KR101035319B1 - 연료전지시스템 및 그 정지방법 - Google Patents

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Abstract

연료전지시스템은, 연료전지 본체와, 상기 연료전지에 대한 반응 가스를 공급 및 배출하는 가스 유로와, 상기 가스 유로에서의 가스 유통 상태를 조정하는 조정 부품을 구비하고, 또한, 상기 가스 유로의 일부를 소기하는 2계통 이상의 소기 경로를 구비하고, 제 1 소기 경로는 연료전지 본체를 포함하도록 형성되고, 제 2 소기 경로는 연료전지 본체를 바이패스하도록 형성된다.

Description

연료전지시스템 및 그 정지방법{FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF STOPPING THE SAME}
본 발명은, 연료전지시스템 및 그 정지방법에 관한 것으로, 특히 가스 유로에 설치된 펌프, 밸브 등의 시스템 구성 부품의 동결을 억제하는 것이 가능한 연료전지시스템 및 그 정지방법에 관한 것이다.
연료전지시스템은, 연료 가스와 산화제 가스를 이들 가스의 공급 경로를 거쳐 연료전지에 공급하고, 전지 본체에서의 이들 가스의 전기 화학 반응을 이용하여 발전을 행하는 시스템이다. 이 전기 화학 반응에 의하여 전지 본체에서는 물이 생성되나, 이 물은, 연료 오프 가스(연료전지 본체로부터 배출되는 연료 가스)나 산화제 오프 가스(연료전지 본체로부터 배출되는 산화제 가스) 중에 함유된 상태로 전지 본체로부터 배출된다.
따라서, 연료전지시스템의 정지 중 등에 외기(外氣)의 온도가, 예를 들면 빙점 밑으로까지 저하하면, 시스템의 가스 유로에 설치된 밸브나 배관 등에 잔류하는 가스 중의 수분이 응축하여, 이것들의 구성 부품이 동결되는 경우가 있다. 이러한 경우, 그 후 연료전지시스템을 시동시키려고 하여도, 시동시킬 수 없거나, 시동시킬 수 있어도 정상적인 작동을 행할 수 없게 될 우려가 있다. 특히 펌프 등과 같은 가스 공급 시스템 장치가 동결되면, 연료 가스나 산화제 가스의 공급을 행할 수 없게 되고, 시스템 전체를 시동할 수 있을 때까지 상당한 시간을 필요로 한다.
이 문제의 대책으로서, 예를 들면 수소 펌프의 흡입구 또는 토출부에 액체 저류부(貯留部)를 설치하고, 수소 펌프의 펌프실 내에 수분이 잔류하기 어려운 구조로 함과 동시에, 시스템 정지 직전에 수소 펌프 내를 건조 수소 가스로 소기(掃氣)하여, 잔류 수분을 제거하는 방법이 나타나 있다(특허문헌 1).
또, 다른 방법으로서, 수소 펌프의 동결을 방지하기 위하여, 시스템 정지 단계에서, 기설정된 타이밍으로 수소 펌프 내에 건조한 수소 가스를 퍼지하여, 잔류 수분을 배출하는 방법이 제안되어 있다(특허문헌 2).
[특허문헌 1]
일본국 특개2003-178782호 공보
[특허문헌 2]
일본국 특개2005-158426호 공보
그러나, 특허문헌 1, 2에서는, 수소 펌프만을 대상으로 동결 방지 조치가 검토되어 있고, 연료전지 본체 등 다른 부위에 잔류하는 수분에 대해서는 고려되어 있지 않다. 따라서, 시스템 정지시에, 연료전지 본체 및/또는 수소 펌프를 포함하는 시스템의 가스 유로에서의 동결의 문제를 회피하고자 하여, 예를 들면 연료전지 본체와 수소 펌프를 포함하는 가스경로를 소기 경로로 하여, 특허문헌 1, 2의 조작을 행한 경우, 연료전지 본체 내의 수분이, 가스의 흐름의 하류측에 설치된 펌프 및/또는 밸브 등의 시스템 구성 부품으로 유입하기 때문에, 가스 유로 내의 수분을 효과적으로 배출시킬 수 없다는 문제가 있었다.
본 발명은 이러한 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 시스템 기동시에, 연료 가스 및/또는 산화제 가스 유로에 설치된, 펌프 등의 각 구성 부품의 동결을 효과적으로 방지할 수 있는 연료전지시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는, 연료전지 본체와, 상기 연료전지에 대한 반응 가스를 공급 및 배출하는 가스 유로와, 상기 가스 유로에서의 가스 유통상태를 조정하는 조정 부품을 구비하는 연료전지시스템으로서, 상기 가스 유로의 일부를 소기하는 2계통 이상의 소기 경로를 구비하고, 제 1 소기 경로는 연료전지 본체를 포함하도록 형성되고, 제 2 소기 경로는 연료전지 본체를 바이패스하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템이 제공된다.
