KR100977338B1 - 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템 내의 수분을 배출하는 방법 - Google Patents

연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템 내의 수분을 배출하는 방법 Download PDF

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Abstract

연료 전지 시스템의 구성요소들 사이의 압력차를 기초로 하여 연료 전지 시스템에 의해 생성된 수분의 배출을 가능하게 하는 연료 전지 시스템을 개시한다. 본 발명은 연료 전지 시스템의 구성의 복잡화나 대형화를 불러오지 않는다. 연료 전지 시스템은 산화제 오프가스를 캐소드 배출 배관을 통해 배출하고 또한 연료 오프가스 및 수분을 애노드 드레인 개구로 배출하는 연료 전지를 포함하는데, 차례로 상기 애노드 드레인 개구는 상기 연료 오프가스 및 수분을 애노드 드레인 배관을 통해 기액 분리기로 배출한다. 스로틀 밸브는 애노드 드레인 배관내의 하류에 압력차를 형성하여, 연료 오프가스 및 수분이 애노드 드레인 개구로부터 기액 분리기의 압력이 더 낮은 영역으로 이동가능하게 한다. 또한, 상기 압력차는 연료 오프가스가 기액 분리기로부터 스로틀 밸브를 거쳐 캐소드 배출 배관으로 유동할 수 있게 한다.
연료 전지 시스템, 기액 분리기, 스로틀 밸브, 오리피스, 차압 게이지

Description

연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템 내의 수분을 배출하는 방법{FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR DISCHARGING MOISTURE WITHIN A FUEL CELL SYSTEM}
본 출원은 2005년 7월21일 출원된 일본특허출원 제2005-211739호 및 2006년 1월 20일 출원된 일본특허출원 제2006-011951호에 대한 우선권을 주장하며, 이들 각각의 전체 내용이 본 명세서에 원용에 의해 합체되어 있다.
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는 연료 전지 시스템 내의 수분을 배출하는데 관련한 것이다.
종래의 연료 전지 시스템은 그 시스템의 기부에 연료 전지가 배치되고, 오프가스 및 수분은 상기 연료 전지로부터 상기 연료 전지로부터의 수분을 회수하는 기액 분리기로 배출되도록 구성되었다. 이 경우, 기액 분리기를 사용하여 분리된 수분을 연료 전지 시스템의 외부로 배출할 필요가 있다. 그러나, 연료 전지 시스템의 기부에 연료 전지를 배치하고 있기 때문에, 상기 연료 전지 시스템은 액상의 물을 포함하는 수분 및 오프가스를 연료 전지로부터 기액 분리기로 이송하기 위해 펌프, 또는 유사한 장치를 사용해야만 한다. 펌프, 또는 유사한 장치의 사용은 연료 전지 시스템의 복잡화 및 구조 크기의 대형화를 통해 결점을 불러온다. 또한, 오프가스 및 수분을 연료 전지 시스템의 구성요소들 사이에서 이송하기 위한 펌프, 또는 유사한 장치는 전원 공급 장치를 필요로 한다.
본 발명은 연료 전지 시스템의 구성요소들 사이에 압력차에 기초하여, 연료 전지 시스템에 의해 생성된 수분의 배출을 가능하게 하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 구성의 복잡화나 대형화를 불러오지 않으며 또한 연료 전지 시스템의 레이아웃 상 어떠한 제약도 부과하지 않는다.
연료 전지 시스템은 연료 가스와 산화제 가스의 전기화학 반응에 의해 동력을 발생시키는 연료 전지를 포함한다. 연료 전지는 산화제 오프가스를 캐소드 배출 배관을 통해 배출하고 또한 연료 오프가스 및 수분을 애노드 드레인 개구로 배출하며, 차례로 상기 애노드 드레인 개구는 상기 연료 오프가스 및 수분을 애노드 드레인 배관을 통해 기액 분리기로 배출한다. 기액 분리기는 연료 오프가스로부터 연료 기체 성분과 수분을 분리한다. 또한, 스로틀 밸브가 기액 분리기와 캐소드 배출 배관 사이의 연료 오프가스의 유로에 있어서의 개방도를 설정한다.
스로틀 밸브는 애노드 드레인 배관내의 하류에 압력차를 형성하여, 연료 오프가스 및 수분이 애노드 드레인 개구로부터 기액 분리기의 저압 영역으로 이동가능하게 한다. 이러한 방식으로, 본 발명은 연료 전지의 애노드 드레인 개구와 기액 분리기 사이에 형성된 압력차에 따라서 연료 전지에 의해 생성된 수분을 흡상함으로써 연료 전지 시스템의 외부로 수분의 배출을 가능하게 한다.
또한, 상기 차압은 연료 오프가스가 기액 분리기로부터 스로틀 밸브를 통해 캐소드 배출 배관으로 유동가능하게 한다. 스로틀 밸브는 연료 오프가스를 캐소드 배출 배관내의 캐소드 오프가스와 함께 허용가능한 농도로 희석하기 위해 유로에 있어서의 개방을 조정한다. 이러한 방식으로, 연료 오프가스가 대기 중으로 안전하게 방출될 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 본 발명은, 연료 가스와 산화제 가스의 전기화학 반응에 의해 발전을 행하는 연료 전지와, 상기 연료 전지로부터 발전 중에 생성된 산화제 오프가스를 배출하는 캐소드 배출 배관과, 상기 연료 전지로부터 애노드 드레인 배관을 통해 발전 중에 생성된 연료 오프가스 및 수분을 배출하는 애노드 드레인 개구를 포함하는 연료 전지 시스템으로 된다. 또한, 상기 연료 전지 시스템은 상기 애노드 드레인 개구로부터 애노드 드레인 배관을 통해 연료 오프가스 및 수분을 받아들여서, 연료 오프가스로부터 연료 기체 성분과 수분을 분리하는 기액 분리기와, 연료 오프가스의 유동율을 제한하는 것으로, 상기 기액 분리기와 캐소드 배출 배관 사이의 연료 오프가스의 유로에 형성되는 스로틀 밸브를 포함한다. 애노드 드레인 배관에 있어서의 압력차는 연료 오프가스 및 수분이 애노드 드레인 개구로부터 기액 분리기로 유동하게 만들고, 연료 오프가스가 기액 분리기로부터 스로틀 밸브로 유동하게 만든다.
다른 실시형태에 있어서, 본 발명은, 연료 전지내에서 연료 가스와 산화제 가스의 전기화학 반응에 의해 발전을 행하는 단계와, 상기 연료 전지로부터 발전 중에 생성된 산화제 오프가스를 캐소드 배출 배관을 통해 배출하는 단계와, 상기 연료 전지로부터 발전 중에 생성된 연료 오프가스 및 수분을 애노드 드레인 배관을 통해 배출하는 단계를 포함하는 방법이 된다. 상기 방법은 상기 애노드 드레인 개구로부터 상기 애노드 드레인 배관을 통해 연료 오프가스 및 수분을 받아들이는 단계와, 기액 분리기를 가지고 연료 오프가스로부터 연료 기체 성분과 수분을 분리하는 단계와, 연료 오프가스의 유동율을 제한하는 스로틀 밸브를 가지고 상기 기액 분리기와 상기 캐소드 배출 배관 사이에 연료 오프가스의 유로에 있어서의 개방을 유지하는 단계를 더 포함한다.
