KR101351692B1 - 연료 전지 시스템 - Google Patents

연료 전지 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR101351692B1
KR101351692B1 KR1020087015032A KR20087015032A KR101351692B1 KR 101351692 B1 KR101351692 B1 KR 101351692B1 KR 1020087015032 A KR1020087015032 A KR 1020087015032A KR 20087015032 A KR20087015032 A KR 20087015032A KR 101351692 B1 KR101351692 B1 KR 101351692B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
pressure
gas
space
fuel cell
supply
Prior art date
Application number
KR1020087015032A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20080072058A (ko
Inventor
야스시 스가와라
다카유키 우라타
다카히로 우메다
아키히코 요시다
소이치 시바타
쥰지 모리타
Original Assignee
파나소닉 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 파나소닉 주식회사 filed Critical 파나소닉 주식회사
Publication of KR20080072058A publication Critical patent/KR20080072058A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101351692B1 publication Critical patent/KR101351692B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/026—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant characterised by grooves, e.g. their pitch or depth
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04228—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during shut-down
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04328—Temperature; Ambient temperature of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04335—Temperature; Ambient temperature of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04388—Pressure; Ambient pressure; Flow of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04395—Pressure; Ambient pressure; Flow of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2457—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with both reactants being gaseous or vaporised
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8875—Methods for shaping the electrode into free-standing bodies, like sheets, films or grids, e.g. moulding, hot-pressing, casting without support, extrusion without support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04544—Voltage
    • H01M8/04559—Voltage of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H01M8/0668—Removal of carbon monoxide or carbon dioxide
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

비발전시에, 연료 가스 유로 및 산화제 가스 유로가 폐지되고, 불활성 가스 공급 장치(54, 58)가, 폐지됨으로써 실질적으로 외부와 격리된 연료 가스 유로 및 이것에 연통하는 공간으로 이루어지는 애노드 공간(111)에 불활성 가스를 공급하고, 공기 공급 장치(67, 70)가, 폐지됨으로써 실질적으로 외부와 격리된 산화제 가스 유로 및 이것에 연통하는 공간으로 이루어지는 캐소드 공간(112)에 공기를 공급하는 연료 전지 시스템. 이러한 구성에 의해, 에너지 효율이 높고, 기동 정지를 반복하더라도 비발전시에 있어서의 전극의 열화를 확실히 방지하는 것이 가능한 연료 전지 시스템을 제공하는 것이 가능해진다.

