KR101408887B1 - 연료전지 시스템 및 그 스택 퍼지 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택 내부에 축적되는 이물질을 제거하도록 개선된 연료전지 시스템 및 그 스택 퍼지 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료와 산화제 가스를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료를 공급하는 연료 공급부, 및 연료전지 스택에 산화제 가스를 공급하는 산화제 공급부를 포함한다. 그리고, 연료전지 시스템은 연료전지 스택을 통과한 산화제 가스의 배출 통로에 설치되어, 연료전지 스택이 전기 에너지를 생성하지 않는 조건에서 연료전지 스택 내부로 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급부를 포함한다.
연료전지, 스택, 이물질, 퍼지, 캐소드, 밸브, 펌프

Description

연료전지 시스템 및 그 스택 퍼지 방법{Fuel Cell System and Stack Purge Method thereof}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 연료전지 스택 내부에 축적되는 이물질을 제거하도록 개선된 연료전지 시스템 및 그 스택 퍼지 방법에 관한 것이다.
연료 전지(Fuel Cell)는 연료의 산화 반응, 및 이 연료와 별도인 산화제 가스의 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전장치이다. 이러한 연료 전지로는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 직접 메탄올 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell)를 비롯하여 여러 종류의 연료전지가 있다.
고분자 전해질형 연료 전지는 액체 연료 또는 가스 연료로부터 개질된 개질 가스, 및 공기와 같은 산화제 가스를 제공받는다. 그리고, 고분자 전해질형 연료 전지는 개질 가스의 산화 반응과 산화제 가스의 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킨다. 직접 메탄올 연료 전지는 액체 연료 및 공기를 제공받아서, 연료의 산화 반응과 산화제 가스의 환원 반응에 따라 전기 에너지를 발생시킨다. 이러한 직접 메탄올 연료 전지는 시스템의 구성요소가 간단하여, 휴대용 전원기기로 사용되고 있다.
이와 같은 연료 전지는 전기 에너지를 생성하는 최소 단위인 단위 전지를 구비한다. 단위 전지는 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly, 이하 MEA라 한다), 이런 MEA를 사이에 두고 그 양측에 구비되는 세퍼레이터(Separator)를 포함한다. 그리고, 단위 전지는 수 개 내지 수십 개가 연속적으로 배열됨으로써, 하나의 스택(Stack)을 구성한다.
종래의 연료전지 시스템은 산화제 가스로서 공기를 주로 이용하는데, 시스템을 장기간 작동하는 경우에 이러한 공기에 함유된 미세한 이물질이 조금씩 연료전지 스택 내부에 축적되는 문제점이 있다. 이렇게 연료전지 스택 내부에 축적되는 이물질은 공기가 공급되는 것을 방해하여, 스택 내의 발전 성능을 저하시키는 원인이 된다.
본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 연료전지 스택 내부에 축적되는 이물질을 제거하도록 개선된 연료전지 시스템 및 그 스택 퍼지 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료와 산화제 가스를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택, 상기 연료전지 스택에 상기 연료를 공급하는 연료 공급부, 및 상기 연료전지 스택에 상기 산화제 가스를 공급하는 산화제 공급부를 포함한다. 그리고, 연료전지 시스템은 상기 연료전지 스택을 통과한 상기 산화제 가스의 배출 통로에 설치되어, 상기 연료전지 스택이 전기 에너지를 생성하지 않는 조건에서 상기 연료전지 스택 내부로 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급부를 포함한다.
상기 산화제 공급부는 상기 산화제 가스를 기 설정된 압력과 유량으로 유동시키는 제1 산화제 펌프, 및 상기 제1 산화제 펌프와 상기 연료전지 스택 사이에 설치되어 상기 산화제 가스의 유동방향을 전환시키는 제1 산화제 밸브를 포함한다. 상기 퍼지 가스 공급부는 상기 제1 산화제 밸브에 연결되어 상기 제1 산화제 밸브로부터 유입되는 상기 산화제 가스를 상기 퍼지 가스로서 상기 연료전지 스택으로 유입되게 전환시키는 제1 퍼지 밸브를 포함한다.
