KR100711986B1 - 연료 전지 장치 및 연료 전지 장치의 구동 방법 - Google Patents

연료 전지 장치 및 연료 전지 장치의 구동 방법 Download PDF

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가부시키가이샤 에쿼스.리서치
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Abstract

본 발명은 수직분사형 연료 전지 장치에 있어서, 공기극, 나아가서는 연료 전지 본체를 효율적으로 냉각한다. 연료 전지 본체의 공기극 표면에 물이 액체 상태로 공급되는 수직분사형 연료 전지 장치에 있어서, 공기극으로 보내여지는 프로세스 공기의 공급량을 최적량으로 제어한다.
연료 전지 장치, 수직분사형, 연료 전지, 공기극, 프로세스 공기, 냉각

Description

연료 전지 장치 및 연료 전지 장치의 구동 방법{Fuel cell apparatus and Operating method thereof }
도 1은 연료 전지 본체의 전류밀도(부하), 공기 배기 온도(본체 자체의 온도) 및 스토이키비(공기 공급량)와의 관계를 도시한 그래프.
도 2는 본 발명의 위치 실시예의 연료 전지 장치의 구성을 도시한 모식도.
도 3은 동 연료 전지 본체의 기본 구성을 도시한 단면도.
도 4는 동 연료 장치의 제어계를 도시한 모식도.
도 5는 동 연료 장치의 동작을 도시한 주 흐름도.
도 6은 동 공기 공급계의 동작을 도시한 흐름도.
도 7은 동 물 공급계의 동작을 도시한 흐름도.
도 8은 동 물 분사량과 수압력의 관계를 도시한 그래프.
도 9는 동 기동시의 제어를 도시한 흐름도.
도 10은 본 발명의 다른 실시예의 연료 전지 장치의 구성을 도시한 모식도.
도 11은 동 제어계를 도시한 모식도.
도 12는 동 공기 공급계의 동작을 도시한 흐름도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 연료 전지 본체 11 : 공기극
12 : 전해질막 13 : 연료극
14, 15 : 매니폴드 16, 17 : 커넥터판
18 : 요홈 20 : 수소 가스 공급계
21 : 수소 공급 장치 23 : 압력 조절 밸브
33 : 응축기 36 : 배기로
39 : 온도계 70 : 제어장치
73 : 메모리
본 발명은 연료 전지 장치에 관한 것으로서, 특히 고분자 고체 전해질막을 가지는 말하자면 PEM형의 연료 전지 장치의 개량에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 수직분사형, 특히 물을 노즐로부터 직접 공기극으로 분사하는 타입의 연료 전지 장치의 개량에 관한 것이다.
PEM형 연료 전지 장치의 전지 본체는, 연료극(수소를 연료극으로 하는 경우는 수소극이라고도 한다)과 공기극(산소가 반응 가스이기 때문에 산소극이라고도 한다. 또한 산화극이라고도 한다)와의 사이에 고분자 고체 전해질막이 삽입된 구성이다. 공기극과 전해질막과의 사이에는 촉매를 포함하는 반응층이 개재되어 있다.
이러한 구성의 연료 전지의 기전력은 연료극(애노드)측에 연료 가스가 공급 되어, 공기극측에 산화가스가 공급되는 결과, 상기 화학반응의 진행에 따라 전자가 발생하여, 이 전자를 외부 회로로 인출하는 것에 의해 발생된다.
즉, 연료극(애노드)에서 얻어지는 수소 이온이 프로톤(H3O+)의 형태로, 수분을 포함한 전해질막중의 공기극(캐소드)측으로 이동하고, 또한 연료극(애노드)으로 얻어진 전자가 외부 부하를 통하여 공기극(캐소드)측으로 이동하여 산화가스(공기를 포함한다)중의 산소와 반응하여 물을 생성한다, 일련의 상기 화학반응에 의해 상기 에너지를 얻을 수 있다.
본 원 출원인은, 발열 반응을 동반하는 공기극을 냉각하여 그 발전능력을 높이는 등의 목적으로 공기극의 표면에 액상의 물을 공급하는 구성의 연료 전지 장치를 일본국 특허출원 평10-378161호(출원인 정리번호: EQ97083, 대리인 정리번호: P0O6703)에 제안하고 있다.
상기 출원에 제안한 소위 수직 분사형 연료 전지 장치로는 연료 전지 본체의 온도에 따라 급수량을 제어하여, 해당 연료 전지 본체의 냉각을 꾀하고 있다. 한편, 공기극에는 항상 일정량의 프로세스 공기가 공급된다. 즉, 공기공급계의 풍량은 항상 일정하다. 상기 출원에 있어서, 연료 전지 본체 냉각시에 있어서의 물의 현열과 잠열의 영향에 관하여 개시하고 있다. 여기에서 현열이란 공급된 물이, 조금도 증발하는 일없이, 연료 전지 본체로부터 빼앗기는 열이다. 잠열이란 직접 분사된 물이 증발할 때 연료 전지 본체로부터 빼앗기는 열이다.
그렇지만, 그 후의 검토에 의해, 연료 전지 본체의 냉각에는 오로지 물의 잠 열이 쓰이고, 현열의 기여는 작게 된다는 것을 알았다. 따라서, 물의 잠열을 보다 효율이 좋게 이용하기 위해서는, 환언하면, 공기극에 공급된 물을 증발시켜 효율이 좋은 연료 전지 본체를 냉각하기 위해서는, 공기극에 공급하는 프로세스 공기의 공급량, 즉 공기공급계의 공기량을 조절하면 좋게 된다.
이번에 새롭게 얻어진 상기 지식에 비추어 먼저 제안한 수직분사형 연료 전지 장치를 보면, 하기의 과제가 고려된다.
