KR101239702B1 - 연료전지시스템 및 연료전지의 운전방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료전지시스템은 습기가 없거나 고온의 조건 중 한 가지 이상의 조건 하에 운전되고, 그 운전방법은 연료가스와 산화가스가 반대 방향으로 유동하도록 배치된 연료가스유로와 산화가스유로, 산화가스유로 입구 부근의 수량을 판정하는 판정장치, 및 상기 판정장치에서 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정되는 경우에 연료가스유량을 증가시키거나 및/또는 연료가스압을 감소시켜 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량을 증가시키는 연료가스제어장치를 연료전지가 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지시스템 및 연료전지의 운전방법{FUEL CELL SYSTEM AND OPERATING METHOD OF A FUEL CELL}
본 발명은 단일 전지의 표면상에서의 물의 불균등 분포를 방지하는 연료전지시스템 및 연료전지의 운전방법에 관한 것이다.
연료전지는 전기적으로 상호 연결되는 두 전극에 연료와 산화제를 공급하고 상기 연료를 전기화학적으로 산화시켜 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환한다. 열 발전과 달리, 연료전지는 에너지 변환 효율이 높은데, 그 이유는 Carnot 사이클에 의해 제한되지 않기 때문이다. 연료전지는 통상적으로 복수의 단일 전지들의 스택으로 형성되는데, 그 각각은 기본적으로 전해질막이 한 쌍의 전극 사이에 끼워져 있는 막전극접합체(MEA)로 이루어진다. 연료전지들 가운데에는, 전해질막으로서 중합체전해질막을 갖는 중합체전해질 연료전지가 포터블 파워서플라이와 이동체용 파워서플라이로서 특히 매력적인데, 그 이유는 소형으로 제작 가능하면서도 저온에서 동작 가능하기 때문이다.
중합체전해질 연료전지에 있어서, 수소가 연료로서 사용되는 경우에는, 하기 화학식 1의 반응이 애노드(즉, 연료전극)에서 일어난다.
Figure 112010008840555-pct00001
상기 화학식 1의 결과로서 자유롭게 되는 전자들은 외부 회로를 통과하여, 외부 부하에서 작업을 수행한 다음, 캐소드(즉, 산화제전극)에 도달한다. 그곳에서, 화학식 1에 의해 만들어진 양성자는 중합체전해질막을 통해 전기삼투에서 수화상태로 애노드로부터 캐소드로 이동한다.
또한, 산소가 산화제로서 사용되는 경우에는, 화학식 2의 반응이 캐소드에서 일어난다.
Figure 112010008840555-pct00002
캐소드에서 생성되는 물은 주로 가스확산층을 통과한 다음, 연료전지 밖으로 배출된다. 이러한 방식으로, 연료전지가 오직 물만 배출하는 깨끗한 전원이 된다.
배출되는 물(본 명세서에서는, "물"이라는 용어가 넓은 의미로 사용되고, 그에 따라 수분 등도 포함됨)의 양이 과도하다면, 상기 연료전지에서 응축된 물은 촉매층 또는 가스확산층에서 갭을 차단할 수도 있고, 극단적인 예에서는, 가스유동경로까지 차단하므로, 가스의 공급을 방해하여, 충분한 양의 발전용 가스가 촉매층에 도달하는 것을 막음으로써, 연료전지의 출력이 저하되는 것을 초래할 수도 있게 된다. 또한, 연료전지 안에 물이 충분하지 않은 경우에는, 내부 저항을 증가시킬 것이고, 연료전지의 출력과 발전 효율도 저하시킬 것이다. 후술하는 각종 기술들은 이러한 문제점을 해결하고자 앞서 개발되었다.
일본특허출원공보 제2002-352827호(JP-A-2002-352827)에는 i) 연료전지 내에 물의 양이 과도한지 또는 불충분한지의 여부를 판정하기 위한 수량판정수단, 및 ii) 상기 연료전지 내의 수량이 과도하거나 불충분한지에 관한 상기 수량판정수단의 판정 결과를 토대로, 상기 연료전지에 공급되는 산소 및/또는 수소의 가스공급량을 제어하기 위한 가스공급량제어수단을 포함하는 연료전지시스템에 관한 기술이 기재되어 있다.
일본특허출원공보 제2006-210004호(JP-A-2006-210004)에는 i) 산화가스유로에서 유동하는 공기량을 조정하기 위한 공기량조정수단, ii) 전해질막이 건조해지고 있는지의 여부를 판정하기 위한 판정수단, 및 iii) 상기 전해질막이 건조해지고 있는 것으로 판정되는 경우, 산화가스유로에서 유동하는 공기의 압력을 제어하여, 정상 작동 시보다 더욱 높게 되도록 하는 제어수단을 포함하는 연료전지시스템에 관한 기술이 기재되어 있다.
공고된 PCT 출원 제6-504403호(JP-A-6-504403)의 일문 번역문에는 물이나 수증기가 전해질막을 통해 캐소드에서 애노드로 이동하도록 연료가스 내의 수증기 분압을 조정하여 캐소드 내의 물을 제거하기 위한 기술이 기재되어 있다.
일본특허 제3736475호에는 산화가스 내의 물을 응집(flocculating) 및 회수하여 전해질막을 통해 연료가스유로 입구부로 수량의 공급을 촉진하기 위한 기술이 기재되어 있다. 이는 연료가스유로와 산화가스유로를 제공하여, 연료가스와 산화가스가 연료전지 내에서 상호 대향하여 유동하게 하고, 냉각제로를 추가로 제공하여 산화가스유로 출구부를 냉각시키는 것을 성취한다.
일본특허출원공보 제2001-6698호(JP-A-2001-6698)에는 산화가스유로 내의 건조율을 감소시켜 수증기가 산화가스로 증발하는 것을 억제하기 위한 기술이 기재되어 있다. 이는 연료전지의 운전 시 산화가스유로 입구의 온도를 산화가스유로 출구의 온도보다 낮추고, 산화가스유로 입구에서의 확산층의 가스 확산이 산화가스유로 출구에서의 가스 확산보다 저하되게 만든다.
물은 가습되지 않은 연료가스와 산화가스가 동작될 때, 즉 비가습 운전 시, 공급되는 연료전지의 단일 전지의 표면상에 고르지 않게 분포되는 경향이 있다. 즉, 산화가스유로 입구 부근의 영역이 건조되는 경향이 있는 한편, 산화가스유로 출구 부근의 영역은 습식되는 경향이 있다. 그러므로, 단일 전지의 표면상의 수량을 균질화하는 노력이 필요하게 된다. 이는 또한 막전극접합체의 온도가 높을 때, 즉 70℃ 이상일 때에도 적용된다. JP-A-2002-352827 및 JP-A-2006-210004 양자 모두에 기재된 기술들은 상기 문제점을 해결하기 위한 수단을 포함하는데, 즉 전체 연료전지의 물의 양이 과도하거나 불충분한지의 여부를 판정하고, 상기 판정을 토대로 가스를 조정한다. 하지만, 이들 기술들 가운데 어떠한 것도 단일 전지의 표면상에서의 물의 불균등 분포를 고려하지는 않았다. 그러므로, 이들 기술들은 단일 전지의 표면상에 물이 너무 많거나 혹은 물이 너무 적은 경우에는 적용하기 어려울 것으로 보인다. 특히, JP-A-2006-210004에 기재된 제어수단에서는, 공기압을 증가시켜 문제점을 해결하기 위한 수단이 에어컴프레서 출력의 증가로 인하여 연료 효율을 저감시키는 문제점을 가진 것으로 생각된다. JP-A-6-504403, 일본특허 제3736475호 및 JP-A-2001-6698에 기재된 기술들은 모두 주로 산화가스유로의 출구 부근에 축적된 물을 전해질막을 통해 연료가스유로에 통과시키는 단계를 수반하는 문제점을 해결하기 위한 수단을 구비한다. 특히, 일본특허 제3736475호 및 JP-A-2001-6698은 산화가스유로 및 연료가스유로가 대향하고 있기 때문에, 산화가스유로 출구 부근에서 → 연료가스유로 입구 부근 → 연료가스유로 출구 부근 → 산화가스유로 입구 부근으로 물을 순환시키는 단계를 수반하는 문제점을 해결하기 위한 수단을 구비한다. 하지만, JP-A-6-504403, 일본특허 제3736475호 및 JP-A-2001-6698에 기재된 기술들에서도, 물의 양이 과도하거나 또는 불충분한지의 여부를 판정하기 위한 판정수단뿐만 아니라 상기 판정수단에 의해 내려진 판정을 토대로 가스를 조정하기 위한 가스제어수단이 언급되어 있지는 않다. 또한, JP-A-6-504403에 기재된 기술은 산화가스유로 입구 부근의 영역이 건조해지는 것을 막기 위한 것이 아니라, 산화가스유로에서의 플러딩(flooding)을 막기 위한 것이다.
따라서, 상기 문제점들의 관점에서 볼 때, 본 발명은 단일 전지의 표면상에서의 물의 불균등 분포를 방지하는 연료전지시스템 및 연료전지의 운전방법을 제공한다.
그러므로, 본 발명의 제1실시형태는 중합체전해질막이 한 쌍의 전극 사이에 끼워지는 막전극접합체를 포함하는 단일 전지를 갖는 스택을 구비하는 연료전지가 제공되고, 연료가스와 산화가스를 연료전지에 공급하여, i) 습기가 없거나 또는 ii) 막전극접합체의 온도가 최소 70℃라는 조건 중 한 가지 이상의 조건 하에 운전되는 연료전지시스템에 관한 것이다. 상기 연료전지는 상기 막전극접합체의 일 측에는 연료가스유로를, 그리고 상기 막전극접합체의 타 측에는 산화가스유로를 구비한다. 상기 연료가스유로와 상기 산화가스유로는 상기 연료가스와 상기 산화가스가 대향하는 방향으로 유동하도록 배치된다. 상기 연료전지시스템은 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량을 판정하는 판정장치, 및 상기 판정장치가 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정한 경우, 상기 연료가스유량을 증가시키거나 및/또는 상기 연료가스압을 감소시켜 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량을 증가시키는 연료가스제어장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지시스템에 의하면, 산화가스유로 출구 부근의 물이 중합체전해질막을 통해 연료가스유로 입구 부근으로 이송된 후에 연료가스 내의 대량의 물을 연료가스유로 출구 부근으로 이송시킴으로써, 대량의 물이 연료가스유로 출구 부근으로부터 중합체전해질막을 통해 산화가스유로 입구로 이송될 수 있다. 이에 따라, 관련 기술분야에서 습식되는 경향이 있는 산화가스유로 출구 부근뿐만 아니라 관련 기술분야에서 건조되는 경향이 있는 산화가스유로 입구 부근의 물의 양을 조정하는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 습하지 않은 상태 및/또는 고온 상태 하에서도 단일 전지의 표면상에서 물이 고르지 않게 분포되는 것을 막을 수 있게 된다. 또한, 본 발명의 연료전지시스템은 판정장치를 구비하여, 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 불충분한지를 정확하게 확인할 수 있게 된다.
상기 연료전지시스템은 또한 상기 산화가스유로 입구 부근 및/또는 산화가스유로 출구 부근의 수량을 판정하는 판정장치, 및 i) 상기 판정장치에서 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정되거나 및/또는 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도한 것으로 판정되는 경우, 상기 연료가스유량을 증가시키거나 및/또는 상기 연료가스압을 감소시켜 상기 산화가스유로 출구 부근에서 상기 연료가스유로를 통한 상기 산화가스유로 입구 부근으로의 물의 이송을 촉진시킴으로써 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량을 증가시키고 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량을 감소시키는 연료가스제어장치, 또는 ii) 상기 판정장치에서 상기 산화가스유로 입구 및/또는 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정되는 경우, 상기 산화가스유량을 감소시키거나 및/또는 상기 산화가스압을 증가시켜 상기 산화가스유로 출구측으로부터 상기 연료가스유로 입구측으로 이송될 수 있는 수량을 증가시키고, 상기 산화가스에 의하여 상기 전지 밖으로 운반되는 수량을 감소시키는 산화가스제어장치 중 하나 이상을 포함할 수도 있다.
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지시스템에 의하면, 산화가스유로 출구 부근의 물이 중합체전해질막을 통해 연료가스유로 입구 부근으로 이송된 후에 연료가스 내의 대량의 물을 연료가스유로 출구 부근으로 이송시킴으로써, 대량의 물이 연료가스유로 출구 부근으로부터 중합체전해질막을 통해 산화가스유로 입구로 이송될 수 있다. 이에 따라, 관련 기술분야에서 습식되는 경향이 있는 산화가스유로 출구 부근뿐만 아니라 관련 기술분야에서 건조되는 경향이 있는 산화가스유로 입구 부근의 물의 양을 조정하는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 습하지 않은 상태 및/또는 고온 상태 하에서도 단일 전지의 표면상에서 물이 고르지 않게 분포되는 것을 막을 수 있게 된다. 또한, 본 발명에 따르면, 본 발명의 산화가스에 의해 멀리 운반되어 연료전지시스템의 외부로 배출되는 물의 양을 억제하여 산화가스유로 출구 부근에 물이 축적될 수 있다. 나아가, 본 발명의 연료전지시스템은 판정장치를 구비하여, 산화가스유로 입구 및 출구 부근의 물의 양이 불충분하거나 과도한지를 정확하게 확인할 수 있게 된다.
또한, 상술된 연료전지시스템에 있어서, 상기 판정장치는 전체 연료전지의 저항값을 측정하고, 상기 저항값이 복수의 온도 각각에서 상기 단일 전지 및/또는 스택의 미리 측정된 저항의 최소값의 105%를 초과할 때, 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분하거나 및/또는 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정하는 판정장치(A)일 수도 있다.
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지시스템은 전체 연료전지의 저항값을 측정하는 간단한 방법을 이용하여 산화가스유로 입구 및 출구 부근의 물의 양이 불충분한지를 정확하게 확인할 수 있다.
또한, 상술된 연료전지시스템에 있어서, 상기 판정장치는 전체 연료전지의 저항값과 전압을 측정하고, 상기 저항값이 복수의 온도 각각에서 상기 단일 전지 및/또는 스택의 미리 측정된 저항의 최소값의 105%보다 작고, 상기 전압은 복수의 온도 각각에서 상기 단일 전지 및/또는 스택의 미리 측정된 전압의 최대값의 95%보다 작을 때, 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 과도하거나 및/또는 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도한 것으로 판정하는 판정장치(B)일 수도 있다.
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지시스템은 전체 연료전지의 전압을 측정하는 간단한 방법을 이용하여 산화가스유로 입구 및 출구 부근의 물의 양이 과도한지를 정확하게 확인할 수 있다.
또한, 상술된 연료전지시스템에 있어서, 상기 판정장치는 상기 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 압력강하를 측정하고, 상기 압력강하가 상기 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 미리 측정된 압력강하의 최소값의 105%보다 작을 때, 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분하거나 및/또는 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정하는 판정장치(C)일 수도 있다.
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지시스템은 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 압력강하를 측정하는 간단한 방법을 이용하여 산화가스유로 입구 및 출구 부근의 물의 양이 불충분한지를 정확하게 확인할 수 있다.
또한, 상술된 연료전지시스템에 있어서, 상기 판정장치는 상기 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 압력강하를 측정하고, 상기 압력강하가 상기 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 미리 측정된 압력강하의 최대값의 105%를 초과할 때, 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 과도하거나 및/또는 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도한 것으로 판정하는 판정장치(D)일 수도 있다.
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지시스템은 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 압력강하를 측정하는 간단한 방법을 이용하여 산화가스유로 입구 및 출구 부근의 물의 양이 과도한지를 정확하게 확인할 수 있다.
또한, 상술된 연료전지시스템에 있어서는, 연료가스압조절밸브가 상기 연료가스유로 출구 부근에 제공될 수도 있고, 상기 연료가스제어장치는 상기 연료가스압조절밸브를 조정하여 연료가스압을 감소시키는 연료가스압제어장치일 수도 있다.
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지시스템은 연료가스압조절밸브를 조정하는 간단한 조작에 의하여 연료가스압을 감소시킬 수 있다.
또한, 상술된 연료전지시스템에 있어서, 상기 연료가스압제어장치는 연료가스압을 대기압에서 0.3 MPa까지의 범위 이내로 감소시키도록 상기 연료가스압조절밸브를 조정할 수도 있다.
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지시스템은 전해질막을 통해 산화가스유로로 이송될 수 있는 물의 양을 증가시킬 수 있고, 그 결과 연료가스압을 적절한 범위 이내로 유지하여 연료가스 내에 충분한 양의 물을 유지할 수 있게 된다.
또한, 상술된 연료전지시스템에 있어서는, 산화가스공급장치 또한 제공될 수도 있고, 상기 산화가스제어장치는 상기 산화가스공급장치를 조정하여 산화가스유량을 감소시키는 산화가스유량제어장치일 수도 있다.
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지시스템은 산화가스공급장치를 조정하는 간단한 조작에 의하여 산화가스유량을 감소시킬 수 있다.
또한, 상술된 연료전지시스템에 있어서, 상기 산화가스유량제어장치는 산화가스의 화학양론비를 1.0에서 3.0까지의 범위 이내로 감소시키도록 상기 산화가스공급장치를 조정할 수도 있다.
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지시스템은 전해질막을 통해 산화가스유로로 이송될 수 있는 물의 양을 감소시킬 수 있고, 그 결과 산화가스의 화학양론비를 적절한 범위 이내로 감소시켜, 산화가스에 의하여 연료전지 밖으로 운반되는 물의 양을 감소시킬 수 있게 된다.
또한, 상술된 연료전지시스템은 또한 연료가스를 연료전지에 공급하는 연료가스공급장치를 포함할 수도 있고, 상기 연료가스제어장치는 상기 연료가스공급장치를 조정하여 연료가스유량을 증가시키는 연료가스유량제어장치일 수도 있다.
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지시스템은 연료가스공급장치를 조정하는 간단한 조작에 의하여 연료가스유량을 증가시킬 수 있다.
또한, 상술된 연료전지시스템에 있어서, 상기 연료가스유량제어장치는 연료가스의 화학양론비를 1.0에서 10까지의 범위 이내로 증가시키도록 상기 연료가스공급장치를 조정할 수도 있다.
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지시스템은 전해질막을 통해 산화가스유로로 이송될 수 있는 물의 양을 증가시킬 수 있고, 그 결과 연료가스의 화학양론비를 적절한 범위 이내로 증가시켜, 중합체전해질막이 건조해지지 않으면서도, 연료가스 내에 충분한 양의 물을 유지시킬 수 있게 된다.
또한, 상술된 연료전지시스템은 또한 상기 산화가스유로 출구 부근에 배치되어 상기 산화가스의 압력을 조절하는 산화가스압조절밸브를 포함할 수도 있고, 상기 산화가스제어장치는 상기 산화가스압조절밸브를 조정하여 산화가스압을 증가시키는 산화가스압제어장치일 수도 있다.
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지시스템은 산화가스압조절밸브를 조정하는 간단한 조작에 의하여 산화가스압을 증가시킬 수 있다.
또한, 상술된 연료전지시스템에 있어서, 상기 산화가스압제어장치는 산화가스압을 대기압에서 0.3 MPa까지의 범위 이내로 증가시키도록 상기 산화가스압조절밸브를 조정할 수도 있다.
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지시스템은 전해질막을 통해 산화가스유로로 이송될 수 있는 물의 양을 감소시킬 수 있고, 그 결과 산화가스압을 적절한 범위 이내로 유지시켜, 산화가스에 의하여 연료전지 밖으로 운반되는 물의 양을 감소시킬 수 있게 된다.
또한, 상술된 연료전지시스템은 연료가스제어장치; 산화가스제어장치; 판정장치(A) 및/또는 판정장치(C); 판정장치(B) 및/또는 판정장치(D); 상기 판정장치(A) 및/또는 판정장치(C)가 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정한 후, 상기 연료가스제어장치를 1회 이상 운전하는 수분수송촉진제어개시장치(A); 수분수송촉진제어개시장치(A)가 상기 연료가스제어장치를 운전한 후, 상기 판정장치(A) 및/또는 판정장치(C)에 의하여 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정되면, 상기 연료가스제어장치를 정지시키는 수분수송촉진제어중단장치(A); 상기 수분수송촉진제어중단장치(A)가 상기 연료가스제어장치를 정지시킨 후, 상기 산화가스제어장치를 1회 이상 운전하는 수분수송억제제어개시장치(A); 상기 판정장치(B) 및/또는 판정장치(D)가 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도한 것으로 판정한 후, 상기 산화가스제어장치의 모든 요소를 정지시키는 수분수송억제제어중단장치(A); 및 부족수량최종판정장치(A)를 포함할 수도 있다. 상기 부족수량최종판정장치(A)는, 상기 수분수송억제제어중단장치(A)가 상기 산화가스제어장치의 모든 요소를 정지시킨 후, 상기 판정장치(A) 및/또는 판정장치(C)가 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정하는 경우에는 상기 수분수송촉진제어개시장치(A)가 연료가스제어장치를 다시 운전하게 하고, 상기 판정장치(A) 및/또는 판정장치(C)가 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분하지 않은 것으로 판정하는 경우에는 상기 연료전지를 계속 운전한다.