또한, 상기 방법은 상기 연료 오프가스 및 수분이 애노드 드레인 개구로부터 상기 기액 분리기로 유동하고, 상기 연료 오프가스가 상기 기액 분리기로부터 상기 스로틀 밸브로 유동하도록 상기 애노드 드레인 배관에서의 압력차를 형성하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시형태에 있어서, 본 발명은, 연료 가스와 산화제 가스의 전기화학 반응에 의해 발전을 행하는 연료 전지와, 상기 연료 전지로부터 발전 중에 생성된 연료 오프가스 및 수분을 애노드 드레인 배관을 통해 기액 분리기로 배출하기 위한 수단과, 상기 연료 오프가스 및 수분이 상기 애노드 드레인 개구로부터 상기 기액 분리기로 유동하고, 상기 연료 오프가스가 상기 기액 분리기로부터 상기 스로틀 밸브로 유동하도록 상기 애노드 드레인 배관에서의 압력차를 형성하기 위한 수단을 포함하는 연료 전지 시스템이 된다.
본 발명의 일 이상의 실시예에 대한 상세한 설명이 첨부 도면 및 이하의 설명에 제시되어 있다. 상세한 설명, 도면, 그리고 청구의 범위로부터 본 발명의 다른 특징, 목적, 및 이점들이 분명해진다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 관한 연료 전지 시스템의 구성을 보여주는 도 면이다.
도2는 본 발명의 제2 실시예에 관한 연료 전지 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도3은 본 발명의 제3 실시예에 관한 연료 전지 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도4는 제3 실시예에 있어서의 차단 밸브의 개/폐 제어의 일예를 보여주는 도면이다.
도5는 본 발명의 제4 실시예에 관한 연료 전지 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도6은 제4 실시예에 있어서의 차단 밸브의 개/폐 제어의 일예를 보여주는 도면이다.
도7은 본 발명의 제5 실시예에 관한 연료 전지 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도8은 본 발명의 제6 실시예에 관한 연료 전지 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도9는 본 발명의 제7 실시예에 관한 연료 전지 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도10은 본 발명의 제8 실시예에 관한 연료 전지 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도11은 본 발명의 제9 실시예에 관한 연료 전지 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도12는 본 발명의 제10 실시예에 관한 연료 전지 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도13은 본 발명의 제11 실시예에 관한 연료 전지 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도14는 본 발명의 제12 실시예에 관한 연료 전지 시스템의 제어 수순을 보여주는 흐름도이다.
도15a는 본 발명의 제12 실시예에 관한 탱크로의 물 도입량에 관련한 다이어그램이다.
도15b는 본 발명의 제12 실시예에 관한 수위 센서의 수위 변동의 횟수에 관련한 다이어그램이다.
도15c는 본 발명의 제12 실시예에 관한 배수 밸브의 작동 횟수에 관련한 다이어그램이다.
도15d는 본 발명의 제12 실시예에 관한 기액 분리기 센서의 빈도에 관련한 다이어그램이다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 관한 연료 전지 시스템의 구성을 보여준다. 도1에 도시된 제1 실시예의 시스템은, 발전을 행하는 연료 전지(100)와, 연료 전지(100)에 연료 가스인 수소 또는 수소 리치 가스를 공급하기 위한 수소 공급 시스템과, 연료 전지(100)에 산화제 가스인 산소를 포함한 공기를 공급하기 위한 공기 공급 시스템을 구비하고 있다.
연료 전지(100) 내에는, 수소가 공급되는 수소 전극과 산소(즉, 공기)가 공급되는 공기 전극을 포함하는 발전 셀들이 전해질-전극 복합체를 사이에 두고 적층되어 중첩되어 있다. 또한, 연료 전지(100)는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의한 화학 에너지로부터 전기 에너지를 생산하는 발전부를 포함한다.
연료 전지(100)의 수소 전극에서는, 수소가 수소 이온과 전자로 해리되고, 수소 이온은 전해질을 통과하고, 전자는 외부 회로를 통과함으로써 전력을 발생시키고, 공기 전극으로 각기 이동한다. 공기 전극에서는, 상술의 수소 이온 및 전자가 공급된 공기 중의 산소와 반응하여 물이 생성되고 외부로 배출된다.
연료 전지(100)의 전해질에 대해 고체 고분자 전해질을 사용하면 고에너지 밀도화, 비용 저감 및 경량의 연료 전지 시스템을 구현할 수 있다. 고체 고분자 전해질은, 불소 수지계 이온 교환막 및 이온(즉, 양자) 전도성의 고분자막으로 이루어지며, 포화함수를 사용하는 이온 전도성 전해질로서 기능한다.
수소 공급원으로부터 공급된 수소 가스는 수소 조절 밸브를 통과해서 수소 공급 배관(101) 쪽으로 보내지고 연료 전지(100)의 수소 전극으로 공급된다. 공급된 수소 가스 전부가 연료 전지(100)에서 소비되지 않는 경우, 애노드 순환 펌프(103)는 수소 오프가스가 애노드 순환 배관(102)을 거쳐 통과하게 함으로써 소비되지 않은 채로 연료 전지(100)로부터 방출되는 수소 오프가스를 순환시킨다. 애노드 순환 배관(102)내에서, 수소 오프가스는 새로이 공급된 수소 가스와 혼합되어, 다시 연료 전지(100)의 수소 전극으로 공급된다.
애노드 순환 배관(102)은 연료 전지(100)의 출구측에 정화 밸브(104)와 정화 배관(105)을 포함한다. 정화 밸브(104)는 통상은 닫혀있고, 연료 전지(100) 내의 물 막힘 또는 불활성 가스의 축적으로 인한 셀 전압의 저하를 검지하는 경우에 개방된다. 애노드 순환 배관(102) 내에는 수소 가스의 순환으로부터 불순물 또는 질소가 축적되고, 수소 압력의 저하에 기인하여 연료 전지(100)의 발전 효율 저하가 있게 된다. 수소는, 정화 밸브(104)를 필요에 따라서 개방함으로써, 연료 전지(100) 및 애노드 순환 배관(102)으로부터 정화된다.
연료 전지(100)의 공기 공급 시스템은, 공기 공급 펌프로부터의 공기를 공기 공급 배관(106)에 의해 공기 전극으로 안내한다. 연료 전지(100)에 의해 소비되지 않은 산소 및 캐소드 오프가스는 연료 전지(100)로부터 캐소드 배출 배관(107)에 의해 연료 전지 시스템 외부로 배출된다.
또한, 연료 전지 시스템은 애노드 물 배출 시스템(115)을 구비한다. 연료 전지(100)가 산화 환원 반응을 이용하여 발전을 행하면 연료 전지(100)의 캐소드 측에서는 수분이 생성된다. 이 수분은 전해질막에 의해 연료 전지(100)의 애노드 측으로 이동하고 연료 오프가스와 함께 애노드 드레인 개구(109)로부터 배출된다. 애노드 물 배출 시스템(115)은, 액상의 물과 오프가스를 포함하는 이 수분을 연료 전지 시스템 외부로 배출하는 기능을 구비한다. 또한, 연료 전지 시스템은 기액 분리기(110) 및 오리피스를 포함하는 스로틀 밸브(111)를 구비한다.
기액 분리기(110)는 연료 전지(100)의 애노드 출구 매니폴드(108)의 애노드 드레인 개구(109)보다 높은 위치에 배치되고, 애노드 드레인 배관(112)에 의해 연 료 전지(100)의 애노드 드레인 개구(109)에 연결되어 있다. 기액 분리기(110)는, 그 기액 분리기(110)의 하부에 물을 일시적으로 저류하는 물 탱크(113), 및 물 탱크(113)에 저류된 물의 연료 전지 시스템 외부로의 배출을 제어하는 배수 밸브(114)를 포함한다. 기액 분리기(110)는, 애노드 드레인 개구(109)로부터, 수소 오프가스 및 연료 전지(100) 내부에서 생성된 수분을 받아들이고, 수소 오프가스로부터 기체 성분과 수분을 분리한다. 기액 분리기(110)는 분리된 수분을 물 탱크(113)에 일시적으로 저류시키고, 저류된 물을 배수 밸브(114)에 의해 적절히 물 탱크(113)로부터 배출한다.