여기서, 「조정 부품」이란, 상기 반응 가스를 공급 및 배출하는 가스 유로 중 어느 한 부분에 설치된, 펌프, 밸브, 기액(氣液) 분리기, 가습기, 배관 등의 시스템 구성 부품을 의미하는 것에 유의할 필요가 있다. 본 발명에서는, 연료전지시스템에, 이러한 2계통 이상의 소기 경로를 설치하였기 때문에, 시스템 정지시에, 연료전지 본체를 포함하는 제 1 소기 경로에서의 소기를 행하고 나서, 연료전지 본체를 포함하지 않는 제 2 소기 경로에서의 소기를 행하는 것이 가능해지고, 연료전지 본체로부터 배출되는 수분의 영향을 받지 않고, 대상 가스 유로로부터 잔류 수분을 효율적으로 배출시키는 것이 가능해진다.
여기서, 제 1 소기 경로와, 제 2 소기 경로는, 동일한 조정 부품을 가지는 것이 바람직하다. 이에 따라, 상기 조정 부품을 효율적으로 건조시키는 것이 가능해진다.
또, 상기 반응 가스를 배출하는 가스 유로는, 배출된 반응 가스를, 순환펌프에 의하여, 상기 반응 가스를 공급하는 가스 유로로 되돌리는 순환 유로를 구비하고, 제 1 및 제 2 소기 경로는, 순환펌프를 포함하도록 형성되어도 된다. 이 구성에서는, 시스템 정지시에 연료전지 본체를 포함하는 제 1 소기 경로의 소기를 행하고 나서, 연료전지 본체의 영향을 받지 않은 상태에서, 순환펌프를 포함하는 제 2 소기 경로의 소기를 행할 수 있기 때문에, 순환펌프의 건조를 효율적으로 행하는 것이 가능해진다.
여기서, 연료전지시스템의 제 2 소기 경로는, 또한 바이패스 유로를 가지고, 상기 바이패스 유로의 한쪽 끝은, 상기 순환 유로의, 순환펌프와 상기 공급 유로의 사이에 접속되고, 상기 바이패스 유로의 다른쪽 끝은, 상기 순환 유로의, 연료전지 본체와 순환펌프의 사이에 접속되어도 된다.
또한 상기의 연료전지시스템에 있어서, 제 1 및/또는 제 2 소기 경로는, 기액 분리장치를 가져도 된다. 이 경우, 반응 가스 유로 내에 잔류하는 수분은, 기액 분리장치에 의하여 회수 후, 시스템 밖으로 배출되기 때문에, 조정 부품을 더욱 효율적으로 건조시킬 수 있다.
또 제 2 소기 경로는, 연료전지 본체에 유통되고 있지 않은 「신선한」 반응 가스로 소기되어도 된다. 이 경우, 수분을 함유하지 않은 건조반응 가스로 제 2 소기 경로를 소기할 수 있기 때문에, 더욱 효율적인 조정 부품의 건조를 행할 수 있다.
또한 본 발명에서는, 상기 중 어느 하나의 특징을 가지는 연료전지시스템의 정지방법으로서, 시스템 정지 전에, 제 1 소기 경로에서 소기를 행하는 단계와, 제 2 소기 경로에서 소기를 행하는 단계가 실행되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 정지방법이 제공된다. 본 방법에서는, 연료전지 본체의 건조 후에, 연료전지 본체와 분리된 상태에서 구성 부품의 건조를 행하는 것이 가능해지기 때문에, 효율적인 건조 처리가 가능해진다.
여기서 상기 연료전지시스템은 또한, 기설정된 부분의 온도를 검출하는 검출수단을 가지고, 상기 검출수단에 의해 검출된 온도가 기준값 이하가 된 경우에, 제 1 소기 경로와 제 2 소기 경로의 양쪽에서 소기가 행하여져도 된다. 이 방법에서는, 바람직하게는, 시스템이 동결이 생길 우려가 있는 저온 환경하에 놓여져 있을 때만, 상기의 단계가 실행되기 때문에, 시스템의 에너지 절약화가 가능해진다.
또 상기의 연료전지시스템의 정지방법에서, 제 1 소기 경로의 잔류 수분량이 기준값 이하가 되었다고 판단된 경우에, 제 1 소기 경로에서 소기를 행하는 단계로부터, 제 2 소기 경로에서 소기를 행하는 단계로 이행하여도 된다. 이에 따라, 더욱 확실하고 또한 효율적으로 대상 구성 부품의 건조를 행할 수 있다.
