KR20100063643A - 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 운전 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 운전 방법은, 연료를 지속적으로 연료 전지 스택에 공급하면서 제1 량의 산화제(정량의 산화제보다 적음)를 상기 연료 전지 스택에 공급하고, 제2 량의 산화제(정량의 산화제보다 많음)를 연료 전지 스택에 공급하고, 제3 량의 산화제(정상 운전상태에서 공급되는 정량의 산화제)를 상기 연료 전지 스택에 공급하는 것을 포함한다.
연료 전지, 산화제, 운전, 환원

Description

연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 운전 방법{FUEL CELL SYSTEM AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 발명은 연료 전지 시스템의 운전 방법 및 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 캐소드 촉매를 환원시키고 연료 전지의 내부에서 발생한 반응 생성물 또는 미반응물을 용이하게 제거할 수 있는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지는 연료(일례로, 수소 또는 개질 가스)와 산화제(일례로, 산소 또는 공기)를 이용하여 전기 화학적으로 전력을 생산하는 장치로서, 외부에서 지속적으로 공급되는 연료(일례로, 수소 또는 개질 가스)와 산화제(일례로, 산소 또는 공기)를 전기화학반응에 의하여 직접 전기에너지로 변환시키는 장치이다.
연료 전지의 산화제로는 순수 산소나 산소가 다량 함유되어 있는 공기를 이용하며, 연료로는 순수 수소 또는 탄화수소계 연료(LNG, LPG, CH3OH)를 개질 하여 생성된 수소가 다량 함유된 연료를 사용한다.
이하, 설명의 편의를 위하여 이러한 연료 전지 중 고분자 전해질형 연료 전 지(PMFC)를 중심으로 설명한다. 고분자 전해질형 연료 전지는 출력 밀도 및 에너지 전환 효율이 높고 80℃ 이하의 낮은 온도에서 작동 가능하며, 소형화, 밀폐화가 가능하여 무공해 자동차, 가정용 발전 시스템, 이동통신 장비, 군사용 장비, 의료기기 등 매우 다양한 분야의 전원으로 사용되고 있다.
이러한 고분자 전해질형 연료 전지는 개질기를 구비하여 연료로부터 수소를 다량으로 함유한 개질가스를 생산하고, 연료 전지 스택을 구비하여 상기한 개질가스로 전기를 생산한다.
연료 전지 스택으로는 개질가스와 함께 산소가 공급되어 산소와 수소의 반응으로 전기를 생산한다.
고분자 전해질형 연료 전지는 연료 사용 감소를 통한 고효율을 얻기 위해서 높은 작동 전압에서 운전한다. 그러나 이러한 고전압 운전은 연료 전지 스택에 설치된 캐소드 전극의 산화를 유발하고 이에 따라 캐소드 전극 촉매의 활성이 저하되는 문제가 발생한다. 즉, 연료 전지 스택의 캐소드 전극에는 백금 미립자를 카본 입자에 담지한 카본 담지 백금 촉매가 일반적으로 사용되지만, 이 백금 촉매로 대표되는 캐소드 전극 촉매는 산화제의 공급으로 산화 피막이 형성되어 촉매의 활성이 저하되는 문제가 발생한다. 또한, 운전 중에 카본 입자가 산화제로 인하여 산화되는 문제가 발생한다.
또한, 반응 중에 미반응물들이 형성되는데, 이 미반응물들을 제거하지 못하면, 유로를 가로막아서 촉매 피독 또는 플러딩 등의 현상이 발생하는 문제가 발생한다. 이러한 현상은 연료 전지 스택의 수명을 감소시키는 주요 원인이 된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연료 전지 시스템 및 이의 운전 방법은 스택의 열화를 억제함과 동시에 미반응물 등을 용이하게 제거하여 열화를 방지하고 수명을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 운전 방법은, 연료 전지 시스템의 운전 중에 연료 전지 스택으로 연료를 계속 공급하면서 정량 산화제 보다 더 적은 제1 량의 산화제를 상기 연료 전지 스택으로 공급하고, 정량 산화제 보다 더 많은 제2 량의 산화제를 상기 연료 전지 스택으로 공급하며, 그리고 상기 연료 전지 스택으로 정상 운전 상태에서 공급되는 산화제량인 제3 량의 산화제를 공급하는 것을 포함한다. 여기서, "정량"의 산화제는 정상 구동상태에서 공급되는 산화제의 양을 의미하는 것이며, 이는, 본 기술분야에서 알려져 있는 바와 같이, 적용되는 연료 전지의 타입과 그 용량에 따라 변할 수 있다.
