KR20050022349A - 고체 고분자형 연료 전지 시스템 및 그 운전 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 고체 고분자형 연료 전지 시스템은 연료 가스 및 산화제 가스가 공급되어 소정의 발전 부위가 소정 온도로 동작하여 발전하는 연료 전지와, 상기 공급되는 연료 가스 및 산화제 가스를 가습하는 가습 수단을 구비하는 고체 고분자형 연료 전지 시스템으로서, 상기 연료 가스 및 산화제 가스가 상기 가습 수단에 의해 상기 소정 온도보다 높은 이슬점을 갖도록 가습되어 상기 연료 전지에 공급된다.

Description

고체 고분자형 연료 전지 시스템 및 그 운전 방법{A SOLID HIGH MOLECULAR TYPE FUEL BATTERY AND ITS DRIVING METHOD}

본 발명은 연료 전지 시스템 및 그 운전 방법에 관한 것으로, 특히 고체 고분자형 연료 전지 시스템 및 그 운전 방법에 관한 것이다.

최근, 탄산 가스 농도의 상승에 의한 지구 온난화나 배기 가스의 배출량의 증가에 의한 산성비 등의 영향에 의해, 지구 규모에서의 환경 문제에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 때문에, 전원 개발의 분야에서는 고효율이고 또한 탄산 가스를 배출하지 않는 깨끗한 에너지 변환이 가능한 연료 전지 시스템에 대한 주목이 집중되고 있다. 그리고, 여러 가지인 연료 전지 시스템 중에서도 동작 온도가 낮고, 또한, 출력 밀도가 높은 고체 고분자형 연료 전지 시스템에 대한 주목은 높아, 그 때문에 민생용 전원이나 자동차 동력용 전원 등으로서의 이용이 기대되고 있다.

고체 고분자형 연료 전지 시스템은 발전을 위한 화학 반응이 행해지는 반응장으로서 전해질막-전극 접합체(이하, 단순히 MEA라고 함)가 이용되는 연료 전지 시스템의 일종이다. 이 고체 고분자형 연료 전지 시스템은 통상 개개의 고체 고분자형 연료 전지(이하, 단순히 셀이라고 함)가 소정수 적층되어 이루어지는 고체 고분자형 연료 전지 적층체(이하, 단순히 스택이라고 함)와, 이 스택을 동작시키기 위한 후술하는 소정의 부속 장치를 갖고서 구성되어 있다. 이하, 셀, 스택, 및 고체 고분자형 연료 전지 시스템의 구성에 대해서 이 순서대로 설명한다.

스택을 구성하기 위한 셀에는, 발전을 위한 촉매 반응이 행해지는 반응장으로서 이용되는 MEA가 배설(配設)되어 있다. 이 MEA는 수소 이온을 선택적으로 수송하는 고체 고분자 전해질막의 양면에 백금족 금속 촉매를 담지(擔持)한 카본 분말을 주성분으로 하는 1쌍의 촉매층(애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층)이 형성되고, 또한, 이 1쌍의 촉매층을 사이에 두도록 하여, 통기성과 전자 전도성을 겸비하는 주로 탄소 섬유로 이루어지는 가스 확산 전극(애노드 가스 확산 전극 및 캐소드 가스 확산 전극)이 배설됨으로써 구성되어 있다. 그리고, 또한, 씰(seal)용 가스켓(gasket)이 상기 MEA의 주위의 고체 고분자 전해질막을 사이에 두도록 배설되어 MEA-가스켓 조립체가 형성되고, 이 MEA-가스켓 조립체가, 연료 가스(수소 가스 또는 수소 리치인 개질 가스)가 흐르는 연료 가스용 유로가 마련된 애노드 격리막(separator)과 산화제 가스(공기)가 흐르는 산화제 가스용 유로가 마련된 캐소드 격리막에서 끼워지는 것에 의해, 셀이 구성되어 있다.

상술한 바와 같이, 스택은 셀이 소정수 적층되어 이루어지는 셀의 적층체이다. 고체 고분자형 연료 전지 시스템에서 스택이 형성되는 이유는, 셀의 기전력이 출력 전류 밀도에도 의존하지만, 상용역에서 약 0.6~0.8V 정도로 저전압이기 때문이다. 즉, 셀을 적층하여 스택을 형성하는 것에 의해, 전자 기기 등을 동작시키는데 필요 충분한 전압을 얻도록 하고 있다. 통상, 이 스택은 셀이 수십~수백단 적층되어 이루어지는 적층체이다. 그런데, 이 스택은 셀이 발전시에 발열하는 것에 기인하여, 셀의 적층수에 따른 발열량으로 발열한다. 그리고, 이 스택 발열의 발열 밀도는 셀 단체에 비하여 크기 때문에, 통상 1~3셀마다 냉각수 유로를 마련하여, 물 또는 에틸렌글리콜 등의 냉각용 냉매를 이용해서 스택을 강제적으로 냉각한다. 즉, 냉각용 냉매를 이용하는 것에 의해, 발열하는 스택의 온도를 적합한 온도 상태로 유지하고 있다. 따라서, 이 스택에는, 연료 가스, 산화제 가스, 및 물(또는 에틸렌글리콜 등)의 3종류의 유체가 급배(給排)되게 된다. 그 때문에, 캐소드 격리막 및 애노드 격리막에는, 이들 3종류의 유체에 대해 각 1쌍(경우에 따라 복수 쌍)의 매니폴드(manifold)(공통 관통홀)가 마련되어 있다. 각각의 유체는 이 매니폴드로부터 각각의 격리막에 마련된 홈에 도입되어, 각 셀 및 수냉부로 분기되는 구성으로 되어 있다. 예를 들면, 연료 가스이면, 연료 가스 공급 매니폴드로부터 애노드 격리막의 연료 가스용 유로에 도입되어, 그 유로의 내부를 흐르는 과정에서 MEA에서의 발전을 위한 촉매 반응에 소비된다. 또한, 발전에 이용되지 않았던 잉여 연료 가스는, 연료 가스 배기 매니폴드를 경유하여 폐기된다고 한 상태이다. 그리고, 이들 셀과 냉각부를 교대로 재차 적층하여, 그 적층체를 집전판과 절연판을 사이에 세워 단판(端板)으로 끼우고, 그 후, 체결 볼트로 양단으로부터 고정하는 것에 의해 일반적인 스택이 구성된다.

한편, 고체 고분자형 연료 전지 시스템이란, 상기 스택을 운전하여 소정의 전력을 취출하기 위한 발전 장치 전체를 의미한다. 구체적으로는, 고체 고분자형 연료 전지 시스템에서 직접적으로 스택을 구동하는 구성 요소는 LPG, LNG, 가솔린 등의 입수 가능한 연료 전구체(前驅體)를 수증기 개질법에 의해서 연료 가스로 전환하는 개질기, 이 개질될 수 있는 연료 가스를 스택에 공급하기 위한 연료 가스 공급 장치, 산화제 가스로서 이용하는 공기를 가습하는 산화제 가스 가습 장치, 가습된 산화제 가스를 스택에 공급하는 산화제 가스 공급 장치, 스택에 순환 냉각수를 공급하는 냉각수 공급 장치, 전력을 부하하는 전기 부하 장치 등이다. 또한, 연료 가스의 가습은 개질기에서 수증기 개질법으로 연료 가스에 물을 첨가하는 것에 의해 행해지는 것이 통상이다. 한편, 산화제 가스의 가습은 스택으로부터 배출되는 산화제 가스(이하, 캐소드 배기 가스라고 함)에 포함되는 생성물을 이용하여, 공기 공급 장치에 의해서 보내지는 산화제 가스와의 사이에서 전열교환을 실행시키고, 이에 의해서 소망하는 가습량을 얻는 것이 통상이다. 이 전열교환은, 물은 용이하게 투과하지만 가스를 투과하지 않는 성질을 갖는 전열교환막을 거쳐서 행해진다. 이 전열교환막으로서는, 셀에서 이용되는 고체 고분자 전해질막(예를 들면, 플루오르술폰산막)이 적합하게 이용된다. 그리고, 상기 각 구성 요소와 스택이 고체 고분자형 연료 전지 시스템을 구축하도록 접속되는 것에 의해, 고체 고분자형 연료 전지 시스템이 구성된다.

여기서, 고체 고분자형 연료 전지 시스템에서의 셀의 발전 원리에 대해서 개설한다.

전술한 바와 같이 하여 구성된 셀에서는, 애노드 격리막의 연료 가스용 유로에 연료 가스를, 한편, 캐소드 격리막의 산화제 가스용 유로에 산화제 가스를 각각 공급하고, 상기 MEA의 애노드 촉매층측의 주면(主面)에 연료 가스를, 또한, 캐소드 촉매층측의 주면에 산화제 가스를 각각 폭로(暴露)한다. 이 때, 공급된 연료 가스는 애노드 격리막의 연료 가스용 유로를 통과하고, 또한 애노드 가스 확산 전극을 통과하여 MEA상에 형성된 애노드 촉매층에 접촉하고, 이 애노드 촉매층에서의 촉매 반응에 의해서 수소 이온과 전자로 해리한다. 이 해리한 전자는 애노드 가스 확산 전극을 거쳐서 애노드 격리막으로 회수된 후, 고체 고분자형 연료 전지 시스템에 접속된 전자 기기 등에 공급된다. 한편, 해리한 수소 이온은 고체 고분자 전해질막의 내부를 통과하여 캐소드 촉매층으로 이동한다. 그리고, 캐소드 촉매층으로 이동한 수소 이온은, 그 캐소드 촉매층에서 캐소드 가스 확산 전극을 통과하여 캐소드 촉매층에 이른 산화제 가스와, 고체 고분자형 연료 전지 시스템에 접속된 상기 전자 기기 등을 경유하여 캐소드 격리막으로 이동하고, 또한 캐소드 가스 확산 전극을 통과하여 캐소드 촉매층에 도달한 전자를 이용하는 물을 생성하는 촉매 반응에 이용된다. 그리고, 상기 일련의 촉매 반응에 의해서 연료 가스 유래의 전자가 연속적으로 발생하고, 이에 의해서 셀은 전지로서의 소정의 기능을 발현하게 된다.

또한, 고체 고분자 전해질막은 충분히 습윤한 상태에서 안정한 수소 이온수송 능력을 발현한다. 그 때문에, 고체 고분자형 연료 전지 시스템을 동작시킬 때는, 고체 고분자 전해질막을 습윤시키기 위한 물을 공급할 필요가 있다. 통상, 이 물은 셀에 공급하는 연료 가스 및 산화제 가스를 가습하는 것에 의해, 이들 연료 가스 및 산화제 가스의 공급과 동시에 공급된다. 또한, 상기 촉매 반응을 양호하게 진행시키기 위해서는, 스택을 적어도 60℃ 이상의 온도, 바람직하게는 60℃ 내지 80℃의 온도로 가열할 필요가 있다. 그 때문에, 고체 고분자형 연료 전지 시스템에서는 스택을 60℃ 내지 80℃의 온도로 가열하면서 발전 운전이 행해진다.

그런데, 셀을 정상으로 동작시키기 위해서는, 상술한 바와 같이 고체 고분자 전해질막을 충분히 습윤한 상태로 유지할 필요가 있는 하나의 방법으로, MEA에서 생성하는 물에 의한 애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층의 플러딩(flooding) 현상(애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층이 물에 의해 폐색(閉塞)되는 현상)을 방지할 필요가 있다. 그 이유는, 플러딩 현상이 발생하면, 예를 들면 연료 가스가 수소 이온과 전자로 해리하는 촉매 반응이나, 해리하여 발생한 수소 이온의 고체 고분자 전해질막의 내부에서의 캐소드측으로의 이동이 진행하기 어려워져, 이에 의해서 셀의 발전량이 현저하게 저하하기 때문이다.

그래서, 이 플러딩 현상의 발생을 방지하기 위해서, 연료 가스 및 산화제 가스의 흡입부와 배출부 사이에 압력 손실(압력 강하)을 부여하는 것에 의해서 연료 가스 및 산화제 가스의 이슬점을 항상 스택의 동작 온도 이하의 이슬점으로 유지하고, 이에 의해서 과잉의 물을 셀의 외부로 배출하는 방법이 제안되고 있다(예를 들면, 일본 특허 출원; 특허 출원 평성 제04-502749호 공보). 여기서, 이 제안에 대해서 구체적으로 설명하면, 기체의 물 흡수 능력은 압력의 저하와 함께 높아지기 때문에, 연료 가스 및 산화제 가스의 배출부에 가까이 감에 따라서 그것들의 가스의 가스압이 낮아지도록 설정하는 것에 의해, 촉매 반응에 따라 셀내에서 차차 생성되는 물을 효과적으로 셀의 외부로 배제하는 것이 가능하게 된다. 즉, 연료 가스 및 산화제 가스를 스택의 동작 온도 이하의 이슬점을 갖는 상태로 유지하는 것에 의해, 셀내에서 생성한 물이 연료 가스 및 산화제 가스 중에 증산할 여지가 생기기 때문에, 과잉의 물을 잉여의 연료 가스 및 산화제 가스와 함께 셀로부터 배출하는 것이 가능하게 된다. 이 경우, 고체 고분자 전해질막은 용이하게 물을 투과시키기 때문에, 예를 들면 연료 가스를 스택의 동작 온도 이하의 이슬점을 갖는 상태로 유지하고, 캐소드측에서 생성한 물이 고체 고분자 전해질막을 역확산한 후에 연료 가스 중에 증산하도록 구성해도 과잉의 물을 잉여의 연료 가스와 함께 셀의 외부로 배출하는 것이 가능하게 된다. 또한, 이러한 연료 가스 또는 산화제 가스의 압력 강하는, 그것들의 가스의 흡입부에 오리피스(orifice)를 마련하는 수단이나, 유로 길이의 연장, 유로 단면적의 변경, 유로 내면의 적어도 일부의 마찰 계수의 증가, 유로내의 연료 가스의 유량을 연료 가스가 애노드측에서 수소 이온과 전자로 해리되는 양보다 실질적으로 높게 설정하는 등의 수단에 의해서 구현화한다.

상술한 이 종래의 연료 가스 및 산화제 가스를 항상 스택의 동작 온도 이하의 이슬점을 갖는 상태로 유지하는 제안에 의하면, 캐소드측에서 생성되는 물을 셀의 외부로 효과적으로 배제하는 것이 가능해져, 확실하게 애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층이 물에 의해 폐색되는 플러딩 현상을 방지하는 것이 가능하게 된다. 즉, 애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층에서의 촉매 반응이 순조롭게 진행하여, 셀의 발전량을 적정한 발전량으로 하는 것이 가능하게 된다.

그러나, 발명자들은 특히 스택의 발전 효율을 중시하기 위해서 저전류 밀도로 정격 운전되는 용도(특히, 정치용(定置用) 코제너레이션 시스템(co-generation system))에서는, 상술한 종래의 운전 방법에는 치명적인 결함이 있는 것을 발견하였다. 즉, 연료 가스 및 산화제 가스의 양쪽의 가스가 스택내의 모든 발전 부위에서 그 발전 부위의 동작 온도보다 높은 이슬점을 갖고 있지 않은 경우, MEA에서의 상기 이슬점을 갖고 있지 않은 연료 가스 및 산화제 가스가 폭로되어 있는 부분의 고체 고분자 전해질막이 건조하고, 그 때문에 고체 고분자 전해질막이 경시적으로 손상하여 그 수명이 유지될 수 없다고 하는 현상이 발생하는 것을 발견하였다. 이 경우, 촉매 반응에 의해서 발생한 수소 이온의 고체 고분자 전해질막에서의 이동량이 그 손상에 의해서 경시적으로 저하해 가기 때문에, 스택의 발전량은 경시적으로 저하한다.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 저전류 밀도로 정격 운전되는 용도에서 이용되는 고체 고분자형 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 장기에 걸쳐 안정한 전력을 공급할 수 있는 고체 고분자형 연료 전지 시스템 및 그 운전 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

그리고, 이들 목적을 달성하기 위해서 본 발명에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템은, 연료 가스 및 산화제 가스가 공급되어 소정의 발전 부위가 소정 온도로 동작하여 발전하는 연료 전지와, 상기 공급되는 연료 가스 및 산화제 가스를 가습하는 가습 수단을 구비하는 고체 고분자형 연료 전지 시스템으로서, 상기 연료 가스 및 산화제 가스가 상기 가습 수단에 의해 상기 소정 온도보다 높은 이슬점을 갖도록 가습되어 상기 연료 전지에 공급된다. 이러한 구성으로 하면, 수증기 과포화 상태의 연료 가스 및 산화제 가스가 셀의 내부에 공급되게 되어, 이에 의해서 셀의 내부에 배설되어 있는 고체 고분자 전해질막이 충분히 가습되기 때문에, 그 건조를 전면적으로 방지하는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 고체 고분자 전해질막의 경시적인 손상이 방지되어, 항상 안정한 전압을 얻는 것이 가능하게 된다.

이 경우, 상기 소정의 발전 부위가, 상기 연료 전지에서의 상기 공급되는 상기 연료 가스 및 산화제 가스가 상기 발전을 위한 전기 화학 반응에 최초로 소비되는 부위이다. 이러한 구성으로 하면, 셀의 내부에 배설되어 있는 고체 고분자 전해질막이 실질적으로 또한 충분히 가습되기 때문에, 고체 고분자 전해질막의 경시적인 손상이 실질적으로 방지되어, 항상 안정한 전압을 얻는 것이 가능하게 된다.

또한, 상기의 경우, 상기 이슬점의 범위가 상기 연료 전지에서 플러딩 현상을 유발하지 않는 상한으로서의 이슬점과 상기 소정 온도의 하한으로서의 이슬점으로 정해지는 범위이다. 이러한 구성으로 하면, 보다 한층 효과적으로 고체 고분자 전해질막의 경시적인 손상을 방지하는 것이 가능하게 된다.

또한, 상기의 경우, 상기 이슬점의 범위가 50℃ 이상이고 또한 70℃ 이하 이다. 이러한 구성으로서도, 보다 한층 효과적으로 고체 고분자 전해질막의 경시적인 손상을 방지하는 것에 가능하게 된다.

또한, 상기의 경우, 상기 가습 수단이 상기 연료 전지로부터 배출되는 배출물을 이용하여 상기 소정 온도보다 높은 이슬점을 갖도록 상기 연료 가스 및 산화제 가스를 가습한다. 이러한 구성으로 하면, 연료 전지로부터 배출되는 배출물에는 수분이 포함되어 있기 때문에, 그 배출물과 공급하는 연료 가스 및 산화제 가스를 전열교환하는 것에 의해, 스택에 공급하는 연료 가스 및 산화제 가스를 수증기 과포화 상태로 하는 것이 가능하게 된다.

또한, 상기의 경우, 상기 가습 수단이 상기 연료 전지로부터 배출되는 배출물과 물의 혼합물을 이용하여 상기 소정 온도보다 높은 이슬점을 갖도록 상기 연료 가스 및 산화제 가스를 가습한다. 이러한 구성으로 하면, 물을 풍부하게 포함하는 배출물과 공급하는 연료 가스 및 산화제 가스를 전열교환하는 것에 의해, 스택에 공급하는 연료 가스 및 산화제 가스를 용이하게 수증기 과포화 상태로 하는 것이 가능하게 된다.

이 경우, 상기 배출물이 상기 연료 전지로부터 배출되는 연료 가스와 산화제 가스 중 적어도 어느 것이다. 이러한 구성으로 하면, 연료 전지로부터 배출되는 연료 가스 또는 산화제 가스에는 수분이 포함되어 있기 때문에, 스택에 공급하는 연료 가스 및 산화제 가스를 수증기 과포화 상태로 하는 것이 가능하게 된다.

또한, 이 경우, 상기 연료 전지로부터 배출되는 연료 가스 및 산화제 가스로부터 물을 회수하는 물 회수기를 더 구비하고, 상기 물 회수기에서 회수된 물이 상기 혼합물의 물로서 이용된다. 이러한 구성으로 하면, 물의 이용 효율이 개선된 고체 고분자형 연료 전지 시스템을 제공하는 것이 가능하게 된다.