본 발명의 연료전지시스템에서는, 유로 내에 잔류하는 수분이 효율적으로 배출되고, 시스템 정지 상태에서의 펌프 및 그 밖의 구성 부품에서의 동결 발생을 억제할 수 있기 때문에, 다음번 기동시에 연료전지시스템의 저온환경에서의 신속한 시동이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 연료전지시스템의 구성도,
도 2는 본 발명의 연료전지시스템에서의 시스템 정지시의 동작을 나타내는 플로우차트,
도 3은 본 발명의 연료전지시스템의 제 2 실시형태를 나타내는 도면이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 연료전지 본체 2 : 연료 가스 유로
3 : 산화제 가스 유로 4 : 제어부
200 : 고압 수소 탱크 201 : 연료 가스 공급 유로
203 : 순환 유로 207 : 제 1 분기 유로
209 : 제 2 분기 유로 210 : 수소 펌프
220 : 연료 오프 가스용 기액 분리기
230, 234, 240, 244, 246 : 전자밸브
232 : 감압밸브 242 : 체크밸브
250 : 희석기 301 : 산화제 가스 공급 유로
303 : 산화제 오프 가스 배출 유로
305 : 컴프레서 309 : 전자밸브
325 : 가습기 312 : 산화제 오프 가스 분기 유로
400 : 압력 측정 결과 401 : 온도 측정 결과
515, 525 : 전자밸브 520, 530 : 바이패스 유로
600 : 제 1 소기 경로 610 : 제 2 소기 경로
이하 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태를 설명한다. 또한 이하의 예에서는, 본 발명을 연료 가스의 공급, 배출(또는 순환)유로에 적용한 시스템을 사용하여 설명한다. 단, 본 발명은 산화제 가스측의 경로에도 적용할 수 있다.
도 1에는, 본 발명에 의한 연료전지시스템의 하나의 구성예를 나타낸다. 이 시스템은, 연료전지 본체(1)를 가지고, 이 연료전지 본체(1)에서 발생한 전력을, 예를 들면 차량 등의 구동원으로서 이용할 수 있다. 또 이 연료전지시스템은, 시스템 내에서 연료 가스를 유통시키기 위한 연료 가스 유로(2)와, 산화제 가스(공기)를 유통시키기 위한 산화제 가스 유로(3)와, 제어부(4)를 구비하고 있다. 또한 이하의 설명에서는, 연료전지에 공급하는 연료 가스로서 수소 가스를 사용하는 시스템을 예로 들어 설명한다.
연료 가스 유로(2)는, 예를 들면 고압 수소 탱크(200)와 같은 수소 연료원으로부터의 연료 가스를 연료전지 본체(1)에 공급하기 위한 연료 가스 공급 유로(201)와, 연료전지 본체(1)로부터 연료 오프 가스를 배출하기 위한 연료 오프 가스 배출 유로(203)를 구비하고 있다. 단, 연료 오프 가스 배출 유로(203)는, 실질적으로는 순환 유로로 되어 있고, 연료전지 본체(1)측으로부터, 뒤에 설명하는 기액 분리기(220) 및 수소 펌프(210)를 거쳐 연료 가스 공급 유로(201)에 접속되어 있다. 이후 이 연료 오프 가스 배출 유로(203)를 순환 유로(203)라고도 부른다. 순환 유로(203)에는, 제 1 분기 유로(207)와, 제 2 분기 유로(209)가 접속되어 있다.
또, 연료 가스 유로(2)의 연료 가스 공급 유로(201)에는, 고압 수소 탱크(200)의 방출구에 항상 폐쇄 전자밸브(230)가 배치되어 있고, 연료전지 본체(1)측을 향하여 순서대로, 감압밸브(232), 항상 폐쇄 전자밸브(234)가 배치되어 있다. 한편 순환 유로(203)에는, 연료전지 본체(1)측에서 보아 이 순서대로 항상 폐쇄 감압밸브(240), 기액 분리기(220), 수소 펌프(210) 및 체크밸브(242)가 배치되어 있다. 또 제 1 분기 유로(207)는, 기액 분리기(220)와 접속되어 있고, 그 도중에는 항상 폐쇄 전자밸브(244)가 배치되어 있다. 제 2 분기 유로(209)는, 수소 펌프(210)의 출구측과, 순환 유로(203)와 연료 가스 공급 유로(201)의 접속점(A)의 사이에서, 순환 유로(203)에 접속되어 있다. 제 2 분기 유로(209)에는 항상 폐쇄 전자밸브(퍼지밸브)(246) 및 희석기(250)가 배치되어 있고, 희석기(250)의 출구측의 제 2 분기 유로(209)의 다른쪽 끝은, 뒤에 설명하는 산화제 오프 가스 배출 유로(303)와 접속되어 있다. 또한 제 1 분기 유로(207)의 다른쪽 끝도, 산화제 오프 가스 배출 유로(303)와 접속되어 있다.
