KR20070085778A - 연료 전지 발전 시스템과 그 정지 상태 유지 방법, 정지상태 유지 프로그램 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 연료 전지 발전 시스템은 전해질을 사이에 끼워 배치된 양극과 음극을 각각 갖는 전지를 복수 적층하여 구성되는 연료 전지 스택, 연료 전지 스택에 연료 및 산화제를 각각 공급하는 연료 공급 라인 및 산화제 공급 라인, 및 연료 전지 스택으로 공급된 연료 및 산화제를 각각 배출하는 연료 배출 라인 및 산화제 배출 라인을 구비한다. 상기 연료 전지 발전 시스템을 발전 정지 상태로 하고 그 정지 상태를 유지하는 과정에서, 연료 전지 발전 시스템의 발전 정지 상태를 유지하는 방법은 연료 전지 발전 시스템을 발전 정지 상태로 하는 과정에서 산화제 공급 라인을 차단하는 단계, 산화제 공급 라인 차단 단계에 의해 산화제 공급 라인을 차단한 상태에서, 양극을 기준으로 한 전지 전압이 ―1.2Ｖ 이상 0.1Ｖ 미만이 될 때까지 음극으로부터 외부 회로를 통하여 양극에 직류 전류를 인가하는 단계, 직류 전류 인가 단계의 개시 시점 후, 산화제 배출 라인을 차단하는 단계, 및 직류 전류 인가 단계의 종료 시점 후, 연료 배출 라인 및 연료 공급 라인을 차단하는 단계를 구비한다.
연료 전지 스택, 개량기, 전기 제어기 , 수소 저장 탱크, 시스템 제어기
Description
본 발명은 전지를 복수 적층하여 구성되는 연료 전지 스택(stack)에 연료 및 산화제를 각각 공급하여 전기 화학 반응에 의해 발전을 행하는 연료 전지 발전 시스템, 및 그 발전 정지시에 발전 정지 상태를 유지 및 제어하기 위한 발전 정지 상태 유지 기술에 관한 것이다.
연료 전지 발전 시스템은 공기 등의 산화제와 연료를 연료 전지에 공급하여 반응시키고 전기 에너지를 추출함으로써, 수소 등의 연료의 화학 에너지를 전기 에너지로 전기 화학적으로 변환하는 장치이다. 이 연료 전지 발전 시스템은 비교적 소형임에도 불구하고 고효율이고, 환경성이 우수하다. 또한, 발전으로 인한 발열을 온수나 증기로서 회수함으로써 열병합(cogeneration) 시스템으로서 사용할 수 있다.
이러한 연료 전지는 전해질의 타입(type)에 따라 다양한 타입으로 분류된다. 이 연료 전지 중에서, 전해질로서 고체 고분자 전해질막을 이용한 고체 고분자 연료 전지는 저온 동작 및 고출력 밀도가 가능하고, 따라서 일반 가정용의 소형 열병 합 시스템이나 전기 자동차용의 동력원으로서의 용도에 적합하다. 그러므로 앞으로 고체 고분자 연료 전지의 시장 규모가 급격히 확대될 것이 기대된다.
고체 고분자 연료 전지 발전 시스템, 예를 들면 일반 가정용의 소형 열병합 시스템은 도시가스나 LPG 등으로 대표되는 탄화수소계 연료로부터 수소 함유 가스를 제조하는 개량기, 개량기에서 제조된 수소 함유 가스와 대기중의 공기를 양극과 음극으로 각각 공급하여 기전력을 발생시키는 연료 전지 스택, 연료 전지 스택에서 발생한 전기 에너지를 외부 부하에 공급하는 전기 제어기, 및 발전에 동반되는 발열을 회수하는 열 재사용 시스템을 구비한다.
이처럼 연료가 공급되어 연료 전지 발전 시스템을 작동하고, 연료 투입량에 대한 출력 비율로 정의되는 발전 효율이 증가하므로, 연료 소비가 저하되어 사용자 이득이 증가될 수 있다. 따라서, 발전 효율은 연료 전지 발전 시스템의 성능을 나타내는 지표이다.
연료 전지 발전 시스템에서 실제로 발전 기능을 담당하고 있는 연료 전지 스택은 동작에 따른 다양한 요인에 의해 시간이 경과함에 따라 전압이 저하되고, 결과적으로 연료 전지 발전 시스템의 발전 효율이 저하된다. 발전 효율이 높은 연료 전지 발전 시스템을 제공하기 위해서는 연료 전지 스택의 시간 경과에 따른 전압 저하를 방지하는 것이 가장 중요하다.
일반적으로 연료 전지 발전 시스템의 동작은 사용자의 전력 수요에 따라 정기적으로 정지한다. 반응 가스 공급이 중단되어 유지되는 정지 상태 중에는 연료 전지의 양극(anode; 연료극)과 음극(cathode; 산화제극)에 외부로부터 공기가 혼입 된다. 양극과 음극의 양 전극에 산소가 존재하는 상태인 채, 개시시에 양극에 수소 농후 가스를 공급하면, 국소적으로 음극 촉매의 열화가 발생하여 연료 전지 스택의 전압 저하를 일으킨다. 따라서, 적어도 음극의 산소 분압을 미리 저감시켜둘 필요가 있다.
음극의 산소 분압을 저감시키기 위한 몇 가지 방법이 알려져 있다. 예를 들면, 연료 전지 발전 시스템의 동작 개시 전에 산소를 질소로 치환(purge)하거나, 연료가 공급되면 고정 부하를 접속해서 음극의 잔존 산소를 소비한다. 연료 전지 발전 시스템의 정지 상태가 유지되는 동안 음극을 산소 분위기로 유지하면, 음극이 고전위 유지에 의해 음극의 촉매가 신터링(sintering)되거나, 산소 양극으로의 산소의 투과에 의해 전해질막이 열화한다. 따라서, 정지 상태가 유지되는 동인에도 음극을 환원 분위기로 유지하는 것이 바람직하다.
발전 정지를 위해, 예를 들면 질소 치환에 의해 음극의 산소 분압을 저감시키고 연료 전지를 밀봉하는 방법이 널리 채용되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1: 일본 공개특허 2004－6166호 공보 참조). 또한, 외부 전원에 접속된 연료 전지로 수분을 전기분해하고 음극을 수소 함유 가스로 충전한다. 그리고, 연료 전지를 밀봉한다(예를 들면, 특허문헌 2: 일본 공개특허 2002－93448호 공보 참조). 이 기술은 질소 치환을 이용하는 기술에서는 곤란했던 음극의 잔류 산소를 완전히 제거하는 것을 가능하게 한다.
그러나, 종래의 연료 전지 발전 시스템의 정지 상태 유지 방법에는 다음과 같은 단점이 있다.
특허문헌 1에 기재된 방법에서는, 밀봉재의 경시 열화 및 기능의 한계 때문에, 정지 상태가 유지되는 동안 외부로부터 미량의 공기가 연료 전지 내부로 점차 혼입된다. 결과적으로, 연료 전지가 환원 분위기로 유지되는 시간이 짧아진다. 따라서, 특허문헌 1의 방법은 장기 정지에 적합하지 않다.
한편, 특허문헌 2에 기재된 방법은 특허문헌 1에 기재된 방법의 단점이 개선된다. 그러나, 수분을 전기분해하여 음극에서 수소를 발생시키기 위해서는 연료 전지의 양극에 인가하는 전압이 적어도 표준 상태에서의 평형 전위 1.22Ｖ로 설정될 필요가 있다. 따라서 양극의 고전위 유지에 의해 촉매의 신터링이나 담지체 카본의 부식이 발생하여 촉매가 열화된다.
양극 촉매로서 PtRu 등의 높은 CO 내성을 갖는 합금 촉매를 사용하면, 양극 전위의 상승에 의해 Ru 등의 합금종의 용출이 가속되어 CO 내성이 저하된다.