이런 상기 산화제 공급부는 상기 제1 산화제 밸브와 상기 연료전지 스택 사 이에 설치되어 상기 산화제 가스의 유동방향을 선택적으로 전환시키는 제2 산화제 밸브를 더 포함한다.
상기 제1 산화제 밸브, 상기 제2 산화제 밸브, 및 상기 제1 퍼지 밸브는 각각 상기 산화제 가스의 유동방향을 외부 제어신호에 따라 선택적으로 전환시키는 삼방향(3-way) 전환 밸브이다.
또는 상기 산화제 공급부는 상기 산화제 가스를 기 설정된 압력과 유량으로 유동시키는 제2 산화제 펌프, 및 상기 제2 산화제 펌프와 상기 연료전지 스택 사이에 설치되어 상기 산화제 가스의 유동방향을 전환시키는 제3 산화제 밸브를 포함한다. 상기 퍼지 가스 공급부는 외부로부터 상기 퍼지 가스를 상기 연료전지 스택으로 유동시키는 제1 퍼지 펌프, 및 상기 제1 퍼지 펌프와 상기 연료전지 스택 사이에 설치되어 상기 퍼지 가스의 유동방향을 선택적으로 전환시키는 제2 퍼지 밸브를 포함한다.
상기 제2 산화제 밸브 및 상기 제2 퍼지 밸브는 상기 산화제 가스 또는 상기 퍼지 가스의 각 유동방향을 외부 제어신호에 따라 선택적으로 전환시키는 삼방향(3-way) 전환 밸브이다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 스택 퍼지 방법은 연료와 산화제 가스를 각각 연료전지 스택에 공급하여 전기화학적으로 반응시키는 발전 단계, 상기 연료전지 스택으로 공급되지 않게 상기 연료와 상기 산화제 가스를 각각 차단하는 발전 정지 단계, 및 상기 연료전지 스택의 산화제 배출구로 퍼지 가스를 유입시켜서 상기 퍼지 가스를 상기 연료전지 스택의 산화제 유입구로 배출시키는 퍼지 단계를 포함한다.
상기 발전 정지 단계에서는 상기 연료전지 스택이 기 설정된 발전 출력 이하로 저하되는 조건에서 상기 연료와 상기 산화제 가스를 각각 차단한다.
상기 퍼지 단계에서는 상기 산화제 유입구로 공급되던 상기 산화제 가스의 유동 흐름을 상기 산화제 배출구 방향으로 전환시키고, 상기 퍼지 가스로서 상기 산화제 가스를 상기 산화제 배출구로 유입시킨다.
상기 퍼지 단계에서의 상기 산화제 가스의 공급량 범위는 상기 발전 단계에서의 상기 산화제 가스의 공급량 범위와 동일하게 유지된다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템 및 그 스택 퍼지 방법은 연료전지 스택의 발전 성능이 저하되는 조건에서 산화제 가스를 역방향으로 퍼지 공급함으로써, 연료전지 스택 내부에 축적된 이물질을 외부로 배출 제거한다. 이와 같이 본 발명의 실시예는 연료전지 스택의 발전 성능이 저하되는 것을 방지함으로써, 궁극적으로 종래에 비해 연료전지의 발전 성능이 향상되는 장점이 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 사용되는 연료전지 스택의 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택(10)은 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시킴으로써 전기 에너지를 생성하는 발전 구성요소이다. 이런 연료전지 스택(10)은 전기 에너지를 발생시키는 최소 단위로서 단위 전지를 구비하며, 이러한 수개 또는 수십 개의 단위 전지들이 연속적으로 적층 배열된 집합체로 구성된다. 그리고, 단위 전지들이 적층된 집합체의 양 단부에는 엔드 플레이트(16)가 각각 결합됨으로써, 하나의 연료전지 스택(10)이 형성된다.