상기 제1 량의 산화제를 공급하는 때에, 캐소드 전극 내부가 환원 분위기가 되는 환원 전압으로 상기 연료 전지 스택의 전압을 감소시킬 수 있다.
상기 환원 전압은 0V 내지 0.5V 일 수 있다.
상기 연료 전지 스택으로 공급되는 제1 량의 산화제는 상기 제3 량의 산화제(즉, 정량의 산화제)의 75% 내지 85% 범위 내일 수 있다. 상기 제1 량의 산화제가 공급되는 시간은 대략 2초 내지 5초 내일 수 있다. 상기 제2 량의 산화제는 상 기 제3 량의 산화제의 120% 내지 150% 범위 내일 수 있다. 상기 제2 량의 산화제가 공급되는 시간은 대략 2초 내지 5초 내일 수 있다. 상기 제2 량의 산화제를 공급하는 때에, 상기 연료 전지 스택 내에 잔류하는 미반응물과 반응 생성물이 제거될 수 있다.
상기 연료 전지 시스템은 산화제의 공급량을 조절하는 산화제 제어 밸브 또는 산화제 펌프를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 전해질막과 전해질막의 일측에 배치된 캐소드 전극, 전해질막의 타측에 배치된 애노드 전극을 포함하는 막-전극 집합체와, 상기 막-전극 집합체의 양면에 부착된 세퍼레이터를 포함하는 복수개의 전기생성유닛을 포함하는 연료 전지 스택과, 상기 연료 전지 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부와, 상기 연료 전지 스택으로 산화제를 공급하는 산화제 공급부와, 연료 전지 시스템의 구성요소를 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는, 순차적으로, 상기 연료 전지 스택으로 제1 량의 산화제를 공급하고, 상기 연료 전지 스택으로 제2 량의 산화제를 공급하고, 상기 연료 전지 스택으로 제3 량의 산화제를 공급하도록 제어한다. 상기 제1 량의 산화제는 정량의 산화제보다 적고, 상기 제2 량의 산화제는 정량의 산화제보다 많으며, 제3 량의 산화제는 정량의 산화제이다. 상기한 바와 같이 "정량"의 산화제는 정상 운전상태에서 공급되는 산화제의 양을 의미한다.
상기 제어부는 상기 연료 전지 스택으로 상기 제3 량(정량)의 산화제의 75% 내지 85%의 제1 량의 산화제를 공급할 수 있으며, 이 때 상기 연료 전지 스택의 전 압은 감소하여 상기 캐소드 전극 내부가 환원 분위기가 되는 환원 전압으로 될 수 있다. 상기 환원 전압은 0V 내지 0.5V 내일 수 있다. 상기 제어부는 상기 연료 전지 스택으로 상기 제3 량(정량)의 산화제의 120% 내지 150%의 제2 량의 산화제를 공급할 수 있다.
상기 연료 전지 시스템은 상기 제어부와 연결되어 상기 연료 전지 스택으로 공급되는 산화제의 유량을 조절하는 산화제 펌프 또는 산화제 제어 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기와 같이 본 발명의 실시예에 따르면 산화제의 공급량을 감소하여 환원 분위기를 조성함으로써 산화된 캐소드 촉매를 환원시켜서 열화를 방지할 수 있다. 또한, 산화제의 공급량을 증가시킴으로써, 연료 전지 스택 내부에 잔류하는 반응 생성물과 미반응물을 용이하게 제거할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.
