KR101102449B1

KR101102449B1 - 연료 전지 장치

Info

Publication number: KR101102449B1
Application number: KR1020087031347A
Authority: KR
Inventors: 사토시 모기
Original assignee: 캐논 가부시끼가이샤
Priority date: 2006-05-29
Filing date: 2007-05-11
Publication date: 2012-01-05
Also published as: BRPI0712089A2; JP2007317619A; CN101454937B; EP2030275A4; EP2030275A1; RU2399995C1; CN101454937A; US20090011303A1; JP5164342B2; RU2008152077A; KR20090020639A; WO2007138879A1; US8697302B2

Abstract

안정된 출력을 실현하는 데 필요한 퍼지 동작을 수행가능하고, 컨트롤러나 센서를 이용할 필요가 없어 보다 소형화를 도모하는 것이 가능한 연료 전지 장치를 제공하기 위하여, 주발전부와 주발전부의 연료 유로의 하류쪽에 위치하는 부발전부를 구비한 연료 전지 장치는, 상기 부발전부의 연료 유로의 하류쪽에 배치된 퍼지 밸브; 및 상기 퍼지 밸브를 상기 부발전부의 기전력에 의해 개폐하는 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료 전지 장치{FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은, 연료 전지 장치에 관한 것으로, 특히, 데드 엔드 모드(dead end mode)로 동작해서, 연료 유로에 축적된 불순물에 의한 연료 전지의 출력에의 영향을 경감가능한 연료 전지 장치에 관한 것이다.

전해질층의 한면쪽에 설치되어 기체 연료가 공급되는 연료 공급 공간을 직렬로 접속한 연료 전지가 실용화되고 있다.

또, 서로 병렬 접속된 연료 공급 공간의 수를 하류쪽을 향해 점차 감소시키면서 캐스케이드 방식으로 복수의 연료 공급 공간을 배치한 플로우형(flow-type)의 연료 전지가 실용화되고 있다.

캐스케이드 방식에 의하면, 전해질 막을 통한 기체 연료의 소비에 의해 초래된 하류측에서의 유량 감소를 보상한다. 그 결과, 상류쪽으로부터 하류쪽까지 연료 공급 공간에 있어서의 안정된 기체 연료의 공급 유량을 실현할 수 있다.

또, 전해질층으로서 고분자 전해질막을 이용하고 고분자 전해질막의 한면쪽을 대기에 연통시킨 대기 연통 공간을 통해서 대기 중의 산소를 취하고, 그 결과, 기체 연료와 산소와의 전기 화학 반응에 의해 전기가 생성되는 공기흡입형(air breathing type) 연료 전지가 실용화되어 있다.

고분자 전해질막은 완전한 기밀막이 아니다. 따라서, 고분자 전해질막을 사이에 두고 연료 공급 공간과 대기 연통 공간이 배치되면, 대기 연통 공간으로부터 연료 공급 공간으로 대기 중의 질소가 농도 확산한다.

연료 공급 공간에 침입한 질소는, 연료 공급 공간에 있어서의 기체 연료의 분압을 저하시켜 발전 효율을 저하시킨다. 따라서, 정기적으로 퍼지를 수행함으로써, 질소를 함유하는 불순물 가스를 연료 공급 공간으로부터 대기 중으로 방출시키는 것이 바람직하다.

일본국 특허 출원 제2004－536438호 공보의 연료 전지 시스템에서는, 연료 전지 스택(stack), 퍼지 밸브, 액추에이터, 컨트롤러 및 센서를 포함하는 데드 엔드형의 연료 전지가 개시되어 있다.

이 연료 전지 시스템에 있어서의 연료 전지 스택에서는, 연료가 캐스케이드 패턴으로 도입된다. 그 때문에, 연료 전지 스택의 동작 중에, 최하류쪽에 위치하는 퍼지 셀 부분에 불순물이 축적되기 쉽다.

퍼지 셀 부분에 불순물이 축적되면, 퍼지 셀 부분의 성능을 저감시켜, 퍼지 셀 부분의 전압이 저하한다.

여기서는, 다음과 같은 구성을 이용해서 퍼지 동작을 수행한다.

퍼지 셀 부분의 하류쪽에는 퍼지 밸브가 설치된다. 데드 엔드 모드로 동작하는 연료 전지에서는, 통상 퍼지 밸브는 폐쇄되어 있다.