Description

연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은, 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 보다 자세하게는, 기동 정지의 반복에 의한 전극 열화를 방지 가능한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
가정용 연료 전지 시스템에 있어서는, 주간에 운전을 행하고 심야에 운전을 정지하는 DSS(Daily Start & Stop or Daily Start-up & Shut-down) 운전에 의해, 광열비 장점과 이산화탄소의 삭감 효과를 향상시키는 것이 요구되고 있다. DSS 운전에서는, 연료 전지 시스템의 운전이 빈번히 정지된다. 이러한 운전을 행하면, 종래의 연료 전지에서는, 비발전시에, 스택 내부에 잔존하는 반응 가스나 외부로부터 침입하는 공기 등에 의해 전극 촉매가 열화하여, 전지 성능의 저하가 일어난다고 하는 문제가 있었다.
이러한 문제에 대응하는 연료 전지 시스템으로서, 예컨대, 기동시에, 시스템의 외부 부하 접속을 개시할 때까지 별도 시스템 내에 전력 소비하는 수단을 접속하여, 개회로 전위가 되는 것을 방지하는 것이 있다(특허 문헌 1 참조). 시스템 내에 개회로 전압의 억제를 위한 방전 수단을 설치하는 것도 있다(특허 문헌 2 참 조). 애노드로부터 캐소드에 리크하는 수소를 이용하여, 캐소드 전극의 성능을 향상시키는 것도 있다(특허 문헌 3 참조). 캐소드로부터 배출되는 가스를 캐소드에 재순환하여, 산소 소비 조작을 행하여 내구성의 향상을 도모하는 것도 있다(특허 문헌 4 참조). 가스의 공급을 정지한 뒤에 발전을 행하여, 연료 전지 내부에 잔류한 반응 가스를 소비하여 전극 전위의 저하를 도모하는 것도 있다(특허 문헌 5 참조). 전지를 작동시켜 애노드에 수소 함유 연료를 공급하면서, 캐소드의 전위를 저하시키는 것도 있다(특허 문헌 6 참조).
(특허 문헌 1) 일본 특허 공개 평 5-251101 호 공보
(특허 문헌 2) 일본 특허 공개 평 8-222258 호 공보
(특허 문헌 3) 일본 특허 공개 제 2000-260454 호 공보
(특허 문헌 4) 일본 특허 공개 제 2003-115317 호 공보
(특허 문헌 5) 일본 특허 공개 제 2004-186137 호 공보
(특허 문헌 6) 일본 특허 공개 제 2003-536232 호 공보
(발명이 해결하고자 하는 과제)
그러나, 상기 종래의 구성에 있어서, 비발전시의 전극 열화를 반드시 확실히 방지할 수 없다고 하는 문제가 있었다. 또한, 특허 문헌 3의 연료 전지 시스템에서는, 전극 회복을 위해 수소를 소비하지만, 수소를 생성하기 위해서는 여분의 에너지가 소비되므로, 전체적으로 효율이 저하한다고 하는 과제도 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 에너지 효율이 높고, 기동 정지를 반복하더라도 비발전시에 있어서의 전극의 열화를 확실히 방지하는 것이 가능한 연료 전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
(과제를 해결하기 위한 수단)
(발명에 이르는 과정)
본 발명자들은, 연료 전지 시스템의 비발전시에 있어서의 전극 열화의 방지 방법에 대하여 예의 검토를 행했다. 그 결과, 이하와 같은 지견을 얻기에 이르렀다.
연료 전지의 전극에 있어서의 발전 반응이 장기에 걸쳐 안정하게 행해지기 위해서는, 고분자 전해질과 전극의 계면이 장기간 안정하게 보지(保持)되어 있는 것이 필요하다. 수소와 산소를 반응종으로 하는 고분자 전해질형의 연료 전지에 있어서, 개회로 전압의 이론값은 +1.23V로 되어 있다. 실제의 개회로 전압은, 애노드나 캐소드에 존재하는 불순물이나 흡착종의 영향으로, 약 +0.93V∼+1.1V의 전압을 나타낸다. 전해질막 중의 수소 및 산소의 확산에 의한 전압 저하도 일어난다. 애노드의 전위는, 극단적인 금속종 등의 불순물의 용해가 없으면 수소 전극과 거의 같아지므로, 대 표준 수소 전극(vs. SHE : Standard Hydrogen Electrode) 전위는 거의 제로가 된다. 따라서, 개회로 전압은 캐소드의 전위(vs. SHE)와 거의 같아진다. 캐소드의 전위(vs. SHE)는, 캐소드의 흡착종에 의한 영향을 받기 쉽고, (화학식 1)~(화학식 5)에 표시되는 화학 반응의 혼성 전위에 따른다고 생각되어지고 있다(참고 문헌으로서 H. Wroblowa, et al., J. Electroanal. Chem., 15, p139-150(1967), "Adsorption and Kinetics at Platinum Electrodes in The Presence of Oxygen at Zero Net Current" 참조). 이와 같이, 전극의 전위가 +0.88V(vs. SHE)를 넘으면 (화학식 4)에 표시되는 바와 같이, Pt의 산화가 발생한다. Pt가 산화되면, Pt의 촉매 활성이 저하할 뿐 아니라, Pt가 물에 용해되어, 전극으로부터 유출되어버리는 경우도 있다. 종래의 기술(예컨대, 특허 문헌 1, 특허 문헌 2)에서는 개회로를 막는 수법은 개시되어 있지만, 각 전극의 전위(vs. SHE)를 +0.88V 이하로 하는 것은 기재되어 있지 않다.
Figure 112008044283485-pct00001
전극을 보호하기 위해, 물이나 가습된 불활성 가스를 애노드 또는 캐소드에 퍼지하는 방법도 생각할 수 있지만, 각 전극의 전위(vs. SHE)를 일정값 이하로 유지하고자 하는 것이 아니다. 셀 내부가 불활성 가스로 채워지더라도, 애노드 및 캐소드의 전위를 적극적으로 내릴 수는 없다. 불활성 가스에 의해 치환하더라도, 일반적으로 배관 접속부 등의 밀봉은 완전하지 않으므로, 외부에서 산소가 서서히 침입하여, 양 극 모두 약 +0.93V∼+1.1V(vs. SHE)의 전압을 나타내게 된다. 전위가 상승하면, 전극이 산화 또는 용출해버려 성능을 저하시켜버린다. 전극의 열화를 방지하기 위해서는, 전극의 전위를 확실히 저하시킬 필요가 있다.
캐소드로의 가스 공급을 정지 혹은 재순환시키고, 애노드에는 수소 함유 가스를 공급하면서 발전하여 캐소드의 산소를 소비시키는 방법도 생각할 수 있지만(예컨대, 특허 문헌 3, 특허 문헌 4, 특허 문헌 5), 완전히 정지할 때까지 수소 생성 장치를 계속 운전하든지, 수소 인프라를 따르는 발전 시스템이 필요해진다. 이러한 구성은, 특수한 용도에서의 실시에 한정되는데다가, 발전에 사용하지 않는 수소의 비율이 극단적으로 증가하여, 에너지 효율이 저하한다고 하는 문제가 있다. 에너지 효율을 저하시키지 않고서 전극을 보호하는 것이 바람직하다.
수소의 공급을 정지한 상태에서도 동일한 효과를 얻을 수 있지만, 이러한 경우에는 애노드 공간이 특히 강하게 감압되므로, 외부로부터 산소가 유입되거나, 고분자 전해질막이 파손되거나, 전극 사이에서 단락이 발생하는 등의 문제가 발생한다. 연료 전지 내부의 압력 저하를 방지할 수 있으면, 이러한 문제를 해결할 수 있다.
캐소드의 산화제 가스(산소 함유 가스)를 불활성 가스로 치환하고, 애노드의 연료 가스(수소 함유 가스)는 보지하여, 각 전극의 전위를 낮게 보지한 채로 정지하는 방법도 생각할 수 있지만, 정지 중에 보지하고 있는 캐소드의 불활성 가스의 처리를 기동시에 행할 필요가 있다. 불활성 가스로서 질소 등을 이용하는 경우에는 질소 인프라(봄베 등)를 준비할 필요가 있다. 가능한 한 간결한 구성으로 비발전시의 전극을 보호하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같은 검토를 받아, 본 발명자들은, 연료 전지에 의한 발전을 정지한 후, 연료 전지 내부의 압력 저하에 따라, 애노드에는 원료 가스를, 캐소드에는 공기를, 각각 압력의 저하를 보충하도록 공급하는 것에 생각이 미쳤다.
(본 발명의 구성)
즉, 본 발명의 연료 전지 시스템은, 고분자 전해질막과, 상기 고분자 전해질막을 협지(挾持)하는 애노드 및 캐소드를 갖는 연료 전지와, 상기 애노드에 연료 가스를 공급하여 배출하는 연료 가스 유로와, 상기 캐소드에 산화제 가스를 공급하여 배출하는 산화제 가스 유로와, 상기 연료 가스 유로에 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 공급 장치와, 상기 산화제 가스 유로에 공기를 공급하는 공기 공급 장치를 구비하되, 비발전시에, 상기 연료 가스 유로 및 상기 산화제 가스 유로가 폐지되고, 상기 불활성 가스 공급 장치가, 폐지됨으로써 실질적으로 외부와 격리된 상기 연료 가스 유로 및 이것에 연통하는 공간으로 이루어지는 애노드 공간에 불활성 가스를 공급하고, 상기 공기 공급 장치가, 폐지됨으로써 실질적으로 외부와 격리된 상기 산화제 가스 유로 및 이것에 연통하는 공간으로 이루어지는 캐소드 공간에 공기를 공급한다.
발전이 정지되면, 연료 가스 유로 및 산화제 가스 유로가 폐지된다. 폐지 수단은 어떠한 것이라도 좋고, 예컨대, 밸브나 게이트를 이용할 수 있다. 연료 가스나 산화제 가스의 공급 장치(펌프 등)에 따라서는, 정지된 공급 장치 그 자체에 의해 유로가 폐지되더라도 좋다.
폐지됨으로써 실질적으로 외부와 격리된 연료 가스 유로 및 이에 연통하는 공간으로 이루어지는 애노드 공간이란, 예컨대, 연료 전지의 셀 내부의 애노드측의 유로를 포함하고, 또한 양단을 봉지한 연료 가스의 유로와, 그 폐지된 내부의 유로와 이어져 있고 외부로부터는 봉지된 유로를 가리킨다. 애노드 공간은 실질적으로 외부와 격리되고(밀봉되고), 봉지를 해제하지 않으면 유로 외부와의 사이에서 가스의 출입이 없도록 구성된다.
폐지됨으로써 실질적으로 외부와 격리된 산화제 가스 유로 및 이에 연통하는 공간으로 이루어지는 캐소드 공간이란, 예컨대, 연료 전지의 셀 내부의 캐소드측의 유로를 포함하고, 또한 양단을 봉지한 산화제 가스의 유로와, 그 폐지된 내부의 유로와 이어져 있고 외부로부터는 봉지된 유로를 가리킨다. 캐소드 공간은 실질적으로 외부와 격리되고(밀봉되고), 봉지를 해제하지 않으면 유로 외부와의 사이에서 가스의 출입이 없도록 구성된다.
애노드 공간 및 캐소드 공간에서는, 크로스 리크 등에 의한 가스의 소비나 온도 저하가 원인이 되어, 통상이라면 압력이 저하한다. 상기의 구성에 의하면, 애노드 공간 및 캐소드 공간에서 압력이 저하하지 않도록, 애노드 공간에는 불활성 가스가, 캐소드 공간에는 공기가 공급된다. 캐소드 공간에서는 산소가 소비되어 질소만이 잔류하므로, 전극 전위를 낮게 억제하는 것이 가능해진다. 압력 저하를 보충하도록 가스가 연료 전지 내부에 공급되므로, 대기와의 압력차가 없어져, 애노드 공간으로의 산소의 혼입이 지극히 작게 억제된다. 산소의 혼입 방지에 의해 전극 전위의 상승은 더 효과적으로 억제된다. 각 전극의 전위(vs. SHE)는 +0.88V 이하로 유지되어, 전극의 열화가 확실히 방지된다.
감압을 방지하는 것은, 고분자 전해질막의 파손이나 전극의 단락을 막는 것으로도 이어진다. 애노드 공간에도 캐소드 공간에도 수소를 공급할 필요는 없다. 비발전시에 수소 생성 장치를 가동하거나, 수소 인프라 유래의 수소를 소비할 필요가 없어, 높은 에너지 효율이 달성된다. 불활성 가스로 캐소드 공간을 퍼지하기 위한 특별한 봄베 등도 불필요하여, 구성을 간결히 할 수 있다고 하는 이점도 있다. 또, 불활성 가스를 봄베로부터 공급하는 구성에 있어서도 본 발명이 유효한 것은 말할 필요도 없다.
또한, 본 발명의 연료 전지 시스템에 있어서, 원료 가스를 정화하는 가스 정화기와, 원료 가스로부터 연료 가스를 생성하는 수소 생성 장치를 더 구비하되, 상기 불활성 가스는, 상기 가스 정화기에서 정화된 원료 가스이더라도 좋다.
이러한 구성에서는, 불활성 가스로서 원료 가스를 사용하므로, 봄베 등이 불필요해져, 장치의 소형화와 효율 향상에 매우 유효하다. 원료 가스 중의 불순물은 가스 정화기에서 제거되므로, 불순물에 의한 전극의 열화도 방지된다.
또한, 본 발명의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 애노드 공간의 용적이 상기 캐소드 공간의 용적보다 크더라도 좋다. 또한, 발전 정지 후, 온도가 안정한 때에, 상기 애노드 공간 및 상기 캐소드 공간을 합친 공간에서 환원제가 산화제에 대하여 과잉이 되도록, 상기 애노드 공간 및 상기 캐소드 공간의 용적이 설정되어 있더라도 좋다. 또한, 상기 애노드 공간의 용적이 상기 캐소드 공간의 용적의 1배 이상 3배 이하이더라도 좋다.
이러한 구성에서는, 운전 정지시에 연료 전지 내부에서 환원제(예컨대, 수소)가 산화제(예컨대, 산소)와 반응하는 결과, 산화제가 다 소비되어버려, 연료 전지 내부에는 환원제가 잔류한다. 따라서, 전극 전위의 상승과 전극의 열화가 확실히 방지된다.
또한, 상기 연료 전지 시스템은, 상기 애노드 공간에 버퍼부를 갖고 있더라도 좋다.
이러한 구성에서는, 버퍼부에 연료 가스를 애노드 공간에서의 환원제(예컨대, 수소)의 양을 충분히 확보하는 것이 가능해진다. 따라서, 비발전시의 연료 전지 내부에 있어서의 환원제의 양을 산화제의 양에 대하여 용이하게 과잉으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 연료 전지 시스템에 있어서, 제어 장치와, 상기 연료 가스 유로의 공급측을 개폐 가능하게 배치된 제 1 개폐 밸브와, 상기 연료 가스 유로의 배출측을 개폐 가능하게 배치된 제 2 개폐 밸브와, 상기 산화제 가스 유로의 공급측을 개폐 가능하게 배치된 제 3 개폐 밸브와, 상기 산화제 가스 유로의 배출측을 개폐 가능하게 배치된 제 4 개폐 밸브를 더 구비하되, 상기 제어 장치는, 비발전시에, 상기 제 1 개폐 밸브와 상기 제 2 개폐 밸브를 닫음으로써 상기 연료 가스 유로를 폐지하고, 상기 제 3 개폐 밸브와 상기 제 4 개폐 밸브를 닫음으로써 상기 산화제 가스 유로를 폐지하더라도 좋다.
이러한 구성에서는, 연료 가스 유로 및 산화제 가스 유로에 배치된 개폐 밸브에 의해, 간편하고 용이하게 각 유로를 폐지할 수 있다.
또한, 본 발명의 연료 전지 시스템에 있어서, 제어 장치를 더 구비하고, 상기 불활성 가스 공급 장치는 제 5 개폐 밸브를 구비하고, 상기 공기 공급 장치는 제 6 개폐 밸브를 구비하되, 상기 제어 장치는, 비발전시에, 상기 제 5 개폐 밸브를 개폐함으로써 상기 애노드 공간으로의 상기 불활성 가스의 공급을 제어하고, 상기 제 6 개폐 밸브를 개폐함으로써 상기 캐소드 공간으로의 상기 공기의 공급을 제어하더라도 좋다.
이러한 구성에서는, 제어 장치에 의해 개폐 밸브를 개폐함으로써, 애노드 공간으로의 불활성 가스의 공급 및 캐소드 공간으로의 공기의 공급을 간편하고 용이하게 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 연료 전지 시스템에 있어서, 제어 장치와, 상기 애노드 공간 또는 상기 캐소드 공간의 압력을 직접적 또는 간접적으로 검출하는 압력 검출 장치를 더 구비하되, 상기 제어 장치는, 비발전시에, 상기 압력 검출 장치의 검출 결과에 근거하여, 상기 불활성 가스 공급 장치에 의한 상기 애노드 공간으로의 상기 불활성 가스의 공급 및 상기 공기 공급 장치에 의한 상기 캐소드 공간으로의 상기 공기의 공급을 제어하더라도 좋다.
이러한 구성에서는, 실제로 검출된 애노드 공간 또는 캐소드 공간의 압력에 근거하여, 애노드 공간으로의 불활성 가스의 공급 및 캐소드 공간으로의 공기의 공급을 제어할 수 있다. 따라서, 애노드 공간 및 캐소드 공간의 압력 저하를 보다 확실히 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제어 장치는, 상기 애노드 공간 내의 압력인 애노드 공간 압력이 불활성 가스의 공급 압력보다 제 1 압력 이상 작아지면, 상기 불활성 가스 공급 장치를 제어하여, 상기 애노드 공간 압력이 불활성 가스의 공급 압력과 실질적으로 같아질 때까지 상기 애노드 공간에 상기 불활성 가스를 공급하고, 상기 캐소드 공간 내의 압력인 캐소드 공간 압력이 분위기 압력보다 제 2 압력 이상 작아지면, 상기 공기 공급 장치를 제어하여, 상기 캐소드 공간 압력이 분위기 압력과 실질적으로 같아질 때까지 상기 캐소드 공간에 상기 공기를 공급하더라도 좋다.
혹은, 상기 제어 장치는, 상기 애노드 공간 내의 압력인 애노드 공간 압력이 분위기 압력보다 제 1 압력 이상 작아지면, 상기 불활성 가스 공급 장치를 제어하여, 상기 애노드 공간 압력이 불활성 가스의 공급 압력과 실질적으로 같아질 때까지 상기 애노드 공간에 상기 불활성 가스를 공급하고, 상기 캐소드 공간 내의 압력인 캐소드 공간 압력이 분위기 압력보다 제 2 압력 이상 작아지면, 상기 공기 공급 장치를 제어하여, 상기 캐소드 공간 압력이 분위기 압력과 실질적으로 같아질 때까지 상기 캐소드 공간에 상기 공기를 공급하더라도 좋다.
혹은, 상기 제어 장치는, 상기 애노드 공간 내의 압력인 애노드 공간 압력이 표준 대기 압력보다 제 1 압력 이상 작아지면, 상기 불활성 가스 공급 장치를 제어하여, 상기 애노드 공간 압력이 불활성 가스의 공급 압력과 실질적으로 같아질 때까지 상기 애노드 공간에 상기 불활성 가스를 공급하고, 상기 캐소드 공간 내의 압력인 캐소드 공간 압력이 표준 대기 압력보다 제 2 압력 이상 작아지면, 상기 공기 공급 장치를 제어하여, 상기 캐소드 공간 압력이 분위기 압력과 실질적으로 같아질 때까지 상기 캐소드 공간에 상기 공기를 공급하더라도 좋다.
이러한 구성에서는, 애노드 공간 또는 캐소드 공간의 압력과 외부의 압력의 압력차에 근거하여, 애노드 공간으로의 불활성 가스의 공급 및 캐소드 공간으로의 공기의 공급을 제어할 수 있다. 따라서, 애노드 공간 및 캐소드 공간으로의 여분의 공기의 유입을 확실히 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제 1 압력 및 상기 제 2 압력이 각각, 5k㎩ 이상 20k㎩ 이하로 설정되어 있더라도 좋다.
이러한 구성에서는, 압력차가 지나치게 커지는 일이 없으므로, 장치의 밀봉부에 과도한 부담을 끼치지 않아, 장치의 고수명화가 실현된다.
또한, 본 발명의 연료 전지 시스템에 있어서, 제어 장치와, 상기 애노드 공간 또는 상기 캐소드 공간의 온도를 직접적 또는 간접적으로 검출하는 온도 검출 장치를 더 구비하되, 상기 제어 장치는, 비발전시에, 상기 온도 검출 장치의 검출 결과에 근거하여, 상기 애노드 공간으로의 상기 불활성 가스의 공급 및 상기 캐소드 공간으로의 상기 공기의 공급을 제어하더라도 좋다.
이러한 구성에서는, 애노드 공간 또는 캐소드 공간의 온도에 근거하여, 애노드 공간으로의 불활성 가스의 공급 및 캐소드 공간으로의 공기의 공급이 제어된다. 압력을 검출할 필요가 없으므로, 장치의 구성을 간결하게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제어 장치는, 상기 온도 검출 장치의 검출 결과가 제 1 온도차만큼 저하할 때마다, 상기 불활성 가스 공급 장치를 제어하여 상기 불활성 가스를 상기 애노드 공간에 공급하고, 또한 상기 공기 공급 장치를 제어하여 상기 공기를 상기 캐소드 공간에 공급하고, 상기 제 1 온도차는, 5℃ 이상 20℃ 이하이더라도 좋다.
이러한 구성에서는, 애노드 공간 및 캐소드 공간의 온도가 소정의 온도만큼 내려갈 때마다 가스가 공급되므로, 제어가 용이해진다.
또한, 본 발명의 연료 전지 시스템에 있어서, 제어 장치와, 발전 정지 후의 경과 시간을 계측하기 위한 계시 장치를 더 구비하되, 상기 제어 장치는, 발전 정지 후에, 상기 계시 장치의 계측 결과에 근거하여, 상기 애노드 공간으로의 상기 불활성 가스의 공급 및 상기 캐소드 공간으로의 상기 공기의 공급을 제어하더라도 좋다.