고체 고분자 연료 전지는 전해질막이 소정량의 수분을 함유하고 수분을 유지할 필요가 있다. 정지 상태가 유지되는 동안 수분을 전기분해하면, 수분의 소비에 동반되는 전해질막에 함유된 수분의 저하로 인해, 동작 재개시 후에 연료 전지의 성능이 저하된다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 본 발명은 장기에 걸쳐 연료 전지 스택 내부의 산소 분압의 상승을 방지하여 촉매의 열화를 방지할 수 있고, 또한 연료 전지 발전 시스템이 발전 정지 상태가 되거나 정지 상태를 유지할 때 야기되는 연료 전지 성능의 저하를 방지할 수 있는 연료 전지 발전 시스템을 제공하고, 정지 상태를 유지하기 위한 방법 및 프로그램도 제공한다.
본 발명은, 상기 목적을 달성하기 위해, 연료 전지 발전 시스템을 발전 정지 상태로 하는 과정에서 산화제 공급 라인을 차단한 후, 양극에 수소 농후 가스를 공급한 상태에서 양극을 기준으로 한 전지 전압이 －1.2Ｖ 이상 0.1Ｖ 미만의 수준이 될 때까지 음극으로부터 외부 회로를 통하여 양극에 직류 전류를 인가함으로써, 이하의 반응식으로 표현되는 바와 같은 수소 펌프를 이루었다. 수소 펌프는 수소를 양극으로부터 음극으로 이동시켜 양극의 고전위 유지를 동반하지 않고 음극을 충전한다. 정지 상태가 유지되는 동안 밀봉된 수소는 외부로부터 혼입된 산소를 소비하고, 따라서 산소 분압의 상승에 기인한 전위 상승이 억제된다.
양극 : H2→2H++2e－
음극 : 2H++2e－→H2
본 발명의 정지 상태 유지 방법은 연료 전지 발전 시스템을 발전 정지하고 정지 상태를 유지하는 과정에서 다음과 같은 단계를 실시한다. 연료 전지 발전 시스템은 전해질을 사이에 끼운 양극 및 음극을 각각 갖는 전지를 복수 적층하여 구성되는 연료 전지 스택, 연료 전지 스택에 연료 및 산화제를 각각 공급하는 연료 공급 라인 및 산화제 공급 라인, 연료 전지 스택으로 공급된 연료 및 산화제를 각각 배출하는 연료 배출 라인 및 산화제 배출 라인을 구비한다.
먼저, 연료 전지 발전 시스템을 발전 정지 상태로 하는 과정에서, 산화제 공급 라인을 차단하는 산화제 공급 라인 차단 단계를 실시한다. 그리고, 산화제 공급 라인 차단 단계에 의해 산화제 공급 라인을 차단한 상태로 직류 전류 인가 단계를 실시한다. 직류 전류 인가 단계는 양극을 기준으로 한 전지 전압이 －1.2Ｖ 이상 0.1Ｖ 미만이 될 때까지 음극으로부터 외부 회로를 통하여 양극에 직류 전류를 인가한다. 직류 전류 인가 단계의 개시 시점 이후에, 산화제 배출 라인을 차단하는 산화제 배출 라인 차단 단계를 실시한다. 직류 전류 인가 단계의 종료 시점 이후에, 연료 배출 라인 및 연료 공급 라인을 차단하는 연료 배출·공급 라인 차단 단계를 실시한다.
본 발명에 따른 정지 상태 유지 프로그램 및 연료 전지 발전 시스템은 컴퓨터 프로그램 및 시스템에서의 상기 정지 상태 유지 방법을 특징을 구체화하였다.
상술한 특징을 갖는 본 발명에 따르면, 연료 전지 발전 시스템을 발전 정지 상태로 하는 과정에서, 양극에 공급한 수소 농후 가스를 전기 화학적으로 음극으로 이동시킴으로써 양극뿐 아니라 음극에도 수소 농후 가스가 충전된다. 정지 상태를 유지하는 동안, 밀봉된 수소에 의해 외부로부터 혼입된 산소가 소비되므로, 정지 상태를 유지하는 동안, 양극 및 음극의 산소 분압의 상승이 방지된다.
결과적으로, 본 발명은 정지 상태 유지중 산소 분압의 상승에 동반되는 음극의 고전위 유지에 의한 촉매의 신터링 및 양 전극에 산소가 혼입된 상태로 수소 농후 가스를 공급하면 발생하는 음극의 촉매 열화를 방지한다. 따라서, 음극의 촉매 유효 표면적의 저하가 방지될 수 있고, 촉매 유효 표면적의 저하에 기인하는 연료 전지 스택의 전압 저하가 방지될 수 있다.
또한, 수분의 전기분해를 행하는 경우와 같은 양극의 고전위 유지를 동반하지 않고, 양극에 공급한 수소 농후 가스를 전기 화학적으로 음극에 이동시킴으로써, 양극의 고전위 유지에 기인한 신터링을 방지할 수 있다.
본 발명은 연료 전지 발전 시스템, 및 그 시스템의 정지 상태를 유지하는 방법 및 프로그램을 제공할 수 있다. 이들 시스템, 방법, 및 프로그램은 연료 전지 발전 시스템을 발전 정지 상태로 하는 과정에서 산화제 공급 라인을 차단한 후, 양극을 기준으로 한 전지 전압이 －1.2Ｖ 이상 0.1Ｖ 미만이 될 때까지 음극으로부터 외부 회로를 통하여 양극에 직류 전류를 인가함으로써, 연료 전지 스택 내부의 산소 분압의 상승을 방지할 수 있어 장기에 걸쳐 촉매의 열화를 방지하고, 연료 전지 발전 시스템의 발전 정지 상태 및 정지 상태 유지로 인한 연료 전지 성능 저하도 방지할 수 있다.
정지 상태를 유지하기 위한 방법 및 프로그램을 구현한 연료 전지 발전 시스템은 전해질을 사이에 끼워 배치된 양극과 음극을 각각 갖는 전지를 복수 적층하여 구성되는 연료 전지 스택, 연료 전지 스택에 연료 및 산화제를 각각 공급하는 연료 공급 라인 및 산화제 공급 라인, 연료 전지 스택에 공급된 연료 및 산화제를 각각 배출하는 연료 배출 라인 및 산화제 배출 라인, 연료 전지 스택에서 얻어진 전기 에너지를 외부 부하에 전달하는 정상 부하 동작 모드와 연료 전지 스택의 기전력이 없는 상태에서 음극으로부터 외부 회로를 통하여 양극으로 직접 전류를 인가하는 전류 소스 모드를 갖는 전기 제어 수단, 및 연료 공급 라인 및 산화제 공급 라인과 전기 제어 수단을 제어하는 시스템 제어 수단을 구비한다. 시스템 제어 수단은 발전을 정지하는 과정에서 산화제 공급 라인을 차단하고, 산화제 공급 라인이 차단된 상태에서 전기 제어 수단을 발전 정지 과정에서 부하 동작 모드로부터 전류 소스 모드로 전환하여 음극으로부터 외부 회로를 통하여 양극에 직류 전류를 인가하고, 양극을 기준으로 한 전지 전압이 －1.2Ｖ 이상 0.1Ｖ 미만이 된 시점에서 전기 제어 수단을 중단시키며, 전기 제어 수단을 전류 소스 모드로 전환한 시점 이후에 산화제 배출 라인을 차단하고, 전기 제어 수단이 전류 소스 모드에서 중단된 시점 이후에 연료 배출 라인 및 연료 공급 라인을 차단한다.
연료 전지 발전 시스템의 시스템 제어 수단은 동작 시퀀스 프로그램이 미리 저장된 메모리, 및 시퀀스 프로그램을 판독하고 입출력부를 통하여 제어 지령을 내리는 CPU를 구비한다. 상기 시스템은 연료 공급 라인에 설치된 개량기 및 산화제 공급 라인에 설치된 송풍기를 더 구비한다. 개량기 및 송풍기는 시스템 제어기에 의해 제어되어, 연료로서의 개량 가스(수소)와 산화제로서의 공기의 공급량을 제어한다.
도 1은 본 발명을 적용한 제 1 실시예에 따른 연료 전지 발전 시스템의 블록도.
도 2는 제 1 실시예에 따른 정지 상태를 유지하는 방법에서 연료 전지 발전 시스템을 발전 정지 상태로 하는 순서의 플로 차트.