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지시스템에 의하면, 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정될 때, 수분수송촉진제어개시장치(A)를 이용하여 산화가스유로 출구 부근으로부터 산화가스유로 입구 부근으로의 물의 이송을 촉진시킨 후, 상기 수분수송억제제어개시장치(A)를 이용하여 산화가스유로 출구 부근의 물의 양을 증가시킴으로써 상기 산화가스유로 입구 및 출구 부근에 너무 많지도 않고 너무 적지도 않은 적절한 양의 물이 유지될 수 있다. 또한, 본 발명의 연료전지시스템에 의하면, 상기 부족수량최종판정장치(A)로부터의 결과들을 토대로 일련의 단계들을 다시 반복함으로써 전체 산화가스유로 내의 물이 고르지 않게 분포되는 것을 방지할 수 있게 된다.
또한, 상술된 연료전지시스템은 연료가스제어장치; 산화가스제어장치; 판정장치(A) 및/또는 판정장치(C); 판정장치(B) 및/또는 판정장치(D); 상기 판정장치(A) 및/또는 판정장치(C)가 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정한 후, 상기 산화가스제어장치를 1회 이상 운전하는 수분수송억제제어개시장치(B); 수분수송억제제어개시장치(B)가 상기 산화가스제어장치를 운전한 후, 상기 판정장치(B) 및/또는 판정장치(D)에 의하여 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도한 것으로 판정되면, 상기 산화가스제어장치를 정지시키는 수분수송억제제어중단장치(B); 상기 수분수송억제제어중단장치(B)가 상기 산화가스제어장치를 정지시킨 후, 상기 연료가스제어장치를 1회 이상 운전하는 수분수송촉진제어개시장치(B); 상기 판정장치(A) 및/또는 판정장치(C)가 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정한 후, 상기 연료가스제어장치의 모든 요소를 정지시키는 수분수송촉진제어중단장치(B); 및 부족수량최종판정장치(B)를 포함할 수도 있다. 상기 부족수량최종판정장치(B)는, 상기 수분수송촉진제어중단장치(B)가 상기 연료가스제어장치의 모든 요소를 정지시킨 후, 상기 판정장치(A) 및/또는 판정장치(C)가 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정하는 경우에는 상기 수분수송억제제어개시장치(B)가 산화가스제어장치를 다시 운전하게 하고, 상기 판정장치(A) 및/또는 판정장치(C)가 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분하지 않은 것으로 판정하는 경우에는 상기 연료전지를 계속 운전한다.
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지시스템에 의하면, 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정될 때, 그리고 충분한 양의 물이 산화가스유로 출구 부근에 축적되어, 수분수송촉진제어개시장치(B)를 이용하여 산화가스유로 출구 부근으로부터 산화가스유로 입구 부근으로의 물의 이송을 촉진시킨 다음, 수분수송억제제어개시장치(B)를 이용하여 산화가스유로 출구 부근으로부터 산화가스유로 입구 부근으로의 물의 이송을 억제시켜 상기 산화가스유로 입구 및 출구 부근에 너무 많지도 않고 너무 적지도 않은 적절한 양의 물이 유지될 수 있다. 또한, 본 발명의 연료전지시스템에 의하면, 상기 부족수량최종판정장치(B)로부터의 결과들을 토대로 일련의 단계들을 다시 반복함으로써 전체 산화가스유로 내의 물이 고르지 않게 분포되는 것을 방지할 수 있게 된다.
또한, 상술된 연료전지시스템은 연료가스제어장치; 산화가스제어장치; 판정장치(A) 및/또는 판정장치(C); 판정장치(B) 및/또는 판정장치(D); 상기 연료가스제어장치를 1회 이상 운전하는 약간과도수분수송촉진제어개시장치; 상기 약간과도수분수송촉진제어개시장치가 상기 연료가스제어장치를 운전한 후, 상기 판정장치(A) 및/또는 판정장치(C)에 의하여 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정되면, 상기 연료가스제어장치를 정지시키는 약간과도수분수송촉진제어중단장치; 상기 약간과도수분수송촉진제어중단장치가 상기 연료가스제어장치를 정지시킨 후, 상기 산화가스제어장치를 운전하는 수분수송억제제어개시장치(C); 상기 판정장치(B) 및/또는 판정장치(D)가 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도한 것으로 판정한 후, 상기 산화가스제어장치의 모든 요소를 정지시키는 수분수송억제제어중단장치(C); 상기 수분수송억제제어중단장치(C)가 상기 산화가스제어장치의 모든 요소를 정지시킨 후, 상기 연료가스제어장치를 운전하는 수분수송촉진제어개시장치(C); 및 수분수송촉진제어중단장치(C)를 포함할 수도 있다. 상기 수분수송촉진제어중단장치(C)는, 상기 수분수송촉진제어개시장치(C)가 상기 연료가스제어장치를 운전한 후, 상기 판정장치(A) 및/또는 판정장치(C)가 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정하는 경우에는 상기 수분수송억제제어개시장치(C)가 산화가스제어장치를 다시 운전하게 하고, 상기 판정장치(A) 및/또는 판정장치(C)가 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분하지 않은 것으로 판정하는 경우에는 상기 연료가스제어장치를 정지시키고 상기 연료전지를 계속 운전하게 한다.
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지시스템에 의하면, 먼저 약간과도수분수송촉진제어개시장치를 이용하여 산화가스유로 출구 부근의 물의 양을 적절하게 불충분하게 한 다음, 수분수송억제제어개시장치(C)를 이용하여 산화가스유로 출구 부근으로부터 산화가스유로 입구 부근으로의 물의 이송을 억제하며, 그리고 충분한 양의 물이 산화가스유로 출구 부근에 축적되어, 수분수송촉진제어개시장치(C)를 이용하여 산화가스유로 출구 부근으로부터 산화가스유로 입구 부근으로의 물의 이송을 촉진시킨 다음, 상기 산화가스유로 입구 및 출구 부근에 너무 많지도 않고 너무 적지도 않은 적절한 양의 물이 유지될 수 있다. 또한, 본 발명의 연료전지시스템은 촉매층에 습식 이력을 제공하지 않기 때문에, (촉매층 내의 세공들이 촉매를 의도적으로 산화시켜 차단되는 촉매층과 같이) 일단 습식되면 그 원래 성능을 유지할 수 없는 촉매층을 구비한 연료전지를 포함할 때 특히 효과적이다.
또한, 상술된 연료전지시스템은 연료가스제어장치; 산화가스제어장치; 판정장치(A) 및/또는 판정장치(C); 판정장치(B) 및/또는 판정장치(D); 상기 산화가스제어장치를 1회 이상 운전하는 약간과도수분수송억제제어개시장치; 상기 약간과도수분수송억제제어개시장치가 상기 산화가스제어장치를 운전한 후, 상기 판정장치(B) 및/또는 판정장치(D)에 의하여 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도한 것으로 판정되면, 상기 산화가스제어장치를 정지시키는 약간과도수분수송억제제어중단장치; 상기 약간과도수분수송억제제어중단장치가 상기 산화가스제어장치를 정지시킨 후, 상기 연료가스제어장치를 운전하는 수분수송촉진제어개시장치(D); 상기 판정장치(A) 및/또는 판정장치(C)가 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정한 후, 상기 연료가스제어장치의 모든 요소를 정지시키는 수분수송촉진제어중단장치(D); 상기 수분수송촉진제어중단장치(D)가 상기 연료가스제어장치의 모든 요소를 정지시킨 후, 상기 산화가스제어장치를 운전하는 수분수송억제제어개시장치(D); 및 수분수송억제제어중단장치(D)를 포함할 수도 있다. 상기 수분수송억제제어중단장치(D)는, 상기 수분수송억제제어개시장치(D)가 상기 산화가스제어장치를 운전한 후, 상기 판정장치(B) 및/또는 판정장치(D)가 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도한 것으로 판정하는 경우에는 상기 수분수송촉진제어개시장치(D)가 연료가스제어장치를 다시 운전하게 하고, 상기 판정장치(B) 및/또는 판정장치(D)가 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도하지 않은 것으로 판정하는 경우에는 상기 산화가스제어장치를 정지시키고 상기 연료전지를 계속 운전하도록 한다.
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지시스템에 의하면, 먼저 약간과도수분수송억제제어개시장치를 이용하여 산화가스유로 출구 부근의 물의 양을 적절하게 과도하게 한 후, 수분수송촉진제어개시장치(D)를 이용하여 산화가스유로 출구 부근으로부터 산화가스유로 입구 부근으로의 물의 이송을 촉진한 다음, 수분수송억제제어개시장치(D)를 이용하여 산화가스유로 출구 부근의 물의 양을 증가시켜, 상기 산화가스유로 입구 및 출구 부근에 너무 많지도 않고 너무 적지도 않은 적절한 양의 물이 유지될 수 있다. 또한, 본 발명의 연료전지시스템은 전해질막에 건식 이력을 제공하지 않기 때문에, (퍼플루오로카본 술포네이트 전해질막과 같이) 일단 건식되면 그 원래 성능을 유지할 수 없는 전해질막을 구비한 연료전지를 포함할 때 특히 효과적이다.
본 발명의 또 다른 실시형태는 중합체전해질막이 한 쌍의 전극 사이에 끼워지는 막전극접합체, 상기 막전극접합체의 일 측에 제공된 산화가스유로, 및 상기 막전극접합체의 타 측에 제공된 연료가스유로를 구비하고, 연료가스와 산화가스가 반대 방향으로 유동하도록 상기 연료가스유로와 상기 산화가스유로가 배치되는 단일전지를 갖는 스택을 구비하는 연료전지의 운전방법에 관한 것이다. 이러한 연료전지의 운전방법은 i) 습기가 없거나 또는 ii) 막전극접합체의 온도가 최소 70℃라는 조건 중 한 가지 이상의 조건 하에 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분한지의 여부를 판정하는 단계; 및 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정한 경우, 상기 연료가스유량을 증가시키거나 및/또는 상기 연료가스압을 감소시켜 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량을 증가시키는 단계를 포함한다.
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지의 운전방법에 의하면, 산화가스유로 출구 부근의 물이 중합체전해질막을 통해 연료가스유로 입구 부근으로 이송된 후에 연료가스 내의 대량의 물을 연료가스유로 출구 부근으로 이송시킴으로써, 대량의 물이 연료가스유로 출구 부근으로부터 중합체전해질막을 통해 산화가스유로 입구로 이송될 수 있다. 이에 따라, 관련 기술분야에서 습식되는 경향이 있는 산화가스유로 출구 부근뿐만 아니라 관련 기술분야에서 건조되는 경향이 있는 산화가스유로 입구 부근의 물의 양을 조정하는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 습하지 않은 상태 및/또는 고온 상태 하에서도 단일 전지의 표면상에서 물이 고르지 않게 분포되는 것을 막는 연료전지의 운전이 실현될 수 있게 된다.
상술된 연료전지의 운전방법은 또한 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도한지의 여부를 판정하는 단계; 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정되거나 및/또는 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도한 것으로 판정되는 경우, 상기 연료가스유량을 증가시키거나 및/또는 상기 연료가스압을 감소시켜 상기 산화가스유로 출구 부근에서 상기 연료가스유로를 통한 상기 산화가스유로 입구 부근으로의 물의 이송을 촉진시킴으로써 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량을 증가시키고 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량을 감소시키는 단계; i)습기가 없거나 또는 ii) 막전극접합체의 온도가 최소 70℃라는 조건 중 한 가지 이상의 조건 하에 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 과도한지의 여부를 판정하는 단계; 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분한지의 여부를 판정하는 단계; 및 상기 산화가스유로 입구 및/또는 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정되는 경우, 상기 산화가스유량을 감소시키거나 및/또는 상기 산화가스압을 증가시켜 상기 산화가스유로 출구측으로부터 상기 연료가스유로 입구측으로 이송될 수 있는 수량을 증가시키고, 상기 산화가스에 의하여 상기 전지 밖으로 운반되는 수량을 감소시키는 단계를 포함할 수도 있다.
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지의 운전방법에 의하면, 산화가스유로 출구 부근의 물이 중합체전해질막을 통해 연료가스유로 입구 부근으로 이송된 후에 연료가스 내의 대량의 물을 연료가스유로 출구 부근으로 이송시킴으로써, 대량의 물이 연료가스유로 출구 부근으로부터 중합체전해질막을 통해 산화가스유로 입구로 이송될 수 있다. 이에 따라, 관련 기술분야에서 습식되는 경향이 있는 산화가스유로 출구 부근뿐만 아니라 관련 기술분야에서 건조되는 경향이 있는 산화가스유로 입구 부근의 물의 양을 조정하는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 습하지 않은 상태 및/또는 고온 상태 하에서도 단일 전지의 표면상에서 물이 고르지 않게 분포되는 것을 막는 연료전지의 운전이 실현될 수 있게 된다. 또한, 본 발명의 연료전지시스템에 따르면, 산화가스에 의해 멀리 운반되어 연료전지의 외부로 배출되는 물의 양을 억제하여 산화가스유로 출구 부근에 물이 축적될 수도 있다.
또한, 상술된 연료전지의 운전방법은 전체 연료전지의 저항값을 측정하는 단계; 및 상기 저항값이 복수의 온도 각각에서 상기 단일 전지 및/또는 스택의 미리 측정된 저항의 최소값의 105%를 초과할 때, 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분하거나 및/또는 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정하는 단계를 포함할 수도 있다.
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지의 운전방법은 전체 연료전지의 저항값을 측정하는 간단한 방법을 이용하여 산화가스유로 입구 및 출구 부근의 물의 양이 불충분한지를 정확하게 확인할 수 있다.
또한, 상술된 연료전지의 운전방법은 전체 연료전지의 전압을 측정하는 단계; 및 상기 전압은 복수의 온도 각각에서 상기 단일 전지 및/또는 스택의 미리 측정된 전압의 최대값의 95%보다 작을 때, 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 과도하거나 및/또는 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도한 것으로 판정하는 단계를 포함할 수도 있다.
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지의 운전방법은 전체 연료전지의 전압을 측정하는 간단한 방법을 이용하여 산화가스유로 입구 및 출구 부근의 물의 양이 과도한지를 정확하게 확인할 수 있다.
또한, 상술된 연료전지의 운전방법은 상기 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 압력강하를 측정하는 단계; 및 상기 압력강하가 상기 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 미리 측정된 압력강하의 최소값의 105%보다 작을 때, 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분하거나 및/또는 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정하는 단계를 포함할 수도 있다.
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지의 운전방법은 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 압력강하를 측정하는 간단한 방법을 이용하여 산화가스유로 입구 및 출구 부근의 물의 양이 불충분한지를 정확하게 확인할 수 있다.
또한, 상술된 연료전지의 운전방법은 상기 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 압력강하를 측정하는 단계; 및 상기 압력강하가 상기 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 미리 측정된 압력강하의 최대값의 105%를 초과할 때, 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 과도하거나 및/또는 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도한 것으로 판정하는 단계를 포함할 수도 있다.
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지의 운전방법은 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 압력강하를 측정하는 간단한 방법을 이용하여 산화가스유로 입구 및 출구 부근의 물의 양이 과도한지를 정확하게 확인할 수 있다.
또한, 상술된 연료전지의 운전방법에서는, 연료가스압이 대기압에서 0.3 MPa까지의 범위 이내로 감소될 수도 있다.
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지의 운전방법은 산화가스유로 입구 부근의 물의 양을 증가시키고 산화가스유로 출구 부근의 물의 양을 감소시킬 수 있어, 그 결과 연료가스압을 적절한 범위 이내로 감소시켜 연료가스 내에 충분한 양의 물을 유지할 수 있게 된다.
또한, 상술된 연료전지의 운전방법에서는, 산화가스의 화학양론비가 1.0에서 3.0까지의 범위 이내로 감소될 수도 있다.
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지의 운전방법은 산화가스유로 입구 부근의 물의 양을 감소시키고 산화가스유로 출구 부근의 물의 양을 증가시킬 수 있어, 그 결과 산화가스의 화학양론비를 적절한 범위 이내로 감소시켜 산화가스에 의하여 연료전지 밖으로 운반되는 물의 양을 감소시킬 수 있게 된다.
또한, 상술된 연료전지의 운전방법에서는, 연료가스의 화학양론비가 1.0에서 10까지의 범위 이내로 증가될 수도 있다.
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지의 운전방법은 연료가스의 화학양론비를 적절한 범위 이내로 증가시켜, 중합체전해질막이 건조해지지 않으면서도, 산화가스유로 입구 부근의 물의 양을 증가시키고 산화가스유로 출구 부근의 물의 양을 감소시킬 수 있다.
또한, 상술된 연료전지의 운전방법에서는, 산화가스압이 대기압에서 0.3 MPa까지의 범위 이내로 증가될 수도 있다.
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지의 운전방법은 산화가스유로 입구 부근의 물의 양을 감소시키고 산화가스유로 출구 부근의 물의 양을 증가시킬 수 있어, 그 결과 산화가스압을 적절한 범위 이내로 증가시켜 산화가스에 의하여 연료전지 밖으로 운반되는 물의 양을 감소시킬 수 있게 된다.
또한, 상술된 연료전지의 운전방법은 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정되는 경우, 상기 연료가스의 화학양론비를 1.0에서 10까지의 범위 이내로 증가시키거나, 및/또는 상기 연료가스압을 대기압에서 0.3 MPa까지의 범위 이내로 감소시키는 것을 1회 이상 수행하는 단계; 이후 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정된 후, 상기 연료가스를 제어하는 것을 중단시키는 단계; 이후, 상기 산화가스의 화학양론비를 1.0에서 3.0까지의 범위 이내로 감소시키거나, 및/또는 상기 산화가스압을 대기압에서 0.3 MPa까지의 범위 이내로 증가시키는 것을 1회 이상 수행하는 단계; 이후 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도한 것으로 판정된 후, 상기 산화가스를 제어하는 것을 중단시키는 단계; 및 이후 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정되는 경우에는 상기 연료가스를 다시 제어하는 것을 개시하고, 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분하지 않은 것으로 판정되는 경우에는 상기 연료전지를 계속 운전하는 단계를 포함할 수도 있다.
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지의 운전방법에 의하면, 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정될 때, 연료가스를 제어하여 산화가스유로 출구 부근으로부터 산화가스유로 입구 부근으로의 물의 이송을 촉진시킨 후, 산화가스를 제어하여 산화가스유로 출구 부근의 물의 양을 증가시킴으로써 상기 산화가스유로 입구 및 출구 부근에 너무 많지도 않고 너무 적지도 않은 적절한 양의 물이 유지될 수 있다. 또한, 본 발명의 연료전지의 운전방법에 의하면, 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 불충분한지에 관한 최종 판정을 내리고, 상기 물의 양이 불충분하다면 일련의 단계들을 다시 반복함으로써 전체 산화가스유로 내의 물이 고르지 않게 분포되는 것을 방지할 수 있게 된다.
또한, 상술된 연료전지의 운전방법은 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정되는 경우, 상기 산화가스의 화학양론비를 1.0에서 3.0까지의 범위 이내로 감소시키거나, 및/또는 상기 산화가스압을 대기압에서 0.3 MPa까지의 범위 이내로 증가시키는 것을 1회 이상 수행하는 단계; 이후 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도한 것으로 판정된 후, 상기 산화가스를 제어하는 것을 중단시키는 단계; 이후, 상기 연료가스의 화학양론비를 1.0에서 10까지의 범위 이내로 증가시키거나, 및/또는 상기 연료가스압을 대기압에서 0.3 MPa까지의 범위 이내로 감소시키는 것을 1회 이상 수행하는 단계; 이후 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정된 후, 상기 연료가스를 제어하는 것을 중단시키는 단계; 및 이후 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정되는 경우에는 상기 산화가스를 다시 제어하는 것을 개시하고, 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분하지 않은 것으로 판정되는 경우에는 상기 연료전지를 계속 운전하는 단계를 포함할 수도 있다.