연료 전지 본체가 높은 온도로 운전되고 있을 때, 공기극으로 공급되어지고 있는 공기(공급량 일정)가 물의 잠열을 이용하는 데 충분한 양에 도달하고 있지 않으면 연료 전지가 드라이업하여 공기온도가 높아지게 된다. 그렇게 되면 연료 전지 본체를 냉각하기 위해 대량의 물을 공급하여 그 현열을 이용하게 되지만, 대량의 물을 공급하기 위해서는 대용량의 펌프가 필요하게 된다. 이러한 대용량 펌프는 연료 전지 장치 소형화의 요구에 반하는 것이고, 또한 이것을 구동하기 위해서는 큰 전력이 소비되기 때문에, 연료 전지 장치의 효율을 저감시키게 된다. 또한, 대량의 물을 공급하면, 프로세스 공기의 공급로가 물로 막히거나 또는 공기극 표면에 물의 막이 생겨 버려 연료 전지의 화학반응에 필요한 양의 산소가 공기극에 공급되어지지 않을 우려도 있다.
다른 한편, 연료 전지 본체가 낮은 온도로 운전되고 있을 때, 공기극으로 공급되는 공기(공급량 일정)가 과잉량이 되면, 연료 전지 본체의 온도가 낮게 되고, 또한 공기공급을 위한 팬에 의한 동력손실도 무시할 수 없게 된다.
또한, 공기극에 공급된 물은 반응물과 동시에 리사이클을 위해 응축기로 응 축, 회수된다. 이 응축기의 입장에서 보면 , 처리하는 공기의 양이 적고 또한 그 온도가 높은 정도로, 효율이 좋게 물을 응축할 수 있다. 바꾸어 말하면, 응축기의 용량을 소형화할 수 있다. 연료 전지 본체가 낮은 온도로 운전되고 또한 프로세스 공기의 공급량이 많을 때에는, 큰 용량의 응축기가 필요하게 된다.
본 발명은 상기 과제를 감안한 것으로서, 그 구성은 다음과 같다.
즉, 연료 전지 본체의 공기극의 표면에 물을 액체 상태로 공급하는 물공급 수단과, 상기 공기극에 대한 프로세스 공기의 공급량을 가변하게 하는 공기 공급량 변경수단을 구비한 연료 전지 장치이다.
이와 같이 구성된 연료 전지 장치에 의하면, 프로세스 공기의 공급량이 가변 되기 때문에, 프로세스 공기의 공급량을 변화시켜 이것을 최적량으로 하는 것에 의해, 공기극으로 공급되어지는 물의 잠열을 이용하여 냉각이 충분하고 또한 효율이 좋게 행해 진다. 이것에 의해, 공기극, 나아가서는 연료 전지 본체가 효율적으로 냉각되어 진다. 또, 물의 잠열을 효율이 좋게 이용하는 수단으로서, 물의 입경은 50㎛ 내지 500㎛로 하는 것이 바람직하다. 연료 전지 본체의 전해질막의 두께는 200㎛ 이하 인 것이 바람직하다.
즉, 연료 전지 본체의 온도가 고온으로 운전되어 이것의 온도를 내리고 싶을 때에는, 충분한 양의 물이 공급되어 있는 하향 공기의 공급량(송풍량, 단위시간당에 공급되는 공기량, 단위시간당에 공기실 A(도 3참조)를 통과하는 공기량)을 크게 한다. 공기 공급량 고정형은 물의 현열을 이용하기 때문에 다량의 물을 공급할 필요상 많은 곤란함점이 있으나, 공기 공급량을 많게 하더라도 곤란한점은 거의 생기지 않는다. 공기 공급량을 많게 했다고 하더라도 공기공급장치(팬 등)에 의한 부하는 물의 양이 증대하는 경우에 이러한 부하에 비교하여 무시할 수 있을 정도로 작기 때문이다.
연료 전지 본체가 저온으로 운전되어 이것의 온도를 올리고 싶을 대에는, 공기 공급량이 지나치지 않도록 풍량을 줄인다. 이것에 의해, 연료 전지 본체의 온도를 확실히 올릴 수 있는 동시에, 공기 공급장치로 소비되는 전력을 가급적 작게 하여, 더욱 전력 손실의 저감을 도모한다.
또한, 물 리사이클용 응축기에 관해서도, 내부공기가 올라가 외기와의 온도차이가 커지기 때문에, 그 용량을 작게 할수 있다.
본 발명에 의하면, 공기의 공급량과 물의 공급량이 독립적이기 때문에, 그것들이 독립하지 않고 있는 공급계와 비교하여, 공기와 물의 각각을 필요한 타이밍으로 필요한 공급량을 독립적으로 제어할 수 있다. 이에 따라, 낭비가 없고 효율적으로 높은 연료 전지의 출력이 얻어진다. 또한, 회수하는 공기, 물의 양도 최소한으로 할 수 있기 때문에, 응축기도 작게 할 수가 있어, 보조 기기에 의한 소비전력의 절약도 된다. 또한, 기동에 걸리는 시간도 단축할 수 있다.
도 1은 각 스토이키비에 있어서의 연료 전지 본체의 부하(전류밀도)와 온도(공기배기온도)와의 이론상의 관계를 나타낸다. 여기에서, 스토이키비란, 연료 전지반응으로 소비되는 이론상의 산소량을 포함하는 프로세스 공기량을 기준으로서 공 기극에 공급되는 공기량을 규정한 것이다. 따라서, 스토이키비가 1인 경우는, 이론상 필요한 최소한의 공기량이 보내여지는 경우이며, 스토이키비가 2가 되면 공기 공급량은 스토이키비가 1일때의 2배가 된다.
도 1로부터 스토이키비가 작을수록, 즉 공기 공급량이 적을수록 같은 부하를 얻는 데 높은 온도로 연료 전지 본체를 운전할 수 있는 것이 된다. 연료 전지 본체의 운전온도는 이것이 높으면 높을 수록 효율이 높게 된다. 또한 고온 운전에 의해 배출공기의 온도도 올라가면 응축기의 용량을 작게 하는 것도 가능하다. 따라서, 요구되는 부하를 조달할 수 있는 가장 높은 온도로 연료 전지 본체를 운전하는 것이 바람직하다. 부하와 연료 전지 본체의 온도와는 스토이키비에 의해 일의적으로 결정할 수 있기 때문에, 부하와 온도의 한편을 검출하여 스토이키비, 즉 공기 공급량(엄밀하게는 공기실 입구에서의 공급량)을 정하면 좋다.