이 퍼지 밸브가 개방되면, 퍼지 셀 부분에 축적된 불순물이 방출된다.

여기서, 퍼지 밸브를 개폐하기 위해서 액추에이터가 설치된다.

센서, 액추에이터 및 컨트롤러에는 연료 전지 스택에 의해 전력이 공급된다.

컨트롤러는, 센서에 의해 퍼지 셀 부분의 전압을 모니터해서, 퍼지 셀 부분의 전압이 저하했을 경우에, 퍼지 동작을 실시한다.

퍼지 동작에서는, 컨트롤러로부터의 제어 신호에 응답해서, 액추에이터가 퍼지 밸브를 개방한다. 그 결과, 퍼지 셀 부분에 축적된 불순물이 방출된다.

발명의 개시

그러나, 일본국 공개 특허 제2004-536438호 공보에 개시된 연료 전지 시스템에 있어서는, 소형화의 관점에서 만족스러운 것은 아니다.

보다 구체적으로는, 이 연료 전지 시스템에서는, 센서에 의해 퍼지 셀 부분의 전압을 모니터하여, 퍼지 셀 부분의 전압이 저하했을 경우에, 컨트롤러로부터의 제어 신호에 응답해서 액추에이터가 퍼지 밸브를 개방한다. 그 결과, 퍼지 동작이 수행된다.

따라서, 퍼지 셀 부분의 전압을 모니터 하는 센서, 퍼지 조건의 판단 및 퍼지 밸브의 개폐를 제어하는 컨트롤러 등을 필요로 한다. 따라서, 상기 연료 전지 시스템은 소형화에 적절하다고 생각되지 않는다.

본 발명의 목적은, 종래예와 비교해서 소형화되고 적절한 출력을 실현하는 데 필요한 퍼지를 수행하는 것이 가능한 연료 전지 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명은, 주발전부와 주발전부의 연료 유로의 하류쪽에 위치하는 부발전부를 구비한 연료 전지 장치에 있어서, 상기 부발전부의 연료 유로의 하류쪽에 배치된 퍼지 밸브; 및 상기 퍼지 밸브를 상기 부발전부의 기전력에 의해 개폐하는 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치를 제공한다.

본 발명에 의하면, 연료 전지 장치는 안정된 출력을 실현하는 데 필요한 퍼지 동작을 위해 종래 이용하던 컨트롤러나 센서 등을 이용할 필요가 없이 보다 소형화할 수 있다.

본 발명의 추가의 특징은 첨부 도면을 참조한 이하의 예시적인 실시형태의 설명으로부터 명백해질 것이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

이하, 본 발명의 실시형태에 있어서의 연료 전지 장치에 대해서 설명한다.

본 발명의 연료 전지 장치는, 주발전부의 하류쪽에 설치된 부발전부에 의해 공급된 전력에 의해 퍼지 밸브를 개폐하는 액추에이터를 구동하도록 구성되어 있다.

그때, 부발전부의 기전력이 미리 설정된 값보다 클 때에는, 부발전부의 하류쪽에 설치된 퍼지 밸브가 폐쇄된다. 또, 부발전부의 기전력이 미리 설정된 값보다 작을 때에는, 부발전부의 하류쪽에 설치된 퍼지 밸브가 개방된다.

이것에 의해, 주발전부뿐만 아니라 부발전부까지 충분한 연료가 공급된 상태 하에서는, 부발전부의 하류쪽에 설치된 퍼지 밸브가 폐쇄된 데드 엔드 모드로 동작하는 연료 전지 장치가 실현된다.

한편, 연료 전지 장치의 동작 중에, 주발전부의 하류쪽에 설치된 부발전부에 불순물이 축적되면, 부발전부의 기전력이 저하하여, 퍼지 밸브가 개방되고, 그에 따라, 부발전부에 축적되는 불순물이 외부에 방출된다.

따라서, 본 실시형태의 구성에서는, 전압을 모니터하는 센서나 퍼지 동작을 제어하는 컨트롤러를 이용하지 않고도, 데드 엔드 모드로 동작하는 연료 전지 장치의 퍼지 동작을 수동적으로 실시하는 것이 가능해진다.