도 3은 제 1 실시예에 따른 정지 상태를 유지하는 방법에서 발전을 개시하는 순서의 플로 차트.
도 4는 제 1 실시예에 따른 정지 상태를 유지하는 방법에서 발전을 정지하는 동작의 타이밍 차트.
도 5는 제 1 실시예에 따른 정지 상태를 유지하는 방법의 효과를 나타내고, 제 1 실시예의 연료 전지 발전 시스템 및 비교예에서 실시된 사이클 테스트에서의 개시／정지 사이클의 수 및 음극의 촉매 유효 표면적 사이의 관계를 나타내는 그래프.
도 6은 제 1 실시예에 따른 정지 상태를 유지하는 방법의 효과를 나타내고, 제 1 실시예의 연료 전지 발전 시스템 및 비교예에서의 초기 촉매 유효 표면적에 대한 사이클 테스트 후의 양극 촉매의 유효 표면적비를 나타내는 그래프.
도 7은 본 발명을 적용한 제 1 실시예의 일 변형예에 따른 연료 전지 발전 시스템의 정지 상태 유지 방법에서 연료 전지 발전 시스템을 발전 정지 상태로 하는 순서의 플로 차트.
도 8은 변형예에 따른 정지 상태 유지 방법에서의 발전 정지 동작의 타이밍 차트.
도 9는 제 1 실시예 및 제 1 실시예의 다른 변형예에 따른 정지 상태 유지 방법에서 연료 전지 발전 시스템을 발전 정지 상태로 하는 순서의 플로 차트.
도 10은 후자의 변형예에 따른 방법에서의 발전을 정지하는 순서의 플로 차트.
도 11은 본 발명을 적용한 제 2 실시예에 따른 연료 전지 발전 시스템의 블록도.
도 12는 본 발명을 적용한 제 3 실시예에 따른 연료 전지 발전 시스템의 블록도.
도 13은 제 3 실시예에 따른 정지 상태 유지 방법에서의 발전을 정지하는 순서의 플로 차트.
도 14는 제 3 실시예에 따른 정지 상태 유지 방법에서의 발전을 정지하는 동작의 타이밍 차트.
도 15는 본 발명을 적용한 제 4 실시예에 따른 연료 전지 발전 시스템의 블록도.
도 16은 제 4 실시예에 따른 정지 상태 유지 방법에서 정지 상태를 유지하는 동안 수소를 공급하는 순서의 플로 차트.
도 17은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 연료 전지 발전 시스템의 블록도.
이하에, 관련 도면을 참조하여 본 발명을 적용한 실시예를 구체적으로 설명한다.
[제 1 실시예]
[구성]
도 1은 본 발명을 적용한 제 1 실시예에 따른 연료 전지 발전 시스템의 블록도이다. 도면에서 블록을 접속시키는 실선은 가스 접속을 나타내고, 파선 및 쇄선은 전기 접속을 나타낸다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 제 1 실시예의 연료 전지 발전 시스템은 연료 전 지 스택(1), 개량기(2), 및 전기 제어기(3)를 구비한다. 실제로는 연료 전지 스택(1)은 서로 적층된 복수의 전지로 구성된다. 각 전지는 전해질을 사이에 끼워 양극 및 음극을 구비한다. 간략화를 목적으로, 도면에 나타낸 연료 전지 스택(1)은 양극(1a) 및 음극(1b)으로 구성된 것처럼 묘사된다.
개량기(2)에 의해 도시가스를 수증기 개량하여 준비된 개량 가스는 연료 공급 라인(11)을 통하여 연료 전지 스택(1)의 양극(1a)에 공급되고, 연료 배출 라인(12)을 통하여 배출된다. 음극(1b)은 산화제 공급 라인(13)을 통하여 송풍기(4)로부터 공기를 받는다. 공기는 산화제 배출 라인(14)을 통하여 배출된다. 연료 전지 스택(1)에서 얻어진 전기 에너지는 전기 제어기(3)에 의해, 모터 등의 외부 부하(5)로 전달된다.
전기 제어기(3)는 연료 전지 스택(1)에서 얻어진 전기 에너지를 외부 부하(5)에 전달하는 정상 부하 동작 모드, 및 연료 전지 스택(1)의 기전력이 없는 상태에서 음극(1b)으로부터 전기 제어기(3)와, 외부 전원(200)을 포함하는 외부 회로를 통하여 양극(1a)으로 직류 전류를 인가하는 전류 소스 모드를 갖는다. 시스템 제어기(100)는 개량기가 개량 가스량을 제어하도록 지시하여, 직류 전류의 크기에 따른 개량 가스량이 양극(1a)에 공급된다.
개량 가스 또는 공기를 연료 전지 스택(1)으로 공급하는, 또는 연료 전지 스택(1)으로부터 배출하는 라인(11 내지 14)은 연료 전지 스택(1)을 밀봉하는 밸브(15 내지 18)를 각각 갖는다. 더 자세하게는, 양극(1a)의 입구에는 연료 공급 라인(11)을 차단하는 양극 입구 밸브(15)가 설치되고, 양극(1a)의 출구에는 연료 배출 라인(12)을 차단하는 양극 출구 밸브(16)가 설치된다. 또한, 음극(1b)의 입구에는 산화제 공급 라인(13)을 차단하는 음극 입구 밸브(17)가 설치되고, 음극(1b)의 출구에는 산화제 배출 라인(14)을 차단하는 음극 출구 밸브(18)가 설치된다.
연료 전지 발전 시스템의 상기 각 요소는 시스템 제어기(100)로부터의 제어 지령에 의해 제어된다. 더 자세하게는, 시스템 제어기(100)로부터의 제어 지령에 따라 전기 제어기(3)는 모드를 전환하고 동작을 개시 또는 정지한다. 개량기(2), 송풍기(4) 및 4개의 밸브(15 내지 18)도 시스템 제어기(100)로부터의 제어 지령에 의해 개시 또는 중단, 또는 개폐가 제어된다.
시스템 제어기(100)는 CPU(101), 메모리(102), 및 입출력부(부재)(103)를 구비한다. CPU(101)는 동작 시퀀스 프로그램을 미리 저장한 메모리(102)로부터 시퀀스 프로그램을 판독하고, 시퀀스 프로그램에 따라 입출력부(103)를 통하여 밸브의 개폐, 송풍기의 출력 제어, 개량기의 제어, 또는 전기 제어기의 동작 모드 전환 등의 제어 지령을 내린다. 도면에 나타낸 일점 쇄선은 시스템 제어기(100)와 각 부 사이에서 오가는 제어 지령 등의 신호를 나타낸다.
시스템 제어기(100)는, 예를 들면 본 발명에 따른 정지 상태 유지용으로 특화된 프로그램을 저장한 마이크로컴퓨터에 의해 구현된다.
[발전 정지 순서]
도 2는 제 1 실시예에 따른 정지 상태를 유지하는 방법에서 연료 전지 발전 시스템을 발전 정지 상태로 하는 순서의 플로 차트이다. 도 2에 나타낸 바와 같 이, 연료 전지 발전 시스템의 발전 중에 시스템 제어기(100)가 발전 정지 지령을 내리면, 송풍기(4)로부터 음극(1b)으로의 공기 공급이 중단되고(S101), 산화제 공급 라인(13)에 설치된 음극 입구 밸브(17)가 차단되며(S102), 전기 제어기(3)를 구비한 외부 회로의 외부 전원(200)에 의해 부하 동작 모드가 계속된다(S103). 부하 동작 모드는 양극(1a)을 기준으로 한 전지 전압(연료 전지 스택(1)의 평균 셀 전압)이 미리 설정된 모드 전환 전압 V0로 저하될 때까지 계속된다(S104의 NO). 모드 전환 전압은, 예를 들면 V0＝0.1Ｖ로 설정한다.