또한, 상기의 경우, 상기 가습 수단이 전열교환기와 해당 전열교환기를 가열 가능한 가열 장치를 구비하고, 상기 배출물 또는 상기 혼합물과 상기 연료 가스 및 산화제 가스가 상기 전열교환기에 공급되어 서로 전열교환되고 또한 상기 전열교환기가 상기 가열 장치에서 가열되어 상기 소정 온도보다 높은 이슬점을 갖도록 상기 연료 가스 및 산화제 가스가 가습된다. 이러한 구성으로 하면, 연료 가스 및 산화제 가스의 가습이 적합하게 실시되도록 된다.

이 경우, 상기 가열 장치가 상기 연료 가스 또는 상기 연료 전지로부터 배출되는 연료 가스를 연소해서 발생하는 열을 이용하여 상기 전열교환기를 가열한다. 이러한 구성으로 하면, 연료 가스 또는 연료 전지로부터 배출되는 연료 가스를 연소해서 얻어지는 열은 고온이기 때문에, 전열교환기의 가열이 효율적으로 실행되도록 된다. 또한, 스택에 공급하는 연료 가스는 그 전부가 발전에 이용되는 것은 아니고 일부는 배출되지만, 그 배출되는 연료 가스를 재이용하기 때문에, 연료 가스를 유효하게 이용하는 것이 가능하게 된다.

또한, 이 경우, 상기 가열 장치가 상기 연료 가스 또는 상기 연료 전지로부터 배출되는 연료 가스와 상기 산화제 가스 또는 상기 연료 전지로부터 배출되는 산화제 가스와의 촉매 연소에 의해서 발생되는 열을 이용하여 상기 전열교환기를 가열한다. 이러한 구성으로 하면, 촉매 연소에 의해서 전열교환기를 효율적으로 가열하는 것이 가능하게 된다. 즉, 수증기 과포화 상태의 연료 가스 및 산화제 가스를 효율적으로 얻는 것이 가능하게 된다.

또한, 이 경우, 상기 연료 전지가, 열매체가 통류되어서 상기 소정 온도로 동작하여 발전하고, 상기 가열 장치가 상기 연료 전지로부터 배출되는 상기 열매체의 열을 이용하여 상기 전열교환기를 가열한다. 이러한 구성으로 하면, 열의 이용 효율이 개선된 고체 고분자형 연료 전지 시스템을 제공하는 것이 가능하게 된다.

또한, 이 경우, 상기 연료 가스의 전구체로부터 상기 연료 가스를 생성하는 개질기를 더 구비하고, 상기 가열 장치가 상기 전구체를 연소하여 발생하는 열을 이용해서 상기 전열교환기를 가열한다. 이러한 구성으로 하면, 연료 가스 전구체의 일부를 사전에 전열교환기의 가열에 이용하기 때문에, 배출되는 연료 가스의 배출량을 저감하는 것이 가능하게 된다.

또한, 이 경우, 상기 연료 가스의 전구체로부터 상기 연료 가스를 생성하는 개질기를 더 구비하고, 상기 가열 장치가 상기 개질기로부터 배출되는 폐열(廢熱)을 이용하여 상기 전열교환기를 가열한다. 이러한 구성으로 하면, 개질기로부터 배출된 폐열은 고온이기 때문에, 전열교환기의 가열이 효율적으로 실행되게 된다. 또한, 폐열을 재이용게 되어 열의 사용 효율이 향상하기 때문에, 발전 효율이 양호한 고체 고분자형 연료 전지 시스템을 구축할 수 있다.

또한, 상기의 경우, 상기 가열 장치가 상기 전열교환기를 직접적으로 가열하는 직접 가열형 가열 장치이다. 이러한 구성으로 하면, 전열교환기의 가열효율이 개선된다. 그 결과, 전열교환기를 가열하기 위해서 필요한 열의 열량을 최소한으로 억제하는 것이 가능하게 된다.

또한, 상기의 경우, 상기 가열 장치가 상기 전열교환기를 간접적으로 가열하는 간접 가열형 가열 장치이다. 이러한 구성으로 하면, 전열교환기를 가열할 때, 전열교환기의 온도가 완만하게 변화되도록 된다. 그 결과, 전열교환기의 가열 온도를 정밀하게 제어하는 것이 가능하게 된다.

또한, 상기의 경우, 상기 연료 전지와 상기 가습 수단이 일체화되고 또한 일괄 단열되어 있다. 이러한 구성으로 하면, 전열교환기를 가열할 때, 그 전열교환기에서의 열손실을 최소한으로 억제하는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 수증기 과포화 상태의 연료 가스 및 산화제 가스를 용이하게 또한 효율적으로 생성하는 것이 가능하게 된다.

또한, 본 발명에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템의 운전 방법은, 연료 가스 및 산화제 가스가 공급되어서 소정의 발전 부위가 소정 온도로 동작하여 발전하는 연료 전지와, 상기 공급되는 연료 가스 및 산화제 가스를 가습하는 가습 수단을 이용하는 고체 고분자형 연료 전지 시스템의 운전 방법으로서, 상기 연료 가스 및 산화제 가스를 상기 가습 수단에 의해 상기 소정 온도보다 높은 이슬점을 갖도록 가습하고, 상기 가습한 상기 소정 온도보다 높은 이슬점을 갖는 상기 연료 가스 및 산화제 가스를 상기 연료 전지에 공급한다. 이러한 구성으로 하면, 수증기 과포화 상태의 연료 가스 및 산화제 가스를 셀의 내부에 공급하기 때문에, 셀의 내부에 배설되어 있는 고체 고분자 전해질막을 충분히 가습하는 것이 가능해져, 그 건조를 전면적으로 방지하는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 고체 고분자 전해질막의 경시적인 손상이 방지되어, 항상 안정한 전압을 얻는 것이 가능하게 된다.

본 발명의 상기 목적, 다른 목적, 특징, 및 이점은 첨부 도면 참조하에서, 이하의 적합한 실시 형태의 상세한 설명으로부터 명백하게 한다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다.

(제 1 실시 형태)

본 발명의 제 1 실시 형태에서는, 개질기를 구비하는 고체 고분자형 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 개질기로부터 배출되는 폐열의 일부를 이용하여 과가습 상태의 연료 가스 및 산화제 가스를 생성하고, 이것을 연료 전지에 공급하는 실시 형태에 대해서 설명한다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템의 구성을 모식적으로 나타내는 블록도이다.

먼저, 본 발명의 제 1 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템의 구성에 대해서 도 1을 참조하면서 설명한다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템(100)은, 연료 가스 및 산화제 가스가 배관(1a) 및 배관(1b)에 공급되어 발전하는 고체 고분자형 연료 전지 적층체(1)(이하, 스택(1))와, 도시 가스나 액화 프로판 가스 등의 연료 가스 전구체를 개질하여 발전에 이용하는 연료 가스를 생성하는 개질부(2a)와 변성부(2b)와 CO 제거부(2c)로 이루어지는 개질기(2)와, 개질기(2)를 개질 반응에 필요한 온도로 가열하고 또한 보온하는 개질기용 버너(3)와, 발전에 이용하는 산화제 가스를 스택(1)에 송출하는 공기 공급 장치(4)와, 스택(1)에 공급하는 연료 가스 및 산화제 가스를 스택(1)으로부터 배출되는 애노드 배기 가스 및 캐소드 배기 가스와의 전열교환에 의해서 가습 및 가열하는 전열교환기(5)와, 전열교환기(5)를 스택(1)에서의 소정의 발전 부위의 동작 온도보다 높은 온도로 가열하는 가열 장치(6)와, CO 제거부(2c)로부터 배출되는 폐열을 이용하여 가열 장치(6)를 가열하는 열교환기(7)와, 스택(1)으로부터 전열교환기(5)를 경유해서 배출되는 연료 가스(즉, 애노드 배기 가스)에 포함되는 물을 회수하는 연료측 물 회수기(8)와, 연료측 물 회수기(8)에 의해서 회수된 물을 축수(蓄水)하는 연료측 축수 탱크(9)와, 스택(1)으로부터 전열교환기(5)를 경유해서 배출되는 산화제 가스(즉, 캐소드 배기 가스)에 포함되는 물을 회수하는 산화제측 물 회수기(10)와, 산화제측 물 회수기(10)에 의해서 회수된 물을 축수하는 산화제측 축수 탱크(11)를 구비하여 구성되어 있다.

또한, 이 고체 고분자형 연료 전지 시스템(100)은, 발전 동작중에 발열하는 스택(1)을 소정의 온도로 유지하기 위한 냉각수를 축적하는 축수 탱크(12)와, 축수 탱크(12)에 축적한 냉각수의 열을 외부로 방출하여 냉각수를 냉각하는 냉각용 방열기(13)를 구비하고 있다.

또한, 이 고체 고분자형 연료 전지 시스템(100)은, CO 제거부(2c)의 외측면에 나선형으로 지착(止着)된 배관(2d)의 내부에 충전된 열매체를 열교환기(7)의 내부에 배설된 배관(7a)의 내부로 송출하는 펌프(14)와, 열교환기(7)의 내부에 축수되는 열매체를 가열 장치(6)의 내부에 배설된 배관(6a)의 내부로 송출하는 펌프(15)와, 산화제측 축수 탱크(11)에 축수되는 물을 개질부(2a) 및 스택(1)과 전열교환기(5)를 접속하는 캐소드 배기 가스가 흐르는 배관으로 송출하는 펌프(16)와, 연료측 물 회수기(8)에서 제습된 애노드 배기 가스를 개질기용 버너(3)로 송출하는 펌프(17)와, 축수 탱크(12)에 축수되는 물을 스택(1)의 내부에 배설된 배관(1c)의 내부로 송출하는 펌프(18)를 구비하고 있다.

여기서, 전열교환기(5)의 구성에 대해서 설명한다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 전열교환기(5)는, 산화제 가스를 가습 및 가열하는 캐소드측 가습 회로(5a)와, 연료 가스를 가습 및 가열하는 애노드측 가습 회로(5b)를 갖고서 구성되어 있다.

캐소드측 가습 회로(5a)에는 산화제 가스를 도입하는 산화제 가스 도입 영역(a)과, 캐소드 배기 가스를 도입하는 캐소드 배기 가스 도입 영역(b)이 형성되어 있다. 그리고, 산화제 가스 도입 영역(a)과 캐소드 배기 가스 도입 영역(b)은 캐소드측 전열교환막(A)에 의해서 격리되어 있다. 이 캐소드측 전열교환막(A)으로서는, 여기서는 스택(1)에서 이용되고 있는 고체 고분자 전해질막과 마찬가지인 고체 고분자 전해질막이 이용되고 있다. 즉, 캐소드측 가습 회로(5a)는 산화제 가스 도입 영역(a)에 도입된 산화제 가스와 캐소드 배기 가스 도입 영역(b)에 도입된 캐소드 배기 가스 사이의 캐소드측 전열교환막(A)을 거친 전열교환에 의해서, 산화제 가스 도입 영역(a)에 도입된 산화제 가스를 소정의 온도 및 습도로 조정 가능하게 구성되어 있다.

한편, 애노드측 가습 회로(5b)에는 연료 가스를 도입하는 연료 가스 도입 영역(c)과, 애노드 배기 가스를 도입하는 애노드 배기 가스 도입 영역(d)이 형성되어 있다. 그리고, 연료 가스 도입 영역(c)과 애노드 배기 가스 도입 영역(d)은 애노드측 전열교환막(B)에 의해서 격리되어 있다. 이 애노드측 전열교환막(B)으로서도, 여기서는 스택(1)에서 이용되고 있는 고체 고분자 전해질막과 마찬가지인 고체 고분자 전해질막이 이용되고 있다. 즉, 애노드측 가습 회로(5b)는 연료 가스 도입 영역(c)에 도입된 연료 가스와 애노드 배기 가스 도입 영역(d)에 도입된 애노드 배기 가스 사이의 애노드측 전열교환막(B)을 거친 전열교환에 의해서, 연료 가스 도입 영역(c)에 도입된 연료 가스를 소정의 온도 및 습도로 조정 가능하게 구성되어 있다.

또한, 전열교환기(5)에는 가열 장치(6)가 착설(着設)되어 있어, 이 가열 장치(6)가 동작하는 것에 의해, 전열교환기(5)의 전체가 스택(1)에서의 소정의 발전 부위의 동작 온도보다 높은 온도로 가열되도록 구성되어 있다.

또한, 상술한 바와 같이, 스택(1)과 전열교환기(5)를 접속하는 캐소드 배기 가스가 흐르는 배관의 소정 위치에는, 산화제측 축수 탱크(11)로부터 펌프(16)를 거쳐서 연출(延出)하는 배관이 접속되어 있다. 즉, 고체 고분자형 연료 전지 시스템(100)에서는 산화제측 축수 탱크(11)에 축적된 물을 캐소드 배기 가스가 흐르는 배관내로 송출 가능하게 구성되어 있다.

다음에, 본 발명의 제 1 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템의 동작에 대해서 도 1을 참조하면서 설명한다.

도 1에 나타내는 바와 같이 구성된 고체 고분자형 연료 전지 시스템(100)에서는, LPG, LNG, 가솔린 또는 도시 가스 등의 연료 가스 전구체가 개질기(2)의 개질부(2a)에 공급된다. 그렇게 하면, 개질부(2a)에 공급된 연료 가스 전구체는, 그 개질부(2a)에서 소정의 개질이 행해진 후, 변성부(2b)에 공급된다. 그리고, 변성부(2b)에서 소정의 변성이 행해져서 생성된 연료 가스는 CO 제거부(2c)에 공급된다. CO 제거부(2c)에 공급된 연료 가스로부터는 CO(일산화탄소)가 제거되고, 그 후, 개질기(2)로부터 배출된다. 이 때, 개질기(2)는 개질기용 버너(3)에 의해서 상기 연료 가스 전구체를 연료 가스에 개질하는데 필요한 온도로 가열 및 보온되고 있다. 즉, 개질기(2)에서는 소정의 온도 환경하에서 상기 연료 가스 전구체가 개질되고, 이에 의해서 발전에 이용하는 연료 가스가 생성된다.

개질기(2)에서 생성된 연료 가스는 전열교환기(5)에 배설된 애노드측 가습 회로(5b)의 연료 가스 도입 영역(c)에 도입된다. 연료 가스 도입 영역(c)에 도입된 연료 가스는 애노드 배기 가스 도입 영역(d)에 도입되는 스택(1)으로부터 배출된 애노드 배기 가스 사이의 전열교환에 의해, 스택(1)에서의 소정의 발전 부위의 동작 온도보다 높은 이슬점을 갖도록 조정된다. 연료 가스가 이와 같이 조정될 수 있는 것은, 애노드 배기 가스가 개질기(2)의 개질부(2a)에서 얻는 물과 스택(1)의 발전에 의해서 생성하는 물과의 전열교환에 필요 충분한 양의 수분을 함유하고 있는 것과, 전열교환기(5)가 가열 장치(6)에 의해서 스택(1)에서의 소정의 발전 부위의 동작 온도보다 높은 온도로 가열되기 때문이다. 여기서, 스택(1)에서의 소정의 발전 부위란, 연료 가스 및 산화제 가스가 스택(1)에 공급되는 공급 부위이다. 보다 구체적으로 설명하면, 이 스택(1)에서의 소정의 발전 부위란, 개념적으로는 도 1에 나타내는 연료 가스 및 산화제 가스의 공급 부위(1d 및 1e)를 나타내고 있으며, 공급되는 연료 가스와 산화제 가스가 고체 고분자 전해질막을 거친 전기 화학 반응에 최초로 소비될 수 있는 부위(영역)를 의미하고 있다. 또한, 이 부위(영역)를 이하의 설명에서도 단순히 소정의 발전 부위로 표현한다. 또한, 스택(1)에서의 소정의 발전 부위의 동작 온도란, 상술한 소정의 발전 부위에서의 발전중인 셀 온도로서, 이 셀 온도는 상기 소정의 발전 부위에서의 냉각수의 온도와 근사해 있기 때문에, 실제로는 상기 소정의 발전 부위에서의 스택(1)을 냉각하는 냉각수의 온도이다. 이 냉각수의 온도는 서미스터(thermistor) 등의 온도 검지 수단에 의해서 용이하게 측정할 수 있다. 또한, 이 소정의 발전 부위에서의 냉각수의 온도를 이하의 설명에서도 단순히 동작 온도로 표현한다.

여기서, 전열교환기(5)의 가열 방법에 대해서 설명하면, 개질기(2)에는 개질부(2a)(반응 온도=600~800℃), 변성부(2b)(반응 온도=250~300℃), CO 제거부(2c)(반응 온도=150~200℃)의 3개의 섹션이 있으며, 여기서는 CO 제거부(2c)로부터 배출되는 폐열을 이용하여 가열 장치(6)를 가열하고, 이에 의해서 가열 장치(6)는 전열교환기(5)를 가열한다. 보다 구체적으로는, CO 제거부(2c)의 외측면에 용접에 의해 지착된 배관(2d)의 내부에 충전된 1차 열매체(온도적 요청때문에, 실리콘 오일 등의 유(油)냉용 매체가 적합함)가 CO 제거부(2c)로부터 배출되는 폐열에 의해서 가열된 후, 상기 1차 열매체가 펌프(14)의 동작에 의해 열교환기(7)의 배관(7a)의 내부에 소정의 유량으로 송출된다. 이에 의해서, 열교환기(7)의 내부의 2차 열매체(취급이 용이하므로, 물이 적합함)가 일정한 온도(예를 들면, 스택(1)에서의 소정의 발전 부위의 동작 온도가 70℃인 경우에는 78℃)로 가열된다. 그리고, 이 일정한 온도로 된 2차 열매체를 가열 장치(6)에 마련되어 있는 배관(6a)의 내부에 흘림으로써 가열 장치(6)는 전열교환기(5)를 간접적으로 가열하고, 이에 의해서 전열교환기(5), 즉 캐소드측 가습 회로(5a) 및 애노드측 가습 회로(5b)가 소망하는 온도로 유지되도록 된다. 또한, 가열 장치(6)의 온도 제어는, 예를 들면 상기 2차 열매체의 온도가 일정해지도록 상기 1차 열매체의 순환량을 펌프(14)로 제어하는 것에 의해 행해진다.

그런데, 연료 가스가 연료 가스 도입 영역(c)에서 상술한 바와 같이, 가습 및 가열되어 스택(1)에서의 소정의 발전 부위의 동작 온도보다 높은 이슬점을 갖도록 조정되면, 그 조정된 연료 가스는 연료 가스 도입 영역(c)으로부터 스택(1)으로 들여보내진다. 그리고, 스택(1)에 들여보내진 연료 가스는 스택(1)의 내부에 마련되어 있는 연료 가스용 유로(1b)를 통과한 후, 전열교환기(5)에서의 애노드측 가습 회로(5b)의 애노드 배기 가스 도입 영역(d)으로 들여보내진다. 여기서, 상술한 바와 같이, 이 애노드 배기 가스 도입 영역(d)으로 들여보내지는 애노드 배기 가스에는 전열교환에 필요한 물이 충분히 함유되어 있기 때문에, 애노드 배기 가스는 연료 가스의 가습 과정에서 적합하게 이용된다. 그 후, 전열교환기(5)에서의 전열교환에 이용된 애노드 배기 가스는 연료측 물 회수기(8)로 들여보내진다. 연료측 물 회수기(8)로 들여보내지고, 스택(1)으로부터 전열교환기(5)를 경유해서 배출된 애노드 배기 가스는 연료측 물 회수기(8)에 의해서 제습된다. 연료측 물 회수기(8)에 의해서 애노드 배기 가스로부터 얻어진 물은 연료측 축수 탱크(9)에 축적된다. 이 연료측 축수 탱크(9)에 축적된 물은 후술하는 산화제측 축수 탱크(11)로 송출된다. 또한, 제습된 건조 상태의 애노드 배기 가스는, 여기서는 펌프(17)에 의해서 개질기용 버너(3)에 공급되어, 이 개질기용 버너(3)에서의 연소에 이용된다.