이러한 구성에서는, 발전 정지 후의 경과 시간에 근거하여 애노드 공간 및 캐소드 공간에 가스를 공급하므로, 제어가 지극히 용이해진다.
또한, 본 발명의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 수소 생성 장치는 버너를 구비하여, 기동시에, 상기 애노드 공간 내부의 가스가 상기 버너에 유도되어, 상기 버너에 의해 상기 가스가 연소되더라도 좋다.
이러한 구성에서는, 애노드 공간에 공급된 원료 가스가 그대로 공기 중에 방출되는 일이 없어, 안전성이 향상된다. 또한, 애노드 공간에 공급된 원료 가스를 수소 생성 장치의 가온에 이용함으로써, 에너지 효율의 향상이 도모된다.
본 발명의 상기 목적, 다른 목적, 특징, 및 이점은, 첨부 도면 참조하, 이하의 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 명백해진다.
(발명의 효과)
본 발명은, 상술한 바와 같은 구성을 갖고 있고, 이하와 같은 효과를 나타낸다. 즉, 에너지 효율이 높고, 기동 정지를 반복하더라도 비발전시에 있어서의 전극의 열화를 확실히 방지하는 것이 가능한 연료 전지 시스템을 제공하는 것이 가능해진다고 하는 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 고분자 전해질형 연료 전지의 내부 구조의 개략 구성의 일례를 나타내는 도면,
도 2는 셀을 적층한 연료 전지(스택)의 구조를 모식적으로 나타내는 사시도,
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 연료 전지 시스템의 하드웨어의 개략 구성의 일례를 나타내는 블록도,
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 연료 전지 시스템의 제어 계통의 개략 구성을 나타내는 블록도,
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 연료 전지 시스템의 정지 동작을 나타내는 흐름도,
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 연료 전지 시스템의 기동 동작을 나타내는 흐름도,
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 의한 연료 전지 시스템의 하드웨어의 개략 구성의 일례를 나타내는 블록도,
도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 의한 연료 전지 시스템의 하드웨어의 개략 구성의 일례를 나타내는 블록도,
도 9는 본 발명의 제 4 실시예에 의한 연료 전지 시스템의 하드웨어의 개략 구성의 일례를 나타내는 블록도,
도 10은 본 발명의 제 5 실시예에 의한 연료 전지 시스템의 하드웨어의 개략 구성의 일례를 나타내는 블록도,
도 11은 본 발명의 제 6 실시예에 의한 연료 전지 시스템의 하드웨어의 개략 구성의 일례를 나타내는 블록도,
도 12는 본 발명의 제 6 실시예에 의한 연료 전지 시스템의 정지 동작을 나타내는 흐름도이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
11 : 고분자 전해질막 12 : 촉매층
13 : 가스 확산층 14 : 전극
15 : MEA 16 : 도전성 분리기
17 : MEA 개스킷 18 : 분리기 개스킷
19 : 셀 20a : 애노드 가스 유로
20c : 캐소드 가스 유로 21 : 냉각수 유로
30 : 연료 전지 31 : 집전판
32 : 절연판 33 : 단판
40 : 연료 전지 시스템 41 : 가스 정화기
42 : 수소 생성 장치 43 : 버너
44 : 블로어 45 : 필터
46 : 가습기 47 : 펌프
48 : 외부 하우징 49 : 제어 장치
50 : 입출력 장치 51 : 미정화 원료 가스 공급관
52 : 개폐 밸브 53 : 정화 완료 원료 가스 공급관
54 : 정화 완료 원료 가스 바이패스관
55 : 연료 가스 공급관 56 : 개폐 밸브
57 : 연료 가스 바이패스관 58 : 개폐 밸브
59a : 애노드 공간 압력 검출 장치
59c : 캐소드 공간 압력 검출 장치 60 : 오프 가스관
61 : 개폐 밸브 62 : 개폐 밸브
63 : 연소 배기 가스 배출관 64 : 산화제 가스 취입관
65 : 미정화 산화제 가스 공급관
67 : 정화 완료 산화제 가스 바이패스관
68 : 가습 완료 산화제 가스 공급관
69 : 개폐 밸브 70 : 개폐 밸브
71 : 산화제 배출관 72 : 개폐 밸브
73 : 산화제 배기 가스 배출관 74 : 냉각수 취입관
75 : 냉각수 공급관 76 : 냉각수 배출관
77 : 냉각수 재공급관 80 : 제어부
81 : 기억부 82 : 계시 장치
90 : 버퍼부 91 : 버퍼부
92 : 버퍼부 93 : 공기 공급관
94 : 온도 검출 장치 95 : 전력 회로부
96 : 전압 측정부 97 : 애노드측 가스 유로
98 : 캐소드측 가스 유로 100 : 연료 전지 시스템
101 : 연료 전지 시스템 102 : 연료 전지 시스템
103 : 연료 전지 시스템 104 : 연료 전지 시스템
111 : 애노드 공간 112 : 캐소드 공간
이하, 본 발명의 원리 및 바람직한 실시예를, 도면을 참조하면서 설명한다.
(발명의 원리)
우선, 본 발명의 원리에 대하여 설명한다.
연료 전지의 운전이 정지되면, 연료 전지의 온도는 서서히 저하한다. 연료 전지 내부에서는, 고분자 전해질막을 거친 반응 가스의 크로스 리크가 발생한다. 크로스 리크가 발생하면, 애노드 공간의 수소와 캐소드 공간의 산소가 반응하여 소 비되어, 물이 발생한다. 또한, 자기 방전 등에 의해, 수소와 산소가 소비되는 경우도 있다. 온도 저하와 반응 가스의 소비에 의해, 연료 전지 내부의 압력은 저하한다.
애노드측에 착안하면, 애노드 공간은 원래 수소가 많고, 환원적인 분위기에 있다. 불활성 가스는 전극의 전위를 내리는 효과는 없지만, 불활성 가스를 공급하여 외부와의 압력차를 줄이면, 공기 중의 산소가 침입하여 전위를 상승시킬 위험은 없어진다. 캐소드측에 착안하면, 캐소드 공간은 원래 공기 유래의 산소에 의해 산화적인 분위기에 있지만, 캐소드 공간을 외부와 격리하면, 내부에 잔류하는 산소는 애노드 유래의 수소와 반응하여 물이 되고, 질소 등의 산소 이외의 가스가 남는다. 공기는 주로 산소와 질소로 이루어지지만, 산소만을 선택적으로 소비시킴으로써 질소에 의해 애노드 공간을 채울 수 있다. 질소는 산소와 달리, 전극 전위에 거의 영향을 부여하지 않으므로, 전극 전위의 상승을 방지할 수 있다. 실제로 시험기를 조판하여 상술한 바와 같은 운전을 행하여, 전극의 전위를 측정했다. 그 결과, 애노드도 캐소드도 전위(vs. SHE)가 확실히 +0.88V 이하로 유지되는 것을 알 수 있었다.
이러한 구성에 의하면, 전극 전위를 확실히 저하시켜, 전극의 열화를 방지할 수 있다. 불활성 가스로 캐소드 공간을 퍼지하기 위한 특별한 봄베 등은 불필요해져, 구성을 간결하게 할 수 있다. 압력 저하를 보충하는 양의 가스가 애노드 공간에도 캐소드 공간에도 공급되므로, 대기와의 차압이 없고, 산소의 혼입량도 지극히 작게 억제할 수 있다. 감압을 방지함으로써, 고분자 전해질막의 파손이나 전극의 단락을 막을 수도 있다. 애노드 공간에도 캐소드 공간에도 수소를 공급할 필요는 없으므로, 비발전시에 수소 생성 장치를 가동하거나, 수소 인프라의 수소를 소비할 필요가 없고, 높은 에너지 효율을 실현할 수 있다.
전극의 전위를 +0.88V(vs. SHE)보다 확실히 저하시키기 위해서는, 연료 전지 내부(전극 부근)에 있어서, 환원제(예컨대, 수소)가 산화제(예컨대, 산소)보다 과잉으로 존재하는 것이 바람직하다. 수소를 과잉으로 하기 위해서는, 캐소드 공간에 대하여 애노드 공간의 용적을 크게 하는 것이 간편하다. 용적의 비율은, 애노드 및 캐소드에 공급되는 가스의 온도나 조성(수증기의 분압도 포함함), 발전시나 운전 정지시의 온도 등에 따라 다르다. 일반적으로는, 예컨대, 이하의 방법으로 용적을 계산할 수 있다. 또, 이하의 계산에서는 단순하게 하기 위해, 각각의 가스는 이상 기체의 상태 방정식에 따르는 것으로 가정한다.
용적의 계산에 있어서는, 애노드 공간 내부 및 캐소드 공간 내부의 물질량이, 외부로부터의 가스의 공급에 의해 변동하는 점에 유의할 필요가 있다. 온도가 저하하면, 물질량과 압력이 일정하다면, 체적은 감소한다. 또한, 반응에 의해 가스가 소비되면, 체적은 역시 감소한다. 여기서, 발전 정지 후, 온도가 저하하여 안정한 상태(운전 정지시)를 생각한다. 운전 정지시의 연료 전지 내부의 온도를 실온(예컨대, 25℃)으로 한다. 산화제 가스(캐소드에 공급되는 가스 : 공기)는, 운전시에는 포화 수증기압까지 가습되어 있는 것이 일반적이다. 따라서, 운전 정지시에도 상대 습도는 100%가 된다. 또한, 공기 중의 산소는 소비되어 있을 필요가 있으므로, 수증기 이외의 성분은 거의 전량이 질소가 된다. 운전 정지시의 캐 소드 공간 중에 있어서, 질소의 물질량을 n25(mol), 전체 물질량을 c25(mol), 수증기의 분압비를 PW25(25℃에서의 포화 수증기압으로부터 구해짐)로 한다고 하면, 이하의 식이 성립한다.
Figure 112008044283485-pct00002
질소의 전량을 공기로부터 공급하는 것으로 하고, 운전 중의 캐소드 공간에 존재하는 공기의 물질량과 발전 정지 후에 캐소드 공간에 공급되어야하는 공기의 물질량의 합계를 c(mol), 공기 중의 질소의 분압비를 PN이라고 하면, 이하의 식이 성립한다.
Figure 112008044283485-pct00003
캐소드 공간에서 소비되어야하는 산소의 물질량을 o(mol), 공기 중의 산소의 분압비를 PO라고 하면, 이하의 식이 성립한다.
Figure 112008044283485-pct00004
소비되는 산소와 애노드에 공급되는 수소가 완전히 반응한다고 하면, 애노드에 공급되어야하는 수소의 물질량을 h(mol)로 하여서, 이하의 식이 성립한다.
Figure 112008044283485-pct00005
즉, 발전 정지시(발전 정지의 직후)에는 적어도 h(mol)의 수소가 애노드 공간에 존재하고 있을 필요가 있게 된다. 또 이 결과는, 발전 정지 후는 수소를 일체 애노드 공간에 공급하지 않고, 압력 감소분은 원료 가스(예컨대, 13A 가스 등의 도시 가스)로 보충한다고 가정하여 얻어진 것이다. 운전시에 있어서의 애노드 공 간 중의 가스(애노드 가스)에는, 수소 외에, 수증기, 이산화탄소가 주로 포함된다. 발전시에 있어서, 애노드 가스의 온도를, 예컨대, 70℃로 하고, 애노드 가스 중의 수소의 분압비를 PH70으로 하면, 애노드 공간에서의 전체 물질량을 a70(mol)으로 하여, 이하의 식이 성립한다.
Figure 112008044283485-pct00006
이상의 결과로부터, 아래와 같이 애노드 공간과 캐소드 공간의 전체 물질량의 몰비를 얻을 수 있다.
Figure 112008044283485-pct00007
여기서, PW25, PN, PO는 모두 정수이다. 또한, PH70은 실측값을 정수로서 이용할 수 있다. 따라서, a70과 c25는 온도가 다르지만, 이것을 보정하면 애노드 공간과 캐소드 공간의 용적비를 구할 수 있다.
실제의 파라미터를 입력하면, 애노드 공간의 용적(이론값)은 캐소드 공간의 용적과 거의 같아진다. 수소가 과잉이면, 그만큼 전극 전위는 상승하기 어려워지지만, 애노드 공간을 크게 하면 할수록, 장치가 커져, 여분의 수소도 필요하게 된다. 실제의 반응 속도나 고분자 전해질막 중의 크로스 리크의 속도, 반응에 기여하지 않는 가스의 비율 등을 고려하면, 실제로는, 애노드 공간의 용적을 캐소드 공간의 용적의 1배 이상 3배 이하로 하는 것이 바람직하다. 이러한 구성으로 함으로써 비발전시의 전극의 전위를 확실히 +0.88V보다 낮게 유지하는 것이 가능해져, 전극의 열화를 방지하여, 전극의 수명을 향상시킬 수 있다. 또한, 이러한 구성에 의 하면, 정지 기간이 1개월 정도에 걸치는 경우라도 전극의 열화를 방지할 수 있는 것이 기대된다. 또, 폐지 기구(예컨대, 폐지 밸브)의 능력에 따라서는, 리크에 의한 공기의 유입이나 수소의 유출을 무시할 수 없다. 이러한 경우에는, 애노드 공간의 용적을 더 크게 하여, 수소의 양을 보다 많이 확보하는 것이 바람직하다. 경험적으로는, 애노드 공간의 용적은 캐소드 공간의 용적보다 큰 것이 바람직하다. 상한을 포함한 경우에는, 애노드 공간의 용적을 캐소드 공간의 용적의 1배보다 크고 3배 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 애노드 공간의 용적을 캐소드 공간의 용적의 1.5배 이상 3배 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.
(제 1 실시예)
이하, 본 발명의 제 1 실시예에 대하여 설명한다. 우선, 본 실시예에 의한 연료 전지의 내부 구조에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 고분자 전해질형 연료 전지의 내부 구조의 개략 구성의 일례를 나타내는 도면이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 고분자 전해질형 연료 전지는, 고분자 전해질막(11)과, 촉매층(12a)과, 촉매층(12c)과, 가스 확산층(13a)과, 가스 확산층(13c)과, 도전성 분리기(16a)와, 도전성 분리기(16c)와, MEA 개스킷(17a)과, MEA 개스킷(17c)과, 분리기 개스킷(18)을 갖는다.
고분자 전해질막(11)의 양면에는, 촉매층(12a) 및 촉매층(12c)이 밀착하여 배치된다. 촉매층(12a) 및 촉매층(12c)의 외면(고분자 전해질막(11)과 반대측의 면)에는, 가스 통풍성과 도전성을 겸비한 가스 확산층(13a) 및 가스 확산층(13c)이 각각 밀착하여 배치된다. 가스 확산층(13a)과 촉매층(12a)에 의해 전극(14a)(애노 드)이, 가스 확산층(13c)과 촉매층(12c)에 의해 전극(14c)(캐소드)이 구성된다.
전극(14a) 및 전극(14c)과 고분자 전해질막(11)으로, MEA(막전극 접합체)(15)가 구성된다. MEA(15)는, 한 쌍의 도전성 분리기(16a) 및 도전성 분리기(16c)에 협지된다. 도전성 분리기(16a) 및 도전성 분리기(16c)는, MEA(15)를 기계적으로 고정함과 아울러, 인접하는 MEA(15)끼리를 서로 전기적으로 직렬로 접속한다.
MEA(15)와 도전성 분리기(16a)는 MEA 개스킷(17a)으로 봉지되고, MEA(15)와 도전성 분리기(16c)는 MEA 개스킷(17c)으로 봉지된다. 도전성 분리기(16a) 및 도전성 분리기(16c)에는, MEA(15)와는 반대측의 면에, 각각 인접하는 셀(19)의 도전성 분리기(16c) 및 도전성 분리기(16a)가 접한다. 도전성 분리기(16a)와 도전성 분리기(16c)는 분리기 개스킷(18)으로 봉지된다.
고분자 전해질막(11)과, 고분자 전해질막(11)을 협지하는 전극(14a) 및 전극(14c)과, 한 쌍의 도전성 분리기(16a) 및 도전성 분리기(16c)와, MEA 개스킷(17a) 및 MEA 개스킷(17c)으로, 연료 전지의 기본 단위인 셀(19)이 형성된다.
도전성 분리기(16a) 및 도전성 분리기(16c)에는, MEA(15)에 접하는 면에, 전극에 반응 가스를 공급하고, 또한 반응에 의해 발생한 가스나 잉여 가스를 배출하기 위해, 각각 애노드 가스 유로(20a), 캐소드 가스 유로(20c)가 새겨져 있다. 애노드 가스 유로(20a)의 가스 유입구는, 각각, 도시되지 않는 애노드측의 공급 매니폴드에 연통한다. 애노드 가스 유로(20a)의 가스 유출구는, 각각, 도시되지 않는 애노드측의 배출 매니폴드에 연통한다. 애노드측의 공급 매니폴드, 애노드 가스 유로(20a), 애노드측의 배출 매니폴드는, 연료 전지 내부에 하나의 유로인 애노드측 가스 유로(97)를 형성하고 있다. 캐소드 가스 유로(20c)의 가스 유입구는, 각각, 도시되지 않는 캐소드측의 공급 매니폴드에 연통한다. 캐소드 가스 유로(20c)의 가스 유출구는, 각각, 도시되지 않는 캐소드측의 배출 매니폴드에 연통한다. 캐소드측의 공급 매니폴드, 캐소드 가스 유로(20c), 캐소드측의 배출 매니폴드는, 연료 전지 내부에 하나의 유로인 캐소드측 가스 유로(98)를 형성하고 있다. 도전성 분리기(16a) 및 도전성 분리기(16c)에는, 인접하는 셀(19)의 경계면에 냉각수 유로(21)가 마련된다. 냉각수 유로(21)의 내부에는 냉각수가 통류된다. 냉각수는 도전성 분리기(16a)와 도전성 분리기(16c)를 거쳐, MEA(15)에서 발생하는 열을 제거한다.
본 실시예에 있어서, 셀(19)은 바람직하게는 아래와 같이 작성될 수 있다. 탄소 분말인 아세틸렌블랙(덴키화학공업(주) 제품의 덴카블랙, 입자 직경 35㎚)을, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)의 수성 디스퍼전(다이킨공업(주) 제품의 D1)과 혼합하여, 건조 중량으로서 PTFE를 20중량% 포함하는 발수 잉크를 조제한다. 이 잉크를, 가스 확산층의 기재(基材)가 되는 카본 페이퍼(도오레(주) 제품의 TGPH060H)의 위에 도포하여 함침시키고, 열풍 건조기를 이용하여 300℃에서 열처리하여, 가스 확산층(13a) 및 가스 확산층(13c)(약 200㎛)을 형성한다.
한편, 탄소 분말인 켓첸블랙(켓첸블랙인터내셔널(주) 제품의 Ketjen Black EC, 입자 직경 30㎚)상에 Pt 촉매를 담지(擔持)시켜 얻어진 촉매체(50중량%가 Pt) 66중량부를, 수소 이온 전도재이고 결착제인 퍼플루오로카본설폰산아이오노머(미국 Aldrich사 제품의 5중량% Nafion 분산액) 33중량부(고분자 건조 중량)와 혼합하여, 얻어진 혼합물을 성형하여 촉매층(12a) 및 촉매층(12c)(10∼20㎛)을 형성한다.
상술한 바와 같이 하여 얻은 가스 확산층(13a) 및 가스 확산층(13c)과 촉매층(12a) 및 촉매층(12c)을, 고분자 전해질막(11)(미국 DuPont사의 Nafion 112막)의 양면에 접합하여, MEA(15)를 제작한다.
다음으로, 이상과 같이 제작한 MEA(15)의 고분자 전해질막(11)의 외주부에 고무제의 개스킷판(MEA 개스킷(17a) 및 MEA 개스킷(17c))을 접합하여, 냉각수, 연료 가스 및 산화제 가스 유통용의 매니폴드 구멍을 형성한다. 도전성 분리기(16a) 및 도전성 분리기(16c)는, 20㎝×32㎝×1.3㎜의 외부 치수를 갖고, 또한 깊이 0.5㎜의 홈 형상의 가스 유로 및 홈 형상의 냉각수 유로를 갖는, 페놀 수지를 함침시킨 흑연판을 이용한다. 분리기 개스킷(18)의 구성 재료로서는, 불소 고무, 폴리아이소프렌, 뷰틸 고무, 에틸렌프로필렌 고무, 실리콘 고무, 나이트릴 고무, 열가소성 에라스토머, 액정 폴리머, 폴리이미드 수지, 폴리에터에터케톤 수지, 폴리에터이미드 수지, 폴리페닐렌설파이드 수지, 테레프탈아마이드 수지, 폴리에터설폰 수지, 폴리설폰 수지, 신디오탁틱폴리스티렌 수지, 폴리메틸펜텐 수지, 변성 폴리페닐렌에터 수지, 폴리아세탈 수지, 폴리프로필렌 수지, 불소 수지, 및, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 들 수 있다(이들을 2종 이상 포함하는 복합 재료도 포함함). 내구성의 관점에서는 불소 고무가 바람직하다.
마지막으로, MEA(15), 도전성 분리기(16a) 및 도전성 분리기(16c), 분리기 개스킷(18)을 적층하여 셀(19)을 작성한다.
