KR102183770B1 - 연료 전지의 시동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 수소가 연료 전지(11)의 애노드 챔버(15)에 공급되고, 시동의 시작시 산소가 연료 전지(11)의 애노드 챔버(15) 내에 존재하는, 연료 전지(11)의 시동 방법(40)에 관한 것이다. 본 발명에 따라, 수소 공급을 시작할 때 수소는, 수소와 산소가 애노드 챔버(15) 내로 유입시 화학량론적 비율보다 크지 않은 비율로 존재할 정도로, 공급된다.

Description

연료 전지의 시동 방법{METHOD FOR STARTING UP A FUEL CELL}
본 발명은 수소가 연료 전지의 애노드 챔버에 공급되고, 시동을 시작할 때 산소가 연료 전지의 애노드 챔버 내에 존재하는, 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 연료 전지의 시동 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 독립 청구항 제 8 항의 전제부에 따른 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
선행 기술에서 연료 전지의 작동 중에, 수소 및 산소는 탄소 입자에 도포된 백금을 포함하는 촉매에 의해 전기 화학적으로 물로 변환된다. 연료 전지의 시동 시에, 먼저 연료 전지의 캐소드 챔버 및 애노드 챔버 내에 산소가 존재할 수 있다. 애노드 챔버에 수소가 공급되면, 애노드 챔버 내부에 날카로운 수소/산소-가스 프론트가 생기고, 이미 공급된 수소는 연료 전지의 전방 영역에서 애노드 챔버 내에 있고 산소는 전체 캐소드 챔버 내에 그리고 연료 전지의 후방 영역에서 애노드 챔버 내에 있다.
C. A. Reiser 등은 Electrochem. Solid State Lett. 8(6) A273-A276, 2005에 이러한 상태의 연료 전지의 전기 화학적 과정을 개시한다. 연료 전지의 전방 영역에서 애노드에 있는 애노드 챔버의 수소와 캐소드에 있는 캐소드 챔버의 산소가 전기 화학적으로 반응하여 물을 형성할 수 있다. 이 경우, 전극의 높은 전도도로 인해 애노드와 캐소드의 전위가 전방 및 후방 영역에 걸쳐 대략 일정하다. 전극에 비해 낮은, 전해질의 전도도는, 연료 전지의 고- 산소 농도의 후방 영역에서 캐소드와 전해질 사이의 높은 전위 차가 주어지게 한다. 연료 전지의 후방 영역에서 산소는 애노드에서 물로 환원되는 한편, 캐소드에서 촉매의 탄소는 물에 의해 이산화탄소로 산화된다. 이로 인해, 촉매의 효과가 변하고, 연료 전지가 격하된다. Reiser에 따르면, 상기 과정을 "reverse current decay" 메커니즘이라 한다.
본 발명의 과제는 적어도 부분적으로 선행 기술의 단점을 극복하는, 특히 연료 전지가 덜 빠르게 격하되거나 또는 천천히 격하되는, 연료 전지의 시동 방법 및 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제 1 항의 전체 특징들, 특히 특징부의 특징들을 포함하는 방법에 의해 해결된다. 방법의 바람직한 개선예들은 종속 방법 청구항들에 제시된다. 상기 과제는 또한 독립 청구항 제 8 항의 전체 특징들, 특히 특징부의 특징들을 포함하는 연료 전지 시스템에 의해 해결된다. 연료 전지 시스템의 바람직한 개선예들은 종속 장치 청구항들에 제시된다. 본 발명에 따른 방법과 관련해서 설명된 특징들 및 세부 사항들은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템과 관련해서도 적용되고, 그 역도 적용된다. 청구범위 및 상세한 설명에 언급된 특징들은 개별적으로 또는 조합해서 본 발명에 중요할 수 있다.
본 발명에 따라, 수소 공급을 시작할 때 수소는, 수소와 산소가 애노드 챔버 내로 유입시 화학량론적 비율보다 크지 않은 비율로 존재할 정도로, 공급된다.