한편, 스택(1)의 발전 운전에 필요한 산화제 가스를 얻기 위해서, 산화제 가스가 전열교환기(5)에 공급된다. 즉, 상기 산화제 가스는 공기 공급 장치(4)에 의해서 전열교환기(5)에서의 캐소드측 가습 회로(5a)의 산화제 가스 도입 영역(a)으로 들여보내진다. 그렇게 하면, 산화제 가스 도입 영역(a)에 도입된 산화제 가스는, 캐소드 배기 가스 도입 영역(b)에 도입되는 스택(1)으로부터 배출된 캐소드 배기 가스와의 사이의 전열교환에 의해, 연료 가스의 경우와 마찬가지로 하여, 스택(1)에서의 소정의 발전 부위의 동작 온도보다 높은 이슬점을 갖도록 조정된다. 이 때, 도 1에 나타내는 바와 같이, 스택(1)과 전열교환기(5)를 접속하는 캐소드 배기 가스가 흐르는 배관의 소정 위치에는 후술하는 산화제측 축수 탱크(11)로부터 펌프(16)를 거쳐서 연출하는 배관이 접속되어 있어, 이 연출하는 배관을 통해서 스택(1)으로부터 배출되는 캐소드 배기 가스에 산화제측 축수 탱크(11)로부터 송출되는 물이 가해진다. 이와 같이, 스택(1)으로부터 배출되는 캐소드 배기 가스에 물을 첨가하는 것은, 그 스택(1)으로부터 배출되는 캐소드 배기 가스에 전열교환기(5)에서의 전열교환에 필요한 물이 충분히 포함되어 있지 않기 때문이다. 또한, 스택(1)으로부터 배출되는 캐소드 배기 가스에 대한 물의 첨가 형태는, 캐소드 배기 가스에 대하여 물을 분무하는 형태로서도 무방하고, 캐소드 배기 가스가 흐르는 배관내에 물을 액상 그대로 도입하는 형태로서도 무방하다. 이에 의해서, 발전에 필요한 적합한 산화제 가스가 생성된다. 그리고, 그 조정된 산화제 가스는 산화제 가스 도입 영역(a)으로부터 스택(1)으로 들여보내진다. 이 스택(1)에 들여보내진 산화제 가스는 스택(1)의 내부에 마련되어 있는 산화제 가스용 유로(1a)를 통과한다. 산화제 가스용 유로(1a)를 통과하여, 스택(1)으로부터 배출된 발전에 이용되지 않았던 캐소드 배기 가스는 상술한 바와 같이 물이 첨가된 후, 전열교환기(5)의 캐소드측 가습 회로(5a)에 마련되어 있는 캐소드 배기 가스 도입 영역(b)으로 들여보내진다. 이 들여보내진 캐소드 배기 가스는 전열교환기(5)에서의 연료 가스와의 전열교환에 이용된다. 그 후, 전열교환기(5)로부터 배출되는 전열교환에 이용되지 않았던 캐소드 배기 가스는 산화제측 물 회수기(10)로 들여보내진다. 그리고, 이 산화제측 물 회수기(10)에 들여보내진 캐소드 배기 가스는 산화제측 물 회수기(10)에 의해서 제습된다. 이 때, 산화제측 물 회수기(10)에 의해서 얻어진 물은 산화제측 축수 탱크(11)에 축적된다. 이 산화제측 축수 탱크(11)에 축적되는 물은 개질기(2)의 개질부(2a)에서의 개질 반응이나, 스택(1)으로부터 배출되는 캐소드 배기 가스로의 첨가에 이용된다. 또한, 산화제측 물 회수기(10)에 의해서 제습된 캐소드 배기 가스는 대기중에 방출된다.

또한, 스택(1)에서 발전이 행해지고 있는 동안, 스택(1)은 발열한다. 그래서, 스택(1)의 온도를 일정하게 유지하기 위해서, 펌프(18)를 동작시켜 축수 탱크(12)에 축적한 냉각수를 스택(1)의 내부에 마련된 냉각수용 유로(1c)를 통과하도록 순환시킨다. 즉, 상기 냉각수는 펌프(18)가 동작하는 것에 의해 축수 탱크(12)로부터 스택(1)의 내부에 형성되어 있는 냉각수용 유로(1c)를 통과하고, 그 후, 다시 축수 탱크(12)로 되돌아가도록 이동한다. 또한, 스택(1)의 발열에 의해 온도 상승한 축수 탱크(12)로 되돌아 간 냉각수는 냉각용 방열기(13)에 의해서 소정의 온도로 냉각된다.

이상, 고체 고분자형 연료 전지 시스템(100)이 상술한 바와 같이 동작하는 것에 의해, 스택(1)의 도 1에서는 특별히 도시하지 않은 전력 출력 단자에는 소정의 전력이 발생한다. 그리고, 사용자는, 고체 고분자형 연료 전지 시스템(100)에 마련되고, 스택(1)의 상기 출력 단자와 전기적으로 접속된 외부 접속 단자와, 전자 기기 등의 전원 단자를 전기적으로 접속하는 것에 의해, 그 전자 기기 등을 정상으로 동작시키는 것이 가능하게 된다.

상기와 같이 구성된 고체 고분자형 연료 전지 시스템(100)에서는, 예를 들면, 스택(1)에서의 소정의 발전 부위의 동작 온도가 70℃인 경우, CO 제거부(2c)로부터의 폐열을 열원으로서 이용하여 전열교환기(5)의 온도를 78℃로 유지하고, 이에 의해서 스택(1)에 공급하는 연료 가스 및 산화제 가스의 이슬점을 72℃로 조정한다. 그 결과, 그 소정의 발전 부위의 동작 온도가 70℃로 유지된 스택(1)의 내부에서는 결로(結露)가 발생하고, 이에 의해서 MEA에서의 고체 고분자 전해질막의 건조가 전면적으로 방지된다. 즉, 고체 고분자 전해질막이 경시적으로 손상하여, 그 수명이 유지되지 못한다고 하는 현상을 방지하는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 저전류 밀도로 정격 운전되는 용도에 있어서 이용되는 고체 고분자형 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 스택에서 이용되는 고체 고분자 전해질막이 항상 필요 충분한 수분을 함유하고 또한 유지하여, 장기에 걸쳐 안정한 전력을 공급할 수 있는 고체 고분자형 연료 전지 시스템을 제공하는 것이 가능하게 된다.

(제 2 실시 형태)

본 발명의 제 2 실시 형태에서는, 개질기를 구비하는 고체 고분자형 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 애노드 배기 가스 또는 연료 가스 전구체 등의 가연성 가스의 일부를 연소할 수 있는 열을 이용하여 과가습 상태의 연료 가스 및 산화제 가스를 생성하고, 이것을 연료 전지에 공급하는 실시 형태에 대해서 설명한다.

도 2는 본 발명의 제 2 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템의 구성을 모식적으로 나타내는 블록도이다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템(200)은 열교환기(7)를 가열하기 위한 열교환기용 버너(19)를 갖고 있다. 그리고, 전열교환기(5)의 가열이 LPG나, LNG, 가솔린, 또는 도시 가스 등의 연료 가스 전구체, 또는 연료측 물 회수기(8)로부터 배출되는 애노드 배기 가스 등의 가연성 가스의 일부가 열교환기용 버너(19)에 공급되고, 그 공급된 연료 가스 전구체 또는 애노드 배기 가스를 연소하여 열교환기(7)의 내부의 열매체를 가열하고, 그 가열된 열매체를 전열교환기(5)에 착설된 가열 장치(6)에 공급하는 것에 의해 행해진다. 즉, 도 2에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템(200)에서는, 상기 연료 가스 전구체가 공급되는, 도 2에서는 도시되지 않은 공급구와 개질기(2)의 개질부(2a)를 접속하는 배관의 도중에 접속된 배관과, 연료측 물 회수기(8)로부터 펌프(17)를 거쳐서 연출하는 배관에 접속된 배관이 삼방 밸브(21)에 접속되고, 이 삼방 밸브(21)와 열교환기용 버너(19)가 배관에 의해서 접속되어 있다. 그리고, 삼방 밸브(21)를 적당하게 조작하는 것에 의해, 연료 가스 전구체 또는 애노드 배기 가스가 배관을 통해서 열교환기용 버너(19)에 공급되도록 구성되어 있다. 또한, 열교환기용 버너(19)의 설치에 따라, 도 1에 도시한 고체 고분자형 연료 전지 시스템(100)에서의 배관(2d), 펌프(14) 및 배관(7a)은 삭제되어 있다. 그 밖의 점에 대해서는 제 1 실시 형태의 경우와 마찬가지이다.

이와 같이 구성된 본 실시 형태의 고체 고분자형 연료 전지 시스템(200)에서는, 연료 가스 전구체의 대부분은 개질기(2)에서 소비되지만, 그 일부는 열교환기용 버너(19)에서 열매체의 가열을 위해서 소비되게 된다. 또한, 열교환기용 버너(19)에 애노드 배기 가스가 공급되는 경우는, 애노드 배기 가스는 개질기용 버너(3)와 열교환기용 버너(19)에서 각각 소비된다. 따라서, 열교환기용 버너(19)에 의해서 얻어지는 열은 고온이기 때문에, 전열교환기(5)의 가열이 효율적으로 행해지도록 된다. 또한, 스택(1)에 공급하는 연료 가스는 그 전부가 발전에 이용되는 것은 아니고 일부는 애노드 배기 가스로서 배출되지만, 이 배출되는 애노드 배기 가스의 일부를 전열교환기(5)의 가열에도 이용하기 때문에, 연료 가스의 이용 효율을 개선하는 것이 가능하게 된다. 또한, 스택(1)으로부터 배출되는 애노드 배기 가스의 배출량은 스택(1)에 공급되는 연료 가스의 20~30%이며(예를 들면, 연료 이용률이 80%이면, 애노드 배기 가스의 배출량은 20%), 통상은 이것을 폐기하지 않고서 개질기(2)에서 연소하여 재이용한다. 여기서, 스택(1)으로부터 배출되는 애노드 배기 가스는 다량의 물을 포함하기 때문에 높은 연소 온도를 얻는 것이 어렵고, 연소용 가스로서의 품질은 낮다. 그러나, 본 실시 형태에서는 연료측 물 회수기(8)에 의해서 애노드 배기 가스가 제습되기 때문에, 연소용 가스로서의 품질은 향상하고 있다. 즉, 열교환기용 버너(19)에서 높은 연소 온도를 얻는 것이 가능하게 된다. 또한, 연료측 물 회수기(8)를 이용하지 않는 경우에서도, 열매체의 가열에 이용하는 정도로는 아무런 문제는 생기지 않는다.

또한, 본 실시 형태에서는 애노드 배기 가스를 이용하는 경우, 연료측 물 회수기(8)로부터 배출되는 애노드 배기 가스의 일부를 열교환기(7)의 가열에 이용하기 때문에, 개질기(2)의 온도 유지에 필요한 애노드 배기 가스가 부족할 경우가 있다. 이 경우, 애노드 배기 가스의 부족분은 개질기용 버너(3)에 연료 가스 전구체를 공급하는 것에 의해 보충한다. 이에 의해서 개질기(2)의 개질 효율은 향상한다.

또한, 제 1 실시 형태에서 나타낸 형태와 비교하여, 개질기(2)와 열매체의 가열과의 각각의 열 수지가 서로 독립되어 있기 때문에, 각각 독립된 제어가 가능하게 된다. 예를 들면, 개질기(2)가 기동시 또는 종료시에서 열적으로 평형하여 있지 않은 상태에서도 스택(1)으로 공급하는 연료 가스 및 산화제 가스의 가습은 독립되어 실행하는 것이 가능하여, 전체로서의 제어가 용이하게 된다.

또한, 개질기(2)에서 생성된 연료 가스를 열교환기(7)에서의 열매체의 가열에 사용하는 것도 가능하지만, 연료 가스는 개질 전의 연료 가스 전구체보다도 질이 높은 에너지원이기 때문에, 단순히 열교환기용 버너(19)에서 연소시키는 것이 목적이면, 연료 가스 전구체 또는 애노드 배기 가스를 소비한 쪽이 전체의 발전 효율상 유리하게 된다. 또한, 예를 들면 차재용으로 고압 수소를 연료로서 이용하는 경우에는, 개질기(2)가 필요하지 않게 되기 때문에 필연적으로 연료 가스의 일부를 이용하여 열매체의 가열을 행하게 된다. 이 실시 형태에 대해서는 제 5 실시 형태로서 후술한다. 그러나, 이 경우에는, 열매체의 가열을 위해서 고압 수소 이외의 다른 연료(가솔린 등)를 탑재하여, 이것을 연소시키는 형태가 유리하게 된다.

(제 3 실시 형태)

본 발명의 제 3 실시 형태에서는, 개질기를 구비하는 고체 고분자형 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 연료측 물 회수기 및 산화제측 물 회수기에 의해서 제습된 애노드 배기 가스와 캐소드 배기 가스를 촉매 연소할 수 있는 열을 이용하여 과가습 상태의 연료 가스 및 산화제 가스를 생성하고, 이것을 연료 전지에 공급하는 실시 형태에 대해서 설명한다.

도 3은 본 발명의 제 3 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템의 구성을 모식적으로 나타내는 블록도이다.

도 3에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 제 3 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템(300)은 전열교환기(5)를 직접적으로 가열하기 위해서 전열교환기(5)에 착설되는 촉매 연소 가열 장치(20)를 갖고 있다. 이 촉매 연소 가열 장치(20)는 애노드 배기 가스와 캐소드 배기 가스를 도입하기 위한 촉매 연소 영역(20a)과, 애노드 배기 가스와 캐소드 배기 가스의 촉매 연소를 실행시키는 촉매 연소 플레이트(20b)를 갖고 있다. 여기서, 촉매 연소 영역(20a)은 애노드 배기 및 캐소드 배기 가스를 도입하기 위한 공간이다. 또한, 촉매 연소 플레이트(20b)는 촉매 연소 영역(20a)에 도입된 애노드 배기 가스 및 캐소드 배기 가스에 의한 촉매 연소가 행해지는 반응 부위이다. 또한, 촉매 연소 플레이트(20b)는 촉매 연소를 하기 위해서 필요 충분한 표면적을 갖고 있을 필요가 있다. 그 때문에, 도 3에 나타내는 바와 같이, 촉매 연소 플레이트(20b)의 표면은 여기서는 요철형으로 형성되어 있다. 또한, 이 촉매 연소 플레이트(20b)를 구성하는 재료로서는, 성형 코쥬라이트(觸媒單體) 등 일반적으로 촉매 연소용 기재로서 사용되는 재료가 바람직하다. 그리고, 성형 코쥬라이트 등의 촉매 연소용 기재의 표면에, 주로 백금족으로 이루어지는 촉매층을 형성한 후에 소결(燒結)하는 것에 의해, 촉매 연소 플레이트(20b)가 형성된다.

본 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템(300)은 촉매 연소가열 장치(20)를 구동하기 위해서, 연료측 물 회수기(8)와 개질기용 버너(3)를 접속하는 배관의 도중으로부터 촉매 연소 영역(20a)으로 통과하는 배관이 배설되는 동시에, 산화제측 물 회수기(10)로부터 촉매 연소 영역(20a)으로 통과하는 배관이 배설되고, 이들 배관을 이용하여 스택(1)으로부터 배출된 애노드 배기 가스 및 캐소드 배기 가스가 촉매 연소 가열 장치(20)에 공급되도록 구성되어 있다. 또한, 촉매 연소 가열 장치(20)의 설치에 따라, 도 1에 도시한 고체 고분자형 연료 전지 시스템(100)에서의 배관(2d), 펌프(14 및 15), 배관(7a) 및 열교환기(7), 배관(6a) 및 가열 장치(6)는 삭제되어 있다. 그 밖의 점에 대해서는 제 1 실시 형태의 경우와 마찬가지이다.

이와 같이 구성된 본 실시 형태의 고체 고분자형 연료 전지 시스템(300)에서는, 스택(1)으로부터 배출되고 또한 연료측 물 회수기(8)에서 제습된 애노드 배기 가스의 일부와, 스택(1)으로부터 배출되고 또한 산화제측 물 회수기(10)에서 제습된 캐소드 배기 가스를 촉매 연소 가열 장치(20)의 촉매 연소 영역(20a)에 도입하여, 그 내부에서 촉매 연소시켜, 애노드측 가습 회로(5b) 및 캐소드측 가습 회로(5a)를 직접적으로 가열한다. 또한, 촉매 연소 가열 장치(20)의 연소 온도의 제어는, 전열교환기(5)의 온도가 일정해지도록 촉매 연소 영역(20a)으로의 애노드 배기 가스 또는 캐소드 배기 가스의 도입량을 제어하는 것에 의해 행해진다. 또한, 전열교환기(5)의 동작 온도는 스택(1)에서의 소정의 발전 부위의 동작 온도에 대해 5~10℃ 높게 할 필요가 있지만, 애노드 배기 가스와 캐소드 배기 가스의 촉매 연소는 이 온도 영역으로 실현 가능하다. 그리고, 이 애노드 배기 가스와 캐소드 배기 가스의 촉매 연소는 전열교환기(5)에 착설된 촉매 연소 플레이트(20b)에서 행해지기 때문에, 이에 의해서 전열교환기(5)를 극히 효율적으로 가열하는 것이 가능하게 된다. 또한, 촉매 연소에 사용하는 애노드 배기 가스 및 캐소드 배기 가스의 양은 근소하여, 고체 고분자형 연료 전지 시스템(300) 전체의 발전 효율을 손상하지 않는다. 또한, 촉매 연소 가열 장치(20)는 소형화가 용이하기 때문에, 스택(1)과 일체화하는 것에 의해 고체 고분자형 연료 전지 시스템(300) 전체를 소형화하는 것이 가능하게 된다. 또한, 촉매 연소 가열 장치(20)에서 사용되지 않았던 잉여의 애노드 배기 가스 및 캐소드 배기 가스의 혼합 기체는, 촉매 연소 가열 장치(20)의 외부로 배출된다.

또한, 본 실시예에서는, 촉매 연소 가열 장치(20)에 애노드 배기 가스와 캐소드 배기 가스를 공급하는 형태에 대해서 설명했지만, 애노드 배기 가스 대신해 개질기(2)가 배출하는 연료 가스를, 캐소드 배기 가스 대신해 공기 공급 장치(4)가 공급하는 산화제 가스를, 각각 촉매 연소 가열 장치(20)에 공급하는 형태로서도 무방하다. 또한, 애노드 배기 가스와 산화제 가스와의 조합, 또는, 연료 가스와 캐소드 배기 가스와의 조합과 같이 해도 무방하다. 이러한 구성으로서도, 본 실시 형태의 경우와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

(제 4 실시 형태)

본 발명의 제 4 실시 형태에서는, 개질기를 구비하는 고체 고분자형 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 발전중인 스택을 냉각하는 것에 의해 온도 상승한 냉각수의 열을 이용하여 과가습 상태의 연료 가스 및 산화제 가스를 생성하고, 이것을 연료 전지에 공급하는 실시 형태에 대해서 설명한다.

도 4는 본 발명의 제 4 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템의 구성을 모식적으로 나타내는 블록도이다.

도 4에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 제 4 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템(400)은, 발전중인 스택(1)을 냉각하여 온도 상승한 냉각수의 열로 전열교환기(5)를 가열하기 위해서, 스택(1)내에 배설되어 있는 냉각수용 유로(1c)의 냉각수 출구측의 단부와 가열 장치(6)의 배관(6a)의 일단이 소정의 배관에 의해서 접속되는 동시에, 상기 배관(6a)의 타단과 축수 탱크(12)가 소정의 배관에 의해서 접속되고, 이들 소정의 배관을 이용하여 스택(1)으로부터 배출되는 온도 상승한 냉각수가 가열 장치(6)에 공급되도록 구성되어 있다. 또한, 스택(1)으로부터 배출되는 온도 상승한 냉각수의 열을 이용하여 전열교환기(5)를 가열하기 때문에, 도 1에 도시한 고체 고분자형 연료 전지 시스템(100)에서의 배관(2d), 펌프(14) 및 (15), 열교환기(7) 및 배관(7a)은 삭제되어 있다. 그 밖의 점에 대해서는 실시예 1의 경우와 마찬가지이다.