또한, 순환 유로(203)에는, 수소 펌프(210)와 접속점(A)[순환 유로(203)와 연료 가스 공급 유로(201)의 접속점]의 사이에, 순환 유로(203)로부터 분기된 바이패스 유로(520)가 접속되어 있고, 상기 바이패스 유로(520)는, 전자밸브(515)를 거쳐 다시, 전자밸브(240)와 기액 분리기(220)의 사이에서 순환 유로(203)에 접속되어 있다.
한편, 산화제 가스 유로(3)는, 연료전지 본체에 산화제 가스를 공급하기 위한 산화제 가스 공급 유로(301)와, 연료전지 본체(1)로부터 산화제 오프 가스를 배 출하기 위한 산화제 오프 가스 배출 유로(303)를 구비하고 있다.
산화제 가스 공급 유로(301)에는, 컴프레서(305)와 가습기(325)가 배치되어 있다. 또 산화제 오프 가스 배출 유로(303)에는, 상기의 가습기(325)가 설치되고, 가습기(325)와 연료전지 본체(1)의 사이에는 전자밸브(공기압력 조절밸브)(309)가 배치되어 있다. 또 산화제 오프 가스 배출 유로(303)는, 상기의 분기 유로(207)와의 접속점보다도 하류측에 산화제 오프 가스 분기 유로(312)를 가지고, 이 산화제 오프 가스 분기 유로(312)는 상기의 희석기(250)와 접속된다. 단, 희석기(250)와 산화제 오프 가스 분기 유로(312)는, 생략되는 경우도 있다.
제어부(4)는, 상기의 각 유로의 기설정된 부분에 설치된 압력센서와 온도센서에서의 압력 측정 결과(400), 온도 측정 결과(401)를 받아, 각 밸브(234, 240, 244, 246, 230, 232, 309), 수소 펌프(210) 및 컴프레서(305) 등을 각각 제어한다. 또한 제어부(4)는, 뒤에 설명하는 전자밸브(515)의 제어도 행한다. 또한 도면을 보기 쉽게 하기 위하여, 제어선 등은 생략되어 있다.
여기서, 산화제 가스의 통상의 흐름에 대하여 간단하게 설명한다. 연료전지시스템의 통상의 운전시에는, 제어부(4)에 의하여, 컴프레서(305)를 구동시킴으로써, 대기 중의 공기가 산화제 가스로서 도입되고, 산화제 가스 공급 유로(301)를 통하여, 가습기(325)를 거쳐 연료전지(1)에 공급된다. 공급된 산화제 가스는, 연료전지(1) 내에서 전기 화학 반응에 의해 소비된 후, 산화제 오프 가스로서 배출된다. 배출된 산화제 오프 가스는, 산화제 오프 가스 배출 유로(303)를 통하여, 외부에 배출된다.
다음에 수소 가스의 흐름에 대하여 설명한다. 통상의 운전시에는, 제어부(4)에 의하여 전자밸브(230)가 개방되어, 고압 수소 탱크(200)로부터 수소 가스가 방출되고, 그 방출된 수소 가스는, 연료 가스 공급 유로(201)를 통하여, 감압밸브(232)로 감압된 후, 전자밸브(234)를 거쳐 연료전지 본체(1)에 공급된다. 공급된 수소 가스는, 연료전지(1) 내에서 전기 화학 반응에 소비된 후, 수소 오프 가스로서 배출된다. 배출된 수소 오프 가스는, 순환 유로(203)를 통하여, 기액 분리기(220)에서 수분이 제거된 후, 수소 펌프(210)를 거쳐 연료 가스 공급 유로(201)로 되돌아가고, 다시 연료전지 본체(1)에 공급된다. 또한 연료 가스 공급 유로(201)와 순환 유로(203)의 접속점(A)과 수소 펌프(210)와의 사이에는 체크밸브(242)가 설치되어 있기 때문에, 순환하고 있는 수소 오프 가스는, 역류하지 않는다. 또한 통상은, 제 1 및 제 2 분기 유로(207, 209)의 전자밸브(244, 246)는 폐쇄되어 있으나, 필요에 따라 이들 밸브가 개방되면, 각각의 분기 유로로부터, 기액 분리기(220)에서 처리된 수분을 많이 함유하는 가스 및 순환시킬 필요가 없어진 수소 오프 가스가 배출된다. 이들 액체 및/또는 기체는, 산화제 오프 가스 배출 유로(303)를 거쳐 시스템 밖으로 배출된다.
