KR101128552B1

KR101128552B1 - 연료전지 시스템

Info

Publication number: KR101128552B1
Application number: KR1020067002394A
Authority: KR
Inventors: 소이치 시바타; 다카유키 우라타; 야스시 스가와라; 다카히로 우메다; 준지 모리타; 가즈히토 하토; 유키노부 기타노
Original assignee: 파나소닉 주식회사
Priority date: 2004-01-21
Filing date: 2005-01-19
Publication date: 2012-03-23
Also published as: CN100411234C; KR20070017931A; WO2005071781A1; US20070292728A1; US7691510B2; EP1708300B1; EP1708300A1; JP4873952B2; EP1708300A4; JPWO2005071781A1; CN1839506A

Abstract

연료전지의 운전 정지시에, 애노드 및/또는 캐소드에 불활성가스를 공급하는 퍼지 동작을 실시하는 연료전지 시스템에 있어서, 애노드의 입구측 유로의 압력 Pa와 캐소드의 입구측 유로의 압력 Pc와의 차압 ΔP=Pa-Pc로 정의했을 때, 운전 상태에 있어서의 차압 ΔPo와 퍼지중의 차압 ΔPp가, 0<ΔPo×ΔPp의 관계를 만족하도록, 퍼지 중의 차압을 제어한다. 이에 따라, 고체 전해질막에 대한 스트레스를 저감 하여, 연료전지의 장기 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은, 고체 고분자형 연료전지를 이용하여 발전을 실시하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.

연료전지는, 기본적으로는, 이온 전도성을 가진 전해질을 사이에 끼운 한 쌍의 전극인 애노드와 캐소드 및, 이들을 끼워 지지하는 애노드측 세퍼레이터와 캐소드측 세퍼레이터로 구성된다. 애노드측 세퍼레이터는 애노드에 연료를 공급하는 유로를 가지며, 캐소드측 세퍼레이터는 캐소드에 산화제를 공급하는 유로를 가진다. 애노드에 연료, 예를 들면, 수소 가스 혹은 에탄올 등을 공급하고, 캐소드에 산화제, 예를 들면, 산소 혹은 공기를 공급하여, 이들 반응 물질이 가진 화학에너지를 각 전극상에서 일으키는 산화 혹은 환원 반응에 의해 전기 에너지로 변환하여, 전류를 추출한다.

이러한 연료전지 중에는, 전해질로서 수소이온 전도성을 가진 고분자막을 이용하고, 연료로서 수소 혹은 수소를 주성분으로 하는 혼합 가스를 이용하며, 산화제로서 산소 혹은 공기 등의 가스를 이용한 형태가 있다. 이 연료전지에서는, 애노드상에서 수소 가스가 식(1)의 반응에 의해 산화되어 전자와 수소이온을 발생한다. 수소이온은 고체 전해질막 내를 이동하여 캐소드측에 도달한다. 한편, 전자 는 외부 회로를 통과하여 캐소드에 도달하고, 캐소드에 있는 산소와 전자 및 수소이온이 식(2)의 반응에 의해 환원되어 물을 생성한다.

2H₂ →4H⁺+4e (1)

4H⁺+O₂+4e →2H₂O (2)

이 연료전지의 전해질인 고체 고분자막은, 습윤 상태에서만 이온 도전성을 발휘한다. 이 때문에, 높은 발전 성능을 유지하려면 식(2)의 반응으로 생성되는 수분만으로는 불충분하고, 외부로부터 수분을 보급할 필요가 있다. 일반적으로는, 연료전지의 본체 내부 혹은 외부에 설치된 연료전지에 공급되는 가스를 가습하기 위한 장치에 통과시킴으로써, 연료전지의 운전에 필요한 수분을 공급하는 방법이 취해진다.

또한, 이 연료전지의 운전 온도는, 전해질인 고체 고분자막의 내열성능에 의한 제약을 받기 때문에, 통상 90℃ 이하이다. 그러나, 식 (1) 및 (2)의 반응은 90℃ 이하의 환경에서는 일어나기 어렵기 때문에, 상술한 애노드 및 캐소드는 이러한 반응을 활성화시키는 작용을 가진 촉매를 구비할 필요가 있다. 따라서, 이 연료전지의 애노드 및 캐소드에는, 촉매능이 높은 백금이 이용되고 있다.

이러한 연료전지를 구비한 종래의 연료전지 시스템의 일례로서 도 1에 나타낸 구성을 가진 시스템이 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 즉, 이 시스템은, 수소 공급수단(11)으로부터 공급되는 수소와, 공기 공급수단(12)으로부터 가습기 (13)를 통해 가습되어 공급되는 공기 중의 산소를 반응시켜 발전하는 연료전지(10)를 구비한다. 전극 반응의 열을 회수하기 위해서 연료전지(10)에 냉각수를 순환시키는 펌프(16)와, 연료전지(10)에서 발전한 직류 전량(電量)을 교류로 변환하는 인버터(25)를 구비하고 있다. 펌프(16)에 의해서 순환하는 냉각수는, 연료전지에서 얻은 열에너지를 열교환기(19)로 방출한다. 한편, 펌프(17)에 의해서 순환하는 저장조(18) 내의 물은 열교환기(19)로부터 열을 흡수하여, 온수로서 저장조(18) 내에 저장된다.

이러한 종래의 시스템에서는, 연료전지(10)의 연료가스 입구(14a)로 이어지는 유로(14) 및 공기 입구(15a)로 이어지는 유로(15)에는 3방 밸브(21) 및 (22)가 각각 설치되어 있다. 연료전지(10)의 운전을 정지했을 때에는, 불활성 가스 봄베(20)로부터 불활성 가스를 연료가스 유로 및 공기유로에 공급할 수 있는 구조가 되어 있다. 14b는 연료가스의 출구, 15b는 공기의 출구이다.

이 예에서 대표되는 연료전지 시스템은, 연료가스의 화학에너지를 효율적으로 사용하기 위해서, 공급할 곳의 전력 수요에 따라 운전 출력을 변화시키거나 기동 정지를 반복하거나 할 필요가 있다. 그러나, 발전원인 연료전지를 기동 정지시키는 경우, 이하의 문제에 의해 애노드 또는 캐소드의 어느 한쪽, 혹은 양쪽 모두의 가스를 불활성 가스와 치환시키는, 즉 불활성 가스로 퍼지할 필요가 있다.