따라서, 수소 및 산소는 화학량론적 비율, 즉 2:1의 비율보다 크지 않은 비율로 애노드로 도달한다. 애노드 챔버 내로 흐르는 체적 흐름 상태의 수소량과 산소량이 수소 공급을 시작할 때 기껏해야 화학량론적으로 주어지기 때문에, 수소는 애노드 챔버 내에 그리고 애노드 내에 존재하는 산소와 완전히 반응하는 한편, 애노드 챔버 내의 그리고 애노드 내의 산소량이 줄어든다. 따라서, 본 발명에 따라 날카로운 수소/산소-가스 프런트가 방지된다. 기존 백금이 반응에 촉매 작용을 한다. 반응은 애노드에서 나타난다. 애노드 챔버의 수소가 캐소드 챔버의 산소와 전기 화학적으로 반응하는 전기 화학적 반응은 본 발명에 따라 거의 방지된다. 이로 인해, 연료 전지의 후방 영역에서 캐소드와 전해질 사이의 높은 전위 차가 방지된다. 따라서, 촉매 담체 재료, 즉 연료 전지의 후방 영역에서 캐소드 상의 탄소의 바람직하지 않은 반응이 나타나지 않거나 거의 나타나지 않는다. 촉매는 적어도 거의 또는 실질적으로 온전하게 유지된다. 연료 전지는 선행 기술에서보다 덜 빠르게 격하된다.
수소 공급을 시작할 때, 수소와 산소가 애노드 챔버 내로 유입시 화학량론적 비율보다 크지 않은 비율로 존재하는 것은 수소 공급을 시작할 때 애노드 챔버 내로 유입시 수소의 몰분율이 연료 전지의 시동 전에 애노드 챔버 내의 산소의 몰분율의 2배보다 크지 않다는 것을 의미한다. 예를 들면 애노드 챔버가 연료 전지의 시동 전에 공기로 채워짐으로써 애노드 챔버 내의 산소의 몰분율이 약 0.21이면, 수소 공급을 시작할 때 애노드 챔버 내로 유입시 수소의 몰분율이 0.42보다 크지 않다. 수소 공급을 시작할 때, 이는 애노드 챔버 내의 산소가 여전히 반응하지 않은 시간 범위를 의미한다. 바람직하게는 수소 공급을 시작할 때 수소의 몰분율이 애노드 챔버 내로 유입시 산소의 몰분율 미만이다. 즉, 수소 공급을 시작할 때 애노드 챔버 내로 유입시 수소와 산소의 비율은 1:1 비율 미만이다. 따라서, 산소가 초과량으로 주어진다. 이 경우, 수소의 이러한 적은 양에 의해 격하가 더 양호하게 방지될 수 있는 것으로 나타났다. 바람직하게는 수소의 몰분율이 수소 공급을 시작할 때 애노드 챔버 내로 유입시 산소의 몰분율의 30% 내지 70%, 특히 바람직하게는 40% 내지 65% 이다. 공기가 시동 전에 애노드 챔버 내에 존재하면, 수소의 몰분율이 수소 공급을 시작할 때 애노드 챔버 내로 유입시 바람직하게는 0.06 내지 0.15, 특히 바람직하게는 0.09 내지 0.13 이다. 특히 바람직한 값 범위에서 연료 전지의 격하가 73% 내지 49%의 값만큼 줄어들 수 있으면서, 연료 전지의 전기 출력의 시동이 심하게 지연되지 않는다. 특히, 본 발명에 따른 방법이 10초 내에, 바람직하게는 5초 내에, 특히 바람직하게는 3초 내에 종료될 수 있다.
수소와 산소 사이의 상기 비율들은 각각 애노드 챔버 내로 유입에 관련된다. 특히, 상기 비율은 연료 전지 내로 유입 전에 애노드 입력 흐름의 체적 세그먼트에 관련된다. 연료 전지 내의 반응에 의해, 수소와 산소의 비율이 변하므로, 애노드 출력 흐름 내에 수소 대 산소의 다른 비율이 주어질 수 있다.