또한, 기액 분리기(110)는 대기로 개방된 캐소드 배출 배관(107)에도 연결되어 있다. 스로틀 밸브(111)는 기액 분리기(110)와 캐소드 배출 배관(107) 사이에 형성되어 있다. 연료 전지 시스템을 운전하는 동안, 연료 전지(100) 내의 압력은 대기압보다도 10KPa 이상 높다. 따라서, 애노드 드레인 개구(109)의 오프가스 및 수분이, 기액 분리기(110)와 캐소드 배출 배관(107)의 연결 지점 및 애노드 드레인 개구(109) 사이의 압력차에 의해 기액 분리기(110)로 흡인된다. 스로틀 밸브(111)는 오프가스 및 수분의 유동률 또는 유속을 감소시키거나 제한하는 역할을 하여, 기액 분리기(110)에서 수분이 기체 성분으로부터 완전히 분리될 수 있게 한다. 수분을 포함하지 않은 기체 성분만이 스로틀 밸브(111)를 통해 캐소드 배출 배관(107)으로 이동되며, 그렇지 않다면 배출 배관(107)이 액상의 물에 의해 막힐 수가 있다. 스로틀 밸브(111)는 수분이 캐소드 배출 배관(107)에 도달하는 것을 방지하는 역할을 한다.
또한, 연료 전지 시스템은 시스템 제어부(120)(도1에는 도시하지 않음)를 구비한다. 시스템 제어부(120)는 연료 전지 시스템의 작동을 제어하는 제어 센터로서 기능하며, CPU, 메모리 장치, 프로그램을 사용하여 동작 프로세스를 제어하기 위한 입/출력 장치를 구비한다. 시스템 제어부(120)는 연료 전지 시스템의 동작을 위해 필요한, 이 연료 전지 시스템에 있는 센서(도시하지 않음)에 의해 얻어진 압력, 온도, 전압, 및 전류 신호 등을 읽는다. 내부 제어 로직에 읽혀지고 미리 탑재된 프로그램에 기초하여, 시스템 제어부(120)는 연료 전지 시스템의 각각의 구성요소로 명령을 전달하고 연료 전지 시스템을 위한 수분 배출 공정을 포함한다.
도1에 도시된 바와 같이, 스로틀 밸브(111)는 기액 분리기(110)와 캐소드 배출 배관(107) 사이에 위치된다. 스로틀 밸브(11)는 애노드 드레인 배관(112)에서 애노드 드레인 개구(109)와 기액 분리기(110) 사이의 고저차(L)의 합보다 큰 압력 차를 유지할 수 있도록 설치되어 있다. 즉, 스로틀 밸브에는 다음이 성립한다. L(㎜)/100(kPa)+△Ps < △P(kPa) = P2-P1,(여기서 L은 고저차이고, △Ps는 애노드 드레인 배관(112)에서의 압력 강하이고, P1은 기액 분리기(110) 내의 압력이고, P2는 애노드 출구 매니폴드(108) 내의 압력이다).
제1 실시예에서, 스로틀 밸브(111)의 개구는 0.18mm의 원 직경을 갖는다. 스로틀 밸브(111) 개구의 직경은 스로틀 밸브(111)를 통과하는 수소 오프가스를 캐소드 배출 배관(107) 내의 캐소드 오프가스를 사용하여 연소가능한 수소 농도 미만으로 희석할 수 있도록 결정된다.
제1 실시예는 기액 분리기(110)와 애노드 출구 매니폴드(108) 사이의 애노드 드레인 배관(112)에서 압력차를 생성하는 스로틀 밸브(111)를 포함한다. 이 압력차를 이용함으로써, 연료 전지(100)에 의해 생성되어 애노드 출구 매니폴드(108) 및 애노드 드레인 개구(109)로부터, 애노드 출구 매니폴드(108) 및 애노드 드레인 개구(109)보다 연료 전지 시스템에서 높은 위치에 배치되어 있는 기액 분리기(110)로 배출되는 물을 흡상할 수 있다.
기액 분리기(110)와 애노드 출구 매니폴드(108) 사이의 압력차에 의해 연료 오프가스를 배출시킴으로써 물을 흡상가능하다. 압력차는 애노드 드레인 배관(112)의 배관 압력 강하 및 고저차(elevation)에 기초하여 결정된다. 또한, 수소 오프가스와 캐소드 배출 가스를 캐소드 배출 배관(107) 내에서 혼합함으로써 스로틀 밸브(112)를 통과하는 수소 오프가스를 희석할 수 있게 된다.
이러한 방식으로, 본 발명은 펌프의 동력을 활용하는 스쿠핑(scooping) 장치, 희석 펌프, 또는 수소 배출 공정 장치의 필요없이 배수 공정, 연비 향상, 비용 저감, 연료 전지 시스템의 소형화를 가능하게 한다. 또한, 물을 흡상함으로써 연료 전지 시스템의 외부로 수분을 배출시키면, 연료 전지(100)의 플러딩을 방지할 수 있고, 이는 연료 전지(100)의 성능을 안정화한다.
도2는 본 발명의 제2 실시예에 관한 연료 전지 시스템의 구성을 보여주는 도면이다. 제1 실시예와 비교할 때, 도2에 도시된 제2 실시예의 특징은 애노드 드레인 개구(109)와 기액 분리기(110) 사이에 오리피스를 포함하는 제2 스로틀 밸브(201)가 설치되는 것이다. 제2 스로틀 밸브(201)는 연료 전지(100)의 기액 분리기(110)와 애노드 드레인 개구(109) 사이의 애노드 드레인 배관(112)에서 제1 스로 틀 밸브(111)와 동일한 기능을 갖는다. 이 실시예의 다른 특징들은 제1 실시예와 동일하다.
제2 실시예에서는 기액 분리기(110)와 애노드 출구 매니폴드(108) 사이에 생성되는 압력차를 증가시킬 수 있다. 이것은 물을 흡상하는 능력을 증가시키고, 또한 연료 전지 시스템의 성능을 향상시킨다.
도3은 본 발명의 제3 실시예에 관한 연료 전지 시스템의 구성을 보여주는 도면이다. 제1 실시예와 비교할 때, 도3에 도시된 제3 실시예의 특징은 기액 분리기(110)와 캐소드 배출 배관(107) 사이에 또 다른 수소 오프가스의 유로를 따라서 오리피스를 포함하는 제3 스로틀 밸브(301)를 구비하는 데 있다. 제3 스로틀 밸브(301)는 제1 스로틀 밸브(111)와 병렬이며 제1 스로틀 밸브(11)와 동일한 기능을 갖는다. 또한, 제3 실시예는 제1 스로틀 밸브(111)와 제3 스로틀 밸브(301)의 하류에 각각 배치되는 제1 차단 밸브(302)와 제2 차단 밸브(303)를 포함한다. 다른 특징들은 제1 실시예와 동일하다.
도시된 구성에서, 시스템 제어부(120)는 제1 차단 밸브(302) 및 제2 차단 밸브(303)의 개폐 제어를 갖는다. 개폐 제어는 시스템 제어부(120)가 기액 분리기(110)와 캐소드 배출 가스 배관(107) 사이에서 유로 표면적을 변경가능하게 한다. 제1 차단 밸브(302) 및 제2 차단 밸브(303)가 수소 오프가스를 방출하는 때에, 출구 표면적은 제1 차단 밸브(302)가 제2 차단 밸브(303)보다 크도록 설치된다. 도4는 제3 실시예에서의 차단 밸브의 개폐 제어의 일예를 보여준다.