결과적으로, 보다 소형인 연료 전지 장치에 의해서 안정된 출력을 얻는 것이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 있어서의 연료 전지 장치의 구성을 나타내는 사시도;

도 2는 도 1의 선 2-2를 따라 취한 본 발명의 실시예에 있어서의 연료 전지 스택의 구성의 단면도;

도 3은 본 발명의 실시예에 있어서의 연료 전지의 세퍼레이터의 설명도;

도 4A 및 도 4B는 본 발명의 실시예에 있어서의 연료 전지 장치의 모식도로, 도 4A는 부발전부의 기전력에 의해서 액추에이터를 작동시켜서 퍼지 밸브를 개폐하는 구성예를 설명하는 도면이고, 도 4B는 외부 부하에 공급되는 부발전부의 전력에 의해, 전기적 구동밸브에 의해서 구성된 퍼지 밸브의 액추에이터를 작동시키는 구성예를 설명하는 도면;

도 5A 및 도 5B는 본 발명의 실시예의 연료 전지에 있어서의 연료 유로의 접속 패턴의 설명도;

도 6A 및 도 6B는 본 발명의 실시예에 있어서의 연료 전지 장치의 퍼지 동작 의 설명도.

이하, 본 발명의 일 실시예의 연료 전지 장치에 대해서 설명한다.

도 1은 본 실시예에 있어서의 연료 전지 장치의 사시도이다. 또, 도 2는 본 실시예에 있어서의 연료 전지 스택의 구성을 나타낸 단면도이다. 또한, 도 3은 본 실시예에 있어서의 연료 전지의 세퍼레이터의 설명도이다.

도 1 내지 도 3에 있어서, (20)은 연료 전지 장치; (20A)는 연료 전지 스택; (20B)는 연료 탱크; (21), (22)는 엔드 플레이트(end plate); (23)은 상류쪽에 위치하는 발전 셀(주발전부); (23A), (23B)는 가스 확산층; (24)는 연료 유로 입구; (25)는 막 전극 조립체(assembly)이다.

(26)은 세퍼레이터 부재(세퍼레이터); (27)은 유로판; (41)은 대기 연통 공간(산화제 유로); (42)는 연료 공급 공간(연료 유로); (45)는 하류쪽에 위치하는 발전 셀(부발전부); (47)은 퍼지 밸브; (48)은 밸브; (49)는 액추에이터이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 장치(20)는 연료 전지 스택(20A)을 연료 탱크(20B)에 착탈가능하게 접속해서 조립된다.

연료 전지 스택(20A)은, 1쌍의 엔드 플레이트(21), (22) 사이에 상류쪽에 위치하는 발전 셀(주발전부)(23)과 하류쪽에 위치하는 발전 셀(부발전부)(45)을 포함하는 복수의 발전 셀이 적층된 구성을 가진다.

연료 탱크(20B)는 수소 가스가 충전되어 필요한 압력으로 조정된 수소 가스를 연료 전지 스택(20A)에 공급한다.

엔드 플레이트(21)에는, 연료 탱크(20B)에 접속되어 연료 전지 스택(20A)에 수소 가스를 공급하는 연료 유로 입구(24)가 설치된다.

막 전극 조립체(25)는, 고분자 전해질막의 상하 양면에 백금 미립자를 분산시킨 촉매층이 형성되어 있고, 도면 중 상부면 상의 촉매층이 산화제 전극, 그의 하부면 상의 촉매층이 연료 전극으로 되는 구성을 가진다. 복수의 막 전극 조립체(25)는 세퍼레이터(26)를 개재해서 적층된다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 막 전극 조립체(25)와 세퍼레이터(26) 사이에는 가스 확산층(23A), (23B)이 각각 배치된다. 가스 확산층(23A), (23B)은 각각 카본 클로스(carbon cloth)와 같은 반응물을 투과하는 도전성을 지니는 시트 재료로 제조되어 있다.

대기 중의 산소는 세퍼레이터(26)에 설치된 산화제 유로(41)를 개재해서 도면 자체의 표면에 수직인 방향으로 각 단의 발전 셀(23), (45)에 진입해서, 가스 확산층(23A)을 통해서 막 전극 조립체(25)의 상부면 전체에 확산된다.

수소 가스는 연료 유로 입구(24)를 통해서 도면 중의 왼쪽 상의 공급측 주유로(43)에 공급되어서 공급측 주유로(43)로부터 분기되어 각 단의 연료 유로(42)에 분배된다.

공급측 주유로(43)는 세퍼레이터(26)에 설치된 관통 구멍을 중첩해서 형성된다.