애노드 챔버는 수소가 반응하는 애노드 위에 배치된다. 애노드 챔버는 가스 채널로서 형성될 수 있고 특히 가스 확산 층을 포함할 수 있다. 애노드는 애노드 촉매 층을 포함할 수 있다. 애노드 촉매 층은 촉매로서 백금을 포함할 수 있다. 연료 전지의 애노드는 애노드 챔버에 공급된 수소의 산화를 위해 사용된다. 연료 전지는 산소의 환원을 위한 캐소드도 포함한다. 이 경우, 산소를 포함하는 공기는 압축기에 의해, 캐소드가 배치된 캐소스 챔버에 공급될 수 있다. 애노드와 캐소드 사이에는 전해질, 예컨대 고체 전해질, 예컨대 멤브레인이 배치될 수 있다. 유입 밸브는 수소 탱크와 애노드 챔버 사이의 수소 공급의 계량(dosing)을 위해 배치될 수 있다. 바람직하게는 유입 밸브와 애노드 챔버 사이에 공급 라인이 배치된다. 공급 라인은 시동 전에 산소, 특히 공기를 포함할 수 있다. 유입 밸브의 위치에 의해, 애노드 챔버 및/또는 공급 라인에 단위 시간 당 공급되는 절대 수소량이 조절될 수 있다.
연료 전지 시스템은 애노드 출력 흐름을 애노드 챔버에 다시 공급하기 위해, 재순환 라인을 포함할 수 있다. 상기 다시 공급하는 것을 재순환이라 한다. 재순환된 애노드 출력 흐름은 애노드 챔버 전방에서 수소 탱크로부터 나온 수소 흐름과 혼합될 수 있다. 재순환된 애노드 출력 흐름과 수소 탱크로부터 나온 수소 흐름은 이 경우 애노드 입력 흐름을 형성한다. 공급 라인은 재순환 라인이 끝나는 혼합점을 포함할 수 있다. 애노드 출력 흐름을 다시 공급하기 위한 재순환 수단은 팬으로서 형성될 수 있다. 재순환 수단은 재순환 라인 내에 배치될 수 있다.
제어 및/또는 조절 유닛은 연료 시스템 내에 제공된다. 제어 및/또는 조절 유닛은 예컨대 유입 밸브 및/또는 재순환 수단을 제어할 수 있다.
수소 공급을 시작할 때 애노드 챔버 내로 유입시 주어져야 하는 수소 대 산소의 비율은 소정 비율이라 한다. 단위 시간 당 애노드 챔버에 공급될 수 있는 최대 절대 수소량은 상기 소정 비율을 얻기 위해 단위 시간 당 애노드 챔버에 공급될 수 있는 절대 수소량으로서 결정된다. 이 최대량은 전체 시동 동안 초과되지 않는다. 특히, 유입 밸브는 시작시 소정 비율이 얻어지도록 조절된다. 유입 밸브는 특히 산소가 애노드 챔버 내에 존재하는 한 더 개방되지 않는다.
시동 동안 애노드 챔버 내의 산소의 몰분율은 애노드 챔버의 산소와 수소의 반응으로 인해 떨어진다. 이로 인해, 단위 시간 당 애노드 챔버에 공급되는 절대 수소량이 시동 동안 일정하게 유지되거나 또는 단지 적게 떨어지면, 시동 중에 수소 대 산소의 비율은 소정 비율보다 높을 수 있다. 시동의 이러한 과정은 본 발명의 사상에 포함된다.
바람직하게, 시동 동안 수소 공급은 애노드 챔버 내에 더 이상 산소가 존재하지 않을 때까지 일정하게 유지된다. 즉, 단위 시간 당 애노드 챔버에 공급되는 절대 수소량은 애노드 측에 산소가 더 이상 존재하지 않을 때까지 일정하게 유지된다. 특히, 이 경우 유입 밸브의 위치는 변하지 않거나 또는 변함없이 유지된다.