먼저, 기동정지시의 문제점으로서, 제일 먼저 안전성의 관점으로부터 정지 중의 연료전지 내로부터 수소가스를 제거할 필요가 있는 것을 들 수 있다. 이것은, 애노드와 캐소드를 거리를 두고 있는 고체 고분자막이 산소 가스나 수소 가스 를 투과하기 위해서, 연료전지의 운전 정지상태가 장시간 유지되었을 경우, 수소와 산소가 서로 섞인 상태가 되기 때문이다.

둘째, 발전 효율의 관점으로부터 캐소드내의 산소 가스를 제거할 필요가 있는 것을 들 수 있다. 이것은, 무부하 상태에서 캐소드내에 산소가 존재할 경우, 캐소드가 표준 수소 전극 전위에 대해서 약 1V의 전위가 되고, 이 전위에 의해서 전극 촉매인 백금의 산화 반응이나 용해 반응이 일어나므로, 전극의 촉매능이 저하하기 때문이다.

셋째, 기동의 안정성의 관점으로부터, 애노드 및 캐소드내의 수증기를 제거할 필요가 있는 것을 들 수 있다. 이것은, 연료전지에 공급되는 가스는 가습되고 있으며, 또한 식(2)의 반응에 의한 생성수가 가해짐으로써, 연료전지 내부의 가스는 운전시의 온도에서 상대습도가 100%에 가까운 상태가 되고 있다. 연료전지의 운전 온도는 통상 60℃～80℃이지만, 연료전지의 정지시에는 실온 부근까지 연료전지 내부에 체류하고 있는 가스가 냉각된다. 이 때문에, 가스 내의 수분이 응집한다. 연료전지의 기동시에는, 연료전지의 온도가 낮은 상태이기 때문에, 이 응집수는 액체 상태로 전지 내에 머무르고 있다. 이 응집한 수분에 의한 백금 표면의 피복이나, 다공체인 가스 확산층의 구멍의 막힘, 세퍼레이터의 가스 유로의 폐색이 일어남으로써 가스의 확산이 저해되어 기동시의 발전이 안정되지 않는다.

이들 문제를 해결하기 위한 퍼지 방법으로서는, 도 1에 있는 바와 같이 시스템에 질소가스 등의 불활성 가스 봄베(20)를 탑재하고, 연료전지(10)의 연료가스 입구(14a)측의 유로(14) 및 공기의 입구(15a)측의 유로(15)로부터, 봄베의 압력을 동력으로 하여, 연료전지가 정지할 때에 불활성 가스를 공급하는 방법이 가장 일반적이다. 그 외에도, 냉각수에 의해 퍼지하는 방법(예를 들면, 특허문헌 2)이나, 캐소드 배출 가스 내의 산소를 제거한 후, 연료전지에 다시 공급하는 방법(예를 들면, 특허문헌 3), 연료인 수소와 공기를 연소시킨 후, 연료전지에 공급하는 방법(예를 들면, 특허문헌 4) 등이 과거에 제안되어 있다.

특허문헌 1 : 일본 특허공개평성11-214025호 공보

특허문헌 2 : 일본 특허공개평성06-251788호 공보

특허문헌 3 : 일본 특허공개평성06-203865호 공보

특허문헌 4 : 일본 특허공개2002-50372호 공보

종래 기술의 퍼지의 목적은, 정지 중에 연료전지 내에 존재하는 가스를 불활성 가스로 치환하는 것이다. 또한, 연료전지의 기동 정지 특성을 생각하면, 퍼지 시간은 되도록 짧은 것이 바람직한다. 따라서, 이러한 요구를 만족하는 퍼지 조건으로서 큰 유량의 불활성 가스를 공급함으로써, 단시간에 연료전지 내의 가스를 치환하는 퍼지 방법이 바람직하게 된다.

그러나, 운전시에 공급되는 가스량과 퍼지시에 공급되는 가스량의 사이에 큰 차이가 있으면, 연료전지 내에 있어서 애노드와 캐소드의 사이의 차압이 급격하게 변화하는 것이 문제가 된다.

이러한 형태의 연료전지에서는, 통상 수십 ㎛의 두께의 고체 고분자막이 이용되고 있다. 이 고체 고분자막은, 전해질로서의 기능 외에, 애노드의 연료가스와 캐소드의 산화제 가스를 격리하는 기능도 요구된다. 애노드와 캐소드간의 차압에 의해, 고체 고분자막은 항상 일그러져 있는 상태가 되어 있다. 이 일그러짐량의 급격한 변화가 고체 고분자막의 강도를 저하시키기 때문에, 하루하루의 운전에 의한 기동 정지의 반복에 의해 고체 고분자막이 파손에 이르는 기간이 짧아진다. 특히, 운전중과 퍼지중의 애노드와 캐소드의 압손(壓損)의 대소가 역전하면, 고체 고분자막이 애노드측으로부터 캐소드측으로 진동하게 되기 때문에, 고체 고분자막의 강도가 현저하게 저하해 버린다. 즉, 종래 기술의 퍼지 방법에 있듯이, 차압의 제어를 실시하지 않는 퍼지를 반복함으로써, 연료전지의 장기 신뢰성이 저하해 버리는 것이 과제였다.

본 발명은, 상기 종래의 과제를 해결하는 것으로, 애노드의 연료가스와 캐소드의 산화제 가스의 압력을 측정하여, 그 측정치에 따라서, 애노드 혹은 캐소드의 압력을 제어함으로써, 기동 정지가 반복되는 연료전지의 장기 신뢰성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 연료전지 시스템은, 연료전지와, 상기 연료전지의 애노드에 연료가스를 공급하는 연료가스 공급수단과, 상기 연료전지의 캐소드에 산화제가스를 공급하는 산화제가스 공급수단과, 상기 연료전지의 애노드 및/또는 캐소드에 불활성 가스를 공급하는 불활성가스 공급수단과, 상기 연료전지의 애노드의 입구측 유로의 압력 Pa 및 캐소드의 입구측 유로의 압력 Pc를 측정하는 수단을 구비하고, 상기 연료전지의 기동 또는 정지시에 상기 불활성가스 공급수단에 의해 상기 연료전지 내의 연료가스 및/또는 산화제가스를 불활성가스와 치환하는 퍼지 동작을 하도록 구성된 연료전지 시스템으로, 상기 연료전지의 퍼지 중에 있어서의 Pa 및 Pc의 값에 의해서 상기 연료전지에 공급하는 불활성가스의 공급량을 증감시키는 제어수단을 구비하고, 차압 ΔP=Pa-Pc로 정의했을 때, 운전 상태에 있어서의 차압 ΔPo와, 퍼지중의 차압 ΔPp가, 0<ΔPo<ΔPp 및 │ΔPp │≤│ΔPo │의 관계를 만족한다.