상기한 도면을 참조하여 설명하면, 연료 전지 시스템(100)은 연료를 개질하여 수소를 발생시키고, 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발 생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용할 수 있다.
다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 메탄올, 에탄올, LPG, LNG, 가솔린, 부탄 가스 등과 같이 수소를 함유한 액체 또는 기체 연료를 포함할 수 있다. 이 경우 본 발명에 따른 연료 전지 스택(20)은 전기 생성 유닛에 의한 액체 또는 기체 연료와 산소의 직접적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 방식으로서 구성될 수 있다.
이러한 연료 전지 시스템(100)에 사용되는 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연가스, LPG 등과 같이 액상 또는 기체 상태로 이루어진 탄화수소계 연료를 통칭한다.
그리고 본 연료 전지 시스템(100)은 수소와 반응하는 산화제로서 별도의 저장 수단에 저장된 산소 가스를 사용할 수 있으며, 공기를 사용할 수도 있다.
본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 연료를 이용하여 개질가스를 발생시키는 개질기(30)와 개질기(30)에 연결되어 개질가스와 산화제를 이용하여 전력을 발생시키는 연료 전지 스택(20)과 개질기(30)로 연료를 공급하는 연료 공급부(10)와, 전기 생성을 위한 산화제를 연료 전지 스택으로 공급하는 산화제 공급부(50)를 포함하여 구성된다.
상기 개질기(30)는 개질 반응에 의해 액상의 연료를 연료 전지 스택(20)의 전기 생성에 필요한 수소 가스로 전환할 뿐만 아니라, 상기한 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 장치이다. 통상적으로 상기 개질기(30)는 액상의 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질부와, 그 수소 가스로부터 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 저감부를 포함한다. 개질부는 수증기 개질, 부분 산화 또는 발열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 전환한다. 그리고 일산화탄소 저감부는 수성가스 전환 방법, 선택적 산화 방법 등과 같은 촉매 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법으로 개질 가스로부터 일산화탄소의 농도를 저감시킨다.
선택적으로, 상기 개질기가 생략될 수 있다. 상기한 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들은 개질기를 요구하지 않는 연료 전지를 포함한다. 예를 들어, 직접 산화형 연료 전지는 연료가 개질될 필요가 없이 연료 전지 스택으로 직접 공급되므로 개질기를 포함하지 않는다.
연료 공급부(10)는 개질기(30)와 연결 설치되는 것으로서, 액상의 연료를 저장하는 연료 탱크(51)와, 연료 탱크(51)에 연결 설치되는 연료 펌프(11)를 구비한다. 상기한 연료 펌프(11)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(51)에 저장된 액상의 연료를 연료 탱크(51)의 내부로부터 배출시키는 기능을 갖는다.
산화제 공급부(50)는 연료 전지 스택(20)과 연결 설치되며, 소정의 펌핑력으로 외부 공기를 흡입하여 연료 전지 스택(20)으로 공급할 수 있는 산화제 펌프(13)를 구비한다. 산화제 펌프(13)는 제어부(70)와 연결되며, 제어부(70)는 상기 산화제 펌프(13)를 제어하여 상기 연료 전지 스택으로의 산화제 공급을 제어한다.
선택적으로, 상기 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택(20)과 산화제 공급 부(50) 사이에는 산화제의 공급량을 조절하는 산화제 제어 밸브(미도시)를 구비할 수 있다. 산화제 제어 밸브는 상기 제어부(70)와 연결되며, 상기 제어부(70)는 상기 산화제 제어 밸브를 제어하여 산화제 공급을 제어한다. 이 때, 상기 제어부(70)는 산화제 펌프(13)를 제어하는 것이 아니라 상기 산화제 제어 밸브를 제어한다. 그러나, 산화제 제어 밸브가 생략되는 경우엔, 제어부(70)는 산화제 펌프(13)를 제어하여 산화제 공급을 제어한다.