바람직하게는, 애노드 측에 더 이상 산소가 존재하지 않을 때야 비로소, 산소가 캐소드 챔버에 공급된다. 특히, 애노드 측에 산소가 존재하지 않을 때야 비로소 압축기가 스위치 온 된다. 경험상, 캐소드 챔버에 산소의 공급 전에 멤브레인은 애노드 챔버와 캐소드 챔버 사이의 기대 압력차에 의해 손상되지 않는 것으로 나타났다.
애노드 측에서 산소를 반응시키기 위해 필요한 시간은 이하에서 반응 시간이라 한다. 반응 시간은 특히 0.1 밀리초 내지 10초, 바람직하게는 1 내지 3초일 수 있다. 반응 시간은 애노드 측에 산소가 더 이상 존재하지 않으면 종료된다. "산소가 더 이상 없다는" 표현은 애노드 측에서 산소량이 연료 전지의 정상 작동 동안 애노드 측에서 산소량에 상응한다는 것을 의미한다. "애노드 측에서" 라는 표현은 이 경우 산소가 제거되어야 하는 전체 체적을 포함한다. 전체 체적은 애노드 입력 흐름을 통해 산소가 애노드 챔버 내로 이를 수 있는 체적이다. 전체 체적은 예를 들면 애노드 체적, 애노드, 재순환 라인 및 공급 라인을 포함할 수 있다.
반응 시간은 평가될 수 있고 특히 방법 중에 미리 정해진 값으로 결정될 수 있다. 예를 들면 반응 시간에 대한 미리 정해진 값은 제어 및/또는 조절 유닛 내에 저장될 수 있다. 대안으로서, 반응 시간은 방법의 시작시 산소 몰분율을 알면 공급된 수소의 총량 및 알려진 전체 체적으로부터 결정될 수 있다. 전체 체적은 제어 및/또는 조절 유닛 내에 저장될 수 있다. 반응 시간의 결정은 제어 및/또는 조절 유닛 내에서 이루어질 수 있다. 산소 몰분율은 이 경우 미리 정해진 값으로서 저장될 수 있거나 또는 측정될 수 있다.
전술한 방법 단계들은 애노드 측에서 평가된 산소량이 없을 때까지, 시동 동안 수소 공급이 일정하게 유지된다는 것을 및/또는 애노드 측에서 평가된 산소량이 없을 때야 비로소, 산소가 캐소드 챔버에 공급되고 및/또는 시스템에서 전력이 인출되는 것을 의미할 수 있다.
제어 및/또는 조절 유닛은 소정 비율을 설정한다. 특히 제어 및/또는 조절 유닛 내에서 그를 위해 필요한 유입 밸브의 위치가 고정 값으로서 미리 정해질 수 있다. 대안으로서, 애노드 챔버 전방의 압력이 측정될 수 있고, 제어 및 조절 유닛은, 애노드 챔버 전방에서 특정 압력 변화가 달성되도록 유입 밸브를 설정할 수 있다. 압력 또는 압력 차는 제어 및/또는 조절 유닛 내에 고정 값으로서 저장될 수 있다. 대안으로서, 제어 및/또는 조절 유닛은 유입 밸브의 개방 전 압력 및 애노드 챔버 내에 있는(측정된 또는 평가된) 산소량으로부터 필요한 압력 상승을 계산할 수 있고, 상기 압력 상승으로부터 소정 비율이 주어진다. 대안으로서, 수소 및/또는 산소 농도가 애노드 챔버 내로 유입 전에 측정되고, 제어 및 조절 유닛은 유입 밸브를 상기 값들을 기초로 설정한다.
바람직하게 수소는, 공급 라인 내에 수소 및 산소가 소정 비율로 있도록 공급될 수 있다. 수소 및 산소는 이 경우 적어도 부분적으로, 바람직하게는 완전히 혼합될 수 있다. 따라서, 애노드 챔버 내로 유입시 소정 비율이 달성될 수 있다. 특히, 수소 공급을 시작할 때, 수소와 산소가 공급 라인 내에서 화학량론적 비율보다 크지 않은 비율로 또는 다른 소정 비율로 존재할 정도의 수소가 공급된다.