시스템의 검출된 운전 조건에 따라서 개폐 제어를 함으로써 개방 표면적을 변경할 수 있다. 검출된 운전 조건은 압력 센서(310)에 의한 연료 전지 시스템의 애노드 측내의 작동 압력의 검출, 온도 센서(311)를 사용한 연료 전지 온도의 검출, 전류 센서(312)를 사용한 연료 전지(100)로부터 나오는 전류의 검출을 포함할 수도 있다. 작동 압력이 높을수록, 애노드 드레인 개구(109)로부터 기액 분리기(110)로 배출되는 수소 오프가스 및 수분의 양의 증가가 크다. 연료 전지 온도가 높으면 높을수록 연료 전지(100)으로부터 나오는 전류가 많다. 연료 전지(100)에 의해 생성된 수분은 이들 운전 조건에 기초하여 증가한다; 그러므로 스로틀 밸브 개방 직경 및 차단 밸브의 교체 시기는 수소 오프가스와 수분 배출양의 계산으로부터 결정된다.
제3 실시예에서는 스로틀 표면적을 변경할 수 있고, 시스템 운전 조건 및 수소 오프가스 배출량에 따라서 흡상하는 수량을 변화시켜 연료 전지(100)의 플러딩을 방지함으로써 그 신뢰성을 높일 수 있다. 또한, 연료 전지(100)로부터 배출되는 수소 오프가스의 양을 저하시킴으로써 연비를 향상시킬 수 있다.
또한, 필요한 흡상 수량을 유지함과 더불어, 수소 배출량이 저감될 수 있고, 따라서 연비를 향상시킬 수 있다. 또한, 연료 전지(100)에서 생성되는 수량과 연료 전지 온도에 따라서 스로틀 밸브의 개폐 제어를 행함으로써, 애노드 출구 매니폴드(108)에서 저류되는 수량을 줄일 수 있다. 또한, 플러딩을 방지할 수 있고 효율적인 질소 정화 시스템을 설계할 수 있다.
도5는 본 발명의 제4 실시예에 관한 연료 전지 시스템의 구성을 보여주는 도면이다. 제3 실시예와 비교할 때, 도 5에 도시된 제4 실시예의 특징은 제1 스로틀 밸브(111) 및 제3 스로틀 밸브(301)와 병렬로 제4 스로틀 밸브(501)가 설치되고, 제4 스로틀 밸브(501)의 하류에 제3 차단 밸브(502)를 설치하는 데 있다. 다른 특징들은 제3 실시예와 동일하다.
도시된 구성에서, 제1 차단 밸브(302), 제2 차단 밸브(303), 그리고 제3 차단 밸브(502)가 수소 오프가스를 방출하는 경우의 출구 표면적은 제1 차단 밸브(302)가 제2 차단 밸브(303)보다 크고, 제2 차단 밸브(303)는 제3 차단 밸브(502)보다 크게끔 형성된다. 도6은 제4 실시예에 있어서의 차단 밸브의 개폐 제어의 일예를 보여준다.
연료 전지 시스템 내의 압력 센서(310)는 연료 전지 시스템의 애노드 측 내의 작동 압력을 검출하고, 연료 전지 시스템 내의 온도 센서(311)는 연료 전지 온도를 검출하고, 연료 전지 시스템 내의 전류 센서(312)는 연료 전지(100)로부터 나오는 전류를 검출한다. 검출된 연료 전지 시스템의 운전 조건에 따라서 개폐 제어를 함으로써 개구 표면적을 변경함이 가능하다.
그 결과, 제4 실시예에서, 기액 분리기(110)와 캐소드 배출 배관(107) 사이의 유로에서의 개구를 제 3 실시예에서보다 정확하게 조절할 수 있다. 또한, 기액 분리기(110)로 흡상할 수량 및 기액 분리기(110)로부터 배출되는 수소의 양을 정확히 제어할 수 있다.
도7은 본 발명의 제5 실시예에 관한 연료 전지 시스템의 구성을 보여주는 도면이다. 제3 실시예와 비교할 때, 도7에 도시된 제5 실시예의 특징은 순환 배관(102)의 애노드로부터 정화 배관(105)의 정화 밸브(104)의 제거에 있다. 이 경 우에, 연료 전지 시스템의 애노드 측에는 애노드 물 배출 시스템(115)을 사용한 질소 정화가 있다. 다른 특징들은 제3 실시예와 동일하다.
도시된 실시예에서, 애노드 물 배출 시스템(115)은 애노드 드레인 배관(112), 기액 분리기(110), 제1 스로틀 밸브(111), 제1 차단 밸브(302), 제3 스로틀 밸브(301), 제2 차단 밸브(303), 그리고 캐소드 배출 가스 배관(107)을 사용하여 형성되어 있다. 애노드 물 배출 시스템(115)은 연료 전지(100)의 애노드측으로부터 캐소드 배출 가스 배관(107)으로 질소를 정화시킬 수 있다.
제5 실시예에서는, 정화 밸브(104) 및 정화 배관(105)을 제거할 수 있고, 따라서 구성의 크기를 줄이는 한편으로 비용을 줄일 수 있다. 연료 전지 시스템의 애노드 측에 대해 필요한 질소 정화량에 따라서 제1 스로틀 밸브(111) 및 제3 스로틀 밸브(311)의 개폐 제어에 의해 유동 표면적을 변경하면, 요구되는 질소 정화량을 만족시켜면서 물을 흡상할 수 있다. 과도한 수소 배출을 방지함으로써 연비를 향상시킬 수도 있다. 또한, 요구되는 질소 정화량은 애노드 순환 배관(102) 내의 수소 농도 센서(313)에 의해 측정된 수소 농도로부터 어림잡을 수 있다.
도8은 본 발명의 제6 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 보여주는 도면이다. 제1 실시예와 비교할 때, 도6에 도시된 제6 실시예의 특징은 스로틀 밸브(111)를 대체하는 가변 스로틀 밸브(801)가 형성되는 데 있으며, 다른 특징들은 제1 실시예에서와 동일하다.
가변 스로틀 밸브(801)는 시스템 제어부(120)의 제어하에서 기액 분리기(110)와 캐소드 배출 배관(107) 사이의 유로에 있어서의 개방 표면적(즉, 스로틀 개도)을 변경할 수 있도록 형성된다. 제6 실시예에서는, 단일의 스로틀 밸브를 사용하여 애노드 출구 매니폴드(108)과 기액 분리기(110) 사이의 압력 차를 변경시킬 수 있으며, 따라서 구성의 크기를 축소시킬 수 있다.
게다가, 가변 스로틀 밸브(801)의 개구 표면적을 사용하여 차압을 자유로이 형성하기 위해서, 압력 센서(310)를 사용한 연료 전지 시스템의 애노드측 내의 작동 압력의 검출, 온도 센서(311)를 사용한 연료 전지 온도의 검출, 그리고 전류 센서(312)를 사용한 연료 전지(100)로부터 인출되는 전류의 검출이 있게 된다. 이들 계측으로부터, 검출된 운전 조건들에 따라서 가변 스로틀 밸브(801)를 통해 개구를 변경함으로써 압력 차를 결정할 수 있다. 제1 내지 제4 실시예에 도시된 스로틀 밸브로부터의 개구 표면적의 조절과 비교할 때, 가변 스로틀 밸브(801)는 흡상되는 수량과 연료 전지 시스템으로부터 배출되는 질소의 양을 보다 정확히 조절할 수 있게 한다. 이러한 방식으로, 플러딩을 방지할 수 있고 연료 전지(100)의 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 질소 배출량을 저감시키고 연료 전지(100)의 연비를 향상시킬 수 있다.
도9는 본 발명의 제7 실시예에 관한 연료 전지 시스템의 구성을 보여주는 도면이다. 제6 실시예에 관하여, 도9에 도시된 제5 실시예의 특징을 채용하는 한편으로 애노드 순환 배관(102)로부터 정화 배관(105)에 있는 정화 밸브(104)를 제거한 것에 있다. 또한, 제7 실시예에서는 애노드 물 배출 시스템(115)을 사용하여 연료 전지 시스템의 애노드 측으로부터 질소를 정화하고 있지만, 다른 특징들은 제6 실시예와 동일하다.