본 발명에 의하면, ΔPo와 ΔPp의 관계를 잘 제어할 수 있기 때문에, 일시적으로도 ΔPo×ΔPp<0과 같은 관계가 되는 것을 방지할 수 있다.
여기서, ΔPo와 ΔPp가 ΔPo=ΔPp의 관계에 있는 것이 보다 바람직하다.

삭제

본 발명의 바람직한 다른 실시형태에 있어서는, 상기 연료전지로부터의 배출 가스의 출구측 유로의 안지름을 변화시키는 수단과, 상기 연료전지의 퍼지 중에 있어서의 Pa 및 Pc의 값에 의해 상기 안지름을 변화시키는 수단을 구비한다. 이 실시형태에 의하면, 상기와 같이, ΔPo와 ΔPp의 관계를 잘 제어할 수 있다.

본 발명에 의해서, 연료전지의 기동 또는 정지시에 이루어지는 퍼지 중의 차압을 바람직한 상태가 되도록 제어하는 것이 가능해진다.

본 발명에 의하면, 운전중 및 퍼지 동작중에, 항상 전해질막의 애노드측 또는 캐소드측의 압력이 다른 한쪽의 압력보다 커지도록 제어된다. 따라서, 기동 혹은 정지시의 퍼지시에 발생하는 고체 고분자막의 진동에 의한 강도 저하를 억제할 수 있다. 따라서, 기동?정지를 동반한 장기 운전에 있어서, 높은 신뢰성을 가진 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은, 종래의 연료전지 시스템의 개략 구성을 나타내는 도면이다.

도 2는, 본 발명의 실시형태 1의 연료전지 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.

도 3은, 본 발명의 실시형태 2의 연료전지 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.

도 4는, 본 발명의 실시형태 3의 연료전지 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.

도 5는, 본 발명의 실시형태 4의 연료전지 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.

도 6은, 본 발명의 실시형태 5의 연료전지 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.

도 7은, 본 발명의 실시형태 6의 연료전지 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.

도 8은, 본 발명의 실시예 및 비교예의 연료전지 스택의 싸이클 시험에 있어서의 발전 전압의 추이를 나타내는 도면이다.

이하에, 본 발명의 실시형태를 도면을 참조하면서 설명한다.

실시형태 1

도 2는, 본 발명의 실시형태 1에 의한 연료전지 시스템을 나타내는 구성도이다.

실시형태 1에 있어서의 연료전지 시스템은, 연료가스와 산화제가스를 이용하여 발전을 실시하는 고체 고분자형의 연료전지(10)와, 천연가스 등의 원료를 수증기 개질하여, 수소가 풍부한(H₂ rich) 가스를 생성하여 연료전지(10)에 공급하는 수소 공급수단(11)과, 산화제가스로서 외부 공기를 취입하는 공기 공급수단(12)과, 취입한 공기에 필요한 습도를 부여하는 가습기(13)를 구비한다. 또한, 연료전지(10)가 발전할 때에 발생하는 열을 회수하기 위한 냉각수를 순환시키는 펌프(16)와, 그 냉각수로 회수한 열에너지를 회수?저장하기 위한 열교환기(19), 저장조(18) 및 저장조(18) 내의 물을 열교환기(19)를 통과하여 순환시키는 순환 펌프(17)와, 연료전지(10)에서 발전한 직류전량을 교류로 변환하는 인버터(25)를 구비한다. 또한, 운전이 정지했을 때에 연료전지(10)에 불활성가스를 공급하기 위한 불활성가스 봄베(20) 등을 구비한다.

이상의 구성요소는, 종래 기술의 시스템과 동일하지만, 본 실시형태에서는, 연료가스의 입구(14a)측의 유로(14) 및 공기의 입구(15a)측의 유로(15)의 압력을 측정하기 위한 압력계(31) 및 (32)와, 각각의 입구에 공급되는 불활성가스의 유량을 제어하기 위한 매스플로우 콘트롤러(33) 및 (34)와, 압력계(31) 및 (32)로 측정된 압력을 기억하고, 그 값에 의해서 매스플로우 콘트롤러(33) 및 (34)를 제어하기 위한 제어기(30)를 더 구비한다.

여기서 불활성가스란, 헬륨이나 아르곤 등의 희가스류, 질소, 탈황후의 천연가스나 수증기 등, 0℃～100℃의 고습분위기하의 백금상에서 단극이 될 수 있는 산화 환원 반응을 일으키지 않는 가스를 가리킨다.

실시형태 1에 있어서의 운전 정지시의 퍼지의 시퀀스는 이하와 같다.

외부 회로의 전력 수요가 없어져서, 연료전지 시스템에 대해서 정지 신호가 내려졌을 때, 먼저, 연료전지 시스템은 최소 출력까지 출력을 떨어뜨린다. 이 때 매스플로우 콘트롤러(33) 및 (34)의 유량은 제어 가능한 최소 유량의 값으로 설정한다. 연료전지 내의 가스의 흐름을 안정시키기 위해서 최소 출력 상태로 일정시간 유지한 후, 압력계(31) 및 (32)로 관측되고 있는 연료가스 입구(14a) 및 공기 입구(15a)의 압력을 제어기(30)로 기록한다.

이어서, 인버터(25)의 전기회로를 열림으로 한 후, 수소 공급수단(11) 및 공기 공급수단(12)을 정지한다.

이어서, 제어기(30)로 기록한 압력의 대소를 비교하여, 압력이 큰 쪽의 입구, 예를 들면 14a에 접속하고 있는 불활성가스 유로의 밸브(21)를 개방하여, 매스플로우 콘트롤러(33)에 의해 목적의 유량이 될 때까지 단계적으로 불활성가스의 유량을 상승시킨다.

이어서, 또 한쪽의 입구, 예를 들면 15a에 접속하고 있는 불활성가스 유로의 밸브(22)를 개방하여, 마찬가지로 단계적으로 불활성가스의 유량을 상승시킨다. 그리고, 퍼지 중의 양 입구측 유로의 압력의 차이의 절대치 │ΔPp │가 운전 중의 압력의 차이의 절대치 │ΔPo │보다도 작아졌을 때에, 불활성가스의 유량의 상승을 정지하고, 이 때의 유량을 유지한다.

이 상태로 불활성가스를 연료전지 내에 소정 시간 공급한 후, 불활성가스 공급시와는 반대로, 기록된 압력이 작은 쪽의 입구, 예를 들면 15a에 접속하고 있는 불활성가스 유로의 밸브(22)를 닫고, 그 다음에 또 한쪽의 입구, 예를 들면 14a에 접속하고 있는 불활성가스 유로의 밸브(21)를 닫는다. 이상이, 연료전지 정지의 시퀀스이다.