바람직하게는 시동 동안 애노드 입력 흐름이 애노드 챔버에 다시 공급된다. 애노드 출력 흐름은 특히 완전히 애노드 챔버에 다시 공급된다. 재순환은 애노드 챔버 내에서 그리고 재순환 라인 내에서 산소의 반응을 가능하게 한다. 수소 공급을 시작할 때 소정 비율은 애노드 입력 흐름에서, 특히 혼합 점에서 달성될 수 있다. 특히 애노드 출력 흐름은 최대 속도로 애노드 챔버에 다시 공급된다. 최대 속도는 연료 전지 시스템에 대해 제공된 최대 재순환 속도를 말한다.
애노드 챔버에 수소 공급 전에 배출 밸브가 폐쇄되어 있거나 폐쇄되는 것이 가능하다. 폐쇄된 위치는 수소의 공급 전에 제어될 수 있다. 또한, 애노드 챔버에 수소 공급 전에, 특히 배출 밸브의 폐쇄 후에, 애노드 챔버로 애노드 출력 흐름을 다시 공급하기 위한 재순환 수단이 스위치 온될 수 있다.
산소는 특히 연료 전지의 더 오랜 정지 후에 애노드 챔버 내에 존재한다. 예컨대, 연료 전지의 정지 후에 주변에 대해 개방된 캐소드 챔버 내에 신속하게 주변에서와 같은 산소 몰분율, 즉 일반적으로 0.21이 설정된다. 확산에 의해 산소는, 산소와 수소가 반응하는 애노드 챔버 내로 도달한다. 더 오랜 정지 시에, 수소가 반응하고, 애노드 챔버 및 캐소드 챔버의 산소가 평형 상태로 배치된다. 일반적으로 더 오랜 정지 후에 애노드 챔버 내에 0.21의 산소 몰분율 및 1 atm의 압력이 주어진다. 방법은 이것에 따라 조정될 수 있다. 제어 및/또는 조절 유닛 내에 저장된, 유입 밸브의 위치에 대한, 산소의 몰분율에 대한, 반응 시간에 대한 및/또는 애노드 챔버 전방에 설정될 압력에 대한 값들이 이것에 기초할 수 있다.
연료 전지의 시동 시에 불필요한 시간 지연을 방지하기 위해, 애노드 챔버 내의 수소가 반응하는 것이 기대되는 경우에만 상기 방법 단계들이 실시될 수 있다. 이를 위해, 먼저 연료 전지의 정지 이래 미리 정해진 시간 간격이 초과되는지의 여부가 문의될 수 있다. 미리 정해진 시간 간격은 예를 들면 3 내지 5초 사이로 정해질 수 있다. 연료 전지 차량에 사용시 대안으로서 점화 키를 꽂을 때마다 미리 정해진 방법 단계들이 특히 조기에 실시될 수 있다.
방법은 산소가 캐소드 챔버에 공급되며 연료 전지의 회로가 폐쇄됨으로써 끝날 수 있다. 유입 밸브의 위치는 연료 전지의 요구되는 전력에 따라 설정될 수 있다.
바람직하게는 방법 단계들의 하기 순서가 제공될 수 있다: 먼저 예를 들면 마지막 정지 이래로 미리 정해진 시간 간격이 초과되었는지의 여부가 체크될 수 있다. 그리고 나서, 배출 밸브가 폐쇄되며 재순환 라인이 개방되는지의 여부가 체크된다. 그 다음에, 재순환 수단이 특히 최대 파워로 스위치 온 된다. 그리고 나서, 유입 밸브는, 애노드 입력 흐름 내에, 특히 혼합 점 내에 수소 대 산소의 소정 비율이 설정될 정도로 개방된다. 시동 시작 전에 애노드 챔버 내에 공기가 존재하면, 수소 공급을 시작할 때 애노드 입력 흐름 내의 수소의 몰분율은 0.42보다 크지 않다. 바람직하게는 시작시 애노드 입력 흐름 내의 수소의 몰분율은 0.21보다 작고, 특히 바람직하게는 상기 몰분율이 0.09 내지 0.13 이다. 유입 밸브의 위치는 바람직하게 반응 시간 동안 일정하게 유지된다. 반응 시간이 초과되면, 제어 및/또는 조절 유닛은, 부하 및 연료 전지를 포함하는 회로가 폐쇄되고, 산소가 캐소드로 안내되며, 특히 압축기가 스위치 온 되고, 수소 공급이 연료 전지의 요구된 전력에 따라 조절되게 할 수 있다. 연료 전지의 시동이 종료되면, 연료 전지의 정상 작동이 이루어진다.