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지의 운전방법에 의하면, 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정될 때, 산화가스를 제어하여 산화가스유로 출구 부근으로부터 산화가스유로 입구 부근으로의 물의 이송을 억제시키고, 충분한 양의 물이 산화가스유로 출구 부근에 축적되어, 연료가스를 제어하여 산화가스유로 출구 부근으로부터 산화가스유로 입구 부근으로의 물의 이송을 촉진시킨 후, 상기 산화가스유로 입구 및 출구 부근에 너무 많지도 않고 너무 적지도 않은 적절한 양의 물이 유지될 수 있다. 또한, 본 발명의 연료전지의 운전방법에 의하면, 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 불충분한지에 관한 최종 판정을 내리고, 상기 물의 양이 불충분하다면 일련의 단계들을 다시 반복함으로써 전체 산화가스유로 내의 물이 고르지 않게 분포되는 것을 방지할 수 있게 된다.
또한, 상술된 연료전지의 운전방법은, 상기 연료가스의 화학양론비를 1.0에서 10까지의 범위 이내로 증가시키거나, 및/또는 상기 연료가스압을 대기압에서 0.3 MPa까지의 범위 이내로 감소시키는 것을 1회 이상 수행하는 단계; 이후 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정된 후, 상기 연료가스를 제어하는 것을 중단시키는 단계; 이후, 상기 산화가스의 화학양론비를 1.0에서 3.0까지의 범위 이내로 감소시키거나, 및/또는 상기 산화가스압을 대기압에서 0.3 MPa까지의 범위 이내로 증가시키는 것을 1회 이상 수행하는 단계; 이후 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도한 것으로 판정된 후, 상기 산화가스를 제어하는 것을 중단시키는 단계; 이후 상기 연료가스의 화학양론비를 1.0에서 10까지의 범위 이내로 증가시키거나, 및/또는 상기 연료가스압을 대기압에서 0.3 MPa까지의 범위 이내로 감소시키는 단계; 및 이후 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정되는 경우에는 상기 산화가스를 다시 제어하는 것을 개시하고, 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분하지 않은 것으로 판정되는 경우에는 상기 연료가스를 제어하는 것을 중단하며, 상기 연료전지를 계속 운전하는 단계를 포함할 수도 있다.
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지의 운전방법에 의하면, 먼저 연료가스를 제어하여 산화가스유로 출구 부근의 물의 양을 적절하게 불충분하게 한 다음, 산화가스를 제어하여 산화가스유로 출구 부근으로부터 산화가스유로 입구 부근으로의 물의 이송을 억제하며, 그리고 충분한 양의 물이 산화가스유로 출구 부근에 축적되어, 연료가스를 제어하여 산화가스유로 출구 부근으로부터 산화가스유로 입구 부근으로의 물의 이송을 촉진시킨 다음, 상기 산화가스유로 입구 및 출구 부근에 너무 많지도 않고 너무 적지도 않은 적절한 양의 물이 유지될 수 있다. 또한, 본 발명의 연료전지의 운전방법은 촉매층에 습식 이력을 제공하지 않기 때문에, (촉매층 내의 세공들이 촉매를 의도적으로 산화시켜 차단되는 촉매층과 같이) 일단 습식되면 그 원래 성능을 유지할 수 없는 촉매층을 구비한 연료전지를 운전할 때 특히 효과적이다.
또한, 상술된 연료전지의 운전방법은, 상기 산화가스의 화학양론비를 1.0에서 3.0까지의 범위 이내로 감소시키거나, 및/또는 상기 산화가스압을 대기압에서 0.3 MPa까지의 범위 이내로 증가시키는 것을 1회 이상 수행하는 단계; 이후 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도한 것으로 판정된 후, 상기 산화가스를 제어하는 것을 중단시키는 단계; 이후, 상기 연료가스의 화학양론비를 1.0에서 10까지의 범위 이내로 증가시키거나, 및/또는 상기 연료가스압을 대기압에서 0.3 MPa까지의 범위 이내로 감소시키는 것을 1회 이상 수행하는 단계; 이후 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정된 후, 상기 연료가스를 제어하는 것을 중단시키는 단계; 이후 상기 산화가스의 화학양론비를 1.0에서 3.0까지의 범위 이내로 감소시키거나, 및/또는 상기 산화가스압을 대기압에서 0.3 MPa까지의 범위 이내로 증가시키는 단계; 및 이후 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도한 것으로 판정되는 경우에는 상기 연료가스를 다시 제어하는 것을 개시하고, 상기 수량이 과도하지 않은 것으로 판정되는 경우에는 상기 산화가스를 제어하는 것을 중단하며, 상기 연료전지를 계속 운전하는 단계를 포함할 수도 있다.
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지의 운전방법에 의하면, 먼저 산화가스를 제어하여 산화가스유로 출구 부근의 물의 양을 적절하게 과도하게 한 후, 연료가스를 제어하여 산화가스유로 출구 부근으로부터 산화가스유로 입구 부근으로의 물의 이송을 촉진한 다음, 산화가스를 제어하여 산화가스유로 출구 부근의 물의 양을 증가시켜, 상기 산화가스유로 입구 및 출구 부근에 너무 많지도 않고 너무 적지도 않은 적절한 양의 물이 유지될 수 있다. 또한, 본 발명의 연료전지의 운전방법은 전해질막에 건식 이력을 제공하지 않기 때문에, (퍼플루오로카본 술포네이트 전해질막과 같이) 일단 건식되면 그 원래 성능을 유지할 수 없는 전해질막을 구비한 연료전지를 운전할 때 특히 효과적이다.
본 발명에 따르면, 산화가스유로 출구 부근의 물이 중합체전해질막을 통해 연료가스유로 입구 부근으로 이송된 후에 연료가스 내의 대량의 물을 연료가스유로 출구 부근으로 이송시킴으로써, 대량의 물이 연료가스유로 출구 부근으로부터 중합체전해질막을 통해 산화가스유로 입구로 이송될 수 있다. 이에 따라, 관련 기술분야에서 건조되는 경향이 있는 산화가스유로 입구 부근뿐만 아니라, 관련 기술분야에서 습식되는 경향이 있는 산화가스유로 출구 부근의 물의 양을 조정하는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 습하지 않은 상태 및/또는 고온 상태 하에서도 단일 전지의 표면상에서 물이 고르지 않게 분포되는 것을 막을 수 있게 된다. 또한, 본 발명의 연료전지시스템은 판정장치를 구비하여, 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 불충분한지를 정확하게 확인할 수 있게 된다.
본 발명의 특징, 장점 그리고 기술 및 산업상 이용가능성은 동일한 도면부호가 동일한 요소들을 나타내는 첨부 도면들을 참조하여 후술하는 본 발명의 예시적인 실시예들의 상세한 설명에서 기술될 것이다.
도 1은 본 발명의 연료전지시스템에서 적층 방향으로 절단된 단일 전지의 프레임 포맷을 도시한 단면도;
도 2는 본 발명의 연료전지시스템의 단일 전지에서의 물 순환의 프레임 포맷을 도시한 단면도;
도 3은 본 발명의 연료전지의 운전방법을 실시하기 위한 바람직한 연료전지시스템의 대표적인 예시의 프레임 포맷을 도시한 도면;
도 4는 본 발명의 연료전지의 운전방법을 실시하기 위한 바람직한 연료전지시스템의 대표적인 예시의 루틴을 예시한 흐름도;
도 5는 본 발명의 연료전지의 운전방법을 실시하기 위한 바람직한 연료전지시스템의 두 번째 대표적인 예시의 루틴을 예시한 흐름도;
도 6은 본 발명의 연료전지의 운전방법을 실시하기 위한 바람직한 연료전지시스템의 세 번째 대표적인 예시의 루틴을 예시한 흐름도;
도 7은 본 발명의 연료전지의 운전방법을 실시하기 위한 바람직한 연료전지시스템의 네 번째 대표적인 예시의 루틴을 예시한 흐름도;
도 8은 본 발명의 연료전지의 운전방법을 실시하기 위한 바람직한 연료전지시스템의 다섯 번째 대표적인 예시의 루틴을 예시한 흐름도;
도 9는 본 발명의 연료전지의 운전방법을 실시하기 위한 바람직한 연료전지시스템의 여섯 번째 대표적인 예시의 루틴을 예시한 흐름도;
도 10은 본 발명의 연료전지의 운전방법을 실시하기 위한 바람직한 연료전지시스템의 일곱 번째 대표적인 예시의 루틴을 예시한 흐름도;
도 11은 본 발명의 연료전지의 운전방법을 실시하기 위한 바람직한 연료전지시스템의 여덟 번째 대표적인 예시의 루틴을 예시한 흐름도;
도 12는 수소가스의 화학양론비의 변화에 따른 전지 전압의 변화를 도시한 그래프;
도 13은 수소가스의 화학양론비의 변화에 따른 전지 저항의 변화를 도시한 그래프;
도 14는 수소가스의 화학양론비의 변화에 따른 애노드 출구에서의 이슬점-습도의 변화를 도시한 그래프;
도 15는 수소가스의 화학양론비의 변화에 따른 캐소드 출구에서의 이슬점-습도의 변화를 도시한 그래프;
도 16은 수소가스의 화학양론비의 변화에 따른 수소가스압 강하의 변화를 도시한 그래프; 및
도 17은 수소가스의 화학양론비의 변화에 따른 공기압 강하의 변화를 도시한 그래프이다.
본 발명의 연료전지의 운전방법은 i) 고체중합체전해질막이 한 쌍의 전극 사이에 끼워지는 막전극접합체, ii) 상기 막전극접합체의 일 측에 제공된 산화가스유로, 및 iii) 상기 막전극접합체의 타 측에 제공된 연료가스유로가 제공되는 단일 전지를 포함하는 스택을 구비한 연료전지의 운전방법이다. 상기 연료가스유로와 산화가스유로는 연료가스와 산화가스가 대향하는 방향으로 유동하도록 배치된다. i) 습기가 없거나 또는 ii) 막전극접합체의 온도가 최소 70℃라는 조건 중 한 가지 이상의 조건 하에, 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정된다면, 산화가스유로 입구 부근의 물의 양은 연료가스유량을 증가시키거나 및/또는 연료가스압을 감소시켜 증가된다.
이러한 연료전지의 운전방법을 실시하기 위한 본 발명의 바람직한 연료전지시스템은 고체중합체전해질막이 한 쌍의 전극 사이에 끼워지는 막전극접합체를 구비한 단일 전지를 갖는 스택을 구비한 연료전지를 포함하는 연료전지시스템이다. 연료가스와 산화가스는 연료전지에 공급된다. 상기 연료전지시스템은 i) 습기가 없거나 또는 ii) 막전극접합체의 온도가 최소 70℃라는 조건 중 한 가지 이상의 조건 하에 동작한다. 상기 연료전지는 막전극접합체의 일 측 상에 연료가스유로를 구비하고, 상기 막전극접합체의 타 측 상에 산화가스유로를 구비한다. 상기 연료가스유로 및 산화가스유로는 연료가스와 산화가스가 대향하는 방향으로 유동하도록 배치된다. 또한, 상기 연료전지시스템에는 산화가스유로 입구 부근의 물의 양을 판정하는 판정장치 및 상기 판정장치가 상기 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정한 경우, 상기 연료가스유량을 증가시키거나 및/또는 상기 연료가스압을 감소시켜 상기 산화가스유로 입구 부근의 물의 양을 증가시키는 연료가스제어장치가 제공된다.
본 발명의 연료전지의 운전방법은 i) 고체중합체전해질막이 한 쌍의 전극 사이에 끼워지는 막전극접합체, ii) 상기 막전극접합체의 일 측에 제공된 산화가스유로, 및 iii) 상기 막전극접합체의 타 측에 제공된 연료가스유로가 제공되는 단일 전지를 포함하는 스택을 구비한 연료전지의 운전방법이다. 상기 연료가스유로와 산화가스유로는 연료가스와 산화가스가 대향하는 방향으로 유동하도록 배치된다. i) 습기가 없거나 또는 ii) 막전극접합체의 온도가 최소 70℃라는 조건 중 한 가지 이상의 조건 하에, 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 불충분하거나 및/또는 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 과도한 것으로 판정된다면, 연료가스유량을 증가시키거나 및/또는 연료가스압을 감소시켜 연료가스유로를 통해 산화가스유로 출구 부근의 물의 양을 산화가스유로 입구 부근으로 이송시키는 것을 촉진시킴으로써 산화가스유로 입구 부근의 물의 양은 증가되는 것이 바람직하고, 상기 산화가스유로 출구 부근의 물의 양은 감소되는 것이 바람직하다. 또한, i) 습기가 없거나 또는 ii) 막전극접합체의 온도가 최소 70℃라는 조건 중 한 가지 이상의 조건 하에, 산화가스유로 입구 부근 및/또는 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정된다면, 산화가스유량을 감소시키거나 및/또는 산화가스압을 증가시킴으로써, 산화가스에 의해 상기 전지 밖으로 운반되는 물의 양이 감소되는 것이 바람직하고, 산화가스유로 출구측으로부터 연료가스유로 입구측으로 이송될 수 있는 물의 양은 증가되는 것이 바람직하다.
이러한 연료전지의 운전방법을 실시하기 위한 본 발명의 바람직한 연료전지시스템은 고체중합체전해질막이 한 쌍의 전극 사이에 끼워지는 막전극접합체를 구비한 단일 전지를 갖는 스택을 구비한 연료전지를 포함하는 연료전지시스템이다. 연료가스와 산화가스는 연료전지에 공급된다. 상기 연료전지시스템은 i) 습기가 없거나 또는 ii) 막전극접합체의 온도가 최소 70℃라는 조건 중 한 가지 이상의 조건 하에 동작한다. 상기 연료전지는 막전극접합체의 일 측 상에 연료가스유로를 구비하고, 상기 막전극접합체의 타 측 상에 산화가스유로를 구비한다. 상기 연료가스유로 및 산화가스유로는 연료가스와 산화가스가 대향하는 방향으로 유동하도록 배치된다. 또한, 상기 연료전지시스템에는 판정장치 및 연료가스제어장치 또는 산화가스제어장치 중 하나 이상이 제공된다. 상기 판정장치는 산화가스유로 입구 부근 및/또는 산화가스유로 출구 부근의 물의 양을 판정한다. 상기 연료가스제어장치는 상기 판정장치에서 산화가스유로 입구 부근의 물이 양이 불충분한 것으로 판정하거나 및/또는 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 과도한 것으로 판정하는 경우, 연료가스유량을 증가시키거나 및/또는 연료가스압을 감소시켜 산화가스유로 출구 부근에서 연료가스유로를 통한 산화가스유로 입구 부근으로의 물의 이송을 촉진시킴으로써, 상기 산화가스유로 입구 부근의 물의 양을 증가시키고, 상기 산화가스유로 출구 부근의 물의 양을 감소시킨다. 상기 산화가스제어장치는 상기 판정장치에서 산화가스유로 입구 및/또는 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정하는 경우, 산화가스유량을 감소시키거나 및/또는 산화가스압을 증가시킴으로써, 산화가스에 의하여 상기 전지 밖으로 운반되는 물의 양을 감소시키고, 산화가스유로 출구측으로부터 연료가스유로 입구측으로 이송될 수 있는 물의 양을 증가시킨다.
여기서, 상기 고체중합체전해질막은 연료전지에 사용되는 고체중합체전해질막이다. 예로는 NAFION(상표면)으로 표현되는 퍼플루오로카본 술포네이트 수지와 같은 플루오르 중합체 전해질을 포함하는 플루오르중합체전해질막 뿐만 아니라 술폰산그룹과 같은 프로톤산그룹(즉, 프로톤컨덕팅그룹), 카르복실산그룹 또는 포스페이트그룹이 폴리에테르 에테르 케톤, 폴리에테르 케톤, 폴리에테르 술폰, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리페닐렌 에틸 또는 폴리파라페닐렌 등의 산업용 플라스틱, 또는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 폴리스티렌 등의 범용 플라스틱과 같은 탄화수소 중합체 안으로 도입되는 탄화수소 중합체 전해질을 포함하는 탄화수소중합체전해질막을 들 수도 있다.
전극들은 각각 촉매층과 가스확산층을 구비한다. 상기 촉매층은 촉매를 함유하는 촉매 잉크, 도전재 및 중합체 전해질을 이용하여 형성될 수 있다. 상기 촉매는 통상적으로 컨덕팅 입자들 상에 캐리된 촉매 성분이다. 상기 촉매 성분은 연료 전극에서의 연료의 산화 반응 또는 산화제 전극에서의 산화제의 환원 반응에 대하여 촉매 특성을 가지는 한 특별히 제한되지는 아니한다. 일반적으로 중합체전해질연료전지에 사용되는 촉매 성분이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 백금이나 백금과 루테늄, 철, 니켈, 망간, 코발트 또는 구리와 같은 금속의 합금이 사용될 수도 있다.
촉매 캐리어로서의 역할을 하는 상기 컨덕팅 입자들은 카본 블랙 등의 카본 입자 또는 카본 파이버와 같은 도전성 탄소재, 혹은 금속 파이버나 금속 입자와 같은 금속재일 수도 있다. 상기 도전재 또한 촉매층에 도전성을 제공하는 역할을 하기도 한다.
상기 촉매 잉크는 용제에 상술된 것과 같은 중합체 전해질 및 촉매를 용해하거나 분산시켜 얻어진다. 상기 중합체 전해질은 연료전지에 사용되는 중합체전해질이다. 구체적인 예로는 상술된 고체중합체전해질막에 사용되는 것과 같은 탄화수소중합체전해질 및 플루오르중합체전해질을 들 수 있다. 상기 촉매 잉크의 용제는 적절하게 선택될 수도 있다. 예를 들어, N-메틸-2-피롤리돈 (NMP), 디메틸 술폭사이드 (DMSO) 또는 메탄올, 에탄올 혹은 프로판올 등의 알콜과 같은 유기 용제, 또는 이들 유기 용제들의 혼합물, 또는 이들 유기 용제들과 물의 혼합물이 사용될 수도 있다. 상기 촉매 잉크는 또한 필요에 따라 워터-쉐딩(water-shedding) 수지 또는 바인딩제와 같은 전해질과 촉매 외에 여타의 성분들을 포함할 수도 있다.
상기 촉매 잉크를 도포 및 건조하기 위한 방법은 적절하게 선택될 수도 있다. 예를 들어, 도포 방법의 예로는 스프레잉, 스크린프린팅, 닥터블레이드법, 그라비어프린팅 및 다이코팅 등을 들 수 있다. 또한, 건조 방법의 예로는 감압(reduced-pressure)건조, 가열건조 및 감압가열건조를 들 수 있다. 감압건조 및 가열건조를 위한 구체적인 조건들은 제한되지 아니하며 적절하게 설정될 수도 있다. 도포되는 촉매 잉크의 양은 촉매 잉크의 조성과 전극 촉매에 사용되는 촉매 금속의 촉매 성능에 따라 다르지만, 단위면적당 촉매 성분의 양은 근사적으로 0.01 ~ 2.0 mg/cm2 정도면 충분하다. 또한, 상기 촉매층의 두께는 특별히 제한되지 않지만, 근사적으로 1 내지 50㎛ 정도면 충분하다.
상기 촉매층의 형성 방법은 특별히 제한되지 아니한다. 예를 들어, 촉매층은 촉매 잉크를 가스확산층시트의 표면상에 도포 및 건조시켜 가스확산층시트의 표면상에 형성될 수도 있다. 대안적으로는, 촉매 잉크를 전해질막의 표면상에 도포 및 건조시켜 전해질막의 표면상에 촉매층이 형성될 수도 있다. 대안적으로는, 우선 촉매 잉크를 이송 기판의 표면상에 도포 및 건조시켜 이송 시트를 만든 다음, 상기 이송 시트를 열압착본딩 등에 의하여 전해질막 또는 가스확산시트와 본딩한 후, 상기 이송 시트의 기판 필름을 벗김으로써, 촉매층이 가스확산층 또는 전해질막의 표면상에 형성될 수도 있다.
가스확산층을 형성하는 가스확산층시트는 가스가 촉매층에 효율적으로 공급될 수 있는 전도성 및 가스 확산성을 구비하고, 가스확산층을 형성하는 재료의 소요 강도를 구비한다. 예를 들어, 상기 가스확산층시트는 카본페이퍼, 카본크로스 혹은 카본펠트 등의 탄소다공체(carbonaceous porous body)와 같은 도전성다공체, 또는 티탄, 알루미늄, 구리, 니켈, 니켈-크롬 합금, 구리 합금, 은, 알루미늄 합금, 아연 합금, 납 합금, 니오븀, 탄탈륨, 철, 스테인리스강, 금 혹은 백금 등의 금속으로 형성된 금속 메시나 금속다공체로 형성될 수도 있다. 상기 도전성다공체의 두께는 근사적으로 50 내지 500㎛ 정도가 바람직하다.