다음에 본 발명의 연료전지시스템 구성 부품의 동결 방지를 위한 동작을, 수소 펌프를 예로 들어 설명한다.
일반적으로 연료전지시스템이 저온 환경하에서 정지된 경우, 시스템 내에 잔류하는 수분을 함유하는 가스로부터의 수분의 응축에 의하여 시스템 구성 부품(예를 들면 펌프, 각종 밸브, 기액 분리기, 가습기, 배관 등)이 동결되어, 다음번 기 동시에 신속한 시스템 시동을 행할 수 없게 될 가능성이 있다. 이러한 시스템 구성 부품의 동결을 회피하기 위하여, 시스템 정지 전 또는 정지 중에, 연료 가스 유로(2)에 연료 오프 가스 등을 퍼지하여, 잔류 수분을 배출시켜 두는 것을 생각할 수 있다.
예를 들면 수소 펌프(210)를 건조시키기 위하여, 연료전지 본체(1)를 포함하는 연료 가스 유로 전체를 대상으로 한, 1계통의 소기 경로[이후에 나타내는, 제 1 소기 경로(600)]를 구성하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 이 경우, 잔류 수분량이 일정값 이하가 되었다고 확인될 때까지 수소 오프 가스의 순환 소기를 반복하면, 수소 펌프에는, 계속적으로 연료전지 본체측으로부터 잔류 수분이 유입하기 때문에, 연료전지 본체의 건조, 나아가서는 수소 펌프의 건조의 양쪽이 완료될 때까지 소기 조작이 반복되게 된다. 특히 통상, 수소 펌프의 잔류 수분을 제거하기 위해서는, 다른 부품에 비하여 더욱 많은 시간이 필요하게 되기 때문에, 이러한 방법에서는, 수소 펌프의 건조효율이 나쁘고, 시스템의 정지까지 상당한 시간이 걸린다.
이에 대하여 본 발명의 방법에서는, 소기 경로를 2계통으로 구성하고, 연료전지시스템이 저온 환경하에서 정지될 때에, 2단계의 수분 제거 조작을 행한다. 이 경우, 제 1 단계의 수분 제거 조작에서는, 미리 연료전지 본체(1)를 포함하는 제 1 소기 경로에서 수분 제거를 실시하여, 연료전지 본체(1)의 건조를 행하여 두고, 다음에 제 2 단계의 수분 제거 조작에서는, 연료전지 본체(1)를 포함하지 않은 제 2 소기 경로에서, 수소 펌프(210)의 수분 제거 조작을 행한다고 하는 조작이 가능해 지기 때문에, 수소 펌프의 수분 제거를 효율적으로 행하는 것이 가능해진다.
이 2단계의 수분 제거 조작의 방법을 더욱 자세하게 설명한다. 먼저 최초의 단계에서는, 도 1의 파선으로 나타내는 제 1 소기 경로(600) 내에서 연료 오프 가스가 순환된다. 즉, 수소 펌프(210)에 의하여, 순환 유로(203)-A점으로부터 연료전지 본체(1)까지의 연료 가스 공급 유로(201)-연료전지 본체(1)로 이어지는 경로에서 연료 오프 가스가 순환되고, 시스템 내의 잔류 수분이 기액 분리기(220)에서 회수 제거된다[이 단계에서는 감압밸브(234) 및 전자밸브(240)는 개방되어 있고, 전자밸브(230, 232, 515)는 폐쇄되어 있다]. 이 연료 오프 가스의 순환조작에 의하여, 연료전지 본체(1)에 잔류하고 있었던 수분이 충분히 배출된다. 다음에, 제 2 단계에서는, 연료전지 본체(1)를 바이패스한 경로, 즉 도 1에서 이중 파선으로 나타내는 제 2 소기 경로(610)에서, 수소 펌프(210)에 의하여 연료 오프 가스가 순환되고, 기액 분리기(220)에 의하여 잔류 수분이 제거된다[이 단계에서는 감압밸브(234) 및 전자밸브(240)는 폐쇄되고, 전자밸브(515)는 개방되어 있다). 이에 따라, 연료전지 본체(1)의 영향을 받지 않고 수소 펌프(210)를 효율적으로 건조시킬 수 있다.
이 동작을 도 2에 나타내는 플로우차트를 예로 들어, 자세하게 설명한다.