양극(1a)을 기준으로 한 전지 전압이 0.1Ｖ까지 저하되면(S104의 YES), 전기 제어기(3)는 부하 동작 모드로부터 전류 소스 모드로 전환되고, 음극(1b)으로부터 전기 제어기(3)를 포함하는 외부 회로를 통하여 양극(1a)에 직류 전류가 인가된다(S105). 전류 소스 모드는 양극(1a)을 기준으로 한 전지 전압이 －1.2Ｖ 이상 0.1Ｖ 미만이 될 때까지 저하시킨 후, 미리 설정된 유지 시간 Th를 경과할 때까지 계속된다(S106의 NO). 본 실시예에서, 유지 시간은, 예를 들면 Th＝120초로 설정한다.
그리고, 전기 제어기(3)는 양극(1a)을 기준으로 한 전지 전압이 －1.2Ｖ 이상 0.1Ｖ 미만이 될 때까지 저하된 후, 120초간 경과한 시점(S106의 YES)에 중단된다(S107). 그리고, 이 후, 산화제 배출 라인(14)에 설치된 음극 출구 밸브(18)를 차단하여(S108) 개량기(2)로부터 양극(1a)으로의 개량 가스의 공급을 중단(S109)한다. 연료 공급 라인(11)에 설치된 양극 입구 밸브(15) 및 연료 배출 라인(12)에 설치된 양극 출구 밸브(16)를 각각 차단하여(S110) 연료 전지 스택(1)을 밀봉함으로써 발전이 완전히 정지된다. 발전 정지 동작의 결과, 연료 전지 발전 시스템은 정지 상태가 유지되는 상태로 된다.
[발전 개시 순서]
도 3은 본 발명에 따른 연료 전지 발전 시스템의 정지 상태를 유지하는 방법에서 발전을 개시하는 순서의 플로 차트이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 발전 시스템의 정지 상태가 유지되는 동안 지령이 내려지면, 연료 공급 라인(11)에 설치된 양극 입구 밸브(15) 및 연료 배출 라인(12)에 설치된 양극 출구 밸브(16)를 열고(S201), 개량기(2)로부터 양극(1a)으로 개량 가스의 공급을 개시한다(S202). 그리고, 산화제 공급 라인(13)에 설치된 음극 입구 밸브(17) 및 산화제 배출 라인(14)에 설치된 음극 출구 밸브(18)를 열고(S203), 송풍기(4)로부터 음극(1b)으로의 공기의 공급을 개시한다(S204).
그리고, 양극(1a)을 기준으로 한 전지 전압이 미리 설정된 부하 동작 개시 전압 VS에 도달하면(S205의 YES), 전기 제어기(3)는 부하 동작 모드로 전환되고, 외부 부하(5)에 접속된 후, 발전을 개시한다(S206). 발전 개시 동작은 이렇게 완료된다. 본 실시예에서, 부하 동작 개시 전압은, 예를 들면 VS＝0.9Ｖ로 설정한다. 개시 동작의 결과, 연료 전지 발전 시스템은 발전의 정상 상태가 된다.
[동작]
도 4는 본 실시예에 따른 정지 상태 유지 방법에서 연료 전지 발전 시스템을 발전 정지 상태로 하는 동작의 타이밍 차트를 나타내고, 이 타이밍 차트는 시스템 제어기(100)로부터 시스템의 각 부로의 제어 지령의 타이밍, 및 연료 전지 스택(1)의 평균 셀 전압의 시간에 따른 변화를 나타낸다. 본 실시예에 따른 연료 전지 발전 시스템의 정지 상태 유지 방법의 동작은 이하에 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 스택(1)이 발전하는 상태, 즉, 외부 부하(5)에 전원을 공급하면서 양극(1a) 및 음극(1b)에 수소 농후 개량 가스와 공기를 각각 공급하는 발전 상태로부터 발전이 정지될 때, 음극(1a)으로의 공기 공급을 중단하면, 음극(1b)에 잔류된 산소가 소비된다. 결과적으로, 음극(1b)의 전위가 양극(1a)의 전위인 수소 기준 전위 근방까지 저하되어, 연료 전지 스택(1)의 기전력은 0.1Ｖ 부근까지 저하된다.
이처럼 연료 전지 스택(1)의 기전력이 없는 상태에서, 전기 제어기(3)를 부하 동작 모드로부터 전류 소스 모드로 전환하고, 외부 회로를 통하여 음극(1b)으로부터 양극(1a)에 직류 전류가 계속 흐르면, 양극(1a)으로 공급된 수소의 산화에 의해 발생된 양성자가 음극(1b)으로 이동한다. 음극(1b)에서의 양성자의 환원에 의해 수소가 생성되므로, 양극(1a)과 음극(1b)은 수소 농후 가스로 충전된다.
이때의 연료 전지 스택(1)의 평균 셀 전압은 0.1Ｖ로부터 과전압 상당분의 전압이 저하된다. 본 실시예에서는, 과전압 상당분의 전압을 적어도 1.2Ｖ 미만으로 제어, 즉, 양극을 기준으로 한 평균 셀 전압을 적어도 －1.2Ｖ 이상으로 제어한다. 따라서, 출발 물질로서 물을 이용한 수분의 전기분해에 의한 수소 발생 반응과 다른 반응이 발생한다.
본 실시예에서는, 직류 전류의 크기에 의해 양극(1a)으로 공급하는 개량 가스량을 결정하고 있으므로, 양극(1a)의 연료 결핍에 기인하는 촉매 부식을 방지할 수 있다. 그리고, 음극(1b) 및 양극(1a)의 각 출입구에 설치된 밸브(15∼18)를 차단하여, 연료 전지 스택(1)의 양극(1a) 및 음극(1b)은 수소 농후 가스가 충전된 상태로 밀봉된다.
자세하게는, 본 실시예의 연료 전지 발전 시스템을 발전 정지 상태로 하는 과정에서는, 수분의 전기분해를 행하는 경우와 같은 양극(1a)의 고전위 유지를 동반하지 않고, 양극(1a)에 공급한 수소 농후 가스를 전기 화학적으로 음극(1b)에 이동시킴으로써, 양극(1a)뿐 아니라 음극(1b)에도 수소 농후 가스가 충전된다. 충전된 수소에 의해 정지 상태 유지시에 외부로부터 혼입된 산소가 소비되므로, 정지 상태 유지시의 양극(1a)과 음극(1b)의 산소 분압의 상승을 방지할 수 있다. 도 4 및 후속 도면에 나타낸 부호 P는 양극 압력, 또는 양극 압력과 음극 압력의 합계의 상한값을 나타낸다.
[장점]
도 5 및 도 6은 본 실시예의 연료 전지 발전 시스템의 정지 상태 유지 방법의 효과를 나타낸다. 본 실시예의 연료 전지 발전 시스템의 효과를 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한다.
도 5는 본 실시예의 연료 전지 발전 시스템 및 비교예 1에서 실시된 사이클 테스트에서의 개시／정지 사이클의 수 및 음극의 촉매 유효 표면적 사이의 관계를 나타낸다. 더 자세하게는, 도 5는 구체적으로는 12시간의 발전과 12시간의 정지 상태 유지를 1사이클로 한 사이클 테스트를 60회 실시한 경우의 연료 전지 스택(1)을 구성하는 음극 촉매의 유효 표면적의 변화(초기값: 100％)를 나타낸다.
도 6은 본 실시예의 연료 전지 발전 시스템 및 비교예 2의 촉매의 초기 표면적(100％)에 대한 사이클 테스트 후의 양극 촉매의 유효 표면적의 비를 나타낸 그래프이다. 사이클 테스트에서, 전지 동작의 정지 또는 개시 전후에 질소 치환 등의 불활성 가스 치환은 생략된다.
도 5, 도 6에 나타낸 비교예 1 및 비교예 2의 연료 전지 발전 시스템은 도 1에 나타낸 본 실시예의 연료 전지 발전 시스템과 동일한 구성을 갖고, 이하에 기재한 발전 정지 순서를 제외하고는 본 실시예와 동일한 조건이다.
도 5에 나타낸 비교예 1에서, 연료 전지 발전 시스템에 종래의 정지 상태 유지 방법을 적용하였다. 이 방법에서는, 부하 제거 후, 음극(1b)의 질소 치환에 의해 산소 분압을 충분히 저하시킨 후에 양극(1a) 및 음극(1b)의 출입구에 설치한 밸브(15∼18)를 차단하여 연료 전지 스택(1)을 밀봉함으로써 정지 상태를 유지한다.