상기 가스확산층시트는 상술된 도전성다공체의 단일층으로 제조될 수도 있지만, 워터-쉐딩층이 상기 촉매층을 향하는 쪽에 제공될 수도 있다. 상기 워터-쉐딩층은 통상적으로 다공성 구조를 가지고, 카본 파이버 및 카본 입자와 같은 도전성 미립자 그리고 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 같은 워터-쉐딩 수지 등을 포함한다. 상기 워터-쉐딩층이 항상 필요한 것은 아니지만, 촉매층과 가스확산층간의 전기 컨택을 개선하는 것 이외에도, 가스확산층의 발수성을 개선하는 한편, 전해질막과 촉매층에 수량을 적절하게 유지할 수 있다는 이점이 있다.
그 후, 제조된 막전극접합체는 세퍼레이터들에 의해 그 사이에 끼워져 단일 전지를 형성하게 된다. 상기 세퍼레이터들은 도전성 및 가스밀봉 특성을 가지며, 콜렉터와 가스 시일로서의 기능을 할 수 있다. 예를 들어, 수지와 함께 복합재료로 형성되고 카본 파이버 함유량이 높은 카본 세퍼레이터, 또는 금속재를 사용하는 금속 세퍼레이터가 사용될 수도 있다. 금속 세퍼레이터의 예로는 내부식성이 높은 금속재로 제조되는 금속 세퍼레이터, 및 내부식성을 증가시키기 위하여 내부식성이 높은 금속재 또는 카본으로 그 표면이 코팅된 금속 세퍼레이터를 들 수 있다. 상기 세퍼레이터들에는 연료가스 및 산화가스를 공급하기 위한 유로가 형성된다.
통상적인 연료전지의 애노드 전극에 사용되는 가스, 보다 구체적으로는 수소 가스는 본 발명의 연료전지의 운전방법 또는 연료전지시스템에 사용될 수 있는 연료가스로서 사용될 수도 있다. 통상적인 연료전지의 캐소드 전극에 사용되는 가스, 보다 구체적으로는 산소 가스는 본 발명의 연료전지의 운전방법 또는 연료전지시스템에 사용될 수 있는 산화가스로서 사용될 수도 있다.
도 1은 적층 방향으로 절단된 상술된 단일 전지의 일례의 프레임 포맷을 도시한 단면도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 연료전지시스템에서의 연료전지의 단일 전지(100)는 중합체전해질막(1)이 캐소드전극(6)과 애노드전극(7) 사이에 끼워진 막전극접합체(8)를 구비한다. 상기 단일 전지(100)는 또한 상기 전극들 외부로부터 상기 막전극접합체(8)를 사이에 끼우는 한 쌍의 세퍼레이터(9, 10)를 구비한다. 산화가스유로(11)는 전극과 세퍼레이터의 경계부에 있는 캐소드전극(6)측에 보장되고, 연료가스유로(12)는 전극과 세퍼레이터의 경계부에 있는 애노드전극(7)측에 보장된다. 상기 캐소드전극은 상호 적층된 캐소드촉매층(2)과 가스확산층(4)으로 형성된다. 상기 애노드전극(7)은 상호 적층된 애노드촉매층(3)과 가스확산층(5)으로 형성된다. 또한, 상기 산화가스유로(11)와 연료가스유로(12)는 연료가스와 산화가스가 대향하는 방향으로 유동하도록 배치된다. 여기서, 도 1의 유로(11, 12)에서 가운데 점이 있는 원 부호는 가스가 도면이 그려진 지면에 수직 방향으로, 그리고 도면을 바라보는 사람 쪽으로 유동하고 있다는 것을 나타낸다. 가운데 X가 있는 원 부호는 가스가 도면이 그려진 지면에 수직 방향으로, 그리고 도면을 바라보는 사람의 반대쪽으로 유동하고 있다는 것을 나타낸다. 또한, 구체적으로 표시되어 있지는 않지만, 산화가스유로(11)의 입구 부근의 영역은 연료가스유로(12)의 출구 부근의 영역으로부터 전해질막(1)의 대향하는 측에 있고, 산화가스유로(11)의 출구 부근의 영역은 연료가스유로(12)의 입구 부근의 영역으로부터 전해질막(1)의 대향하는 측에 있다. 첨언하면, 도 1에는, 가스유로들이 S 형상의 유로로 도시되어 있지만, 상기 가스유로들은 특정 형상이 결코 아니다. 즉, 연료가스와 산화가스가 대향하는 방향으로 유동하는 한 여하한의 형상일 수 있다.
산화가스유로 입구 및 출구 부근의 물의 양을 판정하기 위한 방법의 일례는 전체 연료전지의 저항값을 측정하고, 상기 저항값이 복수의 온도 각각에서 스택이나 단일 전지 중 하나 이상의 미리 측정된 저항의 최소값 이상일 때, 상기 스택이나 단일 전지의 내부가 건조된 것으로 판정하는 단계일 수도 있다. 산화가스유로 입구 부근의 물의 양을 판정하기 위한 장소를 구비하는 이유는 차량 내에 탑재된 연료전지에서, 예컨대 통상적으로 공기가 산화가스로 사용되고, 수소가스가 연료가스로 사용되기 때문이며, 소정의 화학양론비에서의 가스 유량은 수소 가스보다 공기가 많이 있어, 단일 전지 또는 스택이 산화가스유로 입구에서 먼저 건조되기 시작할 것으로 추정될 수 있다. 산화가스유로 출구 부근의 물의 양을 판정하기 위한 장소를 구비하는 이유는 예컨대 후술하는 것과 같은 연료가스제어장치가 운전된 후에 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 일시적으로 부족할 수도 있다고 생각되기 때문이다.
상기 판정장치는 전체 연료전지의 저항값을 측정하고, 상기 저항값이 각각의 온도에서 단일 전지 또는 스택 중 하나 이상의 미리 측정된 저항의 최소값의 105%를 넘는 값일 때, i) 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 불충분한지의 여부 및/또는 ii) 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 불충분한지의 여부를 판정하도록 구성될 수 있다(이하, 이러한 종류의 판정장치를 판정장치(A)라고 함). 이는 산화가스유로 입구 및 출구 부근의 물의 양의 부족이 전체 연료전지의 저항값을 측정하는 간단한 방법에 의하여 정확하게 확인될 수 있기 때문이다. 첨언하면, 전체 연료전지의 저항값이 각각의 온도에서 단일 전지 또는 스택 중 하나 이상의 미리 측정된 저항의 최소값의 110%를 초과하는 값일 때 상기 물의 양이 불충분한 것으로 판정하는 것이 더욱 바람직하고, 전체 연료전지의 저항값이 각각의 온도에서 단일 전지 또는 스택 중 하나 이상의 미리 측정된 저항의 최소값의 120%를 초과하는 값일 때 상기 물의 양이 불충분한 것으로 판정하는 것이 더욱더 바람직하다.
또한, 산화가스유로 입구 및 출구 부근의 물의 양을 판정하기 위한 방법의 일례는 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 압력강하를 측정하고, 상기 압력강하가 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 미리 측정된 압력강하 이하일 때, 상기 스택이나 단일 전지의 내부가 건조된 것으로 판정하는 것이다.
상기 판정장치는 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 압력강하를 측정하고, 상기 압력강하가 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 미리 측정된 압력강하의 최소값의 105% 미만일 때, i) 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 불충분한지의 여부 및/또는 ii) 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 불충분한지의 여부를 판정하도록 구성될 수 있다(이하, 이러한 종류의 판정장치를 판정장치(C)라고 함). 이는 산화가스유로 입구 및 출구 부근의 물의 양의 부족이 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 압력강하를 측정하는 간단한 방법에 의하여 정확하게 확인될 수 있기 때문이다. 첨언하면, 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 압력강하가 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 미리 측정된 압력강하의 최소값의 100% 미만일 때 상기 물의 양이 불충분한 것으로 판정하는 것이 더욱 바람직하고, 더욱더 바람직하게는 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 압력강하가 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 미리 측정된 압력강하의 최소값의 95% 미만일 때 상기 물의 양이 불충분한 것으로 판정하는 것이 바람직하다.
또한, 산화가스유로 입구 및 출구 부근의 물의 양을 측정하기 위한 방법의 일례는 전체 연료전지의 전압을 측정하고, 상기 전압이 복수의 온도 각각에서 스택이나 단일 전지 중 하나 이상의 미리 측정된 전압의 최소값 이하일 때, 상기 스택이나 단일 전지 내에 물이 과도하게 있는 것으로 판정하는 것이다.
상기 판정장치는 전체 연료전지의 전압을 측정하고, 상기 전압이 복수의 온도 각각에서 단일 전지 또는 스택 중 하나 이상의 미리 측정된 전압의 최대값의 95% 미만일 때, i) 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 과도한지의 여부 및/또는 ii) 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 과도한지의 여부를 판정하도록 구성될 수 있다(이하, 이러한 종류의 판정장치를 판정장치(B)라고 함). 이는 산화가스유로 입구 및 출구 부근의 과도한 양의 물이 전체 연료전지의 전압을 측정하는 간단한 방법에 의하여 정확하게 확인될 수 있기 때문이다. 첨언하면, 전체 연료전지의 전압이 복수의 온도 각각에서 단일 전지 또는 스택 중 하나 이상의 미리 측정된 전압의 최소값의 90% 미만일 때 상기 물의 양이 과도한 것으로 판정하는 것이 더욱 바람직하고, 더욱더 바람직하게는 전체 연료전지의 전압이 복수의 온도 각각에서 단일 전지 또는 스택 중 하나 이상의 미리 측정된 전압의 최소값의 85% 미만일 때 상기 물의 양이 과도한 것으로 판정하는 것이 바람직하다.
또한, 산화가스유로 입구 및 출구 부근의 물의 양을 측정하기 위한 방법의 일례는 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 압력강하를 측정하고, 상기 압력강하가 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 미리 측정된 압력강하 이상일 때, 상기 스택이나 단일 전지 내의 물이 과도한 것으로 판정하는 것이다.
상기 판정장치는 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 압력강하를 측정하고, 상기 압력강하가 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 미리 측정된 압력강하의 최대값의 105%를 초과하는 값일 때, 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 과도한지의 여부 및/또는 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 과도한지의 여부를 판정하도록 구성될 수 있다(이하, 이러한 종류의 판정장치를 판정장치(D)라고 함). 이는 산화가스유로 입구 및 출구 부근의 과도한 양의 물이 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 압력강하를 측정하는 간단한 방법에 의하여 정확하게 확인될 수 있기 때문이다. 첨언하면, 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 압력강하가 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 미리 측정된 압력강하의 최대값의 110%를 초과하는 값일 때 상기 물의 양이 과도한 것으로 판정하는 것이 더욱 바람직하고, 더욱더 바람직하게는 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 압력강하가 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 미리 측정된 압력강하의 최대값의 120%를 초과하는 값일 때 상기 물의 양이 과도한 것으로 판정하는 것이 바람직하다.
상술된 판정장치에 의하여 또는 또 다른 방법에 의하여, 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 불충분하거나 및/또는 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 과도한 것으로 판정되는 경우, 본 발명의 연료전지의 운전방법 또는 연료전지시스템은 연료가스유량을 증가시키거나 및/또는 연료가스압을 감소시켜 산화가스유로 입구 부근의 물의 양을 증가시키고 상기 산화가스유로 출구 부근의 물의 양을 감소시킨다. 또한, 상술된 판정장치에 의하여 또는 또 다른 방법에 의하여, 산화가스유로 입구 및/또는 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정되는 경우, 본 발명의 연료전지의 운전방법 또는 연료전지시스템은 산화가스유량을 감소시키거나 및/또는 산화가스압을 증가시켜 산화가스유로 출구측으로부터 연료가스유로 입구측으로 이송될 수 있는 물의 양을 증가시키고, 상기 산화가스에 의하여 상기 전지 밖으로 운반되는 물의 양을 감소시킨다.
첨언하면, 가스유로를 통과하는 가스 내의 수증기량, 비가습화된 가스유량, 수증기의 분압, 및 연료가스유로와 산화가스유로에 공통인 수증기를 포함하는 가스의 전체 압력 간에 하기 화학식 3에 도시된 것과 같은 관계식이 수립된다.
Figure 112010008840555-pct00003
(여기서, QH2O는 가스 내의 수증기량을 나타내고, Qdry는 비가습화된 가스의 유량을 나타내며, PH2O는 수증기의 분압을 나타내고, Ptotal은 수증기를 포함하는 가스의 전체 압력을 나타냄)
화학식 3으로부터, QH2O는 Qdry에 비례하므로, 가스 내의 수증기량 QH2O를 소정량 또는 그 이상으로 유지하기 위해서는, 공급될 비가습화된 가스의 유량 Qdry가 소정의 유량으로 유지되어야 하거나 그 이상이 되어야 한다는 것은 자명하다. 하지만, 후술하게 될 공급된 연료가스량의 변화에 따른 발전 성능 및 캐소드 출구에서의 이슬점-습도 측정으로 표시된 바와 같이, 연료가스의 유량이 너무 많이 증가된 경우에는, 중합체전해질막이 산화가스유로 입구 부근에서 건조해질 것인데, 이는 발전 효율의 저하를 초래할 것이다. 즉, 실제로 양호한 발전 효율을 유지하기 위해서는, 비가습화된 가스의 유량 Qdry가 적절한 범위 이내로 증가되어야만 한다. 또한, 화학식 3으로부터, 수증기를 포함하는 가스의 전체 압력 Ptotal과 수증기의 분압 PH2O간의 차이(즉, Ptotal - PH2O), 즉 공급될 비가습화된 가스의 분압은 상기 가스 내의 수증기량 QH2O에 반비례한다는 것이 분명하다. 그러므로, QH2O는 비가습화된 가스의 분압이 억제됨에 따라 증가될 수 있다. 하지만, 비가습화된 가스의 분압이 너무 많이 억제되는 경우에는, 너무 많은 물이 산화가스유로 입구 부근으로부터 운반될 것이므로, 산화가스유로 입구 부근의 중합체전해질막이 너무 건조하게 된다. 그러므로, 실제로는 양호한 발전 효율을 유지하기 위하여, 비가습화된 가스의 분압(즉, Ptotal - PH2O)은 적절한 범위 이내로 감소되어야만 한다. 그러므로, 본 발명의 효과를 얻기 위해서는, 비가습화된 가스의 유량 Qdry에 대한 상한값과 비가습화된 가스의 분압(즉, Ptotal - PH2O)에 대한 하한값이 있게 된다. 그 결과, QH2O가 실제로는 "유량 Qdry를 계속 증가" 또는 "분압(Ptotal - PH2O)을 계속 감소"의 간단한 작업만을 수행해서는 소정량으로 또는 그 이상으로 유지될 수 없게 된다. 하지만, 이들 두 값들을 소정 범위 이내로 조정함으로써, 양호한 발전 효율이 유지될 수 있게 된다.
수증기량에 관한 작업 또한 산화가스제어에 적용가능하다. 화학식 3으로부터, QH2O는 Qdry에 비례하므로, 상기 가스 내의 수증기량 QH2O를 소정량으로 또는 그 이하로 유지하기 위해서는, 공급될 비가습화된 가스의 유량 Qdry가 소정의 유량으로 또는 그 이하로 유지되어야만 한다는 것이 분명하다. 하지만, 산화가스의 유량이 너무 많이 감소되는 경우에는, 산화가스에 의하여 연료전지 외부로 운반되는 물이 감소될 것이다. 그 결과, 산화가스유로 출구 부근에서 소위 플러딩이 발생할 것이며, 이는 발전 효율의 저하를 유발하게 될 것이다. 즉, 실제로 양호한 발전 효율을 유지하기 위해서는, 비가습화된 가스의 유량 Qdry가 적절한 범위 이내로 감소되어야만 한다. 또한, 화학식 3으로부터, 수증기를 포함하는 가스의 전체 압력 Ptotal과 수증기의 분압 PH2O간의 차이(즉, Ptotal - PH2O), 즉 공급될 비가습화된 가스의 분압은 상기 가스 내의 수증기량 QH2O에 반비례한다는 것이 분명하다. 그러므로, QH2O가 비가습화된 가스의 분압이 증가됨에 따라 억제될 수 있게 된다. 하지만, 비가습화된 가스의 분압이 너무 많이 증가되는 경우에는, 충분하지 않은 물이 산화가스유로 입구 부근으로부터 운반되게 될 것이므로, 상기 산화가스유로 출구 부근에서도 플러딩이 발생하게 될 것이다. 그러므로, 실제로 양호한 발전 효율을 유지하기 위해서는, 비가습화된 가스의 분압(즉, Ptotal - PH2O)이 적절한 범위 이내로 증가되어야만 한다. 그러므로, 본 발명의 효과를 달성하기 위해서는, 비가습화된 가스의 유량 Qdry에 대한 하한값과 비가습화된 가스의 분압(즉, Ptotal - PH2O)에 대한 상한값이 있게 된다. 그 결과, 양호한 발전 효율이 실제로는 "유량 Qdry를 계속 감소" 또는 "분압(Ptotal - PH2O)을 계속 증가"의 간단한 작업만을 수행해서는 유지될 수 없게 된다. 하지만, 이들 두 값들을 소정 범위 이내로 조정함으로써, 양호한 발전 효율이 유지될 수 있게 된다.
도 2는 본 발명의 연료전지시스템의 단일 전지에서의 물 순환의 프레임 포맷을 도시한 단면도이다. 단순화를 위하여, 캐소드 및 애노드 전극들이 가스확산층과 촉매층간에 구별 없이 도시되어 있다. 첨언하면, 가운데 점이 있는 원과 가운데 X 표시가 있는 원 부호들은 도 1에서와 같이 상기 유로를 통과하는 가스의 유동 방향을 나타낸다. 또한, 산화가스는 산화가스유로 입구(11a)로부터 도입되어, 산화가스유로 출구(11b)로 유동하는 한편, 연료가스는 연료가스유로 입구(12a)로부터 도입되어, 연료가스유로 출구(12b)로 유동한다. 현재, 산화가스유로 출구(11b) 부근의 영역은 상기 화학식 2에 도시된 반응에 의하여 생성되는 물로 습식되어 있다. 이러한 물은 화살표 21로 도시된 바와 같이, 중합체전해질막(1)을 통해 연료가스유로 입구(12a) 부근으로 운반된다. 이때, 연료가스유로 입구(12a) 부근으로 운반되는 많은 양의 물은 비가습화된 연료가스의 유량 Qdry 및/또는 상술된 비가습화된 연료가스의 분압(Ptotal - PH2O)을 조정하여 상기 연료가스유로 출구(12b) 부근으로 운반될 수 있다. 이러한 물은 화살표 22로 도시된 바와 같이, 중합체전해질막(1)을 통해 산화가스유로 입구(11a) 부근으로 운반되어, 건조해지는 경향이 있는 산화가스유로 입구(11a) 부근의 물의 양과 습식되어지는 경향이 있는 산화가스유로 출구(11) 부근의 물의 양을 조정할 수 있게 한다. 그 결과, 습기가 전혀 없으면서도 물이 표면상에 고르지 않게 분포되지 않는 단일 전지가 실현될 수 있게 된다.
더욱이, 산화가스유로 출구(11b) 부근의 영역이 건조되는 경우에는, 산화가스에 의하여 연료전지 밖으로 운반되는 물의 양을 줄일 수 있게 되어, 비가습화된 산화가스의 유량 Qdry 및/또는 상술된 비가습화된 산화가스의 분압(Ptotal - PH2O)을 조정하여 상기 산화가스유로 출구(11b) 부근에 물이 축적될 수 있게 된다.
양호한 발전 효율을 유지하기 위하여, 연료가스의 화학양론비는 1.0 내지 10까지의 범위 이내로 증가되는 것이 바람직하다. 이는 화학양론비가 10을 초과하는 경우에는, 중합체전해질막이 연료가스유로 입구에서 건조하게 되어, 발전 효율의 저하를 유발하게 되고, 화학양론비가 1.0 미만인 경우에는, 구체화된 출력으로 작동할 필요가 있는 가스의 최소량이 공급될 수 없게 되기 때문이며, 더욱이 충분한 양의 물이 연료가스 내에 보유될 수 없게 되어, 전해질막을 통해 산화가스유로로 운반될 수 있는 물의 양이 제한되기 때문이다. 특히, 본 발명의 연료전지시스템에 의하면, 연료가스유량이 연료가스공급장치를 조정하여 증가되는 것이 바람직하다(이하, 이러한 종류의 제어장치를 "연료가스유량제어장치"라고 함). 이는 연료가스유량이 연료가스공급장치를 조정하는 간단한 작업을 통해 증가될 수 있기 때문이다. 이 경우에 있어서 연료가스공급장치의 일례는 연료가스캐니스터와 연료가스펌프를 포함한다. 첨언하면, 상기 화학양론비는 1.0 ~ 5.0 사이의 범위 이내로 증가되는 것이 더욱 바람직하며, 가장 바람직하게는 1.0 내지 3.0까지의 범위 이내로 증가되는 것이 바람직하다.