도 2는, 연료전지시스템을 정지할 때의 시스템의 동작 플로우를 나타낸 도면이다. 먼저 단계 S10에서는, 온도센서 등의 검출수단에 의하여, 외기온도 또는 대상 배관온도[예를 들면 도 1의, 연료 가스 유로(2) 내의 어느 하나의 배관온도)가 측정되고, 제어부(4)에서는, 이 측정 온도(401)와 미리 설정된 문턱값과의 비교에 의하여, 동결 방지를 위한 수분 제거 조작의 필요 유무가 판단된다. 측정 온도(401)가 문턱값 이하인 경우에는, 제어부(4)에서, 연료 가스 유로(2)의 수분 제거 조작이 필요하다고 판단되어, 다음 단계 S20으로 진행한다. 한편, 측정온도가 문턱값을 웃도는 경우에는, 제어부(4)로부터 수분 제거 조작을 위한 지령은 이루어지지 않기 때문에, 특별한 조작이 이루어지지 않고 시스템이 정지된다. 따라서, 이러한 판단 단계 S10를 설치함으로써, 시스템의 에너지 절약화가 가능해진다. 또 통상의 시스템 중에는, 통상의 정지 모드로서, 시스템 정지 전에 제 1 소기 경로에서 소기를 행하는 조작이 조립되어 있는 경우도 있을 수 있다. 그와 같은 시스템에서는, 단계 S10에서, 측정 온도(401)가 문턱값을 웃도는 경우, 시스템 정지 직전에, 제 1 소기 경로에서의 소기만이 실시된다.
다음에 단계 S20에서는, 전자밸브(230, 515)와 감압밸브(232)가 폐쇄(또는 폐쇄되어 있는 것이 확인)됨과 동시에, 전자밸브(234, 240)가 개방(또는 개방되어 있는 것이 확인)되어, 제 1 소기 경로(600)가 형성된다. 또 수소 펌프(210)가 가동되어, 제 1 소기 경로(600) 내에서의 연료 오프 가스의 순환이 개시된다. 이에 따라, 연료전지 본체(1)를 포함하는 제 1 소기 경로(600) 내에 잔류하고 있는 수분이, 기액 분리기(220)에 의하여 회수처리된다.
다음에 단계 S30에서는, 제 1 소기 경로 내의 잔류 수분량이 기준값 이하로 되어 있는지의 여부가 판단된다. 잔류 수분량이 기준값을 넘고 있다고 판단된 경우, 제 1 소기 경로 내에서의 연료 오프 가스의 순환이 계속된다. 한편, 잔류 수분량이 기준값 이하로 저하되어 있다고 판단된 경우, 제 1 소기 경로에서의 잔류 수 분 제거 조작은 완료되어, 단계 S40으로 이행한다. 여기서, 제어부(4)에서, 제 1 소기 경로의 잔류 수분량이 기준값 이하가 된 것을 판단하는 방법으로서, 이하와 같은 방법이 있다. (1) 미리 제어부(4)에, 수소 펌프의 작동시간과 수분 제거량의 관계를 기억시켜 두고, 수소 펌프가 기설정된 작동시간에 도달하였을 때에, 경로 내의 수분이 기준값 이하가 되었다고 판단하는 방법, (2) 기액 분리기에 액면센서 등을 설치하여 두고, 제 1 소기 경로에서의 연료 오프 가스의 순환에 의해 회수된 수분 제거량의 변화를 모니터하고, 이 경시 변화가 미리 설정한 변화량 이하가 된 경우에, 경로 내의 수분이 기준값 이하가 되었다고 판단하는 방법 등이다. 또한 (1)의 방법의 경우, 수소 펌프의 작동시간과 수분 제거량의 관계는, 연료전지의 발전량이나 냉각수온 등, 연료전지의 작동상태에 의해서도 변화되기 때문에, 제어부(4)에는, 각종 조건 하에서의 복수의 관계를 기억시켜 두는 것이 바람직하다.
단계 S40에서는, 제어부(4)의 지령에 의하여, 전자밸브(234, 240)가 폐쇄되고, 전자밸브(515)가 개방되어, 제 2 소기 경로(610)가 형성된다. 이 경로에서도, 수소 펌프(210)에 의하여, 연료 오프 가스의 순환이 행하여진다.
다음에 단계 S50에서는, 제 2 소기 경로(610) 내의 잔류 수분량이 기준값 이하가 되었는지의 여부가 판단된다. 잔류 수분량이 기준값을 넘고 있다고 판단된 경우, 제 2 소기 경로(610) 내에서의 연료 오프 가스의 순환이 계속된다. 한편, 잔류 수분량이 기준값 이하가 되었다고 판단된 경우에는, 제 2 소기 경로(610)에서의 연료 오프 가스의 순환조작은 완료되어, 시스템이 정지된다. 또한 이 단계에서도, 상기의 제 1 소기 경로(600) 내의 잔류 수분량의 판단 방법과 동일한 방법을 이용할 수 있다.
