펌프 전극-막 접합체, 및 상기 제m 수소펌프 전극-막 접합체 일측에 위치한 (am,-2) 제m 수소펌프 수소공급부과 (am-3) 제m 수소펌프 잔여기체배출부, 및 상기 제m 수소펌프 전극-막 접합체 타측에 위치한 (am-4) 제m 수소펌프 수소배출부를 포함한다.
상기 (b1) 제1 연료전지는 (b1-1) 제1 연료전지 전극-막 접합체, 및 상기 제1 연료전지 전극-막 접합체 일측에 위치한 (b1-2) 제1 연료전지 수소공급부, 및 상기 제1 연료전지 전극-막 접합체 타측에 위치한 (b1-3) 제1 연료전지 연료기체공급부와 (b1-4) 제1 연료전지 물배출부를 포함하고; 상기 (b2) 제2 연료전지는 (b2-1) 제2 연료전지 전극-막 접합체, 및 상기 제2 연료전지 전극-막 접합체 일측에 위치한 (b2-2) 제2 연료전지 수소공급부, 및 상기 제2 연료전지 전극-막 접합체 타측에 위치한 (b2-3) 제2 연료전지 연료기체공급부와 (b2-4) 제2 연료전지 물배출부를 포함하고; ... 상기 (bn) 제n 연료전지는 (bn-1) 제n 연료전지 전극-막 접합체, 및 상기 제n 연료전지 전극-막 접합체 일측에 위치한 (bn-2) 제n 연료전지 수소공급부, 및 상기 제n 연료전지 전극-막 접합체 타측에 위치한 (bn-3) 제n 연료전지 연료기체공급부와 (bn-4) 제n 연료전지 물배출부를 포함한다.
상기 독립운전 수소펌프 시스템은 상기 m개의 수소펌프와 상기 n개의 연료전지 사이에 전자가 이동할 수 있는 (m+n-1)개의 집전체를 포함하고; 상기 독립운전 수소펌프 시스템을 이루는 스택의 앞뒤 각각에 제1 엔드 플레이트 및 제2 엔드 플레이트를 포함하고; 상기 제1 엔드 플레이트 및 상기 제2 엔드 플레이트는 서로 전기적으로 연결되어 있다.
상기 (a1-2) 제1 수소펌프 수소공급부, 상기 (a2-2) 제2 수소펌프 수소공급부, ... 상기 (am-2) 제m 수소펌프 수소공급부로 투입되는 기체는 수소 및 적어도 1종 이상의 타기체를 포함하고; 상기 (a1-3) 제1 수소펌프 잔여기체배출부, 상기 (a2-3) 제2 수소펌프 잔여기체배출부, ... 상기 (am-3) 제m 수소펌프 잔여기체배출부로 배출되는 기체는 상기 적어도 1종 이상의 타기체를 포함한다.
상기 (a1-2) 제1 수소펌프 수소공급부로 투입되는 기체 내 수소 함량은 상기 (a1-3) 제1 수소펌프 잔여기체배출부로 배출되는 기체 내 수소 함량보다는 높고, 상기 (a1-4) 제1 수소펌프 수소배출부로 배출되는 기체 내 수소 함량보다는 낮으며; 상기 (a2-2) 제2 수소펌프 수소공급부로 투입되는 기체 내 수소 함량은 상기 (a2-3) 제2 수소펌프 잔여기체배출부로 배출되는 기체 내 수소 함량보다는 높고, 상기 (a2-4) 제2 수소펌프 수소배출부로 배출되는 기체 내 수소 함량보다는 낮으며; ... 상기 (am-2) 제m 수소펌프 수소공급부로 투입되는 기체 내 수소 함량은 상기 (am-3) 제m 수소펌프 잔여기체배출부로 배출되는 기체 내 수소 함량보다는 높고, 상기 (am-4) 제m 수소펌프 수소배출부로 배출되는 기체 내 수소 함량보다는 낮다.
상기 m은 1 이상의 정수이고, 상기 n은 1 이상의 정수이다.
상기 n개의 연료전지 수소공급부 중 적어도 하나 이상의 연료전지 수소공급부는 상기 (a1-4) 제1 수소펌프 수소배출부, 상기 (a2-4) 제2 수소펌프 수소배출부, ... 상기 (am-4) 제m 수소펌프 수소배출부 중에서 선택된 어느 하나 이상의 수소펌프 수소배출부로부터 배출된 수소를 투입받아 수소펌프 시스템이 독립적으로 운전된다.
