KR20080094036A - 연료전지시스템 - Google Patents

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도요다 지도샤 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명의 목적은 저온에서 순환펌프에 대한 손상을 회피할 수 있는 연료전지시스템을 제공하여 시스템 효율을 향상시키는 것이다.
본 발명의 연료전지시스템은 연료전지로부터 배출되는 연료오프가스를 연료전지를 통해 재순환시키는 순환로 및 상기 순환로 내의 상기 연료오프가스를 압송하는 순환펌프를 구비한 연료가스순환시스템; 및 상기 순환펌프의 구동을 제어하는 제어장치를 포함한다. 상기 제어장치는 사전설정된 저온에서 상기 순환펌프의 구동을 정지시키는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료오프가스를 연료전지로 순환시키는 연료전지시스템에 관한 것이다.
연료전지로부터 배출되는 연료오프가스를 순환펌프를 이용하여 연료전지로 다시 공급하는 연료전지시스템이 공지되어 있다(예컨대, 일본특허출원공개공보 제2003-178782호 및 제2004-22198호 참조). 상기 연료오프가스는 생성수를 포함하거나 습도가 높다. 그러므로, 시스템이 정지된 후 저온의 분위기에서는, 순환펌프에 남아 있을 수도 있는 생성수 또는 응축된 수분이 때때로 동결된다. 시스템의 재시작 시에 동결된 상태를 갖는 순환펌프에서 토크가 생성되는 경우, 상기 순환펌프의 임펠러가 파손될 수도 있으므로, 상기 순환펌프가 손상을 입을 수도 있다. 순환펌프의 동결을 방지하기 위해서는, 일본특허출원공개공보 제2003-178782호에 개시된 연료전지시스템에 있어서, 시스템의 정지 시에 건식연료가스가 순환펌프 안으로 도입된다. 상기 순환펌프 내의 연료오프가스는 건식연료가스로 대체되어, 연료전지시스템이 소기(scavenging) 처리를 행하게 된다.
하지만, 일본특허출원공개공보 제2003-178782호에 개시된 연료전지시스템에서는, 소기 처리를 행하기 위하여 연료가스가 낭비되어야만 한다. 그러므로, 전체 연료전지시스템의 효율이 열화된다.
본 발명의 일 목적은 저온에서의 순환펌프에 대한 손상을 회피하여 시스템 효율을 개선할 수 있는 연료전지시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 연료전지시스템은, 연료전지로부터 배출되는 연료오프가스를 연료전지를 통해 순환시키는 순환로 및 상기 순환로 내의 상기 연료오프가스를 압송(feed under pressure)하는 순환펌프를 구비한 연료가스순환시스템; 및 상기 순환펌프의 구동을 제어하는 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 제어장치는 사전설정된 저온에서 상기 순환펌프의 구동을 정지시킨다.
이러한 구성에 따르면, 순환펌프가 동결되더라도, 상기 순환펌프의 구동이 사전설정된 저온에서 정지되어, 저온에서의 순환펌프에 대한 손상을 피할 수 있게 된다. 더욱이, 소기 처리가 반드시 수행되어야만 하는 것은 아니므로, 순환펌프의 동력 손실이 사전설정된 저온에서 발생되지 않아, 시스템 효율이 향상될 수 있게 된다.
여기서는, 순환펌프가 구동되지 않을 때, 상기 연료전지로 공급될 연료오프가스 내의 연료가스농도가 낮아질 수도 있다. 하지만, 본 발명자들은 연료오프가스 내의 수증기분압이 저온, 예컨대 빙점 미만에서 실질적으로 0 이라는 것과 질소의 크로스리크량(cross leak amount) 또한 적다는 것을 발견하였다. 그러므로, 순환펌프의 구동이 본 발명에서와 같이 사전설정된 저온에서 정지되는 경우에도, 상기 순환펌프의 손상을 피하고 시스템 효율을 향상시키면서, 연료오프가스 내의 충분한 연료가스농도가 유지될 수 있다.
상기 제어장치는 상기 연료전지시스템이 사전설정된 저온에서 기동 시에 상기 순환펌프의 구동을 정지시킬 수도 있는 것이 바람직하다.
결과적으로, 연료전지시스템이 적절하게 기동될 수 있다.
상기 사전설정된 저온은 상기 연료전지의 온도 또는 외기의 온도가 0도 이하일 수도 있는 것이 바람직하다.
이러한 구성에 따르면, 순환펌프가 동결될 수도 있는 0도 이하의 온도에서, 상기 순환펌프의 구동이 정지되어, 상기 순환펌프의 손상을 적절하게 회피할 수 있게 된다. 다른 한편으로, 연료오프가스 내의 연료가스농도가 보장될 수 있다.
본 발명의 연료전지시스템은 상기 연료전지의 온도를 검출하는 온도센서를 포함할 수도 있는 것이 바람직하다. 상기 제어장치는 상기 온도센서에 의해 검출된 온도가 사전설정된 저온 이하일 때에 상기 순환펌프의 구동을 정지시킬 수도 있는 반면, 상기 제어장치는 상기 온도센서에 의해 검출된 온도가 사전설정된 저온보다 높을 때에는 상기 순환펌프의 구동을 허가할 수도 있는 것이 바람직하다.