본 발명의 과제는 또한, 애노드 챔버와 캐소드 챔버를 구비한 연료 전지, 수소 탱크, 애노드 챔버에 수소 공급의 계량을 위한 유입 밸브, 및 제어 및/또는 조절 유닛을 포함하는 연료 전지 시스템에 의해 해결된다. 제어 및/또는 조절 유닛은, 유입 밸브가 연료 전지의 시동을 시작할 때 개방되어서, 애노드 챔버에 수소가 공급되어, 산소와 수소가 애노드 챔버 내로 유입시 화학량론적 비율보다 크지 않은 비율로 존재하도록, 형성된다. 연료 전지 시스템은 애노드 챔버로 애노드 출력 흐름을 다시 공급하기 위한 재순환 수단을 포함할 수 있고, 제어 및/또는 조절 유닛은 재순환 수단을 유입 밸브의 개방 전, 특히 최대 파워로 스위치 온 할 수 있다. 제어 및/또는 조절 유닛 내에는 특히 전술한 방법이 저장된다.
연료 전지는 폴리머-전해질-멤브레인(PEM) 연료 전지일 수 있다. 개별 연료 전지 대신, 연료 전지들의 스택이 사용될 수 있다. 이 경우 모든 연료 전지의 애노드에 있는 챔버를 애노드 챔버라고 한다. 연료 전지는 연료 전지 차량 내에 배치될 수 있다.
본 발명을 개선하는 다른 조치들은 도면에 개략적으로 도시된 본 발명의 실시예에 대한 하기 설명에 나타난다. 청구범위들, 상세한 설명 또는 도면에 나타나는 모든 특징들 및/또는 장점들은 구조적 세부 사항, 공간적 배치 및 방법 단계들을 포함해서 단독으로 및 다양한 조합으로 본 발명에 중요할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 방법의 흐름도.
도 1에는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(10)이 도시된다. 연료 전지 시스템(10)은 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 스택의 연료 전지(11)가 도 1에 예시적으로 도시된다. 연료 전지 스택의 연료 전지들(11)은 PEM-연료 전지로서 형성된다. 각각의 연료 전지(11)는 애노드(12), 캐소드(13) 및 그사이에 놓인 전해질로서 멤브레인(14)을 포함한다. 연료 전지 시스템(10)의 작동 중에 수소가 애노드 챔버(15)를 통해 애노드(12)에 공급되고, 산소를 포함하는 공기는 캐소드 챔버(16)를 통해 캐소드(13)에 공급된다. 수소와 산소는 연료 전지(11)의 작동 중에 전기 화학적으로 물로 변환되고, 이 경우 전력이 생성된다.
연료 전지(11)에 수소를 공급하기 위해, 연료 전지 시스템(10)은 도시되지 않은 감압기를 구비한 수소 탱크(21), 조절 가능한 유입 밸브(22) 및 이것에 접속된 공급 라인(23)을 포함한다. 공급 라인(23)은 애노드 챔버(15)에서 끝난다. 수소는 화살표 50을 따라 애노드 챔버(15)로 흐른다. 애노드 챔버(15)에는 재순환 라인(26)이 접속됨으로써, 작동 중에 반응하지 않은 수소가 연료 전지(11)에 다시 공급될 수 있다. 재순환 라인(26) 내에 팬(27)이 재순환 수단으로서 제공되고, 상기 팬은 애노드 출력 전류를 화살표 51을 따라 공급 라인(23)으로 반송한다. 재순환 라인(26)은 공급 라인(23) 내의 혼합 점(28)에서 끝난다. 압력 센서(32)는 공급 라인(23) 내의 압력을 측정한다. 애노드 입력 흐름은 공급 라인(23)의 체적 흐름으로서 정의된다. 애노드 출력 흐름은 애노드 챔버(15)를 벗어나는 체적 흐름으로서 정의된다.