도 2는 도 1에 도시한 연료 전지 스택의 구조를 나타낸 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 연료 전지 시스템(100)에 적용되는 연료 전지 스택(20)은 개질된 연료와 산화제의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 전기 생성부(24)들을 구비한다.
각각의 전기 생성부(24)는 전기를 발생시키는 단위 셀을 의미하며, 연료와 산화제 중의 산소를 산화/환원시키는 막-전극 집합체(Membrane Electrode assembly: MEA)(21) 및, 연료와 산화제를 막-전극 집합체로 공급하기 위한 세퍼레이터(당 업계에서는 '바이폴라 플레이트'라고도 한다.)(23, 25)를 포함한다.
전기 생성부(24)는 막-전극 집합체(21)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터(23, 25)가 각각 배치된 구조를 갖는다. 막-전극 집합체(21)는 중앙에 배치된 전해질막과 전해질막의 일측에 배치된 캐소드 전극과 전해질막의 타측에 배치된 애노드 전극을 포함한다.
연료 전지 시스템(100)은 위와 같은 복수의 전기 생성부(24)가 연속적으로 배치됨으로써 연료 전지 스택(20)을 구성하게 된다. 여기서 연료 전지 스택(20)의 제일 외각에 배치된 세퍼레이터를 엔드 플레이트(27)라고 한다.
상기한 바와 같이, 연료 전지 시스템(100)은 제어부(70)를 더 포함하는데, 제어부(70)는 연료 공급부(10), 산화제 공급부(50), 산화제 제어 밸브, 및 부하(60)와 연결 설치되어 연료 전지 시스템(100)의 전체적인 구동을 제어한다. 상기한 바와 같이, 상기 제어부(70)는 산화제 공급부 내에서 산화제 펌프(13) 또는 산화제 제어 밸브를 제어하여 산화제 공급을 제어한다.
연료 전지 스택(20)에서 발생된 전기 에너지를 소비하는 부하(60)가 연료 전지 스택(20)과 전기적으로 연결 설치되는데, 부하(60)는 자동차의 모터, 직류전기를 교류전기로 변환하는 인버터, 또는 가정용 전열기기 등 다양한 전기기기로 이루어질 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 운전 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 운전 방법은 연료 전지 시스템(100)의 운전 중에 연료 전지 스택(20)으로 연료를 계속 공급하면서, 정량 산화제 보다 더 적은 제1 량(量)의 산화제를 연료 전지 스택(20)으로 공급하는 단계(S101)와, 정량 산화제 보다 더 많은 제2 량의 산화제를 연료 전지 스택(20)으로 공급하는 단계(S102), 및 상기 연료 전지 스택(20)으로 정상 운전 상태의 공급량인 제3 량의 산화제를 공급하는 단계(S103)를 포함한다. 상기한 바와 같이, "정량"의 산화제는 정상 운전상태에서 공급되는 산화제의 양이며, 이는 연료 전지의 타입과 그 용량에 따라 변할 수 있다.
제1 량의 산화제 공급 단계(S101)에 있어서, 연료 전지 스택의 운전 중에 연료를 계속 공급하면서 산화제의 공급량을 감소시켜서 감소된 양의 산화제를 연료 전지 스택으로 공급한다. 이때 공급되는 제1 량의 산화제는 제3 량(정량)의 산화제의 75% 내지 85% 를 연료 전지 스택으로 공급한다.
제1 량의 산화제가 정량 산화제의 75%보다 더 적으면, 연료 전지 스택에 역전압이 결려서 열화되는 문제가 발생하며 산화제의 공급을 재개할 때, 캐소드 촉매를 구성하는 카본 입자가 부식되는 문제가 발생한다. 상기 제1 량의 산화제가 정량 산화제의 85%보다 더 많으면 연료 전지 스택(20)의 전압을 낮추는데 시간이 많이 소요되고, 환원 분위기가 조성되지 못하여 촉매가 안정적으로 환원되지 못하는 문제가 발생한다.