종래 수소펌프 시스템은 통상적으로 외부에서 전원을 부가하여 운전되었으나, 본 발명의 여러 구현예에 따른 독립운전 수소펌프 시스템은 외부에 별도의 전원을 부가하지 않고도 운전 가능하며, 다만 수소 생산량 증가 등 필요에 의해 별도의 외부 전원을 추가로 구성할 수도 있다. 따라서, 본 발명에 있어서 독립운전 수소펌프 시스템이란 별도의 외부 전원 없이도 고순도 수소 생산이 가능한 수소펌프라는 의미이며, 외부에 전원을 구비하지 않은 수소펌프만을 의미하는 것은 아니다.
본 발명의 독립운전 수소펌프 시스템은 m의 수소펌프와 n개의 연료전지로 구성되며, 연료전지 중 일부는 수소펌프로부터 배출되는 농축된 수소를 공급받아 전기를 생산하고, 이렇게 생산된 전기를 수소펌프 운전에 사용한다.
예를 들어, 본 발명의 독립운전 수소펌프는 도 3에 나타낸 바와 같이 5개의 수소펌프 및 1개의 연료전지로 구성된 수소펌프 시스템을 구성할 수 있는데, 수소펌프와 연료전지 각각은 전해질막과 그 앞뒤에 애노드와 캐소드의 전극층을 포함하는 막-전극 접합체를 포함한다. 또한, 각각의 수소펌프와 연료전지 사이에는 전자가 이동할 수 있는 집전체를 포함할 수 있다.
이 경우, 도 3에 예시적으로 나타낸 바와 같이 제1 수소펌프 수소공급부를 통해 공급된 수소는 제1 수소펌프 막-전극 접합체 일측의 애노드에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 이 중에서 전자는 엔드 플레이트와 외부 회로를 통해 연료전지 쪽 엔드 플레이트를 거쳐 연료전지 캐소드로 이동하여 연료전지 막-전극 접합체를 통과한 수소 이온 및 연료전지 연료기체공급부를 통해 공급된 산소와 반응하여 물을 생성시킨다.
또한, 생성된 수소 이온은 제1 수소펌프 막-전극 접합체를 통과한 후, 제2 수소펌프 애노드에서 분리되어 제1 수소펌프와 제2 수소펌프 사이의 집전체를 통해 이동한 전자와 제1 수소펌프 막-전극 접합체 타측의 캐소드에서 만나 수소를 형성시키고, 형성된 수소 기체는 제1 수소펌프 막-전극 접합체 타측의 제1 수소펌프 수소배출부를 통해 배출된다.
한편, 제1 수소펌프 수소공급부를 통해 공급된 혼합 기체 중에서, 수소 이온 이외의 타기체는 제1 수소펌프 잔여기체배출부를 통해 배출되며, 이 잔여기체에는 공급된 수소 중 수소 이온으로 변환되지 않은 수소 기체가 포함될 수도 있으며, 또는 공급된 수소 기체가 전부 수소 이온으로 변환되는 경우 수소가 전혀 포함되지 않을 수도 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 m은 1 이상의 정수이고, 상기 n은 1 이상 m 미만의 정수이다. 이때, 상기 n개의 연료전지 수소공급부는 상기 (a1-4) 제1 수소펌프 수소배출부, 상기 (a2-4) 제2 수소펌프 수소배출부, ... 상기 (am-4) 제m 수소펌프 수소배출부 중에서 선택된 n개의 수소펌프 수소배출부로부터 배출된 수소를 투입받아 수소펌프 시스템이 독립적으로 운전된다.
즉, 위 구현예에 따르면, 연료전지의 개수보다 많은 수소펌프를 포함하도록 구성할 수 있으며, 이 경우에 상기 연료전지는 상기 수소펌프에서 농축된 고순도 수소 기체를 공급받아 운전되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 m은 1 이상의 정수이고, 상기 n은 m보다 큰 정수이다. 이때, 상기 독립운전 수소펌프 시스템은 외부에서 연료전지로 수소를 공급하는 (n-m) 개의 외부 연료전지 수소공급부를 포함한다. 또한, 상기 n개의 연료전지 수소공급부 중에서 선택된 m개의 연료전지 수소공급부는 상기 (a1-4) 제1 수소펌프 수소배출부, 상기 (a2-4) 제2 수소펌프 수소배출부, ... 상기 (am-4) 제m 수소펌프 수소배출부로부터 배출된 수소를 투입받고, 한편 나머지 (n-m) 개의 연료전지 수소공급부는 상기 (n-m) 개의 외부 연료전지 수소공급부로부터 수소를 공급받아 수소펌프 시스템이 독립적으로 운전된다.