3/2-방향 밸브(25)는 재순환을 가능하게 하거나 방지하는 배출 밸브로서 사용된다. 3/2-방향 밸브(25)를 통해 배기 가스가 배출 라인(24)을 통해 주변(30)으로 방출될 수 있다. 산소를 포함하는 공기는 압축기(31)에 의해 주변(30)으로부터 캐소드 챔버(16) 내로 안내되고 연료 전지(11)를 통과한 후에 주변(30)으로 방출된다.
연료 전지 시스템(10)은 유입 밸브(22) 및 3/2-방향 밸브(25)의 위치 그리고 팬(27) 및 압축기(31)의 전력을 모니터링하며 설정하는 제어 및/또는 조절 유닛(29)을 포함한다. 상기 제어 및/또는 조절 유닛(29)은 압력 센서(32)에 의해 측정된, 애노드 입력 흐름에 대한 압력 값을 받는다. 제어 및/또는 조절 유닛(29)에는 도 2에 도시된, 본 발명에 따른 방법이 저장된다.
도 2에는 본 발명에 따른 방법(40)의 실시예가 도시되어 있다. 방법의 시작시, 애노드 챔버(15), 공급 라인(23) 및 재순환 라인(26) 내에 공기가 포함된다. 제 1 방법 단계에서, 연료 전지(11)의 마지막 정지 이래로 미리 정해진 시간이 초과되는지의 여부가 체크된다. 제 2 방법 단계(42)에서 3/2 방향 밸브(25)의 위치가 체크된다. 3/2 방향 밸브(25)는 재순환 라인(26)에 대해 개방되어야 하고 배출 라인(24)에 대해 폐쇄되어야 한다. 제 3 방법 단계(43)에서 팬(27)은 최대 파워로 스위치 온 된다. 이로 인해, 애노드 챔버(15), 공급 라인(23), 재순환 라인(26) 및 배출 라인(24) 내에 있는 공기는 화살표 50, 51을 따라 최대 속도로 이동된다.
그리고 나서 제 4 방법 단계(44)에서 유입 밸브(22)는 제어 및/또는 조절 유닛(29)에서 미리 정해진 위치로 되고, 상기 위치에 의해 압력 센서(32)에서 미리 정해진 압력이 측정될 수 있다. 유입 밸브(22)가 설정된 위치일 때, 혼합 점(28)에서의 수소 대 산소의 비율은 소정 비율에 상응한다. 예를 들면, 혼합 점(28)에서 수소의 몰분율은 0.13 일 수 있다.
제 5 방법 단계(45)에서 유입 밸브(22)가 개방되어 있기 시작한 시간이 검출된다. 제 6 방법 단계(46)에서, 상기 시간이 제어 및/또는 조절 유닛(29)에서 결정된 반응 시간에 상응하는지의 여부가 문의된다. 상기 시간이 반응 시간에 상응하지 않는 경우(이는 도 2에서 "-"로 표시됨) 방법 단계들(45 및 46)이 반복된다. 도 2에서 "+"로 표시된 바와 같이, 미리 정해진 시간이 도달되었으면, 제 7 방법 단계(47)에서 압축기(31)가 스위치 온 되고, 상기 압축기는 필요한 수소 체적 흐름을 애노드 챔버(15)에 공급하며 경우에 따라 애노드 입력 압력을 조정한다. 그리고 나서, 연료 전지(11)의 도시되지 않은 회로가 폐쇄된다. 유입 밸브(22)의 위치는 연료 전지(11)의 필요한 전력에 따라 설정될 수 있다. 애노드 챔버(15) 내에 질소가 0.79 바아보다 적게 있어야 하면, 애노드 챔버(15)로부터 애노드 출력 흐름은 배출 밸브(25)를 통해 연료 전지 시스템(10)으로부터 배출되어야 한다.