가스 확산층(23B)에 접하는 막 전극 조립체(25)의 촉매층에서는, 수소 가스가 촉매 반응에 의해서 수소 이온과 전자로 분해되고, 그 수소이온이 고분자 전해 질막에 공급된다.

가스 확산층(23A)에 접하는 막 전극 조립체(25)의 촉매층에서는, 고분자 전해질막으로부터 공급되는 수소 이온에, 촉매 반응에 의해서 산소가 화학적으로 결합되어 물분자를 생성한다. 막 전극 조립체(25)의 고분자 전해질막은 가스 확산층(23B) 쪽으로부터 가스 확산층(23A) 쪽으로 수소이온을 이동시킨다. 이 전기 화학 반응에 수반해서, 전자는 가스 확산층(23B) 쪽에서 과잉으로 되어, 가스 확산층(23A)과 (23B) 사이에 전위차를 일으킨다. 따라서, 전자는 외부 회로를 거쳐 가스 확산층(23A) 쪽으로 이동할 수 있다. 그 결과, 발전 셀은 기전력을 발생한다.

각 단의 발전 셀(23)의 연료 유로(42)는 하류쪽(도면 중 오른쪽)에서 배출측 주유로(44)에 합류되고, 이 배출측 주유로(44)는 하류쪽의 발전 셀(45)의 연료 유로(42)에 접속된다.

발전 셀(45)의 연료 유로(42)의 하류쪽은, 엔드 플레이트(22)의 연료 유로 출구(46)에 접속되고, 연료 유로 출구(46)에는 퍼지 밸브(47)가 설치된다. 본 실시형태에 있어서의 퍼지 밸브로서는, 밸브 구조 본체(밸브)(48)와 해당 밸브 구조 본체(48)를 전기적으로 구동하는 디바이스(액추에이터)(49)가 일체적으로 기능하는 전기적 구동 밸브가 이용될 수 있다. 퍼지 밸브(47)로서는, 통전 상태에서는 폐쇄되고, 비통전 상태에서는 개방되는 통상 개방형의 온-오프 밸브가 매우 적합하다.

퍼지 밸브(47)는, 후술하는 바와 같이, 연료 전지의 통상 동작 중에는 폐쇄되고, 불순물 가스 방출 중에는 개방된다. 퍼지 밸브(47)가 연료 전지의 통상 동작 중에 폐쇄되어 있으므로, 연료 전지 스택(20A)은 데드 엔드형 연료 전지로서 기 능한다. 데드 엔드형의 연료 전지는 연료 경로에 출구가 없고, 공급된 연료는 기본적으로 완전히 소비된다. 이러한 구조를 가진 스택(20A)은 연료 순환용의 배관이나 펌프가 불필요하므로, 연료 전지(20)의 소형화에 적절하다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 세퍼레이터(26)의 표면(도중 아래 쪽)에는, 평행하게 배열된 홈인 산화제 유로(41)가 형성되어 있다. 이 산화제 유로(41)는 각각 도 2에 나타낸 바와 같이 가스 확산층(23A)을 통해서 막 전극 조립체(25)의 산화제 전극에 대기중의 산소를 공급한다.

또, 도 3에 나타낸 바와 같이, 세퍼레이터(26)의 뒷면(도면 중 위쪽)에는, 지그재그 형상의 연료 유로(42)가 형성되어 있다. 이 연료 유로(42)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 가스 확산층(23B)을 통해서 막 전극 조립체(25)의 연료 전극에 수소 가스를 공급한다.

또한, 도 3에 나타낸 바와 같이, 세퍼레이터(26)의 단부에는, 도 2의 연료 유로 입구(24)를 통해 공급되는 수소 가스를 각 단의 발전 셀(23)에 안내하기 위한 관통구멍(43)이 형성되어 있다.

연료 전지 스택(20A)은, 산화제 전극이 대기에 개방되어 있는 대기 개방형이므로, 연료 유로(42)에 진입하는 불순물 가스의 주성분은 공기 중에 포함된 질소 가스이다.

연료 전지 스택(20A)에서는, 질소 가스 분압이 대략 80 ㎪인 산화제 전극으로부터 질소 가스 분압이 대략 0 ㎩인 연료 유로(42)에 주로 막 전극 조립체(25)를 통해서 질소 가스가 농도 확산한다.

본 실시예의 연료 전지 스택(20A)에서는, 직렬로 접속된 연료 유로의 구성에 의해서, 불순물 가스가 하류쪽의 발전 셀(45)의 연료 유로(42)에 농축되어 축적된다.