양호한 발전 효율을 유지하기 위해서는, 연료가스압이 대기압 내지 0.3 MPa까지의 범위 이내로 감소되는 것이 바람직하다. 이는 상기 압력이 0.3 MPa를 초과하는 경우, 충분한 양의 물이 연료가스 내에 보유될 수 없게 되어, 그 결과 전해질막을 통하여 산화가스유로로 운반될 수 있는 물의 양이 제한되기 때문이다. 또한, 상기 압력이 대기압보다 낮으면, 발전에 필요한 연료가 충분히 공급될 수 없게 된다. 특히, 본 발명의 연료전지시스템에 의하면, 상기 연료가스압이 연료가스유로 출구 부근에 제공되는 연료가스압조절밸브를 조정하여 감소되는 것이 바람직하다(이하, 이러한 종류의 제어장치를 "연료가스압제어장치"라고 함). 이는 상기 연료가스압이 연료가스압조절밸브를 조정하는 간단한 작업을 통해 감소될 수 있기 때문이다. 상기 연료가스압은 대기압과 0.2 MPa까지의 범위 이내로 감소되는 것이 더욱 바람직하고, 가장 바람직하게는 대기압과 0.1 MPa까지의 범위 이내로 감소되는 것이 바람직하다.
첨언하면, 상기 연료가스압 또한 상술된 바와 같이 연료가스공급장치를 조정하여 조절될 수도 있다. 하지만, 단지 연료가스공급장치만을 이용하여 동시에 연료가스유량을 증가시키고 연료가스압을 감소시키는 것은 어렵다. 그러므로, 연료가스유로 입구에 있는 연료가스공급장치는 연료가스유량이 증가될 수 있고 연료가스압이 감소될 수 있도록 상기 연료가스유로 출구 부근의 연료가스압조절밸브의 조정과 조합하여 조정된다.
양호한 발전 효율을 유지하기 위하여, 산화가스의 화학양론비는 1.0 내지 3.0까지의 범위 이내로 감소되는 것이 바람직하다. 이는 화학양론비가 3.0을 초과하는 경우, 충분한 양의 물이 산화가스 내에 보유될 수 없게 되어, 그 결과 전해질막을 통하여 연료가스유로로 운반될 수 있는 물의 양이 제한되기 때문이고, 상기 화학양론비가 1.0 보다 적은 경우에는, 구체적인 출력에서 작동하기 위해 필요한 가스의 최소량이 공급될 수 없게 되기 때문이며, 더욱이, 산화가스유로에서의 플러딩을 피할 수 없게 된다. 특히, 본 발명의 연료전지시스템에 의하면, 상기 산화가스유량이 산화가스공급장치를 조정하여 감소되는 것이 바람직하다(이하, 이러한 종류의 제어장치를 "산화가스유량제어장치"라고 함). 이는 상기 산화가스유량이 산화가스공급장치를 조정하는 간단한 작업을 통해 감소될 수 있기 때문이다. 이러한 경우에 있어서 상기 산화가스공급장치의 예시로는 산화가스캐니스터 및 산화가스펌프를 들 수 있다. 첨언하면, 상기 화학양론비는 1.0 내지 2.5까지의 범위 이내로 감소되는 것이 더욱 바람직하고, 가장 바람직하게는 1.2 내지 2.0까지의 범위 이내로 감소되는 것이 바람직하다.
양호한 발전 효율을 유지하기 위해서는, 산화가스압이 대기압 내지 0.3 MPa까지의 범위 이내로 증가되는 것이 바람직하다. 이는 상기 압력이 0.3 MPa를 초과하는 경우, 산화가스유로에서의 플러딩을 피할 수 없게 되기 때문이다. 또한, 상기 압력이 대기압보다 낮으면, 충분한 양의 물이 산화가스유로 내에 보유될 수 없게 되어, 그 결과 전해질막을 통해 연료가스유로로 운반될 수 있는 물의 양이 제한되기 때문이다. 특히, 본 발명의 연료전지시스템에 의하면, 상기 산화가스압이 산화가스유로 출구 부근에 제공되는 산화가스압조절밸브를 조정하여 증가되는 것이 바람직하다(이하, 이러한 종류의 제어장치를 "산화가스압제어장치"라고 함). 이는 상기 산화가스압이 산화가스압조절밸브를 조정하는 간단한 작업을 통해 증가될 수 있기 때문이다. 상기 산화가스압은 0.12 내지 0.25 MPa까지의 범위 이내로 증가되는 것이 더욱 바람직하고, 가장 바람직하게는 0.14 내지 0.2 MPa까지의 범위 이내로 증가되는 것이 바람직하다.
첨언하면, 상기 산화가스압 또한 상술된 바와 같이 산화가스공급장치를 조정하여 조절될 수도 있다. 하지만, 단지 산화가스공급장치만을 이용하여 동시에 산화가스유량을 감소시키고 산화가스압을 증가시키는 것은 어렵다. 그러므로, 산화가스유로 입구에 있는 산화가스공급장치는 산화가스유량이 감소될 수 있고 산화가스압이 증가될 수 있도록 상기 산화가스유로 출구 부근의 산화가스압조절밸브의 조정과 조합하여 조정된다.
도 3은 본 발명의 연료전지의 운전방법을 실시하기 위하여, 바람직한 연료전지시스템의 대표적인 예시의 프레임 포맷을 도시한 도면이다. 첨언하면, 본 명세서에 기술된 연료전지는 연료가스로서 수소가스를, 산화가스로서 공기를 사용한다. 도면에 도시된 바와 같이, 연료가스유로와 산화가스유로는 수소가스, 즉 연료가스와 공기, 즉 산화가스가 대향하는 방향으로 유동하도록 배치되어 있다. 또한, 연료가스유량은 연료가스공급장치의 한 가지 타입인 수소가스펌프(33)와 수소가스캐니스터(31)에 의하여 조정(즉, 연료가스유량제어)된다. 첨언하면, 도면에서의 수소가스펌프(33)는 연료전지스택(200)에서 소모되지 않은 수소가스를 재사용하도록 설계된다. 또한, 수소가스압은 수소가스압조절밸브(34)에 의하여 조절(즉, 연료가스압제어)된다. 보다 구체적으로는, 한 가지 타입의 시스템의 구조는 모두 연료가스유량이 증가될 수 있고 연료가스압이 감소될 수 있다. 더욱이, 상기 산화가스유량은 한 가지 타입의 산화가스공급장치인 에어컴프레서(ACP)(44)에 의하여 조정된다. 또한, 상기 공기압은 공기압조절밸브(43)에 의하여 조절된다. 보다 구체적으로는, 한 가지 타입의 시스템의 구조는 모두 산화가스유량이 감소될 수 있고, 산화가스압이 증가될 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 가스유량측정장치(즉, 수소캐니스터(31)가 수소 측에 있고 유량계(45)가 공기 측에 있는 레귤레이터(32))와 가스압력측정장치(즉, 수소측압력계(35)와 공기측압력게이지(42))는 연료가스유로와 산화가스유로에 제공된다.
더욱이, 도 3에는 도시되어 있지 않지만, 스택압력강하측정장치는 산화가스유로와 연료가스유로에 제공된다. 보다 구체적으로, 이들 스택압력강하측정장치들은 산화가스유로와 연료가스유로 양자 모두의 입구와 출구 모두에 제공되는 압력센서들이다. 상기 압력강하는 다음과 같이 계산된다: △P(압력강하) = P(입구 압력) - P(출구 압력).
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 냉각제온도측정장치(38)는 냉각제 온도를 사전에 미리 추정함으로써, 연료전지의 상태, 보다 구체적으로는 연료전지가 건식이거나 습식인 지의 여부를 확인하기 위하여 라디에이터(36)를 구비한 냉각시스템에 제공된다. 첨언하면, 소정의 온도를 70 내지 120℃까지의 범위 이내로 사전설정값으로 지정하고, 이러한 설정값을 초과하는 값을 연료전지의 이상(예컨대, 불균등 물 분포)을 나타내는 것으로 간주하는 것이 바람직하다.
더욱이, 도 3에 도시된 바와 같이, 전압계(40)와 전류계(39)를 포함하는 전기시스템 또한 부하를 제어할 뿐만 아니라 복수의 온도 각각에서 단일 전지(100) 및/또는 스택(200)의 미리 측정된 전압과 저항을 제어하기 위한 파워제어유닛(PCU)(41)을 포함한다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 연료가스유로는 수소가스펌프(33)와 수소가스압조절밸브(34)에 의하여 만들어지는 재순환 기능을 가지는 것으로 추정되지만, 소량의 연료가스가 계속해서 배출되는 데드엔드시스템(dead end system)과 같은 비-재순환시스템일 수도 있다.
도 4는 본 발명의 연료전지의 운전방법을 실시하기 위하여, 바람직한 연료전지시스템의 대표적인 예시의 루틴을 예시하는 흐름도이다. 이제, 연료전지시스템이 고부하 하에 계속해서 운전되고 있는 경우를 가정할 것이다(S1). 운전 시, 물의 양을 판정하기 위한 한 가지 방식인 전체 연료전지의 저항값 측정이 매 10초 내지 10분 취해진다(S2). 여기서, 다음에 수행될 단계는 저항값(R)이 복수의 온도 각각에서 단일 전지 및/또는 스택의 미리 측정된 저항의 최소값의 105%의 값(이하, 설정값 R1이라고 함)보다 큰 지의 여부에 따라 다르다(즉, 판정장치(A)). 상기 저항값(R)이 R1과 같거나 그보다 작은 경우, 고부하 하의 연속적인 운전이 계속된다(S1). 다른 한편으로, 저항값(R)이 설정값 R1 보다 크다면, 산화가스유로 입구 및/또는 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정되고, 연료가스제어장치 및/또는 산화가스제어장치가 운전된다(S3). 첨언하면, 통상적으로 연료가스제어장치는 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 불충분할 때 작동되고, 상기 산화가스제어장치는 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 불충분할 때 작동되지만, 이들 제어장치 양자 모두는 동시에 작동될 수도 있다(S3). 상기 연료가스제어장치와 산화가스제어장치는 또한 화학양론비를 조정할 수도 있고 및/또는 압력을 조절할 수도 있지만, 가장 바람직하게는 화학양론비를 조정하고 동시에 압력을 조절하는 것이 바람직하다. 연료가스제어장치 및/또는 산화가스제어장치가 작동된 후(S3), 전체 연료전지의 저항값 측정이 취해진다(S4). 저항값(R)이 설정값(R1) 보다 큰 경우에는, 연료가스제어장치 및/또는 산화가스제어장치가 다시 작동된다(S3). 다른 한편으로, 저항값(R)이 설정값(R1) 이하인 경우에는, 고부하 하의 연속적인 운전이 계속된다(S5).
도 5는 본 발명의 연료전지의 운전방법을 실시하기 위하여, 바람직한 연료전지시스템의 두 번째 대표적인 예시의 루틴을 예시하는 흐름도이다. 이제, 연료전지시스템이 고부하 하에 계속해서 작동되고 있는 경우를 가정할 것이다(S11). 운전 시, 물의 양을 판정하기 위한 한 가지 방식인 전체 연료전지의 전압 측정이 매 10초 내지 10분 취해진다(S12). 여기서, 다음에 수행될 단계는 전압(E)이 복수의 온도 각각에서 단일 전지 및/또는 스택의 미리 측정된 전압의 최대값의 95%의 값(이하, 설정값 E1이라고 함)보다 큰 지의 여부에 따라 다르다(즉, 판정장치(B)). 상기 전압(E)이 E1과 같거나 그보다 큰 경우, 고부하 하의 연속적인 운전이 계속된다(S11). 다른 한편으로, 전압(E)이 설정값 E1 보다 낮다면, 산화가스유로 입구 및/또는 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 과도한 것으로 판정되고, 연료가스제어장치 및/또는 산화가스제어장치가 운전된다(S13). 첨언하면, 통상적으로 산화가스제어장치는 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 과도할 때 작동되고, 상기 연료가스제어장치는 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 과도할 때 작동되지만, 이들 제어장치 양자 모두는 동시에 작동될 수도 있다(S13). 상기 연료가스제어장치와 산화가스제어장치는 또한 화학양론비를 조정할 수도 있고 및/또는 압력을 조절할 수도 있지만, 가장 바람직하게는 화학양론비를 조정하고 동시에 압력을 조절하는 것이 바람직하다. 연료가스제어장치 및/또는 산화가스제어장치가 작동된 후(S13), 전체 연료전지의 전압 측정이 취해진다(S14). 전압(E)이 설정값(E1) 보다 작은 경우에는, 연료가스제어장치 및/또는 산화가스제어장치가 다시 작동된다(S13). 다른 한편으로, 전압(E)이 설정값(E1) 이상인 경우에는, 고부하 하의 연속적인 운전이 계속된다(S15).
도 6은 본 발명의 연료전지의 운전방법을 실시하기 위하여, 바람직한 연료전지시스템의 세 번째 대표적인 예시의 루틴을 예시하는 흐름도이다. 이제, 연료전지시스템이 고부하 하에 계속해서 작동되고 있는 경우를 가정할 것이다(S21). 운전 시, 물의 양을 판정하기 위한 한 가지 방식인 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 압력강하 측정이 매 10초 내지 10분 취해진다(S22). 여기서, 다음에 수행될 단계는 전압강하 △P가 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 미리 측정된 압력강하의 최소값의 105%의 값(이하, 설정값 △P1이라고 함)보다 작은 지의 여부에 따라 다르다(즉, 판정장치(C)). 상기 전압강하 △P가 △P1과 같거나 그보다 큰 경우, 고부하 하의 연속적인 운전이 계속된다(S21). 다른 한편으로, 전압강하 △P가 설정값 △P1 보다 작다면, 산화가스유로 입구 및/또는 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정되고, 연료가스제어장치 및/또는 산화가스제어장치가 운전된다(S23). 첨언하면, 통상적으로 연료가스제어장치는 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 불충분할 때 작동되고, 상기 산화가스제어장치는 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 불충분할 때 작동되지만, 이들 제어장치 양자 모두는 동시에 작동될 수도 있다(S23). 상기 연료가스제어장치와 산화가스제어장치는 또한 화학양론비를 조정할 수도 있고 및/또는 압력을 조절할 수도 있지만, 가장 바람직하게는 화학양론비를 조정하고 동시에 압력을 조절하는 것이 바람직하다. 연료가스제어장치 및/또는 산화가스제어장치가 작동된 후(S23), 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 압력강하 측정이 취해진다(S24). 압력강하 △P가 설정값 △P1 보다 작은 경우에는, 연료가스제어장치 및/또는 산화가스제어장치가 다시 작동된다(S23). 다른 한편으로, 압력강하 △P가 설정값 △P1 이상인 경우에는, 고부하 하의 연속적인 운전이 계속된다(S25).
도 7은 본 발명의 연료전지의 운전방법을 실시하기 위하여, 바람직한 연료전지시스템의 네 번째 대표적인 예시의 루틴을 예시하는 흐름도이다. 이제, 연료전지시스템이 고부하 하에 계속해서 작동되고 있는 경우를 가정할 것이다(S31). 운전 시, 물의 양을 판정하기 위한 한 가지 방식인 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 압력강하 측정이 매 10초 내지 10분 취해진다(S32). 여기서, 다음에 수행될 단계는 전압강하 △P가 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 미리 측정된 압력강하의 최대값의 105%의 값(이하, 설정값 △P2이라고 함; 첨언하면, △P2는 상술된 △P1와 독립적임)보다 큰 지의 여부에 따라 다르다(즉, 판정장치(D)). 상기 전압강하 △P가 △P2과 같거나 그보다 작은 경우, 고부하 하의 연속적인 운전이 계속된다(S31). 다른 한편으로, 전압강하 △P가 설정값 △P2 보다 크다면, 산화가스유로 입구 및/또는 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 과도한 것으로 판정되고, 연료가스제어장치 및/또는 산화가스제어장치가 운전된다(S33). 첨언하면, 통상적으로 산화가스제어장치는 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 과도할 때 작동되고, 상기 연료가스제어장치는 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 과도할 때 작동되지만, 이들 제어장치 양자 모두는 동시에 작동될 수도 있다(S33). 상기 연료가스제어장치와 산화가스제어장치는 또한 화학양론비를 조정할 수도 있고 및/또는 압력을 조절할 수도 있지만, 가장 바람직하게는 화학양론비를 조정하고 동시에 압력을 조절하는 것이 바람직하다. 연료가스제어장치 및/또는 산화가스제어장치가 작동된 후(S33), 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 압력강하 측정이 취해진다(S34). 압력강하 △P가 설정값 △P2 보다 큰 경우에는, 연료가스제어장치 및/또는 산화가스제어장치가 다시 작동된다(S33). 다른 한편으로, 압력강하 △P가 설정값 △P2 이하인 경우에는, 고부하 하의 연속적인 운전이 계속된다(S35).
본 발명의 연료전지시스템의 일 모드는 i) 연료가스제어장치, ii) 산화가스제어장치, iii) 판정장치(A) 및/또는 판정장치(C), iv) 판정장치(B) 및/또는 판정장치(D), v) 수분수송촉진제어개시장치(A), vi) 수분수송촉진제어중단장치(A), vii) 수분수송억제제어개시장치(A), viii) 수분수송억제제어중단장치(A), 및 ix) 부족수량최종판정장치(A)를 포함한다. 상기 수분수송촉진제어개시장치(A)는 판정장치(A) 및/또는 판정장치(C)에 의하여 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정된 후, 1회 이상 연료가스제어장치를 운전한다. 상기 수분수송촉진제어중단장치(A)는 상기 수분수송촉진제어개시장치(A)가 연료가스제어장치를 운전한 후에 판정장치(A) 및/또는 판정장치(C)에 의하여 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정된 다음, 연료가스제어장치를 정지시킨다. 상기 수분수송억제제어개시장치(A)는 상기 수분수송촉진제어중단장치(A)가 연료가스제어장치를 정지시킨 후에 1회 이상 산화가스제어장치를 운전한다. 상기 수분수송억제제어중단장치(A)는 판정장치(B) 및/또는 판정장치(D)에 의하여 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 과도한 것으로 판정된 후, 산화가스제어장치의 모든 요소들을 정지시킨다. 상기 수분수송억제제어중단장치(A)가 산화가스제어장치의 모든 요소들을 정지시킨 후, 상기 부족수량최종판정장치(A)는 상기 판정장치(A) 및/또는 판정장치(C)에 의하여 상기 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정되는 경우에는 상기 수분수송촉진제어개시장치(A)가 상기 연료가스제어장치를 다시 운전하게 하고, 상기 판정장치(A) 및/또는 상기 판정장치(C)가 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분하지 않은 것으로 판정하는 경우에는 상기 연료전지를 계속 운전시킨다.
도 8은 본 발명의 연료전지의 운전방법을 실시하기 위하여, 바람직한 연료전지시스템의 다섯 번째 대표적인 예시의 루틴을 예시하는 흐름도이다. 이제, 연료전지시스템이 고부하 하에 계속해서 작동되고 있는 경우를 가정할 것이다(S41). 운전 시, 냉각제 온도 T가 상술된 냉각제온도측정장치에 의하여 매 10초 내지 10분 측정된다(S42). 이때, 상기 측정된 냉각제 온도 T가 설정값 T1과 같거나 또는 그보다 작은 경우에는, 운전이 계속된다(S41). 다른 한편으로, 냉각제 온도 T가 설정값 T1 보다 큰 경우에는, 상기 판정장치(A)가 운전된다(즉, 저항이 측정됨)(S43). 이때, 상기 측정된 저항값 R이 설정값 R1과 같거나 또는 그보다 작은 경우에는, 적절한 양의 물이 산화가스유로 입구 부근에 보유된 것으로 판정되어, 고부하 하에 운전이 계속된다(S41). 첨언하면, 이 시점까지의 운전 절차들은 본질적으로 도 4에 도시된 대표적인 예시의 첫 번째 부분과 동일하다. 상기 예시와 도 4에 도시된 대표적인 예시간의 차이점은 저항 R이 설정값 R1 보다 큰 경우에 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 후술하는 바와 같이 증가된다는 점이다.