연료전지 스택(10)은 수소를 함유하는 연료와, 산소를 함유하는 산화제 가스를 공급 받는다. 즉, 연료전지 스택(10)은 엔드 플레이트(16)에 형성된 연료 유입구를 통해 연료가 유입되어, 단위 전지들에서 각각 전기화학반응된 후에 미반응된 연료가 연료 배출구를 통해 외부로 배출된다. 연료전지 스택(10)은 엔드 플레이트(16)에 형성된 산화제 유입구(17)를 통해 산화제 가스가 유입되어, 단위 전지들에서 각각 전기화학반응된 후에 잔여 산화제 가스가 외부로 배출된다.
도 2는 도 1에 도시된 선 Ⅱ-Ⅱ를 따라 절단하여 나타낸 개략도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 단위 전지는 수소 이온을 선택적으로 통과시킴으로써 전기화학반응을 유발하는 막-전극 어셈블리(11)와, 이런 막-전극 어셈블리(11)의 양쪽 면에 배치되는 플레이트 형상의 세퍼레이터(12, 13)들로 이루어진다. 제1 세퍼레이터(12)는 캐소드 분리판으로서, 막-전극 어셈블리(11)를 향하는 일면에 산화제 가스가 유입되도록 제1 채널(15)이 형성된다. 제2 세퍼레이터(13)는 애노드 분리판으로서, 막-전극 어셈블리(11)를 향하는 일면에 연료가 유입되도록 제2 채널이 형성된다.
연료전지 스택(10)은 산화제 가스로서 일반적으로 대기 중의 공기를 사용한다. 이런 공기는 산화제 유입구(17)를 통해 연료전지 스택(10)의 내부로 유입되고, 매니폴드(14)를 통해 각 단위 전지들의 제1 채널(15)로 각각 분배된다. 그리고, 각 단위 전지들에서 전기화학반응된 후에 잔여 공기는 산화제 배출구(18)를 통해 외부로 배출된다.
하지만, 공기에 함유된 미세한 이물질은 연료전지 스택(10)의 내부에 점진적으로 축적되기 때문에, 연료전지 스택(10)을 장기간 운전시 공기의 공급을 방해하는 요인으로 작용한다. 특히, 공기에 함유된 미세한 이물질은 연료전지 스택(10)의 매니폴드(14)에서 출구 쪽에 해당하는 끝단부 영역(19)에 주로 축적됨으로써, 이런 끝단부 영역(19)에 위치하는 단위 전지로 공기가 공급되지 못하게 되어, 연료전지 스택(10)의 전체 발전 성능이 저하된다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 다음과 같이 구성함으로써, 이와 같이 연료전지 스택(10)의 내부에 축적되는 이물질을 제거한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 각 구성요소들을 나타낸 개략도로서, 스택이 정상적으로 발전하는 조건에서 반응 가스의 흐름을 나타낸 도면이고, 도 4는 스택이 성능저하된 조건에서 역방향으로 퍼지되는 반응 가스의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템은 상기와 같은 연료전지 스택(10) 뿐만 아니라, 연료전지 스택(10)에 연료를 공급하는 연료 공급부(20)를 구비한다. 그리고, 연료전지 시스템은 연료의 종 류에 따라 연료를 개질가스로 개질하여 연료전지 스택(10)에 공급하는 개질기(30)를 더 구비할 수도 있다.
이 외에도 연료전지 시스템은 연료전지 스택(10)에 산화제 가스인 공기를 공급하는 산화제 공급부(40), 및 연료전지 스택(10)을 통과한 공기의 배출 통로에 설치되는 퍼지 가스 공급부(50)를 더 구비한 특징이 있다.