산화제 공급이 상기 제1 량까지 감소되는 때(S102)에는, 정전압 제어를 통해서 연료 전지 스택(20)의 전압을 0V근처까지 감소시킬 수 있다. 이 때 연료 전지 스택(20)의 전압은 캐소드 전극의 내부가 환원 분위기가 되는 환원 전압으로 감소된다. 여기서 환원 전압은 0V 내지 0.5V의 범위 내로 설정될 수 있다.
산화제의 공급량이 감소하면서, 연료 전지 스택(20) 내부의 전압을 환원 전압까지 감소되면, 캐소드 전극 내부에 환원 분위기로 조성되어 산화된 촉매가 수초 이내에 환원될 수 있다.
연료 전지 시스템의 운전 동안 캐소드 전극의 백금(Pt) 촉매는 산화되어 활성이 저하되는 문제가 있는 바, 본 실시예와 같이 환원 분위기를 조성하면, 백금 촉매를 환원시켜서 촉매 피독물을 용이하게 제거할 수 있다.
본 실시예와 같이 공기의 공급을 중단하지 않고, 공기의 공급량을 감소시킨 후, 전압을 낮추면 연료 전지 스택(20)에 역전압이 걸리는 것을 방지할 수 있다.
제2 량의 산화제 공급이 이루어지는 단계(S102)에서는, 전압이 감소된 후, 연료 전지 스택(20)으로 산화제의 공급을 증가시키는데, 이 때에는 정량 산화제 보다 더 많은 제2 량의 산화제를 연료 전지 스택(20)으로 공급하여 미반응물 또는 반응 생성물을 제거할 수 있다. 이때 공급되는 산화제의 제2 량은 제3 량(정량) 산화제의 120% 내지 150%이고, 제2 량의 산화제가 공급되는 시간은 약 2초 내지 5초이다.
상기 제2 량 산화제가 제3 량(정량) 산화제의 120%보다 더 적으면 반응 생성물 등을 용이하게 제거하지 못하는 문제가 있고, 제2 량 산화제가 제3 량(정량) 산화제의 150%보다 더 많으면 급격한 산화로 인하여 촉매의 열화가 발생하는 문제가 있다.
제1 량의 산화제를 공급한 후에 제2 량의 산화제를 공급하면, 높은 압력(즉, 정상 운전조건에서의 압력보다 높은 압력)으로 공급되는 산화제로 인하여 연료 전지 스택 내부에 생성된 물과, 불순물 등을 용이하게 제거할 수 있다. 또한 산화제의 공급을 중단하지 아니하므로 산화제의 공급을 중단한 후에 산화제를 재공급할 때, 발생하는 카본입자가 산화되는 현상을 방지할 수 있다.
제3 량(정량)의 산화제를 공급하는 단계(S103)에서는 산화제의 공급량을 증가시켜서 불순물을 제거한 후, 다시 산화제 공급량을 정상 운전 상태에서 공급되는 정량 산화제로 조절하여 연료 전지 스택(20)에 공급하면서 정상 운전을 실시한다.
이와 같이 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)의 운전 방법에 따르면, 산화제의 공급량을 감소하여 촉매를 환원시킬 수 있을 뿐만 아니라, 이어서 산화제의 공급량을 증가시켜서 내부의 불순물을 용이하게 제거할 수 있다. 이에 따라 연료 전지 스택의 열화를 방지하고 수명이 향상된다.
연료 전지 시스템(100)은 상기 연료 전지 시스템 운전방법을 수행할 수 있도록 연료 전지 시스템의 구성요소들을 제어할 수 있는 제어부(70)를 포함한다. 상기 제어부(70)는 연료 공급부(10), 산화제 공급부(50), 산화제 제어 밸브(17), 및 부하(60)와 연결 설치된다.