그렇지만 현재 상태의 연료 전지로서는 연료 전지 본체의 운전 온도와 스토키비(공기 공급량)에 각종의 제한이 있다. 예컨대, 연료 전지 본체의 연소를 확실히 방지하기 위해서는, 그 운전 온도를, 예컨대 100 내지 80℃ 이하로 할 필요가 있다. 또한, 본 발명자 등의 검토에 의하면, 도 1에 도시된 파선 L보다 위쪽의 조건에서의 운전은 불가능 하였다. 이것은, 공기 공급량이 적을 때에는(공기량이 작을 때에는, 공기공급로나 가스 확산층의 저항, 촉매의 능력 등 때문에 공기가 공기극에 충분 닿지 않는 등의 이유에 의한 것으로 추정된다.
따라서, 도 1에 있어서, 예컨대 80℃ 이하에 또한 파선 L보다 아래쪽의 영역에서 연료 전지 본체는 운전가능하다. 그리고, 그 효율을 고려하면, 해당 운전가능 영역의 최고 온도대로 운전하는 것이 바람직하다.
부하변동이 심한 차량용의 연료 전지 장치로는, 요구되는 부하에 따라서 공기 공급량을 변화시킨다. 그 때 동시에 연료 전지 본체의 온도를 검출하여, 요구되는 부하를 실현되는 최고온도, 즉 최소의 스토키비(공기 공급량)가 되도록 공기 공급량을 조정하는 것이 바람직하다.
한편, 거의 부하가 변동하지 않는 환경에서 사용되는 연료 전지 장치에 있어서는, 실질적으로 연료 전지 본체의 온도만을 감시하여, 그 온도가 변동했을 때에만 이것이 소망의 온도로 되도록 공기 공급량을 조절하면 좋다. 즉, 연료 전지 본체의 온도가 소망의 온도범위보다 낮게 된 경우에는 공기 공급량을 저감시켜 물의 잠열을 이용한 냉각효과를 내리고, 다른쪽 연료 전지 본체의 온도가 소망의 온도범위보다 높게 된 경우에는 공기 공급량을 증대하여 물의 잠열을 이용한 냉각효과를 높인다.
외부의 환경이나 보조 기기의 성능에 의해 연료 전지 장치의 운전조건에는 여러가지 제한이 부과된다. 경우에 따라서는, 연료 전지 본체의 운전조건이 도 1에 있어서의 운전 가능 조건영역에서 사각으로 지적한 영역에 한정되는 경우가 있다. 이 영역에서는, 연료 전지 본체의 운전온도는 스토이키비 1의 라인을 넘는 것은 없고(연료 전지 본체를 항상 가동시켜 놓기 때문에) 항상 적어도 스토이키비 1에 해당하는 공기량이 공급되게 한다). 따라서, 연료 전지 본체의 온도를 감시할 필요는 없다. 따라서, 부하만을 감시하여 해당 부하를 출력가능한 최저량의 공기가 공급되 도록 한다.
상기 어느쪽의 경우에 있어서도, 공기극에는 항상 충분한 양의 물이 공급되도록 한다. 즉, 연료 전지 본체의 열에 의해 증발하는 것이 있더라도, 공기극 및 그 주위(즉, 공기실내)에는, 연료 전지 장치의 운전중에는 항상 액체상의 물이 존재하도록 한다.
이와 같이 공기극에 물이 항상 존재하기 때문에 물의 잠열을 효율이 좋게 이용할 수 있게 되는 결과로, 연료 전지 본체의 스택으로부터 냉각판을 골라 빼거나 이것을 생략 할 수가 있다. 충분한 양의 물의 증발이 확보할 수 없는 우려가 있는 경우를 고려하여, 냉각판 혹은 냉각 파이프 그 밖의 냉각장치를 연료 전지 본체의 스택에 구비하여 놓은 것이 바람직하다. 이러한 냉각장치로 유통하는 열매체(보통은 물)에 의해 스택의 열을 외부에 배출, 차내의 난방 등에 이용할 수가 있다(소위 코-제네레이션로서의 이용).
상기에 있어서, 프로세스공기는 실질적으로 압축되지 않고 공기극에 공급되는 것이다. 또, 본 발명은 가압되어진 산화 가스 공급계를 구비한 타입의 연료 전지 장치에 적용할 수도 있다. 산화 가스 공급계에 산화가스의 압축기가 구비된 경우에는, 가스 배관의 관로저항에 의해 계내가 대기압보다 높은 압력이 되는 경우에도 해당 가압된 산화 가스 공급계에 포함된다.
연료 전지 본체의 온도는 해당 연료 전지 본체에 온도계를 부설하여 이것을 측정할 수 있는 것은 물론 이지만, 도 1에 도시된 바와 같이, 배기공기의 온도를 측정하는 것에 의해 그 온도를 간접적으로 측정하는 것도 가능하다. 이 경우, 연료 전지 본체로부터 배출된 직후의 공기의 온도를 측정하는 것이 바람직하다.
연료 전지 본체의 부하는, 연료 전지 본체의 양극사이의 전류와 전압의 적이다. 프로세스 공기의 공급량을 제어할 때에 참고로 하는 파라미터로서는, 연료 전지 본체가 실제로 출력하고 있는 현재의 부하를 검출하여 이것을 쓸 수 있다. 기타, 연료 전지 본체에 다음에 요구되는 부하, 예컨대 속도, 토크 혹은 액셀레이터의 개방정도를 검출하여, 이것을 해당 파라미터로서 쓰는 것도 가능하다.
다음에, 본 발명의 실시예에 관해서 설명을 한다.
도 2는 실시예의 연료 전지 장치(1)의 개략적인 구성을 도시한다. 도 3은 연료 전지 본체(10)의 기본 유니트를 도시한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 이 장치(1)는 연료 전지 본체(10), 연료가스로서의 수소가스공급계(20), 공기공급계(30), 물공급계(40)으로부터 개략구성된다.