그 결과, 제7 실시예는 제6 실시예에서 얻을 수 있었던 결과를 얻을 수 있는 능력을 가지며, 제5 실시예와 비교할 때, 연료 전지 시스템으로부터 실제로 정화되는 질소의 요구량을 매우 정확하게 근사할 수 있다. 또한, 불필요한 수소의 배출을 제어함으로써, 연비를 향상시킬 수 있다.
도10은 본 발명의 제8 실시예에 관한 연료 전지 시스템의 구성을 보여주는 도면이다. 제1 실시예와 비교할 때, 도10에 도시된 제8 실시예의 특징은 기액 분리기(110)의 물 탱크(113)에 수위 검출 게이지(1001)가 설치된다는 데에 있다. 다른 특징들은 제1 실시예와 동일하다.
제8 실시예에서, 수위 검출 게이지(1001)는 물 탱크(113) 내의 수위를 검출하고 그 검출된 수위를 시스템 제어부(120)에 입력한다.
검출된 수위에 기초하여 시스템 제어부(120)의 제어하에 물 탱크(113)의 배수 밸브(114)를 개폐 제어하여 물 탱크(113)의 수위를 조절함으로써, 물 탱크(113) 내의 수위를 유지시킬 수 있다. 또한 배수 밸브(114)에 의해 물 탱크(113)로부터 물을 배출하는 때에 수소 누출을 방지할 수 있다. 또한, 수위 검출 게이지(1001)는 물 탱크(113)에서의 수위 저하를 신속히 검출할 수 있고, 따라서 신뢰성을 높일 수 있다.
도11은 본 발명의 제9 실시예에 관한 연료 전지 시스템의 구성을 보여주는 도면이다. 제2 실시예와 비교할 때, 도11에 도시된 제9 실시예의 특징은 기액 분리기(110)와 애노드 출구 매니폴드(108) 사이 두 지점의 압력차를 검출하는 차압 게이지(1101)가 설치되는 데 있다. 다른 특징들은 제2 실시예에서와 동일하다.
기액 분리기(110)와 애노드 출구 매니폴드(108)를 연결하는 애노드 드레인 배관(112)에서는, 그 애노드 드레인 배관(112)에 물이 있을 경우와, 그 애노드 드레인 배관(112)에 물이 없을 경우에 압력에 있어서의 차이가 있다. 애노드 드레인 배관(112)에 물이 있는 경우 압력에 있어서의 차이가 커지기 때문에, 차압 게이지(1101)에 의해 검출된 압력차에 기초하여 제1 차단 밸브(302)와 제2 차단 밸브(303)의 개폐 제어가 변경된다. 애노드 드레인 배관(112)에 물이 있는 경우는, 제1 스로틀 밸브(111)와 제3 스로틀 밸브(301)의 개방 표면적이 커지게 되고, 흡상되는 수량이 증가한다. 따라서, 연료 전지(100)내의 수분을 신속히 배출시킬 수 있다. 플러딩을 방지함으로써 신뢰성을 향상시킬 수 있음과 더불어, 효율적인 질소의 정화를 설계함으로써 성능을 개선할 수 있다.
도12는 본 발명의 제10 실시예에 관한 연료 전지 시스템의 구성을 보여주는 도면이다. 제1 실시예와 비교할 때, 도12에 도시된 제10 실시예의 특징은 애노드 순환 배관(102)과 정화 배관(105)의 분기 지점의 상류에 애노드 물 배출 시스템(115)에 설치된 기액 분리기(110)와 동일한 기능을 갖는 제2 기액 분리기(1201)가 설치되는 데 있다. 다른 특징들은 제1 실시예에서와 동일하다.
제10 실시예에 있어서는, 순환 기액 분리기(1201)를 사용하여 애노드 순환 배관(102)으로 유동하여 나가는 수분을 회수할 수 있다. 그러므로, 애노드 순환 펌프(103)과 같은 순환 시스템의 구성요소에서의 물의 유동을 방지할 수 있고, 능력 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도13은 본 발명의 제11 실시예에 관한 연료 전지 시스템의 구성을 보여주는 도면이다. 제1 실시예와 비교할 때, 도13에 도시된 제11 실시예의 특징은 물 탱크(113)로부터 배출된 물과 캐소드 배출 배관(107)으로 배출된 캐소드 오프가스를 합류시키는 합류부(1301)가 설치되는 데 있다.
합류부(1301)는 물 탱크(113)으로부터의 물의 배출을 배수 배관(1302)을 통해 제어하는 배수 밸브(114)에 연결되어 있다. 합류부(1301)는 또한 분기 배관(1304)을 통해 제1 스로틀 밸브(111)와 캐소드 배출 배관(107)의 하류측의 연결부(1303)에 의해 하류 캐소드 배출 배관(107)에 연결된다. 수소 농도 센서(1305)는 합류부(1301)내의 수소 농도를 측정하고, 수소 농도 센서(1305)는 측정된 수소 농도를 시스템 제어부(120)에 입력한다. 다른 특징들은 제1 실시예에서와 동일하다.
상기 도시된 구성에서, 물 탱크(113)에 저류된 물은 개방된 배수 밸브(114) 및 배수 배관(1302)에 의해 합류부(1301)로 유동한다. 이때, 물 탱크(113)의 배수 밸브(114)에 의해 배수 배관(1302)으로의 수소 가스의 누출이 있는 경우라도, 누출된 수소 가스는 캐소드 배출 가스 배관(107)으로부터 분기 배관(1304)에 의해 합류부(1301)로 유동하는 캐소드 오프가스에 의해 희석되고 합류부(1301)를 사용하여 연료 전지 시스템으로부터 외부로 배출된다.
그러므로, 수소 가스를 캐소드 오프가스로 특정 값 미만의 농도로 희석시킴으로써 그 수소 가스를 안전하게 배출시킬 수 있다. 또한, 수소 농도 센서(1305)에 의해 합류부(1301)내의 수소 농도를 측정함으로써, 물 탱크(113)에 대한 수소 가스의 누출을 검출할 수 있다.
도14는 본 발명의 제12 실시예에 관한 연료 전지 시스템의 제어 수순을 보여주는 흐름도이다. 제11 실시예에 도시된 연료 전지 시스템에 대한 제12 실시예의 특징은, 물 탱크(113)에 대하여 제8 실시예의 도 10에 도시된 것과 동일하며, 물 탱크(113)의 수위를 검출하는 수위 검출 게이지(1001)가 형성되는 데 있다. 물 탱크(113)로 들어온 수량을 추정하는 검출된 수위에 기초하여, 물이 연료 전지(100)로부터 원활히 배출된다.
도14에 있어서는, 연료 전지(100)로부터 물 탱크(113)로 소정 수위의 물이 들어왔는지의 여부가 먼저 판정된다(단계 S141). 물 탱크(113)의 수위에 있어서의 변동을 측정한 결과, 배수 밸브(114)의 개폐 작동의 횟수, 또는 기액 분리기 센서(1305)에 의해 결정된 배수 배관(1302)을 통해 유동하는 액체의 빈도에 기초하여, 물 탱크(113)로 도입되어 모아진 수량에 대한 추정이 있게 된다.
수위 변동 횟수는 이전에 설명된 수위 검출 게이지(1001)에 의해 검출된 수위에 기초하여 시스템 제어부(120)에 의해 측정된다. 동일한 방식으로, 배수 밸브(114)의 개폐 제어의 횟수가 시스템 제어부(120)에 의해 측정된다. 액체 판정 빈도는 배수 밸브(114)와 합류부(130) 사이의 배수 배관(1302)에 설치된 기액 분리 센서(1305)에 의해 측정된다. 기액 분리 센서(1305)는 시스템 제어부(120)를 사용하여 배수 배관(1302)을 유동해간 액체의 빈도를 측정한다.