이와 같이 구성된 본 실시 형태의 고체 고분자형 연료 전지 시스템(400)에서는, 스택(1)으로부터 배출되는 온도 상승한 냉각수를 도입하여 가열 장치(6)를 가열하고, 이 가열된 가열 장치(6)에 의해서 전열교환기(5)의 애노드측 가습 회로(5b) 및 캐소드측 가습 회로(5a)를 간접적으로 가열한다. 또한, 가열 장치(6)의 온도 제어는, 전열교환기(5)의 온도가 일정해지도록 축수 탱크(12)로의 냉각수의 되돌아가는 양을 제어하는 것에 의해 행해진다. 또한, 전열교환기(5)의 동작 온도는 스택(1)에서의 소정의 발전 부위의 동작 온도에 대해 5~10℃ 높게 할 필요가 있지만, 스택(1)으로부터 배출되는 냉각수의 온도는 스택(1)의 발전에 따라 발생하는 열에 의해 필요 충분한 온도까지 상승하고 있기 때문에, 전열교환기(5)를 충분히 가열할 수 있다. 그리고, 본 실시 형태에 의하면, 스택(1)을 냉각하여 온도 상승한 냉각수의 열이 전열교환기(5)의 가열에 이용되기 때문에, 냉각용 방열기(13)로의 부하가 저하하여, 에너지이용 효율이 양호한 고체 고분자형 연료 전지 시스템을 구축할 수 있다. 또한, 배관(2d)이나 열교환기(7), 열교환기용 버너(19), 촉매 연소가열 장치(20) 등의 구성 요소가 불필요해져, 장치 구성을 간소화할 수 있기 때문에, 저렴한 고체 고분자형 연료 전지 시스템을 구축하는 것이 가능하게 된다.

(제 5 실시 형태)

본 발명의 제 5 실시 형태에서는, 개질기를 구비하지 않고 수소 봄베(bomb) 등의 수소 공급 수단을 구비하는 고체 고분자형 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 애노드 배기 가스 또는 연료 가스(수소 가스) 등의 가연성 가스의 일부를 연소할 수 있는 열을 이용하여 과가습 상태의 연료 가스 및 산화제 가스를 생성하고, 이것을 연료 전지에 공급하는 실시 형태에 대해서 설명한다.

도 5는 본 발명의 제 5 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템의 구성을 모식적으로 나타내는 블록도이다.

도 5에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 제 5 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템(500)의 구성은, 제 2 실시 형태에서 나타낸 고체 고분자형 연료 전지 시스템(200)의 구성과 기본적으로 동일하다. 즉, 본 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템(500)에서는, 가연성 가스가 열교환기용 버너(19)에 공급되어, 이 열교환기용 버너(19)에서의 가연성 가스의 연소에 의해서 열교환기(7)가 가열되고, 이 열교환기(7)의 가열에 의해서 가열 장치(6)가 가열되는 것에 의해 전열교환기(5)가 소정의 온도로 가열된다. 그러나, 본 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템(500)에는, 제 1~4 실시 형태에서 설치되어 있었던 개질기(2)가 설치되어 있지 않다. 그리고, 개질기(2) 대신에 수소를 공급할 수 있는 수소 봄베(22)가 배설되어 있다. 즉, 본 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템(500)에서는, 수소 봄베(22)로부터 공급되는 수소가 이용되어 스택(1)의 발전 운전이 행해진다. 또한, 전열교환기(5)의 가열이, 수소 봄베(22)로부터 공급되는 수소 가스 또는 연료측 물 회수기(8)로부터 배출되는 애노드 배기 가스 등의 가연성 가스의 일부가 열교환기용 버너(19)에 공급되고, 그 공급된 수소 가스 또는 애노드 배기 가스를 연소하여 열교환기(7) 내부의 열매체를 가열하고, 그 가열된 열매체를 전열교환기(5)에 착설된 가열 장치(6)에 공급하는 것에 의해 행해진다. 즉, 도 5에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템(500)에서는, 수소 봄베(22)의 특별히 도시되지 않은 수소 가스 공급구에 접속된 배관과, 연료측 물 회수기(8)로부터 펌프(17)를 거쳐서 연출하는 배관이 삼방 밸브(21)에 접속되며, 이 삼방 밸브(21)와 열교환기용 버너(19)가 소정의 배관에 의해서 접속되어 있다. 그리고, 삼방 밸브(21)를 적당하게 조작하는 것에 의해, 수소 가스 또는 애노드 배기 가스가 소정의 배관을 통해서 열교환기용 버너(19)에 공급되도록 구성되어 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 스택(1)으로의 연료 가스의 공급이 수소 봄베(22)에 의해서 행해진다. 이 경우, 수소 봄베(22)로부터 스택(1)에 공급되는 수소 가스는, 통상, 건조 상태로 되어 있다. 그리고, 이 건조 상태의 수소 가스를 연료 가스로서 이용하여 스택(1)에 공급하는 경우, 스택(1)으로부터 배출되는 애노드 배기 가스는 스택(1)의 발전에 따라 생성하는 물의 일부를 함유하고 있지만, 전열교환기(5)의 애노드측 가습 회로(5b)에서의 전열교환에서 필요해지는 양의 물을 함유하고 있지 않다. 그래서, 본 실시 형태에서는, 산화제측 축수 탱크(11)에 축적되어 있는 물을, 스택(1)과 전열교환기(5)를 접속하는 캐소드 배기 가스가 흐르는 배관과, 스택(1)과 전열교환기(5)를 접속하는 애노드 배기 가스가 흐르는 배관과의 양쪽에 첨가하는 구성으로 하고 있다. 그 때문에, 본 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템(500)에서는, 산화제측 축수 탱크(11)로부터 펌프(16)를 거쳐서 연출하는 배관이, 스택(1)과 전열교환기(5)를 접속하는 캐소드 배기 가스가 흐르는 배관과, 스택(1)과 전열교환기(5)를 접속하는 애노드 배기 가스가 흐르는 배관과의 양쪽의 배관에 접속되어 있다. 이에 의해, 스택(1)으로부터 배출되는 애노드 배기 가스에는, 전열교환기(5)에서의 전열교환에 필요 충분한 양의 물이 첨가된다. 또한, 수소 봄베(22)의 설치에 따라, 도 2에 도시한 고체 고분자형 연료 전지 시스템(200)에서의 개질기(2), 개질기(2)의 개질부(2a)에 대하여 산화제측 축수 탱크(11)에 축적되어 있는 물을 공급하기 위한 배관, 및 연료측 물 회수기(8)에서 제습된 애노드 배기 가스를 개질기용 버너(3)에 공급하기 위한 배관은 삭제되어 있다. 그 밖의 점에 대해서는 제 2 실시 형태의 경우와 마찬가지이다.

이와 같이 구성된 본 실시 형태의 고체 고분자형 연료 전지 시스템(500)에서는, 열교환기용 버너(19)에 수소 가스가 공급되는 경우, 수소 가스의 대부분은 스택(1)에서의 발전을 위해 소비되지만, 그 일부는 열교환기용 버너(19)에서 열매체의 가열을 위해 소비된다. 또한, 열교환기용 버너(19)에 애노드 배기 가스가 공급되는 경우, 애노드 배기 가스의 전량이 열교환기용 버너(19)에서 소비된다. 따라서, 열교환기용 버너(19)에서의 수소 가스 또는 애노드 배기 가스의 연소에 의해서 얻어지는 열은 고온이기 때문에, 전열교환기(5)의 가열이 효율적으로 행해지도록 된다. 또한, 제 2 실시 형태의 경우와 마찬가지로, 스택(1)에 공급하는 수소 가스는 그 전부가 발전에 이용되는 것은 아니고 일부는 애노드 배기 가스로서 배출되지만, 이 배출되는 애노드 배기 가스를 전열교환기(5)의 가열에 이용하기 때문에, 수소 가스의 이용 효율을 개선하는 것이 가능하게 된다. 또한, 스택(1)으로부터 배출되는 애노드 배기 가스는 다량의 물을 포함하기 때문에 연소용 가스로서의 품질은 낮지만, 본 실시 형태에서도 연료측 물 회수기(8)에 의해 애노드 배기 가스가 제습되기 때문에, 열교환기용 버너(19)에서 높은 연소 온도를 얻는 것이 가능하게 되고 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 연료 가스의 공급원으로서 수소 봄베(22)를 이용하기 때문에, 이동 가능한 고체 고분자형 연료 전지 시스템(500)을 제공하는 것이 가능하게 된다. 이러한 이동 가능한 고체 고분자형 연료 전지 시스템(500)은 차재용 연료 전지 시스템으로서 바람직하다.

(제 6 실시 형태)

본 발명의 제 6 실시 형태에서는, 개질기를 구비하지 않고 수소 봄베 등의 수소 공급 수단을 구비하는 고체 고분자형 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 연료측 물 회수기 및 산화제측 물 회수기에 의해서 제습된 애노드 배기 가스와 캐소드 배기 가스를 촉매 연소시킬 수 있는 열을 이용하여 과가습 상태의 연료 가스 및 산화제 가스를 생성하고, 이것을 연료 전지에 공급하는 실시 형태에 대해서 설명한다.

도 6은 본 발명의 제 6 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템의 구성을 모식적으로 나타내는 블록도이다.

도 6에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 제 6 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템(600)의 구성은, 제 3 실시 형태에서 나타낸 고체 고분자형 연료 전지 시스템(300)의 구성과 기본적으로 동일하다. 즉, 본 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템(600)에서는, 산화제측 물 회수기(10)에서 제습된 캐소드 배기 가스와 연료측 물 회수기(8)에서 제습된 애노드 배기 가스가 촉매 연소 가열 장치(20)에 공급되어, 이 촉매 연소 가열 장치(20)에서의 애노드 배기 가스와 캐소드 배기 가스의 촉매 연소에 의해서 촉매 연소 가열 장치(20)가 가열되고, 이 촉매 연소 가열 장치(20)의 가열에 의해서 전열교환기(5)가 소정의 온도로 가열된다. 또한, 제 5 실시 형태의 경우와 마찬가지로, 본 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템(600)에서도 개질기(2)는 설치되어 있지 않고, 개질기(2) 대신에 수소를 공급할 수 있는 수소 봄베(22)가 배설되어 있다. 즉, 본 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템(600)에서도, 수소 봄베(22)로부터 공급되는 수소가 이용되어 스택(1)의 발전 운전이 행해진다. 또한, 제 5 실시 형태의 경우와 마찬가지로, 본 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템(600)에서도, 스택(1)으로부터 배출되는 애노드 배기 가스 및 캐소드 배기 가스에 대하여, 산화제측 축수 탱크(11)에 축적되어 있는 물이 첨가된다. 그 때문에, 산화제측 축수 탱크(11)로부터 펌프(16)를 거쳐서 연출하는 배관이, 스택(1)과 전열교환기(5)를 접속하는 캐소드 배기 가스가 흐르는 배관과, 스택(1)과 전열교환기(5)를 접속하는 애노드 배기 가스가 흐르는 배관과의 양쪽의 배관에 접속되어 있다. 또한, 수소 봄베(22)의 설치에 따라, 도 3에 도시한 고체 고분자형 연료 전지 시스템(300)에서의 개질기(2), 개질기(2)의 개질부(2a)에 대하여 산화제측 축수 탱크(11)에 축적되어 있는 물을 공급하기 위한 배관, 및 연료측 물 회수기(8)에서 제습된 애노드 배기 가스를 개질기용 버너(3)에 공급하기 위한 배관은 삭제되어 있다. 그 밖의 점에 대해서는 제 3 실시 형태 및 제 5 실시 형태의 경우와 마찬가지이다.

이와 같이 구성된 본 실시 형태의 고체 고분자형 연료 전지 시스템(600)에서는, 제 3 실시 형태의 경우와 마찬가지로, 스택(1)으로부터 배출되고 또한 연료측 물 회수기(8)에서 제습된 애노드 배기 가스와, 스택(1)으로부터 배출되고 또한 산화제측 물 회수기(10)에서 제습된 캐소드 배기 가스를 촉매 연소 가열 장치(20)의 촉매 연소 영역(20a)에 도입하여 그 내부에서 촉매 연소시켜, 애노드측 가습 회로(5b) 및 캐소드측 가습 회로(5a)를 직접적으로 가열한다. 또한, 촉매 연소 가열 장치(20)의 연소 온도의 제어는, 촉매 연소 영역(20a)으로의 애노드 배기 가스 또는 캐소드 배기 가스의 도입량을 제어하는 것에 의해 행해진다. 그리고, 이 애노드 배기 가스와 캐소드 배기 가스의 촉매 연소는 전열교환기(5)에 착설된 촉매 연소 플레이트(20b)에서 행해지기 때문에, 전열교환기(5)를 극히 효율적으로 가열하는 것이 가능하게 된다. 이 때, 촉매 연소에 사용하는 애노드 배기 가스 및 캐소드 배기 가스의 양은 근소하기 때문에, 고체 고분자형 연료 전지 시스템(600) 전체의 발전 효율을 손상하는 것은 없다. 즉, 이러한 구성으로서도, 제 3 실시 형태 및 제 5 실시 형태의 경우와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서도, 제 3 실시 형태의 경우와 마찬가지로, 촉매 연소 가열 장치(20)에 애노드 배기 가스와 캐소드 배기 가스를 공급하는 형태에 대해서 설명했지만, 애노드 배기 가스 대신에 수소 봄베(22)가 공급하는 수소 가스를, 캐소드 배기 가스 대신에 공기 공급 장치(4)가 공급하는 산화제 가스를, 각각 촉매 연소 가열 장치(20)에 공급하는 형태로서도 무방하다. 또한, 애노드 배기 가스와 산화제 가스와의 조합, 또는, 수소 가스와 캐소드 배기 가스와의 조합과 같이 해도 무방하다. 이러한 구성으로서도, 본 실시 형태의 경우와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

(제 7 실시 형태)

본 발명의 제 7 실시 형태에서는, 개질기를 구비하지 않고 수소 봄베 등의 수소 공급 수단을 구비하는 고체 고분자형 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 발전중인 스택을 냉각하는 것에 의해 온도 상승한 냉각수의 열을 이용하여 과가습 상태의 연료 가스 및 산화제 가스를 생성하고, 이것을 연료 전지에 공급하는 실시 형태에 대해서 설명한다.

도 7은 본 발명의 제 7 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템의 구성을 모식적으로 나타내는 블럭도이다.

도 7에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 제 7 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템(700)의 구성은, 제 4 실시 형태에서 나타낸 고체 고분자형 연료 전지 시스템(400)의 구성과 기본적으로 동일하다. 즉, 본 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템(700)에서는, 발전중인 스택(1)을 냉각하는 것에 의해 온도 상승한 냉각수가 가열 장치(6)의 배관(6a)에 도입되어, 이 도입되는 온도 상승한 냉각수의 열에 의해서 가열 장치(6)가 가열되고, 이 가열된 가열 장치(6)에 의해서 전열교환기(5)가 소정의 온도로 가열된다. 또한, 제 5 실시 형태 및 제 6 실시 형태의 경우와 마찬가지로, 본 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템(700)에서도 개질기(2)는 설치되어 있지 않으며, 개질기(2) 대신에 수소를 공급할 수 있는 수소 봄베(22)가 배설되어 있다. 즉, 본 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템(700)에서도, 수소 봄베(22)로부터 공급되는 수소가 이용되어 스택(1)의 발전 운전이 행해진다. 또한, 제 5 실시 형태 및 제 6 실시 형태의 경우와 마찬가지로, 본 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템(700)에서도, 스택(1)으로부터 배출되는 애노드 배기 가스 및 캐소드 배기 가스에 대하여, 산화제측 축수 탱크(11)에 축적되어 있는 물이 첨가된다. 또한, 스택(1)으로부터 배출되는 애노드 배기 가스 및 캐소드 배기 가스에 물을 첨가하는 구성에 대해서는, 제 5 실시 형태 및 제 6 실시 형태의 경우와 마찬가지이다. 또한, 수소 봄베(22)의 설치에 따라서, 도 4에 도시한 고체 고분자형 연료 전지 시스템(400)에서의 개질기(2), 개질기(2)의 개질부(2a)에 대하여 산화제측 축수 탱크(11)에 축적되어 있는 물을 공급하기 위한 배관, 및 연료측 물 회수기(8)에서 제습된 애노드 배기 가스를 개질기용 버너(3)에 공급하기 위한 배관 및 펌프(17)는 삭제되어 있다. 그 밖의 점에 대해서는 제 4 실시 형태, 제 5 실시 형태 및 제 6 실시 형태의 경우와 마찬가지이다.

이와 같이 구성된 본 실시 형태의 고체 고분자형 연료 전지 시스템(700)에서는, 제 4 실시 형태의 경우와 마찬가지로, 스택(1)으로부터 배출되는 온도 상승한 냉각수를 도입하여 가열 장치(6)를 가열하고, 이 가열된 가열 장치(6)에 의해서 전열교환기(5)의 애노드측 가습 회로(5b) 및 캐소드측 가습 회로(5a)를 간접적으로 가열한다. 또한, 가열 장치(6)의 온도 제어는, 전열교환기(5)의 온도가 일정해지도록 축수 탱크(12)로의 냉각수의 되돌아가는 양을 제어하는 것에 의해 행해진다. 그리고, 제 4 실시 형태의 경우와 마찬가지로, 본 실시 형태에 의해서도 스택(1)을 냉각하여 온도 상승한 냉각수의 열이 전열교환기(5)의 가열에 이용되기 때문에, 냉각용 방열기(13)로의 부하가 저하하여, 에너지 이용 효율이 양호한 고체 고분자형 연료 전지 시스템을 구축하는 것이 가능하게 된다. 또한, 고체 고분자형 연료 전지 시스템의 구성을 간소화할 수 있기 때문에, 저렴한 고체 고분자형 연료 전지 시스템을 구축하는 것이 가능하게 된다. 즉, 이러한 구성으로서도, 제 4 실시 형태, 제 5 실시 형태 및 제 6 실시 형태의 경우와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

(제 8 실시 형태)

본 발명의 제 8 실시 형태에서는, 제 1~7 실시 형태에서 나타낸 고체 고분자형 연료 전지 시스템(100~700)에 관한 것으로, 스택(1)과 전열교환기(5)를 일체화하고, 그 일체화된 스택(1)과 전열교환기(5)의 전체를 단열제에 의해서 덮는 것에 의해, 전열교환기(5)로부터 배출되는 연료 가스 및 산화제 가스로부터의 열의 방출을 저감하는 형태를 나타낸다.

본 실시 형태에 의하면, 전열교환기(5)에 의해서 스택(1)에서의 소정의 발전 부위의 동작 온도보다 높은 이슬점을 갖도록 조정된 연료 가스 및 산화제 가스가 스택(1)에 공급될 때, 전열교환기(5)와 스택(1)을 접속하는 상기 연료 가스 및 산화제 가스가 흐르는 배관으로부터의 방열이 단열제에 의해서 저지되기 때문에, 상기 조정된 연료 가스 및 산화제 가스의 상태를 변화시키지 않고서 스택(1)에 공급하는 것이 가능하게 된다. 즉, MEA 및 고체 고분자 전해질막이 충분하게 또한 효과적으로 가습되기 때문에, 장기적으로 안정하여 동작하는 고체 고분자형 연료 전지 시스템(100~700)을 구축하는 것이 가능하게 된다. 또한, 전열교환기(5)를 가열할 때의 가열 손실을 최소한으로 억제하는 것이 가능하게 된다. 그 때문에, 전열교환기(5)에서 수증기 과포화 상태의 연료 가스 및 산화제 가스를 용이하게 또한 효율적으로 생성하는 것이 가능하게 된다.

(실시예 1)

셀을 30개 적층해서 형성한 스택을 이용하여, 전지 수명 특성에 대한 연료 가스 및 산화제 가스의 함수량의 영향에 관한 시험을 실행하였다.

도 8은 스택을 전류 밀도가 0.7A/㎠로 되도록 하여 동작시킨 경우의 전지수명 특성을 나타내는 그래프이다. 한편, 도 9는 스택을 전류 밀도가 0.2A/㎠로 되도록 하여 동작시킨 경우의 전지 수명 특성을 나타내는 그래프이다. 또한, 도 8 및 도 9에 나타내는 그래프의 가로축은 운전 시간(Hr)을, 세로축은 각 셀의 전지 전압의 평균값(㎷)을 나타내고 있다. 또한, 본 시험에서는 스택을 동작시킬 때의 연료 이용률(Uf)을 75%로 하고, 공기 이용률(Uo)을 40%으로 하며, 스택에서의 소정의 발전 부위의 동작 온도를 70℃로 하였다.

또한, 도 8에서는 공급하는 연료 가스의 이슬점(이하, Tda) 및 산화제 가스의 이슬점(이하, Tdc)에 관하여, 곡선 VIIIa는 Tda=Tdc=60℃, 곡선 VIIIb는 Tda=Tdc=64℃, 곡선 VIIIc는 Tda=Tdc=66℃, 곡선 VIIId는 Tda=Tdc=68℃, 곡선 VIIIe는 Tda=Tdc=70℃로 한 경우의 전지 수명 특성을 나타내고 있다. 또한, 도 9에서는, 곡선 IXa는 Tda=Tdc=74℃, 곡선 IXb는 Tda=Tdc=72℃, 곡선 IXc은 Tda=Tdc=68℃, 곡선 IXd는 Tda=Tdc=65℃, 곡선 IXe는 Tda=Tdc=60℃로 한 경우의 전지 수명 특성을 나타내고 있다.