즉, 위 구현예에 있어서, 연료전지의 개수보다 적은 수소펌프를 포함하도록 구성할 수도 있으며, 이 경우에는 상기 연료전지 중 수소펌프의 개수만큼은 상기 수소펌프에서 농축된 고순도 수소 기체를 공급받아 운전되는 것이 바람직하고, 나머지 연료전지는 외부에서 별도로 수소를 공급받아 운전될 수 있다. 이때 외부에서 별도로 공급받는 수소는 통상의 연료전지에 공급되는 정도의 고순도 수소 기체인 것이 바람하다.
본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 m개의 수소펌프 및 제n 연료전지는 제1 수소펌프, 제2 수소펌프, ... 제m 수소펌프 및 제1 연료전지, 제2 연료전지, ... 제n 연료전지의 순서대로 직렬 연결되어 있다. 또한, 상기 제m 수소펌프와 상기 제1 연료전지 사이에 위치한 집전체는 수소와 전자가 이동할 수 있는 다공성 집전체인 것이 바람직하다.
즉, 위 구현예에 따르면, 상기 m개의 수소펌프 및 상기 n개의 연료전지는 제1 수소펌프, 제2 수소펌프, ... 제m 수소펌프 및 제1 연료전지, 제2 연료전지, ... 제n 연료전지는 서로 직렬로 연결되어 있는 것이 바람직하다. 그 일 구현예에 따르면, 제1 수소펌프, 제2 수소펌프, ... 제m 수소펌프 및 제1 연료전지, 제2 연료전지, ... 제n 연료전지의 순서대로 직렬로 연결되어 있을 수 있다. 이때, 인접 수소펌프 또는 연료전지 간에 수소와 전자가 이동할 수 있도록, 상기 제m 수소펌프와 상기 제1 연료전지 사이에 다공성인 집전체를 두어 시스템을 구성하는 것이 바람직하다. 이러한 구성 디자인에 의해 시스템의 부피 감소로 인해 생산비를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 구성의 단순화를 통해 시스템 내구성을 향상시킬 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 m개의 수소펌프 및 상기 n개의 연료전지는 제1 수소펌프, 제2 수소펌프, ... 제m 수소펌프 및 제1 연료전지, 제2 연료전지, ... 제n 연료전지의 순서대로 일체형 스택을 이루며 직렬 연결되어 있고; 상기 제m 수소펌프와 상기 제1 연료전지 사이에 위치한 집전체는 수소와 전자가 이동할 수 있는 다공성 집전체인 것이 바람직하다. 부피의 소형화뿐만 아니라, 스일체화를 통해 내구성이 더욱 크게 향상시킬 수 있기 때문이다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 m은 2-50의 정수이고, 상기 n은 1-20인 것을 특징으로 한다. 구체적으로, 수소펌프의 개수는 2-50개, 구체적으로 3-30개, 더욱 구체적으로 5-15개일 수 있으며, 연료전지의 개수는 1-20개, 구체적으로 1-10개, 더욱 구체적으로 1-5개일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 독립운전 수소펌프 시스템은 외부 직류 전원을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 여러 구현예에 따른 독립운전 수소펌프 시스템에 있어서, 연료전지의 생성전압과 수소펌프의 소모전압은 아래와 같다. 다만, 아래의 식은 예시로 제시되는 것일 뿐, 이와는 다른 일반적인 함수를 사용하여 본 발명의 다른 구현예를 구성할 수도 있다.
수소펌프 1개: VHP = cI
수소펌프 m개: mVHP = mcI
연료전지 1개: VFC = a + bI
연료전지 n개: nVFC = na + nbI
(상기에서, VHP는 1개의 수소펌프 작동에 필요한 전압, VFC는 1개의 연료전지에서 발생되는 전압, I는 전류, m은 수소펌프의 개수, n은 연료전지의 개수이고, a, b, c는 각 시스템에 특유한 상수이다.)