재기동시의 퍼지의 시퀀스는 이하와 같다.

외부 회로로부터의 전력 수요가 발생하여, 연료전지 시스템에 대해서 기동 신호가 내려졌을 때, 먼저, 매스플로우 콘트롤러(33) 및 (34)의 유량을 제어 가능한 최소 유량의 값으로 설정한다. 이어서, 제어기(30)로 전회(前回)에 정지했을 때에 기록한 압력의 대소를 비교하여, 압력이 큰 쪽의 입구, 예를 들면 14a에 접속하고 있는 불활성가스 유로의 밸브(21)를 개방하여, 매스플로우 콘트롤러(33)에 의해 목적의 유량이 될 때까지, 단계적으로 불활성가스의 유량을 상승시킨다. 이어서, 또 한쪽의 입구, 예를 들면 15a에 접속하고 있는 불활성가스 유로의 밸브(22)를 개방하여, 마찬가지로 단계적으로 불활성가스의 유량을 상승시킨다. 그리고, 퍼지 중의 차압의 절대치 │ΔPp │가 운전중의 차압의 절대치 │ΔPo │보다 작아졌을 때에, 불활성가스의 유량의 상승을 정지하고, 이 때의 유량을 유지한다.

이 상태로 불활성가스를 연료전지 내에 소정 시간 공급한 후, 불활성가스 공급시와는 반대로, 기록된 압력이 작은 쪽의 입구, 예를 들면 15a에 접속하고 있는 불활성가스 유로의 밸브(22)를 닫고, 그 다음에 또 한쪽의 입구, 예를 들면 14a에 접속하고 있는 불활성가스 유로의 밸브(21)를 닫는다.

이어서, 수소 공급수단(11) 및 공기 공급수단(12)을 기동하여, 이들 연료가스 및 공기가 연료전지(10) 내에 충분히 널리 퍼지는 시간만큼, 이 상태를 유지한 후, 인버터(25)의 전기회로를 닫힘으로 하고, 발전을 개시한다. 이상이, 연료전지 기동의 시퀀스이다.

상기 기동 정지의 시퀀스에 있어서, 나중에 불활성가스가 공급되는 입구, 예를 들면 15a의 압력은 앞서 불활성가스가 공급되었던 입구, 예를 들면 14a의 압력과 동일한 압력이 될 때까지 승압하는 것이 더 바람직하다.

실시형태 1에 있어서의 연료전지 시스템의 구성 및 퍼지 방법을 취하면, 운전 중 및 퍼지 중을 통해서, 연료전지(10) 속의 고체 전해질막은 항상 한방향으로부터 차압에 의한 힘을 받게 되어, 진동에 의한 강도 열화의 촉진이 일어나지 않는다. 따라서, 기동 정지를 동반한 장기 운전에 있어서 신뢰성이 높은 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.

실시형태 2

도 3은, 본 발명의 실시형태 2에 의한 연료전지 시스템을 나타내는 구성도이다.

실시형태 2에 있어서의 연료전지 시스템은, 실시형태 1에서 설명한 종래 기술의 시스템 중에서, 불활성가스 봄베(20)에 대신하여, 블로어(blower, 41) 및 (42)에 의해서 시스템 외부로부터 도입한 공기를, 연소기(43) 및 (44)를 통과시킴 으로써 공기중의 산소를 소비하는 처리에 의해 불활성가스인 질소 가스를 생성하여, 이것을 퍼지 가스로서 연료전지에 공급할 수 있는 구성으로 되어 있다. 또한, 연료가스의 입구(14a)측의 유로(14)와 공기의 입구(15a)측의 유로(15)의 압력을 측정하기 위한 압력계(31) 및 (32)와, 압력계(31) 및 (32)로 측정된 압력을 기억하여, 그 값에 의해서 블로어(41) 및 (42)의 출력을 제어하기 위한 제어기(30)를 구비하고 있다.

실시형태 2에 있어서의 정지시의 퍼지의 시퀀스는 이하와 같다.

외부 회로의 전력 수요가 없어져서, 연료전지 시스템에 대해서 정지 신호가 내려졌을 때, 먼저, 연료전지 시스템은 최소 출력까지 출력을 떨어뜨린다. 계속해서, 연료전지 내의 가스의 흐름을 안정시키기 위해서 최소 출력 상태로 일정시간 유지한 후, 압력계(31) 및 (32)로 관측되고 있는 연료가스의 입구(14a)측의 유로(14) 및 공기의 입구(15a)측의 유로(15)의 압력을 제어기(30)로 기록한다.

다음에, 인버터(25)의 전기회로를 열림으로 한 후, 수소 공급수단(11) 및 공기 공급수단(12)을 정지하여, 연소기(43) 및 (44)를 발화한다.

이어서, 제어기(30)로 기록한 압력의 대소를 비교하여, 압력이 큰 쪽의 입구, 예를 들면 14a에 접속하고 있는 블로어(41)를 기동하고, 동시에 연료전지(10)로 연결되는 가스 유로의 밸브(21)를 연다. 그리고, 블로어(41)의 출력을 높이면서 목적의 유량이 될 때까지 단계적으로 불활성가스의 유량을 상승시킨다.

이어서, 또 한쪽의 입구, 예를 들면 15a에 접속하고 있는 블로어(42)를 기동하고, 동시에 연료전지(10)로 연결되는 가스 유로의 밸브(22)를 열어, 마찬가지로 단계적으로 불활성가스의 유량을 상승시킨다. 그리고, 퍼지중의 차압의 절대치 │ΔPp │가 운전중의 차압의 절대치 │ΔPo │보다 작아졌을 때에, 불활성가스의 유량의 상승을 정지하고, 이 때의 블로어에 대한 출력을 유지한다.

이 상태로 블로어를 소정 시간 작동시킨 후, 블로어의 기동시와는 반대로, 기록된 압력이 작은 쪽의 입구, 예를 들면 15a에 접속하고 있는 블로어측의 밸브(22)를 닫고, 그 다음에 또 한쪽의 입구, 예를 들면 14a에 접속하고 있는 블로어측의 불활성가스 유로의 밸브(21)를 닫는다. 이상이, 연료전지 정지의 시퀀스이다.

재기동시의 퍼지의 시퀀스는 이하와 같다.