도 6에 나타낸 비교예 2에서, 연료 전지 발전 시스템에 또다른 종래의 정지 상태 유지 방법을 적용하였다. 이 방법에서는,연료 전지 발전 시스템이 발전 정지 상태가 되면, 양극(1a)에 개량 가스를 공급하면서, 양극(1a)이 1.8Ｖ가 되도록 음극(1b)에 120초 동안 직류 전류를 인가하고, 전극에 잔류한 수분을 전기분해하여 음극(1b)을 수소로 충전한다. 그리고, 양극(1a) 및 음극(1b)의 출입구에 설치된 밸브(15∼18)를 차단하여 연료 전지 스택을 밀봉한다.
도 5는 비교예 1에서 보이는 바와 같은 음극의 촉매 열화에 동반되는 촉매 유효 표면적의 저하가 본 실시예에서는 개선되었음을 명백하게 나타낸다. 본 실시예의 연료 전지 발전 시스템의 정지 상태 유지 방법에 의하면, 정지 상태 유지시에 외부로부터 혼입된 산소가 양극뿐 아니라 음극에도 미리 충전된 수소에 의해 소비되기 때문에, 정지 상태 유지시의 산소 분압의 상승을 방지할 수 있다.
따라서, 본 실시예의 방법은 정지 상태 유지시의 산소 분압의 상승에 동반되는 음극의 고전위 유지에 의한 촉매의 신터링이나, 동작 개시시에 양 전극에 산소가 혼입된 상태로 수소 농후 가스를 공급한 때 발생하는 음극의 촉매 열화를 방지할 수 있다. 따라서, 음극의 촉매 유효 표면적의 저하를 방지할 수 있고, 촉매 유효 표면적의 저하에 기인하는 연료 전지 스택의 전압 저하를 방지할 수 있다.
도 6은 양극의 촉매 열화에 동반되는 촉매 유효 표면적의 저하가 본 실시예에서는 개선되었음을 명백하게 나타낸다. 그러므로, 본 실시예의 연료 전지 발전 시스템의 정지 상태 유지 방법은 음극에 수소를 충전하는 동작에서, 수분의 전기분해와는 다르게, 양극을 고전위로 유지하지 않고 양극에 공급한 수소 농후 가스를 전기 화학적으로 음극에 이동시킴으로써, 고전위로 인한 양극의 신터링을 방지할 수 있다. 본 발명은 특히 내 CO 피독 대책을 실시한 시스템에서 효과적이다.
[제 1 변형예]
[구성]
본 발명을 적용한 제 1 실시예의 제 1 변형예에서, 연료 전지 발전 시스템은 제 1 실시예와 동일한 구성(도 1)이고, 정지 상태 유지 방법만을 변경하였다.
[발전 정지 및 개시 순서]
도 7은 본 변형예의 정지 상태 유지 방법에서의 발전 정지 순서의 플로 차트이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 본 변형예의 발전 정지 순서는 도 2에 나타낸 제 1 실시예의 발전 정지 순서의 일부를 변경했다.
더 자세하게는, 본 제 1 변형예에서, 일련의 단계(S101∼S105)는 제 1 실시예의 발전 정지 순서와 마찬가지로 실시된다. 이 방법에서, 연료 전지 발전 시스템의 발전 중에 발전 정지 지령이 내려지면, 음극(1b)으로의 공기 공급을 중단하고 음극 입구 밸브(17)를 차단한다. 그리고, 전기 제어기(3)의 부하 동작 모드를 유지하고, 양극(1a)을 기준으로 한 전지 전압이 0.1Ｖ로 저하된 시점에서 전기 제어기(3)를 전류 소스 모드로 전환하여 양극(1a)에 직류 전류를 인가한다.
본 변형예에 따른 발전 정지 순서는 이 전류 소스 모드를 계속하는 동안 산화제 배출 라인(14)의 음극 출구 밸브(18)를 차단하는 점에서, 제 1 실시예의 순서와 다르다. 더 자세하게는, 양극(1a)을 기준으로 한 전지 전압이 －1.2Ｖ 이상 0.1Ｖ 미만이 될 때까지 저하시킨 후, 미리 설정된 제 1 유지 시간(Th1)을 경과한 시점(S131의 YES)에서 음극 출구 밸브(18)를 차단한다(S108). 그 후에도 전류 소스 모드를 더 계속하며, 미리 설정된 제 2 유지 시간(Th2)을 경과한 시점(S132의 YES)에서 전기 제어기(3)를 중단한다(S107). 본 실시예에서는, 예를 들면, 제 1 유지 시간(Th1) 및 제 2 유지 시간(Th2)을 각각 60초로 설정한다.
본 변형예에 따른 발전 정지 순서는 전기 제어기(3)를 정지한 후에 양극 출구 밸브(16)를 먼저 차단하고(S133), 미리 설정된 제 3 유지 시간(Th3)을 경과한 시점(S134의 YES)에서 양극(1a)으로의 개량 가스의 공급을 중단하는(S109) 동시에, 양극 입구 밸브(15)를 차단하는(S135) 점에서도 제 1 실시예의 순서와 다르다. 이 경우에는, 예를 들면, 제 3 유지 시간(Th3)을 5초로 설정한다.
또한, 본 변형예의 발전 개시 순서는 제 1 실시예와 동일하고, 도 3에 나타낸 순서에 따라 실시된다.
[동작]
도 8은 본 변형예에 따른 정지 상태 유지 방법에서 연료 전지 발전 시스템을 발전 정지 상태로 하는 동작의 타이밍 차트이고, 시스템 제어기(100)의 CPU(101)로부터 입출력부(103)를 통한 시스템 각 부로의 제어 지령의 타이밍, 및 연료 전지 스택(1)의 평균 셀 전압의 시간에 따른 변화에 더하여, 양극 압력과 음극 압력의 시간에 따른 변화를 자세하게 나타낸다. 이하에 본 실시예에 따른 연료 전지 발전 시스템의 정지 상태 유지 방법에 의한 동작 및 기능에 대하여 도 8을 참조하여 설명한다.
도 8은 본 변형예의 발전 정지 동작에서는 외부 전원(200)을 전원으로 사용하여 전기 제어기(3)를 전류 소스 모드로 유지하여 전류를 인가함으로써, 계속적으로 음극(1b)으로의 수소의 이동이 발생하여, 음극(1b)의 압력이 점진적으로 상승한다는 것을 나타낸다. 양극(1a)에 대해서는, 양극 출구 밸브(16)를 차단한 후에 개량 가스의 공급을 정지하는 동시에 양극 입구 밸브(15)를 차단함으로써 압력이 증가된다. 따라서, 연료 전지 스택(1)의 발전 정지 동작의 완료시에는, 양극(1a) 및 음극(1b)은 수소 농후 가스로 가압된 상태로 밀봉된다.
[장점]
상술한 바와 같은 본 변형예에서는, 미리 연료 전지 스택 내부를 가압하여 밀봉함으로써, 연료 전지 스택의 온도가 저하된 경우에도 수증기의 응축에 동반되는 체적의 감소에 기인하는 음압(negative pressure)을 방지할 수 있고, 연료 전지 스택 외부로부터의 공기의 혼입을 방지할 수 있다.
제 1 변형예는 연료 전지 전극 내부의 산소 분압의 상승을 효과적으로 방지할 수 있다. 따라서, 정지 상태 유지 중에 산소 분압의 상승에 동반되는 고전위 유지에 의한 촉매의 신터링이나, 동작 개시시에 양 전극에 산소가 혼입된 상태로 수소 농후 가스를 공급한 때에 발생하는 음극의 촉매 열화를 더 효과적으로 방지할 수 있다. 따라서, 음극의 촉매 유효 표면적의 저하에 기인하는 연료 전지 스택의 전압 저하를 더 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
[제 2 변형예]
[구성]
상기 제 1 실시예, 및 그 제 1 변형예로부터 변형된 제 2 변형예에서는, 연료 전지 발전 시스템은 동일한 구성(도 1)이고, 정지 상태 유지 방법만을 변경했다.