만일, 외부 직류 전원 없이, 연료전지에 의해 생성된 전압을 모두 수소펌프에 사용하는 경우에 운전 과정에서의 전류밀도는 다음과 같다. 예를 들어 도 4a와 5a는 1개의 연료전지를 사용하는 시스템에 대한 I-V 커브로서, 10개의 수소펌프를 사용하는 경우, 도 4a와 5a에서 각각 0.2 A/cm2와 0.9 A/cm2에서 전류밀도가 결정될 수 있다.
mVHP = nVFC
mcI = na + nbI
I = na/(mc-nb)
또는, 외부 직류 전원을 사용하고, 연료전지에 의해 생성된 전압 중 일부만 수소펌프에 사용하는 경우라면 운전 과정에서의 전류밀도는 다음과 같이 결정될 수 있다.
mVHP + VR = nVFC + Vext
mcI + VR = na + nbI + Vext
I = (Vext - VR + na)/(mc-nb)
(상기에서, Vext는 외부에 부가된 직류 전원의 전압, VR은 시스템 내에 수소펌프 외에 소모되는 전압을 의미한다.)
한편, 본 발명의 일 구현예에 따라 1개의 연료전지를 사용할 때, 수소펌프의 개수가 늘어남에 따라 (i) 전류밀도, (ii) 수소 발생량, (iii) 연료전지 가격 대비 시스템 총 가격의 비율은 각각 도 6 내지 도 8에 나타낸 바와 같은 경향을 보이게 된다. 그 결과, 도 9에 나타낸 바와 같은 그래프를 이용하여, 가격 대비 수소 발생량이 최대를 보이는 수소펌프 개수를 결정하여, 시스템을 구성할 수 있다.
Claims (7)
- (i) (a1) 제1 수소펌프, (a2) 제2 수소펌프, ... (am) 제m 수소펌프로 구성된 m개의 수소펌프, 및 (ii) (b1) 제1 연료전지, (b2) 제2 연료전지, ... (bn) 제n 연료전지로 구성된 n개의 연료전지를 포함하는 독립운전 수소펌프 시스템으로서;
상기 (a1) 제1 수소펌프는 (a1-1) 제1 수소펌프 전극-막 접합체, 및 상기 제1 수소펌프 전극-막 접합체 일측에 위치한 (a1-2) 제1 수소펌프 수소공급부과 (a1-3) 제1 수소펌프 잔여기체배출부, 및 상기 제1 수소펌프 전극-막 접합체 타측에 위치한 (a1-4) 제1 수소펌프 수소배출부를 포함하고; 상기 (a2) 제2 수소펌프는 (a2-1) 제1 수소펌프 전극-막 접합체, 및 상기 제2 수소펌프 전극-막 접합체 일측에 위치한 (a2-2) 제2 수소펌프 수소공급부과 (a2-3) 제2 수소펌프 잔여기체배출부, 및 상기 제2 수소펌프 전극-막 접합체 타측에 위치한 (a2-4) 제2 수소펌프 수소배출부를 포함하고; ... 상기 (am) 제m 수소펌프는 (am-1) 제m 수소펌프 전극-막 접합체, 및 상기 제m 수소펌프 전극-막 접합체 일측에 위치한 (am,-2) 제m 수소펌프 수소공급부과 (am-3) 제m 수소펌프 잔여기체배출부, 및 상기 제m 수소펌프 전극-막 접합체 타측에 위치한 (am-4) 제m 수소펌프 수소배출부를 포함하며;
상기 (b1) 제1 연료전지는 (b1-1) 제1 연료전지 전극-막 접합체, 및 상기 제1 연료전지 전극-막 접합체 일측에 위치한 (b1-2) 제1 연료전지 수소공급부, 및 상기 제1 연료전지 전극-막 접합체 타측에 위치한 (b1-3) 제1 연료전지 연료기체공급부와 (b1-4) 제1 연료전지 물배출부를 포함하고; 상기 (b2) 제2 연료전지는 (b2-1) 제2 연료전지 전극-막 접합체, 및 상기 제2 연료전지 전극-막 접합체 일측에 위치한 (b2-2) 제2 연료전지 수소공급부, 및 상기 제2 연료전지 전극-막 접합체 타측에 위치한 (b2-3) 제2 연료전지 연료기체공급부와 (b2-4) 제2 연료전지 물배출부를 포함하고; ... 상기 (bn) 제n 연료전지는 (bn-1) 제n 연료전지 전극-막 접합체, 및 상기 제n 연료전지 전극-막 접합체 일측에 위치한 (bn-2) 제n 연료전지 수소공급부, 및 상기 제n 연료전지 전극-막 접합체 타측에 위치한 (bn-3) 제n 연료전지 연료기체공급부와 (bn-4) 제n 연료전지 물배출부를 포함하며;
상기 독립운전 수소펌프 시스템은 상기 m개의 수소펌프와 상기 n개의 연료전지 사이에 전자가 이동할 수 있는 (m+n-1) 개의 집전체를 포함하고; 상기 독립운전 수소펌프 시스템을 이루는 스택의 앞뒤 각각에 제1 엔드 플레이트 및 제2 엔드 플레이트를 포함하고; 상기 제1 엔드 플레이트 및 상기 제2 엔드 플레이트는 외부 전기 회로에 의해 서로 전기적으로 연결되어 있으며;