외부 회로로부터의 전력 수요가 발생하여, 연료전지 시스템에 대해서 기동 신호가 내려졌을 때, 먼저, 연소기(43) 및 (44)를 발화하고, 계속해서 제어기(30)로 전회(前回)에 정지했을 때에 기록한 압력의 대소를 비교하여, 압력이 큰 쪽의 입구, 예를 들면 14a에 접속하고 있는 블로어(41)를 기동하고, 동시에 연료전지(10)로 연결되는 가스 유로의 밸브(21)를 연다. 그리고, 블로어(41)의 출력을 높이면서 목적의 유량이 될 때까지 단계적으로 불활성가스의 유량을 상승시킨다. 또 한쪽의 입구, 예를 들면 15a에 접속하고 있는 블로어(42)를 기동하고, 동시에 연료전지(10)로 연결되는 가스 유로의 밸브(22)를 열어, 마찬가지로 단계적으로 불활성가스의 유량을 상승시킨다. 그리고, 퍼지 중의 차압의 절대치 │ΔPp │가 운전중의 차압의 절대치 │ΔPo │보다 작아졌을 때에, 불활성가스의 유량의 상승을 정지하고, 이 때의 유량을 유지한다.

이 상태로 블로어를 소정 시간 작동시킨 후, 블로어 작동시와는 반대로, 기 록된 압력이 작은 쪽의 입구, 예를 들면 15a에 접속하고 있는 밸브(22)를 닫고, 그 다음에 또 한쪽의 밸브(21)를 닫는다.

이어서, 수소 공급수단(11) 및 공기 공급수단(12)을 기동하여, 이들 연료가스 및 공기가 연료전지(10)내에 충분히 널리 퍼지는 시간만큼, 이 상태를 유지한 후, 인버터(25)의 전기회로를 닫힘으로 하고, 발전을 개시한다. 이상이, 연료전지 기동의 시퀀스이다.

상기의 기동 정지의 시퀀스에 있어서, 나중에 불활성가스가 공급되는 입구의 압력은 앞서 불활성가스의 공급되었던 입구의 압력과 동일한 압력이 될 때까지 승압하는 것이 더 바람직하다.

실시형태 2에 있어서의 연료전지 시스템의 구성 및 퍼지 방법을 취하면, 실시형태 1과 마찬가지로, 기동 정지를 동반한 장기 운전에 있어서 신뢰성이 높은 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.

실시형태 3

도 4는, 본 발명의 실시형태 3에 의한 연료전지 시스템을 나타내는 구성도이다.

실시형태 3에 있어서의 연료전지 시스템은, 실시형태 1에서 설명한 종래 기술의 시스템 중에서, 불활성가스 봄베(20)에 대신하여, 승압 펌프(51) 및 (52)에 의해서 시스템 외부로부터 도입한 도시가스를 불활성가스로서 연료전지에 공급할 수 있는 구성으로 되어 있다. 또한, 연료가스의 입구(14a)측의 유로(14)와 공기의 입구(15a)측의 유로(15)의 압력을 측정하기 위한 압력계(31) 및 (32)와, 이들 압력 계로 측정된 압력을 기억하고, 그 값에 의해서 승압 펌프(51) 및 (52)의 출력을 제어하기 위한 제어기(30)를 구비한다.

실시형태 3에 있어서의 정지시의 퍼지의 시퀀스는 이하와 같다.

이어서, 인버터(25)에의 전기회로를 열림으로 한 후, 수소 공급수단(11) 및 공기 공급수단(12)을 정지한다.

이어서, 제어기(30)로 기록한 압력의 대소를 비교하여, 압력이 큰 쪽의 입구, 예를 들면 14a에 접속하고 있는 승압 펌프(51)를 기동하고, 동시에 연료전지(10)로 연결되는 가스 유로의 밸브(21)를 연다. 그리고, 승압 펌프(51)의 출력을 높이면서 목적의 유량이 될 때까지 단계적으로 도시가스의 유량을 상승시킨다.

이어서, 또 한쪽의 입구, 예를 들면 15a에 접속하고 있는 승압 펌프(52)를 기동하고, 동시에 연료전지(10)로 연결되는 가스 유로의 밸브(22)를 열어, 마찬가지로 단계적으로 도시가스의 유량을 상승시킨다. 그리고, 퍼지중의 차압의 절대치 │ΔPp │가 운전중의 차압의 절대치 │ΔPo │보다 작아졌을 때에, 도시가스의 유량의 상승을 정지하고, 이 때의 승압 펌프(51) 및 (52)에 대한 출력을 유지한다.

이 상태로 승압 펌프(51) 및 (52)를 소정 시간 작동시킨 후, 이들 승압 펌프 의 기동시와는 반대로, 기록된 압력이 작은 쪽의 입구, 예를 들면 15a에 접속하고 있는 승압 펌프(52)측의 밸브(22)를 닫고, 그 다음에 또 한쪽의 입구, 예를 들면 14a에 접속하고 있는 승압 펌프(51)측의 불활성가스 유로의 밸브(21)를 닫는다. 이상이, 연료전지 정지의 시퀀스이다.

재기동시의 퍼지의 시퀀스는 이하와 같다.

외부 회로에서의 전력 수요가 발생하여, 연료전지 시스템에 대해서 기동 신호가 내려졌을 때, 먼저, 제어기(30)로 전회에 정지했을 때에 기록한 압력의 대소를 비교하여, 압력이 큰 쪽의 입구, 예를 들면 14a에 접속하고 있는 승압 펌프(51)를 기동하고, 동시에 연료전지(10)로 연결되는 가스 유로의 밸브(21)를 연다. 그리고, 승압 펌프(51)의 출력을 높이면서 목적의 유량이 될 때까지 단계적으로 도시가스의 유량을 상승시킨다. 또 한쪽의 입구, 예를 들면 15a에 접속하고 있는 승압 펌프(52)를 기동하고, 동시에 연료전지(10)로 연결되는 가스 유로의 밸브(22)를 열어, 마찬가지로 단계적으로 도시가스의 유량을 상승시킨다.

그리고, 퍼지중의 차압의 절대치 │ΔPp │가 운전중의 차압의 절대치 │ΔPo │보다 작아졌을 때에, 도시가스의 유량의 상승을 정지하고, 이때의 유량을 유지한다.

이 상태로 승압 펌프(51) 및 (52)를 소정 시간 작동시킨 후, 이들 승압 펌프의 작동시와는 반대로, 기록된 압력이 작은 쪽의 입구, 예를 들면 15a에 접속하고 있는 밸브(22)를 닫고, 그 다음에 또 한쪽의 밸브(21)를 닫는다.

이어서, 수소 공급수단(11) 및 공기 공급수단(12)을 기동하여, 이들 연료가 스 및 공기가 연료전지(10)내에 충분히 널리 퍼지는 시간만큼, 이 상태를 유지한 후, 인버터(25)에의 전기회로를 닫힘으로 하고, 발전을 개시한다. 이상이, 연료전지 기동의 시퀀스이다.