일반적으로, 연료전지의 온도는 연료전지시스템의 운전에 의해 변동된다. 예를 들어, 연료전지시스템의 기동 시, 연료전지의 온도는 실질적으로 외기의 온도와 같지만, 연료전지시스템의 운전 시에는, 예컨대 고체고분자전해질형의 연료전지의 온도는 60 내지 80℃이다. 상술된 본 발명에서와 같이, 연료전지의 온도가 사전설정된 저온보다 높으면, 순환펌프의 구동이 허가되어 원래 명세로 시프트될 수 있게 된다. 더욱이, 연료전지의 온도가 사전설정된 저온 이하인 경우에는, 순환펌프의 구동이 정지되어, 연료오프가스 내의 연료가스농도가 순환펌프의 손상을 적절하게 회피하면서도 보장될 수 있게 된다.
본 발명의 연료전지시스템은, 상기 순환로에 연결되어, 상기 연료오프가스를 배출하는 퍼지통로; 및 상기 퍼지통로를 개폐하는 퍼지밸브를 포함할 수도 있는 것이 바람직하다. 상기 제어장치는 상기 순환펌프의 구동의 정지 시에 상기 퍼지밸브를 개폐할 수도 있다.
이러한 구성에 따르면, 퍼지밸브가 개방되어, 생성수와 함께 연료오프가스와 상기 연료오프가스 내에 포함된 불순물이 퍼지통로로 배출될 수 있다. 결과적으로는, 연료오프가스 내의 연료가스농도가 순환펌프의 구동의 정지 시에 낮아지는 경우에도, 상기 연료오프가스 내의 연료가스농도가 상승할 수 있다.
상기 제어장치는 사전설정된 저온에서 타 조건에 우선하여 순환펌프의 구동을 정지시킬 수도 있는 것이 바람직하다. 예를 들어, 사전설정된 저온에서, 순환펌프의 구동은 연료가스의 연료전지로의 공급의 정지, 퍼지밸브의 개방 및 연료전지의 발전의 정지와 같은 조건들에 우선하여 정지될 수도 있다.
본 발명의 또다른 바람직한 모드에서는, 연료가스를 연료전지에 공급하고, 상기 연료전지로부터 연료오프가스를 배출하는 연료가스시스템이 구성될 수도 있다. 순환펌프의 구동이 정지되는 경우에서의 연료가스시스템의 시스템 손실의 크기는 순환펌프가 구동되는 경우에서의 연료가스시스템의 시스템 손실의 크기를 역전하는 온도가 있고, 상기 사전설정된 저온이 역전 온도(reversing temperature) 이하일 수도 있다.
이러한 구성에 따르면, 순환펌프의 구동 및 정지가 시스템 손실이 역전되는 온도를 토대로 절환될 수 있다. 결과적으로는, 연료가스시스템의 시스템 손실이 감소될 수 있고, 전체 시스템 효율이 개선될 수 있다.
상기 연료가스시스템은 연료오프가스를 배출하는 퍼지통로 및 상기 퍼지통로를 개폐하는 퍼지밸브를 구비할 수도 있는 것이 더욱 바람직하다. 상기 순환펌프의 구동이 정지되는 경우의 상기 연료가스시스템의 시스템 손실은 상기 퍼지밸브의 개방으로 인한 퍼지 손실로 이루어지며, 상기 순환펌프가 구동되는 경우의 상기 연료가스시스템의 시스템 손실은 상기 퍼지밸브의 개방으로 인한 퍼지 손실과 상기 순환펌프의 구동으로 인한 동력 손실로 이루어진다.
본 발명의 바람직한 또다른 모드에 있어서, 본 발명의 연료전지시스템은 상기 순환로에 연결되어, 상기 연료오프가스를 배출하는 퍼지통로; 및 상기 퍼지통로를 개폐하는 퍼지밸브를 더 포함하여 이루어질 수도 있다. 상기 순환펌프의 구동이 정지된 상태에서 상기 퍼지밸브가 개폐되는 경우의 퍼지량이 허용량보다 많은 제1온도가 있고, 상기 사전설정된 저온은 상기 제1온도 이하일 수도 있다.
이러한 구성에 따르면, 상기 퍼지량은 순환펌프의 구동의 정지 시에 적절하게 억제될 수 있고, 전체 시스템 효율이 개선될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 블럭도;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 순환펌프의 제어예를 도시한 흐름도;
도 3은 비교예에 따른 연료전지시스템의 블럭도;
도 4는 연료전지의 온도에 대한 수소시스템의 시스템 손실의 변화를 도시한 그래프; 및
도 5는 연료전지의 온도에 대한 퍼지량의 변화를 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지시스템을 첨부도면들을 참조하여 설명하기로 한다.
제1실시예
도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지시스템(1)은 연료전지(2), 산화가스배관계(3), 연료가스배관계(4), 냉매배관계(5) 및 시스템(1) 전체를 제어하는 제어장치(7)를 포함한다.