상기 (a1-2) 제1 수소펌프 수소공급부, 상기 (a2-2) 제2 수소펌프 수소공급부, ... 상기 (am-2) 제m 수소펌프 수소공급부로 투입되는 기체는 수소 및 적어도 1종 이상의 타기체를 포함하고; 상기 (a1-3) 제1 수소펌프 잔여기체배출부, 상기 (a2-3) 제2 수소펌프 잔여기체배출부, ... 상기 (am-3) 제m 수소펌프 잔여기체배출부로 배출되는 기체는 상기 적어도 1종 이상의 타기체를 포함하며;
상기 (a1-2) 제1 수소펌프 수소공급부로 투입되는 기체 내 수소 함량은 상기 (a1-3) 제1 수소펌프 잔여기체배출부로 배출되는 기체 내 수소 함량보다는 높고, 상기 (a1-4) 제1 수소펌프 수소배출부로 배출되는 기체 내 수소 함량보다는 낮으며; 상기 (a2-2) 제2 수소펌프 수소공급부로 투입되는 기체 내 수소 함량은 상기 (a2-3) 제2 수소펌프 잔여기체배출부로 배출되는 기체 내 수소 함량보다는 높고, 상기 (a2-4) 제2 수소펌프 수소배출부로 배출되는 기체 내 수소 함량보다는 낮으며; ... 상기 (am-2) 제m 수소펌프 수소공급부로 투입되는 기체 내 수소 함량은 상기 (am-3) 제m 수소펌프 잔여기체배출부로 배출되는 기체 내 수소 함량보다는 높고, 상기 (am-4) 제m 수소펌프 수소배출부로 배출되는 기체 내 수소 함량보다는 낮으며;
상기 m은 1 이상의 정수이고, 상기 n은 1 이상의 정수이며;
상기 n개의 연료전지 수소공급부 중 적어도 하나 이상의 연료전지 수소공급부는 상기 (a1-4) 제1 수소펌프 수소배출부, 상기 (a2-4) 제2 수소펌프 수소배출부, ... 상기 (am-4) 제m 수소펌프 수소배출부 중에서 선택된 어느 하나 이상의 수소펌프 수소배출부로부터 배출된 수소를 투입받는 것을 특징으로 하는 독립운전 수소펌프 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 m은 1 이상의 정수이고, 상기 n은 1 이상 m 미만의 정수이며;
상기 n개의 연료전지 수소공급부는 상기 (a1-4) 제1 수소펌프 수소배출부, 상기 (a2-4) 제2 수소펌프 수소배출부, ... 상기 (am-4) 제m 수소펌프 수소배출부 중에서 선택된 n개의 수소펌프 수소배출부로부터 배출된 수소를 투입받는 것을 특징으로 하는 독립운전 수소펌프 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 m은 1 이상의 정수이고, 상기 n은 m보다 큰 정수이며;
상기 독립운전 수소펌프 시스템은 외부에서 연료전지로 수소를 공급하는 (n-m) 개의 외부 연료전지 수소공급부를 포함하고;
상기 n개의 연료전지 수소공급부 중에서 선택된 m개의 연료전지 수소공급부는 상기 (a1-4) 제1 수소펌프 수소배출부, 상기 (a2-4) 제2 수소펌프 수소배출부, ... 상기 (am-4) 제m 수소펌프 수소배출부로부터 배출된 수소를 투입받고;
나머지 (n-m) 개의 연료전지 수소공급부는 상기 (n-m) 개의 외부 연료전지 수소공급부로부터 수소를 공급받는 것을 특징으로 하는 독립운전 수소펌프 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 m개의 수소펌프 및 상기 n개의 연료전지는 상기 제1 수소펌프, 상기 제2 수소펌프, ... 상기 제m 수소펌프 및 상기 제1 연료전지, 상기 제2 연료전지, ... 상기 제n 연료전지의 순서대로 직렬 연결되어 있고;
상기 제m 수소펌프와 상기 제1 연료전지 사이에 위치한 집전체는 수소와 전자가 이동할 수 있는 다공성 집전체인 것을 특징으로 하는 독립운전 수소펌프 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 m개의 수소펌프 및 상기 n개의 연료전지는 상기 제1 수소펌프, 상기 제2 수소펌프, ... 상기 제m 수소펌프 및 상기 제1 연료전지, 상기 제2 연료전지, ... 상기 제n 연료전지의 순서대로 일체형 스택으로 직렬 연결되어 있고;
상기 제m 수소펌프와 상기 제1 연료전지 사이에 위치한 집전체는 수소와 전자가 이동할 수 있는 다공성 집전체인 것을 특징으로 하는 독립운전 수소펌프 시스템. - 제2항에 있어서, 상기 m은 2-50의 정수이고, 상기 n은 1-20인 것을 특징으로 하는 독립운전 수소펌프 시스템.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 독립운전 수소펌프 시스템은 외부 직류 전원을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 독립운전 수소펌프 시스템.
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002128505A (ja) | 2000-10-17 | 2002-05-09 | Toyota Motor Corp | 水素抽出装置 |