상기의 기동 정지의 시퀀스에 있어서, 나중에 도시가스가 공급되는 입구의 압력은 앞서 도시가스가 공급되었던 입구의 압력과 동일한 압력이 될 때까지 승압하는 것이 더 바람직하다.

실시형태 3에 있어서의 연료전지 시스템의 구성 및 퍼지 방법을 취하면, 실시형태 1과 마찬가지로, 기동 정지를 동반하는 장기 운전에 있어서 신뢰성이 높은 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.

실시형태 4

도 5는, 본 발명의 실시형태 4에 의한 연료전지 시스템을 나타내는 구성도이다.

실시형태 4에 있어서의 연료전지 시스템은, 실시형태 1에서 설명한 종래 기술의 시스템 중에서, 불활성가스 봄베(20)에 대신하여, 승압 펌프(52)에 의해서 시스템 외부로부터 도입한 도시가스를 불활성가스로서 공기유로에 공급할 수 있는 구성으로 되어 있다. 또한, 연료가스의 입구(14a)측의 유로(14)와 공기의 입구(15a)측의 유로(15)의 압력을 측정하기 위한 압력계(31) 및 (32)와, 이들 압력계로 측정된 압력을 기억하여, 그 값에 의해서 승압 펌프(52)의 출력을 제어하기 위한 제어기(30)를 구비한다. 또한, 연료가스의 입구(14a)측의 유로(14)에는 전자 밸브(61)가 설치되고, 연료가스의 출구(14b)측의 유로에는 전자 밸브(62)가 설치되어 있다. 연료전지(10)는, 운전중에 있어서의 연료가스의 유로 및 공기의 유로의 압력은 항상 공기의 입구(15a)측의 유로가 크게 설계되어 있다.

실시형태 4에 있어서의 정지시의 퍼지의 시퀀스는 이하와 같다.

이어서, 연료가스의 입구(14a)측의 유로 및 출구(14b)측의 유로에 설치되어 있는 전자 밸브(61) 및 (62)를 닫고, 연료전지(10)의 애노드측을 밀봉한다.

이어서, 공기의 입구(15a)측의 유로에 접속하고 있는 승압 펌프(52)를 기동하고, 동시에 연료전지(10)로 연결되는 가스 유로의 밸브(22)를 연다. 그리고, 공기유로중의 공기가 도시가스로 충분히 치환할 수 있도록 설정한 목적 유량에 도달할 때까지 승압 펌프(52)의 출력을 단계적으로 상승시킨다. 그리고, 이 상태로 일정한 소정 시간, 승압 펌프(52)를 작동시킨 후, 승압 펌프(52)를 정지시켜, 공기의 입구(15a)측의 유로에 접속하고 있는 밸브(22)를 닫는다. 이상이, 연료전지 정지의 시퀀스이다.

재기동시의 퍼지의 시퀀스는 이하와 같다.

외부 회로로부터의 전력 수요가 발생하고, 연료전지 시스템에 대해서 기동 신호가 내려졌을 때, 먼저, 승압 펌프(52)를 기동하고, 동시에 연료전지(10)로 연결되는 가스 유로의 밸브(22)를 연다. 그리고, 승압 펌프(52)의 출력을 높이면서 정지중에 공기유로중에 진입한 공기가 도시가스로 충분히 치환할 수 있도록 설정한 목적 유량에 도달할 때까지 단계적으로 도시가스의 유량을 상승시킨다. 그리고, 이 상태로 일정한 소정 시간, 승압 펌프(52)를 작동시킨 후, 승압 펌프(52)를 정지시켜, 공기의 입구(15a)측의 유로에 접속하고 있는 밸브(22)를 닫는다.

이어서, 밸브(61) 및 (62)를 열어, 수소 공급수단(11) 및 공기 공급수단(12)을 기동하여, 이들 연료가스 및 공기가 연료전지(10)내에 충분히 널리 퍼지는 시간만큼, 이 상태를 유지한 후, 인버터(25)의 전기회로를 닫힘으로 하고, 발전을 개시한다. 이상이 연료전지 기동의 시퀀스이다.

실시형태 4에 있어서의 연료전지 시스템의 구성 및 퍼지 방법을 취하면, 실시형태 1과 마찬가지로, 기동 정지를 동반한 장기 운전에 있어서 신뢰성이 높은 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.

실시형태 5

도 6은, 본 발명의 실시형태 5에 의한 연료전지 시스템을 나타내는 구성도이다.

실시형태 5에 있어서의 연료전지 시스템은, 실시형태 1에서 설명한 종래 기술의 시스템 중에서, 불활성가스 봄베(20)에 대신하여, 승압 펌프(51)에 의해서 시스템 외부로부터 도입한 도시가스를 불활성가스로서 연료가스 유로에 공급할 수 있 는 구성으로 되어 있다. 또한 연료가스의 입구(14a)측의 유로(14)와 공기의 입구(15a)측의 유로(15)의 압력을 측정하기 위한 압력계(31) 및 (32)와, 이들 압력계로 측정된 압력을 기억하여, 그 값에 의해서 승압 펌프(51)의 출력을 제어하기 위한 제어기(30)를 구비한다. 또한, 공기의 입구(15a)측의 유로(15)에는 전자 밸브(63)가 설치되고, 공기의 출구(15b)측의 유로에는 전자 밸브(64)가 설치되어 있다. 연료전지(10)는, 운전중에 있어서의 연료가스의 유로 및 공기의 유로의 압력은 항상 공기의 입구(15a)측의 유로가 크게 설계되어 있다.

실시형태 5에 있어서의 정지시의 퍼지의 시퀀스는 이하와 같다.

외부 회로의 전력 수요가 없어져서, 연료전지 시스템에 대해서 정지 신호가 내려졌을 때, 먼저, 연료전지 시스템은 최소 출력까지 출력을 떨어뜨린다. 계속해서, 연료전지 내의 가스의 흐름을 안정시키기 위해서 최소 출력 상태로 일정시간 유지한 후, 압력계(31) 및 (32)로 관측되고 있는 연료가스의 입구(14a)측의 유로 및 공기의 입구(15a) 측의 유로의 압력을 제어기(30)로 기록한다.

이어서, 공기의 입구(15a)측의 유로 및 출구(15b)측의 유로에 설치되어 있는 전자 밸브(63) 및 (64)를 닫아, 연료전지(10)의 캐소드측을 밀봉한다.