상기 연료전지(2)는 예컨대 고체고분자전해질형으로 구성된다. 상기 연료전지(2)는 다수의 단위셀이 적층된 스택 구조를 포함한다. 상기 연료전지(2)의 단위셀은 이온교환막으로 이루어진 전해질의 일 표면 상에 공기극을 구비하고, 그 타 표면 상에 연료극을 구비하며, 상기 공기극과 연료극이 그 사이에 끼워지도록 한 쌍의 세퍼레이터를 더 구비한다. 산화가스는 일 세퍼레이터의 산화가스유로(2a)에 공급되고, 연료가스는 타 세퍼레이터의 연료가스유로(2b)에 공급된다. 상기 연료전지(2)는 공급되는 연료가스와 산화가스의 전기화학반응에 의해 발전한다. 상기 연료전지(2)에서의 전기화학반응은 발열반응이고, 고체고분자전해질형의 연료전지(2)는 대략 60 내지 80℃의 온도를 가진다.
상기 산화가스배관계(3)는 산화가스로서 공기(산소)를 연료전지(2)에 공급한다. 상기 산화가스배관계(3)는 연료전지(2)로 공급될 산화가스가 유동하는 공급로(11), 및 상기 연료전지(2)로부터 배출되는 산화오프가스가 유동하는 배출로(12)를 구비한다. 상기 공급로(11)에는 필터(13)를 통해 산화가스를 취하는 컴프레서(14) 및 상기 컴프레서(14)에 의해 압송되는 산화가스를 가습시키는 가습기(15)가 제공된다. 상기 배출로(12)를 통과하는 산화오프가스는 가습기(15) 내의 수분교환에 사용하기 위한 배압조정밸브(16)를 통과하고, 최종적으로 배기가스로서 시스템으로부터 대기로 배출된다.
상기 연료가스배관계(4)는 연료가스로서 수소를 연료전지(2)에 공급한다. 상기 연료가스배관계(4)는 수소공급원(21), 연료전지(2)로 공급될 수소가스가 유동하는 공급로(22), 상기 공급로(22)의 합류점 A로, 연료전지(2)로부터 배출되는 수소오프가스(연료오프가스)를 리턴시키기 위한 순환로(23), 상기 순환로(23)로부터 공급로(22)로 수소오프가스를 압송하는 펌프(24) 및 상기 순환로(23)에 분기되어 연결되는 퍼지로(25)를 구비한다.
상기 수소공급원(21)은 예컨대 고압탱크, 수소흡장합금 등으로 구성되고, 예컨대 35 MPa 또는 70 MPa의 수소가스가 저장될 수 있도록 구성된다. 수소공급원(21)의 소스밸브(26)가 개방되면, 수소가스가 공급로(22)로 유출된다. 수소가스의 압력은 최종적으로 예컨대 압력조절밸브(27)와 같은 압력저감밸브에 의해 대략 200 kPa 정도로 감소되고, 상기 연료전지(2)로 공급된다.
블럭밸브(28)는 공급로(22)의 합류부 A의 상류측에 제공된다. 수소가스순환 계(연료가스순환계)(29)의 통로는, 공급로(22)의 합류부 A의 하류측 상의 유로, 상기 연료전지(2)의 세퍼레이터에 형성된 연료가스유로(2b) 및 순환로(23)를 순서대로 연결시켜 구성된다. 상기 수소가스순환계(29)는 상술된 순환로(23)에 제공된 펌프(24)를 포함한다.
상기 펌프(24)(순환펌프)는 각종 타입으로 구성될 수도 있으며, 예컨대 용적형으로 구성된다. 상기 펌프(24)는 예컨대 3상교류모터(도시안됨), 및 모터의 구동축에 연결된 임펠러를 구비한 컴프레서부를 포함한다. 상기 모터의 구동 및 정지는 제어장치(7)에 의해 제어된다. 상기 펌프(24)는 모터에 의해 구동되어 연료전지(2)를 통해 수소가스순환계(29) 내의 수소오프가스를 순환시키는 반면, 상기 모터의 구동이 정지되어 수소오프가스의 순환을 정지시키게 된다.
상기 퍼지로(25)에는 차단밸브로서 퍼지밸브(33)가 제공된다. 상기 퍼지밸브(33)는 연료전지시스템(1)의 운전 시에 적절하게 개방되어, 상기 수소오프가스 내의 불순물이 수소오프가스와 함께 희석기(도시안됨)로 배출된다. 퍼지밸브(33)가 개방되기 때문에, 상기 순환로(23)의 수소오프가스 내의 불순물의 농도가 낮아지고, 상기 순환된 수소오프가스 내의 수소의 농도가 상승한다. 여기서, 수소오프가스 내의 불순물은 상기 수소오프가스에 함유된 생성수와 같은 수분과, 연료전지(2)의 공기극으로부터 이온교환막을 통해 연료극으로 전달되는 질소가스, 즉 크로스리크된 질소가스를 포함한다.