| US20080241612A1 (en) | 2007-03-30 | 2008-10-02 | Bloom Energy Corporation | Fuel cell system with one hundred percent fuel utilization |
| JP2010241660A (ja) | 2009-04-09 | 2010-10-28 | Toyota Motor Corp | 不純物濃縮装置 |
| JP2010262776A (ja) | 2009-04-30 | 2010-11-18 | Toyota Motor Corp | 燃料電池 |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6001502A (en) * | 1997-06-27 | 1999-12-14 | Plug Power, L.L.C. | Current conducting end plate of fuel cell assembly |
| US7141323B2 (en) * | 2002-08-07 | 2006-11-28 | Plug Power Inc. | Method and apparatus for electrochemical compression and expansion of hydrogen in a fuel cell system |
| US20050058865A1 (en) * | 2003-09-12 | 2005-03-17 | Thompson Eric L. | Self -thawing fuel cell |
| US7449260B2 (en) * | 2003-12-23 | 2008-11-11 | Utc Power Corporation | Fuel cell stack including hydrogen pumping fuel cells |
| GB2411043B (en) * | 2004-02-10 | 2007-09-19 | Ceres Power Ltd | A method and apparatus for operating an intermediate-temperature solid-oxide fuel cell stack |
| US7732073B2 (en) * | 2004-05-04 | 2010-06-08 | Utc Power Corporation | Fuel cell minimum fuel recycle with maximum fuel utilization |
| TWI347701B (en) * | 2006-10-20 | 2011-08-21 | Ind Tech Res Inst | Flat fuel cell assembly |
| US20080292921A1 (en) * | 2007-05-22 | 2008-11-27 | Balasubramanian Lakshmanan | Recovery of inert gas from a fuel cell exhaust stream |
| US9105889B2 (en) * | 2009-11-18 | 2015-08-11 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Method and apparatus for determining humidity states of individual cells in a fuel cell, method and apparatus for controlling humidity states of individual cells in a fuel cell, and a fuel cell system |
-
2012
- 2012-02-15 KR KR1020120015092A patent/KR101320328B1/ko active IP Right Grant
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002128505A (ja) | 2000-10-17 | 2002-05-09 | Toyota Motor Corp | 水素抽出装置 |
| US20080241612A1 (en) | 2007-03-30 | 2008-10-02 | Bloom Energy Corporation | Fuel cell system with one hundred percent fuel utilization |
| JP2010241660A (ja) | 2009-04-09 | 2010-10-28 | Toyota Motor Corp | 不純物濃縮装置 |
| JP2010262776A (ja) | 2009-04-30 | 2010-11-18 | Toyota Motor Corp | 燃料電池 |
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