도15a 내지 도15d는 물 탱크(113)안에 도입된 수량을 추정하는 방법에 관련하는 개개의 양의 관계를 보여준다. 도15a에 도시된 바와 같이, 물 탱크(113)에 도입된 수량은 연료 전지(100)의 보다 낮은 운전 온도에서 연료 전지 시스템에 의 해 요구되는 요구 부하를 증가시키는 경향을 갖는다. 요구 부하(1307) 및 운전 온도(311)에 관하여, 물이 도 15a에 도시된 기울기에 대해 도입된 수량과 대략 동일한 높이인 경우에, 도15b 내지 도15d 각각은 이전에 설명된 수위 변동 횟수, 작동 횟수, 및 액체 판정 빈도에 대한 관계를 보여준다.
이들 관계들은 사전 시험에 의해 결정되며, 예를 들어, 맵의 형태로 시스템 제어부(120)내의 메모리 장치에 저장되고 도입된 수량 추정 시스템으로서 사용된다. 환언하면, 도15b 내지 도15d에 도시된 값들을, 도15a에 도시된 도입된 수량에 대응하여 상술한 바와 같이 측정된 물 변동 횟수, 작동 횟수, 또는 액체 판정 빈도와 비교함으로써, 물 탱크(113)로 도입된 수량의 추정값을 생성한다. 시스템 제어부(120)는 물 탱크(113)로 물이 도입되었는지의 여부 및 추정된 도입된 수량이 사전 시험에 의해 설정된 규정량 미만인지의 여부를 판정한다.
시스템 제어부(120)가 물 탱크(113)로의 물의 도입이 없었다고 판정하면, 배수 밸브(114)가 물 탱크(113)에 축적된 물을 방출하기 위해 개방된다(단계 S142). 배수 밸브(114)는 수위 검출 게이지(1001)의 출력 값이 일정 값에 도달하는 경우에 열린다. 그러나, 물 탱크(113)에 대해 수소 가스를 배출하고 제어하는 제1 스로틀 밸브(111)의 개방이 폐색된다면, 물 탱크(113)와 연료 전지(100) 사이에서 압력차가 사라진다. 그러므로, 연료 전지(100)에 대해 물 탱크(113)로의 물의 도입이 없다면, 물 탱크(113)의 수위에 있어서의 변동이 없기 때문에 물 탱크(113)에 축적된 물은 배출되지 않는다.
물이 물 탱크(113)로 들어오지 않은 것으로 판정되는 경우에는, 물 탱 크(113)의 수위에 관계없이 배수 밸브(114)를 개방한다. 이로부터, 물 탱크(113)의 내압이 감소하고 압력차에 기인하여 연료 전지(100)로부터 물 탱크(113)로의 물의 도입이 있게 된다. 이때, 물 탱크(113)내의 가능한 많은 내압의 감소가 있게 된다. 그 결과, 수위 검출 게이지(1001)에 대한 수위 하한이 설정되고 이것은 미리 설정된 값보다 작다.
배수 밸브(114)의 개방 후에, 물 탱크(113) 의 수위가 앞서 설명된 수위 하한에 도달하였는가의 여부를 판정하게 되고(단계 S143), 그 하한에 도달하면 배수 밸브(114)를 닫게 된다(단계 S144). 또한, 배수 밸브(114)를 닫는데 필요한 시간, 예를 들어 소정의 간격은 물 탱크(113)내의 압력이 규정된 값에 도달하는 때일 수 있다.
한편, 앞서의 단계(S141)로부터, 물 탱크(113)안으로 도입된 수량이 소정량 미만으로 판정되면, 물 탱크(113)와 캐소드 배출 배관(107) 사이에 설치된 물 제거 장치(1306)가 제1 스로틀 밸브(단계 S145)에 유지된 물을 제거한다.
다른 실시예에서, 제1 스로틀 밸브(111)는 도8에 도시된 제6 실시예에서 사용된 바와 동일한 방식으로 가변 스로틀 밸브로 대체될 수 있다. 가변 스로틀 밸브는 제6 실시예의 가변 스로틀 밸브와 마찬가지 방식으로 시스템 제어부(120)의 제어하에 그 개방 표면적을 변경할 수 있는 전자기 밸브로서 구성된다. 이러한 종류의 가변 스로틀 밸브를 사용함으로써, 추정된 물 탱크(113)로 도입된 수량이 소정량 미만인 것으로 판정되는 경우에, 가변 스로틀 밸브의 개방 표면적을 확대시켜 물의 축적에 의해 제한된 유동 표면적의 회복이 있게 된다. 그러므로, 물 탱 크(113)의 내압에 있어서의 감소에 의해 물 탱크(113)로 도입된 물이 증가하게 되고, 가변 스로틀 밸브의 개방 제어의 정지가 있게 된다(단계 S147).
전기 히터를 구비한 물 제거 장치(1306)로서 시스템 제어부(120)의 제어하에 제1 스로틀 밸브를 가열하는 가열 장치를 채용할 수도 있다. 이 경우에, 추정된 물 탱크(113) 내의 도입된 수량이 소정량 미만인 것으로 판정되는 경우, 제1 스로틀 밸브(111)를 전기 히터를 통과시킴으로써 제1 스로틀 밸브(111)에 축적된 물의 제거가 있게 된다. 따라서, 제1 스로틀 밸브(111)에서의 유동 표면적이 유지되고, 물 탱크(113)의 내압에 있어서의 감소가 있게 되고 물 탱크(113)에 대한 도입된 물에 있어서의 증가가 있게 된다.
또한, 물 제거 장치(1306)에서 연료 전지 시스템의 작동 압력을 상승시킬 수도 있다. 작동 압력을 높임으로써, 스로틀 밸브 전후에서 큰 압력차가 발생하고 스로틀부에서 축적된 물의 제거가 있게 된다. 그러므로, 물 탱크(113)의 내압 감소 때문에 물 탱크(113)로 도입되는 수량이 증가한다.
앞서의 단계(S141)로부터, 추정된 물 탱크(113) 내의 도입된 수량이 앞서 설명된 소정량보다 크면 제어가 완료된다. 이러한 방식으로, 제14 실시예에서는, 물 탱크(113)내의 물이 원활하게 도입되고 있지 않다고 판정되는 경우, 물 탱크(113)로부터 물이 배출되고 물 탱크(113)의 압력을 낮춤으로써 연료 전지(100)로부터 물이 원활하게 물 탱크(113)로 도입된다. 그러므로, 연료 전지(100)로부터 배수가 제약되지 않고 연료 전지 시스템에 의해 안정되게 발전을 할 수 있게 된다.
또한, 앞서 설명한 제11 실시예 및 제12 실시예에서, 애노드 물 배출 시스 템(115)을 사용하여 질소를 정화하는 일이 가능하였다. 즉, 정화 밸브(104)를 폐쇄한 상태에서, 질소가 배수 밸브(114)를 개방함으로써 정화되었다. 배수 밸브(114)로부터 배출되는 수소의 총량에 기초하여 정화 밸브(104)를 폐쇄하기 위한 빈도를 결정하는 경우, 질소 정화 성능을 만족시키는 수소 배출량이 설정된다. 그러므로, 수소의 배출량을 적게 할 수 있다. 또한, 애노드 물 배출 시스템(150)으로 정화함으로써, 연료 전지 시스템으로부터 정화 밸브를 제거할 수 있게 되고, 이에 의해 비용이 줄어들고 구성이 소형화된다. 또한, 앞서 설명한 제1 내지 제12 실시예를 적절히 조합할 수도 있다.
본 발명의 각종의 실시예를 설명하였다. 이들 및 다른 실시예들은 첨부한 청구의 범위의 범주 내에 있다.