연료 전지 본체(10)의 단위 유니트는 공기극(11)과 연료극(13)과 고체 고분자 전해질막(12)을 삽입한 구성이다. 실제로의 장치로는 이 단위 유니트가 복수매 적층되어 있다(연료 전지 스택). 공기극(11)의 윗쪽 및 아래쪽으로는 각각 공기를 흡입, 배기하기 위한 공기 매니폴드(14, 15)가 형성되어 있다. 윗쪽의 매니폴드(14)에는 노즐(41)을 부착하기 위한 설치구멍이 형성되어 있다. 노즐(41)로부터 분출되는 물의 분출각도에는 제한이 있으며, 또한 물을 안개상으로 하여 이것을 공기극(11)의 전면에 널리 퍼지게 하기 위해서는, 노즐과 공기극(11)과의 사이에 소정의 간격이 필요하게 된다. 따라서, 이 매니폴드(14)는 비교적 크기가 높 은 것으로 된다. 한편, 아래쪽의 공기 매니폴드(15)는 적하하는 물을 효율적으로 배출할 수 있도록 한다.
또한, 노즐은 매니폴드(14)의 측면에 마련하는 것도 가능하다. 이러한 노즐보다 분출되는 물은 매니폴드(14)내의 전역에 걸치게 하고, 이에 의하여 공기극(11)의 전면에 널리 퍼지지게 된다. 노즐을 매니폴드(14)의 측면에 설치하는 것에 의해 낮은 매니폴드를 채용할 수 있다. 이에 의하여 연료 전지 본체의 소형화를 도모할 수 있다.
노즐은 공기극 표면을 향하여 직접 물을 분사하는 것이 좋다. 이에 의해 공기 공급량이 여하히 관계되지 않고, 소망의 양의 물을 공기극 표면에 공급할 수 있다. 즉, 공기의 공급량과 물의 공급량을 독립적으로 제어가능해지게 된다(독립 공급형). 이러한 독립공급형에 의하면, 기동할 때 등 큰 공기 공급량(풍량)의 상태에 있어서도 소망량의 물을 확실히 공기극 표면에 공급할 수 있다. 이에 의하여, 기동시간의 단축이 도모할 수 있다.
공기류중에 물방울을 방출시켜, 이것을 공기류에 실어 공기극으로 공급하는 타입으로서는 공기 공급량과 물공급량을 독립적으로 제어할 수 없다(비독립 공급형). 공기 공급량의 변경과 물공급량의 변경과는 항상 동시에 요구되는 것은 아니고, 독립적으로 그것들의 변경이 필요해지는 경우가 있다. 예컨대, 공기의 공급량만의 변경이 필요한 경우에 물의 공급량까지도 변경하여 버리면, 연료 전지 본체의 제어의 응답 시간이 늦어, 나아가서는 연료 전지 장치의 출력저하를 초래할 우려가 있다.
이에 대하여, 본 발명에서 채용하는 독립 공급형은 필요한 타이밍으로 필요한 양의 물 및/또는 공기를 공급할 수 있기 때문에, 연료 전지 본체를 효율이 좋게 제어할 수 있다. 또한, 물과 공기의 공급을 독립적으로 제어하는 것에 의해, 쓸데 없는 공기 및 쓸데 없는 물의 공급을 피할 수 있다. 이 점에서도, 연료 전지 본체의 가동이 효율적이게 된다. 또한, 쓸데 없는 물이나 쓸데 없는 공기의 공급을 피하는 것에 의해, 응축기의 용량도 작게 할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 공기극(11)-고체 고분자 전해질막(12)-연료극(13)의 단위 유니트는 엷은 막상이며, 한쌍의 카본제 커넥터판(16, 17)에 의해 삽입되어 있다. 공기극(11)에 대향하는 커넥터판(16)의 면에는 공기를 유통시키기 위한 요홈(18)이 복수조 형성되어 있다. 각 요홈(18)은 상하방향으로 형성된 매니폴드(14, 15)가 연통되어 있다. 그 결과, 노즐(41)로부터 공급되어지는 안개상의 물은 해당 요홈(18)에 따라 공기극(11)의 아래쪽 부분까지 도달한다.
이 요홈(18)의 주면 및 공기극(11)의 표출면까지 공기실(A)이 구성된다. 공기실(A)의 위에 도시된 개구부가 송풍 입구(상류측 개구부)이며, 아래쪽에 도시된 개구부가 송풍의 출구(하류측 개구부)이다. 이 출구의 배기온도를 검출하도록 온도계를 마련하는 것이 바람직하다. 실시예로서는 물 등의 액체를 상류측 개구부에 대하여 직접 분출시켜 공급하는 구성이지만, 물 등의 액체는 하류측 개구부로부터 공급하는 것도 가능하다. 또한, 커넥터판에 좌우방향으로 도시된 관통구멍을 형성하여, 여기에서 공기실(A)로 물 등의 액체를 공급하는 것도 가능하다. 이렇게 하여 공급된 물은 공기실(A)을 구성하는 면(요홈(18)의 주면 및 공기극(11)의 표출면: 이들은 비교적 고온이 되기 쉽다)에서만 오로지 증발한다.
같은 방식으로, 연료극(13)에 대향하는 커넥터판(17)의 면에는 수소가스를 유통시키기 위한 요홈(19)이 형성되어 있다. 실시예로서는 이 요홈(19)을 수평방향에 복수조 형성하였다. 이 요홈(19)의 주면과 커넥터판(17)의 표출면과 사이에 연료실(B)이 형성된다. 이 연료실(B)에 대하여, 상기 공기실(A)과 마찬가지 방법으로 물을 공급하는 것도 가능하다.
공기극(11)에는 물이 공급되기 때문에 이것은 내수성이 있는 재료로 형성된다. 또한, 거기에 물의 막이 생기면 공기극(11)의 실효면적이 감소하기 때문에 공기극(11)의 재료에는 높은 발수성도 요구된다. 이러한 재료로서, 카본크로스를 기재로서(C + PTFE) 칠한 가스확산층을 사용하였다.