상류쪽의 발전 셀(23)에 형성된 수소 가스의 흐름에 의해서, 발전 셀(23)의 연료 유로(42)에 있어서의 불순물 가스 농도는 하류쪽을 향해 높아진다.

발전 셀(23)에서 불순물 가스 농도가 증가되어 있는 수소 가스는, 배출측 주유로(44)를 통해서 하류쪽의 발전 셀(45)에 유입된다.

발전 셀(45)의 연료 유로(42)의 입구에서의 불순물 가스 농도와 배출측 주유로(44)의 불순물 가스 농도는 균형을 이룬다.

발전 셀(45)의 막 전극 조립체(25)는, 불순물 가스를 남긴 채 수소 가스를 취한다. 따라서, 발전 셀(45) 내에서도 하류쪽으로 향하는 수소 가스의 흐름이 형성되어, 불순물 가스 농도는 하류쪽을 향해 높아진다.

결과적으로, 발전 셀(45)의 연료 유로(42)에는 고농도의 불순물 가스가 축적된다. 발전 셀(45)의 연료 유로(42)의 불순물 가스는, 농도차에 의해 구동되어 연료 유로(42)의 상류쪽으로 확산되는 경향이 있다. 그러나, 발전 셀(45)의 연료 유로(42)에 흐르는 수소 가스가 확산을 방해하여, 연료 유로(42) 내의 수소 가스의 흐름이 불순물 가스를 하류쪽으로 불어낸다. 그 결과, 불순물 가스의 고농도가 유지된다.

본 실시예의 하나의 구성예에서는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 스택(20A)에 있어서의 상류쪽에 위치하는 N단의 발전 셀(23)을 직렬로 접속한 주발전부와 그의 하류에 위치하는 발전 셀(45)의 부발전부의 2개소로부터 독립적으로 전력이 취출(取出)된다. 여기서, N은 자연수이고, 도 2에 도시된 예에서는 N=5이다.

이때, 도 4A에 나타낸 바와 같이, 부발전부의 기전력에 의해서 액추에이터(49)가 작동된다. 그 결과, 퍼지 밸브(47)가 개폐된다.

본 발명에 있어서는, 주발전부와 부발전부가 전력을 독립적으로 취출할 수 있도록 접속되어 있고, 발전능력의 크기에 관계없이, 연료 유로의 상류쪽에 위치된 부분은 주발전부라 불리고 해당 연료 유로의 하류쪽에 위치된 부분이 부발전부라 불린다.

이 구성예에서는, 주발전부(51S)는 연료 유로의 상류에 위치하는 N개의 발전 셀을 포함하고, 부발전부(52S)는 연료 유로의 하류에 위치하는 발전 셀을 포함한다.

그래서, 도 2에 나타낸 주발전부에 있어서의 상류측 단자 부재(51)와 하류측 단자 부재(52) 사이에서 주발전부의 출력전압이 취출되고, 상기 하류측 단자 부재(52)와 부발전부의 단자 부재(53) 사이에서 부발전부의 출력전압이 취출된다.

연료 전지의 사용 중에, 즉, 통상 동작 중에, 주발전부(51S)에는 외부 부하(50)가 접속된다. 즉, 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 주발전부에 있어서의 상류측 단자 부재(51)와 하류측 단자 부재(52)에 외부 부하(50)가 접속되어, 해당 외부 부하(50)에 전력이 공급된다.

이때, 연료 전지는 외부 부하(50)의 전압 요구를 충족시키는 데 필요한 DC-DC 컨버터 등의 회로를 경유해서 주발전부(51S)에 접속되어 있을 수 있다.

상기 주발전부의 하류측 단자 부재(52)와 상기 부발전부의 단자 부재(53)는 퍼지 밸브(47)를 개폐하는 액추에이터(49)에 접속된다.

퍼지 밸브(47)는, 액추에이터(49)에 충분한 전력이 공급되지 않을 때에는, 입구 포트와 출구 포트 사이의 유로를 개방하는 통상 개방형이다. 또, 액추에이터(49)에 부발전부(52S)로부터 해당 액추에이터(49)의 동작을 위해 필요로 하는 전력(역치 전력)과 동일 혹은 그 이상의 전력이 공급되는 경우, 유로는 폐쇄된다.

퍼지 밸브가 개폐되는 역치는 액추에이터(49)의 구성에 의거해서 적절하게 선택될 수 있다.