이로써, 연료 전지(11)의 시동 방법이 종료된다. 선택적으로 특히 제 1, 제 2 및/또는 제 7 방법 단계들(41, 42, 47)이 생략될 수 있다.
10 연료 전지 시스템
11 연료 전지
15 애노드 챔버
16 캐소드 챔버
21 수소 탱크
22 유입 밸브
25 배출 밸브
27 재순환 수단
29 제어 및/또는 조절 유닛

Claims (10)

  1. 수소가 연료 전지(11)의 애노드 챔버(15)에 공급되고, 시동의 시작시 산소가 상기 연료 전지(11)의 애노드 챔버(15) 내에 존재하는, 연료 전지(11)의 시동 방법(40)에 있어서,
    수소 공급을 시작할 때 수소는, 수소와 산소가 상기 애노드 챔버(15) 내로 유입시 일정 화학량론적 비율보다 크지 않은 비율로 존재할 정도로, 공급되고,
    상기 수소 공급을 시작할 때, 애노드 입력 흐름의 체적 세그먼트 내 상기 수소의 몰분율은 상기 연료 전지(11) 내로의 유입 전에 상기 애노드 챔버(15) 내 존재하는 상기 산소의 몰분율 미만이며, 상기 수소의 몰분율은 0.09 내지 0.13이고,
    수소 공급의 계량을 위한 유입 밸브(22)는 산소가 상기 애노드 챔버 내에 존재하는 한 더 개방되지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 산소가 애노드 측에 더 이상 존재하지 않을 때까지 상기 수소 공급은 상기 시동 동안 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 시동 동안 애노드 출력 흐름이 상기 애노드 챔버(15)에 다시 공급되고, 상기 애노드 출력 흐름이 최대 속도로 상기 애노드 챔버(15)에 다시 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 애노드 챔버(15)에 상기 수소의 공급 전에 배출 밸브(25)가 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 애노드 챔버(15)에 상기 수소의 공급 전에 상기 애노드 챔버(15)로 애노드 출력 흐름을 다시 공급하기 위한 재순환 수단(27)이 스위치 온 되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 3 항에 있어서, 애노드 측에 산소가 더 이상 존재하지 않을 때야 비로소 산소가 캐소드 챔버(16)에 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 애노드 챔버(15)와 캐소드 챔버(16)를 구비한 연료 전지(11),
    수소 탱크(21),
    상기 애노드 챔버(15)에 수소 공급의 계량을 위한 유입 밸브(22), 및
    제어 및/또는 조절 유닛(29)을 포함하는 연료 전지 시스템(10)에 있어서,
    상기 제어 및/또는 조절 유닛(29)은, 상기 유입 밸브(22)가 상기 연료 전지(11)의 시동을 시작할 때 개방되어서, 상기 애노드 챔버(15)에 수소가 공급되어, 수소와 산소가 상기 애노드 챔버(15) 내로 유입시 일정 화학량론적 비율보다 크지 않은 비율로 존재하도록, 형성되고,
    상기 수소 공급을 시작할 때, 상기 연료 전지(11) 내로의 유입 전에 애노드 입력 흐름의 체적 세그먼트에 기초한 상기 수소의 몰분율은 상기 애노드 챔버(15) 내 존재하는 상기 산소의 몰분율 미만이며, 상기 수소의 몰분율은 0.09 내지 0.13이고,
    수소 공급의 계량을 위한 상기 유입 밸브(22)는 산소가 상기 애노드 챔버 내에 존재하는 한 더 개방되지 않는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템(10).
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 연료 전지 시스템(10)은 상기 애노드 챔버(15)에 애노드 출력 흐름을 다시 공급하기 위한 재순환 수단(27)을 포함하고, 상기 제어 및/또는 조절 유닛(29)은 상기 재순환 수단(27)을 상기 유입 밸브(22)의 개방 전에, 최대 파워로 스위치 온 하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템(10).
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 제어 및/또는 조절 유닛(29)에는 제 1 항에 따른 방법이 저장되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템(10).
  10. 삭제
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