상기 냉매배관계(5)는 냉매를 연료전지(2)에 공급하여 상기 연료전지(2)를 냉각시키게 된다. 상기 냉매배관계(5)는 연료전지(2) 내의 냉각유로(2c)에 연결된 냉매유로(41), 상기 냉매유로(41) 상의 냉각펌프(42), 상기 연료전지(2)로부터 배출되는 냉매를 냉각시키는 라디에이터(43), 상기 라디에이터(43)를 바이패스하는 바이패스유로(44) 및 상기 라디에이터(43)와 바이패스유로(44)를 통한 냉매의 순환을 설정하는 절환밸브(45)를 구비한다. 상기 냉매유로(41)는 연료전지(2)의 냉매입구 부근의 온도센서(46) 및 상기 연료전지(2)의 냉매출구 부근의 온도센서(47)를 구비한다. 상기 온도센서(47)에 의해 검출되는 냉매 온도는 상기 연료전지(2)의 내부 온도(이하, 연료전지(2)의 온도라고 함)를 반영한다.
상기 제어장치(7)는 CPU, ROM 및 RAM을 포함하는 마이크로컴퓨터로 구성된다. 상기 CPU는 후술하는 펌프(24)의 제어와 같은 제어 및 각종 처리를 행하기 위한 제어 프로그램에 따라 원하는 연산을 실행한다. 상기 ROM은 CPU에 의해 처리될 제어 프로그램과 제어 데이터를 저장한다. 상기 RAM은 주로 제어 처리를 위한 여하한의 연산 영역으로서 사용된다. 상기 제어장치(7)는 가스계(3, 4) 및 냉매계(5)에서 사용하기 위한 각종 타입의 압력센서와 온도센서(46, 47) 및 연료전지시스템(1)이 배치되는 외기온도를 검출하는 외기온도센서(51) 등에 검출신호들을 입력한다. 상기 제어장치(7)는 펌프(24) 및 퍼지밸브(33)와 같은 각종 구성요소들에 제어신호들을 출력한다.
도 2는 본 실시예에 따른 펌프(24)의 제어예를 도시한 흐름도이다.
연료전지시스템(1)의 운전이 정지된 후 상기 시스템이 빙점 미만의 환경에 노출되는 경우, 수소오프가스 내의 생성수 및 수분은 펌프(24)의 컴프레서부에서 응축되어, 상기 펌프(24)가 동결될 수도 있다. 동결된 펌프(24)에 강제적으로 토크 가 발생되면, 상기 펌프(24)가 손상을 입을 수도 있다. 그러므로, 펌프(24)에 대한 손상을 피하면서도 효율이 개선된 연료전지시스템(1)을 운전시키기 위하여, 상기 제어장치(7)는 연료전지시스템(1)의 기동 시에 하기 프로그램을 실행한다. 상기 프로그램은 펌프(24)의 회전이 일시적으로 불연속되거나 또는 연료전지시스템(1)의 운전 시 정지되는 경우에도 실행될 수도 있다는 점에 유의한다
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 프로그램에서는, 우선 연료전지시스템(1)과 연관된 여하한의 온도가 검출된다(단계 S1). 구체적으로, 냉매배관계(5)에 배치된 온도센서(45, 46) 및 외기온도센서(51)의 온도들이 검출된다.
이어서, 이들 센서(45, 46, 51) 중 하나 이상의 검출된 온도 Ti가 사전설정된 온도 T1 이하인 지의 여부가 판정된다(단계 S2). 사전설정된 온도 T1은 예컨대 0℃이다. 그 후, 상기 검출된 온도 Ti가 온도 T1 보다 높다고 판정되는 경우에는(단계 S2:NO), 상기 펌프(24)가 동결되지 않은 것으로 판정되고, 상기 펌프(24)의 구동이 허가된다(단계 S5).
여기서, 온도센서(47)에 의해 검출되는 연료전지(2)의 온도는 때때로 외기온도센서(51)에 의해 검출되는 외기온도와 상이하다. 이러한 차이는 연료전지시스템(1)의 정지로부터 그 재기동까지의 시간(시스템의 방치시간)으로 인하여 발생한다. 예를 들어, 상기 시스템이 비교적 장시간 방치되면, 상기 두 온도간의 차이가 거의 없게 된다. 하지만, 상기 시스템이 비교적 단시간 방치되는 경우에는, 연료전지(2)의 온도가 종종 외기온도보다 높게 된다. 다른 한편으로, 펌프(24)의 온도 자 체는 외기온도센서(51)에 의해 보다 잘 반영된다. 그러므로, 단계 S2에서, 주로 외기온도센서(51)의 검출된 온도 Ti가 온도 T1 보다 낮은 지의 여부를 판정하고, 펌프(24)의 구동의 정지를 유지하거나(단계 S3) 또는 펌프(24)의 구동을 허가하는(단계 S5) 지의 여부를 판정하는 것이 좋다.