제어부(70)는 연료 전지 스택(20)으로 공급되는 산화제의 공급량을 감소시킴으로써 제1 량의 산화제를 공급하고, 이로 인해 연료 전지 스택(20)의 전압이 감소된 후, 이어서 연료 전지 스택(20)으로 공급되는 산화제를 정상 운전 상태에서 공급되는 정량 산화제보다 더 많이 제2 량의 산화제를 공급한 후, 연료 전지 스택으로 정상 운전 상태에서 공급되는 제3 량(정량)의 산화제를 공급하도록 제어한다.
또한, 제어부(70)는 감소된 산화제인 소량 산화제의 양과, 공급 시간 및 전압의 감소 정도와 전압 감소 시간, 과량 산화제의 양과 공급 시간 등을 제어하여 연료 전지 스택 내부의 촉매를 환원시킬 뿐만 아니라, 내부 생성물 등을 제거한다.
실시예1
실시예1에서 연료 전지 시스템은 정량의 산화제보다 적은 제1 량의 산화제를 공급함으로써 운전되었다. 상기 제1 량의 산화제는 약 2 내지 3초 동안 공급되었다. 그리고 나서, 정량의 산화제보다 많은 제2 량의 산화제가 상기 연료 전지 스택 으로 공급되었다. 상기 제2 량의 산화제는 약 2 내지 3초 동안 공급되었다. 그리고 나서, 정량(제3 량)의 산화제가 상기 연료 전지 스택으로 공급되었다. 이 때, 정량은 정상 운전상태에서 공급되는 산화제의 양이다. 전체 운전방법은 1 시간동안 수행되었다.
실시예1의 방법으로 구동된 연료 전지 시스템은 0.65V, 60℃에서 450mW/cm2의 초기 성능을 나타내었다. 애노드 전극의 습도는 80%이고, 캐소드 전극은 건조한 상태였다. 또한, 연료stoic : 산화제stoic 은 1.2 : 2.5 이었다. 연료stoic은 전기를 생성하는데 필요한 최소 연료량에 대하여 연료 전지에 공급된 연료량의 측정치이고, 산화제stoic은 전기를 생성하는데 필요한 최소 산화제량에 대하여 연료 전지에 공급된 산화제량의 측정치이다.
비교예1
비교예1에서 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택에 정량의 산화제를 공급하면서 운전되었다.
도 4는 실시예1에 따른 연료 전지 시스템의 운전 방법에 의해 구동된 연료 전지 시스템의 성능과 비교예1의 방법에 의해 구동된 연료 전지 시스템의 성능을 비교하여 나타낸 그래프이다. 도 4에 나타난 바와 같이, 비교예1에 따라 운전된 연료 전지 시스템의 성능은 실시예1에 따라 운전된 연료 전지 시스템의 성능에 비하여 상당히 열등함을 볼 수 있다. 특히, 실시예1에 따른 연료 전지 시스템의 운전 방법에 따를 경우, 연료 전지 스택의 열화를 방지하여 성능 감소율이 비교예1에 비 하여 현저히 낮은 것을 알 수 있다.
도 5는 실시예1에 따른 운전 방법에 의해 구동된 연료 전지 스택의 수명 평가를 나타낸 그래프이다.
수명 평가는 10시간 운전, 2시간 휴식으로 진행되었고, 총 200시간을 운전하였다. 도 5에 나타난 바와 같이 100시간 이상 운전하더라도 성능 감소가 거의 발생하지 않았다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 연료 전지 스택의 구조를 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 운전 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 실시예1에 따른 연료 전지 시스템의 운전 방법에 의해 구동된 연료 전지 시스템의 성능과 비교예1의 방법에 의해 구동된 연료 전지 시스템의 성능을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예1에 따른 운전 방법에 의해 구동된 연료 전지 스택의 수명 평가를 나타낸 그래프이다.
- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -
100: 연료 전지 시스템 10: 연료 공급부
20: 연료 전지 스택 50: 산화제 공급부
60: 부하 21: 막-전극 집합체
24: 전기 생성부 30: 개질기
60: 부하 70: 제어부

Claims (16)

  1. 연료와 산화제를 반응시켜 전기에너지를 생성하는 연료 전지 스택;
    상기 연료 전지 스택으로 산화제를 공급하는 산화제 공급부; 및
    순차적으로 제1, 제2, 제3 량(量)의 산화제를 상기 연료 전지 스택에 공급하여, 상기 산화제 공급을 제어하는 제어부
    를 포함하고,
    상기 제1 량의 산화제는 상기 제3 량의 산화제보다 적고, 상기 제2 량의 산화제는 상기 제3 량의 산화제보다 많은 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부를 더 포함하는 연료 전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 연료 공급부는 개질기를 더 포함하는 연료 전지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화제 공급부로부터 상기 연료 전지 스택으로 상기 산화제를 공급하고, 상기 제어부에 의해 개폐되면서 상기 연료 전지 스택으로 공급되는 산화제량을 제어하는 산화제 제어 밸브를 더 포함하는 연료 전지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화제 공급부로부터 상기 연료 전지 스택으로 상기 산화제를 공급하고, 상기 제어부에 의해 상기 연료 전지 스택으로 공급되는 산화제량을 제어하는 산화제 펌프를 더 포함하는 연료 전지 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택은 복수개의 전기생성유닛을 포함하는 연료 전지 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 각 전기생성유닛은 막-전극 집합체와 적어도 하나의 세퍼레이터를 포함하고, 상기 막-전극 집합체는 전해질막에 의해 분리된 애노드와 캐소드를 포함하는 연료 전지 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 량의 산화제는 상기 제3 량의 산화제의 75% 내지 85% 범위에 속하는 연료 전지 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 량의 산화제는 상기 제3 량의 산화제의 120% 내지 150%의 범위에 속하는 연료 전지 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택에 연결되어 상기 연료 전지 스택에 의해 생성되는 전기 에너지를 소비하는 부하를 더 포함하는 연료 전지 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택에 연료를 공급하는 연료 공급부와,
    상기 연료 전지 스택에 연결되어 상기 연료 전지 스택에 의해 생성되는 전기 에너지를 소비하는 부하를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 연료 전지 스택으로의 연료 공급을 제어하고, 상기 부하에 공급되는 전기 에너지를 제어하는 연료 전지 시스템.
  12. 연료 전지 스택을 포함하는 연료 전지 시스템을 제공하고,
    상기 연료 전지 스택에 연료를 공급하고,
    상기 연료 전지 스택에 제1 량의 산화제를 공급하여 상기 연료 전지 스택의 전압을 감소시키고,
    상기 연료 전지 스택에 제2 량의 산화제를 공급하고, 그리고
    상기 연료 전지 스택에 제3 량의 산화제를 공급하여 상기 연료 전지 스택을 구동하며,
    상기 제1 양의 산화제는 상기 제3 량의 산화제보다 적고, 상기 제2 량의 산화제는 상기 제3 량의 산화제보다 많으며,
    연료와 산화제는 상기 연료 전지 스택에서 반응하여 전기 에너지를 생성하는 연료 전지 시스템의 운전 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1 량의 산화제는 상기 제3 량의 산화제의 75% 내지 85%의 범위에 속하는 연료 전지 시스템의 운전 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제2 량의 산화제는 상기 제3 량의 산화제의 120% 내지 150%의 범위에 속하는 연료 전지 시스템의 운전 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택은 복수개의 전기생성유닛을 포함하고, 상기 각 전기생성유닛은 전해질막에 의해 분리된 캐소드와 애노드를 포함하는 막-전극 집합체를 포함하며,
    상기 제1 량의 산화제는 상기 연료 전지 스택의 전압을 감소시켜 상기 전기 생성유닛의 캐소드에서 환원 분위기를 형성하는 연료 전지 시스템의 운전 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택에 상기 제1 량의 산화제를 공급할 때,
    상기 연료 전지 스택의 전압은 0V 내지 0.5V의 범위 내의 전압으로 떨어지는 연료 전지 시스템의 운전 방법.
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