고체 고분자 전해질막(12)에는 범용적인 나피온(상품명 : 뒤퐁사)의 박막을 사용했다.
한편, 막의 두께는 공기극측에서의 생성물의 반대침투가 가능하면, 그 수치는 특히 문제되지 않는다.
연료극(13)은 공기극(11)과 같은 재료로 형성되어 있다. 부품의 공통화를 위한 때문이다.
공기극(11) 및 연료극(13)에 있어서 전해질막(12)과 접촉하는 쪽의 면에는, 어느 정도의 두께를 가져서 산소와 수소의 반응을 촉진하기 위해서 쓰이는 주지의 백금계 촉매가 각각 균일하게 분산되어 있고, 공기극(11) 및 연료극(13)에 있어서의 촉매층으로서 형성되어 진다.
수소가스공급계(20)의 수소공급장치(21)로서, 이 실시예로서는 수소흡장합금으로 이루어지는 수소 봄베를 이용했다. 기타, 액체수소의 수소 봄베, 물/메탄올 혼합액 등의 개질원료를 개질기로써 개질반응시켜 수소리치인 개질가스를 생성시켜, 이 개질 가스를 탱크에 저류해 두고 이것을 수소원으로 하는 것도 가능하다. 물론, 연료 전지 장치(1)를 실내에서 고정하여 사용하는 경우에는, 수소배관을 수소원으로 할 수 있다.
수소공급장치(21)와 연료극(13)과는 수소 공급 압력 조절 밸브(23)를 사이에 개재시켜 수소가스공급로(22)에 의해 접속되어 있다. 압력 조절 밸브(23)는 연료극(13)에 공급되는 수소가스의 압력을 조정하는 것이고, 범용적인 구성의 것을 이용할 수 있다.
연료극(13)으로부터의 배기가스는 외기로 배출된다. 또, 이 배기가스를 공기 매니폴드에 공급하여, 여기서 공기와 혼합할 수도 있다.
공기극(11)에는 팬(38)에 의해서 대기중으로부터 공기가 공급된다. 도의 도면 부호 31은 공기의 공급로이며 공기극(11)의 매니폴드(14)에 연결되어 있다. 아래쪽의 매니폴드(15)에는 공기극(11)을 통과한 공기를 순환 혹은 배기하기 위한 공기로(32)가 연결되어, 물을 분리하는 응축기(33)를 사이에 두고 배기가스를 배기로(36)에 보내여진다. 공기 배기 압력 조절 밸브(34)의 개방 정도에 의해 배기로(36)로부터 배기되는 양이 조절된다. 또한, 배기 압력 조절 밸브(34)를 생략하여, 배기가스를 그대로 대기로 배출하는 구성으로 하는 것도 가능하다.
이러한 공기 공급계(30)에 있어서는, 공기압축기가 특히 구비되지 않고, 계 전체에 걸쳐 실질적으로 대기압이 유지된다.
도면 부호 39는 배출된 공기의 온도를 검출하기 위한 온도계이다.
응축기(33)로 분리된 물은 탱크(42)로 보내여 진다. 탱크(42)에는 수위센서(43)가 부설된다. 이 수위센서(43)에 의해, 탱크(42)의 수위가 소정의 값이하로 되면, 알람(44)이 점멸하여 오퍼레이터에게 물부족을 알린다. 이와 함께, 응축기(33)의 능력을 변화시켜 물의 회수량을 조정하는 것이 바람직하다. 즉, 물이 모자랄 때에는 응축기(33)의 팬의 회전수를 높여 물을 보다 많이 회수하여, 다른쪽물이 지나치게 되면 응축기(33)의 팬의 회전수를 약간 저하 혹은 정지하여 물의 회수량을 적게 한다.
실시예의 물공급계(40)으로서는, 탱크(42)로부터 물공급로(45)가 펌프(46),수압센서(47) 및 압력 조절 밸브(48)를 사이에 두고, 노즐(41)까지 연결되어 있다. 압력 조절 밸브(48)에 의해 소망의 수압으로 조절된 물은 노즐(41)로부터 내뿜어 공기 매니폴드(14)내에서는 안개상이 된다. 그리고, 내뿜을 때의 운동량(초속), 안개의 자중 및 공기류 등에 의해서 공기극(11)이 실질적인 전면에 안개상의 물이 공급된다. 수량 및 물의 공급은, 압력 조절 밸브와 노즐과의 조합에 한정되는 것은 아니다.
이렇게하여 공기극(11)의 표면에 공급된 물은 거기서 주위의 공기, 전극표면, 그 위에 분리기 표면에서 잠열을 빼앗아 증발한다. 이에 의해, 전해질막(12)의 수분의 증발이 방지된다.
또한, 공기극(11)으로 공급된 물은 공기극(11)으로부터 잠열을 빼앗기 때문 에, 이것을 냉각하는 작용도 있다. 특히, 시동시에 물을 공급했을 때, 수소와 공기의 연소에 의해 막, 촉매가 대미지를 받는 것을 예방할 수 있다.
도면 중의 도면부호 50은 전류계이며, 공기극(11)과 연료극(13)과의 사이의 전류를 계측한다. 전류계(50)에 의해 계측되어진 전류에 의해 도 1의 전류밀도가 구해진다. 본 실시예로서는 저항(51)이 일정하기 때문에, 양극(11, 13)사이의 전류를 측정하는 것에 의해 연료 전지 본체(10)에 걸리고 있는 부하가 구해진다.
연료 전지 장치를 차량용으로 사용할 때에는 양극사이의 전류와 전압을 같이 측정하여, 갖고 있는 연료 전지 본체에 걸리고 있는 부하(연료 전지 본체가 현재 출력하고 있는 파워)를 얻는 것이 바람직하다. 차량용의 경우에는, 속도, 토크 혹은 액셀레이터의 개방정도로부터 연료 전지 본체에 요구되어지는 파워를 예측하여 그 값을 쓰는 것도 가능하다.