검출된 온도 Ti가 온도 T1 이하인 것으로, 예컨대 펌프(24)가 동결되는 저온인 것으로 판정되는 경우에는(단계 S2:YES), 상기 펌프(24)의 구동이 정지된다(단계 S3). 즉, 제어장치(7)는 실질적으로 사전설정된 저온에서 타 조건에 우선하여 수소오프가스의 순환을 정지시킨다. 더욱이, 수소공급원(21)으로부터 연료전지(2)로의 수소가스 및 컴프레서(14)에 의한 산화가스는 제어장치(7)에 의해 공급되어, 연료전지(2)가 발전하게 된다. 즉, 수소오프가스는 연료전지(2)를 통해 강제적으로 순환되지 않고, 상기 연료전지(2)가 발전한다. 이 때, 펌프(24)의 구동의 정지는 온도센서(47)의 검출된 온도 Tii가 임계값 T2 을 초과할 때까지 유지된다(단계 S4:NO).
여기서, 단계 S3에서는, 펌프(24)가 정지된 상태에서 연료전지시스템(1)이 운전된다. 하지만, 이 경우에도, 연료전지(2)의 단위셀 내에 고농도의 수소가 유지될 수 있다. 이는 연료전지(2)의 온도가 0℃ 이하일 때, 상기 수소오프가스 내의 수증기분압이 실질적으로 0이고, 질소가스의 크로스리크량이 적기 때문이다. 그러므로, 연료전지(2)의 온도가 0℃ 이하인 경우에는, 펌프(24)의 구동이 정지되더라도, 연료전지(2) 내의 발전 효율이 저감되는 것을 방지할 수 있게 된다.
물론, 펌프(24)의 구동이 정지된 상태에서의 연료전지(2)의 발전 시, 퍼지밸브(33)는 연료전지(2) 내의 고수소농도를 일정하게 유지하도록 적절하게 개방하는 것이 바람직하다. 이 경우, 퍼지밸브(33)가 개방되는 횟수는 통상 운전 시(펌프(24)의 구동 시)보다 적은 것이 바람직하다. 결과적으로, 퍼지량이 억제될 수 있고, 연료전지시스템(1) 내의 수소이용율이 증가되어, 결국 시스템 효율이 향상될 수 있다.
연료전지(2)의 발전이 개시되면, 연료전지(2)의 온도가 상승한다. 그러면, 수소오프가스 내의 수증기분압이 상승하고, 질소가스의 크로스리크량도 증가하여, 연료전지(2)의 단위셀 내의 수소농도가 낮아진다. 이 경우, 단위셀 내의 고수소농도가 퍼지밸브(33)를 개폐시켜서만 유지된다면, 퍼지밸브(33)의 개폐 빈도가 증가한다. 그 결과, 수소이용율이 저감되고, 시스템 효율이 떨어지게 된다.
이 문제를 해결하기 위하여, 본 실시예에서는, 연료전지(2)의 온도, 즉 온도센서(47)의 검출된 온도 Tii가 사전설정된 임계값 T2 을 초과하는 경우(단계 S4:YES), 펌프(24)의 구동이 허가된다(단계 S5). 여기서, 임계값 T2은 상기 온도 T1 보다 높고, 예컨대 0℃를 초과하는 온도일 수도 있다. 상기 임계값 T2은 예컨대 연료전지(2)의 고체고분자형의 60 내지 80℃의 운전 온도를 고려하여 20 내지 30℃인 것이 바람직하다.
상기 처리가 단계 S5로 이동되어, 펌프(24)에 관한 일련의 프로그램이 종료된다. 그 후, 연료전지시스템(1)에서는, 펌프(24)의 구동이 개시되고, 연료전지(2) 의 부하를 토대로 통상 제어가 행해진다. 즉, 연료전지시스템(1)에서는, 연료전지(2)를 통해 수소오프가스를 순환시키도록 펌프(24)가 구동되어, 수소이용율이 증가되게 된다. 다른 한편으로, 퍼지밸브(33)가 적절하게 개방되어, 수소오프가스 내의 고수소농도가 유지되게 된다.
상술된 바와 같이, 본 실시예의 연료전지시스템(1)에 따르면, 빙점 미만의 기동 시에 펌프(24)의 구동이 정지된 상태에서 연료전지(2)가 발전한다. 결과적으로, 펌프(24)가 동결되더라도, 펌프의 구동(토크발생)이 정지되므로, 상기 펌프(24)에 대한 손상을 피할 수 있게 된다. 더욱이, 펌프(24)가 정지됨에 따라, 상기 펌프의 여하한의 동력 손실이 발생하지 않아 시스템 효율이 개선될 수 있게 된다.
나아가, 본 발명자들은 빙점 미만에서, 수소오프가스의 수증기분압이 실질적으로 0이고, 질소가스의 크로스리크량도 적다는 것을 발견하였다. 그러므로, 펌프(24)가 상술된 바와 같이 정지되는 경우에도, 연료전지(2)의 고수소농도가 유지될 수 있고, 상기 연료전지(2)가 적절하게 발전하도록 허가된다. 더욱이, 펌프(24)가 정지되는 경우에도, 수소오프가스가 빈번하게 또는 한 번 퍼지될 필요가 없으므로, 수소오프가스의 퍼지량이 억제될 수 있게 된다. 그러므로, 수소이용율이 펌프(24)를 정지시키면서도 증가될 수 있고, 결국 시스템 효율이 향상될 수 있게 된다.