또, 퍼지 밸브가 개폐되는 역치에 따라, 부발전부의 셀 면적/셀 수가 적절하게 선택될 수 있다.

이와 같이 부발전부는 하나의 하류측의 발전 셀이나 또는 하류측의 발전 셀을 포함하는 복수의 발전 셀로 구성되어 있어도 된다.

퍼지 밸브의 구동 방식으로서는, 솔레노이드를 이용하는 전자 밸브, 모터를 이용하는 전동 밸브, 압전 소자를 이용하는 구동 밸브 등이 이용될 수 있다.

또, 근년의 눈부신 기술의 발전에 의해, 보다 소형의 구동 밸브, 예를 들어, 미세 가공 기술을 이용한 저소비 전력의 전기적 구동 밸브가 개발되어 있어, 이러한 밸브를 이용하는 것도 고려할 수 있다.

이러한 보다 저소비 전력의 전기적 구동 밸브를 이용하는 경우에는, 도 4B에 나타낸 구성을 채용할 수 있다. 보다 구체적으로는, 부발전부의 전력에 의해 퍼지 밸브의 액추에이터를 작동시키는 것과 동시에, 부발전부의 전력이 외부 부하(50)에 공급된다.

이 구성예에 있어서는, 외부 부하(50)는 주발전부(51S)와 부발전부(52S)에 접속되어 있으므로, 해당 외부 부하(50)에 이들로부터 전력이 공급된다.

부발전부(52S)에는, 별도로 퍼지 밸브(47)의 액추에이터(49)에 접속되고, 이 부발전부(52S)의 기전력에 의해서 액추에이터(49)를 구성하는 전기적 구동 밸브가 작동된다. 그 결과, 퍼지 밸브가 개폐된다.

이때, 퍼지 밸브가 개폐되는 역치는, 연료 전지 스택에 의해 통상 운전 동안 액추에이터(49) 및 외부 부하(50)에 공급되는 실제의 전류를 고려해서 부발전부의 기전 전압보다 낮은 값으로 설정될 수 있다.

도 2에 나타낸 연료 전지 스택(20A)에 있어서의 연료 유로(42)는, 도 5A에 나타낸 캐스케이드 패턴으로 이루어져 있다. 그러나, 본 발명의 연료 유로는 이러한 구성으로 한정되지 않고, 도 5B에 나타낸 직렬 패턴으로 이루어져 있어도 된다.

연료 전지 스택(20A)에 연료 탱크(20B)로부터 연료의 공급이 개시되면, 연료 유로 중의 불순물이 연료 유로의 상류쪽에서부터 하류쪽으로 밀려나와, 개방되어 있는 퍼지 밸브에 의해 연료 유로로부터 방출된다.

이것에 의해 연료 유로 내의 불순물이, 주발전부의 연료 유로 및 부발전부의 연료 유로의 순서로 차례로 연료로 치환된다.

부발전부의 연료 유로 중의 불순물이 연료로 치환되어 부발전부가 액추에이터에 공급하는 전력이 상기 역치를 초과하면, 퍼지 밸브는 폐쇄된다. 이 때문에, 연료 전지 스택(20A)은 데드 엔드형으로 운전된다.

연료 전지의 동작 중에 부발전부에 불순물이 축적되면, 전술한 바와 같이 불순물의 영향에 의해 부발전부의 발전이 저해된다.

이것에 의해 부발전부로부터 액추에이터에 공급되는 전력이 상기 역치 미만으로 저하될 경우, 퍼지 밸브는 개방된다.

퍼지 밸브가 개방되면, 부발전부에 축적된 불순물이 연료 유로로부터 퍼지 밸브를 통해 외부로 방출된다.

그리고, 부발전부의 불순물이 연료로 치환되어 부발전부가 액추에이터에 공급하는 전력이 상기 역치를 초과하면, 퍼지 밸브는 재차 폐쇄된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시예의 연료 전지 장치에 의하면, 연료 전지 스택에의 연료 공급 개시 동안 혹은 연료 전지의 동작 동안, 연료 유로 내의 불순물이 연료로 치환될 수 있다.

다음에, 본 실시예에 있어서의 퍼지 동작에 대해서 설명한다.

도 6A 및 도 6B는 본 실시예의 퍼지 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 6A는 도 4A에 나타낸 바와 같이 연료 전지 스택(20A)이 외부 부하(50)에 접속된 경우의 주발전부(51S)의 각 발전 셀(23)의 출력전압을 나타낸 도면이다.