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 연료 전지 시스템 내의 수분을 배출하는데 적용할 수 있다.

Claims (34)

  1. 연료 가스와 산화제 가스의 전기화학 반응에 의해 발전을 행하는 연료 전지와,
    상기 연료 전지로부터 발전 중에 생성된 산화제 오프가스를 배출하는 캐소드 배출 배관과,
    애노드 드레인 배관을 통해 상기 연료 전지로부터 발전 중에 생성된 수분 및 연료 오프가스를 배출하는 애노드 드레인 개구와,
    상기 애노드 드레인 개구로부터 상기 애노드 드레인 배관을 통해 상기 연료 오프가스 및 수분을 받아들이고 상기 연료 오프가스의 수분 및 연료 기체 성분을 분리하는 기액 분리기와,
    상기 캐소드 배출 배관과 상기 기액 분리기 사이의 상기 연료 오프가스의 유로에 설치되며, 개도를 조정하여 상기 연료 오프가스의 유동율(flow rate)을 제한하는 스로틀 밸브를 포함하고,
    상기 기액 분리기는 상기 애노드 드레인 개구보다도 높은 위치에 배치되며,
    상기 애노드 드레인 배관에서의 압력차는 상기 연료 오프가스 및 수분이 상기 애노드 드레인 개구로부터 상기 기액 분리기로 유동하도록 하고, 상기 연료 오프가스가 상기 기액 분리기로부터 상기 스로틀 밸브로 유동하도록 하는 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스로틀 밸브는 제1 스로틀 밸브를 포함하고, 상기 기 액 분리기와 상기 애노드 드레인 개구 사이에 상기 애노드 드레인 배관의 상기 수분 및 상기 연료 오프가스의 유로에 있어서의 개방을 유지하는 제2 스로틀 밸브를 더 포함하는 연료 전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 스로틀 밸브는 오리피스를 포함하는 연료 전지 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 스로틀 밸브는 오리피스를 포함하는 연료 전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 스로틀 밸브는 병렬로 연결된 복수의 오리피스를 포함하고, 상기 복수의 오리피스 각각은 복수의 차단 밸브 각각에 직렬로 연결되는 연료 전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 연료 가스의 작동 압력을 검출하는 압력 센서를 더 포함하고, 상기 복수의 오리피스는 상기 기액 분리기와 상기 캐소드 배출 배관 사이의 상기 연료 오프가스의 유로에 있어서의 개방을 조정하고 상기 복수의 차단 밸브는 상기 검출된 압력 값에 기초하여 개폐되는 연료 전지 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 연료 전지의 전류를 검출하는 전류 센서와,
    상기 연료 전지의 온도를 검출하는 온도 센서를 더 포함하고,
    상기 복수의 오리피스는 상기 기액 분리기와 상기 캐소드 배출 배관 사이의 상기 연료 오프가스의 유로에 있어서의 개방을 조정하고, 상기 복수의 차단 밸브는 상기 검출된 전류 값 및 검출된 온도 값에 기초하여 개폐되는 연료 전지 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 기액 분리기 및 상기 스로틀 밸브는 상기 연료 전지에 축적된 질소를 배출하는 연료 전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 연료 전지로부터 배출되어야 하는 질소의 양을 추정하는 질소 배출 추정 장치를 더 포함하고, 상기 스로틀 밸브는 상기 추정된 질소의 양에 기초하여 상기 기액 분리기와 상기 캐소드 배출 배관 사이의 상기 연료 오프가스의 유로에 있어서의 개방을 조정하는 연료 전지 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 스로틀 밸브는 상기 기액 분리기와 상기 캐소드 배출 배관 사이의 상기 연료 오프가스의 유로에 있어서의 개방도를 변경하는 가변 스로틀 밸브를 포함하는 연료 전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 연료 전지에 공급할 연료 가스가 유동하는 애노드 순환 배관과,
    상기 애노드 순환 배관 내의 상기 연료 가스의 압력을 검출하는 압력 센서를 더 포함하고,
    상기 가변 스로틀 밸브는 상기 검출된 압력 값에 기초하여 상기 기액 분리기와 상기 캐소드 배출 배관 사이의 상기 연료 오프가스의 유로에 있어서의 개방을 조정하기 위해 개방도를 변경하는 연료 전지 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 연료 전지의 전류를 검출하는 전류 센서와,
    상기 연료 전지의 온도를 검출하는 온도 센서를 더 포함하고,
    상기 가변 스로틀 밸브는 상기 검출된 전류 값 및 검출된 온도 값에 기초하여 상기 기액 분리기와 상기 캐소드 배출 배관 사이의 상기 연료 오프가스의 유로에 있어서의 개방을 조정하기 위해 개방도를 변경하는 연료 전지 시스템.
  13. 제10항에 있어서, 상기 애노드 드레인 개구와 상기 기액 분리기 사이의 상기 애노드 드레인 배관 내 압력차를 검출하는 압력 센서를 더 포함하고, 상기 가변 스로틀 밸브는 상기 검출된 압력차에 기초하여 상기 기액 분리기와 상기 캐소드 배출 배관 사이의 상기 연료 오프가스의 유로에 있어서의 개방을 조정하기 위해 개방도를 변경하는 연료 전지 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 기액 분리기로부터의 수분을 축적하는 물 탱크와,
    상기 물 탱크 내에 축적된 수분의 수위(water level)를 검출하는 수위 센서를 더 포함하는 연료 전지 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 스로틀 밸브는 상기 검출된 물 탱크 내의 수위에 기초하여 상기 기액 분리기와 상기 캐소드 배출 배관 사이의 상기 연료 오프가스의 유로에 있어서의 개방을 조정하는 연료 전지 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 상기 기액 분리기는 제1 기액 분리기이고,
    상기 연료 전지의 캐소드 출력측으로부터 배출된 상기 연료 오프가스를 상기 연료 전지의 애노드 입력측으로 복귀시키는 애노드 순환 시스템과,
    상기 애노드 순환 시스템 내의 상기 연료 오프가스의 수분 및 연료 기체 성분을 분리하는 제2 기액 분리기를 더 포함하는 연료 전지 시스템.
  17. 제1항에 있어서, 상기 기액 분리기는 상기 기액 분리기로부터의 수분을 축적하는 물 탱크와, 상기 물 탱크로부터 배수 밸브를 통해 배출된 수분과 상기 캐소드 배출 배관 내의 산화제 오프가스를 합류시킴으로써 수분을 배출하는 합류부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 연료 전지의 요구 부하를 검출하는 부하 검출 장치와,
    상기 연료 전지의 온도를 검출하는 온도 센서와,
    상기 검출된 부하 값 및 검출된 온도 값에 기초하여 상기 물 탱크로 도입된 수량을 추정하는 물 추정 장치를 더 포함하고, 상기 물 추정 장치가 상기 물 탱크에 도입된 물이 없다고 추정하는 경우에 상기 물 탱크 내에 축적된 물이 상기 배수 밸브를 개방함으로써 배출되는 연료 전지 시스템.
  19. 제1항에 있어서, 상기 기액 분리기는 상기 기액 분리기로부터의 수분을 축적하는 물 탱크를 포함하고,
    상기 연료 전지의 요구 부하를 검출하는 부하 검출 장치와,
    상기 연료 전지의 온도를 검출하는 온도 센서와,
    상기 물 탱크로 도입된 수량을 추정하는 물 추정 장치와,
    상기 물 추정 장치가 상기 물 탱크로 도입된 수량이 사전에 설정된 수량 미만이라고 추정하는 경우 상기 스로틀 밸브에서 축적된 수분을 제거하는 물 제거 장치를 더 포함하는 연료 전지 시스템.