도 2는 셀을 적층한 연료 전지(스택)의 구조를 모식적으로 나타내는 사시도이다. 연료 전지(30)는, 복수의 적층된 셀(19)과, 한 쌍의 집전판(31a) 및 집전판(31c)과, 한 쌍의 절연판(32)과, 한 쌍의 단판(33)을 구비하고 있다. 셀 1장당 전압은 통상 +0.75V 정도로 낮으므로, 연료 전지(30)에서는 셀(19)을 직렬로 복수개 적층하여, 고전압을 달성할 수 있도록 하고 있다. 연료 전지(30)로부터는, 집전판(31a) 및 집전판(31c)을 통하여 외부로 전류가 추출된다. 절연판(32)에 의해, 셀(19)과 외부가 전기적으로 절연된다. 단판(33)에 의해, 셀(19)을 적층한 연료 전지(30)는 체결되어, 기계적으로 보지된다.
이하, 본 발명의 제 1 실시예에 의한 연료 전지 시스템에 대하여, 하드웨어와 제어 계통으로 나누어 설명한다. 우선, 하드웨어에 대하여 이하, 설명한다. 도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 연료 전지 시스템의 하드웨어의 개략 구성의 일례를 나타내는 블록도이다. 본 실시예의 연료 전지 시스템(40)은, 개략적으로, 연료 전지(30)와, 가스 정화기(41)와, 수소 생성 장치(42)와, 버너(43)와, 블로어(44)와, 필터(45)와, 가습기(46)와, 펌프(47)와, 외부 하우징(48)과, 제어 장치(49)와, 입출력 장치(50)를 구비하고 있다. 버너(43)는, 수소 생성 장치(42)에 연소열을 공급 가능하게 배치되어 있다.
이하, 애노드측의 가스 공급 계통에 대하여 설명한다. 가스 정화기(41)의 가스 취입구는, 미정화 원료 가스 공급관(51)에 의해, 도시되지 않는 가스 메인 마개와 접속되어 있다. 미정화 원료 가스 공급관(51)에는, 미정화 원료 가스 공급 관(51)의 유로를 개폐하는 개폐 밸브(52)가 마련되어 있다. 가스 정화기(41)의 가스 배출구는, 정화 완료 원료 가스 공급관(53)에 의해, 수소 생성 장치(42)의 가스 취입구와 접속되어 있다. 정화 완료 원료 가스 공급관(53)에는, 정화 완료 원료 가스 바이패스관(54)의 시단도 접속되어 있다. 수소 생성 장치(42)의 가스 배출구는, 연료 가스 공급관(55)에 의해, 연료 전지(30)의 애노드측의 가스 취입구와 접속되어 있다. 연료 가스 공급관(55)에는, 연료 가스 공급관(55)의 유로를 개폐하는 개폐 밸브(56)(제 1 개폐 밸브)가 마련되어 있다. 연료 가스 공급관(55)에는, 수소 생성 장치(42)와 개폐 밸브(56) 사이에, 연료 가스 바이패스관(57)의 시단이 접속되고, 개폐 밸브(56)와 연료 전지(30) 사이에, 정화 완료 원료 가스 바이패스관(54)의 종단이 접속되어 있다. 정화 완료 원료 가스 바이패스관(54)에는, 정화 완료 원료 가스 바이패스관(54)의 유로를 개폐하는 개폐 밸브(58)(제 5 개폐 밸브)가 마련되어 있다. 연료 가스 공급관(55)에는, 정화 완료 원료 가스 바이패스관(54)과의 접속부와 연료 전지(30) 사이에, 유로 내부의 압력을 검출하는 애노드 공간 압력 검출 장치(59a)가 배치되어 있다.
이하, 애노드측의 가스 배출 계통에 대하여 설명한다. 연료 전지(30)의 애노드측의 가스 배출구는, 오프 가스관(60)에 의해, 버너(43)의 가스 취입구와 접속되어 있다. 오프 가스관(60)에는, 오프 가스관(60)의 유로를 개폐하는 개폐 밸브(61)(제 2 개폐 밸브)가 마련되어 있다. 오프 가스관(60)의 개폐 밸브(61)와 버너(43) 사이의 부분에는, 연료 가스 바이패스관(57)의 종단이 접속되어 있다. 연료 가스 바이패스관(57)은, 연료 가스 공급관(55)과 오프 가스관(60)을, 연료 전 지(30)를 거치지 않고서 단락시킨다. 연료 가스 바이패스관(57)에는, 연료 가스 바이패스관(57)의 유로를 개폐하는 개폐 밸브(62)가 마련되어 있다. 버너(43)의 가스 배출구에는, 연소 배기 가스 배출관(63)이 접속되어, 버너(43)로부터의 배기 가스를 연료 전지 시스템의 밖으로 배출할 수 있도록 구성되어 있다.
미정화 원료 가스 공급관(51), 정화 완료 원료 가스 공급관(53), 연료 가스 공급관(55), 애노드측 가스 유로(97), 오프 가스관(60), 연소 배기 가스 배출관(63)에 의해, 본 실시예에 있어서의 연료 가스 유로가 형성된다. 정화 완료 원료 가스 바이패스관(54) 및 개폐 밸브(58)에 의해, 본 실시예에 있어서의 불활성 가스 공급 장치가 구성된다. 개폐 밸브(56)와 개폐 밸브(61)와 개폐 밸브(58)(폐지 기구)를 폐지함으로써 외부로부터 실질적으로 격리되는(밀봉되는) 유로, 즉, 연료 가스 공급관(55) 중 개폐 밸브(56)로부터 연료 전지(30)의 애노드측의 가스 취입구까지의 부분과, 정화 완료 원료 가스 바이패스관(54) 중 개폐 밸브(58)로부터 연료 가스 공급관(55)까지의 부분과, 애노드측 가스 유로(97)와, 오프 가스관(60) 중 연료 전지(30)의 애노드측의 가스 배출구로부터 개폐 밸브(61)까지의 부분과, 애노드 공간 압력 검출 장치(59a)와 연료 가스 공급관(55)을 접속하는 배관의 내부(도면 중, 2중선으로 표시된 부분)가, 본 실시예에 있어서의 애노드 공간(111)이 된다.
이하, 캐소드측의 가스 공급 계통에 대하여 설명한다. 블로어(44)의 가스 취입구에는, 산화제 가스 취입관(64)이 접속되고, 외부로부터의 공기가 블로어(44)에 의해 취입될 수 있도록 구성되어 있다. 블로어(44)의 가스 배출구는, 미정화 산화제 가스 공급관(65)에 의해, 필터(45)의 가스 취입구와 접속되어 있다. 필터(45)의 가스 배출구는, 정화 완료 산화제 가스 공급관(66)에 의해, 가습기(46)의 산화제 가스 취입구와 접속되어 있다. 정화 완료 산화제 가스 공급관(66)에는, 정화 완료 산화제 가스 바이패스관(67)의 시단도 접속되어 있다. 가습기(46)의 산화제 가스 배출구에는, 가습 완료 산화제 가스 공급관(68)에 의해, 연료 전지(30)의 캐소드측의 가스 취입구와 접속되어 있다. 가습 완료 산화제 가스 공급관(68)에는, 가습 완료 산화제 가스 공급관(68)의 유로를 개폐하는 개폐 밸브(69)(제 3 개폐 밸브)가 마련되어 있다. 가습 완료 산화제 가스 공급관(68)에는, 개폐 밸브(69)와 연료 전지(30) 사이에, 정화 완료 산화제 가스 바이패스관(67)의 종단이 접속되고, 그 접속부와 연료 전지(30) 사이에, 유로 내부의 압력을 검출하는 캐소드 공간 압력 검출 장치(59c)가 배치되어 있다. 정화 완료 산화제 가스 바이패스관(67)에는, 정화 완료 산화제 가스 바이패스관(67)의 유로를 개폐하는 개폐 밸브(70)(제 6 개폐 밸브)가 마련되어 있다.
이하, 캐소드측의 가스 배출 계통에 대하여 설명한다. 연료 전지(30)의 캐소드측의 가스 배출구는, 산화제 배출관(71)에 의해, 가습기(46)의 산화제 배기 가스 취입구와 접속되어 있다. 산화제 배출관(71)에는, 산화제 배출관(71)의 유로를 개폐하는 개폐 밸브(72)(제 4 개폐 밸브)가 마련되어 있다. 가습기(46)의 산화제 배기 가스 배출구는, 산화제 배기 가스 배출관(73)이 접속되어, 가습기로부터 배출되는 산화제 배기 가스를 계 밖으로 배출할 수 있도록 구성되어 있다.
산화제 가스 취입관(64), 미정화 산화제 가스 공급관(65), 정화 완료 산화제 가스 공급관(66), 가습 완료 산화제 가스 공급관(68), 캐소드측 가스 유로(98), 산화제 배출관(71), 산화제 배기 가스 배출관(73)에 의해, 본 실시예에 있어서의 산화제 가스 유로가 형성된다. 정화 완료 산화제 가스 바이패스관(67) 및 개폐 밸브(70)에 의해, 본 실시예에 있어서의 공기 공급 장치가 구성된다. 개폐 밸브(69)와 개폐 밸브(72)와 개폐 밸브(70)(폐지 기구)를 폐지함으로써 외부로부터 실질적으로 격리되는(밀봉되는) 유로, 즉, 가습 완료 산화제 가스 공급관(68) 중 개폐 밸브(69)로부터 연료 전지(30)의 캐소드측의 가스 취입구까지의 부분과, 정화 완료 산화제 가스 바이패스관(67) 중 개폐 밸브(70)로부터 가습 완료 산화제 가스 공급관(68)까지의 부분과, 캐소드측 가스 유로(98)와, 산화제 배출관(71) 중 연료 전지(30)의 캐소드측의 가스 배출구로부터 개폐 밸브(72)까지의 부분과, 캐소드 공간 압력 검출 장치(59c)와 가습 완료 산화제 가스 공급관(68)을 접속하는 배관의 내부(도면 중, 2중선으로 표시된 부분)가, 본 실시예에 있어서의 캐소드 공간(112)이 된다.
애노드 공간 및 캐소드 공간의 용적은, 예컨대, 이하와 같은 방법으로 계측 내지 비교할 수 있다. 제 1 방법은, 이하와 같은 것이다. 애노드 공간 및 캐소드 공간에 제 1 가스(예컨대, 질소)를 채워 두고, 애노드 공간 및 캐소드 공간에 제 2 가스(예컨대, 수소)를 동시에 주입한다. 제 2 가스가 애노드 공간 및 캐소드 공간으로부터 나오는 시간을 측정하여, 애노드 공간과 캐소드 공간의 대소 관계를 비교한다. 제 2 방법은 이하와 같은 것이다. 제 1 방법에 있어서, 제 2 가스가 나올 때까지 요하는 시간과 용적의 관계에 관한 데이터를 사전에 취해 두고, 측정한 시 간으로부터 용적을 결정한다. 제 3 방법은, 이하와 같은 것이다. 시스템으로부터 애노드 공간 또는 캐소드 공간의 부분을 분리하여, 애노드 공간 및 캐소드 공간에 물을 채워, 1) 들어간 양을 잰다, 2) 나온 양을 잰다, 3) 중량 증가를 잰다, 등의 방법으로 애노드 공간 및 캐소드 공간의 용적을 측정한다.
이하, 냉각수의 계통에 대하여 설명한다. 펌프(47)의 냉각수 취입구는, 냉각수 취입관(74)에 의해, 도시되지 않는 온수 저류 탱크의 냉각수 배출구와 접속되어 있다. 펌프(47)의 냉각수 배출구는, 냉각수 공급관(75)에 의해, 연료 전지(30)의 냉각수 취입구와 접속되어 있다. 연료 전지(30)의 냉각수 배출구는, 냉각수 배출관(76)에 의해, 가습기(46)의 냉각수 취입구와 접속되어 있다. 가습기(46)의 냉각수 배출구는, 냉각수 재공급관(77)에 의해, 도시되지 않는 온수 저류 탱크의 냉각수 취입구와 접속되어 있다.
본 실시예에 있어서는, 원료 가스로서 천연 가스, 프로페인 가스 등 탄화수소계의 가스가 사용 가능하고, 적합하게는, 메테인, 에테인, 프로페인, 뷰테인의 혼합 가스인 도시 가스의 13A가 이용된다. 본 실시예에 있어서는, 산화제 가스로서는 공기가 이용되지만, 산화제와 불활성 가스의 혼합 가스이면 어떠한 것을 이용하여도 좋다. 가스 정화기(41)로서는, 특히 TBM(타샤리뷰틸메르캅탄), DMS(다이메틸설파이드), THT(테트라하이드로티오핀) 등의 가스 부취제의 제거를 행하는 부재가 이용된다. 부취제 등의 유황 화합물은 연료 전지의 촉매에 흡착하여, 촉매독이 되어 반응을 저해하기 때문이다. 가습기(46)로서는, 온수에 산화제 가스를 흐르게 하는 것이나, 산화제 가스 중에 물을 불어넣는 것 등을 사용할 수 있고, 일례로서 는 전체 열교환형의 가습기가 적합하게 사용된다. 이것은, 배기 가스 및 냉각수가 가습기(46)를 통과할 때에, 산화제 가스 취입관(64)으로부터 공급되는 산화제 가스에 우선 배기 가스 중으로부터 물과 열을 이동시키고, 그 후, 냉각수로부터 물과 열을 이동시키는 것이다. 개폐 밸브(52), 개폐 밸브(56), 개폐 밸브(58), 개폐 밸브(61), 개폐 밸브(62), 개폐 밸브(69), 개폐 밸브(70), 개폐 밸브(72)는, 배관 중의 유로를 폐지할 수 있는 것이면 어떠한 것이라도 좋고, 예컨대, 전자 밸브, 전동 볼 밸브 등이 사용된다. 애노드 공간 압력 검출 장치(59a), 캐소드 공간 압력 검출 장치(59c)는, 배관 내부의 유로에 있어서의 가스의 압력을 검출할 수 있는 것이면 어떠한 것이라도 좋고, 예컨대, 다이어프램을 이용한 압력 센서 등이 사용된다. 본 실시예에 있어서는, 불활성 가스로서, 가스 정화기(41)에 의해 정화된 원료 가스를 이용할 수 있다. 원료 가스의 주성분은 메테인 가스이므로, 본 실시예 중에서 사용하는 고분자 전해질형의 연료 전지에 있어서는 반응성이 거의 없으므로 불활성 가스로서 취급할 수 있다. 또, 불활성 가스는 반드시 원료 가스일 필요는 없고, 정지 중의 연료 전지 내부에 있어 전극 반응을 일으키지 않고(전극의 산화 환원 반응에 기여하지 않고), 또한 전극을 침범하지 않는, 화학적으로 안정성을 갖는 가스이면 어떠한 것이라도 좋다. 불활성 가스로서는, 예컨대, 13A 가스 등의 도시 가스, 천연 가스, 메테인 가스, 에테인 가스, 프로페인 가스, 뷰테인 가스, 질소, 아르곤 등을 사용할 수 있다. 질소나 아르곤 등의 불활성 가스를 이용하는 경우에는, 봄베를 구비한 구성으로 하는 것이 바람직하다. 수소 가스는 불활성 가스로서 이용할 수는 없다. 원료 가스로서 메테인이나 프로페인 등을 포함하는 도시 가스 를 이용하는 경우는, 불순물로서 도시 가스 중에 포함되는 부취제(S 성분)를 제거하여, 청정화한 것이 불활성 가스로서 이용된다. 또, 이 불순물의 제거는 촉매층 중에 포함되는 Pt의 피독을 방지하기 위해 행해지고 있다.
다음으로, 제어 계통에 대하여 설명한다. 도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 연료 전지 시스템의 제어 계통의 개략 구성을 나타내는 블록도이다. 본 실시예의 연료 전지 시스템의 제어 계통은, 제어부(80)와, 기억부(81)와, 계시 장치(82)를 갖는 제어 장치(49)를 구비하고 있다. 제어부(80)는, 계시 장치(82) 및 입출력 장치(50)로부터 신호를 수취하고, 필요에 따라 연산 결과 등을 기억부(81)에 기억한다. 제어부(80)는, 수소 생성 장치(42)에 배치된 도시되지 않는 온도 검출 장치, 애노드 공간 압력 검출 장치(59a), 캐소드 공간 압력 검출 장치(59c), 전압 측정부(96)로부터의 검출 신호를 수취하고, 기억부(81)에 기억된 프로그램, 입출력 장치(50)로부터 수취한 파라미터값에 근거하여, 버너(43), 개폐 밸브(52), 개폐 밸브(56), 개폐 밸브(58), 개폐 밸브(61), 개폐 밸브(62), 개폐 밸브(69), 개폐 밸브(70), 개폐 밸브(72), 블로어(44), 펌프(47), 전력 회로부(95)의 동작을 제어한다.
제어부(80)에는, 예컨대, CPU가 이용된다. 기억부(81)에는, 예컨대, 내부 메모리가 이용된다. 계시 장치(82)에는, 예컨대, 캘린더 첨부 클록 회로가 이용된다. 본 실시예에 있어서는, 제어 장치(49) 및 제어부(80)는 각각 1개씩 마련되어 집중 제어가 행해지지만, 각각이 복수 마련되어 분산 제어가 행해지더라도 좋다.
[기본 동작]
다음으로, 본 실시예의 연료 전지 시스템의 기본적인 동작에 대하여 설명한다. 우선, 연료 가스의 공급에 대하여 설명한다. 외부로부터 미정화 원료 가스 공급관(51)을 통하여 취입된 원료 가스는, 연료 전지에 악영향을 부여하는 물질을 제거하는 가스 정화기(41)에서 청정화된 후, 정화 완료 원료 가스 공급관(53)을 통하여 수소 생성 장치(42)에 유도된다. 원료 가스는, 메인 마개에 있어서 가압된 상태로 공급되고, 개폐 밸브(52)와 가스 정화기(41) 사이의 미정화 원료 가스 공급관(51)에 배치된 도시되지 않는 니들 밸브(혹은 부스터 펌프 등)에 의해 유량이 조정된다. 수소 생성 장치(42)는, 원료 가스로부터, 수증기 개질 반응에 의해, 적어도 수소를 포함하는 연료 가스를 생성한다. 수소 생성 장치(42)로부터 연료 전지(30)의 애노드측에 연료 가스 공급관(55)을 거쳐서 연료 가스가 유도된다.
수소 생성 장치(42)에서는 (화학식 6)에 나타내는 반응 등에 의해, 수소가 생성된다. 동시에 발생하는 일산화탄소는, (화학식 7)에 표시되는 시프트 반응과, (화학식 8)에 표시되는 일산화탄소 선택 산화 반응에 의해, 10ppm 이하가 되도록 제거된다.
Figure 112008044283485-pct00008
여기서, 반응에 필요한 최저한의 양 이상의 물이 공급되면, 수소와 수분을 포함하는 연료 가스가 작성되어, 연료 가스 공급관(55)을 거쳐 연료 전지(30)에 흘러들어온다. 원료 가스로부터 연료 가스를 생성하기 위한 반응은 (화학식 6)으로 표시되는 바와 같이 흡열 반응이며, 반응에 필요한 열에는, 버너(43)에서 발생하는 연소열이 이용된다.
이하, 연료 가스의 배출에 대하여 설명한다. 연료 전지(30)를 통과한 연료 가스는 오프 가스관(60)에서, 버너(43)에 유도되어 연소된다. 버너(43)로부터의 배기 가스는, 연소 배기 가스 배출관(63)을 통하여 연료 전지 시스템의 밖으로 배출된다. 수소 생성 장치(42)의 기동시 등, 배출되는 연료 가스가 고농도의 CO를 포함하는 경우에는, 제어 장치(49)에 의해, 개폐 밸브(56), 개폐 밸브(61)가 닫히고, 연료 가스 바이패스관(57)에 있는 개폐 밸브(62)가 열린다. 이러한 제어에 의해, 연료 가스가 연료 전지(30)를 거치지 않고서 오프 가스관(60)에 유도되어, 버너(43)로 연소된다. 버너(43)의 연소열은, 수소 생성 장치(42)의 가온이나, 원료 가스로부터 연료 가스를 생성하기 위한 흡열 반응 등에 이용된다.
이하, 산화제 가스의 공급에 대하여 설명한다. 산화제 가스(공기)는, 외부로부터 산화제 가스 취입관(64)을 통하여 블로어(44)에 취입되고, 가압되어 필터(45)에 공급된다. 산화제 가스는, 필터(45)에서 불순물이 제거된 후, 가습기(46)에서 가습되어 연료 전지에 필요한 수분을 취입하고, 가습 완료 산화제 가스 공급관(68)을 통하여 연료 전지(30)의 캐소드측에 유도된다.
이하, 산화제 가스의 배출에 대하여 설명한다. 연료 전지(30)로부터 배출된 산화제 배기 가스는, 산화제 배출관(71)을 통하여 가습기(46)에 유도된다. 산화제 배기 가스는 고온이며 또한 수분을 많이 포함하고 있어, 가습기(46)에 있어서, 수분과 열을 산화제 가스에 공급한다. 가습기(46)로부터 배출된 산화제 배기 가스는, 산화제 배기 가스 배출관(73)을 통하여 연료 전지 시스템의 밖으로 배출된다.
이하, 냉각수의 흐름에 대하여 설명한다. 펌프(47)에 의해, 온수 저류 탱크로부터 냉각수 취입관(74)을 통하여 냉각수가 취입되어, 냉각수 공급관(75)을 통하여 연료 전지(30)에 냉각수가 공급된다. 연료 전지(30)로부터 배출된 냉각수는 냉각수 배출관(76)을 통하여 가습기(46)에 공급된다. 연료 전지(30)를 나간 냉각수는 고온으로 되어 있어, 가습기(46)에 있어서, 산화제 가스에 수분과 열을 공급한다. 가습기(46)로부터 배출된 냉각수는, 냉각수 재공급관(77)으로부터 온수 저류 탱크로 되돌려진다. 연료 전지(30)를 냉각수가 흐름으로써, 발열한 연료 전지(30)가 일정한 온도로 유지된다. 연료 전지(30)에서 발생하는 열은 온수 저류 탱크에 축열되어, 급탕 등에 이용된다.
본 실시예에 있어서의 운전 조건의 일례는 이하와 같다. 연료 전지(30)의 온도는 70℃, 연료 가스 이용률(Uf)은 75%, 산소 이용률(Uo)은 50%가 된다. 연료 가스 및 공기는, 각각 66℃ 및 66℃의 노점을 갖도록 가습되고, 전력 회로부(95)로부터 전력으로서 있는 전압의 전류가 추출된다. 전류는 전극의 외관 면적에 대하여, 0.2A/㎠의 전류 밀도가 되도록 조정된다. 냉각수 취입관(74) 중의 수온이 60℃, 냉각수 재공급관(77) 중의 수온이 68℃가 되도록 펌프(47)의 운전이 조절된다.
[발전 반응]
연료 전지(30)에서는, 애노드측에 공급된 연료 가스와, 캐소드측에 공급된 산화제 가스를 이용하여 발전과 발열이 행해진다. 전력 회로부(95)에 의해 연료 전지 시스템(40)에 급전 요구가 있으면, 제어 장치(49)에 의해, 계통으로부터 공급해야할 전력량과 연료 전지(30)를 이용한 발전에 의해 공급해야할 전력량(발전 전력의 목표값)이 결정된다. 그리고, 발전 전력의 목표값을 향해 일정한 속도(비율 : 예컨대, 1W/초)로 발전 전력이 변화하도록, 펌프나 블로어 등의 각 디바이스에 지령이 송신된다. 이때, 연료 전지(30)의 전압은 전압 측정부(96)에서 모니터되어, 소정 이상의 전압 저하가 검출되면 발전 전력의 변화를 정지하도록 각 디바이스에 지령이 송신된다. 전력 회로부(95)에서는 연료 전지(30)로부터 추출한 직류의 전력을, 교류로 변환하여, 가정 등에서 이용되고 있는 전력선에, 이른바, 계통 연계로 접속된다.