산화제 공급부(40)는 공기를 기 설정된 압력과 유량으로 유동시키는 제1 산화제 펌프(41), 및 제1 산화제 펌프(41)와 연료전지 스택(10) 사이에 설치되어 공기의 유동방향을 전환시키는 제1 산화제 밸브(42)를 포함한다. 그리고, 산화제 공급부(40)는 제1 산화제 밸브(42)와 연료전지 스택(10) 사이에 설치되어 공기의 유동방향을 선택적으로 전환시키는 제2 산화제 밸브(43)를 더 포함한다. 이때, 제1 산화제 밸브(42)와 제2 산화제 밸브(43)는 솔레노이드 전자밸브 타입으로서 외부 제어신호에 따라 선택적으로 공기의 유동 흐름을 전환하는 삼방향(3-way) 밸브이다.
퍼지 가스 공급부(50)는 연료전지 스택(10)이 정상적으로 발전하는 과정에서 잔여 공기를 외부로 원활하게 배출하지만, 기 설정된 퍼지 조건에서 연료전지 스택(10)의 내부로 퍼지 가스를 공급한다. 이러한 퍼지 가스 공급부(50)는 잔여 공기가 배출되는 통로에 설치되면서도, 제1 산화제 밸브(42)에 연결되는 제1 퍼지 밸브를 포함한다. 그러면, 퍼지 가스 공급부(50)는 제1 산화제 밸브(42)로부터 유입되는 공기를 퍼지 가스로 이용하여, 연료전지 스택(10)으로 유입되게 전환시킬 수 있다. 이때, 제1 퍼지 밸브도 솔레노이드 전자밸브 타입으로서 외부 제어신호에 따라 선택적으로 공기의 유동 흐름을 전환하는 삼방향(3-way) 밸브이다.
연료전지 시스템은 연료전지 스택(10)이 정상적으로 발전할 때 도 3에 도시된 바와 같이 연료전지 스택(10)으로 연료가 공급되고서, 연료전지 스택(10)에서 미반응된 연료가 외부로 배출된다. 연료전지 시스템은 산화제 공급부(40)에 의해 공기가 연료전지 스택(10)으로 공급되고, 연료전지 스택(10)을 통과한 잔여 공기가 퍼지 가스 공급부(50)를 거쳐 배출된다. 이때, 제1 산화제 밸브(42)는 제1 퍼지 밸브 방향으로 공기가 유입되지 않게 유동 흐름을 유지하며, 제2 산화제 밸브(43)는 연료전지 스택(10)으로 공급되는 공기가 외부로 배출되지 않게 유동 흐름을 유지한다.
반면, 연료전지 시스템은 연료전지 스택(10)이 장기간 발전 작동을 유지함으로써, 연료전지 스택(10)의 내부에 축적된 이물질에 의해 발전 성능이 저하될 수 있다. 연료전지 시스템은 이러한 퍼지 조건에서 도 4에 도시된 바와 같이 공기를 연료전지 스택(10)의 역방향으로 퍼지 공급한다. 이를 위해 연료전지 시스템은 외부의 제어신호에 따라 제1 산화제 밸브(42), 제2 산화제 밸브(43), 및 제1 퍼지 밸브가 각각 다음과 같이 유동 흐름을 전환한다. 즉, 제1 산화제 밸브(42)는 연료전지 스택(10)으로의 유동 흐름을 차단하면서, 제1 퍼지 밸브 방향으로 공기가 유입되게 전환된다. 제2 산화제 밸브(43)는 제1 산화제 밸브(42)로 공기가 유입되지 않게 차단하면서, 공기가 외부로 배출되게 개방된다. 제1 퍼지 밸브는 공기가 외부로 배출되지 않게 차단하면서, 제1 산화제 밸브(42)로부터 연료전지 스택(10)으로의 유동 흐름을 개방한다. 이와 같이 연료전지 시스템은 퍼지 조건에서 제1 산 화제 펌프(41)가 작동해도, 연료전지 스택(10)의 산화제 배출구(18)를 통해 역방향으로 공기가 유입된다. 연료전지 시스템은 연료전지 스택(10)의 역방향으로 공기가 유입됨으로써, 연료전지 스택(10) 내부에 축적된 이물질이 공기와 함께 제2 산화제 밸브(43)을 거쳐 외부로 배출된다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템의 각 구성요소들을 나타낸 개략도로서, 스택이 정상적으로 발전하는 조건에서 반응 가스의 흐름을 나타낸 도면이고, 도 6은 스택이 성능저하된 조건에서 역방향으로 퍼지되는 반응 가스의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템은 제1 실시예의 연료전지 시스템과 대략적으로 동일한 구성요소들을 구비하면서도, 산화제 공급부(70)와 퍼지 가스 공급부(80)가 각각 다음과 같은 구성적 특징을 갖는다.