또, 도 6B는, 이때의 부발전부(52S)의 발전 셀(45)의 출력전압과 부발전부(52S)에 접속된 퍼지 밸브(47)의 액추에이터(49)에 흐르는 전류를 나타낸 도면이다. 본 실시예에서 사용되는 퍼지 밸브는 형상기억합금을 액추에이터에 이용한 소형 밸브이다.

동작 전류는 통상 개방형에 있어서 250 mA이다. 따라서, 액추에이터에 250 mA 이상의 전류를 공급할 수 있도록 부발전부의 발전 셀의 면적을 1 ㎠, 발전 셀의 수를 1로 설정한다.

이 부발전부를 액추에이터에 접속해서 수소를 공급하면, 부발전부의 기전 전압은 0.7V이고, 액추에이터에 300 mA의 전류가 흐른다. 따라서, 퍼지 밸브가 폐쇄되어 있는 데드 엔드 모드에서 발전이 실현된다.

이 상태에서 연료 전지 장치(20)가 외부 부하(50)에 접속되어 발전을 실시하면, 도 6B에 나타낸 화살표로 표시된 바와 같이 부발전부(52S)의 발전 셀(45)의 출력 저하가 관측된다.

이 출력 저하는 불순물 가스의 축적에 의해서 일어난다. 부발전부의 출력이 퍼지 밸브의 역치 미만(여기서 0.6V(0.25A) 미만)으로 저하하면, 퍼지 밸브가 개방된다.

이 때문에, 불순물 가스가 퍼지 밸브로부터 방출되어, 부발전부(52S)의 출력이 회복된다. 그 결과, 퍼지 밸브가 폐쇄된다. 퍼지 동작 동안, 주발전부(51S)의 발전 셀(23)의 출력 전압은 안정적이다.

보다 구체적으로는, 주발전부(51S)에 있어서의 불순물 가스의 영향을 방지할 수 있다.

이와 같이, 본 실시예의 연료 전지 장치(20)에서는, 부발전부(52S)에 있어서의 출력이 퍼지 밸브의 액추에이터에 접속된다. 그 결과, 발전 셀(45)에 소정량의 불순물 가스가 축적되면, 퍼지 밸브가 자동적으로 개폐된다. 이것에 의해, 연료 전지 스택(20A) 내의 대부분의 불순물 가스를 방출하는 것이 가능해진다.

따라서, 연료 전지 스택(20A)은 전회의 퍼지 동작 직후의 상태로 회복되므로, 해당 연료 전지 스택(20A)은 안정된 기전력을 연료 전지 탑재 장치에 계속 공급할 수 있다.

퍼지 밸브의 역치는 연료 전지의 구조와 크기에 의존해서 적절하게 결정되고, 이하의 방법에 의해 결정될 수 있다. 즉, 연료 전지에 대해서 퍼지가 수행된 후, 연료 전지의 주발전부와 부발전부의 기전력은 연료 전지가 노트북 컴퓨터 등의 일반적으로 가정된 부하에 접속된 상태하에 측정된다. 노트북 컴퓨터의 동작으로 인해 부하의 변동에 따라 변동되는 주발전부의 기전력의 최하치가 얻어진다. 역치는 상기 변동이 나타날 때 퍼지가 수행되도록 결정되며, 그 값은 부하가 없는 동안의 기전력으로부터 최하치까지의 변동 폭의 2배, 바람직하게는, 3배이다. 이때 주발전주의 기전력이 감소되지 않는 것을 확인할 필요가 있다. 역치는 주발전부의 기전력이 감소되지 않는 범위 내에서 보다 작은 값으로 설정되므로, 오작동에 의한 퍼지의 불필요한 수행이 억제될 수 있다.

본 실시예에 의하면, 데드 엔드형 연료 전지 스택의 퍼지 동작을 센서나 컨트롤러를 이용하는 일없이 독자적인 제어 하에 실시하는 것이 가능하므로, 연료 전지 시스템을 소형화할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시예의 연료 전지 장치에 의하면, 부발전부의 기전력에 의해서 개폐가 가능한 퍼지 밸브를 이용할 수 있다. 따라서, 연료 전지 스택의 발전 상태를 모니터하는 센서나 퍼지 동작의 실행을 제어하는 컨트롤러 등이 불필요해진다.