상기의 단계에 의하여, 연료 가스 유로(2) 내의 수소 펌프 등의 구성 부품을 확실하고 또한 효율적으로 건조시키는 것이 가능해진다.
본 발명의 연료전지시스템의 다른 실시예는, 도 3에 나타내고 있다.
이 예에서는, 먼저 나타낸 도 1과는 바이패스 유로의 위치가 다르다. 즉, 바이패스 유로(530)의 한쪽 끝은, 연료 가스 공급 유로(201)의, 전자밸브(234)와 접속점(A)[연료 가스 공급 유로(201)와 순환 유로(203)의 접속점]의 사이에 접속된다(접속점 B). 또, 바이패스 유로(530)의 다른쪽 끝은, 순환 유로(203)의, 수소 펌프(210)와 기액 분리기(220)의 사이에 접속된다(접속점 C). 또한 바이패스 유로(530)에는 전자밸브(525)가 배치되어 있다.
이 시스템 구성에서도, 제 1 단계의 수분 제거 조작시에는, 제 1 소기 경로(600) 내에서, 상기의 경로에 의하여, 동일하게 연료 오프 가스가 순환된다. 그러나 제 2 단계의 수분 제거가 행하여지는 경우, 이 시스템에서는, 전자밸브(234, 240)가 폐쇄되고, 전자밸브(230, 246, 525), 감압밸브(232)가 개방된다. 즉, 건조한 수소 가스가, 고압 수소 탱크(200)-연료 가스 공급 유로와 바이패스 유로(530)의 접속점(B)-바이패스 유로(530)와 순환 유로(203)의 접속점(C)-의 경로에서 수소 펌프(210)로 유입되고, 수소 펌프(210)에 함유되는 잔류 수분이 배출된다. 수소 펌프(210)로부터 배출된 수분을 함유하는 수소 가스는, 전자밸브(246) 및 희석기(250)를 거쳐 배출된다. 이 시스템의 경우, 수소 펌프(210) 내의 잔류 수분의 제거에 신선한 건조 수소가 사용되기 때문에, 더욱 효율적인 수분 제거를 행하는 것 이 가능해진다.
또한, 본 발명의 연료전지시스템에 의한 시스템 정지조작은, 시스템이 가동상태로부터 정지될 때에만 적용되는 것으로 해석해서는 안된다. 예를 들면 연료전지시스템이 저온 환경하에서 정지되어 있는 상태에서, 동결이 생길 우려가 있는 경우에 필요에 따라 상기(도 2)의 조작을 행하도록 하는 것도 가능하다. 이 경우, 2계통의 소기 경로 내를 순환시키는 가스로서, 연료 오프 가스 대신 고압 수소 탱크(200)로부터의 수소 가스가 사용되어도 된다.
상기의 본 발명의 실시예에서는, 수소 펌프(210)를 대상으로 하여, 이것을 효율적으로 건조시키는 예에 대하여 설명하였다. 즉, 제 1 소기 경로에는 수소 펌프(210)와 연료전지 본체(1)가 포함되고, 제 2 소기 경로에는 수소 펌프(210)가 포함되며, 연료전지 본체(1)가 포함되지 않는 구성에 대하여 나타내었다. 그러나, 본 발명에 의한 2계통의 소기 경로는 이러한 구성에 한정되는 것은 아니다. 또한 본 발명의 적용대상이 되는 시스템 구성 부품은, 수소 펌프에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 반응 가스 유로에 설치되어 있는 다른 구성 부품(밸브, 가습기, 배관 등)을 대상으로 하여, 제 1 소기 경로를 연료전지 본체가 포함되도록 구성하고(상기 구성 부품은 포함해도 포함하지 않아도 된다), 제 2 소기 경로를 그와 같은 부품이 포함되고, 연료전지 본체가 포함되지 않은 구성으로 하는 것도 가능하다.
또, 본 발명의 설명를 위하여 사용한 연료전지시스템의 구성은 일례로서, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 예를 들면, 실제의 연료전지시스템에서는, 나타나 있지 않은 부분에도, 전자밸브나 배관 등 다른 구성 부품이 설치되는 경우가 있고, 반대로 도 1 또는 3에 나타낸 몇가지 구성 부품이 생략되는 경우도 있을 수 있음에 유의할 필요가 있다.