[발전 정지 및 개시 순서]
도 9는 제 2 변형예의 정지 상태 유지 방법에서 발전 정지 순서의 플로 차트이다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 제 2 변형예는 도 7에 나타낸 제 1 변형예의 발전 정지 순서의 일부를 변경하였고, 음극 출구 밸브(18)를 차단하고(S108) 전류 소스 모드를 계속한 후, 전기 제어기(3)를 중단할 때의 판단 조건만 다르다.
제 1 변형예는 미리 설정된 제 2 유지 시간(Th2)을 경과했는지의 여부를 판단했지만(S132), 제 2 변형예는 양극(1a)을 기준으로 한 전지 전압이 미리 설정된 하한 전압(VL)까지 저하됐는지의 여부를 판단하고(S151), 전압이 하한 전압(VL)까지 저하된 시점(S151의 YES)에서 전기 제어기(3)를 중단한다(S107). 이 경우에는, 예를 들면, 하한 전압(VL)을 －0.2Ｖ로 설정한다.
제 2 변형예의 발전 정지 순서의 나머지 단계는 제 1 변형예의 발전 정지 순서와 동일하다. 제 2 변형예의 발전 개시 순서는 제 1 실시예 및 제 1 변형예와 동일하고, 도 3에 나타낸 순서에 따라 실시된다.
[동작 및 장점]
도 10은 제 2 변형예에 따른 정지 상태 유지 방법에서 연료 전지 발전 시스템을 발전 정지 상태로 하는 순서의 타이밍 차트이고, 시스템 제어기(100)의 CPU(101)로부터 입출력부(103)를 통한 시스템 각 부로의 제어 지령의 타이밍, 연료 전지 스택(1)의 평균 셀 전압의 시간에 따른 변화에 더하여, 양극 압력과 음극 압력의 시간에 따른 변화를 자세하게 나타낸다.
도 10은 제 2 변형예에 따른 정지 상태 유지 방법이 제 1 변형예와 동일한 효과를 얻을 수 있음을 명백하게 나타낸다. 또한, 연료 전지 스택의 평균 셀 전압을 모니터함으로써 음극의 압력을 검지하고, 따라서, 후술하는 제 3 실시예에서와 같이 압력을 쉽게 제어할 수 있게 된다. 따라서, 제 2 변형예에 따른 방법은 연료 전지의 내압의 상한이 낮은 경우에 특히 효과적이다. 제 2 변형예는 제 3 실시예와는 다르게 압력계를 생략할 수 있다. 따라서, 제 2 변형예는 시스템 구성 요소 를 간소화할 수 있다.
[제 2 실시예]
[구성]
도 11은 본 발명을 적용한 제 2 실시예에 따른 연료 전지 발전 시스템의 블록도이다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 본 제 2 실시예의 연료 전지 발전 시스템은 제 1 실시예의 구성에서 연료 배출 라인(12)에 설치된 양극 출구 밸브(16) 및 산화제 배출 라인(14)에 설치된 음극 출구 밸브(18)의 하류에 각각 연소 장치(21, 22)를 갖는다. 연소 장치(21)의 발열을 개량기(2)의 온도 유지에 이용하는 열교환기(23)도 설치된다.
더 자세하게는, 연료 배출 라인(12)에 설치된 연소 장치(21)에는 양극(1a)으로부터 배출된 미반응 수소 및 연소용으로 조정된 공기가 공급된다. 연소 장치(21)에서의 연소에 의해 얻어진 열은 열교환기(23)에 의해 개량기(2)의 온도 유지를 위한 열원으로서 이용된다. 산화제 배출 라인(14)에 설치된 연소 장치(22)에는 공기와 접촉시킨 산화 촉매를 배치함으로써, 음극(1b)으로부터 수소 농후 가스가 배출되어도 시스템 외부로 가연 가스가 배출되지 않는다.
시스템 제어기로부터의 지령에 의해 정상 부하 동작 모드와 전류 소스 모드를 전환하는 제 1 실시예에서의 전기 제어기(3)와 동일한 기능에 더해, 전기 제어기(3)는 개량기(2)의 온도에 따라 직류 전류값을 제어하는 기능을 갖는다. 다른 구성은 제 1 실시예에 따른 연료 전지 발전 시스템과 동일하므로, 이하에서는 그 상세한 설명은 생략한다.
[발전 정지 및 개시 순서]
본 제 2 실시예에 따른 연료 전지 발전 시스템에서의 발전 정지 및 개시 순서는 제 1 실시예와 동일하고, 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이 수행된다.
[동작 및 장점]
본 실시예의 연료 전지 발전 시스템은 다음과 같이 동작하며, 다음의 효과를 얻는다.
본 실시예의 연료 전지 발전 시스템이 발전 정지 상태로 되는 동안, 양극(1a)으로부터 배출된 연료 배출 가스는 연소 장치(21)에 되돌려져, 연료 배출 가스 중의 잔류 수소 가스를 연소시킨다. 이 연소에 의한 발열은 개량기(2)의 열원으로서 사용된다. 잔류 수소량이 많으면, 연소 장치(21)에 의한 발열이 증가하여, 개량기(2)의 온도가 상승한다.
전기 제어기(3)가 부하 동작 모드일 때에는, 직류 전류값이 증대되면 양극(1a)에서의 수소의 소비량이 증대되어 잔류 수소량이 감소한다. 전기 제어기(3)가 전류 소스 모드일 때에는, 직류 전류값의 증가에 의해 수소의 음극(1b)으로의 이동량이 증가하여, 마찬가지로 잔류 수소량이 감소한다. 따라서, 연료 배출 가스 중의 잔류 수소는 직류 전류값의 증가에 의해 감소한다. 따라서, 개량기(2)의 온도가 높으면, 직류 전류값을 증가시킴으로써 연료 배출 가스 중의 잔류 수소량이 감소하고, 따라서 연소 장치(21)로부터의 발열이 감소한다.
따라서, 본 실시예는 제 1 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있는 것에 더해, 개량기의 온도를 적정 범위로 제어할 수 있어, 개량기의 열화를 방지할 수 있다.
외부 전원(200)을 전원으로서 사용하여 전기 제어기(3)가 전류 소스 모드로 이행한 후, 음극(1b)으로 수소가 이동한다. 이 동작을 계속하면, 음극(1b)으로부터의 배출 가스 중의 수소 농도가 점진적으로 상승한다. 본 실시예에서는 음극 출구에도 또다른 연소 장치(22)가 설치되어 있으므로, 미리 공기와 접촉시킨 연소 장치(22)에서 수소 가스를 연소시켜, 배출 가스 중의 수소 농도를 폭발 한계 미만으로 저하시키게 된다. 따라서, 본 발명은 안전성이 뛰어나다.
[제 3 실시예]
[구성]
도 12는 본 발명을 적용한 제 3 실시예에 따른 연료 전지 발전 시스템의 블록도이다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 연료 전지 발전 시스템은 제 1 실시예 및 그 제 1 변형예의 구성에서 산화제 배출 라인(14)의 음극 출구 밸브(18)의 상류에 음극(1b)의 압력을 측정하는 압력계(41)를 갖는다. 다른 구성 요소는 제 1 실시예 및 제 1 변형예의 연료 전지 발전 시스템과 동일하므로, 설명은 생략한다.
[발전 정지 및 개시 순서]
도 13은 본 실시예에 따른 정지 상태 유지 방법에서 연료 전지 발전 시스템을 발전 정지 상태로 하는 순서의 플로 차트이다. 도 13에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 발전 정지 순서는 도 7에 나타낸 제 1 실시예의 제 1 변형예의 발전 정지 순서의 일부를 변경한 것이고, 음극 출구 밸브(18)를 차단하고(S108) 전류 소스 모드를 계속한 후, 전기 제어기(3)를 정지할 때의 판단 조건만이 다르다.
더 자세하게는, 제 1 변형예는 미리 설정된 제 2 유지 시간(Th2)을 경과했는지의 여부를 판단했지만(S132), 본 실시예는 압력계(41)에 의해 측정된 음극(1b)의 압력값이 미리 설정된 설정 압력값(PO)에 도달했는지의 여부를 판단하고(S141), 설정 압력값 PO에 도달한 시점(S141의 YES)에서 전기 제어기(3)를 중단한다(S107). 이 경우, 예를 들면, 설정 압력값(PO)을 50㎪로 설정한다.