이어서, 연료가스의 입구(14a)측의 유로에 접속하고 있는 승압 펌프(51)를 기동하고, 동시에 연료전지(10)로 연결되는 가스 유로의 밸브(21)를 연다. 그리고, 연료가스 유로중의 수소가 도시가스로 충분히 치환할 수 있도록 설정한 목적 유량에 도달할 때까지 승압 펌프(51)의 출력을 단계적으로 상승시킨다. 그리고, 이 상태로 일정한 소정 시간, 승압 펌프(51)를 작동시킨 후, 승압 펌프(51)를 정지시키고, 연료가스의 입구(14a)측의 유로에 접속하고 있는 밸브(21)를 닫는다. 이상이, 연료전지 정지의 시퀀스이다.

재기동시의 퍼지의 시퀀스는 이하와 같다.

외부 회로로부터의 전력 수요가 발생하여, 연료전지 시스템에 대해서 기동 신호가 내려졌을 때, 먼저, 승압 펌프(51)를 기동하고, 동시에 연료전지(10)로 연결되는 가스 유로의 밸브(21)를 연다. 그리고, 승압 펌프(51)의 출력을 높이면서 정지중에 연료가스 유로내에 진입한 수소가 도시가스로 충분히 치환될 수 있도록 설정한 목적 유량에 도달할 때까지 단계적으로 도시가스의 유량을 상승시킨다. 그리고, 이 상태로 일정한 소정 시간, 승압 펌프(51)를 작동시킨 후, 승압 펌프(51)를 정지시키고, 연료가스의 입구(14a)측의 유로에 접속하고 있는 밸브(21)를 닫는다.

이어서, 밸브(63) 및 (64)를 열어, 수소 공급수단(11) 및 공기 공급수단(12)을 기동하여, 이들 연료가스 및 공기가 연료전지(10)내에 충분히 널리 퍼지는 시간만큼, 이 상태를 유지한 후, 인버터(25)의 전기회로를 닫힘으로 하고, 발전을 개시한다. 이상이, 연료전지 기동의 시퀀스이다.

실시형태 5에 있어서의 연료전지 시스템의 구성 및 퍼지 방법을 취하면, 실시형태 1과 마찬가지로, 기동 정지를 동반한 장기 운전에 있어서 신뢰성이 높은 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.

실시형태 6

도 7은, 본 발명의 실시형태 6에 의한 연료전지 시스템을 나타내는 구성도이다.

실시형태 6에 있어서의 연료전지 시스템은, 실시형태 1에서 설명한 종래 기술의 시스템 중에서, 불활성가스 봄베(20)에 대신하여, 승압 펌프(51) 및 (52)에 의해서 시스템 외부로부터 도입한 도시가스를 불활성가스로서 연료전지에 공급할 수 있는 구성으로 되어 있다. 또한, 연료가스의 입구(14a) 측의 유로(14)와 공기의 입구(15a) 측의 유로(15)의 압력을 측정하기 위한 압력계(31) 및 (32)와, 연료가스의 출구(14b) 측의 유로 및 공기의 출구(15b) 측의 유로에, 가스 유로의 안지름을 변화시키는 것이 가능한 압력조정밸브(71) 및 (72)를 구비하고 있다. 그리고, 압력계(31) 및 (32)로 측정된 압력을 기억하여, 그 값에 의해서 압력조정밸브(71) 및 (72)의 출력을 제어하기 위한 제어기(70)도 구비한다.

실시형태 6에서는, 압력조정밸브(71) 및 (72)가 가스 유로의 안지름을 변화시키는 방식으로 하고 있지만, 그 외에 유로 길이를 길게 하는 방식이나, 굴곡에 의해 유로 저항을 변화시키는 방식 등도 있으며, 실시형태 6의 것에 한정되는 것은 아니다.

실시형태 6에 있어서의 정지시의 퍼지의 시퀀스는 이하와 같다.

외부 회로의 전력 수요가 없어져서, 연료전지 시스템에 대해서 정지 신호가 내려졌을 때, 먼저, 연료전지 시스템은 최소 출력까지 출력을 떨어뜨린다. 계속해서, 연료전지 내의 가스의 흐름을 안정시키기 위해서 최소 출력 상태로 일정시간 유지한 후, 압력계(31) 및 (32)로 관측되고 있는 연료가스의 입구(14a) 측의 유로 및 공기의 입구(15a) 측의 유로의 압력을 제어기(70)로 기록한다.

다음에, 인버터(25)의 전기회로를 열림으로 한 후, 수소 공급수단(11) 및 공기 공급수단(12)을 정지한다.

이어서, 출구측 유로에 접속하고 있는 압력조정밸브(71) 및 (72)를 다음과 같이 제어한다. 즉, 제어기(70)로 기록한 입구측 유로의 압력의 대소를 비교하여, 압력이 큰 쪽, 예를 들면 연료가스 유로 측의 압력조정밸브(71)를 10% 개구율로 하고, 또 한쪽을 모두 연다. 이어서, 상기와 같이, 연료가스의 유로에 접속한 승압 펌프(51)를 기동하고, 동시에 연료전지(10)로 연결되는 가스 유로의 밸브(21)를 연다.

이어서, 또 한쪽의 입구에 접속하고 있는 승압 펌프(52)를 기동하고, 동시에 연료전지(10)로 연결되는 가스 유로의 밸브(22)를 열어, 단계적으로 압력조정밸브(72)를 조여, 입구 측 유로의 압손을 상승시킨다. 그리고, 퍼지 중의 차압의 절대치 │ΔPp │가 운전중의 차압의 절대치 │ΔPo │보다 작아졌을 때에, 도시가스의 유량의 상승을 정지하고, 이때의 유량을 유지한다.

이 상태로 도시가스를 연료전지 내에 소정 시간 공급한 후, 도시가스 공급시와는 반대로, 기록된 압력이 작은 쪽의 입구, 예를 들면 15a측의 유로에 접속하고 있는 도시가스 유로의 밸브(22)를 닫고, 그 다음에 또 한쪽의 입구, 예를 들면 14a측의 유로에 접속하고 있는 도시가스 유로의 밸브(21)를 닫는다. 이상이, 연료전지 정지의 시퀀스이다.

재기동시의 퍼지의 시퀀스는 이하와 같다.

외부 회로로부터의 전력 수요가 발생하여, 연료전지 시스템에 대해서 기동 신호가 내려졌을 때, 먼저, 출구측 유로에 접속하고 있는 압력조정밸브(71) 및 (72)를 다음과 같이 제어한다. 즉, 제어기(70)로 기록한 입구측 유로의 압력의 대소를 비교하여, 압력이 큰 쪽, 예를 들면 연료가스 유로측의 압력조정밸브(71)를 10% 개구율로 하고, 또 한쪽을 모두 연다. 다음에, 상기와 같이 압력이 큰 쪽의 유로측에 접속한 승압 펌프(51)를 기동하고, 동시에 연료전지(10)로 연결되는 가스 유로의 밸브(21)를 연다.