다음에, 실시예의 연료 전지 장치(1)의 동작을 설명한다.
도 4은 연료 전지 장치(1)의 동작을 제어할 때 관여하는 요소를 나타낸 블록도이다. 도 5은 연료 전지 장치(1)의 제어를 나타낸 주 흐름도이다.
도 4에 있어서, 제어장치(70) 및 메모리(73)는 연료 전지 장치(1)의 컨트롤박스(도 1에 도시되어 있지 않다)에 수납되어 있다. 메모리(73)에는 컴퓨터로 이루어지는 제어장치(70)의 동작을 규정하는 컨트롤 프로그램 및 각종제어를 실행할 때의 파라메타나 조견표(look-up table)가 수납되어 있다.
우선, 도 5의 스텝 1로 실행되는 수소가스공급계(20)의 동작에 관해서 설명한다.
기동시에는, 수소배기밸브(25)을 폐쇄 상태를 유지해 두고, 폭발 한계 이하의 소정의 농도로 수소가스가 연료극(13)에 공급되도록(것같이) 수소공급압력 조절 밸브(23)를 조정한다. 배기밸브(25)가 닫힌 상태로 연료 전지 장치(1)를 운전하면 , 공기극보다 투과하는 N2, O2, 혹은 생성물의 영향으로 연료극(13)으로 소비되는 수소의 분압이 서서히 저하하기 때문에 이것에 따라 출력전압도 저하하여, 안정한 전압이 얻어지게 된다.
여기에서, 미리 정해진 규칙에 따라서 배기밸브(25)를 개방하여 수소분압이 저하된 가스를 배기하여, 연료극(13)의 분위기 가스를 리프레시 한다.
미리 정해진 규칙은 메모리(73)에 보존되어 있고, 배기밸브(25)의 개폐 및 압력 조절 밸브(23)의 조정은 제어장치(70)가 해당 규칙을 메모리(73)로부터 읽어 내어 실행한다.
이 실시예로서는, 전류계(50)로 출력전류를 모니터하여, 출력전류가 소정의 임계치를 넘어 저하하여 소정의 시간(예컨대 1초간) 배기밸브(25)을 개방한다.
혹은, 배기밸브(25)를 폐쇄한 상태로 연료 전지 장치(1)를 운전했을 때에 출력전압이 저하하기 시작하는 시간간격을 미리 계측해 두고, 그 시간간격과 실질적으로 동일 또는 약간 짧은 주기로 배기밸브(25)를 개방하도록, 배기밸브(25)를 간헐적으로 개폐제어한다.
다음으로, 도 5의 스텝으로 실행되는 공기공급계(30)의 동작에 관해서, 도 6을 참조하면서 설명한다.
스텝 31에 있어서 연료 전지 본체(10)로부터 배출된 직후의 배기공기의 온도를 온도계(39)에 의해 검출한다. 그 온도가 80℃를 넘으면(스텝32), 연료 전지 본체(10)가 탈 우려가 있으므로, 팬(38)의 회전수를 늘려 풍량을 증대하고(스텝 33),가지고 있는 열발생원인 공기극(11)의 온도를 내린다. 이 때, 당연하지만 공기극(11)에는 80℃를 넘는 연료 전지 본체(10)를 냉각하는 데 필요한 양의 물이 공급되도록 되어 있다.
검출된 온도가 80℃ 이하의 경우에는, 연료 전지 본체(10)의 부하를 검출한다(스텝 34). 본 실시예의 경우는, 도 1의 관계를 제어에 이용되기 때문에, 공기극(11)과 연료극(13) 사이의 전류를 검출한다. 제어장치(7O)는 전류계(5O)에서 검출한 전류치로부터 전류밀도를 연산한다. 그리고, 제어장치(70)는 그 전류밀도의 값과 스텝 31로 검출한 온도를 메모리(73)에 테이블 형식으로 보존되어 있는 도 1의 관계와 대조한다.
예컨대, 검출된 온도와 전류밀도의 관계가 도 1의 A의 조건이면, 풍량을 내리고, 연료 전지 본체(10)의 운전상태를 도 1의 B의 조건으로 이행시킨다. 즉 공기의 공급량을 스토이키비 2에 해당하는 양까지 내려 잠열에 의한 냉각효과를 저감시킨다. 이것에 의해, 연료 전지 본체(10)는 출력(전류밀도)를 유지한 채로, 가장 높은 온도로 운전되는 것이다. 또, 연료 전지 본체(10)의 온도를 효율적으로 올리기위해서는, 연료 전지 본체가 산소부족이 되지 않는 레벨로 당초의 풍량을 스토이키비 2에 해당하는 것보다도 작게 하여 승온속도를 빠르게 하여, 조건 B의 온도(거의 80℃)에 비슷하게 하고, 풍량을 스토이키비 2에 해당하는 것으로 하는 것이 바람직 하다.
또, 공기 공급량(스토이키비)와 풍량(팬(38)의 회전수))과의 관계가 미리 메모리(1)에 보존되어 있고, 제어장치(70)는 구하는 공기 공급량에 해당한 풍량이 얻어지도록 팬(38)의 회전수를 제어한다. 팬(38)에는 예컨대 서보 모터 구동타입이 쓰인다.
조건 B에서 운전되고 있던 연료 전지 본체(10)의 전류밀도가 0.7로 변화되었다고 하면, 연료 전지 본체(10)는 조건 C로 운전해야 한다. 이 경우는 풍량을 조건 C의 풍량(스토이키비 5에 해당하는 곳)까지 올려 연료 전지 본체(10)의 온도를 조건 C의 온도(거의 70℃)까지 내린다.
이와 같이 연료 전지 본체(10)의 운전온도는 그 운전가능영역에서 가능한 한 높은 온도로 하는 것이 바람직하다.
다음에, 도 5의 스텝 5로 실행되는 물보급계(40)의 동작에 관해서 설명한다.