저항값 R이 설정값 R1 보다 큰 경우, 상기 판정장치(A)(S43)는 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정하고, 상기 연료가스유량제어장치 및/또는 연료가스압제어장치가 (수분수송촉진제어개시장치(A)(S44)에 의하여) 작동된다. 이러한 개시장치(A)(S44)는 판정장치(C)에 의하여(즉, 압력강하측정)(S45) 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정될 때까지, 1회 이상 연료가스압제어장치 및/또는 연료가스유량제어장치를 운전하고, 이때 상기 운전은 상기 판정을 토대로 (수분수송촉진제어중단장치(A)에 의하여) 정지된다. 다음으로, 상기 산화가스유량제어장치 및/또는 산화가스압제어장치가 (수분수송억제제어개시장치(A)(S46)에 의하여) 운전된다. 이러한 개시장치(A)(A46)는 상기 판정장치(D)에 의하여(즉, 압력강하측정)(S47) 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 과도한 것으로 판정될 때까지, 1회 이상 산화가스압제어장치 및/또는 산화가스유량제어장치를 운전하고, 이때 상기 운전은 상기 판정을 토대로 (수분수송억제제어중단장치(A)에 의하여) 정지된다. 최종적으로, 상기 판정장치(A)(즉, 저항 측정)에 의하여 상기 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 불충분한지의 여부가 판정된다. 상기 물의 양이 불충분하다면, 상기 수분수송촉진제어개시장치(A)(S44)가 연료가스유량제어장치 및/또는 연료가스압제어장치를 다시 운전한다. 다른 한편으로, 상기 물의 양이 불충분하지 않은 경우에는, 연료전지의 운전이 계속된다(S49).
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지시스템에 의하면, 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정될 때, 상기 수분수송촉진제어개시장치(A)를 이용하여 산화가스유로 출구 부근으로부터 산화가스유로 입구 부근으로의 이송을 촉진한 후에 상기 수분수송억제제어개시장치(A)를 이용하여 상기 산화가스유로 출구 부근의 물의 양을 증가시킴으로써, 너무 많지도 않고 너무 적지도 않은 적절한 양의 물이 산화가스유로 입구 및 출구 부근에 유지될 수 있다. 또한, 본 발명의 연료전지시스템에 의하면, 상기 부족수량최종판정장치(A)로부터의 결과들을 토대로 일련의 단계들을 다시 반복함으로써, 전체 산화가스유로 내에 물이 고르지 않게 분포되는 것을 방지할 수 있게 된다.
동일한 관점에서, 본 발명의 연료전지의 운전방법의 일 모드가 다음과 같이 구성될 수도 있다. 즉, 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정되는 경우, 상기 연료가스의 화학양론비는 1.0 내지 10까지의 범위 이내로 증가되고, 및/또는 상기 연료가스압은 대기압 내지 0.3 MPa까지의 범위 이내로 감소되는 것이 1회 이상 수행된다. 그 후, 상기 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정된 다음, 연료가스제어가 중단된다. 다음으로, 상기 산화가스의 화학양론비는 1.0 내지 3.0까지의 범위 이내로 감소되고, 및/또는 상기 산화가스압은 대기압 내지 0.3 MPa까지의 범위 이내로 증가되는 것이 1회 이상 수행된다. 그 후, 상기 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 과도한 것으로 판정된 다음, 산화가스제어가 중단된다. 이 후, 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정되는 경우에는, 연료가스제어가 다시 개시된다. 다른 한편으로, 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 불충분하지 않은 것으로 판정되는 경우에는, 연료전지의 운전이 계속된다.
본 발명의 연료전지시스템의 또 다른 모드는 i) 연료가스제어장치, ii) 산화가스제어장치, iii) 판정장치(A) 및/또는 판정장치(C), iv) 판정장치(B) 및/또는 판정장치(D), v) 수분수송억제제어개시장치(B), vi) 수분수송억제제어중단장치(B), vii) 수분수송촉진제어개시장치(B), viii) 수분수송촉진제어중단장치(B), 및 ix) 부족수량최종판정장치(B)를 포함한다. 상기 수분수송억제제어개시장치(B)는 판정장치(A) 및/또는 판정장치(C)에 의하여 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정된 후, 1회 이상 산화가스제어장치를 운전한다. 상기 수분수송억제제어중단장치(B)는 상기 수분수송억제제어개시장치(B)가 산화가스제어장치를 운전한 후에 판정장치(B) 및/또는 판정장치(D)에 의하여 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 과도한 것으로 판정된 후, 산화가스제어장치를 정지시킨다. 상기 수분수송촉진제어개시장치(B)는 상기 수분수송억제제어중단장치(B)가 산화가스제어장치를 정지시킨 후에 1회 이상 연료가스제어장치를 운전한다. 상기 수분수송촉진제어중단장치(B)는 판정장치(A) 및/또는 판정장치(C)에 의하여 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정된 후, 연료가스제어장치의 모든 요소들을 정지시킨다. 상기 수분수송촉진제어중단장치(B)가 연료가스제어장치의 모든 요소들을 정지시킨 후, 상기 부족수량최종판정장치(B)는 상기 판정장치(A) 및/또는 판정장치(C)에 의하여 상기 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정되는 경우에는 상기 수분수송억제제어개시장치(B)가 상기 산화가스제어장치를 다시 운전하게 하고, 상기 판정장치(A) 및/또는 판정장치(C)에 의하여 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분하지 않은 것으로 판정되는 경우에는 상기 연료전지를 계속 운전시킨다.
도 9는 본 발명의 연료전지의 운전방법을 실시하기 위하여, 바람직한 연료전지시스템의 여섯 번째 대표적인 예시의 루틴을 예시한 흐름도이다. 이제, 연료전지시스템이 고부하 하에 계속해서 작동되고 있는 경우를 가정할 것이다(S51). 이러한 상태로부터 냉각제 온도 T가 측정되고 상기 판정장치(A)가 운전될 때까지는 상술된 다섯째 대표적인 예시(도 8)와 동일하다.
저항값 R이 설정값 R1 보다 큰 경우, 상기 판정장치(A)(S53)는 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정하고, 상기 산화가스유량제어장치 및/또는 산화가스압제어장치가 (수분수송억제제어개시장치(B)(S54)에 의하여) 작동된다. 이러한 개시장치(B)는 판정장치(D)에 의하여(즉, 압력강하측정)(S55) 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 과도한 것으로 판정될 때까지, 1회 이상 산화가스압제어장치 및/또는 산화가스유량제어장치를 운전하고, 이때 상기 운전은 상기 판정을 토대로 (수분수송억제제어중단장치(B)에 의하여) 정지된다. 다음으로, 상기 연료가스유량제어장치 및/또는 연료가스압제어장치가 (수분수송촉진제어개시장치(B)(S56)에 의하여) 운전된다. 이러한 개시장치(B)(A56)는 상기 판정장치(C)에 의하여(즉, 압력강하측정)(S57) 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정될 때까지, 1회 이상 연료가스압제어장치 및/또는 연료가스유량제어장치를 운전하고, 이때 상기 운전은 상기 판정을 토대로 (수분수송촉진제어중단장치(B)에 의하여) 정지된다. 최종적으로, 상기 판정장치(A)(즉, 저항 측정)에 의하여 상기 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 불충분한지의 여부가 판정된다. 상기 물의 양이 불충분하다면, 상기 수분수송억제제어개시장치(B)(S54)가 산화가스유량제어장치 및/또는 산화가스압제어장치를 다시 운전한다. 다른 한편으로, 상기 물의 양이 불충분하지 않은 경우에는, 연료전지의 운전이 계속된다(S59).
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지시스템에 의하면, 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정될 때, 상기 수분수송억제제어개시장치(B)를 이용하여 산화가스유로 출구 부근으로부터 산화가스유로 입구 부근으로의 이송을 억제한 후에, 그리고 충분한 양의 물이 산화가스유로 출구 부근에 축적된 후, 상기 수분수송촉진제어개시장치(B)를 이용하여 상기 산화가스유로 출구 부근으로부터 산화가스유로 입구 부근으로의 물의 이송을 촉진시킴으로써, 너무 많지도 않고 너무 적지도 않은 적절한 양의 물이 산화가스유로 입구 및 출구 부근에 유지될 수 있다. 또한, 본 발명의 연료전지시스템에 의하면, 상기 부족수량최종판정장치(B)로부터의 결과들을 토대로 일련의 단계들을 다시 반복함으로써, 전체 산화가스유로 내에 물이 고르지 않게 분포되는 것을 방지할 수 있게 된다.
동일한 관점에서, 본 발명의 연료전지의 운전방법의 일 모드가 다음과 같이 구성될 수도 있다. 즉, 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정되는 경우, 상기 산화가스의 화학양론비는 1.0 내지 3.0까지의 범위 이내로 감소되고, 및/또는 상기 산화가스압은 대기압 내지 0.3 MPa까지의 범위 이내로 증가되는 것이 1회 이상 수행된다. 그 후, 상기 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 과도한 것으로 판정된 다음, 산화가스제어가 중단된다. 다음으로, 상기 연료가스의 화학양론비는 1.0 내지 10까지의 범위 이내로 증가되고, 및/또는 상기 연료가스압은 대기압 내지 0.3 MPa까지의 범위 이내로 감소되는 것이 1회 이상 수행된다. 그 후, 상기 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정된 다음, 연료가스제어가 중단된다. 이 후, 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정되는 경우에는, 산화가스제어가 다시 개시된다. 다른 한편으로, 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 불충분하지 않은 것으로 판정되는 경우에는, 연료전지의 운전이 계속된다.
본 발명의 연료전지시스템의 또 다른 모드는 i) 연료가스제어장치, ii) 산화가스제어장치, iii) 판정장치(A) 및/또는 판정장치(C), iv) 판정장치(B) 및/또는 판정장치(D), v) 약간과도수분수송촉진제어개시장치, vi) 약간과도수분수송촉진제어중단장치, vii) 수분수송억제제어개시장치(C), viii) 수분수송억제제어중단장치(C), ix) 수분수송촉진제어개시장치(C), 및 x) 수분수송촉진제어중단장치(C)를 포함한다. 상기 약간과도수분수송촉진제어개시장치는 1회 이상 연료가스제어장치를 운전한다. 상기 약간과도수분수송촉진제어중단장치는 상기 약간과도수분수송촉진제어개시장치가 연료가스제어장치를 운전한 후에 상기 판정장치(A) 및/또는 판정장치(C)에 의하여 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정된 다음, 연료가스제어장치를 정지시킨다. 상기 수분수송억제제어개시장치(C)는 상기 약간과도수분수송촉진제어중단장치가 연료가스제어장치를 정지시킨 다음에 산화가스제어장치를 운전한다. 상기 수분수송억제제어중단장치(C)는 상기 판정장치(B) 및/또는 판정장치(D)에 의하여 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 과도한 것으로 판정된 후에 상기 산화가스제어장치의 모든 요소들을 정지시킨다. 상기 수분수송촉진제어개시장치(C)는 상기 수분수송억제제어중단장치(C)가 산화가스제어장치의 모든 요소들을 정지시킨 후에 연료가스제어장치를 운전한다. 상기 수분수송촉진제어개시장치(C)가 연료가스제어장치를 운전한 후, 상기 수분수송촉진제어중단장치(C)는 판정장치(A) 및/또는 판정장치(C)에 의하여 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정되는 경우에는 상기 수분수송억제제어개시장치(C)가 상기 산화가스제어장치를 다시 운전하게 하고, 상기 판정장치(A) 및/또는 판정장치(C)에 의하여 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분하지 않은 것으로 판정되는 경우에는 상기 연료가스제어장치를 정지시키고 상기 연료전지를 계속 운전한다.
도 10은 본 발명의 연료전지의 운전방법을 실시하기 위하여, 바람직한 연료전지시스템의 일곱 번째 대표적인 예시의 루틴을 예시한 흐름도이다. 이제, 연료전지시스템이 고부하 하에 계속해서 작동되고 있는 경우를 가정할 것이다(S61). 운전 시, 냉각제 온도 T가 상술된 냉각제온도측정장치에 의하여 매 10초 내지 10분 측정된다(S62). 이때, 상기 측정된 냉각제 온도 T가 설정값 T1과 같거나 또는 그보다 작은 경우에는, 운전이 계속된다(S61). 다른 한편으로, 냉각제 온도 T가 설정값 T1 보다 큰 경우에는, 상기 연료가스유량제어장치 및/또는 연료가스압제어장치가 (약간과도수분수송촉진제어개시장치에 의하여) 운전된다(S63). 이러한 개시장치(S63)는 상기 판정장치(A)(즉, 저항 측정)(S64)에 의하여 상기 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정될 때까지 1회 이상 연료가스유량제어장치 및/또는 연료가스압제어장치를 운전하고, 이때 상기 운전은 상기 판정을 토대로 (약간과도수분수송촉진제어중단장치에 의하여) 정지된다. 즉, 이 시점까지의 운전 단계들은 연료전지에서의 이상의 일부 소트가 냉각제온도측정장치(62)에 의해 보다 일찍 검출된 다음, 상기 산화가스유로에서의 이상 위치를 판정하지 않고도, 산화가스유로 출구 부근으로부터 연료가스유로를 통해 산화가스유로 입구 부근으로의 단지 약간 과도한 양의 물의 이송을 촉진시킴으로써, 산화가스유로 출구 부근의 물의 양을 일시적으로 불충분하게 한다.
상기 약간과도수분수송촉진제어중단장치가 연료가스유량제어장치 및/또는 연료가스압제어장치를 정지시킨 후, 상기 산화가스유량제어장치 및/또는 산화가스압제어장치가 (수분수송억제제어개시장치(C)에 의하여) 운전된다(S65). 이러한 개시장치(C)는 상기 판정장치(B)(즉, 전압 측정)(S66)에 의하여 상기 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 과도한 것으로 판정될 때까지 1회 이상 산화가스유량제어장치 및/또는 산화가스압제어장치를 운전하고, 이때 상기 운전은 상기 판정을 토대로 (수분수송억제제어중단장치(C)에 의하여) 정지된다. 다음으로, 연료가스유량제어장치 및/또는 연료가스압제어장치가 (수분수송촉진제어개시장치(C)에 의하여) 운전된다(S67). 최종적으로, 상기 판정장치(A)(즉, 저항 측정)(S68)에 의하여 상기 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 불충분한지의 여부가 판정된다. 상기 물의 양이 불충분하다면, 상기 수분수송억제제어개시장치(C)(S65)가 산화가스유량제어장치 및/또는 산화가스압제어장치를 다시 운전한다. 다른 한편으로, 상기 물의 양이 불충분하지 않은 경우에는, 연료전지의 운전이 계속된다(S69).
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지시스템에 의하면, 먼저 약간과도수분수송촉진제어개시장치를 이용하여 산화가스유로 출구 부근의 물의 양을 적절하게 불충분하게 한 다음, 수분수송억제제어개시장치(C)를 이용하여 산화가스유로 출구 부근으로부터 산화가스유로 입구 부근으로의 물의 이송을 억제하며, 그리고 충분한 양의 물이 산화가스유로 출구 부근에 축적되어, 수분수송촉진제어개시장치(C)를 이용하여 산화가스유로 출구 부근으로부터 산화가스유로 입구 부근으로의 물의 이송을 촉진시킨 다음, 상기 산화가스유로 입구 및 출구 부근에 너무 많지도 않고 너무 적지도 않은 적절한 양의 물이 유지될 수 있다. 또한, 본 발명의 연료전지시스템은 촉매층에 습식 이력을 제공하지 않기 때문에, (촉매층 내의 세공들이 촉매를 의도적으로 산화시켜 차단되는 촉매층과 같이) 일단 습식되면 그 원래 성능을 유지할 수 없는 촉매층을 구비한 연료전지를 포함할 때 특히 효과적이다.
동일한 관점에서, 본 발명의 연료전지의 운전방법의 또 다른 모드가 다음과 같이 구성될 수도 있다. 즉, 상기 연료가스의 화학양론비가 1.0 내지 10까지의 범위 이내로 증가되고, 및/또는 상기 연료가스압은 대기압 내지 0.3 MPa까지의 범위 이내로 감소되는 것이 1회 이상 수행된다. 그 후, 상기 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정된 다음, 연료가스제어가 중단된다. 다음으로, 상기 산화가스의 화학양론비는 1.0 내지 3.0까지의 범위 이내로 감소되고, 및/또는 상기 산화가스압은 대기압 내지 0.3 MPa까지의 범위 이내로 증가되는 것이 1회 이상 수행된다. 그 후, 상기 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 과도한 것으로 판정된 다음, 산화가스제어가 중단된다. 이후, 상기 연료가스의 화학양론비가 1.0 내지 10까지의 범위 이내로 증가되고, 및/또는 상기 연료가스압은 대기압 내지 0.3 MPa까지의 범위 이내로 감소된다. 이 후, 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정되는 경우에는, 산화가스제어가 다시 개시된다. 다른 한편으로, 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 불충분하지 않은 것으로 판정되는 경우에는, 연료가스제어가 중단되고, 상기 연료전지의 운전이 계속된다.
본 발명의 연료전지시스템의 또 다른 모드는 i) 연료가스제어장치, ii) 산화가스제어장치, iii) 판정장치(A) 및/또는 판정장치(C), iv) 판정장치(B) 및/또는 판정장치(D), v) 약간과도수분수송억제제어개시장치, vi) 약간과도수분수송억제제어중단장치, vii) 수분수송촉진제어개시장치(D), viii) 수분수송촉진제어중단장치(D), ix) 수분수송억제제어개시장치(D), 및 x) 수분수송억제제어중단장치(D)를 포함한다. 상기 약간과도수분수송억제제어개시장치는 1회 이상 산화가스제어장치를 운전한다. 상기 약간과도수분수송억제제어중단장치는 상기 약간과도수분수송억제제어개시장치가 산화가스제어장치를 운전한 후에 상기 판정장치(B) 및/또는 판정장치(D)에 의하여 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 과도한 것으로 판정된 다음, 산화가스제어장치를 정지시킨다. 상기 수분수송촉진제어개시장치(D)는 상기 약간과도수분수송억제제어중단장치가 산화가스제어장치를 정지시킨 다음에 연료가스제어장치를 운전한다. 상기 수분수송촉진제어중단장치(D)는 상기 판정장치(A) 및/또는 판정장치(C)에 의하여 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정된 후에 상기 연료가스제어장치의 모든 요소들을 정지시킨다. 상기 수분수송억제제어개시장치(D)는 상기 수분수송촉진제어중단장치(D)가 연료가스제어장치의 모든 요소들을 정지시킨 후에 산화가스제어장치를 운전한다. 상기 수분수송억제제어개시장치(D)가 산화가스제어장치를 운전한 후, 상기 수분수송억제제어중단장치(D)는 판정장치(B) 및/또는 판정장치(D)에 의하여 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 과도한 것으로 판정되는 경우에는 상기 수분수송촉진제어개시장치(D)가 상기 연료가스제어장치를 다시 운전하게 하고, 상기 판정장치(B) 및/또는 판정장치(D)에 의하여 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도하지 않은 것으로 판정되는 경우에는 상기 산화가스제어장치를 정지시키고 상기 연료전지를 계속 운전한다.
도 11은 본 발명의 연료전지의 운전방법을 실시하기 위하여, 바람직한 연료전지시스템의 여덟 번째 대표적인 예시의 루틴을 예시한 흐름도이다. 이제, 연료전지시스템이 고부하 하에 계속해서 작동되고 있는 경우를 가정할 것이다(S71). 운전 시, 냉각제 온도 T는 상술된 냉각제온도측정장치에 의하여 매 10초 내지 10분 측정된다(S72). 이때, 상기 측정된 냉각제 온도 T가 설정값 T1과 같거나 또는 그보다 작은 경우에는, 운전이 계속된다(S71). 다른 한편으로, 냉각제 온도 T가 설정값 T1 보다 큰 경우에는, 상기 산화가스유량제어장치 및/또는 산화가스압제어장치가 (약간과도수분수송억제제어개시장치에 의하여) 운전된다(S73). 이러한 개시장치(S73)는 상기 판정장치(B)(즉, 전압 측정)(S74)에 의하여 상기 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 과도한 것으로 판정될 때까지, 1회 이상 산화가스유량제어장치 및/또는 산화가스압제어장치를 운전하고, 이때 상기 운전은 상기 판정을 토대로 (약간과도수분수송억제제어중단장치에 의하여) 정지된다. 즉, 이 시점까지의 운전 단계들은 상기 연료전지에서의 이상의 일부 소트가 냉각제온도측정장치(72)에 의해 보다 일찍 검출된 다음, 상기 산화가스유로에서의 이상 위치를 판정하지 않고도, 산화가스유로 출구 부근으로부터 연료가스유로를 통해 산화가스유로 입구 부근으로의 단지 약간 과도한 양의 물의 이송을 억제시킴으로써 산화가스유로 출구 부근의 물의 양을 일시적으로 과도하게 한다.