이어서, 또 한쪽의 입구측 유로에 접속하고 있는 승압 펌프(52)를 기동하고, 동시에 연료전지(10)로 연결되는 가스 유로의 밸브(22)를 열어, 단계적으로 압력조정밸브(72)를 조여, 공기의 입구 유로의 압손을 상승시킨다. 그리고, 퍼지 중의 차압의 절대치 │ΔPp │가 운전중의 차압의 절대치 │ΔPo │보다 작아졌을 때에, 도시가스의 유량의 상승을 정지하고, 이 때의 유량을 유지한다.

이 상태로 도시가스를 연료전지 내에 소정 시간 공급한 후, 도시가스 공급시와는 반대로, 기록된 압력이 작은 쪽의 입구, 예를 들면 15a에 접속하고 있는 도시가스 유로의 밸브(22)를 닫고, 그 다음에 또 한쪽의 입구, 예를 들면 14a에 접속하고 있는 도시가스 유로의 밸브(21)를 닫는다.

실시형태 6에 있어서의 연료전지 시스템의 구성 및 퍼지 방법을 취하면, 운전 중 및 퍼지 중을 통해서, 연료전지(10) 내의 고체 전해질막은 항상 한방향으로부터 차압에 의한 힘을 받게 되어, 진동에 의한 강도 열화의 촉진이 일어나지 않는다. 따라서, 기동 정지를 동반한 장기 운전에 있어서 신뢰성이 높은 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.

상기의 각 실시형태에서는, 수소 공급수단(11)을 가진 시스템으로 했지만, 시스템 외부로부터 직접 수소를 공급하여, 공기와 마찬가지로 가습기에 의해 가습한 후, 연료전지에 공급하도록 해도 좋다.

[실시예]

도 2～도 7에 나타낸 본 발명의 실시형태 1～6에 대해서, 실시예 1～6으로 하여 실제로 연료전지 시스템을 만들어, 발명의 효과를 확인하였다. 또한, 비교예로서 도 1에 나타낸 구성으로 이루어진 연료전지 시스템을 만들었다.

실시예 및 비교예에서는, 수소 공급수단(11)으로서 수소 봄베를 이용하였다. 또한, 공기 공급수단(12), 퍼지 공기용 블로어 및 승압 펌프(51) 및 (52)로서 블로어[(주)히타치제작소 제조 VB-004-DN]를 이용했다.

연료전지 스택은, 전극 면적이 8cm×10cm이고, 세퍼레이터의 외형 치수가 10cm×20cm이며, 세퍼레이터에 설치된 가스 유로는, 공기유로의 유로 저항이 작은 설계였다. 이러한 단셀을 100셀 적층한 것을 연료전지 스택으로서 이용하였다.

실시예 1 및 2에서는 질소를, 실시예 4～6에서는 도시가스를 각각 불활성가스로서 사용하였다. 실시예 및 비교예에서 사용한 연료전지 스택은, 실시예의 효과를 확인하기 위해서, 이하의 시퀀스에 의한 기동 정지 싸이클의 실험을 실시하였다. 이 시퀀스에서는, 발전시에는 0.5A/cm²의 전류밀도로 발전되도록, 외부 부하를 이용하여 제어하였다. 또한, 이 시퀀스에서는 연료전지 스택에 내구성에 대한 온도 변화의 영향을 고려에 넣기 위해서, 운전 정지 후에 연료전지 스택의 온도가 실온 부근까지 저하하는 데에 필요한 시간을 측정하였더니, 3.2±0.4시간인 것이 판명되었다. 이로부터, 정지시간을 4.0시간으로 하였다.

시퀀스: 발전(2.0hr)→정지 퍼지(1.0hr)→재기동 퍼지(1.0hr)→정지(4.0hr)→발전(2.0hr)→ ???(반복).

실시예 1～6 및 비교예를 상기의 시퀀스로 반복하여 운전을 실시하여, 운전시의 전압의 평균치의 추이를 조사하였다. 그 결과를 도 8에 나타낸다. 도 8에서는, 비교예의 전압이, 1800싸이클을 지난 근방으로부터 급격하게 저하되고 있는데 비하여, 실시예 1～6에서는 3000싸이클을 지나도 전압의 큰 변화는 볼 수 없다. 시험 후에 연료전지 스택 중에서 전지 전압이 저하한 단셀을 분해하여 조사하였더니, 전해질막은 세퍼레이터에 설치되어 있는 가스 유로와 접촉하는 에지 부분에 파손이 발생하고 있는 것이 분명해졌다. 이에 따라, 본 발명의 효과가 확인되었다.

본 발명의 고체 고분자형 연료전지 시스템은, 가정용 코제너레이션 시스템으로서 유용하다. 또한, 승용차나 버스, 스쿠터 등의 차량용 원동기의 에너지원으로서도 적용이 가능하다.

Claims

연료전지와, 상기 연료전지의 애노드에 연료가스를 공급하는 연료가스 공급수단과, 상기 연료전지의 캐소드에 산화제가스를 공급하는 산화제가스 공급수단과, 상기 연료전지의, 애노드 및 캐소드 중 적어도 어느 하나에 불활성가스를 공급하는 불활성가스 공급수단과, 상기 연료전지의 애노드의 입구측 유로의 압력 Pa 및 캐소드의 입구측 유로의 압력 Pc를 측정하는 수단을 구비하고, 상기 연료전지의 기동 또는 정지시에 상기 불활성가스 공급수단에 의해 상기 연료전지 내의, 연료가스 및 산화제가스 중 적어도 어느 하나를 불활성가스와 치환하는 퍼지 동작을 하도록 구성된 연료전지 시스템으로서, 상기 연료전지의 퍼지 중에 있어서의 Pa 및 Pc의 값에 의해서 상기 연료전지에 공급하는 불활성가스의 공급량을 증감시키는 제어수단을 구비하고, 차압 ΔP=Pa-Pc로 정의했을 때, 운전 상태에 있어서의 차압 ΔPo와, 퍼지 중의 차압 ΔPp이, 0<ΔPo×ΔPp 및 │ΔPp │≤│ΔPo │의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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제 1 항에 있어서, 상기 연료전지로부터의 배출 가스의 출구측 유로의 안지름을 변화시키는 수단과, 상기 연료전지의 퍼지중에 있어서의 Pa 및 Pc의 값에 의해 상기 안지름을 변화시키는 수단을 구비한 연료전지 시스템.