따라서, 센서나 컨트롤러를 세팅하는 데 필요한 비용을 저감할 수 있고, 더욱이, 센서나 컨트롤러의 고장으로 인해 연료전지의 동작이 불안정하게 될 가능성도 감소될 수 있다. 또, 퍼지 동작은 주발전부의 동작 조건과 실질적으로 동일한 조건 하에 구동되는 부발전부의 기전력에 의해 독자적으로 수행될 수 있다. 따라서, 주발전부에 있어서의 불순물의 축적도가 이러한 온도, 습도 등의 외부 환경의 변동으로 인해 변화되는 경우에도, 퍼지 동작은 종래의 제어 방법에 비해서 정확하게 제어될 수 있다.

그러므로, 전력은 외부 부하에 안정적으로 공급될 수 있고, 동시에, 연료 전지 장치의 소형화 및 비용절감을 수행할 수 있다.

본 발명의 연료 전지는 전술한 바와 같은 실시예의 구성으로 한정되는 것은 아니다.

발전 셀의 연료 공급 공간에 기체 연료를 공급해서 발전을 실시하는 한, 본 발명의 연료 전지는 상기 실시예의 구성의 일부 또는 전부를 그 대안적인 구성으로 치환한 다른 실시형태에 의해서도 실현 가능하다.

또, 본 실시예에서는, 연료 탱크에 저장된 수소 가스를 이용해서 발전을 실시하는 구성예에 대해서 설명했지만, 대안적으로는, 수소 원자를 포함하는 메탄올 등의 액체 연료를 연료 탱크에 저장하고, 필요한 양만큼만 수소 가스로 개질시켜, 발전 셀의 연료 공급 공간에 공급해도 된다.

또한, 본 발명의 연료 전지 장치는 디지털 카메라, 디지털 비디오 카메라, 프로젝터, 프린터 혹은 노트북 컴퓨터 등의 휴대가능한 전자기기에 착탈 가능하게 부착되는 독립된 유닛으로서 구현될 수도 있다.

또, 본 발명의 연료 전지 장치는 전자기기에 연료 전지 장치의 발전부만을 편입시키고, 연료 탱크를 착탈시키는 형식의 경우에도 실시될 수 있다.

이상, 본 발명은 예시적인 실시형태를 참조해서 설명하였지만, 본 발명은 이러한 개시된 예시적인 실시형태로 제한되는 것이 아님을 이해할 필요가 있다. 이하의 청구범위의 범주는 이러한 모든 변형, 등가 구성 및 기능을 망라하도록 최광의의 해석에 따를 필요가 있다.

본 출원은 일본국 특허 출원 제2006-148660호(출원일: 2006년 5월 29일)의 우선권의 이득을 주장하는 것이며, 이 특허 출원은 참고로 본 명세서에 그의 전문이 원용되어 있다.

Claims

주발전부와 주발전부의 연료 유로의 하류쪽에 위치하는 부발전부를 구비한 연료 전지 장치에 있어서,

상기 부발전부의 연료 유로의 하류쪽에 배치된 퍼지 밸브; 및

상기 퍼지 밸브를 상기 부발전부의 기전력에 의해서만 개폐하는 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
제1항에 있어서, 상기 액추에이터는, 상기 부발전부의 기전력이 미리 설정된 값 이상인 경우 상기 퍼지 밸브를 폐쇄시키고, 상기 부발전부의 기전력이 미리 설정된 값 미만인 경우 상기 퍼지 밸브를 개방시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
제1항에 있어서, 상기 액추에이터는, 상기 주발전부와 상기 부발전부에 접속된 외부 부하에 공급되는 상기 부발전부의 기전력이 미리 설정된 값 이상인 경우 상기 퍼지 밸브를 폐쇄하고, 상기 외부 부하에 공급되는 부발전부의 기전력이 미리 설정된 값 미만인 경우 상기 퍼지 밸브를 개방하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
제3항에 있어서, 상기 미리 설정된 값은 통상 운전 동안 상기 부발전부의 기전력보다 낮은 값으로 설정될 수 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
제3항에 있어서, 상기 퍼지 밸브는 저소비 전력으로 구동되는 전기적 구동 밸브인 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
제1항에 있어서, 상기 주발전부는, 적어도 2개의 연료 전지가 적층되어 직렬로 연결된 연료 전지 스택(stack)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
제1항에 있어서, 상기 퍼지 밸브는 통상 개방 밸브인 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.