상기 약간과도수분수송억제제어중단장치가 산화가스유량제어장치 및/또는 산화가스압제어장치를 정지시킨 후, 상기 연료가스유량제어장치 및/또는 연료가스압제어장치가 (수분수송촉진제어개시장치(D)에 의하여) 운전된다(S75). 이러한 개시장치(D)는 상기 판정장치(A)(즉, 저항 측정)(S76)에 의하여 상기 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정될 때까지 1회 이상 연료가스유량제어장치 및/또는 연료가스압제어장치를 운전하고, 이때 상기 운전은 상기 판정을 토대로 (수분수송촉진제어중단장치(D)에 의하여) 정지된다. 다음으로, 산화가스유량제어장치 및/또는 산화가스압제어장치가 (수분수송억제제어개시장치(D)에 의하여) 운전된다(S77). 최종적으로, 상기 판정장치(B)(즉, 전압 측정)(S78)에 의하여 상기 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 과도한지의 여부가 판정된다. 상기 물의 양이 과도하다면, 상기 수분수송촉진제어개시장치(D)(S75)가 연료가스유량제어장치 및/또는 연료가스압제어장치를 다시 운전한다. 다른 한편으로, 상기 물의 양이 과도하지 않은 경우에는, 연료전지의 운전이 계속된다(S79).
이러한 종류의 구조를 갖는 연료전지시스템에 의하면, 먼저 상기 약간과도수분수송억제제어개시장치를 이용하여 산화가스유로 출구 부근의 물의 양을 적절하게 과도하게 한 다음, 수분수송촉진제어개시장치(D)를 이용하여 산화가스유로 출구 부근으로부터 산화가스유로 입구 부근으로의 물의 이송을 촉진한 후, 상기 수분수송억제제어개시장치(D)를 이용하여 산화가스유로 출구 부근의 물의 양을 증가시킴으로써, 상기 산화가스유로 입구 및 출구 부근에 너무 많지도 않고 너무 적지도 않은 적절한 양의 물이 유지될 수 있다. 또한, 본 발명의 연료전지시스템은 전해질막에 건식 이력을 제공하지 않기 때문에, (퍼플루오로카본 술포네이트 전해질막과 같이) 일단 습식되면 그 원래 성능을 유지할 수 없는 전해질막을 구비한 연료전지를 포함할 때 특히 효과적이다.
동일한 관점에서, 본 발명의 연료전지의 운전방법의 일 모드가 다음과 같이 구성될 수도 있다. 즉, 1회 이상 상기 산화가스의 화학양론비가 1.0 내지 3.0까지의 범위 이내로 감소되고, 및/또는 상기 산화가스압은 대기압 내지 0.3 MPa까지의 범위 이내로 증가된다. 그 후, 상기 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 과도한 것으로 판정된 다음, 산화가스제어가 중단된다. 다음으로, 상기 연료가스의 화학양론비는 1.0 내지 10까지의 범위 이내로 증가되고, 및/또는 상기 연료가스압은 대기압 내지 0.3 MPa까지의 범위 이내로 감소되는 것이 1회 이상 수행된다. 그 후, 상기 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 불충분한 것으로 판정된 다음, 연료가스제어가 중단된다. 다음으로, 상기 산화가스의 화학양론비가 1.0 내지 3.0까지의 범위 이내로 감소되고, 및/또는 상기 산화가스압은 대기압 내지 0.3 MPa까지의 범위 이내로 증가된다. 이 후, 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 과도한 것으로 판정되는 경우에는, 연료가스제어가 다시 개시된다. 다른 한편으로, 산화가스유로 출구 부근의 물의 양이 과도하지 않은 것으로 판정되는 경우에는, 산화가스제어가 중단되고, 상기 연료전지의 운전이 계속된다.
본 발명의 연료전지의 운전방법 및 이러한 운전방법을 실시하기에 바람직한 연료전지시스템에 의하면, 산화가스유로 출구 부근의 물이 중합체전해질막을 통해 연료가스유로 입구 부근으로 이송된 후에, 상기 연료가스 내의 대량의 물을 연료가스유로 출구 부근으로 이송시켜, 상기 연료가스유로 출구 부근으로부터 중합체전해질막을 통해 산화가스유로 입구 부근으로 대량의 물이 이송될 수 있다. 이에 따라, 관련 기술분야에서 건식되는 경향이 있는 산화가스유로 입구 부근뿐만 아니라 관련 기술분야에서 습식되는 경향이 있는 산화가스유로 출구 부근의 물의 양을 조정하는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 비가습 상태 및/또는 고온 상태 하에서도 단일 전지의 표면상에서 물이 고르지 않게 분포되는 것을 막을 수 있게 된다. 또한, 본 발명의 연료전지시스템은 판정장치를 구비하여, 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 불충분한지를 정확하게 확인할 수 있게 된다.
본 발명의 연료전지의 바람직한 운전방법 및 이러한 운전방법을 실시하기에 바람직한 연료전지시스템에 의하면, 산화가스유로 출구 부근의 물이 중합체전해질막을 통해 연료가스유로 입구 부근으로 이송된 후에, 상기 연료가스 내의 대량의 물을 연료가스유로 출구 부근으로 이송시켜, 상기 연료가스유로 출구 부근으로부터 중합체전해질막을 통해 산화가스유로 입구 부근으로 대량의 물이 이송될 수 있다. 이에 따라, 관련 기술분야에서 건식되는 경향이 있는 산화가스유로 입구 부근뿐만 아니라 관련 기술분야에서 습식되는 경향이 있는 산화가스유로 출구 부근의 물의 양을 조정하는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 비가습 상태 및/또는 고온 상태 하에서도 단일 전지의 표면상에서 물이 고르지 않게 분포되는 것을 막을 수 있게 된다. 또한, 본 발명에 따르면, 본 발명의 연료전지시스템 외부로 배출되고 산화가스에 의하여 운반되는 물의 양을 유지시켜, 상기 산화가스유로 출구 부근에 물이 축적될 수 있게 된다. 나아가, 본 발명의 연료전지시스템은 판정장치를 구비하여, 상기 산화가스유로 입구 및 출구 부근의 물의 양이 불충분하거나 과도한지를 정확하게 확인할 수 있게 된다.
다음으로, 예시들을 기술하기로 한다. 이하, 공급되는 연료가스량의 변화에 따른 압력강하, 이슬점-습도, 및 발전 성능의 측정을 설명하기로 한다. 연료가스로서 사용되는 수소가스의 화학양론비의 변화에 대하여, 전지 전압 E(V), 전지 저항 R(mΩ x cm2), 애노드 출구 이슬점-습도(%), 캐소드 출구 이슬점-습도(%), 수소가스압력강하(kPa), 및 공기압력강하(kPa)의 변화들이 상술된 막전극접합체를 구비한 단일 전지에 대해 측정되었으며, 여기서 연료가스유로와 산화가스유로는 연료가스(즉, 수소가스)와 산화가스(즉, 공기)가 대향하는 방향으로 유동하도록 배치된다. 구체적인 시험 조건들은 다음과 같다.
전류 밀도 : 1.0 A/cm2
냉각제 출구 온도 : 80℃
수소가스유량 : 1.2 내지 6.0의 화학양론비로 점진적으로 증가되어 측정됨
공기유량 : 1.3, 1.5 및 1.6의 화학양론비에서 각각 측정됨
가스압 : 수소가스와 공기 양자 모두에 대하여 200 kPa x Abs
가스유로 입구습도 : 수소가스유로 또는 공기유로 어느 곳에도 습기는 없음
도 12는 수소가스의 화학양론비의 변화에 따른 전지 전압의 변화를 도시한 그래프이고, 도 13은 수소가스의 화학양론비의 변화에 따른 전지 저항의 변화를 도시한 그래프이다. 그래프에서 백색 원들은 공기의 화학양론비가 1.3일 때의 데이터를 나타낸다. 그래프에서 백색 네모들은 공기의 화학양론비가 1.5일 때의 데이터를 나타내고, 그래프에서 백색 세모들은 공기의 화학양론비가 1.6일 때의 데이터를 나타낸다. 도 12에 도시된 바와 같이, 이들 화학양론비 모두에서, 즉 1.3, 1.5 및 1.6에서, 상기 전지 전압은 수소가스의 화학양론비가 대략 2.5 정도일 때 국부적인 최대값을 가진다. 또한, 도 13에 도시된 바와 같이, 1.5 및 1.6의 공기 화학양론비에서는, 상기 전지 저항이 수소가스의 화학양론비가 2.5 정도일 때 국부적인 최소값을 가진다.
도 14는 수소가스의 화학양론비의 변화에 따른 애노드 출구에서의 이슬점-습도의 변화를 도시한 그래프이고, 도 15는 수소가스의 화학양론비의 변화에 따른 캐소드 출구에서의 이슬점-습도의 변화를 도시한 그래프이다. 상기 그래프에서 백색 원, 백색 네모 및 백색 세모들은 도 12 및 도 13에서와 같은 데이터를 나타낸다. 연료가스유로 출구로부터 배출되는 애노드 배수의 일부는 전해질막을 통과하여 상기 전해질막의 대향하는 측에서 산화가스유로 입구로 이송된다. 그러므로, 애노드 출구 이슬점-습도를 체크하여, 산화가스유로 입구에서의 물의 양을 알 수 있게 된다. 또한, 캐소드 출구 이슬점-습도를 체크하여, 산화가스유로 출구에서의 물의 양을 알 수 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, 공기의 화학양론비가 1.5 및 1.6에서는, 애노드 출구 이슬점-습도가 수소가스의 화학양론비가 대략 2.5 정도일 때 국부적인 최대값 정도를 가진다. 첨언하면, 공기의 화학양론비가 1.3(즉, 백색 원)인 경우에는, 수소가스의 화학양론비가 증가되더라도, 애노드 출구 이슬점-습도가 포화상태로 유지되는 동안 고습도가 유지된다. 또한, 도 15에 도시된 바와 같이, 공기의 화학양론비 각각, 즉 1.3, 1.5 및 1.6에서는, 수소가스의 화학양론비가 대략 2.5 정도일 때, 실질적으로 단조 감소하는 캐소드 출구 이슬점-습도의 그래프 상의 변곡점(inflection point)이 있게 된다.
도 16은 수소가스의 화학양론비의 변화에 따른 수소가스압력강하의 변화를 도시한 그래프이다. 첨언하면, 이때의 공기 화학양론비는 1.5이다. 상기 그래프로부터, 수소가스압력강하는 수소가스의 화학양론비에 비례하여 증가한다는 것이 분명하게 된다.
도 17은 수소가스의 화학양론비의 변화에 따른 공기압력강하의 변화를 도시한 그래프이다. 첨언하면, 이때의 공기 화학양론비는 1.6이다. 상기 그래프로부터, 공기압력강하는 상술된 바와 같이 전압 및 저항값들이 최고인 수소가스의 화학양론비이기도 한 대략 2.5의 수소가스의 화학양론비에서 급감한다는 것이 분명하다.
이제, 공급되는 연료가스량이 발전 성능면에서 그리고 단일 전지의 표면상의 불균등 물 분포면에서 갖는 효과들을 조사하기로 한다. 상술된 발전 성능 측정치로부터, 최고의 발전 성능은 수소가스의 화학양론비가 1.5 내지 3.0까지의 범위 이내에 있을 때 얻어지는 것이 분명한데, 그 이유는 전지 전압의 국부적인 최대값이 그 화학양론비가 대략 2.5 정도일 때 얻어지고, 상기 전지 저항의 국부적인 최소값은 그 화학양론비가 대략 2.5 정도일 때 얻어지기 때문이다. 또한, 상술된 이슬점-습도 측정치로부터, 연료가스유로로부터 산화가스유로로 전해질막을 통과하는 물의 양의 최고 증가 효율은 수소가스의 화학양론비가 1.0 내지 4.0 사이의 범위 이내에 있을 때 성취되는 것이 분명한데, 그 이유는 애노드 출구 이슬점-습도의 그래프 상의 국부적인 최대값이 그 화학양론비가 대략 2.5 정도일 때 얻어지고, 또한 그 화학양론비가 대략 2.5 정도일 때 캐소드 출구 이슬점-습도의 그래프 상에 변곡점이 있기 때문이다. 더욱이, 상술된 압력강하 측정치들로부터, 공기압력강하는 상술된 바와 같이, 전압과 저항값들이 최고인 수소가스의 화학양론비이기도 한 대략 2.5의 수소가스의 화학양론비에서 급감한다는 것이 분명하다. 그러므로, 하기는 공급되는 연료가스량이 발전 성능, 가스압력강하면에서 그리고 단일 전지의 표면상의 불균등 물 분포면에서 갖는 효과에 관하여 고려될 수 있다.
수소가스의 화학양론비가 1.0 미만인 경우, 도 2에 도시된 물의 순환을 차단하는 수소가스에 의해 운반되는 물의 양이 감소한다. 그 결과, 상기 물이 단일 전지의 표면상에 고르지 않게 분포하게 되고, 이는 발전 성능의 저하를 초래하게 된다. 나아가, 불균등한 물의 분포는 산화가스유로의 국부화된 클로깅(clogging)을 초래하는데, 이는 공기가스압력강하를 증가시키게 된다. 또한, 수소가스의 화학양론비가 4.0을 초과하는 경우에는, 수소가스에 의해 운반되는 물의 양이 필요한 것보다 많이 증가하여, 연료가스유로 입구에서의 전해질막이 건식되게 된다. 그 결과, 산화가스유로 출구로부터 연료가스유로 입구로 전해질막을 통과하는 물의 양이 감소하는데, 이는 발전 성능의 저하를 초래하게 된다. 나아가, 물의 양의 감소는 산화가스유로가 건식되게 만들어, 공기가스압력강하가 저하되게 된다.
따라서, 예시적인 실시예에 공급되는 연료가스량의 변화에 따른 발전 성능, 이슬점-습도 및 압력강하를 측정함으로써, 연료가스의 한 가지 타입인 수소가스의 화학양론비가 1.0 내지 4.0 사이의 범위 내에 있을 때, 전해질막이 건조해지지 않으면서도 발전 성능의 저하를 막을 수 있고, 산화가스유로 입구 부근의 물의 양이 증가될 수 있다는 것이 분명해졌다.

Claims (32)

  1. 중합체전해질막이 한 쌍의 전극 사이에 끼워지는 막전극접합체를 포함하는 단일 전지를 갖는 스택을 구비하는 연료전지가 제공되고, 연료가스와 산화가스를 연료전지에 공급하여, i) 습기가 없거나 또는 ii) 막전극접합체의 온도가 70℃ 이상이라는 조건 중 한 가지 이상의 조건 하에 운전되는 연료전지시스템에 있어서,
    상기 연료전지는 상기 막전극접합체의 일 측에는 연료가스유로를, 그리고 상기 막전극접합체의 타 측에는 산화가스유로를 구비하며,
    상기 연료가스유로와 상기 산화가스유로는 상기 연료가스와 상기 산화가스가 반대 방향으로 유동하도록 배치되고,
    상기 연료전지시스템은,
    상기 산화가스유로 입구 부근의 수량을 판정하는 판정장치; 및
    상기 판정장치가 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정한 경우, 상기 연료가스유량을 증가시키는 것 및 상기 연료가스압을 감소시키는 것 중 하나 이상을 수행하여 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량을 증가시키는 연료가스제어장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산화가스유로 입구 부근 및 산화가스유로 출구 부근 중 하나 이상의 수량을 판정하는 판정장치; 및
    i) 상기 판정장치에서 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분한 것 및 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도한 것 중 하나 이상으로 판정되는 경우, 상기 연료가스유량을 증가시키는 것 및 상기 연료가스압을 감소시키는 것 중 하나 이상을 수행하여 상기 산화가스유로 출구 부근에서 상기 연료가스유로를 통한 상기 산화가스유로 입구 부근으로의 물의 이송을 촉진시킴으로써 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량을 증가시키고 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량을 감소시키는 연료가스제어장치, 또는 ii) 상기 판정장치에서 상기 산화가스유로 입구 부근 및 상기 산화가스유로 출구 부근 중 하나 이상의 수량이 불충분한 것으로 판정되는 경우, 상기 산화가스유량을 감소시키는 것 및 상기 산화가스압을 증가시키는 것 중 하나 이상을 수행하여 상기 산화가스유로 출구측으로부터 상기 연료가스유로 입구측으로 이송될 수 있는 수량을 증가시키고, 상기 산화가스에 의하여 상기 전지 밖으로 운반되는 수량을 감소시키는 산화가스제어장치 중 하나 이상을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    산화가스공급장치가 또한 제공되고, 상기 산화가스제어장치는 상기 산화가스공급장치를 조정하여 산화가스유량을 감소시키는 산화가스유량제어장치인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 산화가스유량제어장치는 산화가스의 화학양론비를 1.0 ~ 3.0의 범위 이내로 감소시키도록 상기 산화가스공급장치를 조정하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 산화가스유로 출구 부근에 배치되어 상기 산화가스의 압력을 조절하는 산화가스압조절밸브를 더 포함하여 이루어지고,
    상기 산화가스제어장치는 상기 산화가스압조절밸브를 조정하여 산화가스압을 증가시키는 산화가스압제어장치인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 산화가스압제어장치는 산화가스압을 대기압 ~ 0.3 MPa의 범위 이내로 증가시키도록 상기 산화가스압조절밸브를 조정하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 판정장치는, 전체 연료전지의 저항값을 측정하고, 상기 저항값이 복수의 온도 각각에서 상기 단일 전지 및 스택 중 하나 이상의 미리 측정된 저항의 최소값의 105%를 초과할 때, 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분한 것 및 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분한 것 중 하나 이상으로 판정하는 제1판정장치인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 판정장치는, 전체 연료전지의 저항값과 전압을 측정하고, 상기 저항값이 복수의 온도 각각에서 상기 단일 전지 및 스택 중 하나 이상의 미리 측정된 저항의 최소값의 105%보다 작고, 상기 전압은 복수의 온도 각각에서 상기 단일 전지 및 스택 중 하나 이상의 미리 측정된 전압의 최대값의 95%보다 작을 때, 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 과도한 것 및 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도한 것 중 하나 이상으로 판정하는 제2판정장치인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 판정장치는, 상기 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 압력강하를 측정하고, 상기 압력강하가 상기 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 미리 측정된 압력강하의 최소값의 105%보다 작을 때, 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분한 것 및 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분한 것 중 하나 이상으로 판정하는 제3판정장치인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 판정장치는, 상기 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 압력강하를 측정하고, 상기 압력강하가 상기 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 미리 측정된 압력강하의 최대값의 105%를 초과할 때, 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 과도한 것 및 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도한 것 중 하나 이상으로 판정하는 제4판정장치인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  11. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    연료가스제어장치;
    산화가스제어장치;
    제7항에 따른 제1판정장치 및 제9항에 따른 제3판정장치 중 하나 이상의 판정장치;
    제8항에 따른 제2판정장치 및 제10항에 따른 제4판정장치 중 하나 이상의 판정장치;
    상기 제1판정장치 및 제3판정장치 중 하나 이상의 판정장치가 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정한 후, 상기 연료가스제어장치를 1회 이상 운전하는 수분수송촉진제어개시장치;
    수분수송촉진제어개시장치가 상기 연료가스제어장치를 운전한 후, 상기 제1판정장치 및 제3판정장치 중 하나 이상의 판정장치가 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정한 후, 상기 연료가스제어장치를 정지시키는 수분수송촉진제어중단장치;
    상기 수분수송촉진제어중단장치가 상기 연료가스제어장치를 정지시킨 후, 상기 산화가스제어장치를 1회 이상 운전하는 수분수송억제제어개시장치;
    상기 제2판정장치 및 제4판정장치 중 하나 이상의 판정장치가 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도한 것으로 판정한 후, 상기 산화가스제어장치의 모든 요소를 정지시키는 수분수송억제제어중단장치; 및
    상기 수분수송억제제어중단장치가 상기 산화가스제어장치의 모든 요소를 정지시킨 후, 상기 제1판정장치 및 제3판정장치 중 하나 이상의 판정장치가 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정하는 경우에는 상기 수분수송촉진제어개시장치가 상기 연료가스제어장치를 다시 운전하게 하고, 상기 제1판정장치 및 제3판정장치 중 하나 이상의 판정장치가 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분하지 않은 것으로 판정하는 경우에는 상기 연료전지를 계속 운전하게 하는 부족수량최종판정장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  12. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    연료가스제어장치;
    산화가스제어장치;
    제7항에 따른 제1판정장치 및 제9항에 따른 제3판정장치 중 하나 이상의 판정장치;
    제8항에 따른 제2판정장치 및 제10항에 따른 제4판정장치 중 하나 이상의 판정장치;
    상기 제1판정장치 및 제3판정장치 중 하나 이상의 판정장치가 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정한 후, 상기 산화가스제어장치를 1회 이상 운전하는 수분수송억제제어개시장치;
    수분수송억제제어개시장치가 상기 산화가스제어장치를 운전한 후, 상기 제2판정장치 및 제4판정장치 중 하나 이상의 판정장치가 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도한 것으로 판정한 후, 상기 산화가스제어장치를 정지시키는 수분수송억제제어중단장치;
    상기 수분수송억제제어중단장치가 상기 산화가스제어장치를 정지시킨 후, 상기 연료가스제어장치를 1회 이상 운전하는 수분수송촉진제어개시장치;
    상기 제1판정장치 및 제3판정장치 중 하나 이상의 판정장치가 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정한 후, 상기 연료가스제어장치의 모든 요소를 정지시키는 수분수송촉진제어중단장치; 및
    상기 수분수송촉진제어중단장치가 상기 연료가스제어장치의 모든 요소를 정지시킨 후, 상기 제1판정장치 및 제3판정장치 중 하나 이상의 판정장치가 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정하는 경우에는 상기 수분수송억제제어개시장치가 상기 산화가스제어장치를 다시 운전하게 하고, 상기 제1판정장치 및 제3판정장치 중 하나 이상의 판정장치가 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분하지 않은 것으로 판정하는 경우에는 상기 연료전지를 계속 운전하게 하는 부족수량최종판정장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  13. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    연료가스제어장치;
    산화가스제어장치;
    제7항에 따른 제1판정장치 및 제9항에 따른 제3판정장치 중 하나 이상의 판정장치;
    제8항에 따른 제2판정장치 및 제10항에 따른 제4판정장치 중 하나 이상의 판정장치;
    상기 연료가스제어장치를 1회 이상 운전하는 약간과도수분수송촉진제어개시장치;
    상기 약간과도수분수송촉진제어개시장치가 상기 연료가스제어장치를 운전한 후, 상기 제1판정장치 및 제3판정장치 중 하나 이상의 판정장치가 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정한 후, 상기 연료가스제어장치를 정지시키는 약간과도수분수송촉진제어중단장치;
    상기 약간과도수분수송촉진제어중단장치가 상기 연료가스제어장치를 정지시킨 후, 상기 산화가스제어장치를 운전하는 수분수송억제제어개시장치;
    상기 제2판정장치 및 제4판정장치 중 하나 이상의 판정장치가 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도한 것으로 판정한 후, 상기 산화가스제어장치의 모든 요소를 정지시키는 수분수송억제제어중단장치;
    상기 수분수송억제제어중단장치가 상기 산화가스제어장치의 모든 요소를 정지시킨 후, 상기 연료가스제어장치를 운전하는 수분수송촉진제어개시장치; 및
    상기 수분수송촉진제어개시장치가 상기 연료가스제어장치를 운전한 후, 상기 제1판정장치 및 제3판정장치 중 하나 이상의 판정장치가 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정하는 경우에는 상기 수분수송억제제어개시장치가 상기 산화가스제어장치를 다시 운전하게 하고, 상기 제1판정장치 및 제3판정장치 중 하나 이상의 판정장치가 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분하지 않은 것으로 판정하는 경우에는 상기 연료가스제어장치를 정지시키고 상기 연료전지를 계속 운전하게 하는 수분수송촉진제어중단장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  14. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    연료가스제어장치;
    산화가스제어장치;
    제7항에 따른 제1판정장치 및 제9항에 따른 제3판정장치 중 하나 이상의 판정장치;
    제8항에 따른 제2판정장치 및 제10항에 따른 제4판정장치 중 하나 이상의 판정장치;