이하, 연료 전지(30) 내에서의 발전의 메커니즘을 도 1을 이용하여 설명한다. 캐소드 가스 유로(20c)에 공기 등의 산소 함유 가스가 흐르고, 애노드 가스 유로(20a)에 수소를 포함하는 연료 가스가 흐른다. 연료 가스 중의 수소는 가스 확산층(13a)을 확산하여, 촉매층(12a)에 이른다. 촉매층(12a)에서 수소는 수소 이온과 전자로 분리된다. 전자는 외부 회로를 통하여 캐소드측으로 이동한다. 수소이온은 고분자 전해질막(11)을 투과하여 캐소드측으로 이동하여 촉매층(12c)에 이른다. 공기 등의 산화제 가스 중의 산소는 가스 확산층(13c)을 확산하여, 촉매층(12c)에 이른다. 촉매층(12c)에서는 산소가 전자와 반응하여 산소 이온이 되고, 또한 산소 이온은 수소 이온과 반응하여 물이 생성된다. 전체적으로는, MEA(15)의 주위에서 산소 함유 가스와 연료 가스가 반응하여 물이 생성되어, 촉매층(12a) 및 촉매층(12c) 사이에 기전력이 발생한다. 반응시에는, 물 외에 열이 생성되어, MEA(15)의 온도가 상승한다. 발생한 열은, 냉각수 유로(21)를 흐르는 냉각수에 의해 연료 전지(30)의 밖으로 제거된다. 연료 전지에 의한 발전에서는, 공급되는 가스의 습도와 반응으로 발생하는 물의 양의 관리가 중요하다. 수분이 적으면 고분자 전해질막(11)이 건조해진다. 건조한 고분자 전해질막에는, 고정 전하의 전리가 적어지므로 수소 이온의 이동이 감소하여, 발전량 및 발열량이 감소하여버린다. 수분이 지나치게 많으면, MEA(15)의 주위 또는 촉매층(12a) 및 촉매층(12c)의 주위에 물이 괴어버린다. 물이 체류하면, 가스의 공급이 저해되어 반응이 억제되어, 역시 발전량 및 발열량이 감소하여버린다.
이하, 발전 반응에 대하여 설명한다. 본 실시예의 연료 전지는, 적어도 수소를 포함하는 연료 가스와 공기 등의 산소를 포함하는 산화제 가스를 가스 확산 전극에 의해 전기 화학적으로 반응시키는 것으로, 전기와 열을 동시에 발생시킨다. 이 촉매층(12a)과 촉매층(12c)에서, 각각 (화학식 9)와 (화학식 10)에 나타내는 반응이 발생하고, 연료 전지 전체로서는 (화학식 11)에 나타내는 반응이 진행된다.
Figure 112008044283485-pct00009
적어도 수소를 포함하는 연료 가스는 (화학식 9)에 나타내는 반응(이후, 애노드 반응이라 칭함)을 일으킨다. 고분자 전해질막(11)을 거쳐 이동한 수소 이온 은, 산화제 가스와 촉매층(12c)에서 (화학식 10)에 나타내는 반응(이후, 캐소드 반응이라 칭함)을 일으켜 물을 생성하고, 이때 전기와 열을 발생시킨다. 수소 등의 연료 가스가 관여하는 쪽이 애노드측(도면 중 a를 부여한 부분), 공기 등의 산화제 가스가 관여하는 쪽이 캐소드측(도면 중 c를 부여한 부분)이다.
고분자 전해질막(11)은 고정 전하를 갖고 있고, 고정 전하의 쌍이온으로서 수소 이온이 존재하고 있다. 고분자 전해질막(11)에는 수소 이온을 선택적으로 투과시키는 기능이 요구되지만, 그것을 위해서는 고분자 전해질막(11)이 수분을 보지하고 있을 것이 필요하다. 고분자 전해질막(11)이 수분을 포함함으로써, 고분자 전해질막(11) 내에 고정되어 있는 고정 전하가 전리하여, 고정 전하의 쌍이온인 수소가 이온화하여, 이동할 수 있게 되기 때문이다.
[정지 동작]
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 연료 전지 시스템의 정지 동작을 나타내는 흐름도이다. 이하, 도 5를 참조하면서, 본 발명의 연료 전지 시스템의 정지 동작에 대하여 설명한다.
전력 회로부(95)에 접속된 외부 부하가 변화하는 등 하여 연료 전지 시스템(40)에 대한 급전 요구가 변화하면, 제어 장치(49)는 그 취지를 검출하여, 연료 전지(30)에 의한 발전을 계속할 것인지, 발전을 정지하여 외부(계통)로부터 모든 요구 전력을 공급할 것인지의 판정을 행한다. 발전을 계속해야한다고 판정된 경우, 필요하게 되는 발전 전력을 목표값으로서 일정한 변화량으로 발전 전력이 변화(증감)하도록, 펌프나 블로어 등의 각 디바이스에 지령이 송신된다. 한편, 연료 전지(30)에 의한 발전을 정지해야한다고 판정된 경우에는, 제어 장치(49)는 정지 동작을 개시한다(스타트). 정지 동작이 개시되면, 우선 제 1 정지 공정이 행해진다.
1 : 제 1 정지 공정
제어 장치(49)는, 계시 장치(82)로부터 현재 시각을 수취하여, 정지 동작 개시 시각으로서 기억한다(단계 S101). 블로어로부터의 산화제 가스의 공급이 정지되고(단계 S102), 개폐 밸브(69), 개폐 밸브(72)가 폐지되어 산화제 가스 유로가 폐지된다(단계 S103). 개폐 밸브(70)는 발전 운전 중은 폐지되어 있고, 단계 S103의 시점에서도 폐지되어 있다. 이러한 동작에 의해, 캐소드 공간(112)이 외부로부터 차단된다. 수소 생성 장치(42)로부터의 연료 가스의 공급이 정지되고(단계 S104), 개폐 밸브(56), 개폐 밸브(61)가 폐지되어 연료 가스 유로가 폐지된다(단계 S105). 개폐 밸브(58)는 발전 운전 중은 폐지되어 있고, 단계 S105의 시점에서도 폐지되어 있다. 이러한 동작에 의해, 애노드 공간(111)이 외부로부터 차단되고, 발전도 정지된다(전류의 추출이 정지된다). 연료 가스 및 산화제 가스의 공급이 정지되면, 냉각수의 순환이 정지된다(단계 S106). 애노드 공간(111) 및 캐소드 공간(112)의 밀폐에 있어서는, 연료 전지(30)로부터 가능한 한 산소를 제거한 상태로 정지함으로써, 정지 중의 애노드, 캐소드의 전위를 ±0V(vs. SHE) 부근으로 보지하는 것이 바람직하고, 캐소드, 애노드의 순서대로 밀폐하는 것이 바람직하다. 또, 에너지 효율의 관점에서 비발전시(연료 전지(30)로부터 전류를 추출하지 않을 때)에 원료 가스를 사용하는 것은 낭비이므로, 상기 순서로 거의 동시에 밀폐하는 것 이 최선이다. 이상으로 제 1 정지 공정이 종료한다. 제 1 정지 공정이 종료하면, 제 2 정지 공정이 행해진다.
2 : 제 2 정지 공정
제 2 정지 공정에서는, 연료 가스 및 산화제 가스의 공급이 정지되고, 연료 전지(30)의 온도는 저하하여, 애노드 공간(111) 및 캐소드 공간(112)의 압력도 저하한다. 압력 저하의 원인은 주로, 고분자 전해질막(11)을 거쳐 크로스 리크가 발생하여, 수소와 산소가 반응하여 소비되는 것, 및, 온도 저하에 의한 수증기의 응축이다. 제어 장치(49)는, 애노드 공간 압력 검출 장치(59a)에 의해 애노드 공간(111)의 압력(애노드 공간 압력)을 검출하고, 캐소드 공간 압력 검출 장치(59c)에 의해 캐소드 공간(112)의 압력(캐소드 공간 압력)을 검출한다.
제 2 정지 공정에서는, 우선, 애노드 공간 압력이 제 1 압력보다 낮은지 여부의 판정이 행해진다(단계 S107). 단계 S107에서 "예"라고 판정되면, 개폐 밸브(58)가 열린다. 이때, 개폐 밸브(52)는 전개(全開)가 되어 있고, 개폐 밸브(52)와 가스 정화기(41) 사이의 미정화 원료 가스 공급관(51)에 배치된 도시되지 않는 니들 밸브도 전개가 되어 있다(니들 밸브 대신에 부스터 펌프 등을 이용하는 경우에는, 해당 펌프가 정지 상태이고 전개가 되어 있음). 따라서, 가스 정화기(41)에서 정화된 원료 가스(불활성 가스)가, 정화 완료 원료 가스 바이패스관(54)을 통하여 애노드 공간(111)에 공급되어(단계 S108), 불활성 가스 공급 정지의 판정이 행해진다. 단계 S107에서 "아니오"라고 판정되면, 그대로 불활성 가스 공급 정지의 판정이 행해진다.
본 실시예에 있어서 제 1 압력은, 분위기 압력보다 5K㎩만큼 낮은 값이 설정된다. 분위기 압력은, 도시되지 않는 분위기 압력 검출 장치에 의해 검출된 연료 전지 발전 시스템 주위의 대기압이더라도 좋지만, 분위기압으로서 101.3K㎩(1기압 : 표준 대기 압력)를 고정값으로서 이용하더라도 좋다. 제 1 압력이 분위기 압력보다 5K㎩ 낮은 값으로 설정되어 있는 것은, 실제의 저압 손해형의 연료 전지 발전 시스템의 동작 압력이 5∼10K㎩ 이하인 것이 많고, 동작 압력보다 작은 압력으로 부압을 해소함으로써 밀봉부로의 부담이 경감되기 때문이다. 개폐 밸브(58)의 개폐 횟수를 적게 하기 위해, 제 1 압력은 보다 낮은 값이더라도 좋다. 이 경우, 밀봉부의 일반적인 보증 압력으로부터, 분위기 압력보다 20K㎩만큼 낮은 값이 하한이 된다. 또, 애노드 공간 압력 검출 장치(59a)는, 분위기 압력과 애노드 공간 압력의 차압(부압)을 검출하는 구성이더라도 좋다. 이러한 구성에서는, 해당 부압과 제 1 압력의 비교에 근거하여 개폐 밸브(58)가 제어됨으로써, 실질적으로 같은 효과를 얻을 수 있다. 제 1 압력은, 분위기 압력이 아니라, 원료 가스의 공급 압력을 기준으로서 결정되더라도 좋다. 예컨대, 제 1 압력을 원료 가스의 공급 압력보다 5K㎩ 낮은 값으로 설정하더라도 좋다.
불활성 가스 공급 정지의 판정에서는, 애노드 공간 압력이 분위기압 이상인지 여부의 판정이 행해진다(단계 S109). 단계 S109에서 "예"라고 판정되면, 개폐 밸브(58)가 폐지되어, 원료 가스(불활성 가스)의 공급이 정지된다(단계 S110). 단계 S110의 후는, 캐소드 공간 압력의 판정이 행해진다. 단계 S109에서 "아니오"라고 판정되면, 그대로 캐소드 공간 압력의 판정이 행해진다.
캐소드 공간 압력의 판정에서는, 캐소드 공간 압력이 제 2 압력보다 낮은지 여부의 판정이 행해진다(단계 S111). 단계 S111에서 "예"라고 판정되면, 개폐 밸브(70)가 열려, 필터(45)에서 정화된 산화제 가스(공기)가, 정화 완료 산화제 가스 바이패스관(67)을 통하여 캐소드 공간(112)에 공급되어(단계 S112), 공기 공급 정지의 판정이 행해진다. 단계 S111에서 "아니오"라고 판정되면, 그대로 공기 공급 정지의 판정이 행해진다. 단계 S112에 있어서 블로어(44)는 정지하고 있지만, 공급되는 공기량은 소량이므로, 블로어(44)의 스크롤의 극간을 통과하여 공기가 캐소드 공간(112)으로 유입된다.
본 실시예에 있어서 제 2 압력은, 분위기 압력보다 5K㎩만큼 낮은 값이 설정된다. 분위기 압력은, 도시되지 않는 분위기 압력 검출 장치에 의해 검출된 연료 전지 발전 시스템 주위의 대기압이더라도 좋지만, 분위기압으로서 101.3K㎩(1기압)를 고정값으로서 이용하더라도 좋다. 제 2 압력이 분위기 압력보다 5K㎩ 낮은 값으로 설정되어 있는 것은, 실제의 저압 손해형의 연료 전지 발전 시스템의 동작 압력이 5∼10K㎩ 이하인 것이 많고, 동작 압력보다 작은 압력으로 부압 해소함으로써 밀봉부로의 부담이 경감되기 때문이다. 개폐 밸브(70)의 개폐 횟수를 적게 해야 하기 위해, 제 2 압력은 보다 낮은 값이더라도 좋다. 이 경우, 밀봉부의 일반적인 보증 압력으로부터, 분위기 압력보다 20K㎩만큼 낮은 값이 하한이 된다. 또, 캐소드 공간 압력 검출 장치(59c)는, 분위기 압력과 캐소드 공간 압력의 차압(부압)을 검출하는 구성이더라도 좋다. 이러한 구성에서는, 해당 부압과 제 2 압력의 비교에 근거하여 개폐 밸브(70)가 제어됨으로써, 실질적으로 같은 효과를 얻을 수 있 다. 제 1 압력과 제 2 압력은, 같더라도 다르더라도 좋다.
공기 공급 정지의 판정에서는, 캐소드 공간 압력이 분위기압 이상인지 여부의 판정이 행해진다(단계 S113). 단계 S113에서 "예"라고 판정되면, 개폐 밸브(70)가 폐지되어, 공기의 공급이 정지된다(단계 S114). 단계 S114의 후는, 운전정지의 판정이 행해진다. 단계 S114에서 "아니오"라고 판정되면, 그대로 불활성 가스 및 공기의 공급 정지의 판정이 행해진다.
불활성 가스 및 공기의 공급 정지의 판정에서는, 정지 동작 개시 후 소정 시간이 경과했는지 여부의 판정이 행해진다(단계 S115). 단계 S101에서 기억된 정지 동작 개시 시각과, 계시 장치(82)로부터 수취한 현재 시각을 이용하여, 정지 동작을 개시하고 나서의 경과 시간이 연산된다. 경과 시간이 소정 시간(예컨대, 1시간)을 넘으면, 불활성 가스 및 공기의 공급이 정지되어(단계 S116), 연료 전지 시스템은 대기 상태가 된다(엔드). 경과 시간이 소정 시간을 넘고 있지 않으면, 단계 S107로 되돌아간다.
제 2 정지 공정 사이, 연료 전지(30)의 내부의 압력이 소정값 이하가 되면, 반복하여 가스의 공급이 행해진다. 이러한 동작에 의해, 애노드 공간(111)에서는 연료 가스 중의 수소 농도가 감소되어, 최종적으로 수소 및 정화된 원료 가스에 의해 채워진다. 캐소드 공간(112)에서는 공기가 서서히 유입되지만, 공기 중의 산소는, 크로스 리크에 의해 수소와 반응하여 소비되어, 최종적으로 거의 질소로 채워진다. 이러한 동작에 의하면, 압력 변화에 의한 연료 전지(30)의 구성 재료의 파손이나 연료 전지 내부로의 산소의 유입을 막을 수 있다.
[기동 동작]
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 연료 전지 시스템의 기동 동작을 나타내는 흐름도이다. 이하, 도 6을 참조하면서, 본 발명의 연료 전지 시스템의 기동 동작에 대하여 설명한다.
대기 상태에 있어서, 전력 회로부(95)에 접속된 외부 부하가 증가하는 등 하여 연료 전지 시스템으로의 급전 요구가 변화하면, 제어 장치(49)는 그 취지를 검출하여, 계통으로부터 모든 요구 전력을 공급할 것인지, 연료 전지에 의한 발전을 실행해야할지의 판정을 행한다. 연료 전지에 의한 발전을 개시해야한다고 판정되면, 제어 장치(49)는, 기동 동작을 시작한다(스타트). 제어 장치(49)는, 계시 장치(82)로부터 현재 시각을 수취하여, 기동 동작 개시 시각으로서 기억한다(단계 S201). 개폐 밸브(56), 개폐 밸브(62)가 폐지되고, 개폐 밸브(52), 개폐 밸브(58), 개폐 밸브(61)를 연다. 이러한 동작에 의해, 가스 정화기(41)에 의해 정화된 원료 가스가, 정화 완료 원료 가스 바이패스관(54)을 통하여, 애노드 공간(111) 내에 공급된다(단계 S202). 애노드 공간(111) 중에 잔류하고 있던 가스는, 정화 완료의 원료 가스에 의해 압출되고, 버너(43)로 연소된다(단계 S203). 버너(43)의 연소열은, 수소 생성 장치(42)의 가온에 이용된다. 이러한 동작에 의해 폭연기의 대기 방출이 방지됨과 동시에, 애노드 공간(111)에 잔류하고 있던 가스의 에너지를 유효하게 이용할 수 있다.
단계 S203의 후, 원료 가스의 애노드로의 공급을 정지할지 여부의 판정이 행해진다. 원료 가스의 애노드로의 공급은, 원료 가스의 적산 유량이 애노드 공간 체적의 약 3배에 달한 시점에서 정지된다. 본 실시예에서는, 원료 가스의 공급 압력이나 배관의 길이, 굵기 등이 일정하다고 가정하여, 미리 시뮬레이션 실험에 의해, 적산 유량이 애노드 공간 체적의 3배에 달하기까지의 시간을 결정해 둔다. 그리고, 해당 실험으로 결정된 소정 시간(예컨대, 5분)이 경과하면 원료 가스의 공급이 정지되도록 제어가 행해진다. 구체적으로는, 단계 S201에서 기억된 기동 동작 개시 시각과, 계시 장치(82)로부터 수취한 현재 시각을 이용하여, 기동 동작을 개시하고 나서의 경과 시간이 연산되어, 경과 시간이 해당 소정 시간을 넘고 있는지의 판정이 행해진다(단계 S204). 경과 시간이 소정 시간을 넘고 있지 않다고 판정되면, 다시 단계 S204로 되돌아간다. 경과 시간이 소정 시간을 넘고 있다고 판정되면, 개폐 밸브(58), 개폐 밸브(61)가 폐지되어, 애노드로의 원료 가스 공급이 정지된다(단계 S205). 또, 통류 시간이 아니라, 적산 유량계의 검출 결과에 근거하여 제어가 행해지더라도 좋다.
애노드로의 원료 가스 공급이 정지되면, 개폐 밸브(62)가 열려(단계 S206), 원료 가스가 수소 생성 장치(42)에 보내져 연료 가스의 생성이 개시된다(단계 S207). 단계 S207에서는, 수소 생성 장치(42)로부터의 연료 가스가 연료 전지(30)를 통과하지 않고서, 연료 가스 바이패스관(57)을 통하여 직접 버너에 보내진다. 기동시의 수소 생성 장치(42)로부터 배출되는 연료 가스에는 일산화탄소가 많이 포함되는 경우가 있다. 이러한 동작에 의해, 일산화탄소에 의한 연료 전지(30) 내부의 촉매의 피독이 방지된다.
연료 가스의 생성 개시 후, 연료 가스의 조성이 안정하고 있는지 여부의 판 정이 행해져(단계 S208), 조성이 안정하여 일산화탄소 농도가 충분히 저하하고 있으면, 개폐 밸브(62)가 폐지됨과 동시에 개폐 밸브(56), 개폐 밸브(61)가 열려, 연료 가스가 애노드로 공급된다(단계 S209). 또한, 개폐 밸브(69), 개폐 밸브(72)가 열리고, 블로어(39)가 구동되어, 산화제 가스가 캐소드로 공급된다(단계 S210). 연료 가스와 산화제 가스가 연료 전지(30)에 공급되고, 연료 전지(30)에 부하가 접속됨으로써, 발전이 개시되고(단계 S211), 기동 동작의 시퀀스가 종료된다.
[애노드 공간과 캐소드 공간의 용적]
가스의 공급이 반복되었을 때, 애노드 공간에는 수소가 잔존하고, 캐소드 공간은 질소로 포화되는 상태가 바람직하다. 이러한 상태를 실현하기 위해, 애노드 공간의 용적을 캐소드 공간의 용적 이상으로 하는 것이 바람직하다. 공간 체적이 같은 양인 경우에는, 크로스 리크에 의한 산소와 수소의 소비가 거의 균형을 이루어, 운전 정지시에 있어 산소가 거의 다 소비되어버린 상태가 된다. 전극 열화를 야기하는 산소를 제거함으로써, 전극의 산화나 용해에 의한 열화를 억제할 수 있어, 전지 성능을 장기간 유지할 수 있다.
이러한 효과를 얻기 위해, 이 애노드 공간의 용적이 캐소드 공간보다 커지도록, 각 개폐 밸브의 배치, 개폐 밸브 사이의 배관의 길이나 단면적, 연료 전지(30)의 가스 유로 등의 용적이 조정되는 것이 바람직하다. 애노드 공간에서는 수소가 밀봉 구조나 고분자 전해질막(11)을 통하여 리크하기 쉬운 것을 고려하면, 애노드 공간의 용적을, 캐소드 공간 이상으로 조정하는 것이 바람직하다. 연료 전지 발전 시스템에 있어서의 데드 스페이스나 연료 가스의 보지량과 효율의 관계를 고려하 면, 애노드 공간의 용적은 캐소드 공간의 3배 이하인 것이 바람직하다.
[특징 및 효과]
본 실시예의 연료 전지 시스템에 의하면, 발전이 정지되면, 연료 가스 유로 및 산화제 가스 유로가 폐지되어, 각각 밀폐된 애노드 공간 및 캐소드 공간이 형성된다. 애노드 공간 및 캐소드 공간에서는, 크로스 리크 등에 의한 가스의 소비나 온도 저하가 원인이 되어, 통상이라면 압력이 저하한다. 본 실시예의 연료 전지 시스템에서는, 애노드 공간 및 캐소드 공간에서 압력이 저하하지 않도록, 애노드 공간에는 불활성 가스가, 캐소드 공간에는 공기가 공급된다. 캐소드 공간에서는 산소가 소비되어 질소만이 잔류하므로, 전극 전위를 낮게 억제하는 것이 가능해진다. 압력 저하를 보충하도록 가스가 연료 전지 내부에 공급되므로, 대기와의 압력차가 없어져, 애노드 공간으로의 산소의 혼입이 지극히 작게 억제된다. 산소의 혼입 방지에 의해, 전극 전위의 상승은 보다 효과적으로 억제되어, 전극의 열화가 확실히 방지된다.