더욱이, 연료전지(2)가 발전하여 사전설정된 온도로 따뜻해지면, 즉 사전설 정된 조건(Tii>T2)이 충족되면, 상기 펌프(24)의 구동 개시가 허가되어 펌프(24) 및 퍼지밸브(33)의 통상 제어로 이동하게 된다. 그러므로, 연료전지시스템(1)에 따르면, 펌프(24)의 구동 정지 시 또는 펌프의 구동 시에도, 연료전지(2) 내의 수소농도가 수소이용율을 개선하면서 확보될 수 있게 된다.
다른 한편으로, 펌프(24)가 동결되는 빙점 미만에서는, 펌프(24)가 구동되지 않아, 펌프(24)의 동결 대책이 간소화될 수 있게 된다. 예컨대, 연료전지시스템(1)의 운전 정지 후 펌프(24) 내의 배수처리와 펌프(24)가 동결되지 않는 이러한 구조의 궁리(devising) 등이 불필요하게 될 수 있다. 상기 배수처리는 일례로서 수소가스순환계(29)에서의 수소오프가스를 수소공급원(21)으로부터의 수소가스로 교체하는 소기 처리를 포함한다는 점에 유의한다.
더욱이, 펌프(24)가 동결되더라도, 연료전지(2)에서의 발열로 따뜻해진 수소오프가스가 펌프(24) 안으로 도입된다. 그러므로, 펌프(24)의 구동이 개시되면, 도입되는 수소오프가스가 동결된 펌프(24)를 해동시킬 수 있다.
제2실시예
다음으로, 제2실시예에 따른 연료전지시스템(1)의 상이점을 주로 도 3 및 도 4를 참조하여 설명하기로 한다. 본 실시예는 도 2에 도시된 온도 T1 및 T2 가 변경된다는 점에서 제1실시예와 상이하다. 본 실시예의 온도 T1 및 T2 는 소위 데드엔드(dead end) 또는 순환-리스(circulation-less)의 연료전지시스템(100)에서의 수소계의 시스템 효율을 도 1에 도시된 순환식의 연료전지시스템(1)에서의 수소계의 시스템 효율과 비교하여 설정된다.
우선, 도 3에 도시된 연료전지시스템(100)을 간단히 설명하기로 한다. 상기 시스템은 연료전지시스템(100)의 연료가스배관계(4')에 순환로(23) 및 펌프(24)가 제공되지 않고, 연료전지(2)로부터 수소오프가스를 배출하기 위한 배출로(25)에 퍼지밸브(33)가 제공되는 구성으로서 도 1의 연료전지시스템(1)과 상이하다. 다른 구성은 제1실시예의 연료전지시스템(1)의 것과 동일하므로, 그 구성이 제1실시예와 동일한 참조 부호들로 표시되고, 그 설명은 생략된다.
연료전지시스템(100)에 있어서, 수소가스와 산화가스는 연료전지(2)에 공급된다. 연료전지시스템(100)의 운전 시, 퍼지밸브(33)는 적절하게 개방된다. 결과적으로, 수소오프가스가 배출로(25)의 하류측으로 배출되어, 연료전지(2)의 단위셀 내의 수소농도가 확보되게 된다.
도 4는 연료전지(2)의 온도에 대한 수소계의 시스템 손실의 변화를 도시한 그래프이다. 여기서, 상기 연료전지(2)의 온도는 상술된 바와 같이 온도센서(47)에 의해 검출된 온도이다. 상기 수소계는 도 1의 연료가스배관계(4)에 상응하고, 도 3의 연료가스배관계(4')에 상응한다. 그러므로, 도 1의 순환식의 수소계의 시스템 손실이 퍼지밸브(33)의 개방으로 인한 수소오프가스의 퍼지 손실과 펌프(23)의 동력 손실을 가산하여 얻어진다. 다른 한편으로, 도 3의 순환-리스식의 수소계의 시스템 손실은 퍼지밸브(33)의 밸브 개방도로 인한 수소오프가스의 퍼지 손실을 포함한다.
도 4에 도시된 선 L1은, 도 1의 연료전지시스템(1)의 운전 시, 연료전지(2) 의 온도에 관계없이 펌프(24)가 구동되어 퍼지밸브(33)가 개폐되는 경우의 수소계의 시스템 손실을 보여준다. 상기 선 L1은 수소계의 시스템 손실이 실질적으로 연료전지(2)의 온도에 관계없이 일정하다는 것을 나타낸다.
도 4에 도시된 곡선 L2는, 도 3의 연료전지시스템(100)의 운전 시 퍼지밸브(33)가 개폐되는 경우의 수소계의 시스템 손실을 보여준다. 상술된 바와 같이, 연료전지(2)의 온도가 상승하면, 연료전지(2) 내의 수소가스농도가 낮아진다. 그러므로, 도 3의 연료가스배관계(4')에서는, 연료전지(2) 내의 수소가스농도를 확보하기 위하여, 퍼지밸브(33)를 통해 퍼징될 가스량이 상기 연료전지(2)의 온도의 상승을 토대로 증가되어야만 한다. 그러므로, 상기 곡선 L2는 수소계의 시스템 손실(퍼지 손실)이 연료전지(2)의 온도 상승을 토대로 증가한다는 것을 나타낸다.