도 8로부터 명백한 바와 같이, 스택이 고전류 밀도(0.7A/㎠)로 사용되는 경우에는, 연료 가스 및 산화제 가스의 이슬점이 스택에서의 소정의 발전 부위의 동작 온도에 비하여 낮게 됨에 따라서, 보다 양호한 전지 수명 특성이 얻어지는 것을 알 수 있었다. 한편, 도 9로부터 명백한 바와 같이, 스택이 저전류 밀도(0.2A/㎠)로 사용되는 경우에는, 연료 가스 및 산화제 가스의 이슬점이 스택에서의 소정의 발전 부위의 동작 온도에 비하여 높게 됨에 따라서, 보다 양호한 수명 특성이 얻어지는 것을 알 수 있었다. 즉, 발전 효율을 중시하기 때문에 저전류 밀도로 정격 운전되는 정치용 코제너레이션 시스템 등의 용도에서는, 공급하는 연료 가스 및 산화제 가스의 이슬점을 스택에서의 소정의 발전 부위의 동작 온도보다 높게 하는 것에 의해, 양호한 전지 수명 특성이 얻어지는 것이 판명됐다.

다음에, 상기 현상에 대해서 더욱 상세하게 해석하기 위해서, 스택의 수명 저하를 일으키는 원인의 조사에 관한 시험을 실행하였다.

도 10은 스택(셀)의 수명 저하의 원인을 조사하는 시험 방법에 대하여 설명하기 위한 모식도이다. 이 도 10은 스택(셀)부터 취출한 MEA(30a)를 지지하는 MEA 유닛(30)의 상태를 나타내고 있다. 그리고, 연료 가스 접촉 경로(30b)는 MEA(30a)의 제 1 주면(101)과, 연료 가스 공급구(30c 또는 30d)를 거쳐서 도입된 연료 가스가 접촉하고 있었던 경로를 나타내고 있다. 또한, MEA(30a)의 제 2 주면(102)에는 산화제 가스 공급구(30e 또는 30f)를 거쳐서 도입된 산화제 가스가 접촉하고 있었던, 여기서는 도시되지 않은 연료 가스 접촉 경로(30b)와 마찬가지인 산화제 가스 접촉 경로가 존재하고 있다.

본 시험은 스택을 70℃로 2000시간 연속 운전한 후에, 일단 그 운전을 정지하여, 정지한 그 스택으로부터 셀을 1개 빼내고, 그 후, 다시 70℃로 2000시간 운전한다고 하는 간헐 운전을 되풀이하여 실행하는 것에 의해 실시하였다. 그리고, 상기 빼낸 각각의 셀로부터 MEA를 각각 적출하여, 그 MEA를 도 10에 나타내는 바와 같이 No.1~No.18의 18개로 절단하고, 그 절단된 개개의 MEA에 대하여 전지 개방 전압의 측정과 외관의 관찰을 실행하는 것에 의해 MEA의 손상 개소 및 손상 원인의 특정을 실행하여, 이에 의해서 스택의 수명 저하의 원인을 조사하였다. 또한, 스택을 운전할 때의 연료 가스 및 산화제 가스의 흐름 패턴으로서는, 연료 가스 공급구(30c 내지 30d)의 방향으로 연료 가스를 흘리고 또한 산화제 가스 공급구(30e 내지 30f)의 방향으로 산화제 가스를 흘리는 흐름 패턴 1과, 연료 가스 공급구(30d 내지 30c)의 방향으로 연료 가스를 흘리고 또한 산화제 가스 공급구(30e 내지 30f)의 방향으로 산화제 가스를 흘리는 흐름 패턴 2의 양쪽에 대하여 실시하였다. 또한, 상기 전지 개방 전압이란, 무부하시에서의 전지 전압으로서, 통상, 초기 상태에서 1셀당 0.98V 정도의 값을 나타내는 것이다. 전지 개방 전압의 저하는 주로 MEA에서의 고체 고분자 전해질막의 손상에 의한 것을 알고 있다.

도 11~도 16은 스택의 수명 저하의 원인을 조사한 시험 결과를 나타내는 그래프이다. 여기서, 도 11은 전류 밀도 0.7A/㎠(Tda=Tdc=68℃, 흐름 패턴 1)로 운전한 경우의 시험 결과이고, 도 12는 전류 밀도 0.7A/㎠(Tda=Tdc=60℃, 흐름 패턴 1)로 운전한 경우의 시험 결과이다. 또한, 도 13은 전류 밀도 0.2A/㎠(Tda=Tdc=72℃, 흐름 패턴 1)로 운전한 경우의 시험 결과이고, 도 14는 전류 밀도 0.2A/㎠(Tda=Tdc=70℃, 흐름 패턴 1)로 운전한 경우의 시험 결과이고, 도 15는 전류 밀도 0.2A/㎠(Tda=Tdc=68℃, 흐름 패턴 1)로 운전한 경우의 시험 결과이고, 도 16은 전류 밀도 0.2A/㎠(Tda=Tdc=70℃, 흐름 패턴 2)로 운전한 경우의 시험 결과이다. 또한, 도 11~도 16에서는 운전 시간이 0시간인 경우의 곡선과, 운전 시간이 2000시간인 경우의 곡선과, 운전 시간이 4000시간인 경우의 곡선과, 운전 시간이 6000시간인 경우의 곡선과, 운전 시간이 8000시간인 경우의 곡선과, 운전 시간이 10000시간인 경우의 곡선을, 각각 시험 결과로서 나타내고 있다. 또한, 도 11~도 16에 나타낸 그래프의 가로축은 도 10에서 나타낸 샘플 넘버이고, 세로축은 전지 개방 전압(㎷)을 나타내고 있다.

본 시험에 의해 얻어진 결과에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다.

도 11 및 도 12에 나타내는 바와 같이, 전류 밀도가 0.7A/㎠인 경우에는, 샘플링한 18개의 MEA 전부에 대하여, 스택에서의 소정의 발전 부위의 동작 온도에서의 포화 수증기량에 대해 연료 가스 및 산화제 가스가 비교적 건조 상태(Tda=Tdc=60℃; 도 12 참조)이어도, 또한 연료 가스 및 산화제 가스가 비교적 습윤 상태(Tda=Tdc=68℃; 도 11 참조)이어도, 장시간 운전 후에서의 전지 개방 전압의 저하는 인정되지 않았다. 즉, 전류 밀도가 0.7A/㎠인 경우에 발생하는 전지 수명의 저하는, MEA 또는 고체 고분자 전해질막의 물리적 손상에 의한 것이 아니고, 주로 애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층 또는 애노드 가스 확산 전극 및 캐소드 가스 확산 전극의 경시적인 습윤의 진행(경시적으로 친수성이 증대해 가는 현상)에 의해서 가스 투과가 방해되는 경시적 플러딩 현상에 의한 것이라고 생각된다.

한편, 도 13~도 16에 나타내는 바와 같이, 전류 밀도가 0.2A/㎠인 경우에는, 연료 가스 및 산화제 가스의 함수량이 스택에서의 소정의 발전 부위의 동작 온도에서의 포화 수증기량을 초과하는 운전 조건(Tda=Tdc=72℃; 도 13 참조)에서는 장시간 운전 후에서의 전지 개방 전압의 저하는 인정될 수 없었지만, 그 밖의 운전 조건(Tda=Tdc=70℃; 도 14 및 도 16 참조, Tda=Tdc=68℃; 도 15 참조)에서는 국부적 또는 MEA 전체에서 전지 개방 전압의 저하가 인정되었다. 그리고, 그 전지 개방 전압 저하의 정도는 연료 가스 및 산화제 가스에 포함되는 수분량이 낮을수록 격심한 것이 확인되었다(도 15 참조). 또한, 이 때, 샘플링한 18개의 MEA의 외관을 상세하게 관찰한 결과, 연료 가스 및 산화제 가스에 포함되는 수량의 부족에 기인하는 MEA 또는 고체 고분자 전해질막이 물리적인 손상이 인정되었다. 또한, 그 손상의 발생 부위는, 도 14 및 도 15에서는 샘플 No.1 및 No.6이고, 도 16에서는 샘플 No.6 및 No.13인 것이므로, 연료 가스 및 산화제 가스를 스택에 공급하는 공급구 부근인 것이 판명됐다.

이상의 시험 결과로부터, 저전류 밀도로 운전되는 고체 고분자형 연료 전지 시스템에서는, 연료 가스 및 산화제 가스를 스택에서의 소정의 발전 부위의 동작 온도에서의 포화 수증기량 이하의 건조 상태로 하여 운전하는 것에 의해 MEA 또는 고체 고분자 전해질막이 물리적으로 파괴되고, 이에 의해서 스택(셀)의 수명 저하가 야기되는 것이 명백해졌다. 즉, 발전시에 생성되는 수량은 전류 밀도에 의존하기 때문에, 고체 고분자형 연료 전지 시스템이 고전류 밀도로 운전되는 경우에는 MEA 또는 고체 고분자 전해질막의 건조보다도 플러딩 현상이 문제로 되고, 따라서, 이 발전에 따라 생성하는 물을 배제하기 위해서 공급하는 연료 가스 및 산화제 가스의 이슬점을 스택에서의 소정의 발전 부위의 동작 온도보다 낮게 하는 것이 추장(推奬)되는 것이다. 그러나, 고체 고분자형 연료 전지 시스템을 저전류 밀도로 운전하는 경우에는, 상기와는 반대로, 플러딩 현상보다도 MEA 또는 고체 고분자 전해질막의 건조가, 전지 수명이 저하하는 요인으로 되는 것이 판명됐다.

상술한 바와 같이, MEA 또는 고체 고분자 전해질막의 손상 부위는 연료 가스 및 산화제 가스를 스택에 공급하는 공급구 부근에 집중한다. 이것은, 스택(셀)에서는 양극과도 연료 가스 및 산화제 가스의 입구 부근이 가장 건조하기 쉬운 부분인 것에 기인한다. 즉, 캐소드측에서는, 발전을 위한 촉매 반응에 따라 발생하는 생성물에 의해서 산화제 가스가 공급구로부터 배출구로 진행함에 따라서 수증기 과포화 상태로 되어 가기 때문이다. 또한, 애노드측에서는, 연료 가스도 공급되는 수증기도 발전을 위한 촉매 반응에 의해서 소비되지만, 특히 캐소드측에서 과잉으로 되는 생성수는 용이하게 고체 고분자 전해질막을 역확산하기 위해서, 실제로는 공급된 수증기의 소비 속도보다 연료 가스의 소비 속도가 빠르고, 결과적으로 연료 가스가 공급구로부터 배출구로 진행함에 따라서 수증기 과포화 상태로 되어 가기 때문이다. 따라서, 공급하는 연료 가스 및 산화제 가스의 함수량은 스택으로의 도입구에서 이미 과포화 상태일 필요가 있어, 이것이 보증되어 처음으로 MEA의 전영역에 걸쳐 건조 부위가 없어져, 스택의 수명 저하가 방지될 수 있다고 결론지어졌다.

연료 가스 및 산화제 가스가 건조 상태에 있는 경우에서 MEA 또는 고체 고분자 전해질막이 파괴되는 현상에 대해서는, 아직 그 발생 메카니즘은 완전하게는 판명되고 있지 않다. 그러나, 본 발명자들은, MEA 또는 고체 고분자 전해질막의 손상은 MEA에서 발생한 열의 발생 양식 및 냉각 양식이 관계하고 있다고 추측하고 있다. 이하, MEA 등이 파괴되는 발생 메카니즘에 관한 고찰 결과에 대하여 서술한다.

MEA 등의 냉각은, 양(良)열전도체에서도 애노드 가스 확산 전극 및 캐소드 가스 확산 전극을 거쳐서 격리막의 냉각에 의해서 이루어지는 전열 냉각과, 촉매 반응에서 생성하는 물 또는 수증기에 의한 열교환 냉각이 협조하여 행해진다. 즉, MEA에서 발생한 열은, 1차적으로 MEA가 내포하는 물 또는 접하는 물에 의해서 제거되고, 2차적으로 애노드 가스 확산 전극 및 캐소드 가스 확산 전극, 및 격리막으로 전열된 후에 냉각수에 의해서 제거된다. 즉, 물 또는 수증기는 스택 내부에서 냉각용 열매체(냉매)로서 동작한다. 또한, 연료 가스 및 산화제 가스의 비열은 물에 비해 압도적으로 작기 때문에, 냉매로서의 작용은 무시할 수 있는 정도라고 생각된다.

한편, 두께가 약 30~50㎛인 고체 고분자 전해질막은, 통상, 수소 이온 전도체인 동시에 약간의 연료 가스(수소 가스) 투과성을 나타낸다. 그리고, 그 투과량은 고체 고분자 전해질막의 함수율이 상승할수록 저하한다. 즉, 함유수에 의해서 연료 가스의 투과가 방해된다. 따라서, 스택에서의 소정의 발전 부위에서의 동작 온도 이하의 이슬점으로 조정된 건조한 연료 가스 및 산화제 가스가 공급되어 고체 고분자형 연료 전지 시스템이 운전되는 경우, 고체 고분자 전해질막에는 발전을 위한 촉매 반응에 따라 발생하는 열과, 연료 가스의 투과에 의한 촉매 연소에 따라 발생하는 열이 공존하게 된다.

그런데, 셀의 발전 효율은 실제 전지 전압을 이론 기전력(1.48V)으로 나눈 수치로 부여된다. 예를 들면, 셀 전압이 0.74V인 경우에는, 그 셀의 발전 효율은 50%이다. 그리고, 발전을 위한 촉매 반응에 따르는 발열은 전(全)에너지량에서 이 발전 효율을 뺀 분량이다. 상기의 경우, 상기 촉매 반응에 따르는 발열량은 전에너지의 50%이다. 그렇지만, 고체 고분자 전해질막을 투과하는 연료 가스가 캐소드측에서 촉매 연소하는 경우에는, 그 촉매 연소에 의해서 생긴 에너지는 전부 열로 전환한다. 그 때문에, 이 양자가 공존하는 환경, 즉, 연료 가스 및 산화제 가스가 건조 상태로 공급되는 발전에서는, 스택(셀)의 발전량에 비하여 그 발열량이 많아진다. 즉, MEA의 건조 부위에서는, 발열량이 대부분, 그 냉각이 불충분하게 된다. 그리고, 건조 부위에서 MEA가 점점 건조하다고 하는 악순환이 생기기 때문에, 시간의 경과와 함께 연료 가스의 투과가 촉진되고, 이에 의해서 생기는 과잉의 발열에 의해 고체 고분자 전해질막의 손상이 발생한다고 고려하고 있다.

또한, MEA의 한 영역을 고려한 경우, MEA에 접하는 연료 가스 및 산화제 가스의 이슬점이 스택에서의 소정의 발전 부위의 동작 온도(즉, 상기 소정의 발전 부위에서의 냉각수의 온도)와 동등하며, 즉 발전중인 MEA의 온도보다 낮은 경우에는 고체 고분자 전해질막에 접하는, 또는 고체 고분자 전해질막이 내포하는 물은 기화하여 연료 가스 및 산화제 가스 중에 용존해 갈 여지가 있다. 즉, 고체 고분자 전해질막으로부터는 물이 빼앗긴다. 한편, 그 빼앗긴 물이 존재하고 있었던 개소는, 이 미소 영역에서 생성한 물에 의해서 직접적으로, 또는 MEA의 다른 부위에서 과잉으로 된 물의 이동에 의해서 간접적으로 보상되겠지만, 상기 물이 빼앗기는 속도가 이 보상되는 속도에 반해 빠른 경우에는, 이 영역의 고체 고분자 전해질막은 일방적으로 건조가 진행하는 것이다.

또한, 스택(셀)에서는 캐소드측에서 발전을 위한 촉매 반응에 따라 생성되는 물에 의해서, 공급되는 산화제 가스가 공급구로부터 배출구로 진행함에 따라서 수증기 과포화 상태로 되어 간다. 또한, 애노드측에서는, 연료 가스도 공급되는 수증기도 발전을 위한 촉매 반응에 의해서 소비되지만, 특히 캐소드측에서 과잉으로 되는 물이 용이하게 고체 고분자 전해질막을 역확산해 오기 때문에, 실제로는 공급된 수증기의 소비 속도보다도 연료 가스의 소비 속도가 빠르고, 결과적으로 공급구로부터 배출구로 진행함에 따라서 수증기 과포화 상태로 되어 간다.

이들 관점에서 연료 가스 및 산화제 가스의 공급구 근방에서의 MEA에 대해서 고려하면, 공급되는 연료 가스 및 산화제 가스의 이슬점이 스택에서의 소정의 발전 부위의 동작 온도와 동등하더라도, 이 이슬점은 MEA의 온도보다 낮아지게 되므로, MEA에서 보아 수증기를 용해시킬 여지가 있는 연료 가스 및 산화제 가스가 연속적으로 공급되고, 또한 MEA의 다른 영역과 상이하여 상류로부터의 잉여수의 보충이 없어지게 되므로, 건조가 진행하는 것은 자명하다.

따라서, 공급하는 연료 가스 및 산화제 가스의 이슬점은 스택에서의 소정의 발전 부위의 동작 온도보다도 높은 온도(즉, 과포화 상태)일 필요가 있다. 그리고, 이것이 보증되어 처음으로, MEA의 전영역에 걸쳐 건조 부위가 없어져 그 경시적인 열화를 방지할 수 있는 것이다.

그래서, 공급하는 연료 가스 및 산화제 가스가 함유하는 바람직한 수증기량에 대해서 이지만, 도 14의 그래프에 나타낸 실험 결과에 의하면, 연료 가스 및 산화제 가스의 이슬점을 스택에서의 소정의 발전 부위의 동작 온도와 동등하게 한 경우에서는 수증기량은 부족하여, 이보다 더욱 높은 이슬점(즉, 과포화 상태)을 갖고 있는 것이 바람직하다. 이것은, 발전중인 MEA의 온도는 스택의 동작 온도에 비해서 다소 높기 때문이다.

(실시예 2)

실시예 1의 경우와 상이한 수단을 갖는 다른 1㎾급 고체 고분자형 연료 전지 시스템을 이용하여, 그 고체 고분자형 연료 전지 시스템에 공급하는 연료 가스, 산화제 가스, 및 물의 수지에 대해서 실측하였다. 또한, 본 실시예에서 이용한 고체 고분자형 연료 전지 시스템의 수단은, 전극 면적이 169㎠이고, 셀의 적층단수가 50단이며, 정격 전류 밀도가 0.2A/㎠이다. 또한, 기본적인 운전 조건으로서, 연료 가스에는 수증기 개질법에 의해서 생성한 20%의 이산화탄소를 함유하는 수소 가스를 이용하고, 산화제 가스에는 공기를 이용하였다. 또한, 연료 가스 및 산화제 가스의 이슬점을 64℃로 하였다. 이 경우, 연료 이용률은 75%이며, 공기 이용률은 50%이었다.

이와 같이 구성된 고체 고분자형 연료 전지 시스템에서의 이론 물질 수지는 이하와 같다. 즉, 발전에 따른 기본적인 화학 반응식은 수학식 1에 나타내는 바와 같다.

이 경우, 발전에 따른 화학 반응에서의 단위 시간당의 반응 몰(mol) 수는 수학식 2에 나타내는 바와 같이 구해진다.

따라서, 발전에 필요하게 되는 수소량은 수학식 3에 나타내는 바와 같이 구해진다.

이로부터, 발전에 필요하게 되는 연료 가스의 공급량은 수학식 4에 나타내는 바와 같이 구해진다.

또한, 발전에 필요하게 되는 산소량은 수학식 5에 나타내는 바와 같이 구해진다.

이로부터, 발전에 필요하게 되는 공기의 공급량은 수학식 6에 나타내는 바와 같이 구해진다.

한편, 물의 수지에 관해서는 이하와 같아진다. 즉, 64℃에서의 포화 수증기 분압은 179.38㎜Hg이기 때문에, 애노드측의 필요 가습량은 수학식 7에 나타내는 바와 같이 구해진다.