감압을 방지하는 것은, 고분자 전해질막의 파손이나 전극의 단락을 막는 것으로도 이어진다. 애노드 공간에도 캐소드 공간에도 수소를 공급할 필요는 없으므로, 비발전시에 수소 생성 장치를 가동하거나, 수소 인프라 유래의 수소를 소비할 필요가 없어, 높은 에너지 효율이 달성된다. 불활성 가스로 캐소드 공간을 퍼지하기 위한 특별한 봄베 등도 불필요하여, 구성을 간결하게 할 수 있다고 하는 이점도 있다.
또한, 본 실시예의 연료 전지 시스템에서는, 불활성 가스로서 원료 가스를 사용하므로, 봄베 등이 불필요해져, 장치의 소형화와 효율 향상에 지극히 유효하다. 원료 가스 중의 불순물은 가스 정화기에서 제거되므로, 불순물에 의한 전극의 열화도 방지된다.
또한, 본 실시예의 연료 전지 시스템에서는, 애노드 공간 및 캐소드 공간의 내부에서 연료 가스 중의 환원제가 산화제 가스 중의 산화제에 대하여 과잉이 되도록 애노드 공간 및 캐소드 공간의 용적이 설정되어 있다. 이러한 구성에 의해, 운전 정지시에 연료 전지 내부에서 환원제(예컨대, 수소)가 산화제(예컨대, 산소)와 반응하는 결과, 산화제가 다 소비되어버려, 연료 전지 내부에는 환원제가 잔류한다. 따라서, 전극 전위의 상승과 전극의 열화가 확실히 방지된다.
또한, 본 실시예의 연료 전지 시스템에서는, 연료 가스 유로 및 산화제 가스 유로에 배치된 개폐 밸브(56), 개폐 밸브(61), 개폐 밸브(69), 개폐 밸브(72)에 의해, 간편하고 용이하게 각 유로를 폐지할 수 있다.
또한, 본 실시예의 연료 전지 시스템에서는, 제어 장치에 의해 불활성 가스 및 공기의 공급을 위한 개폐 밸브(58), 개폐 밸브(70)를 개폐함으로써, 애노드 공간으로의 불활성 가스의 공급 및 캐소드 공간으로의 산화제 가스의 공급을 간편하고 용이하게 제어할 수 있다.
또한, 본 실시예의 연료 전지 시스템에서는, 실제로 검출된 애노드 공간 또는 캐소드 공간의 압력에 근거하여, 애노드 공간으로의 불활성 가스의 공급 및 캐소드 공간으로의 공기의 공급을 제어할 수 있다. 또한, 애노드 공간 또는 캐소드 공간의 압력과 외부의 압력의 압력차에 근거하여, 애노드 공간으로의 불활성 가스 의 공급 및 캐소드 공간으로의 공기의 공급을 제어할 수 있다. 따라서, 애노드 공간 및 캐소드 공간으로의 여분의 공기의 유입을 확실히 방지할 수 있다.
또한, 본 실시예의 연료 전지 시스템에서는, 제 1 압력 및 제 2 압력이 각각, 5K㎩ 이상 20K㎩ 이하로 설정되어 있으므로, 압력차가 지나치게 커지는 일이 없어, 장치의 밀봉부에 과도한 부담을 끼치지 않아, 장치의 고수명화가 실현된다.
또한, 본 실시예의 연료 전지 시스템에서는, 기동시에, 상기 애노드 공간 내부의 가스가 상기 버너에 유도되어, 상기 버너에 의해 상기 가스가 연소된다. 이러한 구성에 의해, 애노드 공간에 공급된 원료 가스가 그대로 공기 중에 방출되는 일이 없어, 안전성이 향상된다. 또한, 애노드 공간에 공급된 원료 가스를 수소 생성 장치의 가온에 이용함으로써, 에너지 효율의 향상이 도모된다.
[변형예]
본 실시예에서는, 애노드 공간 및 캐소드 공간의 압력의 검출 결과에 근거하여 불활성 가스 및 공기의 공급이 제어되었지만, 발전 정지 후의 경과 시간으로부터, 애노드 공간 또는 캐소드 공간의 압력을 추정할 수 있는 경우도 있다. 이러한 경우에는, 제어부(80)가, 계시 장치(82)로부터 수취하는 시각에 근거하여 발전 정지 후의 경과 시간을 연산하여, 해당 경과 시간에 근거하여 불활성 가스 및 공기의 공급을 제어하더라도 좋다. 이러한 구성에서는, 제어가 보다 간결하게 된다.
본 실시예에서는, 제어 장치(49)에 의해 개폐 밸브(58), 개폐 밸브(70)의 개폐를 통하여 불활성 가스 및 공기의 공급이 제어되었지만, 제어 장치(49)에 의한 제어는 반드시 필요하지 않다. 예컨대, 개폐 밸브(58), 개폐 밸브(70)에, 전자 밸 브가 아니라, 역지 밸브를 이용함으로써, 애노드 공간 및 캐소드 공간의 압력을 소정의 범위로 유지할 수도 있다. 역지 밸브는, 애노드 공간 및 캐소드 공간으로부터의 가스의 유출을 방지하면서, 애노드 공간 및 캐소드 공간으로의 가스 공급을 가능하게 하는, 역류 방지형의 밸브이다. 구체적으로는, 애노드 공간 또는 캐소드 공간의 압력이, 가스 공급압 혹은 분위기압보다 5K㎩ 이상 낮아졌을 때에, 불활성 가스 또는 공기를 애노드 공간 또는 캐소드 공간측에 공급한다. 압력차가 작아지면(예컨대, 0K㎩), 유로를 폐지하는 구성이 바람직하다. 역지 밸브를 이용한 구성에서는, 압력 검출 수단이 불필요해지는데다가, 컴퓨터 등을 이용한 제어도 불필요해지므로, 구성을 더 단순화할 수 있다.
본 실시예에서는, 정지 동작 개시 후에 소정 시간이 경과하면 압력의 감시와 가스의 공급이 정지되는 구성으로 했지만, 대기 상태에 있어서 항상 압력의 감시와 가스의 공급이 행해지더라도 좋다. 또한, 본 실시예에서는, 연료 전지 시스템의 운전 중에 발전을 정지하는 경우에 압력의 감시와 가스의 공급이 행해지는 구성으로 했지만, 연료 전지 시스템의 운전을 완전히 종료하는(제어 장치나 센서류 등, 제어 계통의 전원도 모두 OFF로 하는) 경우에 있어서, 운전 종료 동작의 시퀀스 중에 압력의 감시와 가스의 공급이 행해지더라도 좋다.
(제 2 실시예)
본 실시예의 연료 전지 시스템(100)은, 제 1 실시예의 연료 전지 시스템(40)의 정화 완료 원료 가스 바이패스관(54)에 있어서, 개폐 밸브(58)와 연료 가스 공급관(55) 사이에 버퍼부(90)가 가해진 것이다. 그 밖의 구성 및 동작에 대해서는, 제 1 실시예의 연료 전지 시스템(40)과 마찬가지이다. 따라서, 제 1 실시예와 공통하는 구성 부분에 대해서는 동일 부호를 부여하여, 설명을 생략한다. 동작에 대해서도 제 1 실시예와 같은 동작으로 같은 효과를 얻을 수 있으므로, 설명을 생략한다. 이하, 본 실시예의 특징적인 구성 및 효과에 대하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 의한 연료 전지 시스템의 하드웨어의 개략 구성의 일례를 나타내는 블록도이다. 도면에 나타내는 바와 같이, 버퍼부(90)는, 정화 완료 원료 가스 바이패스관(54)에 연통하여 유로의 일부를 구성하지만, 배관과 비교해서 단면적이 크고, 내부 공간의 용량이 커져 있다. 버퍼부(90)는, 운전 중에 발생하는 연료 가스를 내부에 저류할 수 있다. 비발전시에 버퍼부(90)는 애노드 공간(111)의 일부를 구성하므로, 애노드 공간(111)에 있어서의 환원제(예컨대, 수소)의 양을 충분히 확보하는 것이 가능해진다. 버퍼부(90)를 마련함으로써, 비발전시의 연료 전지 내부에 있어서의 환원제의 양을 산화제의 양에 대하여 용이하게 과잉으로 할 수 있다. 따라서, 비발전시의 전극 전위의 저하가 확실히 방지되어, 전극의 열화가 확실히 방지된다.
(제 3 실시예)
본 실시예의 연료 전지 시스템(101)은, 제 1 실시예의 연료 전지 시스템(40)의 연료 가스 공급관(55)에 있어서, 개폐 밸브(58)와 연료 전지(30) 사이에 버퍼부(91)가 가해지고, 정화 완료 원료 가스 바이패스관(54)이 버퍼 공간(67)에 연통된 것이다. 그 밖의 구성 및 동작에 대해서는, 제 1 실시예의 연료 전지 시스템(40)과 마찬가지이다. 따라서, 제 1 실시예와 공통하는 구성 부분에 대해서는 동일 부호를 부여하여, 설명을 생략한다. 동작에 대해서도 제 1 실시예와 같은 동작으로 같은 효과를 얻을 수 있으므로, 설명을 생략한다. 이하, 본 실시예의 특징적인 구성 및 효과에 대하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 의한 연료 전지 시스템의 하드웨어의 개략 구성의 일례를 나타내는 블록도이다. 도면에 나타내는 바와 같이, 버퍼부(91)는, 연료 가스 공급관(55)에 연통하여 유로의 일부를 구성하지만, 배관과 비교해서 단면적이 크고, 내부 공간의 용량이 커져 있다. 버퍼부(91)는, 운전 중에 발생하는 연료 가스를 내부에 저류할 수 있다. 비발전시에 버퍼부(91)는 애노드 공간(111)의 일부를 구성하므로, 애노드 공간(111)에 있어서의 환원제(예컨대, 수소)의 양을 충분히 확보하는 것이 가능해진다. 버퍼부(91)를 마련함으로써, 연료 전지 내부의 환원제의 양을 산화제의 양에 대하여 용이하게 과잉으로 할 수 있다. 따라서, 비발전시의 전극 전위의 저하가 확실히 방지되어, 전극의 열화가 확실히 방지된다.
(제 4 실시예)
본 실시예의 연료 전지 시스템(102)은, 제 1 실시예의 연료 전지 시스템(40)의 연료 전지(30)의 내부에, 버퍼부(92)가 가해진 것이다. 그 밖의 구성 및 동작 에 대해서는, 제 1 실시예의 연료 전지 시스템(40)과 마찬가지이다. 따라서, 제 1 실시예와 공통하는 구성 부분에 대해서는 동일 부호를 부여하여, 설명을 생략한다. 동작에 대해서도 제 1 실시예와 같은 동작으로 같은 효과를 얻을 수 있으므로, 설명을 생략한다. 이하, 본 실시예의 특징적인 구성 및 효과에 대하여 설명한다.
도 9는 본 발명의 제 4 실시예에 의한 연료 전지 시스템의 하드웨어의 개략 구성의 일례를 나타내는 블록도이다. 도면에 나타내는 바와 같이, 버퍼부(92)는, 연료 전지(30)의 내부의 연료 가스 유로에 연통하여 유로의 일부를 구성한다. 연료 전지(30)의 내부에 있어서의 버퍼부(92)의 위치는 특별히 한정되지 않지만, 공간 절약의 관점에서는, 연료 전지(30) 적층 방향에 존재하는 관통 가스 유로(매니폴드)의 직경을 크게 하는 것이 바람직하다. 버퍼부(92)는, 운전 중에 발생하는 연료 가스를 내부에 저류할 수 있다. 비발전시에 버퍼부(92)는 애노드 공간(111)의 일부를 구성하므로, 애노드 공간(111)에 있어서의 환원제(예컨대, 수소)의 양을 충분히 확보하는 것이 가능해진다. 버퍼부(92)를 마련함으로써, 연료 전지 내부의 환원제의 양을 산화제의 양에 대하여 용이하게 과잉으로 할 수 있다. 따라서, 비발전시의 전극 전위의 저하가 확실히 방지되어, 전극의 열화가 확실히 방지된다.
(제 5 실시예)
본 실시예의 연료 전지 시스템(103)은, 제 1 실시예의 연료 전지 시스템(40)의 정화 완료 산화제 가스 바이패스관(67)이 공기 공급관(93)으로 대체된 것이다. 그 밖의 구성 및 동작에 대해서는, 제 1 실시예의 연료 전지 시스템(40)과 마찬가지이다. 따라서, 제 1 실시예와 공통하는 구성 부분에 대해서는 동일 부호를 부여하여, 설명을 생략한다. 동작에 대해서도 제 1 실시예와 같은 동작으로 같은 효과를 얻을 수 있으므로, 설명을 생략한다. 이하, 본 실시예의 특징적인 구성 및 효과에 대하여 설명한다.
도 10은 본 발명의 제 5 실시예에 의한 연료 전지 시스템의 하드웨어의 개략 구성의 일례를 나타내는 블록도이다. 도면에 나타내는 바와 같이, 공기 공급 관(93)은, 일단이 대기에 개방되고, 또 일단이 가습 완료 산화제 가스 공급관(68)의 개폐 밸브(69)와 연료 전지(30) 사이에 연통하도록 배치되어 있다. 공기 공급관(93)에는 개폐 밸브(70)가 마련되어 있고, 개폐 밸브(70)가 열리면, 공기 공급관(93)으로부터 캐소드 공간(112)에 공기가 공급된다. 이러한 구성으로 함으로써 캐소드 공간(112)으로의 공기의 흡입 압력 손실이 작아진다. 캐소드 공간(112)이 부압이 되어도 개폐 밸브(70)가 열린 상태가 되면 바로 압력 해소가 이루어지므로, 고분자 전해질막(11)으로의 물리적 데미지를 작게 할 수 있다.
(제 6 실시예)
본 실시예의 연료 전지 시스템(104)은, 제 1 실시예의 연료 전지 시스템(40)의 캐소드 공간 압력 검출 장치(59c) 및 애노드 공간 압력 검출 장치(59a)가, 온도 검출 장치(94)로 대체된 것이다. 그 밖의 구성 및 동작에 대해서는, 제 1 실시예의 연료 전지 시스템(40)과 마찬가지이다. 따라서, 제 1 실시예와 공통하는 구성 부분에 대해서는 동일 부호를 부여하여, 설명을 생략한다. 기동 동작에 대해서도 제 1 실시예와 같은 동작으로 같은 효과를 얻을 수 있으므로, 설명을 생략한다. 이하, 본 실시예의 특징적인 구성, 정지 동작 및 효과에 대하여 설명한다.
도 11은 본 발명의 제 6 실시예에 의한 연료 전지 시스템의 하드웨어의 개략 구성의 일례를 나타내는 블록도이다. 도면에 나타내는 바와 같이, 온도 검출 장치(94)는, 연료 전지(30)의 표면 온도를 검출하여, 검출 결과를 제어 장치(49)에 보낸다. 본 실시예에서는, 연료 전지(30)의 표면 온도에 근거하여, 애노드 공간(111)으로의 불활성 가스의 공급 및 캐소드 공간(112)으로의 공기의 공급이 제어 된다. 온도 검출 장치(94)는, 애노드 공간(111) 및 캐소드 공간(112)의 내부에 있는 가스의 온도를 직접적 또는 간접적으로 검출할 수 있는 것이면, 어떠한 것이라도 좋고, 설치 위치도 한정되지 않는다. 예컨대, 연료 전지(30)(스택)의 내부 온도가 검출되더라도 좋다. 온도 검출 장치(94)가 수소 생성 장치(42)에 배치되어, 수소 생성 장치(42)의 온도로부터 애노드 공간(111) 및 캐소드 공간(112)의 압력의 변화가 간접적으로 추정되더라도 좋다.
본 실시예에서는, 연료 전지(30)의 표면 온도와, 애노드 공간(111) 및 캐소드 공간(112)의 압력의 변화의 관계가, 동일한 장치 구성을 갖는 시험기를 이용하여 실험에 의해 미리 구해진다. 동일한 장치 구성이면, 온도와 압력의 관계는 거의 같아진다. 실험에서는, 애노드 공간(111) 및 캐소드 공간(112)의 압력이 밀봉부 등에 실질적으로 부담을 가져오지 않는 한계 압력(예컨대, 분위기 압력과의 압력차가 5K㎩)이 되었을 때의 온도가 기록되고, 그 시점에서 개폐 밸브(58) 및 개폐 밸브(70)가 열려, 애노드 공간(111)으로의 불활성 가스의 공급 및 캐소드 공간(112)으로의 공기의 공급이 개시된다. 애노드 공간(111)의 압력이 불활성 가스의 공급 압력과 대략 같아지면 개폐 밸브(58)가 폐지되어 불활성 가스의 공급이 정지되어, 불활성 가스 공급 개시 후의 경과 시간(불활성 가스 공급 시간 : 예컨대, 10초)이 기억된다. 캐소드 공간(112)의 압력이 분위기 압력(대기압)과 대략 같아지면 개폐 밸브(70)가 폐지되어 공기의 공급이 정지되어, 공기 공급 개시 후의 경과 시간(공기 공급 시간 : 예컨대, 15초)이 기억된다. 다시, 애노드 공간(111) 및 캐소드 공간(112)의 압력이 밀봉부 등에 실질적으로 부담을 가져오지 않는 한계 압 력이 되면, 그 시점의 온도가 기록되고, 개폐 밸브(58) 및 개폐 밸브(70)가 열려, 애노드 공간(111)으로의 불활성 가스의 공급 및 캐소드 공간(112)으로의 공기의 공급이 개시된다. 이러한 동작이 반복되어, 온도가 저하하여 안정할 때까지 가스의 공급이 행해진 온도가 기록된다.
해당 실험 결과에 근거하는 제어에서는, 기록된 온도가 되었을 때에 불활성 가스 공급 시간만큼 불활성 가스가 애노드 공간에 공급되고, 공기 공급 시간만큼 공기가 캐소드 공간에 공급된다. 이러한 동작에 의해, 압력을 실제로는 검출하지 않는 구성이더라도, 애노드 공간 및 캐소드 공간의 압력을, 밀봉부 등에 실질적으로 부담을 가져오지 않는 범위로 유지할 수 있다. 이하에서는, 해당 기록된 온도가, 운전 온도(예컨대, 70℃)로부터 5℃ 피치(65℃, 60℃, 55℃, …)였다고 하여 설명한다. 또, 애노드 공간 및 캐소드 공간의 내부의 온도와 압력의 변화가, 이론식으로부터 연산되더라도 좋다. 온도가 제 1 온도 저하할 때마다 가스가 공급되더라도 좋다. 온도와 압력의 이론적 관계 및 밀봉부의 강도 등을 고려하면, 제 1 온도는 5℃ 이상 20℃ 이하로 하는 것이 바람직하다.
도 12는 본 발명의 제 6 실시예에 의한 연료 전지 시스템의 정지 동작을 나타내는 흐름도이다. 이하, 도 12를 참조하면서, 본 발명의 연료 전지 시스템의 정지 동작에 대하여 설명한다.
실시예 1과 같이, 제어 장치(49)는, 연료 전지(30)에 의한 발전을 정지해야한다고 판정한 경우에는, 정지 동작을 개시한다(스타트). 정지 동작이 개시되면, 우선 제 1 정지 공정이 행해진다. 제 1 정지 공정에 대해서는, 실시예 1과 마찬가 지이므로 설명을 생략한다. 제 1 정지 공정이 완료되면, 제 2 정지 공정이 개시된다.
제 2 정지 공정에서는, 연료 가스 및 산화제 가스의 공급이 정지되어 있고, 연료 전지(30)의 온도는 저하하여, 애노드 공간(111) 및 캐소드 공간(112)의 압력도 저하한다. 압력 저하의 원인은 주로, 고분자 전해질막(11)을 거친 크로스 리크에 의해 수소와 산소가 반응하여 소비되는 것, 및, 온도 저하에 의한 수증기의 응축이다. 제어 장치(49)는, 온도 검출 장치(94)에 의해 연료 전지(30)의 표면 온도를 검출한다. 연료 전지(30)의 표면 온도 T가 T1로서 기억되고(단계 S307), 표면온도 T가 T1보다 5 이상 저하했는지 여부의 판정이 행해진다(단계 S308). 단계 S308에서 "예"라고 판정되면, 제어 장치(49)는, T1을 표면 온도 T로 갱신하고, 계시 장치(82)로부터 현재 시각을 수취하여, 가스 공급 개시 시각으로서 기억한다(단계 S309). 개폐 밸브(58)와 개폐 밸브(70)가 열려, 가스 정화기(41)에서 정화된 원료 가스(불활성 가스)가 정화 완료 원료 가스 바이패스관(54)을 통하여 애노드 공간(111)에 공급되고, 필터(45)에서 정화된 산화제 가스(공기)가 정화 완료 산화제 가스 바이패스관(67)을 통하여 캐소드 공간(112)에 공급된다(단계 S310). 단계 S309에서 기억된 가스 공급 개시 시각과, 계시 장치(82)로부터 수취한 현재 시각을 이용하여, 가스 공급을 개시하고 나서부터의 경과 시간이 연산된다. 경과 시간이 불활성 가스 공급 시간을 넘으면, 개폐 밸브(58)가 폐지되어 불활성 가스의 공급이 정지된다(단계 S311∼S312). 경과 시간이 공기 공급 시간을 넘으면, 개폐 밸브(70)가 폐지되어 공기의 공급이 정지된다(단계 S313∼S314). 스택 표면 온도 T 가 운전 정지 온도(예컨대, 30℃) 이하인지 여부의 판정이 행해진다(단계 S315). 단계 S315에서 "예"라고 판정되면, 불활성 가스 및 공기의 공급이 정지되어(단계 S316), 운전이 정지된다(엔드). 단계 S315에서 "아니오"라고 판정되면, 다시 단계 S308로 되돌아간다.
제 2 정지 공정 사이, 연료 전지(30)의 표면 온도가 소정의 온도(제 1 온도) 저하할 때마다, 반복하여 가스의 공급이 행해진다. 이러한 동작에 의해, 애노드 공간(111)에서는 연료 가스 중의 수소 농도가 감소되어, 최종적으로 수소 및 정화된 원료 가스에 의해 채워진다. 캐소드 공간(112)에서는 공기가 서서히 유입되지만, 공기 중의 산소는, 크로스 리크에 의해 수소와 반응하여 소비되고, 최종적으로 거의 질소로 채워진다. 이러한 동작에 의하면, 압력 변화에 의한 연료 전지(30)의 구성 재료의 파손이나 연료 전지 내부로의 산소의 유입을 막을 수 있다. 따라서, 연료 전지 시스템의 수명 향상이 도모된다. 특히, 본 실시예에서는 애노드 공간(111) 또는 캐소드 공간(112)의 온도에 근거하여 제어가 행해지므로, 압력의 검출이 불필요해져, 장치의 구성이 간결하게 된다고 하는 특징을 갖는다. 또한, 애노드 공간(111) 및 캐소드 공간(112)의 온도가 소정의 온도(예컨대, 5℃)만큼 내려갈 때마다 가스가 공급되므로, 제어가 용이해진다.
상기 설명으로부터, 당업자에 있어서는, 본 발명의 많은 개량이나 다른 실시예가 분명하다. 따라서, 상기 설명은, 예시로서만 해석되어야 하며, 본 발명을 실행하는 최선의 형태를 당업자에 교시할 목적으로 제공된 것이다. 본 발명의 정신을 일탈하는 일 없이, 그 구조 및/또는 기능의 상세를 실질적으로 변경할 수 있다.
본 발명의 연료 전지 시스템은, 에너지 효율이 높고, 기동 정지를 반복하더라도 비발전시에 있어서의 전극의 열화를 확실히 방지하는 것이 가능한 연료 전지 시스템으로서 유용하다.