도 1의 연료가스배관계(4)에서는, 펌프(24)의 구동없이, 퍼지밸브(33)만이 개폐되어 연료전지(2) 내의 수소농도를 확보하게 되는 경우, 이 때의 수소계의 시스템 손실은 실질적으로 곡선 L2에 상응하는 것으로 전제된다. 즉, 곡선 L2는 실질적으로 펌프(24)의 구동이 정지되는 경우의 연료가스배관계(4)의 시스템 손실을 나타낸다.
선 L1 및 곡선 L2에서 알 수 있는 바와 같이, 곡선 L2로 도시된 수소계의 시스템 손실은 상기 선이 온도 T'(T'> 0 인 경우)에서 상기 곡선과 교차할 때까지 상기 선 L1으로 도시된 것보다 적다. 더욱이, 온도 T'가 이동하면, 선 L1로 표시된 수소계의 시스템 손실이 곡선 L2로 표시된 것보다 적다. 이것을 분석하기 위해서는, 연료가스배관계(4)가 온도 T'까지 곡선 L2를 실행하고, 온도 T' 이후 선 L1을 실행하여, 연료전지(2)의 온도를 고려하여 수소계의 시스템 손실을 최소화하는 것이 바람직한 것으로 생각된다.
이에 따라, 제2실시예의 연료전지시스템(1)에서는, 상기 시스템의 기동 시, 펌프(24)의 구동이 온도 T'까지 정지되고, 상기 펌프(24)의 구동이 온도 T'에서 개시된다. 즉, 제2실시예에서는, 도 2의 단계 S2에 도시된 온도 T1이 온도 T'이고, 단계 S4에 도시된 온도 T2 또한 온도 T'로 설정된다. 상기 온도 T'는 예컨대 고체고분자형의 연료전지(2)에서 20 내지 30℃이다.
상술된 바와 같이, 제2실시예의 연료전지시스템(1)에 따르면, 펌프(24)의 구동 및 정지가 역전 온도 T'를 토대로 절환된다. 그러므로, 연료가스배관계(4)의 손실이 더욱 저감될 수 있어, 시스템 효율 전체가 더욱 개선될 수 있게 된다. 더욱이, 제2실시예에 따르면, 동결로 인한 펌프(24)에 대한 손상을 피할 수 있으므로, 제1실시예에 기술된 것 이외의 기능과 효과가 발생될 수 있게 된다. 상기 온도 T1 및 T2 는 온도 T'보다 낮은 온도로 설정될 수도 있다는 점에 유의한다.
제3실시예
다음으로, 제3실시예에 따른 연료전지시스템(1)의 상이점을 주로 도 3 및 도 5를 참조하여 설명하기로 한다. 본 실시예는 도 2에 도시된 온도 T1 및 T2 가 변경된다는 점에서 제1실시예와 상이하다. 제2실시예에서와 동일한 방식으로, 이들 온도 T1 및 T2 는 도 3의 연료전지시스템(100)과 비교하여 설정된다.
도 5는 연료전지(2)의 온도에 대한 퍼지량의 변화를 도시한 그래프이다. 상술된 바와 같이, 상기 퍼지량은 퍼지밸브(33)의 하류측으로 배출될 수소오프가스량이다. 도 5에 도시된 선 L3은 도 1의 연료전지시스템(1)의 운전 시(펌프(24)의 구동 시)의 퍼지량을 보여준다. 상기 선 L3은 상기 퍼지량이 실질적으로 연료전지(2)의 온도에 관계없이 일정하다는 것을 나타낸다.
도 5에 도시된 곡선 L4는 도 3의 연료전지시스템(100)의 운전 시의 퍼지량을 보여준다. 상술된 바와 같이, 연료전지(2)의 온도가 상승하면, 연료전지(2) 내의 수소가스농도가 낮아진다. 그러므로, 도 3의 연료가스배관계(4')에서는, 연료전지(2) 내의 수소가스농도를 확보하기 위하여, 상기 퍼지량이 연료전지(2)의 온도의 상승을 토대로 증가되어야만 한다. 그러므로, 상기 곡선 L4는 연료전지(2)의 온도 상승을 토대로 퍼지량이 증가하는 것을 나타낸다.
도 1의 연료가스배관계(4)에서는, 펌프(24)의 구동없이, 퍼지밸브(33)만이 개폐되어 연료전지(2) 내의 수소농도를 확보하게 되는 경우, 이 때의 퍼지량이 실질적으로 상기 곡선 L4로 표시된 퍼지량에 상응하는 것으로 전제된다. 즉, 상기 곡선 L4는 실질적으로 펌프(24)의 구동이 정지된 상태에서 퍼지밸브(33)가 개폐되는 경우의 퍼지량을 나타낸다.