탱크(42)의 물이 펌프(46)로 압송되어 다. 그리고, 분사압력조정밸브(48)에 의해 그 압력이 조정되어 지고 노즐(41)로부터 분무된다. 이것에 의해, 물이 액체의 상태(안개의 상태)로 공기극(11)에 공급 된다. 물론, 압력 조절 밸브(48)를 생략하고, 펌프(46)에 인가되는 전압을 조정하여 펌프(46)의 토출 압력 자체를 제어하여, 더 소망의 수량을 얻는 것도 가능하다.
물의 공급량은 연료 전지 본체의 온도에 따라서 미리 정해져 있다. 즉, 연료 전지 본체를 그 온도로 유지하기 위하여 필요한 최소량의 물이 공급된다. 펌프(46) 에 의해 동력손실을 가능한 한 적게 하기 위해서 이다. 또, 연료 전지 본체가 소정의 온도(예컨대 30℃)이하가 되면, 물의 공급을 멈추는 것도 가능하다. 연료 전지 본체(10)의 온도와 그 때에 공급해야 할 수량과의 관계는 메모리(73)에 보존되어 있다.
이 실시예로서는, 도 7에 도시된 바와 같이, 우선 배출공기의 온도가 검출된다(스텝 51). 그리고, 검출된 온도에 근거하여 최적의 물분사량이 연산된다.(스텝 53). 이 연산은 메모리(73)에 보존되어 있던 관계를 참조하여 행하여 진다. 다음에, 스텝 53에 있어서 최적의 물분사량에 해당하는 최적의 수압력을 연산한다. 예컨대, 물 분사량과 수압력과는 도 8에 도시한 바와 같은 관계가 있고, 이 관계가 방정식 혹은 조견표의 형태로 메모리(73)에 미리 보존되어 있다.
이 실시예로서는, 펌프(46)를 일정한 파워로 운전해면서 순환로(49)의 압력 조절 밸브(48)의 개방정도에 의해 노즐(41)의 수압력을 조절하고 있다. 즉, 압력 조절 밸브(48)의 개방정도가 크게(작게)되면 노즐(41)의 수압력은 작게(크게) 된다.
따라서, 스텝 54으로서는 수압센서(47)에 의해 노즐(41)에 이러한 수압력을 검출하여, 피드백 제어에 의해 그 수압력이 소망의 값(최적 수압력)이 되도록 압력 조절 밸브(48)를 조절한다(스텝 55).
기타, 소정의 시간경과(예컨대 5 내지 10초)마다, 일정한 수압으로 물공급계(40)를 가동시켜도 좋다.
다음에, 실시예의 연료 전지 장치(1)의 기동시의 동작에 관해서 설명한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 스위치(도시하지 않고 )가 온으로 하면(스텝 91), 펌프(46)를 온으로 한다(스텝 93). 그리고, 소정의 물분사량이 되도록 압력 조절 밸브(48)가 조절되어 노즐(41)보다 물이 분사된다(스텝 95). 이상의 반응으로부터 연료 전지 본체(10)를 유지하기 위하여 공기극(11)으로 분사되는 수량은 최대량으로 한다.
그 후, 공기공급계(30)를 온으로 한다(스텝 97). 이 때 팬(38)의 풍량도 최대로서 연료 전지 본체(10)를 냉각하여, 이상 반응의 방지를 꾀한다. 이어서 수소공급계(20)를 온한다(스텝 99).
공기극(11)과 연료극(13)과의 사이에 소망의 출력이 확인되어 전력을 외부로 출력한다.
상기에 있어서, 공기공급계(30)의 가동은 물공급계(40)의 가동전이더라도 좋다. 또한, 수소공급계(20)의 가동 후에 공기공급계(30)를 가동시키더라도 좋다.
단지, 수소공급계(20)를 가동시키기 전에 물공급계(40)를 가동시킬 필요가 있다. 공기공급계(30)의 가동의 유무에 관계 없이 연료 전지 본체(10)에는 공기가 존재하고 있기 때문에, 전해질막(12)이 건조한 상태로 수소를 공급하면, 이상연소가 발생할 가능성이 있다. 즉, 이 이상열이 발생했을 때, 연료 전지 본체(10)가 대미지를 입지 않도록, 수소를 공급하기 전에 물을 분사하여 미리 공기극(11)을 적셔 놓는다. 이렇게 하는 것으로, 이상열을 물의 증발열로 바뀌고 또한 전해질막(12)에 습기가 많음을 촉진하여, 연료 전지 본체(10)의 대미지를 미연에 방지한다.
다음에, 다른 실시예를 도 10 내지 12에 따라 설명한다. 또, 기술의 실시예 로 설명한 요소 및 스텝에는 동일한 참조번호를 붙여 그 설명을 생략한다.
이 실시예의 연료 전지 장치(101)로서는, 팬(38)의 하류측에 댐퍼(138)가 마련된다. 팬(38)을 일정한 회전수로 구동시키고 댐퍼(138)를 조절하는 것에 의해 공기 공급량을 변화시킨다. 또한 이 실시예로서는 온도계를 연료 전지 본체(10)에, 바람직하게는 공기극측의 커넥터판에 설치하고, 연료 전지 본체(10)의 온도를 직접측정한다. 더욱 이 실시예로서는, 차량용의 액셀레이터의 개방정도를 검출하여, 검출한 개방정도보다 연료 전지 본체(10)에 다음에 요구되어지는 부하를 제어장치(70)가 연산한다(도 12, 스텝 134). 또, 이 스텝 134에 있어서, 도 1의 관계가 이용될 수 있도록, 제어장치(7O)는 얻어진 부하를 더욱 전류밀도로 변환하는 것으로 한다.
이 실시예에 의하면, 연료 전지 본체에 요구되는 부하를 액셀레이터의 상태로부터 직접 읽어내기 때문에, 공기 공급량을 보다 신속히 제어할 수 있다.
이 실시예의 다른 작용효과는 앞의 실시예와 같다.
본 발명은, 상기 발명의 실시의 형태 및 실시예의 설명에 한정되는 것이 아니다. 특허청구의 범위의 기재를 일탈하지 않고, 당업자가 용이하게 생각할 수 있는 범위로 여러가지의 변형 태양도 본 발명에 포함된다.