Claims (17)

  1. 고분자 전해질막과, 상기 고분자 전해질막을 협지(挾持)하는 애노드 및 캐소드를 갖는 연료 전지와,
    상기 애노드에 연료 가스를 공급하여 배출하는 연료 가스 유로와,
    상기 캐소드에 산화제 가스를 공급하여 배출하는 산화제 가스 유로와,
    상기 연료 가스 유로에 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 공급 장치와,
    상기 산화제 가스 유로에 공기를 공급하는 공기 공급 장치와,
    상기 연료 가스 유로 및 상기 산화제 가스 유로를 폐지(閉止)하는 폐지 기구
    를 구비하되,
    상기 폐지 기구는, 비발전시에, 상기 연료 가스 유로와 상기 산화제 가스 유로를 폐지하도록 구성되고,
    상기 불활성 가스 공급 장치는, 비발전시에, 폐지됨으로써 외부와 격리된 상기 연료 가스 유로 및 이것에 연통하는 공간으로 이루어지는 애노드 공간에 압력 저하를 보충하도록 불활성 가스를 공급하도록 구성되고,
    상기 공기 공급 장치는, 비발전시에, 폐지됨으로써 외부와 격리된 상기 산화제 가스 유로 및 이것에 연통하는 공간으로 이루어지는 캐소드 공간에 압력 저하를 보충하도록 공기를 공급하도록 구성되고,
    상기 애노드 공간의 용적이 상기 캐소드 공간의 용적보다 큰
    연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    원료 가스를 정화하는 가스 정화기와,
    원료 가스로부터 상기 연료 가스를 생성하는 수소 생성 장치
    를 구비하되,
    상기 불활성 가스는 상기 가스 정화기에서 정화된 원료 가스인
    연료 전지 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    발전 정지 후, 온도가 안정했을 때에, 상기 애노드 공간 및 상기 캐소드 공간을 합친 공간에서 환원제가 산화제에 대하여 과잉이 되도록, 상기 애노드 공간 및 상기 캐소드 공간의 용적이 설정되어 있는 연료 전지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드 공간의 용적이 상기 캐소드 공간의 용적의 3배 이하인 연료 전지 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드 공간에 버퍼부를 갖는 연료 전지 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    제어 장치와,
    상기 연료 가스 유로의 공급측을 개폐 가능하게 배치된 제 1 개폐 밸브와,
    상기 연료 가스 유로의 배출측을 개폐 가능하게 배치된 제 2 개폐 밸브와,
    상기 산화제 가스 유로의 공급측을 개폐 가능하게 배치된 제 3 개폐 밸브와,
    상기 산화제 가스 유로의 배출측을 개폐 가능하게 배치된 제 4 개폐 밸브
    를 구비하되,
    상기 제어 장치는, 비발전시에, 상기 제 1 개폐 밸브와 상기 제 2 개폐 밸브를 닫음으로써 상기 연료 가스 유로를 폐지하고,
    상기 제 3 개폐 밸브와 상기 제 4 개폐 밸브를 닫음으로써 상기 산화제 가스 유로를 폐지하도록 구성되어 있는
    연료 전지 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    제어 장치를 구비하고,
    상기 불활성 가스 공급 장치는 제 5 개폐 밸브를 구비하고,
    상기 공기 공급 장치는 제 6 개폐 밸브를 구비하되,
    상기 제어 장치는, 비발전시에, 상기 제 5 개폐 밸브를 개폐함으로써 상기 애노드 공간으로의 상기 불활성 가스의 공급을 제어하고,
    상기 제 6 개폐 밸브를 개폐함으로써 상기 캐소드 공간으로의 상기 공기의 공급을 제어하도록 구성되어 있는
    연료 전지 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    제어 장치와,
    상기 애노드 공간 또는 상기 캐소드 공간의 압력을 직접적 또는 간접적으로 검출하는 압력 검출 장치
    를 구비하되,
    상기 제어 장치는, 비발전시에, 상기 압력 검출 장치의 검출 결과에 근거하여, 상기 불활성 가스 공급 장치에 의한 상기 애노드 공간으로의 상기 불활성 가스의 공급 및 상기 공기 공급 장치에 의한 상기 캐소드 공간으로의 상기 공기의 공급을 제어하도록 구성되어 있는
    연료 전지 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 애노드 공간 내의 압력인 애노드 공간 압력이 불활성 가스의 공급 압력보다 제 1 압력 이상 작아지면, 상기 불활성 가스 공급 장치를 제어하여, 상기 애노드 공간 압력이 불활성 가스의 공급 압력과 같아질 때까지 상기 애노드 공간으로 상기 불활성 가스를 공급하고,
    상기 캐소드 공간 내의 압력인 캐소드 공간 압력이 분위기 압력보다 제 2 압력 이상 작아지면, 상기 공기 공급 장치를 제어하여, 상기 캐소드 공간 압력이 분위기 압력과 같아질 때까지 상기 캐소드 공간으로 상기 공기를 공급하 도록 구성되어 있는
    연료 전지 시스템.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 애노드 공간 내의 압력인 애노드 공간 압력이 분위기 압력보다 제 1 압력 이상 작아지면, 상기 불활성 가스 공급 장치를 제어하여, 상기 애노드 공간 압력이 불활성 가스의 공급 압력과 같아질 때까지 상기 애노드 공간으로 상기 불활성 가스를 공급하고,
    상기 캐소드 공간 내의 압력인 캐소드 공간 압력이 분위기 압력보다 제 2 압력 이상 작아지면, 상기 공기 공급 장치를 제어하여, 상기 캐소드 공간 압력이 분위기 압력과 같아질 때까지 상기 캐소드 공간으로 상기 공기를 공급하도록 구성되어 있는
    연료 전지 시스템.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 애노드 공간 내의 압력인 애노드 공간 압력이 표준 대기 압력보다 제 1 압력 이상 작아지면, 상기 불활성 가스 공급 장치를 제어하여, 상기 애노드 공간 압력이 불활성 가스의 공급 압력과 같아질 때까지 상기 애노드 공간으로 상기 불활성 가스를 공급하고,
    상기 캐소드 공간 내의 압력인 캐소드 공간 압력이 표준 대기 압력보다 제 2 압력 이상 작아지면, 상기 공기 공급 장치를 제어하여, 상기 캐소드 공간 압력이 분위기 압력과 같아질 때까지 상기 캐소드 공간으로 상기 공기를 공급하도록 구성되어 있는
    연료 전지 시스템.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 압력 및 상기 제 2 압력이 각각, 5K㎩ 이상 20K㎩ 이하로 설정되어 있는 연료 전지 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    제어 장치와,
    상기 애노드 공간 또는 상기 캐소드 공간의 온도를 직접적 또는 간접적으로 검출하는 온도 검출 장치
    를 구비하되,
    상기 제어 장치는, 비발전시에, 상기 온도 검출 장치의 검출 결과에 근거하여, 상기 애노드 공간으로의 상기 불활성 가스의 공급 및 상기 캐소드 공간으로의 상기 공기의 공급을 제어하도록 구성되어 있는
    연료 전지 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 온도 검출 장치의 검출 결과가 제 1 온도차만큼 저하할 때마다, 상기 불활성 가스 공급 장치를 제어하여 상기 불활성 가스를 상기 애노드 공간에 공급하고, 또한 상기 공기 공급 장치를 제어하여 상기 공기를 상기 캐소드 공간에 공급하도록 구성되고,
    상기 제 1 온도차는 5℃ 이상 20℃ 이하인
    연료 전지 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서,
    제어 장치와,
    발전 정지 후의 경과 시간을 계측하기 위한 계시 장치
    를 구비하되,
    상기 제어 장치는, 발전 정지 후에, 상기 계시 장치의 계측 결과에 근거하여, 상기 애노드 공간으로의 상기 불활성 가스의 공급 및 상기 캐소드 공간으로의 상기 공기의 공급을 제어하도록 구성되어 있는
    연료 전지 시스템.
  17. 제 2 항에 있어서,
    상기 수소 생성 장치는 버너를 구비하고,
    상기 수소 생성 장치는, 기동시에, 상기 애노드 공간 내부의 가스가 상기 버너에 유도되어, 상기 버너에 의해 상기 가스가 연소되도록 구성되어 있는
    연료 전지 시스템.
KR1020087015032A 2005-12-02 2006-11-28 연료 전지 시스템 KR101351692B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005348768 2005-12-02
JPJP-P-2005-00348768 2005-12-02
PCT/JP2006/323663 WO2007063826A1 (ja) 2005-12-02 2006-11-28 燃料電池システム