도 5에 도시된 선 L5는 배기보안기준에 따른 퍼지량을 보여준다. 즉, 연료전지시스템의 설계에 따르면, 수소오프가스의 퍼지량이 상기 선 L5로 표시된 허용량을 초과하지 않는 것이 필요하다. 상기 선 L5는 온도 T"(제1온도)에서 곡선 L4와 교차한다.
제3실시예의 연료전지시스템(1)에서는, 시스템의 기동 시, 펌프(24)의 구동이 온도 T"까지 정지되고, 상기 펌프(24)의 구동이 온도 T"에서 개시된다. 즉, 제3실시예에서는, 도 2의 단계 S2에 도시된 온도 T1가 온도 T"이고, 단계 S4에 도시된 온도 T2 또한 온도 T"로 설정된다.
그러므로, 제3실시예의 연료전지시스템(1)에 따르면, 펌프(24)의 구동 및 정지가 온도 T"를 토대로 절환된다. 결과적으로, 상기 퍼지량이 적절하게 감소될 수 있어, 시스템 효율 전체가 개선될 수 있게 된다. 더욱이, 제3실시예에 따르면, 동결로 인한 펌프(24)에 대한 손상을 회피할 수 있으므로, 제1실시예에 기술된 것 이외의 기능과 효과가 발생할 수 있게 된다. 상기 온도 T1 및 T2 는 온도 T"보다 낮은 온도로 설정될 수도 있다는 점에 유의한다.
본 발명의 연료전지시스템(1)은 2륜 또는 4륜의 자동차 이외의 이동체, 항공기, 선박, 로봇 등에 탑재될 수 있다. 더욱이, 상기 연료전지시스템(1)은 정치용(stationary)일 수도 있고, 코제너레이션시스템(cogeneration system)에 통합될 수도 있다.

Claims (10)

  1. 연료전지시스템에 있어서,
    연료전지로부터 배출되는 연료오프가스를 연료전지를 통해 순환시키는 순환로 및 상기 순환로 내의 상기 연료오프가스를 압송하는 순환펌프를 구비한 연료가스순환시스템; 및
    상기 순환펌프의 구동을 제어하는 제어장치를 포함하여 이루어지고,
    상기 제어장치는 사전설정된 저온에서 상기 순환펌프의 구동을 정지시키는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 연료전지시스템이 상기 사전설정된 저온에서 기동 시에 상기 순환펌프의 구동을 정지시키는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 사전설정된 저온은 상기 연료전지의 온도가 0도 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 사전설정된 저온은 외기의 온도가 0도 이하인 것을 특징으로 하는 연료 전지시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연료전지의 온도를 검출하는 온도센서를 더 포함하여 이루어지고,
    상기 제어장치는 상기 온도센서에 의해 검출된 온도가 상기 사전설정된 저온 이하일 때에 상기 순환펌프의 구동을 정지시키는 반면, 상기 제어장치는 상기 온도센서에 의해 검출된 온도가 상기 사전설정된 저온보다 높을 때에는 상기 순환펌프의 구동을 허가하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연료전지의 온도가 상기 사전설정된 저온보다 높은 제2온도를 초과할 때, 상기 제어장치는 상기 순환펌프의 구동을 허가하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 순환로에 연결되어, 상기 연료오프가스를 배출하는 퍼지통로; 및
    상기 퍼지통로를 개폐하는 퍼지밸브를 더 포함하여 이루어지고,
    상기 제어장치는 상기 순환펌프의 구동의 정지 시에 상기 퍼지밸브를 개폐하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    연료가스를 연료전지에 공급하고, 상기 연료전지로부터 연료오프가스를 배출하는 연료가스시스템이 구성되되,
    상기 순환펌프의 구동이 정지되는 경우의 상기 연료가스시스템의 시스템 손실의 크기가 상기 순환펌프가 구동되는 경우의 상기 연료가스시스템의 시스템 손실의 크기를 역전하는 온도가 있고,
    상기 사전설정된 저온은 상기 역전하는 온도 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 연료가스시스템은 상기 연료오프가스를 배출하는 퍼지통로, 및 상기 퍼지통로를 개폐하는 퍼지밸브를 구비하고,
    상기 순환펌프의 구동이 정지되는 경우의 상기 연료가스시스템의 시스템 손실은 상기 퍼지밸브의 개방으로 인한 퍼지 손실로 이루어지며,
    상기 순환펌프가 구동되는 경우의 상기 연료가스시스템의 시스템 손실은 상기 퍼지밸브의 개방으로 인한 퍼지 손실과 상기 순환펌프의 구동으로 인한 동력 손실로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 순환로에 연결되어, 상기 연료오프가스를 배출하는 퍼지통로; 및
    상기 퍼지통로를 개폐하는 퍼지밸브를 더 포함하여 이루어지되,
    상기 순환펌프의 구동이 정지된 상태에서 상기 퍼지밸브가 개폐되는 경우의 퍼지량이 허용량보다 많은 제1온도가 있고,
    상기 사전설정된 저온은 상기 제1온도 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
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