Claims (24)

  1. 연료 전지 본체의 공기극의 표면 및 상기 공기극에 대향하는 커넥터판의 벽면에 물이 액체의 상태로 도달하도록 물을 공급하는 물공급수단과,
    상기 공기극에 대하여 프로세스 공기의 공급량을 가변하는 공기 공급량 변경수단을 구비하고,
    상기 물공급수단과 상기 공기 공급량 변경수단을 독립하여 제어하도록 상기 연료 전지 본체의 냉각을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 본체의 온도를 검출하는 온도검출수단과,
    상기 연료 전지 본체의 부하를 검출하는 부하검출수단과,
    상기 온도검출수단 및 상기 부하검출수단의 검출결과에 근거하여, 상기 공기 공급량 변경 수단에 의해 프로세스 공기의 공급량을 제어하는 공기 공급량 제어 수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 온도검출수단은 연료 전지 본체로부터 배출되는 프로세스 공기의 온도 를 검출하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 부하검출수단은 상기 연료 전지 본체에 걸려 있는 현재의 부하를 검출하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 부하검출수단은 상기 연료 전지 본체에 요구되는 부하를 검출하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 연료 전지 본체의 온도 및 부하에 해당하는 최적의 공기 공급량의 관계를 저장하는 보존수단이 더 구비되고, 상기 공기 공급량 제어수단은, 상기 보존수단의 상기 관계를 참조하여, 검출된 상기 연료 전지 본체의 온도 및 부하에 해당하는 상기 최적의 공기 공급량을 구하여, 그 최적의 공기 공급량이 공급되도록 상기 공기 공급량 변경수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 물공급 수단은, 검출되어진 상기 연료 전지 본체의 온도에 따라서 급수량을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 연료 전지 본체의 온도와 해당 온도를 유지하기 위해서 필요한 최소급수량과의 관계를 저장하는 제 2 의 보존수단과, 검출된 상기 연료 전지 본체의 온도에 근거하여, 상기 제 2 의 보존수단에 보존된 관계를 참조하여, 상기 물공급 수단은 상기 공기극에 공급하는 수량을 최소로 하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 본체의 온도를 검출하는 온도 검출 수단과, 상기 온도 검출수단의 검출 결과에 근거하여, 상기 공기 공급량 변경수단에 의한 프로세스 공기의 공급량을 제어하는 공기 공급량 제어수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 본체의 부하를 검출하는 부하검출수단과, 상기 부하검출수단의 검출결과에 근거하여, 상기 공기 공급량 변경수단에 의한 프로세스 공기의 공급량을 제어하는 공기 공급량 제어수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 물공급수단은 상기 공기극의 표면에 직접물을 분사하는 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  12. 연료 전지 본체의 공기극의 표면에 물을 액체의 상태로 유지되도록 물을 공급하고, 상기 물을 공급하는 것과 독립되게 상기 공기극으로 공급하는 프로세스 공기의 양을 제어하여 상기 연료 전지 본체의 냉각을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치의 구동방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 연료 전지 본체의 온도를 검출하여, 상기 연료 전지 본체의 부하를 검 출하여, 그 검출된 온도와 부하에 따라 상기 프로세스 공기 공급량을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치의 구동방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 연료 전지 본체로부터 배출되는 프로세스 공기의 온도를 검출하는 것에 의해 상기연료 전지 본체의 온도를 검출하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치의 구동방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 부하는 상기 연료 전지 본체에 걸려 있는 현재의 부하인 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치의 구동방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 부하는 상기 연료 전지 본체에 요구되는 부하인 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치의 구동방법.
  17. 제 13 항에 있어서,
    미리 보존되어 있는 상기 연료 전지 본체의 온도 및 부하에 해당하는 최적의 공기 공급량의 관계에 검출된 상기 온도와 부하를 대응시켜, 그 온도 및 부하에 있어서의 최적의 공기 공급량을 얻고 그 최적의 공기 공급량이 공급되도록 상기 프로세스 공기의 공급량을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치의 구동방법.
  18. 제 13 항에 있어서,
    검출된 상기 연료 전지 본체의 온도에 따라서 상기 공기극에 공급되는 물의 양을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치의 구동방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    미리 보존되어 있는 상기 연료 전지 본체의 온도와 해당 온도를 유지하기 위해서 필요한 최소 급수량과의 관계로 검출된 상기 연료 전지 본체의 온도를 대응시켜 최소 급수량을 얻고, 그 최소 급수량 물을 상기 공기극에 공급하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치의 구동방법.
  20. 제 12 항에 있어서,
    상기 연료 전지 본체의 온도를 검출하고, 그 검출된 온도에 따라서 상기 프로세스 공기의 공급량을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치의 구동방법.
  21. 제 12 항에 있어서,
    상기 연료 전지 본체의 부하를 검출하고, 그 검출된 부하에 따라서 상기 프로세스 공기의 공급량을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치의 구동방법.
  22. 연료 전지 본체의 공기극 표면에 물이 액체의 상태로 공급되는 연료 전지 장치에 장치로서, 상기 물을 공급하는 것과 독립되게 상기 공기극으로 실질적으로 가압이 없는 상태로 공급되는 프로세스 공기의 공급량을 가변하여 상기 연료 전지 본체의 냉각을 제어하는 공기 공급량 변경수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  23. 연료 전지 본체의 공기실에 물을 액체의 상태로 공급하는 물공급수단과, 상기 공기실을 단위시간당 통과하는 공기량을 가변하는 공기 공급량변경수단을 구비하고, 상기 물공급수단과 상기 공기 공급량 변경수단이 독립적으로 제어되어 상기 연료 전지 본체의 냉각이 제어되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  24. 연료 전지 본체의 공기실에 물을 액체의 상태로 공급하고, 상기 공기실로 공기를 공급하고, 공급되는 상기 물의 양과 공급되는 상기 공기의 양을 독립적으로 제어하여 상기 연료 전지 본체의 냉각을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치의 구동방법.
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