또한, 캐소드측의 필요 가습량은 수학식 8에 나타내는 바와 같이 구해진다.

또한, 발전에 따라 생성하는 물의 양의 이론값은 수학식 9에 나타내는 바와 같이 구해진다.

이 고체 고분자형 연료 전지 시스템에서의 실질적인 물의 수지를 측정하기 위해서, 상기의 운전 조건에 의해서 정격 운전하고, 이 때에 배출된 캐소드 배기 가스 및 애노드 배기 가스에 포함되는 물을 얼음 냉수로 냉각하여 회수하였다. 이 때의 각각의 배출 수량은, 캐소드 배기 가스에 대해서는 20.52g/분(=투입수+5.91g; 이슬점 환산 71.5℃)이며, 애노드 배기 가스에 대해서는 7.65g/분(=투입수+12.78g; 이슬점 환산 84℃)이었다. 그리고, 회수가 불능이었던 물의 양은 수학식 10에 나타내는 바와 같이 구해졌다. 즉, 이 경우의 물의 회수율은 97%이었다.

일반적으로, 고체 고분자형 연료 전지 시스템에서는, 애노드측에 투입한 물이 수소의 이동과 동방향으로 이동하는 동반수 이동과, 캐소드측에서의 생성수가 전해질막을 거쳐서 애노드측으로 이동하는 역확산 이동이 존재한다고 되어 있다. 또한, 실제 운전 상황에서는, 복잡 또한 다이나믹한 물의 이동이 있다고 생각된다. 그러나, 양에 대해서만 착안한 경우, 애노드측 및 캐소드측에 함께 투입한 물의 양 이상의 배수량이 있어, 생성수가 적당히 분배되어 있는 것이 판명됐다.

또한, 이 결과는 대략 70% 이상의 효율로 생성수를 회수하는 것에 의해, 상기 고체 고분자형 연료 전지 시스템이 수량적으로는 자립하여 동작하는 것을 나타내고 있다.

(실시예 3)

전열교환기의 기초 특성을 조사하기 위해, 상기 1㎾급 고체 고분자형 연료 전지 시스템을 구동하기 위한 캐소드측 전열교환기를 시작하고, 이하에 나타내는 시험을 실행하였다. 여기서, 본 실시예에서 이용하는 캐소드측 전열교환기는, 스택으로부터 배출되는 캐소드 배기 가스(1차측 공기)와 스택에 공급하는 산화제 가스(2차측 공기)를 전열교환막(여기서는, 쟈판고아텍스사 제품 30μ두께 고아 선택)으로 구분하여 전열교환을 실행시키는 막식 전열교환기이다. 또한, 본 실시예에서는, 전열교환부의 일단에 관하여 일단의 온도 조절용 물 회로가 각각의 배면에 마련되어 있는, 스택 근사인 3유체형 전열교환기로 하였다. 또한, 전열교환부의 일단당의 열교환 면적은 150㎠로 하고, 이것을 20단 적층하는 것에 의해 총열교환 면적을 3000㎠로 하였다. 또한, 본 전열교환기의 유로를 구성하는 격리막으로서는 절삭 카본 격리막(도카이카본사 제품)을 이용하고, 접막부 매체로서는 실리카겔(silica gel)로 친수(親水) 처리를 실시한 두께 0.4㎜의 탄소 섬유포(니혼카본사 제품)를 이용하였다.

이와 같이 구성된 전열교환기를 이용하여, 먼저, 온수 가습 시험과, 공급하는 산화제 가스와 캐소드 배기 가스의 전열교환 시험의 2종류의 시험을 실행하였다. 여기서, 온수 가습 시험이란, 상기 시스템에서 1차측을 수봉(水封)한 경우에서의 공급 가능한 이슬점을 2차측 공기의 유량과 전열교환기의 내부 온도와의 관계에 있어서 명백하게 하는 시험으로서, 상기 전열교환기의 막 면적에 의해서 최대 어느 정도의 공기가 가습 가능한지를 검증하는 시험이다. 한편, 전열교환 시험에서는, 상기 1㎾급 고체 고분자형 연료 전지 시스템의 정격 유량에 비하여, 물을 수취하는 측인 2차측의 공기 유량(즉, 스택으로의 공기 공급측)을 58.84NL로 설정하고, 물을 공급하는 측인 1차측의 공기 유량(즉, 스택으로부터의 공기 배출측으로서, Uo=50인 경우에 공급 공기 ×0.9의 유량으로 이루어짐)을 52.95NL로 설정하였다. 또한, 2차측 공기로서는 건조 상태의 드라이 에어를 이용하여, 1차측 공기로서는 온도 제어된 버블러(bubbler)를 통해서 가습된 공기를 이용하였다. 또한, 전열교환기가 갖는 내부 온수 회로에는 온도 제어된 온수를 2L/분의 비율로 흘리고, 이에 의해서 전열교환기의 내부 온도를 제어하였다. 그리고, 이와 같이 구성한 시험 시스템에 의해서, 전열교환기의 내부 온도와 공급 가능한 이슬점을 1차측 공급 이슬점과의 관계에 있어서 명백하게 하는 시험으로 하였다.

도 17은 온수 가습 시험의 시험 결과에 대해서 나타내고 있다. 또한, 도 18은 전열교환 시험의 시험 결과에 대해서 나타내고 있다. 또한, 도 17 및 도 18에서, 가로축은 전열교환기의 내부 온도를 나타내고 있고, 세로축은 2차측 배출 이슬점(℃)을 나타내고 있다.

도 17에 나타내는 바와 같이, 온수 가습 시험의 시험 결과에 의하면, 전열교환기의 1차측이 수봉된 경우, 정격 유량의 2배 정도까지는 대략 전열교환기의 내부 온도(온수 온도)와 동등한 이슬점의 수증기를 공급하는 것이 가능한 것을 알 수 있었다. 한편, 정격 유량의 3배 이상에서는, 전열교환기의 내부 온도와 동등한 이슬점의 수증기를 공급하는 것은 불가능한 것을 알 수 있었다. 여기서, 2차측 공기의 유량이 증대한 경우에 공급 가능한 이슬점이 저하하는 이유는, 열교환부에서 잠열(潛熱) 냉각이 발생하고 이에 의해서 열교환부의 온도가 저하하기 때문이라고 생각된다. 또한, 이 상태는 열교환부의 온도 저하에 대한 열의 보상이, 격리막이나 다른 매개물의 열전도율의 제약에 의해서 충분히 실시되고 있지 않은 상태라고 생각된다. 이상이 본 실시예에서의 전열교환기의 기초적인 성질으로서, 1차측에 물이 공급되어, 이 물을 기화하기 위한 필요 충분한 열이 공급되면, 정격 유량에 있어서 충분한 성능을 발휘하는 것을 알 수 있었다.

한편, 도 18에 나타내는 바와 같이, 전열교환 시험의 시험 결과에 의하면, 전열교환기의 내부 온도가 낮은 영역에서의 2차측 배출 이슬점은 내부 온도 의존형으로 되고, 내부 온도가 높은 영역에서는 1차측 공급 이슬점에 따른 일정한 값을 취하는 것을 알 수 있었다. 이것은, 내부 온도가 낮은 영역에서는, 1차측 공급 수증기가 결로하여 1차측 유로에 체류하기 때문에 온수 가습기와 마찬가지인 거동을 나타내고, 결로가 발생하지 않는 내부 온도가 높은 영역에서는, 투입한 수증기와의 평형에 의해서 이슬점이 일의적으로 정해지는 것을 알 수 있었다. 결과로서, 실시예 2에 나타낸 캐소드 배기 가스의 수량(이슬점 환산 71℃)에서는 내부 온도를 아무리 상승시켜도, 스택에 공급하는 산화제 가스의 이슬점은 64℃ 정도로 머무는 것을 알 수 있었다.

다음에, 공급하는 산화제 가스와 물을 첨가한 캐소드 배기 가스와의 전열교환 시험에 대해서 설명한다.

이 전열교환 시험에서는, 상기 1㎾급 고체 고분자형 연료 전지 시스템의 정격 유량에 비하여, 물을 수취하는 측인 2차측의 공기 유량(즉, 스택으로의 공기 공급측)을 58.84NL로 설정하고, 물을 공급하는 측인 1차측의 공기 유량(즉, 스택으로부터의 공기 배출측으로서, Uo=50인 경우에 공급 공기 ×0.9의 유량으로 이루어짐)을 52.95NL로 설정하였다. 또한, 2차측 공기로서는, 건조 상태의 드라이 에어를 이용하였다. 또한, 1차측 공기로서는, 71℃로 온도 제어된 버블러를 통해서 가습되고 또한 10g/분의 비율로 60℃의 물이 첨가된 공기를 이용하였다. 또한, 전열교환기가 갖는 내부 온수 회로에는 온도 제어된 온수를 2L/분의 비율로 흘려, 이에 의해서 전열교환기의 내부 온도를 제어하였다.

도 19는 상기 전열교환 시험의 시험 결과에 대해서 나타내고 있다. 또한, 도 19에서 가로축은 전열교환기의 내부 온도(℃)를 나타내고 있고, 세로축은 2차측 배출 이슬점(℃)을 나타내고 있다.

도 19에 나타내는 바와 같이, 공급하는 산화제 가스와 물을 첨가한 캐소드 배기 가스와의 전열교환에서는, 공급하는 산화제 가스의 이슬점은 온수 가습기를 이용한 경우와 대략 유사한 거동을 나타내는 것을 알 수 있었다. 또한, 전열교환기의 내부 온도가 70℃ 이하인 경우에는, 내부 온도에 대하여 직선성이 양호한 이슬점이 얻어지는 것을 알 수 있었다.

이상의 시험 결과로부터 명백한 바와 같이, 막식 전열교환기에서는 1차측에 대하여 충분한 물이 공급되면, 전열교환기의 내부 온도의 조절에 의해서만 대략 소망하는 이슬점이 얻어지는 것을 알 수 있었다. 그리고, 캐소드 배기 가스에 포함되는 물만으로는 평형에 의한 제약이 있어, 1차측에 액체 상태의 물을 첨가하는 것에 의해, 온수 가습기의 경우와 마찬가지인 성능을 나타내는 것을 알 수 있었다.

(실시예 4)

상기 1㎾급 고체 고분자형 연료 전지 시스템을 구동하기 위한 애노드측 전열교환기를 시작하여, 이하에 나타내는 시험을 실행하였다. 여기서, 본 실시예에서 이용하는 애노드측 전열교환기는, 스택으로부터 배출되는 애노드 배기 가스(1차측 오프 가스)와 스택에 공급하는 연료 가스(2차측 연료 가스)를 전열교환막(여기서는, 쟈판고아텍스사 제품 30μ두께 고아 선택)으로 구분하여 전열교환을 실행시키는 막식 전열교환기이다. 또한, 본 실시예에서는, 전열교환부의 일단에 관하여 일단의 온도 조절용 물 회로가 각각의 배면에 마련되어 있는 스택 근사인 3유체형 전열교환기로 하였다. 또한, 전열교환부의 일단당의 열교환 면적은 150㎠로 하고, 이것을 8단 적층하는 것에 의해 총열교환 면적을 1200㎠로 하였다. 또한, 본 실시예에 따른 전열교환기의 다른 수단에 대해서는 실시예 3의 경우와 마찬가지이다.

이와 같이 구성된 애노드측 전열교환기를 이용하여, 이하에 나타내는 시험을 실행하였다. 즉, 2차측에는, 수소와 이산화탄소를 4:1의 비율로 혼합한 후, 이것을 온도 제어된 버블러를 통해서 가습한 19.6NL의 모의 연료 가스를 투입하였다. 또한, 1차측에는, 수소와 이산화탄소를 1:1의 비율로 혼합한 후, 이것을 80℃로 온도 제어된 버블러를 통해서 가습하고, 또한 그 후 64℃까지 냉각하여 이층류화(二層流化)한 7.8NL의 모의 애노드 배기 가스를 투입하였다. 또한, 내부 온수 회로에는 온도 제어된 온수를 2L/분의 비율로 흘려, 이에 의해서 전열교환기의 내부 온도를 제어하였다. 또한, 상기의 각 유량은 Uf를 75%로 한 경우에서 스택이 요구하는 연료 가스량 및 애노드 배기 가스량이다. 또한, 1차측의 버블러 온도는 실시예 2에서 구해진 애노드 배기 가스 중 수량의 이슬점 환산값을 고려하고, 안전율을 고려하여 이것으로부터 수 ℃ 뺀 온도이다. 그리고, 본 실시예에서는, 이와 같이 구성한 시험 시스템에 있어서, 2차측 공급 이슬점을 S/C= 2.7, 2.9, 3.1의 각각에 상당하는 온도인 58℃, 60℃, 62℃로 한 경우에서의 2차측 배출 이슬점에 대해서 조사하였다.

도 20은 상기 전열교환 시험의 시험 결과에 대해서 나타내고 있다. 또한, 도 20에서 가로축은 전열교환기의 내부 온도를 나타내고 있고, 세로축은 스택에 공급하는 연료 가스의 이슬점(℃)을 나타내고 있다.

도 20에 나타내는 바와 같이, 상기 S/C에 상당하는 각 시험 구분에서 애노드 전열교환기로부터 배출되는 모의 연료 가스의 이슬점에 큰 상위(相違)는 인정될 수 없었다. 그리고, 전열교환기의 내부 온도가 70℃ 이하에서는, 모의 연료 가스의 이슬점은 내부 온도에 대략 근사한 이슬점으로 되었다. 이것은, 애노드 배기 가스에 포함되는 물의 양은 실시예 2에서 나타낸 바와 같이, 7~8g 정도 이고, 그 한편으로, S/C(스팀/카본 비, 즉, 투입하는 연료 가스에 대한 물의 비율)=2.7, 배출 이슬점 70℃인 경우에 필요하게 되는 추가 가습량은 2.3g이며, 따라서 추가 가습량이 애노드 배기 가스에 포함되는 수량의 1/4 정도밖에 되지 않기 때문에, 실시예 3에 나타낸 바와 같이 사실상의 온수 가습기로서 동작하기 위한 것이라고 해석되었다.

(실시예 5)

상술한 실시예 1의 결과로부터, 장기에 안정적으로 스택을 정상으로 운전하기 위해서는, 공급하는 연료 가스 및 산화제 가스의 양쪽이 스택에서의 소정의 발전 부위의 동작 온도보다 높은 이슬점을 갖고 있을 필요가 있는 것이 명백하게 되었다. 실제 고체 고분자형 연료 전지 시스템(1㎾급 연료 전지 코제네 시스템)에서는, 공급하는 연료 가스 및 산화제 가스로의 물의 리소스는 스택으로부터 배출되는 발전에 수반하여 생성하는 생성수이다. 즉, 캐소드 배기 가스와 공급하는 산화제 가스를 전열교환하는 것에 의해, 공급하는 산화제 가스의 가열 및 가습을 실행하고 있다. 이 때, 전열교환에서 이용되지 않았던 잉여의 물은 응축기에 의해서 액화된 후, 축수 탱크내에 저장된다. 또한, 배출되는 애노드 배기 가스에 포함되는 물을 응축기에 의해서 액화하고, 이 액화한 물을 저장하여 개질기로 들여보냄으로써, 연료 가스 전구체의 개질과, 그 개질에 의해서 얻어진 연료 가스의 가습을 동시에 실행하고 있다. 그러나, 실시예 3에 나타낸 바와 같이 전열교환기에 가열 수단이 없고, 또한 물 리소스를 캐소드 배기 가스 중의 수증기만으로 얻는 방법에서는 공급 가능한 이슬점에 제약이 있어, 스택에 공급하는 산화제 가스의 이슬점을 스택의 산화제 가스 공급부에서의 동작 온도보다 높게 하는 것은 곤란하다. 또한, 스택에 공급하는 연료 가스에 관해서도, 개질기에서의 개질 효율의 제약으로부터 일정 이상의 물의 첨가는 바람직하지 못하기 때문에, 연료 가스의 이슬점을 스택의 연료 가스 공급부에서의 동작 온도보다 높은 이슬점으로 하는 것은 불가능하다. 예를 들면, 메탄 개질형의 개질기인 경우, 개질 효율을 80% 이상으로 유지하기 위해서는 S/C=2.7이 필요하지만, 이 경우에서의 연료 가스의 이슬점의 실측값은 58℃ 정도이었다. 이 연료 가스의 이슬점은 통상의 스택의 운전 온도인 60~80℃보다 낮기 때문에, 전지 수명을 감안한 경우에 필요하게 되는 이슬점에 대하여 부족하다.

이상으로부터 명백한 바와 같이, 스택의 발전 운전을 계속할 때에 연속 생성하는 생성수의 양은, 연속적으로 공급하는 연료 가스 및 산화제 가스를 스택에서의 소정의 발전 부위의 동작 온도보다 높은 이슬점으로 유지하기 때문에, 충분한 양이다. 그러나, 종래의 고체 고분자형 연료 전지 시스템에서는, 응축수의 전열교환기로의 재투입이 없고, 또한 전열교환기의 운전 온도가 낮기 때문에, 발전에 따라 생성하는 생성수를 충분히 이용할 수 없는 것이 상술한 계산 및 실측값의 결과로부터 명백하다.

그래서, 도 1에 모식적으로 나타낸 블록도를 갖는, 개질기로부터 배출되는 폐열의 일부를 이용하여 전열교환기의 가열을 실행하는 형태의 고체 고분자형 연료 전지 시스템을 시작하여, 그 여러 특성의 평가에 제공하였다. 이 시스템계는 개질기 최후단의 CO 제거부의 벽면에 파이프를 용접하여, 이것을 열교환기로 유도하고, 여기에 1차 열매체(실리콘 오일 등이 적합)를 순환시켜 벽면으로부터 열을 흡수하여, 열교환기에서 2차 열매체인 물을 가열하고, 그 가열된 2차 열매체(온수)를 순환하여 가열 장치를 가열하며, 이에 의해서 전열교환기의 온도를 스택에서의 소정의 발전 부위의 동작 온도보다 높은 온도로 가열한다. 애노드측 전열교환기에서는, 스택으로부터 배출되는 애노드 배기 가스와, 스택에 투입되는 연료 가스와의 사이에서 전열교환이 행해진다. 그리고, 스택에 공급하는 연료 가스의 이슬점을 스택에서의 소정의 발전 부위의 동작 온도보다 높게 한 후에 스택으로 유도하고, 그 스택의 내부에서 결로시켜 셀내의 연료 가스 도입부로 유도한다. 이 때, 실시예 4에 나타낸 바와 같이, 애노드측에서는 애노드 배기 가스에 포함되는 물의 양은 연료 가스의 가습에 필요한 물의 양을 초과하고 있다. 그 때문에, 전열교환 후의 애노드 배기 가스에 포함되는 잉여의 물은, 연료측 물 회수기를 경유한 후에 연료측 축수 탱크에 일정량 비축되고, 그 잉여분은 산화제측 축수 탱크로 송출된다.

한편, 실시예 3에 나타낸 바와 같이, 캐소드측 전열교환기에서는 스택으로부터 배출되는 캐소드 배기 가스에 의해서만 스택에 공급하는 산화제 가스를 소망하는 이슬점으로 조정하는 것은 불가능하다. 그래서, 스택의 운전 부하 조건에 따른 적량의 물을 산화제측 축수 탱크로부터 공급하여 캐소드 배기 가스에 혼합하고, 전열교환기에서 공기 공급 장치로부터 송출되는 산화제 가스의 이슬점을 스택에서의 소정의 발전 부위의 동작 온도보다 높게 한 후에 스택으로 유도하여, 그 스택의 내부에서 결로시켜 셀내의 산화제 가스 도입부로 유도한다.