또한, 본원은, 2005년 12월 5일에 출원한 일본국 특허출원2005-350551호에 의거하는 우선권을 주장하는 것으로, 상기 일본국 출원의 전 내용을 본원에 참조에 의하여 원용한다.

Claims (10)

  1. 연료전지 본체와, 상기 연료전지에 대한 반응 가스를 공급 및 배출하는 가스 유로와, 상기 가스 유로에서의 가스 유통 상태를 조정하는 조정 부품을 구비하는 연료전지시스템에 있어서,
    상기 가스 유로의 일부를 소기하는 2계통 이상의 소기 경로를 구비하고,
    제 1 소기 경로는 연료전지 본체를 포함하도록 형성되고, 제 2 소기 경로는 연료전지 본체를 바이패스하도록 형성되고,
    상기 연료전지시스템은, 제 1 소기 경로 또는 제 2 소기 경로에 가스를 유통시키기 위하여, 상기 조정 부품의 동작을 제어하는 제어부를 더 가지고,
    상기 제어부는, 상기 연료전지시스템을 정지하는 때, 제 1 소기 경로에서의 가스의 유통을 통하여 제 1 소기 경로에서 소기를 행하여, 제 1 소기 경로에서의 수분 제거를 실시하고 나서, 제 1 소기 경로에서의 가스의 유통을 정지함과 함께, 제 2 소기 경로에 가스를 유통시켜, 제 2 소기 경로에서의 가스의 유통을 통해 제 2 소기 경로에서 소기를 행하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지시스템은, 제 1 소기 경로 내의 잔류 수분량을 파악하는 수단을 더 가지고,
    제 1 소기 경로에 가스가 유통되고 있는 동안에, 상기 수단에 의하여 제 1 소기 경로 내의 잔류 수분량이 기준값 이하가 된 것이 확인된 경우, 상기 제어부는, 제 1 소기 경로에서의 가스의 유통을 정지하고, 제 2 소기 경로에 가스를 유통시키는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    제 1 소기 경로의 기설정된 부분의 온도를 검출하는 검출수단을 더 가지고, 상기 제어부는, 상기 검출수단에 의하여 검출된 온도가 기준값 이하가 되었을 때에, 상기 조정 부품의 동작을 제어하고, 제 1 소기 경로에서의 가스의 유통을 통해 제 1 소기 경로에서 소기를 행하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 반응 가스를 배출하는 가스 유로는, 배출된 반응 가스를, 순환펌프에 의하여, 상기 반응 가스를 공급하는 가스 유로로 되돌리는 순환 유로를 구비하고,
    제 1 및 제 2 소기 경로는, 순환펌프를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    제 2 소기 경로는, 바이패스 유로를 더 가지고, 상기 바이패스 유로의 한쪽 끝은, 상기 순환 유로의, 순환 펌프와 상기 공급 유로의 사이에 접속되고, 상기 바이패스 유로의 다른쪽 끝은, 상기 순환 유로의, 연료전지 본체와 순환펌프의 사이에 접속되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    제 1 및 제 2 소기 경로 중 하나 이상은, 기액 분리 장치를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    제 2 소기 경로는, 연료전지 본체에 유통되고 있지 않은 반응 가스로 소기되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  8. 연료전지 본체와, 상기 연료전지에 대한 반응 가스를 공급 및 배출하는 가스 유로와, 상기 가스 유로에서의 가스 유통 상태를 조정하는 조정 부품을 구비하는 연료전지시스템의 정지방법에 있어서,
    상기 연료전지시스템은, 상기 가스 유로의 일부를 소기하는 2계통 이상의 소기 경로를 구비하고, 제 1 소기 경로는 연료전지 본체를 포함하도록 형성되며, 제 2 소기 경로는 연료전지 본체를 바이패스하도록 형성되고,
    상기 연료전지시스템이 정지하는 때,
    시스템 정지 전에,
    제 1 소기 경로에서 소기를 행하는 단계와,
    제 1 소기 경로에서 소기를 행하여 제 1 소기 경로에서의 수분 제거를 실시하고 나서, 제 2 소기 경로에서 소기를 행하는 단계를 실행하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 정지방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 연료전지시스템은, 기설정된 부분의 온도를 검출하는 검출수단을 더 가지고, 상기 검출수단에 의해 검출된 온도가 기준값 이하가 된 경우에, 제 1 소기 경로에서 소기를 행하는 단계를 실행하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 정지방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    제 1 소기 경로의 잔류 수분량이 기준값 이하가 되었다고 판단된 경우에, 제 1 소기 경로에서 소기를 행하는 단계로부터, 제 2 소기 경로에서 소기를 행하는 단계로 이행하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 정지방법.
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