발전 정지 순서의 다른 단계는 제 1 실시예의 제 1 변형예의 발전 정지 순서와 동일하다. 발전 개시 순서는 제 1 실시예 및 제 1 실시예의 제 1 변형예와 동일하고, 도 3에 나타낸 순서에 따라 실시한다.
[동작 및 장점]
도 14는 본 실시예에 따른 정지 상태 유지 방법에서 연료 전지 발전 시스템을 발전 정지 상태로 하는 동작의 타이밍 차트이고, 시스템 제어기(100)의 CPU(101)로부터 입출력부(103)를 통한 시스템 각 부로의 제어 지령의 타이밍, 연료 전지 스택(1)의 평균 셀 전압의 시간에 따른 변화에 더하여, 양극 압력과 음극 압력의 시간에 따른 변화를 자세하게 나타낸다.
도면 14는 본 실시예에 따른 정지 상태 유지 방법이 제 1 변형예와 동일한 효과를 얻을 수 있음을 명백하게 나타낸다. 또한, 음극의 압력을 직접 모니터하므로, 압력이 쉽게 제어된다. 따라서, 본 제 3 실시예에 따른 방법은 연료 전지의 내압의 상한이 낮은 경우에 특히 효과적이다.
[제 4 실시예]
[구성]
도 15는 본 발명을 적용한 제 4 실시예에 따른 연료 전지 발전 시스템의 블록도이다. 도 15에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 연료 전지 발전 시스템은 제 1 실시예의 구성에, 연료 공급 라인(11)의 양극 입구 밸브(15)의 상류에 수소 저장 탱크(61)를 갖는다. 다른 구성 요소는 제 1 실시예에 따른 연료 전지 발전 시스템과 마찬가지이므로, 설명은 생략한다.
[발전 정지 및 개시 순서]
본 실시예의 발전 정지 및 개시 순서는 제 1 실시예와 동일하고, 각각 도 2, 도 3에 나타낸 순서에 따라 실시한다.
[정지 상태 유지 중 수소 공급 순서]
도 16은 정지 상태 유지 방법에서 연료 전지 발전 시스템의 정지 상태 유지 중의 수소 공급 순서의 플로 차트이다. 도 16에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 발전 시스템의 정지 상태 유지 중에 수소 공급 지령이 내려지면, 양극 입구 밸브(15)를 열어서 수소 저장 탱크(61)로부터 양극(1a)으로의 수소 공급을 개시하고(S301), 그 후, 전기 제어기(3)의 동작 모드를 전류 소스 모드로 설정하여 음극으로부터 외부 회로를 통하여 양극에 직류 전류를 인가 개시한다(S302).
전류 소스 모드를 계속하면서 양극(1a)을 기준으로 한 전지 전압(연료 전지 스택(1)의 평균 셀 전압)이 －1.2Ｖ 이상 0.1Ｖ 미만이 될 때까지 저하시킨 후, 유지 시간(Th)(＝120초)을 경과한 시점(S303의 YES)에서 전기 제어기(3)를 중지하고(S304), 양극 입구 밸브(15)를 차단한다(S304). 따라서, 수소 공급 시퀀스가 완 료된다.
구체적으로는, 연료 전지 발전 시스템의 정지 상태 유지 중에, 수소 공급 시퀀스를 소정의 시간 간격, 예를 들면, 12시간마다 실시한다.
[동작]
본 실시예의 동작은 이하와 같다. 발전 정지 동작의 완료 직후에는 양극(1a), 음극(1b) 모두 수소 농후 가스로 충전되어 있고, 수소 분압이 점진적으로 저하된다. 본 실시예에서는 12시간 경과마다 양극 입구 밸브(15)를 열어, 가압에 의해 수소 저장 탱크(61)로부터 양극(1b)에 수소가 공급된다. 또한, 연료 전지 스택(1)의 평균 셀 전압이 0.1Ｖ 미만이면, 음극(1b)으로부터 외부 회로를 통하여 양극(1a)에 직류 전류를 인가함으로써, 음극(1b)으로 수소가 이동한다. 그러므로, 정지 상태 유지 중에 수소 공급 동작이 양극(1a) 및 음극(1b) 모두의 수소 분압을 상승시킬 수 있다.
[장점]
상기한 바와 같이, 본 실시예에서는 정지 상태 유지 중에 정기적으로 수소 공급 시퀀스를 실시하여 산소의 혼입에 의한 수소의 소비에 의해 저하된 수소 분압을 상승시킬 수 있다. 따라서, 계속적으로 산소가 혼입되더라도, 산소를 소비하는 수소를 충분한 양으로 잔존시킬 수 있다. 결과적으로, 본 실시예는 산소 분압의 상승을 효과적으로 방지할 수 있다.
연료 전지 전극 내부의 산소 분압의 상승을 효과적으로 방지할 수 있으므로, 본 실시예의 방법은 정지 상태 유지 중에 산소 분압의 상승에 동반되는 음극의 고 전위 유지에 의한 촉매의 신터링이나, 양 전극에 산소가 혼입된 상태로 수소 농후 가스를 공급하여 동작을 개시할 때 발생하는 음극의 촉매 열화를 방지할 수 있다. 따라서, 음극의 촉매 유효 표면적의 저하를 더 효과적으로 방지하고, 촉매 유효 표면적의 저하에 기인하는 연료 전지 스택의 전압 저하를 더 효과적으로 방지할 수 있다.
[제 5 실시예]
제 4 실시예는 개량기(2)를 구비한 연료 전지 발전 시스템을 설명했지만, 도 17에 나타낸 바와 같이, 개량기(2)를 사용하지 않고 수소 저장 탱크(61)를 갖는 시스템 구성도 괜찮다. 제 5 실시예의 이 구성은 4 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 다른 구성 요소는 제 4 실시예와 동일하므로, 설명은 생략한다.
[다른 실시예]
또한, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 다양한 변형이 가능하다. 예를 들면, 발전 정지 순서에서 사용된 유지 시간은 일례로 그치지 않고, 적당히 변경 가능하다. 즉, 본 발명은 연료 전지 발전 시스템을 발전 정지 상태로 하는 과정에서 산화제 공급 라인을 차단한 후, 양극을 기준으로 한 전지 전압이 －1.2Ｖ 이상 0.1Ｖ 미만이 될 때까지 음극으로부터 외부 회로를 통하여 양극에 직류 전류를 인가하는 한, 구체적인 시스템 구성이나 발전 정지 순서는 적당히 변경해도 된다. 이러한 변형들도 마찬가지로 만족스러운 효과를 얻을 수 있다.