도 1에 모식적으로 나타낸 시스템계에서, 20단의 캐소드 배기 가스/공급산화제 가스 전열교환기와, 8단의 캐소드 배기 가스/공급 연료 가스 전열교환기를 갖는 전열교환기를 이용하여, 이 전열교환기의 온도가 70℃로 유지되도록 1차 열매체 유량과 2차 열매체 유량을 적절한 방법으로 제어하고, 개질기로부터 공급되는 연료 가스를 21.3L/분, 공기 공급 장치로부터 공급되는 산화제 가스량을 100L/분으로 하고, 1㎾급 스택(66단, 전극 면적 144㎠)을 MEA 전류 밀도 0.18A/㎠, 공기 이용률 40%, 연료 이용률 75%, 동작 온도 65±0.3℃로 구동한 경우, 상기 전열교환기로부터 스택에 공급되는 산화제 가스의 이슬점은 68.2℃이고, 연료 가스의 이슬점은 68.0℃이었다. 그리고, 상기 동작 온도보다 높은 이슬점을 갖는 연료 가스 및 산화제 가스가 스택의 내부에서 상기 동작 온도로까지 냉각되어, 과포화의 상태로 각 셀에 공급되고 있는 것이 확인할 수 있었다. 또한, 이 때의 전열교환기에서의 압력 손실은 산화제 가스측에서 138㎜Aq, 연료 가스측에서 93㎜Aq이고, 스택의 압력 손실(산화제 가스측 780㎜Aq, 연료 가스측 690㎜Aq)에 대해 충분히 낮은 것으로서, 공기 공급 장치 및 연료 가스 공급 펌프에 과잉의 부하가 걸리는 일은 없이, 안정한 제어 및 운전이 가능하였다. 이 고체 고분자형 연료 전지 시스템을 10000시간까지 연속 운전한 경우에서의 각각의 셀의 전압 평균 열화율은 3.2㎷/1000hr로서, 종래의 구성을 갖는 1㎾급 연료 전지 코제네 시스템에서의 전압 평균 열화율 18㎷/1000hr에 비해 현격하게 향상하고 있는 것을 확인하였다.

또한, 본 실시예에서는, 개질기로부터 열을 흡수하여 전열교환기의 가열을 실행하기 때문에, 개질기에서의 개질 효율이 다소 저하하였다. 구체적으로는, 개질 효율이 종래예에서는 80.3%에 반해, 본 실시예에서는 79.4%이었다. 그러나, 스택 효율의 열화율이 종래예에서는 1.2%/1000hr(18㎷/1480㎷)에 반해, 본 실시예에서는 0.22%/1000hr(3.2㎷/1480㎷)이었으므로, 대략 1000시간 운전 이후에는 시스템계 전체의 효율은 본 실시예의 쪽이 우수하고, 개질기의 개질 효율의 저하를 보충하여 남아 있는 메리트를 얻을 수 있었다.

(실시예 6)

실시예 5에서의 형태 대신에, 도 2에 모식적으로 나타낸 블록도를 갖는 고체 고분자형 연료 전지 시스템을 시작하였다. 즉, 전열교환기를 가열하기 위한 열을 개질기로부터 얻는 것은 아니고, 연료 가스, 연료 가스 전구체, 또는 스택으로부터 배출되는 애노드 배기 가스를 연소시켜 전열교환기 가열용 매체를 가열하고, 이것을 순환시켜 전열교환기를 소망하는 온도로 가열하는 형태이다. 이 형태의 실시예 5에 비하는 이점은 전열교환기의 운전 상황이 개질기의 운전 상황에 의존하지 않는 것으로서, 정격 운전시 이외인 시스템의 온(ON)시, 또는 오프(OFF)시, 또는 부하 변동 운전시에 개질기가 열적으로 안정해 있지 않은 상황에서도 전열교환기를 독립적으로 제어할 수 있는 점에 있다. 개질 후의 연료 가스는 개질 전의 연료 가스 전구체에 비해 양질인 가스라고 말 할 수 있기 때문에, 본래적으로는 전열교환기의 가열에 사용하는 것이면 연료 가스 전구체를 사용한 쪽이 시스템 효율상 유리하다. 그러나, 연료 전지의 한계 연료 이용률은 시스템 압력 손실과의 정합, MEA의 일산화탄소 내성, 전지의 압력 손실 설계, 쌍 플러딩 특성, 부하 변동 대응 능력 등의 복잡한 요인에 의해 결정되고, 또한, 개질기의 구동에 필요한 연소량도, 전환율, CO 제거 성능 그 이외를 확보하기 때문에, 부하에 비례하여 일률적이지 않다. 이 점을 감안하여, 정격 운전시에는 연료 가스 전구체를 우선적으로 사용하고, 부하 변동 등의 요인으로 애노드 배기 가스가 지나친 상황에서는 애노드 배기 가스를 우선적으로 이 목적으로 사용하는 것이, 에너지 균형을 최적화하기 위해서 필요하다. 본 실시예에서는, 이 점을 감안하여, 양쪽을 상황에 따라서 전환하여 이용할 수 있는 구성으로 하였다.

실시예 5에서의 시스템계와 본 실시예에 따른 시스템계를, 8시간 운전하고는 4시간 정지하는 간헐 운전 모드로 가속 시험한 경우의 운전 시간 5000시간까지의 평균 열화율은, 실시예 5에서 8.7㎷/1000hr이었던 것에 반해, 본 실시예에서는 4.5㎷/1000hr이었다. 또한, 운전 부하를 정격(MEA 전류 밀도 0.2A/㎠)으로 2시간 운전하고, 그 후 정격의 25%(동 0.05A)로까지 출력을 압축하여 2시간 운전하고, 다시 정격으로 되돌리는 반복 부하 변동 운전 모드에서 비교 시험한 바, 운전 시간 6000시간(1500 사이클)까지의 평균 열화율은 실시예 5에서 7.5㎷/1000hr이었던 것에 반해, 본 실시예에서는 3.9㎷/1000hr이었다. 이 결과로부터, 실시예 5에서 간헐 운전시, 부하 변동시에 개질기가 열적으로 비평형 상태인 경우에 발생하는 스택의 건조 운전이 본 실시예에서는 개선되고 있는 것이 명백해졌다.

(실시예 7)

실시예 6에서의 형태 대신에, 도 3에 모식적으로 나타낸 블록도를 갖는 고체 고분자형 연료 전지 시스템을 시작하였다. 즉, 본 실시예는 전열교환기의 외부에서 연료, 또는 스택으로부터 배출되는 애노드 배기 가스를 연소시켜 전열교환기용 가열 매체를 가열하고, 이 전열교환기용 가열 매체를 순환시켜 전열교환기를 소망하는 온도로 가열하는 형태(간접 가열형)가 아니고, 전열교환기의 내부에서 연료 가스 또는 배출되는 애노드 배기 가스와 산화제 가스 또는 캐소드 배기 가스를 촉매 연소시켜, 이에 의해서 전열교환기를 소망하는 온도로 가열하는 형태(직접 가열형)의 고체 고분자형 연료 전지 시스템을 나타내고 있다.

애노드 배기 가스(수소 가스)는 60℃ 이상으로 촉매 연소가 가능하므로, 전열교환기에서 요구되는 온도 범위로 제어성 양호하게 온도 조절할 수 있다. 또한, 버너 등을 이용한 고온 연소에 인하기보다도, 특단의 열 설계, 방열 대책, 안전 설계를 실행하는 일 없이, 간편하고 또한 효율적으로 전열교환기를 가열하는 것이 가능하게 된다.

본 실시예와, 도 1에서 나타낸 간접 가열형과의 큰 상위점은, 본 실시예에서의 고체 고분자형 연료 전지 시스템이, 촉매가 담지된 세라믹포 발열체를 갖고 있는 점이다. 이 구성에 의해서, 공급된 연료 가스 또는 배출되는 애노드 배기 가스와 산화제 가스와의 혼합기(混合氣)는 상기 세라믹포 발열체내에서 촉매 연소하여, 그 배면의 가스 유로를 직접적으로 가열한다. 이에 의해서, 애노드 배기 가스 및 캐소드 배기 가스로부터 공급하는 연료 가스 및 산화제 가스로의 충분한 물의 이전이 이루어진다.

본 실시예에서 나타낸 직접 가열형의 간접 가열형에 비하는 메리트는, 표면적이 크고 두께가 얇은 열교환 격리막의 가스 유로 배면에서 촉매 연소를 일으켜서, 그 열을 손실하지 않고 직접적으로 애노드 배기 가스 및 캐소드 배기 가스로 전할 수 있는 점이다. 또한, 간접 가열형보다도 버너 손실이 적고, 또한 간접 가열형에서 필요한 냉매용 배관, 순환 펌프로부터의 열적 또는 동력적 손실이 없는 것이다. 또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 에너지 손실이 근소한 점이다.

본 실시예에서는, 디니트로아민(dinitrodiamine) 백금 수용액을 실리카솔 수용액(닛산카가쿠세 제품 스노테쿠스0 실리카 20Wt/Vo1)에 반해, 그 포함되는 백금량이 실리카에 대하여 2:100이 되도록 혼화한 후, 이것을 30배의 물로 희석한 촉매 슬러리(slurry)액에 세라믹 크로싱(스미토모쓰리에무사 제품 네쿠스테루 0.6t)을 침지(浸漬)하여, 이것을 500℃로 5시간 공기중에서 아닐 소성하는 것에 의해, 중량 0.3㎎/㎠의 백금 촉매가 담지된 세라믹포 발열체를 얻었다. 그리고, 이 백금 촉매가 담지된 세라믹포 발열체를, 종래의 온조수(溫調水) 회로를 마련하고 있었던 온조면(溫調面)에 부설하여 이용하고, 20단의 캐소드 배기 가스/공급 산화제 가스 전열교환기와, 8단의 애노드 배기 가스/공급 연료 가스 전열교환기를 구비하는 직접 가열형 전열교환기를 구성하였다. 또한, 전열교환기용 격리막 재료로서는, 조성이 70%인 카본 필러와 30%인 수지분을 갖는 고분자 전해질형 연료 전지용 프레스 성형 격리막(닛신보사 제품 시작품)을 이용하였다. 이 격리막 재료에 관해서는, 실시예 1에 나타낸 재료 중에서도 특히 내열성, 열전도율, 열전달률이 높은 재료가 바람직하고, 수지 성형품에 관해서 말하면, 필러에는 유리 제품보다도 카본 제품의 물건이 바람직하며, 그 함유량이 높을수록 열전도, 열전달이 높아져 유리하였다. 이 점, 카본 필러를 대부분 포함하는 슈퍼 엔프라는 선택지(選擇肢)의 하나로서, 단섬유 카본 필러를 70% 포함하는 PPS 합금(alloy)(다이니혼인키사 제품 시작품)의 사출 성형품에 대해서도 상기와 마찬가지의 전열교환기를 조립하여 실시예 3 및 실시예 4에 나타낸 경우와 마찬가지의 동작 확인을 행하였다. 그 결과, 특별한 문제가 발생하지 않는 것이 확인되었다.

그 후, 스택, 개질기 등과 접속하여 고체 고분자형 연료 전지 시스템을 구축하고, 이것을 이후의 특성 평가에 제공하였다.

구체적으로는, 실시예 2의 경우와 동일한 수단을 갖는 다른 1㎾급 고체 고분자형 연료 전지 시스템을 이용하였다. 여기서, 본 실시예에서 이용한 고체 고분자형 연료 전지 시스템의 수단은, 전극 면적이 169㎠이고, 셀의 적층단수가 50단이며, 정격 전류 밀도가 0.2A/㎠이다. 또한, 기본적인 운전 조건으로서, 연료 가스에는 수증기 개질법에 의해서 생성한 20%의 이산화탄소를 함유하는 수소 가스를 이용하고, 산화제 가스에는 공기를 이용하였다. 또한, 연료 이용률은 75%이며, 공기 이용률을 50%로 하였다. 또한, 개질기는 S/C=2.7로 운전되고, 그 이슬점은 58℃이었다.

스택의 온도는 10L/분의 비율로 공급되는 온조수(냉각수)에 의해서 유지되어, 투입 수온이 64℃에 반해, 배출 수온은 67℃이었다. 그래서, 실시예 3 및 실시예 4에서 나타낸 전열교환기 기초 특성도에 준하여, 애노드측 및 캐소드측 함께 스택에 공급하는 연료 가스 및 산화제 가스의 이슬점이 67℃ 이상으로 되도록, 전열교환기의 내부 온도가 69℃로 되도록 전열교환기에 투입하는 애노드 배기 가스 등의 공급량을 제어하면서 운전하였다. 또한, 이 때에 필요로 된 애노드 배기 가스 등의 공급량은 3.3L/분이었다. 여기서, 수소의 연소 에너지는 3.05㎉/L이기 때문에, 3.3L의 애노드 배기 가스(이 중, 수소는 1.65L)의 연소 에너지는 5.03㎉로 계산되었다. 또한, 물의 증발 잠열은 0.54㎉/g이기 때문에, 이 시스템에 있어서의 전열교환기에서의 추가 가습량은 9.31g/분으로 계산되었다.

이와 같이 구성된 고체 고분자형 연료 전지 시스템에서의 이론 물질 수지는 이하와 같다. 즉, 발전에 따른 기본적인 화학 반응식은 수학식 11에 나타내는 바와 같다.

이 경우, 발전에 따른 화학 반응에서의 단위 시간당의 반응 몰 수는 수학식 12에 나타내는 바와 같이 구해진다.

따라서, 발전에 필요하게 되는 수소량은 수학식 13에 나타내는 바와 같이 구해진다.

이로부터, 발전에 필요하게 되는 연료 가스의 공급량은 수학식 14에 나타내는 바와 같이 구해진다.

또한, 발전에 필요하게 되는 산소량은 수학식 15에 나타내는 바와 같이 구해진다.

이로부터, 발전에 필요하게 되는 공기의 공급량은 수학식 16에 나타내는 바와 같이 구해진다.

한편, 물의 수지에 관해서는 이하와 같아진다. 즉, 67℃에서의 포화 수증기 분압은 205.05㎜Hg이기 때문에, 애노드측의 필요 가습량은 수학식 17에 나타내는 바와 같이 구해진다.

또한, 캐소드측의 필요 가습량은 수학식 18에 나타내는 바와 같이 구해진다.

또한, 상술한 바와 같이, 본 실시예에서 개질기는 S/C=2.7로 운전되고, 그 이슬점은 58℃이다. 즉, 58℃에서의 포화 수증기 분압은 136.15㎜Hg이기 때문에, 연료 가스의 수량은 수학식 19에 나타내는 바와 같이 구해진다.

여기서, 애노드측의 필요 가습량에서 연료 가스의 수량을 뺀 양이 애노드측의 추가 가습량이며, 그 추가 가습량은 5.82g/분-3.43g/분=2.39g/분으로 계산되었다. 따라서, 캐소드측의 추가 가습량은 9.31g/분-2.39g/분=6.90g/분으로 계산되었다. 그리고, 이 수치를 캐소드측의 필요 가습량인 17.46g/분에서 뺀 10.56g/분이, 가열 및 응축수의 재투입을 실행하지 않았던 경우에서의 단순 전열교환에 의한 가습량이며, 그것을 이슬점 환산하면 약 58℃로 계산되었다. 즉, 본 실시예의 가습계에 의해서, 캐소드측에 관해서는 단순 전열교환으로 얻어지는 이슬점 58℃을, 한편, 애노드측에 관해서는 개질기 이슬점 58℃를, 각각 67℃로 끌어 올리고 있게 된다. 또한, 본 실시예에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템도, 실시예 6에 서술한 경우와 마찬가지인 양호한 수명 특성을 갖고 있었다.

또한, 간접 가열형에 비하는 직접 가열형의 이점은, 그 기동 시간의 짧음 이다. 즉, 간접 가열형에서는 버너로 열매체를 가열하여, 이것을 순환시켜 전열교환기를 보온하는 것이므로, 버너 및 열매체의 열 용량에도 의하지만, 약 15분 정도의 기동 시간이 필요했지만, 본 실시예에서는 이것이 약 1/20으로 단축되었다. 또한, 상술한 계산으로부터 명백한 바와 같이, 연료 가스 및 산화제 가스의 가습에 필요한 에너지의 양은 스택에 도입되는 연료 가스 및 산화제 가스의 양에 비례하고 있어, 연료 이용률, 공기 이용률에 변동이 없는 한은, 이것은 스택의 부하에 비례한다. 마찬가지로, 애노드 배기 가스의 양도 스택의 부하에 비례하고 있다. 따라서, 스택으로부터 배출되는 애노드 배기 가스를 이용하여, 효율적으로 연료 가스 및 산화제 가스의 가습이 행해진다고 하는 것은, 부하 변동에 대하여 거의 타임 러그가 없고, 또한 높은 직선성을 갖고서 대략 자동적으로 부하 변동에 따르는 것을 의미하고 있다. 또한, 간접 가열형의 경우에 필요했던, 부하에 따른 버너나 펌프의 제어가 불필요하게 되는 등, 합리성이 높은 시스템계인 것은 자명하다.

(실시예 8)

실시예 2에서 나타낸 스택에서는 스택에 공급하는 연료 가스 및 산화제 가스의 이슬점이 64℃인 것에 반해, 캐소드 배출 가스의 이슬점은 71.5℃이며, 애노드 배출 가스의 이슬점은 84℃이었다. 따라서, 셀내에서의 연료 가스 유로 및 산화제 가스 유로와 냉각수 유로와의 방향을 맞춰 두어, 연료 가스의 공급구 및 산화제 가스의 공급구의 근방에 냉각수를 공급하고, 연료 가스 배출구 및 산화제 가스 배출구의 근방으로부터 냉각수를 배출하는 병행류(竝行流) 레이 아웃에서는, 그 냉각수의 투입 온도가 64℃ 이하이고 또한 배출 온도가 71.5℃를 초과하지 않는 한, 실시예 1에 서술한 이유에 의해 셀내에서는 수증기 포화의 조건이 유지된다.

그래서, 도 4에 나타내는 블록도를 구비하는 고체 고분자형 연료 전지 시스템을 구축하여, 상술한 유로 구성을 갖는 전극 면적이 169㎠이며 셀의 적층단수가 50단인 스택을 운전하였다. 또한, 기본적인 운전 조건으로서 정격 전류 밀도를 0.2A/㎠로 하고, 연료 가스에는 수증기 개질법에 의해서 생성한 20%의 이산화탄소를 함유하는 수소 가스를 이용하고, 산화제 가스에는 공기를 이용하였다. 또한, 연료 이용률은 75%이며, 공기 이용률을 50%로 하였다. 또한, 전열교환기에는 실시예 5에서 나타낸 전열교환기와 동일 수단인, 내부 온조수 회로를 갖는 20단의 캐소드 배기 가스/공급 산화제 가스 전열교환기와, 8단의 캐소드 배기 가스/공급 연료 가스 전열교환기를 갖는 전열교환기를 이용하였다. 또한, 개질기는 S/C=2.7로 하였다.

이와 같이 구성한 고체 고분자형 연료 전지 시스템에서, 스택에 공급하는 냉각수의 온도가 60℃로 되도록, 또한, 스택의 발열에 의해서 가열된 스택으로부터 배출되는 냉각수의 온도가 69℃로 되도록, 외부 온조수 회로의 유량 제어를 실행하였다. 또한, 이 냉각수의 유동 형태를 스택으로부터 배출된 냉각수를 전열교환기의 내부 온조수 회로로 유도하여 전열교환기를 가열한 후에 축수 탱크로 되돌리고, 이 축수 탱크에서 60℃까지 냉각한 후에 스택에 재공급하는 형태로 하였다. 이 때, 정격 운전시에는 냉각수의 유량을 2L/분까지 압축하면, 상술한 온도 조건에 의해서 운전할 수 있었다. 또한, 이 경우, 전열교환기에는 68.5℃의 온도의 냉각수가 공급되었지만, 전열교환기로부터 배출된 냉각수의 온도는 66℃이었기 때문에, 2000 ×2.5=5.0㎉의 열이 전열교환기의 가열에 소비된 계산으로 되었다. 이 값을 물의 증발 잠열값인 0.54㎉/g로 나눈 9.25g/분이 추가 가습량이지만, 이 계산 결과는 실시예 7에서 서술한 직접 가열 방식의 경우의 실험값과 대략 일치하였다. 또한, 열전대(熱電對)에 의해서 계측된 전열교환기의 내부 온도는 중심값으로 67.5℃이며, 전술한 전열교환기의 기초 특성에 의하면, 대략 이슬점이 66℃인 연료 가스 및 산화제 가스가 전열교환기로부터 스택에 공급되고 있다고 추정되었다. 그리고, 본 실시예에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템도, 실시예 6에서 서술한 경우와 마찬가지인 양호한 수명 특성을 갖고 있었다.