    상기 산화가스제어장치를 1회 이상 운전하는 약간과도수분수송억제제어개시장치;
    상기 약간과도수분수송억제제어개시장치가 상기 산화가스제어장치를 운전한 후, 상기 제2판정장치 및 제4판정장치 중 하나 이상의 판정장치가 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도한 것으로 판정한 후, 상기 산화가스제어장치를 정지시키는 약간과도수분수송억제제어중단장치;
    상기 약간과도수분수송억제제어중단장치가 상기 산화가스제어장치를 정지시킨 후, 상기 연료가스제어장치를 운전하는 수분수송촉진제어개시장치;
    상기 제1판정장치 및 제3판정장치 중 하나 이상이 판정장치가 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정한 후, 상기 연료가스제어장치의 모든 요소를 정지시키는 수분수송촉진제어중단장치;
    상기 수분수송촉진제어중단장치가 상기 연료가스제어장치의 모든 요소를 정지시킨 후, 상기 산화가스제어장치를 운전하는 수분수송억제제어개시장치; 및
    상기 수분수송억제제어개시장치가 상기 산화가스제어장치를 운전한 후, 상기 제2판정장치 및 제4판정장치 중 하나 이상의 판정장치가 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도한 것으로 판정하는 경우에는 상기 수분수송촉진제어개시장치가 상기 연료가스제어장치를 다시 운전하게 하고, 상기 제2판정장치 및 제4판정장치 중 하나 이상의 판정장치가 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도하지 않은 것으로 판정하는 경우에는 상기 산화가스제어장치를 정지시키고 상기 연료전지를 계속 운전하게 하는 수분수송억제제어중단장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  15. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    연료가스압조절밸브가 상기 연료가스유로 출구 부근에 제공되고, 상기 연료가스제어장치는 상기 연료가스압조절밸브를 조정하여 연료가스압을 감소시키는 연료가스압제어장치인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 연료가스압제어장치는 연료가스압을 대기압 ~ 0.3 MPa의 범위 이내로 감소시키도록 상기 연료가스압조절밸브를 조정하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  17. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    연료가스를 연료전지에 공급하는 연료가스공급장치를 더 포함하여 이루어지고,
    상기 연료가스제어장치는 상기 연료가스공급장치를 조정하여 연료가스유량을 증가시키는 연료가스유량제어장치인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 연료가스유량제어장치는 연료가스의 화학양론비를 1.0 ~ 10의 범위 이내로 증가시키도록 상기 연료가스공급장치를 조정하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  19. 중합체전해질막이 한 쌍의 전극 사이에 끼워지는 막전극접합체, 상기 막전극접합체의 일 측에 제공된 산화가스유로, 및 상기 막전극접합체의 타 측에 제공된 연료가스유로를 구비하고, 연료가스와 산화가스가 반대 방향으로 유동하도록 상기 연료가스유로와 상기 산화가스유로가 배치되는 단일 전지를 갖는 스택을 구비하는 연료전지의 운전방법에 있어서,
    i) 습기가 없거나 또는 ii) 막전극접합체의 온도가 70℃ 이상이라는 조건 중 한 가지 이상의 조건 하에 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분한지의 여부를 판정하는 단계; 및
    상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정한 경우, 상기 연료가스유량을 증가시키는 것 및 상기 연료가스압을 감소시키는 것 중 하나 이상을 수행하여 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량을 증가시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도한지의 여부를 판정하는 단계;
    상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분한 것 및 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도한 것 중 하나 이상으로 판정되는 경우, 상기 연료가스유량을 증가시키는 것 및 상기 연료가스압을 감소시키는 것 중 하나 이상을 수행하여 상기 산화가스유로 출구 부근에서 상기 연료가스유로를 통한 상기 산화가스유로 입구 부근으로의 물의 이송을 촉진시킴으로써 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량을 증가시키고 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량을 감소시키는 단계;
    i) 습기가 없거나 또는 ii) 막전극접합체의 온도가 70℃ 이상이라는 조건 중 한 가지 이상의 조건 하에 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 과도한지의 여부를 판정하는 단계;
    상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분한지의 여부를 판정하는 단계; 및
    상기 산화가스유로 입구 부근 및 상기 산화가스유로 출구 부근 중 하나 이상의 수량이 불충분한 것으로 판정되는 경우, 상기 산화가스유량을 감소시키는 것 및 상기 산화가스압을 증가시키는 것 중 하나 이상을 수행하여 상기 산화가스유로 출구측으로부터 상기 연료가스유로 입구측으로 이송될 수 있는 수량을 증가시키고, 상기 산화가스에 의하여 상기 전지 밖으로 운반되는 수량을 감소시키는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전방법.
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서,
    전체 연료전지의 저항값을 측정하는 단계; 및
    상기 저항값이 복수의 온도 각각에서 상기 단일 전지 및 스택 중 하나 이상의 미리 측정된 저항의 최소값의 105%를 초과할 때, 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분한 것 및 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분한 것 중 하나 이상으로 판정하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전방법.
  22. 제19항 또는 제20항에 있어서,
    전체 연료전지의 전압을 측정하는 단계; 및
    상기 전압은 복수의 온도 각각에서 상기 단일 전지 및 스택 중 하나 이상의 미리 측정된 전압의 최대값의 95%보다 작을 때, 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 과도한 것 및 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도한 것 중 하나 이상으로 판정하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전방법.
  23. 제19항 또는 제20항에 있어서,
    상기 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 압력강하를 측정하는 단계; 및
    상기 압력강하가 상기 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 미리 측정된 압력강하의 최소값의 105%보다 작을 때, 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분한 것 및 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분한 것 중 하나 이상으로 판정하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전방법.
  24. 제19항 또는 제20항에 있어서,
    상기 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 압력강하를 측정하는 단계; 및
    상기 압력강하가 상기 산화가스유로를 통과하는 산화가스의 미리 측정된 압력강하의 최대값의 105%를 초과할 때, 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 과도한 것 및 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도한 것 중 하나 이상으로 판정하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전방법.
  25. 제19항 또는 제20항에 있어서,
    상기 연료가스압은 대기압 ~ 0.3 MPa의 범위 이내로 감소되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전방법.
  26. 제19항 또는 제20항에 있어서,
    상기 산화가스의 화학양론비는 1.0 ~ 3.0의 범위 이내로 감소되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전방법.
  27. 제19항 또는 제20항에 있어서,
    상기 연료가스의 화학양론비는 1.0 ~ 10의 범위 이내로 증가되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전방법.
  28. 제19항 또는 제20항에 있어서,
    상기 산화가스압은 대기압 ~ 0.3 MPa의 범위 이내로 증가되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전방법.
  29. 제19항 또는 제20항에 있어서,
    상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정되는 경우, 상기 연료가스의 화학양론비를 1.0 ~ 10의 범위 이내로 증가시키는 것 및 상기 연료가스압을 대기압 ~ 0.3 MPa의 범위 이내로 감소시키는 것 중 하나 이상을 1회 이상 수행하는 단계;
    이후 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정된 후, 상기 연료가스를 제어하는 것을 중단시키는 단계;
    이후, 상기 산화가스의 화학양론비를 1.0 ~ 3.0의 범위 이내로 감소시키는 것 및 상기 산화가스압을 대기압 ~ 0.3 MPa의 범위 이내로 증가시키는 것 중 하나 이상을 1회 이상 수행하는 단계;
    이후 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도한 것으로 판정된 후, 상기 산화가스를 제어하는 것을 중단시키는 단계; 및
    이후 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정되는 경우에는 다시 상기 연료가스를 제어하는 것을 개시하고, 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분하지 않은 것으로 판정되는 경우에는 상기 연료전지를 계속 운전하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전방법.
  30. 제19항 또는 제20항에 있어서,
    상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정되는 경우, 상기 산화가스의 화학양론비를 1.0 ~ 3.0의 범위 이내로 감소시키는 것 및 상기 산화가스압을 대기압 ~ 0.3 MPa의 범위 이내로 증가시키는 것 중 하나 이상을 1회 이상 수행하는 단계;
    이후 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도한 것으로 판정된 후, 상기 산화가스를 제어하는 것을 중단시키는 단계;
    이후, 상기 연료가스의 화학양론비를 1.0 ~ 10의 범위 이내로 증가시키는 것 및 상기 연료가스압을 대기압 ~ 0.3 MPa의 범위 이내로 감소시키는 것 중 하나 이상을 1회 이상 수행하는 단계;
    이후 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정된 후, 상기 연료가스를 제어하는 것을 중단시키는 단계; 및
    이후 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정되는 경우에는 다시 상기 산화가스를 제어하는 것을 개시하고, 상기 산화가스유로 입구 부근의 수량이 불충분하지 않은 것으로 판정되는 경우에는 상기 연료전지를 계속 운전하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전방법.
  31. 제19항 또는 제20항에 있어서,
    상기 연료가스의 화학양론비를 1.0 ~ 10의 범위 이내로 증가시키는 것 및 상기 연료가스압을 대기압 ~ 0.3 MPa의 범위 이내로 감소시키는 것 중 하나 이상을 1회 이상 수행하는 단계;
    이후 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정된 후, 상기 연료가스를 제어하는 것을 중단시키는 단계;
    이후, 상기 산화가스의 화학양론비를 1.0 ~ 3.0의 범위 이내로 감소시키는 것 및 상기 산화가스압을 대기압 ~ 0.3 MPa의 범위 이내로 증가시키는 것 중 하나 이상을 1회 이상 수행하는 단계;
    이후 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도한 것으로 판정된 후, 상기 산화가스를 제어하는 것을 중단시키는 단계;
    이후 상기 연료가스의 화학양론비를 1.0 ~ 10의 범위 이내로 증가시키는 것 및 상기 연료가스압을 대기압 ~ 0.3 MPa의 범위 이내로 감소시키는 것 중 하나 이상을 수행하는 단계; 및
    이후 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정되는 경우에는 다시 상기 산화가스를 제어하는 것을 개시하고, 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분하지 않은 것으로 판정되는 경우에는 상기 연료가스를 제어하는 것을 중단하며, 상기 연료전지를 계속 운전하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전방법.
  32. 제19항 또는 제20항에 있어서,
    상기 산화가스의 화학양론비를 1.0 ~ 3.0의 범위 이내로 감소시키는 것 및 상기 산화가스압을 대기압 ~ 0.3 MPa의 범위 이내로 증가시키는 것 중 하나 이상을 1회 이상 수행하는 단계;
    이후 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도한 것으로 판정된 후, 상기 산화가스를 제어하는 것을 중단시키는 단계;
    이후, 상기 연료가스의 화학양론비를 1.0 ~ 10의 범위 이내로 증가시키는 것 및 상기 연료가스압을 대기압 ~ 0.3 MPa의 범위 이내로 감소시키는 것 중 하나 이상을 1회 이상 수행하는 단계;
    이후 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 불충분한 것으로 판정된 후, 상기 연료가스를 제어하는 것을 중단시키는 단계;
    이후 상기 산화가스의 화학양론비를 1.0 ~ 3.0의 범위 이내로 감소시키는 것 및 상기 산화가스압을 대기압 ~ 0.3 MPa의 범위 이내로 증가시키는 것 중 하나 이상을 수행하는 단계; 및
    이후 상기 산화가스유로 출구 부근의 수량이 과도한 것으로 판정되는 경우에는 다시 상기 연료가스를 제어하는 것을 개시하고, 상기 수량이 과도하지 않은 것으로 판정되는 경우에는 상기 산화가스를 제어하는 것을 중단하며, 상기 연료전지를 계속 운전하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전방법.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20240048800A (ko) 2022-10-07 2024-04-16 국방과학연구소 연료전지 시스템

Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5273251B2 (ja) * 2009-08-14 2013-08-28 トヨタ自動車株式会社 燃料電池の含水量制御方法及び燃料電池システム
JP5625469B2 (ja) * 2010-05-06 2014-11-19 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
DE112011100046T5 (de) 2011-01-28 2012-11-29 Toyota Jidosha K.K. Brennstoffzellensystem
US10003093B2 (en) 2011-01-28 2018-06-19 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system including a fuel cell and a controller for controlling water vapor amount or average flow rate of a fuel gas
JP5741922B2 (ja) * 2011-04-13 2015-07-01 トヨタ自動車株式会社 燃料電池の乾燥抑制方法
JP5678276B2 (ja) 2011-04-18 2015-02-25 トヨタ車体株式会社 燃料電池
DE102011113010A1 (de) * 2011-09-09 2013-03-14 Daimler Ag Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
FR2985523B1 (fr) * 2012-01-06 2014-11-28 Commissariat Energie Atomique Electrode poreuse pour membrane echangeuse de protons
CN104396074B (zh) * 2012-07-23 2017-05-31 丰田自动车株式会社 燃料电池系统及其运转方法
TWI458996B (zh) 2012-12-07 2014-11-01 Ind Tech Res Inst 燃料電池失效的預防裝置與方法
KR101438617B1 (ko) * 2012-12-28 2014-09-05 현대자동차 주식회사 연료전지 시스템의 운전방법
CA2942629C (en) * 2014-03-13 2018-04-24 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system with wetness control
JP6442987B2 (ja) * 2014-10-31 2018-12-26 日産自動車株式会社 燃料電池システム
CA2981161C (en) * 2015-03-27 2018-07-17 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system and control method for fuel cell system
US10173613B2 (en) * 2015-08-18 2019-01-08 GM Global Technology Operations LLC System and method for monitoring a state of charge of a battery
KR101881270B1 (ko) * 2015-09-11 2018-07-23 닛산 지도우샤 가부시키가이샤 연료 전지 시스템의 제어 장치 및 연료 전지 시스템의 제어 방법
DE102017206729B4 (de) * 2016-04-29 2022-11-24 Ford Global Technologies, Llc Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
DE102016207806A1 (de) 2016-05-04 2017-11-09 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems
KR102496644B1 (ko) * 2017-10-17 2023-02-07 현대자동차주식회사 연료전지 시스템 및 그 제어방법
US10784527B2 (en) * 2017-12-19 2020-09-22 GM Global Technology Operations LLC System and method for MEA conditioning in a fuel cell
JP6974205B2 (ja) 2018-02-09 2021-12-01 株式会社Soken 燃料電池システム
DE102021202053A1 (de) 2021-03-03 2022-09-08 Vitesco Technologies GmbH Diagnose zum Feuchtezustand eines PEM Brennstoffzellen-Stacks

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6376111B1 (en) 2000-01-25 2002-04-23 General Motors Corporation System and method for controlling the humidity level of a fuel cell
US20050175872A1 (en) 2004-02-09 2005-08-11 Trabold Thomas A. Fuel cell flooding detection
JP2007220322A (ja) 2006-02-14 2007-08-30 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
US20070287040A1 (en) 2004-11-19 2007-12-13 Antonino Toro Electrical Generation System Comprising Membrane Fuel Cells Fed with Dry Gases

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5260143A (en) 1991-01-15 1993-11-09 Ballard Power Systems Inc. Method and apparatus for removing water from electrochemical fuel cells
EP1166379A1 (en) * 1999-01-12 2002-01-02 Energy Partners, L.C. Method and apparatus for maintaining neutral water balance in a fuel cell system
JP2001006698A (ja) 1999-06-23 2001-01-12 Fuji Electric Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池と同燃料電池用拡散層の製造方法
US6500579B1 (en) * 1999-08-19 2002-12-31 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Fuel cell structure
JP2001148253A (ja) * 1999-11-22 2001-05-29 Matsushita Electric Ind Co Ltd 高分子電解質型燃料電池およびその運転方法
JP4516229B2 (ja) * 2001-03-06 2010-08-04 本田技研工業株式会社 固体高分子型セルアセンブリ
JP2002352827A (ja) 2001-05-22 2002-12-06 Denso Corp 燃料電池システム
JP3736475B2 (ja) 2002-02-26 2006-01-18 日産自動車株式会社 燃料電池
JP4013218B2 (ja) * 2002-04-23 2007-11-28 独立行政法人 宇宙航空研究開発機構 固体高分子電解質形燃料電池
US20040096709A1 (en) * 2002-11-15 2004-05-20 Darling Robert M. Fuel cell system with a dry cathode feed
JP4639680B2 (ja) * 2003-09-05 2011-02-23 株式会社デンソー 燃料電池システム
JP2006210004A (ja) * 2005-01-25 2006-08-10 Denso Corp 燃料電池システム
US7862935B2 (en) 2005-05-17 2011-01-04 Gm Global Technology Operations, Inc. Management via dynamic water holdup estimator in a fuel cell
US20070264551A1 (en) * 2006-03-16 2007-11-15 Atsushi Matsunaga Membrane/Electrode Assembly and Fuel Cell
JP5168848B2 (ja) * 2006-08-10 2013-03-27 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP4548453B2 (ja) * 2007-07-04 2010-09-22 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6376111B1 (en) 2000-01-25 2002-04-23 General Motors Corporation System and method for controlling the humidity level of a fuel cell
US20050175872A1 (en) 2004-02-09 2005-08-11 Trabold Thomas A. Fuel cell flooding detection
US20070287040A1 (en) 2004-11-19 2007-12-13 Antonino Toro Electrical Generation System Comprising Membrane Fuel Cells Fed with Dry Gases
JP2007220322A (ja) 2006-02-14 2007-08-30 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20240048800A (ko) 2022-10-07 2024-04-16 국방과학연구소 연료전지 시스템

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