Claims (17)
- 전해질을 사이에 끼워 배치된 양극과 음극을 각각 갖는 전지를 복수 적층하여 구성되는 연료 전지 스택, 상기 연료 전지 스택에 연료 및 산화제를 각각 공급하는 연료 공급 라인 및 산화제 공급 라인, 및 상기 연료 전지 스택으로 공급된 상기 연료 및 상기 산화제를 각각 배출하는 연료 배출 라인 및 산화제 배출 라인을 구비하는 연료 전지 발전 시스템을 발전 정지 상태로 하고 그 정지 상태를 유지하는 과정에서 상기 연료 전지 발전 시스템의 발전 정지 상태를 유지하는 방법으로서,상기 연료 전지 발전 시스템을 발전 정지 상태로 하는 과정에서 상기 산화제 공급 라인을 차단하는 단계,상기 산화제 공급 라인 차단 단계에 의해 상기 산화제 공급 라인을 차단한 상태에서, 상기 양극을 기준으로 한 전지 전압이 ―1.2Ｖ 이상 0.1Ｖ 미만이 될 때까지 상기 음극으로부터 외부 회로를 통하여 상기 양극에 직류 전류를 인가하는 단계,상기 직류 전류 인가 단계의 개시 시점 이후에, 상기 산화제 배출 라인을 차단하는 단계, 및상기 직류 전류 인가 단계의 종료 시점 이후에, 상기 연료 배출 라인 및 상기 연료 공급 라인을 차단하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템의 발전 정지 상태 유지 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 직류 전류 인가 단계를 종료한 후, 상기 산화제 배출 라인 차단 단계와 상기 연료 배출 라인 및 연료 공급 라인 차단 단계를 행하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템의 발전 정지 상태 유지 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 직류 전류 인가 단계를 개시한 후, 상기 산화제 배출 라인 차단 단계를 행하고, 상기 산화제 배출 라인 차단 단계를 행한 후, 상기 직류 전류 인가 단계를 종료하는 동시에, 상기 연료 배출 라인 및 연료 공급 라인 차단 단계를 행하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템의 발전 정지 상태 유지 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 산화제 배출 라인 차단 단계를 행한 후, 상기 음극의 압력을 모니터하고, 그 압력의 검출값이 미리 설정된 압력값에 도달한 시점에서, 상기 직류 전류 인가 단계를 종료하는 동시에, 상기 연료 배출 라인 및 연료 공급 라인 차단 단계를 행하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템의 발전 정지 상태 유지 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 산화제 배출 라인 차단 단계를 행한 후, 상기 양극을 기준으로 한 전지 전압이 미리 설정된 전압값보다 낮은 값으로 되는 시점에서, 상기 직류 전류 인가 단계를 종료하는 동시에, 상기 연료 배출 라인 및 연료 공급 라인 차단 단계를 행하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템의 발전 정지 상태 유지 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 연료 전지 발전 시스템의 정지 상태 유지 중, 상기 연료 공급 라인을 개방하여 상기 연료 전지 스택에 연료를 공급하는 정지 상태 연료 공급 단계, 상기 연료 공급 단계 후, 상기 양극을 기준으로 한 전지 전압이 ―1.2Ｖ 이상 0.1Ｖ 미만이 될 때까지 상기 음극으로부터 외부 회로를 통하여 상기 양극에 직류 전류를 인가하는 정지 상태 직류 전류 인가 단계, 및 상기 직류 전류 인가 단계를 종료한 후, 상기 연료 공급 라인을 차단하는 정지 상태 연료 라인 차단 단계를 실시하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템의 발전 정지 상태 유지 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 연료 전지 발전 시스템은 탄화수소계 연료로부터 수소 농후 가스를 제조하는 개량기, 및 상기 제조된 수소 농후 가스를 저장하는 수소 저장 탱크를 더 구비하며, 상기 정지 상태 연료 공급 단계에서 공급되는 상기 연료는 상기 연료 전지 발전 시스템의 동작 중에 상기 개량기에서 제조되어 상기 수소 저장 탱크에 저장되어 있는 수소 농후 가스인 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템의 발전 정지 상태 유지 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 직류 전류의 크기를 상기 개량기의 온도에 의해 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템의 발전 정지 상태 유지 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 산화제 배출 라인에 연소 장치를 설치하고, 상기 연소 장치에서 배출 가스 중의 수소를 연소시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템의 발전 정지 상태 유지 방법.
- 전해질을 사이에 끼워 배치된 양극과 음극을 각각 갖는 전지를 복수 적층하여 구성되는 연료 전지 스택, 상기 연료 전지 스택에 연료 및 산화제를 각각 공급하는 연료 공급 라인 및 산화제 공급 라인, 및 상기 연료 전지 스택으로 공급된 상기 연료 및 상기 산화제를 각각 배출하는 연료 배출 라인 및 산화제 배출 라인을 구비하는 연료 전지 발전 시스템을 발전 정지 상태로 하고 그 정지 상태를 유지하는 과정에서 상기 연료 전지 발전 시스템의 발전 정지 상태를 유지하는 프로그램으로서,상기 연료 전지 발전 시스템을 발전 정지 상태로 하는 과정에서, 상기 산화제 공급 라인을 차단하는 산화제 공급 라인 차단 단계,상기 산화제 공급 라인 차단 단계에 의해 상기 산화제 공급 라인을 차단한 상태에서, 상기 양극을 기준으로 한 전지 전압이 ―1.2Ｖ 이상 0.1Ｖ 미만이 될 때까지 상기 음극으로부터 외부 회로를 통하여 상기 양극에 직류 전류를 인가하는 직류 전류 인가 단계,상기 직류 전류 인가 단계의 개시 시점 이후에, 상기 산화제 배출 라인을 차단하는 산화제 배출 라인 차단 단계, 및상기 직류 전류 인가 단계의 종료 시점 이후에, 상기 연료 배출 라인 및 상기 연료 공급 라인을 차단하는 연료 배출 라인 및 연료 공급 라인 차단 단계를,컴퓨터에서 실행시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템의 발전 정지 상태 유지 프로그램.
- 전해질을 사이에 끼워 배치된 양극과 음극을 각각 갖는 전지를 복수 적층하여 구성되는 연료 전지 스택,상기 연료 전지 스택에 연료 및 산화제를 각각 공급하는 연료 공급 라인 및 산화제 공급 라인,상기 연료 전지 스택에 공급된 상기 연료 및 상기 산화제를 각각 배출하는 연료 배출 라인 및 산화제 배출 라인,상기 연료 전지 스택에서 얻어진 전기 에너지를 외부 부하에 전달하는 정상 부하 동작 모드와, 상기 연료 전지 스택의 기전력이 없는 상태에서 상기 음극으로부터 외부 회로를 통하여 상기 양극으로 직접 전류를 인가하는 전류 소스 모드를 갖는 전기 제어 수단, 및상기 연료 공급 라인 및 상기 산화제 공급 라인과, 상기 전기 제어 수단을 제어하는 시스템 제어 수단을 구비하는 연료 전지 발전 시스템으로서,상기 시스템 제어 수단은 발전을 정지하는 과정에서 상기 산화제 공급 라인을 차단하고, 상기 산화제 공급 라인이 차단된 상태에서 상기 전기 제어 수단을 발전 정지 상태에서 상기 부하 동작 모드로부터 상기 전류 소스 모드로 전환하여 상기 음극으로부터 외부 회로를 통하여 상기 양극에 직류 전류를 인가하고, 상기 양극을 기준으로 한 전지 전압이 －1.2Ｖ 이상 0.1Ｖ 미만이 된 시점에서 상기 전기 제어 수단을 중단시키며, 상기 전기 제어 수단을 상기 전류 소스 모드로 전환한 시점 이후에, 상기 산화제 배출 라인을 차단하고, 상기 전기 제어 수단이 상기 전류 소스 모드에서 중단된 시점에서, 상기 연료 배출 라인 및 상기 연료 공급 라인을 차단하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
- 제 11 항에 있어서,상기 시스템 제어 수단은 동작 시퀀스 프로그램을 미리 저장한 메모리, 및 상기 시퀀스 프로그램을 판독하고, 입출력부를 통하여 제어 지령을 내리는 CPU를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
- 제 11 항에 있어서,상기 연료 공급 라인에 설치된 개량기, 및 상기 산화제 공급 라인에 설치된 송풍기를 더 구비하고,상기 개량기 및 상기 송풍기는 상기 시스템 제어 수단에 의해 제어되어 연료로서의 도시가스로부터의 개량 가스 및 산화제로서의 공기의 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
- 제 13 항에 있어서,상기 연료 배출 라인 및 상기 산화제 배출 라인은 각각 하류에 연소 장치를 갖고, 상기 연료 배출 라인의 하류에 설치된 상기 연소 장치는 열교환기를 통하여 상기 개량기에 접속되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
- 제 13 항에 있어서,상기 산화제 배출 라인은 상기 음극의 압력을 측정하는 압력계를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
- 제 13 항에 있어서,상기 연료 공급 라인에 설치된 상기 개량기와 상기 양극 사이에 설치된 수소 저장 탱크를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
- 제 11 항에 있어서,상기 연료 공급 라인에 설치된 수소 저장 탱크, 및 상기 산화제 공급 라인에 설치된 송풍기를 더 구비하고,상기 수소 저장 탱크 및 상기 송풍기는 상기 시스템 제어 수단에 의해 제어되어 연료로서의 수소 및 산화제로서의 공기의 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
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