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20080072058A KR20080072058A (ko) 2008-08-05
KR101351692B1 true KR101351692B1 (ko) 2014-01-14

Family

ID=38092159

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020087015032A KR101351692B1 (ko) 2005-12-02 2006-11-28 연료 전지 시스템

Country Status (5)

Country Link
US (1) US8071243B2 (ko)
JP (1) JP4468994B2 (ko)
KR (1) KR101351692B1 (ko)
CN (1) CN101322274B (ko)
WO (1) WO2007063826A1 (ko)

Families Citing this family (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101506591B (zh) * 2006-12-14 2011-10-05 松下电器产业株式会社 加湿器用隔板、加湿器以及具备该加湿器的燃料电池系统
US8318365B2 (en) * 2007-03-14 2012-11-27 Panasonic Corporation Fuel cell system with bypass path and operation method for controlling bypass path of fuel cell system
JP5011005B2 (ja) * 2007-06-29 2012-08-29 本田技研工業株式会社 燃料電池用改質器の制御装置
WO2009113304A1 (ja) 2008-03-12 2009-09-17 パナソニック株式会社 燃料電池システム
JP5613374B2 (ja) * 2009-01-22 2014-10-22 パナソニック株式会社 燃料電池システム
JP2010176993A (ja) * 2009-01-28 2010-08-12 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 固体高分子形燃料電池システムの停止方法及び固体高分子形燃料電池システム
FR2941094A1 (fr) * 2009-02-27 2010-07-16 Michelin Soc Tech Dispositif pour augmenter le volume du circuit hydrogene d'une pile a combustible
FR2941093A1 (fr) * 2009-02-27 2010-07-16 Michelin Soc Tech Pile a combustible concue pour eviter la sous alimentation en hydrogene lors des extinctions
JP2011054288A (ja) * 2009-08-31 2011-03-17 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 固体高分子形燃料電池発電システム
JPWO2011055523A1 (ja) * 2009-11-04 2013-03-21 パナソニック株式会社 燃料電池システム
US8387441B2 (en) * 2009-12-11 2013-03-05 GM Global Technology Operations LLC Injector flow measurement for fuel cell applications
TW201125202A (en) * 2010-01-08 2011-07-16 Iner Aec Executive Yuan A method for fuel cell system control and a fuel cell system using the same
JP2011192619A (ja) * 2010-03-17 2011-09-29 Fuji Electric Co Ltd 燃料電池発電装置及び燃料電池発電装置の運転方法
JP5557579B2 (ja) * 2010-04-02 2014-07-23 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
US9509002B2 (en) * 2010-05-20 2016-11-29 Audi Ag Quick restart of fuel cell power plant as alternative to idling
JP5505874B2 (ja) * 2010-06-23 2014-05-28 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP5615363B2 (ja) * 2010-07-13 2014-10-29 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用配管ユニットおよびそれを備えた燃料電池ユニット、燃料電池システム
TWI395368B (zh) * 2010-07-28 2013-05-01 Iner Aec Executive Yuan 一種燃料電池系統的控制方法及其使用該控制方法的燃料電池系統
JP5694117B2 (ja) * 2010-11-22 2015-04-01 本田技研工業株式会社 燃料電池
KR20120080881A (ko) * 2011-01-10 2012-07-18 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템 및 연료 전지 내에서의 연료의 반응 조건을 제어하는 방법
JP5673846B2 (ja) * 2011-10-04 2015-02-18 日産自動車株式会社 燃料電池システム
EP2787598B1 (en) * 2011-11-28 2018-04-25 Kyocera Corporation Power control device, power control system, and power control method
JP5817577B2 (ja) * 2012-02-13 2015-11-18 株式会社デンソー 燃料電池装置
DE102012006948A1 (de) * 2012-04-05 2013-10-10 Daimler Ag Brennstoffzellenstapelanordnung mit mindestens einer multifunktionellen Endplatte
KR101417526B1 (ko) 2012-12-28 2014-07-08 현대자동차주식회사 엔드셀 열화 방지를 위한 연료전지 스택
US10439239B2 (en) * 2015-06-18 2019-10-08 GM Global Technology Operations LLC Shutdown method of fuel cell stack and fuel cell system therefor
CN108370048B (zh) * 2015-12-15 2019-11-01 日产自动车株式会社 燃料电池系统及燃料电池系统的控制方法
FR3117684B1 (fr) * 2020-12-11 2023-03-31 Commissariat Energie Atomique Procédé de fonctionnement en mode stand-by chaud d’une pile à combustible SOFC ou d’un réacteur SOEC.
JP7208287B2 (ja) 2021-03-19 2023-01-18 本田技研工業株式会社 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
DE102022205645A1 (de) * 2022-06-02 2023-12-07 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems
JP7477005B1 (ja) 2023-03-07 2024-05-01 富士電機株式会社 燃料電池発電装置及び燃料電池発電システム

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001332281A (ja) 2000-05-24 2001-11-30 Fuji Electric Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池発電装置とその運転方法
JP2005222707A (ja) 2004-02-03 2005-08-18 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃料電池システムおよび運転方法
JP2005267910A (ja) 2004-03-16 2005-09-29 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃料電池システムおよびその制御方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5013617A (en) * 1989-12-29 1991-05-07 International Fuel Cells Corporation Air ejector system for fuel cell passivation
US5419978A (en) * 1994-03-17 1995-05-30 International Fuel Cells Corporation Phosphoric acid fuel cell passivation with natural gas
JPH08190929A (ja) 1995-01-10 1996-07-23 Toshiba Corp 燃料電池発電プラント
US6124054A (en) * 1998-12-23 2000-09-26 International Fuel Cells, Llc Purged anode low effluent fuel cell
EP1296397A3 (en) 2001-09-19 2004-03-24 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Fuel cell power generation system and method of controlling fuel cell power generation system
CN1225052C (zh) * 2001-10-12 2005-10-26 上海神力科技有限公司 一种能使小功率质子交换膜燃料电池安全运行的控制装置
JP2003303608A (ja) 2002-02-07 2003-10-24 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃料電池発電システム、燃料電池発電システムの制御方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001332281A (ja) 2000-05-24 2001-11-30 Fuji Electric Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池発電装置とその運転方法
JP2005222707A (ja) 2004-02-03 2005-08-18 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃料電池システムおよび運転方法
JP2005267910A (ja) 2004-03-16 2005-09-29 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃料電池システムおよびその制御方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN101322274A (zh) 2008-12-10
US20090047555A1 (en) 2009-02-19
KR20080072058A (ko) 2008-08-05
CN101322274B (zh) 2010-11-10
JP4468994B2 (ja) 2010-05-26
US8071243B2 (en) 2011-12-06
JPWO2007063826A1 (ja) 2009-05-07
WO2007063826A1 (ja) 2007-06-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101351692B1 (ko) 연료 전지 시스템
US8039154B2 (en) Fuel cell system, method of starting fuel cell system
US9444115B2 (en) Fuel cell system with calculation of liquid water volume
US8765314B2 (en) Fuel cell system and method for stopping operation of fuel cell system
JP5109259B2 (ja) 燃料電池システム
KR20130023223A (ko) 연료 전지 시스템 및 그의 운전 방법
JP4661055B2 (ja) 燃料電池システムおよび運転方法
JP4336182B2 (ja) 燃料電池システムの運転方法および燃料電池システム
JP2005251434A (ja) 燃料電池システム、燃料電池の制御方法
JP4872181B2 (ja) 燃料電池システムとその運転方法
EP1659653B1 (en) Fuel cell system and method for starting operation of fuel cell system
JP2005044621A (ja) 燃料電池発電装置とその運転方法
JP4617647B2 (ja) 燃料電池システムとその運転方法
JP2005158298A (ja) 燃料電池発電システムの運転方法および燃料電池発電システム
JP4613482B2 (ja) 燃料電池発電装置とその運転方法
JP5605106B2 (ja) 燃料電池発電装置
JP4772293B2 (ja) 燃料電池システム
JP2006066107A (ja) 燃料電池システム、燃料電池システムの停止方法
JP5678278B2 (ja) 燃料電池システムおよび運転方法
JP5370342B2 (ja) 燃料電池システムおよび運転方法
JP2005174829A (ja) 燃料電池システムおよびその運転方法
JP2005222708A (ja) 燃料電池

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20161220

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20181219

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20191219

Year of fee payment: 7