  20. 연료 전지 내에서 연료 가스와 산화제 가스의 전기화학 반응에 의해 발전을 행하는 단계와,
    캐소드 배출 배관을 통해 상기 연료 전지로부터 발전 중에 생성된 산화제 오프가스를 배출하는 단계와,
    애노드 드레인 배관을 통해 애노드 드레인 개구를 가지고 상기 연료 전지로부터 발전 중에 생성된 연료 오프가스 및 수분을 배출하는 단계와,
    상기 애노드 드레인 개구로부터의 상기 연료 오프가스 및 수분을 애노드 드레인 배관을 통해 수용하고, 상기 애노드 드레인 개구보다도 높은 위치에 배치된 기액 분리기를 가지고 상기 연료 오프가스의 수분 및 연료 기체 성분을 분리하는 단계와,
    개도를 조정하여 상기 연료 오프가스의 유동율을 제한하는 스로틀 밸브를 가지고 상기 기액 분리기와 상기 캐소드 배출 배관 사이의 상기 연료 오프가스의 유로에 있어서의 개방을 유지하는 단계와,
    상기 연료 오프가스 및 수분이 상기 애노드 드레인 개구로부터 상기 기액 분리기로 유동하고, 상기 연료 가스가 상기 기액 분리기로부터 상기 스로틀 밸브로 유동하도록 상기 애노드 드레인 배관 내의 압력 차를 형성하는 단계를 포함하는, 연료 전지 시스템 내의 수분을 배출하는 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 스로틀 밸브는 제1 스로틀 밸브를 포함하고, 제2 스로틀 밸브를 가지고 상기 기액 분리기와 상기 애노드 드레인 개구 사이의 상기 애노드 드레인 배관에서의 상기 연료 오프가스 및 수분의 유로에 있어서의 개방을 유지하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 시스템 내의 수분을 배출하는 방법.
  22. 제20항에 있어서,
    압력 센서를 가지고 상기 연료 가스의 작동 압력을 검출하는 단계와,
    상기 검출된 압력 값에 기초하여 상기 기액 분리기와 상기 캐소드 배출 배관 사이의 상기 연료 오프가스의 유로에 있어서의 개방을 조정하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 시스템 내의 수분을 배출하는 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    전류 센서를 가지고 상기 연료 전지의 전류를 검출하는 단계와,
    온도 센서를 가지고 상기 연료 전지의 온도를 검출하는 단계와,
    상기 검출된 전류 값 및 측정된 온도 값에 기초하여 상기 기액 분리기와 캐소드 배출 배관 사이의 상기 연료 오프가스의 유로에 있어서의 개방을 조정하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 시스템 내의 수분을 배출하는 방법.
  24. 제20항에 있어서, 상기 기액 분리기와 상기 스로틀 밸브를 통해 연료 전지 내에 축적된 질소를 배출하는 단계를 포함하는, 연료 전지 시스템 내의 수분을 배출하는 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    질소 배출 측정 장치를 가지고 상기 연료 전지로부터 배출되어야 하는 질소의 양을 추정하는 단계와,
    상기 추정된 질소의 양에 기초하여 상기 기액 분리기와 상기 캐소드 배출 배관 사이의 상기 연료 오프가스의 유로에 있어서의 개방을 조정하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 시스템 내의 수분을 배출하는 방법.
  26. 제20항에 있어서,
    물 탱크 내에 상기 기액 분리기로부터의 수분을 축적하는 단계와,
    수위 센서를 가지고 상기 물 탱크 내에 축적된 수분의 수위를 검출하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 시스템 내의 수분을 배출하는 방법.
  27. 제26항에 있어서, 상기 물 탱크 내에서 검출된 수위에 기초하여 상기 기액 분리기와 상기 캐소드 배출 배관 사이의 상기 연료 오프가스의 유로에 있어서의 개방을 조정하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 시스템 내의 수분을 배출하는 방법.
  28. 제20항에 있어서,
    압력 검출기를 가지고 상기 애노드 드레인 개구와 상기 기액 분리기 사이의 상기 애노드 드레인 배관 내의 압력차를 검출하는 단계와,
    상기 검출된 압력차에 기초하여 상기 기액 분리기와 상기 캐소드 배출 배관 사이의 상기 연료 오프가스의 유로에 있어서의 개방을 조정하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 시스템 내의 수분을 배출하는 방법.
  29. 제20항에 있어서,
    상기 기액 분리기는 제1 기액 분리기이고,
    상기 연료 전지의 캐소드 출력측으로부터 배출된 상기 연료 오프가스를 애노드 순환 시스템을 통해 상기 연료 전지의 애노드 입력측으로 복귀시키는 단계와,
    제2 기액 분리기를 가지고 상기 애노드 순환 시스템 내의 상기 연료 오프가스의 수분과 연료 기체 성분을 분리하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 시스템 내의 수분을 배출하는 방법.
  30. 제20항에 있어서,
    물 탱크 내에 상기 기액 분리기로부터의 수분을 축적하는 단계와,
    배수 밸브를 통해 상기 물 탱크로부터 축적된 수분을 배출하는 단계와,
    합류부 내에서 상기 캐소드 배출 배관 내의 산화제 오프가스와 상기 배출된 수분을 합류시키는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 시스템 내의 수분을 배출하는 방법.
  31. 제30항에 있어서,
    부하 검출 장치를 가지고 상기 연료 전지의 요구 부하를 검출하는 단계와,
    온도 센서를 가지고 상기 연료 전지의 온도를 검출하는 단계와,
    상기 검출된 부하 값과 검출된 온도 값에 기초하여 물 추정 장치를 가지고 물 탱크로 도입된 수량을 추정하는 단계와,
    상기 물 추정 장치가 상기 물 탱크 내에 도입된 물이 없다고 추정하는 경우 상기 배수 밸브를 개방함으로써 상기 물 탱크 내에 축적된 물을 배출하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 시스템 내의 수분을 배출하는 방법.
  32. 제20항에 있어서,
    물 탱크 내에 상기 기액 분리기로부터의 수분을 축적하는 단계와,
    부하 검출 장치를 가지고 상기 연료 전지의 요구 부하를 검출하는 단계와,
    온도 센서를 가지고 상기 연료 전지의 온도를 검출하는 단계와,
    물 추정 장치를 가지고 상기 물 탱크로 도입된 수량을 추정하는 단계와,
    상기 물 추정 장치가 상기 물 탱크로 도입된 수량이 사전에 설정된 수량 미만이라고 추정하는 경우, 물 제거 장치를 가지고 상기 스로틀 밸브에서 축적된 수분을 제거하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 시스템 내의 수분을 배출하는 방법.
  33. 연료 가스와 산화제 가스의 전기화학 반응에 의해 발전을 행하는 연료 전지와,
    상기 연료 전지로부터 발전 중에 생성된 수분과 연료 오프가스를 애노드 드레인 배관을 통해 기액 분리기로 배출하기 위한 수단과,
    상기 연료 오프가스 및 수분이 애노드 드레인 개구로부터 상기 기액 분리기로 유동하고, 상기 연료 오프가스가 상기 기액 분리기로부터 스로틀 밸브로 유동하도록 상기 애노드 드레인 배관 내의 압력차를 형성하기 위한 수단을 포함하고,
    상기 기액 분리기는 상기 애노드 드레인 개구보다도 높은 위치에 배치되고, 상기 스로틀 밸브는 개도를 조정하여 상기 연료 오프가스의 유동율을 제한하는, 연료 전지 시스템.
  34. 제33항에 있어서,
    캐소드 배출 배관을 통해 상기 연료 전지로부터 발전 중에 생성된 산화제 오프가스를 배출하는 수단과,
    상기 기액 분리기와 상기 캐소드 배출 배관 사이의 상기 연료 오프가스의 유로에 있어서의 개방을 유지하기 위한 수단을 더 포함하는 연료 전지 시스템.
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