산화제 공급부(70)는 공기를 기 설정된 압력과 유량으로 유동시키는 제2 산화제 펌프(71), 및 제2 산화제 펌프(71)와 연료전지 스택(10) 사이에 설치되어 공기의 유동방향을 전환시키는 제3 산화제 밸브(72)를 포함한다. 이때, 제3 산화제 밸브(72)는 솔레노이드 전자밸브 타입으로서 외부 제어신호에 따라 선택적으로 공기의 유동 흐름을 전환하는 삼방향(3-way) 밸브이다.
퍼지 가스 공급부(80)는 외부로부터 잔여 공기가 배출되는 통로에 설치되면서 퍼지 가스를 연료전지 스택(10)으로 유동시키는 제1 퍼지 펌프(81), 및 제1 퍼지 펌프(81)와 연료전지 스택(10) 사이에 설치되어 퍼지 가스의 유동방향을 선택적 으로 전환시키는 제2 퍼지 밸브(82)를 포함한다. 퍼지 가스 공급부(80)는 퍼지 가스로서 대기 중의 공기를 연료전지 스택(10)의 내부로 공급한다. 제2 퍼지 밸브(82)도 솔레노이드 전자밸브 타입으로서 외부 제어신호에 따라 선택적으로 유동 흐름을 전환하는 삼방향(3-way) 밸브이다.
이러한 연료전지 시스템은 연료전지 스택(10)이 정상적으로 발전할 때 도 5에 도시된 바와 같이 연료전지 스택(10)으로 연료가 공급되며, 연료전지 스택(10)에서 미반응된 연료는 외부로 배출된다. 연료전지 시스템은 산화제 공급부(70)에 의해 공기가 연료전지 스택(10)으로 공급되고, 연료전지 스택(10)을 통과한 잔여 공기가 퍼지 가스 공급부(80)를 거쳐 배출된다. 이때, 제3 산화제 밸브(72)는 연료전지 스택(10)으로 공급되는 공기가 외부로 배출되지 않게 공기의 유동 흐름을 유지하고, 제2 퍼지 밸브(82)는 제1 퍼지 펌프(81) 방향으로의 흐름이 차단된 상태로 연료전지 스택(10)을 빠져 나오는 공기를 외부로 배출한다.
반면, 연료전지 시스템은 퍼지 조건에서 도 6에 도시된 바와 같이 공기가 연료전지 스택(10)의 역방향으로 퍼지 공급된다. 이를 위해 연료전지 시스템은 외부의 제어신호에 따라 제3 산화제 밸브(72)와 제2 퍼지 밸브(82)에서 유동 흐름을 다음과 같이 전환한다. 즉, 제3 산화제 밸브(72)는 제2 산화제 펌프(71) 방향으로 공기가 유입되지 않게 차단하면서, 공기가 외부로 배출되게 개방된다. 제2 퍼지 밸브(82)는 공기가 외부로 배출되지 않게 차단하면서, 제1 퍼지 펌프(81)에 의해 공급되는 공기가 연료전지 스택(10)으로 유입되게 한다. 이와 같이 연료전지 시스템은 퍼지 조건에서 연료전지 스택(10)의 산화제 배출구(18)를 통해 역방향으로 공 기가 유입되고, 연료전지 스택(10) 내부에 축적된 이물질이 공기와 함께 제3 산화제 밸브(72)을 거쳐 외부로 배출된다.