(실시예 9)

실시예 8에서, 스택으로부터 배출되는 냉각수의 온도는 69℃이고, 전열교환기에 공급되는 냉각수의 온도는 68.5℃이었다. 따라서, 냉각수의 온도는 스택으로부터 전열교환기로 이동할 때에, 0.5℃ 저하해 있었다. 이 이동시에 생기는 냉각수의 온도 저하는 단순히 배관으로부터의 방열에 의한 온도 저하이다.

그런데, 실제 고체 고분자형 연료 전지 시스템에서는, 정격 운전의 이외, 미약 운전, 부하 변동 운전 등의 스택의 발열량이 적은 발전 운전도 행해진다. 그리고, 이러한 스택의 발열량이 적은 운전 조건에서도 상술한 연료 가스 및 산화제 가스의 이슬점과 스택의 내부 온도와의 양호한 관계를 유지하는 것이 강하게 요구된다.

이 점을 감안하여 검토한 가장 합리적인 레이아웃은, 전열교환기와 스택을 밀착 또는 근접시켜 짧은 배관으로 접속하고, 이것을 일괄하여 단열하는 형태이다. 이러한 형태를 채용하는 것에 의해, 스택과 전열교환기가 최단 거리의 배관으로 접속되기 때문에, 특별한 제어를 행하지 않고서 상술한 양호한 관계를 만족하는 것이 가능하게 된다. 이 전열교환기와 스택을 밀착 또는 근접시키고 또한 일괄하여 단열하는 형태의 고체 고분자형 연료 전지 시스템에서는, 30% 부하(발열량 300W)에서 냉각수의 유량을 0.7L/분으로 한 경우, 스택에 공급되는 냉각수의 온도는 59℃로 되고, 스택으로부터 배출되는 냉각수의 온도는 67℃로 되었다. 그리고, 전열교환기에는 열손실이 거의 발생하는 일 없이, 약 67℃의 냉각수가 공급되었다. 또한, 전열교환기에 공급된 냉각수는 그 전열교환기에서 1.6㎉의 열을 잃어 2℃ 온도 저하하여 축수 탱크로 되돌려졌지만, 이 때의 전열교환기의 내부 온도는 66℃이었기 때문에, 대략 이슬점이 65℃의 연료 가스 및 산화제 가스가 스택에 공급되고 있다고 추정되었다. 이 이슬점은 스택에서의 연료 가스 및 산화제 가스의 공급부의 온도에 대하여 5℃ 높은 온도이다. 즉, 본 실시예에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템도, 실시예 6에서 서술한 경우와 마찬가지인 양호한 수명 특성을 갖고 있는 것이 판명됐다.

(실시예 10)

실시예 5~8에서 나타낸 형태 대신에, 도 5~7에 모식적으로 나타낸 블록도를 갖는 고체 고분자형 연료 전지 시스템을 시작하였다. 즉, 본 실시예에서는 연료 전구체를 개질하여 연료 가스를 생성하는 형태가 아니라, 예를 들면 수소 봄베 등의 연료 가스 공급 수단을 구비하는 형태의 고체 고분자형 연료 전지 시스템을 나타내고 있다. 이러한 고체 고분자형 연료 전지 시스템으로서는, 예를 들면 수소 봄베를 구비한 차재용의 고체 고분자형 연료 전지 시스템을 들 수 있다.

이 수소 봄베 등의 연료 가스 공급 수단을 구비하는 고체 고분자형 연료 전지 시스템에서는, 실시예 5~8과 같은 수증기 개질법에 의해서 생성되는 일정의 물을 포함하는 연료 가스를 스택에 공급하는 경우와 상이하여, 연료 가스는 절건(絶乾) 상태로 스택에 공급된다. 그 때문에, 애노드 배기 가스에 포함되는 물만으로는 연료 가스를 소망하는 이슬점으로 가습하는 것은 불가능하다. 그래서, 본 실시예에서는 연료측 물 회수기에서 회수된 물을 산화제측 축수 탱크로 송출하고, 이 산화제측 축수 탱크내의 물을 이용하여 연료 가스와 산화제 가스의 양쪽을 가습하는 형태로 하였다.

이하, 도 6에 나타내는 구성을 갖는 직접 가열형의 고체 고분자형 연료 전지 시스템을 이용한 경우의 실시예에 대해서 설명한다.

본 실시예에서는, 실시예 6의 경우와 동일한 수단을 갖는 고체 고분자형 연료 전지 시스템을 이용하였다. 여기서, 본 실시예에서 이용한 고체 고분자형 연료 전지 시스템의 수단은 전극 면적이 169㎠이고, 셀의 적층단수가 50단이고, 최대 전류 부하가 0.8A/㎠이고, 최대 출력 전력이 4.5㎾이다. 또한, 기본적인 운전 조건으로서, 연료 가스로서는 수소 봄베로부터 공급되는 순수소를 이용하고, 산화제 가스에는 공기를 이용하였다. 또한, 연료 이용률은 85%이고, 공기 이용률을 50%로 하였다.

또한, 스택의 온도는 스택에 공급하는 냉각수의 온도를 64℃로 한 경우에, 스택으로부터 배출되는 냉각수의 온도가 67℃로 되도록, 외부 온조 회로를 제어하는 것에 의해 적당하게 온도 조절하였다.

또한, 전열교환기로서는, 실시예 7에서 나타낸 전열교환기와 동일한 수단을 구비하는, 캐소드 배기 가스/공급 산화제 가스 전열교환기에 대해서는 80단, 애노드 배기 가스/공급 연료 가스 전열교환기에 대해서는 32단의 적층수를 갖는 전열교환기를 이용하였다. 그리고, 실시예 3 및 실시예 4에서 나타낸 전열교환기의 기초 특성도에 준하여, 애노드측 및 캐소드측 함께 스택으로 공급하는 연료 가스 및 산화제 가스의 이슬점이 67℃ 이상으로 되도록, 상기의 전열교환기의 내부 온도를 69℃로 하도록, 전열교환기를 가열하기 위한 애노드 배기 가스의 사용량을 제어하면서 운전하였다.

또한, 후술하는 바와 같이, 본 실시예에서 허용되는 물 손실은 31%이다. 그 때문에, 애노드측 및 캐소드측의 물 회수기는 적어도 포화 수증기가 205㎜Hg×0.31=63㎜Hg 이하로 되는 온도 범위까지, 스택으로부터 배출되는 애노드 배기 가스 및 캐소드 배기 가스를 냉각할 필요가 있다. 이 냉각 조건을 만족하는 온도는, 포화 수증기량 곡선에 의하면 대략 43℃이다. 그래서, 본 실시예에서는, 애노드측 및 캐소드측의 물 회수기에 대용량의 방열기를 마련하여, 팬에 의해서 공냉(空冷)하는 양식으로 하였다.

이와 같이 구성된 고체 고분자형 연료 전지 시스템에서의 전류 부하 0.1A/㎠당의 이론 물질 수지는 이하와 같다. 즉, 발전에 따른 기본적인 화학 반응식은 수학식 20에 나타내는 바와 같다.

이 경우, 발전에 따른 화학 반응에서의 단위 시간당의 반응 몰 수는 수학식 21에 나타내는 바와 같이 구해진다.

따라서, 발전에 필요하게 되는 수소량은 수학식 22에 나타내는 바와 같이 구해진다.

이로부터, 발전에 필요하게 되는 연료 가스의 공급량은 수학식 23에 나타내는 바와 같이 구해진다.

또한, 발전에 필요하게 되는 산소량은 수학식 24에 나타내는 바와 같이 구해진다.

이로부터, 발전에 필요하게 되는 공기의 공급량은 수학식 25에 나타내는 바와 같이 구해진다.

또한, 스택으로부터 배출되는 수소량은 수학식 26에 나타내는 바와 같이 구해진다.

편, 물의 수지에 관해서는 이하와 같다. 즉, 발전에 따라 생성하는 생성수의 양은 수학식 27에 나타내는 바와 같이 구해진다.

또한, 67℃에서의 포화 수증기 분압은 205.05㎜Hg이기 때문에, 애노드측의 필요 가습량은 수학식 28에 나타내는 바와 같이 구해진다.

또한, 캐소드측의 필요 가습량은 수학식 29에 나타내는 바와 같이 구해진다.

이상으로부터, 본 실시예의 고체 고분자형 연료 전지 시스템이 자립 운전하기 위해서 필요하게 되는 물의 회수율은 수학식 30에 나타내는 바와 같이 구해진다.

이 고체 고분자형 연료 전지 시스템을 자립 운전시켰을 때, 스택으로부터는 전류 밀도 0.1A당 약 1NL의 애노드 배기 가스가 배출되었다. 그리고, 이 배출된 애노드 배기 가스의 거의 모든 양을 전열교환기의 가열을 위해 이용한 경우, 전열교환기의 온도는 약 69℃로 되고, 스택에 공급하는 연료 가스 및 산화제 가스의 이슬점은 67℃로 되었다. 이 전열교환기의 온도와 이슬점과의 관계는 전류 밀도를 증감한 경우에서도 일정하였다. 즉, 부하에 대하여 대략 직선성을 갖고서 연료 가스 및 산화제 가스를 가습할 수 있었다.

또한, 수소의 연소 에너지는 3.05㎉/L이기 때문에, 1NL당의 애노드 배기 가스의 연소 에너지는 약 3㎉로 계산되었다. 그리고, 이 값을 물의 증발 잠열값인 0.54㎉/9로 나누는 것에 의해, 1분간당의 추가 가습량이 약 5.5g로 계산되었다.

한편, 실시예 7에서의 결과에 의하면, 캐소드측에서의 단순 전열교환 효율은 약 60%이다. 이 결과로부터, 캐소드측에서의 추가 가습량은 8.73 ×0.4=3.49g/분 정도로 추정된다. 그리고, 이 캐소드측에서의 추가 가습량의 값에 애노드측의 필요 가습량의 값인 2.05g/분을 더한 수치는, 상술한 1분간당의 추가 가습량 약 5.5g과 대략 일치한다. 이 결과로부터, 본 실시예에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템에서는, 스택과 전열교환기가 과부족 없이 동작하고 있는 것으로 해석되었다. 또한, 애노드측에서의 필요 가습량내의 어느 정도인가는 애노드 배기 가스로부터의 단순 전열교환분이라고 생각되지만, 애노드 배기 가스의 유량은 스택에 공급하는 연료 가스의 유량에 비하여 적기 때문에, 캐소드 측정의 기여도는 없다. 즉, 본 실시예에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템도 실시예 6에서 서술한 경우와 마찬가지인 양호한 수명 특성을 갖고 있는 것이 판명됐다.

또한, 이상의 설명에서는 고체 고분자형 연료 전지 시스템에 대해서의 일례를 들어 설명했지만, 그 밖의 형식의 연료 전지 시스템이어도 본 발명을 실시 또는 응용할 수 있다.

상기 설명으로부터 당업자에 있어서는, 본 발명의 대부분의 개량이나 다른 실시 형태가 명백하다. 따라서, 상기 설명은 예시로서만 해석되어야 할 것이며, 본 발명을 실행하는 최선의 형태를 당업자에게 교시할 목적으로 제공된 것이다. 본 발명의 정신을 일탈하는 일 없이, 그 구조 및/또는 기능의 상세를 실질적으로 변경할 수 있다.

본 발명은 이상에 서술한 수단으로 실시되고, 저전류 밀도로 정격 운전되는 용도에서 이용되는 고체 고분자형 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 장기에 걸쳐 안정한 전력을 공급할 수 있는 고체 고분자형 연료 전지 시스템 및 그 운전 방법을 제공할 수 있다고 하는 효과를 가져온다.

또한, 본 발명에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템 및 그 운전 방법은 저전류 밀도로 정격 운전되는 용도에서 이용되는 고체 고분자형 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 장기에 걸쳐 안정한 전력을 공급할 수 있는 고체 고분자형 연료 전지 시스템 및 그 운전 방법으로서 유용하다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템의 구성을 모식적으로 나타내는 블록도,

도 2는 본 발명의 제 2 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템의 구성을 모식적으로 나타내는 블록도,

도 3은 본 발명의 제 3 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템의 구성을 모식적으로 나타내는 블록도,

도 4는 본 발명의 제 4 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템의 구성을 모식적으로 나타내는 블록도,

도 5는 본 발명의 제 5 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템의 구성을 모식적으로 나타내는 블록도,

도 6은 본 발명의 제 6 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템의 구성을 모식적으로 나타내는 블록도,

도 7은 본 발명의 제 7 실시 형태에 따른 고체 고분자형 연료 전지 시스템의 구성을 모식적으로 나타내는 블록도,

도 8은 스택을 전류 밀도가 0.7A/㎠로 되도록 하여 동작시킨 경우의 전지수명 특성을 나타내는 그래프,

도 9는 스택을 전류 밀도가 0.2A/㎠로 되도록 하여 동작시킨 경우의 전지수명 특성을 나타내는 그래프,

도 10은 스택의 수명 저하의 원인을 조사하는 시험 방법에 대해서 설명하기 위한 모식도,

도 11은 전류 밀도 0.7A/㎠(Tda=Tdc=68℃, 흐름 패턴 1)로 스택을 운전한 경우의 수명 저하의 원인을 조사한 시험 결과를 나타내는 그래프,

도 12는 전류 밀도 0.7A/㎠(Tda=Tdc=60℃, 흐름 패턴 1)로 스택을 운전한 경우의 수명 저하의 원인을 조사한 시험 결과를 나타내는 그래프,

도 13은 전류 밀도 0.2A/㎠(Tda=Tdc=72℃, 흐름 패턴 1)로 스택을 운전한 경우의 수명 저하의 원인을 조사한 시험 결과를 나타내는 그래프,

도 14는 전류 밀도 0.2A/㎠(Tda=Tdc=70℃, 흐름 패턴 1)로 스택을 운전한 경우의 수명 저하의 원인을 조사한 시험 결과를 나타내는 그래프,

도 15는 전류 밀도 0.2A/㎠(Tda=Tdc=68℃, 흐름 패턴 1)로 스택을 운전한 경우의 수명 저하의 원인을 조사한 시험 결과를 나타내는 그래프,

도 16은 전류 밀도 0.2A/㎠(Tda=Tdc=70℃, 흐름 패턴 2)로 스택을 운전한 경우의 수명 저하의 원인을 조사한 시험 결과를 나타내는 그래프,

도 17은 온수 가습 시험의 시험 결과를 나타내는 그래프,

도 18은 전열교환 시험의 시험 결과를 나타내는 그래프,

도 19는 전열교환 시험의 시험 결과를 나타내는 그래프,

도 20은 전열교환 시험의 시험 결과를 나타내는 그래프이다.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 스택 2 : 개질기

3 : 버너 4 : 공기 공급 장치

5 : 전열교환기 6 : 가열 장치

7 : 열교환기 8 : 연료측 물 회수기

9 : 연료측 축수 탱크 10 : 산화제측 물 회수기

11 : 산화제측 탱크 12 : 축수 탱크

13 : 냉각용 방열기 14~18 : 펌프

100 : 고체 고분자형 연료 전지 시스템

Claims (18)

1. 연료 가스 및 산화제 가스가 공급되어 소정의 발전 부위가 소정 온도로 동작해서 발전하는 연료 전지와, 상기 공급되는 연료 가스 및 산화제 가스를 가습하는 가습 수단을 구비하는 고체 고분자형 연료 전지 시스템으로서,

   상기 연료 가스 및 산화제 가스가 상기 가습 수단에 의해 상기 소정 온도보다 높은 이슬점을 갖도록 가습되어 상기 연료 전지에 공급되는

   고체 고분자형 연료 전지 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 소정의 발전 부위가 상기 연료 전지에서의 상기 공급되는 상기 연료 가스 및 산화제 가스가 상기 발전을 위한 전기 화학 반응에 최초로 소비되는 부위인 고체 고분자형 연료 전지 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 이슬점의 범위가 상기 연료 전지에서 플러딩(flooding) 현상을 유발하지 않는 상한으로서의 이슬점과 상기 소정 온도의 하한으로서의 이슬점으로 정해지는 범위인 고체 고분자형 연료 전지 시스템.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 이슬점의 범위가 50℃ 이상이고 또한 70℃ 이하인 고체 고분자형 연료 전지 시스템.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 가습 수단이 상기 연료 전지로부터 배출되는 배출물을 이용하여 상기 소정 온도보다 높은 이슬점을 갖도록 상기 연료 가스 및 산화제 가스를 가습하는 고체 고분자형 연료 전지 시스템.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 가습 수단이 상기 연료 전지로부터 배출되는 배출물과 물의 혼합물을 이용하여 상기 소정 온도보다 높은 이슬점을 갖도록 상기 연료 가스 및 산화제 가스를 가습하는 고체 고분자형 연료 전지 시스템.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,

   상기 배출물이 상기 연료 전지로부터 배출되는 연료 가스와 산화제 가스 중 적어도 어느 것인 고체 고분자형 연료 전지 시스템.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 연료 전지로부터 배출되는 연료 가스 및 산화제 가스로부터 물을 회수하는 물 회수기를 더 구비하고,

   상기 물 회수기에서 회수된 물이 상기 혼합물의 물로서 이용되는

   고체 고분자형 연료 전지 시스템.
9. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,

   상기 가습 수단이 전열교환기와 해당 전열교환기를 가열할 수 있는 가열 장치를 구비하고,

   상기 배출물 또는 상기 혼합물과 상기 연료 가스 및 산화제 가스가 상기 전열교환기에 공급되어 서로 전열교환되고 또한 상기 전열교환기가 상기 가열 장치에서 가열되어 상기 소정 온도보다 높은 이슬점을 갖도록 상기 연료 가스 및 산화제 가스가 가습되는

   고체 고분자형 연료 전지 시스템.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 가열 장치가 상기 연료 가스 또는 상기 연료 전지로부터 배출되는 연료 가스를 연소하여 발생하는 열을 이용해서 상기 전열교환기를 가열하는 고체 고분자형 연료 전지 시스템.
11. 제 9 항에 있어서,

    상기 가열 장치가 상기 연료 가스 또는 상기 연료 전지로부터 배출되는 연료 가스와 상기 산화제 가스 또는 상기 연료 전지로부터 배출되는 산화제 가스와의 촉매 연소에 의해서 발생되는 열을 이용하여 상기 전열교환기를 가열하는 고체 고분자형 연료 전지 시스템.
12. 제 9 항에 있어서,

    상기 연료 전지가, 열매체가 통류되어 상기 소정 온도로 동작하여 발전하고,

    상기 가열 장치가 상기 연료 전지로부터 배출되는 상기 열매체의 열을 이용하여 상기 전열교환기를 가열하는

    고체 고분자형 연료 전지 시스템.
13. 제 9 항에 있어서,

    상기 연료 가스의 전구체로부터 상기 연료 가스를 생성하는 개질기를 더 구비하고,

    상기 가열 장치가 상기 전구체를 연소하여 발생하는 열을 이용하여 상기 전열교환기를 가열하는

    고체 고분자형 연료 전지 시스템.
14. 제 9 항에 있어서,

    상기 연료 가스의 전구체로부터 상기 연료 가스를 생성하는 개질기를 더 구비하고,

    상기 가열 장치가 상기 개질기로부터 배출되는 폐열을 이용하여 상기 전열교환기를 가열하는

    고체 고분자형 연료 전지 시스템.
15. 제 9 항에 있어서,

    상기 가열 장치가 상기 전열교환기를 직접적으로 가열하는 직접 가열형 가열 장치인 고체 고분자형 연료 전지 시스템.
16. 제 9 항에 있어서,

    상기 가열 장치가 상기 전열교환기를 간접적으로 가열하는 간접 가열형 가열 장치인 고체 고분자형 연료 전지 시스템.
17. 제 1 항에 있어서,

    상기 연료 전지와 상기 가습 수단이 일체화되고 또한 일괄 단열되어 있는 고체 고분자형 연료 전지 시스템.
18. 연료 가스 및 산화제 가스가 공급되어 소정의 발전 부위가 소정 온도로 동작하여 발전하는 연료 전지와, 상기 공급되는 연료 가스 및 산화제 가스를 가습하는 가습 수단을 이용하는 고체 고분자형 연료 전지 시스템의 운전 방법으로서,

    상기 연료 가스 및 산화제 가스를 상기 가습 수단에 의해 상기 소정 온도보다 높은 이슬점을 갖도록 가습하고,

    상기 가습한 상기 소정 온도보다 높은 이슬점을 갖는 상기 연료 가스 및 산화제 가스를 상기 연료 전지에 공급하는

    고체 고분자형 연료 전지 시스템의 운전 방법.