아래에서는 도 7를 참조하면서 연료전지 시스템의 스택 퍼지 방법을 각 단계별로 설명한다.
도 7은 도 3 또는 도 5에 도시된 연료전지 시스템을 이용한 스택 퍼지 방법을 각 단계별로 나타낸 흐름도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템의 스택 퍼지 방법은 정상적인 발전조건인 경우에 연료와 산화제 가스를 각각 연료전지 스택에 공급하여, 전기화학반응에 의해 전기 에너지를 생성한다(S1).
그런 다음에는 발전 정지 단계로서 연료전지 스택이 기 설정된 발전 출력 이하로 저하되는 퍼지 조건일 때, 연료와 산화제 가스가 연료전지 스택으로 공급되지 않게 각각 차단한다(S2).
그런 다음에는 연료전지 스택의 산화제 배출구로 퍼지 가스를 유입시켜서, 퍼지 가스를 연료전지 스택의 산화제 유입구로 배출시키는 퍼지 단계를 수행한다(S3). 퍼지 가스는 연료전지 스택의 전기화학반응에 이용되는 산화제 가스를 이용한다. 퍼지 단계(S3)에서는 산화제 유입구로 공급되던 산화제 가스의 유입 경로를 산화제 배출구 방향으로 전환시켜서, 산화제 가스를 퍼지 가스로서 연료전지 스택의 역방향으로 공급하게 된다.
이렇게 연료전지 시스템의 스택 퍼지 방법은 일례로 퍼지 가스를 연료전지 스택의 역방향으로 공급하는 역퍼징 시간을 대략 5 ~ 10분 범위로 수행한다. 그리 고, 연료전지 시스템의 스택 퍼지 방법은 일례로 발전 단계(S1)에서 산화제 가스를 20 ~ 25 L/min 공급량 범위로 한다면, 퍼지 단계(S3)에서도 발전 단계(S1)에서 산화제 가스의 공급량 범위와 동일하게 퍼지 가스를 20 ~ 25 L/min 의 공급량 범위로 유지하는 것이 바람직하다.
도 8은 도 3 및 도 4에 도시된 연료전지 시스템의 발전 출력을 측정한 그래프이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 실험 데이터는 연료전지 시스템의 발전 출력과 연료전지 스택의 발전 출력을 지속적으로 측정하여, 그 출력의 변화를 나타내었다. 연료전지 시스템은 연료전지 스택에서 발전 작용을 시작한 이후로 대략 700시간이 경과된 시점에서 연료전지 스택의 발전 성능이 저하되기 시작하여, 750시간이 경과된 시점에서 그 성능이 250W 이하로 저하되었다. 이때, 본 실험은 연료전지 스택의 내부에 축적된 이물질에 의해서 연료전지 스택의 발전 성능이 저하된 것으로 판단하고서, 상기와 같은 연료전지 시스템의 스택 퍼지 방법을 수행하였다. 즉, 본 실험은 퍼지 가스의 공급량을 25 L/min 으로 유지하면서, 연료전지 스택의 역방향으로 퍼지 가스를 대략 10분간 공급하였다. 이와 같이 본 실험은 연료전지 스택의 역방향으로 퍼지 가스를 공급하는 역퍼징을 수행함으로써, 대략 800시간 경과된 시점에서 정상적으로 연료전지 스택의 발전 성능이 회복됨을 확인할 수 있었다.
즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속 하는 것이 당연하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 사용되는 연료전지 스택의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 선 Ⅱ-Ⅱ를 따라 절단하여 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 각 구성요소들을 나타낸 개략도로서, 스택이 정상적으로 발전하는 조건에서 반응 가스의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 연료전지 시스템으로서, 스택이 성능저하된 조건에서 역방향으로 퍼지되는 반응 가스의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템의 각 구성요소들을 나타낸 개략도로서, 스택이 정상적으로 발전하는 조건에서 반응 가스의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 연료전지 시스템으로서, 스택이 성능저하된 조건에서 역방향으로 퍼지되는 반응 가스의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 7은 도 3 또는 도 5에 도시된 연료전지 시스템을 이용한 스택 퍼지 방법을 각 단계별로 나타낸 흐름도이다.
도 8은 도 3 및 도 4에 도시된 연료전지 시스템의 발전 출력을 측정한 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 스택 20 : 연료 공급부
30 : 개질기 40, 70 : 산화제 공급부
50, 80 : 퍼지 가스 공급부

Claims (10)

  1. 연료와 산화제 가스를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택에 상기 연료를 공급하는 연료 공급부;
    상기 연료전지 스택에 상기 산화제 가스를 공급하는 산화제 공급부; 및
    상기 연료전지 스택을 통과한 상기 산화제 가스의 배출 통로에 설치되어, 상기 연료전지 스택이 전기 에너지를 생성하지 않는 조건에서 상기 연료전지 스택 내부로 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급부;
    를 포함하고,
    상기 산화제 공급부는 상기 산화제 가스를 기 설정된 압력과 유량으로 유동시키는 제1 산화제 펌프 및 상기 제1 산화제 펌프와 상기 연료전지 스택 사이에 설치되어 상기 산화제 가스의 유동방향을 전환시키는 제1 산화제 밸브를 포함하고,
    상기 퍼지 가스 공급부는 상기 제1 산화제 밸브에 연결되어 상기 제1 산화제 밸브로부터 유입되는 상기 산화제 가스를 상기 퍼지 가스로서 상기 연료전지 스택으로 유입되게 전환시키는 제1 퍼지 밸브를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화제 공급부는 상기 제1 산화제 밸브와 상기 연료전지 스택 사이에 설치되어 상기 산화제 가스의 유동방향을 선택적으로 전환시키는 제2 산화제 밸브를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 산화제 밸브, 상기 제2 산화제 밸브, 및 상기 제1 퍼지 밸브는 각각 상기 산화제 가스의 유동방향을 외부 제어신호에 따라 선택적으로 전환시키는 삼방향(3-way) 전환 밸브인 연료전지 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 연료와 산화제 가스를 각각 연료전지 스택에 공급하여 전기화학적으로 반응시키는 발전 단계;
    상기 연료전지 스택으로 공급되지 않게 상기 연료와 상기 산화제 가스를 각각 차단하는 발전 정지 단계; 및
    상기 연료전지 스택의 산화제 배출구로 퍼지 가스를 유입시켜서 상기 퍼지 가스를 상기 연료전지 스택의 산화제 유입구로 배출시키는 퍼지 단계를 포함하고,
    상기 퍼지 단계에서는 상기 산화제 유입구로 공급되던 상기 산화제 가스의 유동흐름을 상기 산화제 배출구 방향으로 전환시키고, 상기 퍼지 가스로서 상기 산화제 가스를 상기 산화제 배출구로 유입시키는 연료전지 시스템의 스택 퍼지 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 발전 정지 단계에서는 상기 연료전지 스택이 기 설정된 발전 출력 이하로 저하되는 조건에서 상기 연료와 상기 산화제 가스를 각각 차단하는 연료전지 시스템의 스택 퍼지 방법.
  9. 삭제
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 퍼지 단계에서의 상기 산화제 가스의 공급량 범위는 상기 발전 단계에서의 상기 산화제 가스의 공급량 범위와 동일하게 유지되는 연료전지 시스템의 스택 퍼지 방법.
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