KR20100092276A - 연료 전지 시스템의 퍼지 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 퍼지 방법은 스택 내부의 산소를 용이하게 제거할 수 있도록 연료 전지 시스템의 스택으로 공급되는 연료 공급량을 감소시키는 연료 공급 감소 단계와, 상기 스택으로 공급되는 공기 공급량을 감소시키면서 공기 배출을 막는 공기 공급 감소 단계와, 부하를 걸어 산소를 소모하면서 공기 중의 질소로 상기 스택 내부를 충진하는 질소 충진 단계, 및 상기 연료의 공급을 중단하는 정지 단계를 포함한다.
연료 전지, 퍼지, 질소, 산소, 공기, 스택

Description

연료 전지 시스템의 퍼지 방법{PURGING METHOD OF FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료 전지 시스템의 퍼지 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스택 내부의 산소를 용이하게 배출시킬 수 있는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법에 관한 것이다.
연료 전지는 연료(수소 또는 개질 가스)와 산화제(산소 또는 공기)를 이용하여 전기 화학적으로 전력을 생산하는 장치로서, 외부에서 지속적으로 공급되는 연료와 산화제를 전기 화학 반응에 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)또는 탄화수소계 연료를 개질하여 생성된 수소가 다량 함유된 개질 가스를 사용한다.
이러한 연료 전지는 크게 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)와, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxydation Fuel Cell)와 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)로 구분될 수 있다.
고분자 전해질형 연료 전지는 연료전지스택(이하 '스택'이라 한다)이라 불리는 연료 전지 본체를 포함하며, 개질기로부터 공급되는 수소 가스와, 공기 펌프 또는 팬의 가동에 의해 공급되는 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어진다. 여기서 개질기는 연료를 개질하여 이 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 스택으로 공급하는 연료처리장치로서의 기능을 한다.
직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 수소 가스를 사용하지 않고 연료인 알코올류를 직접적으로 공급받아 이 연료 중에 함유된 수소와, 별도로 공급되는 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어진다. 직접 메탄올형 연료 전지는 직접 산화형 연료 전지 중에서 메탄올을 연료로 사용하는 전지를 말한다.
이하, 설명의 편의를 위하여 이러한 연료 전지 중 고분자 전해질형 연료 전지를 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, 이동 통신 장비, 군사용 장비, 의료기기 등 매우 다양한 분야의 전원으로 사용되고 있다.
이러한 고분자 전해질형 연료 전지는 개질기를 구비하여 연료로부터 수소를 다량으로 함유한 개질가스를 생산하고, 스택을 구비하여 상기한 개질가스로 전기를 생산한다.
스택으로는 개질가스와 함께 공기가 공급되어 공기 중의 산소와 수소의 반응 으로 전기를 생산한다. 이와 같은 연료 전지 시스템에서 운전 정지 시에, 개질가스 및 산소가 스택 내에 잔류하면 고분자 전해질 막이나 애노드극과 캐소드극에 형성되어 있는 촉매층이 열화되는 문제가 있다.
연료 전지 시스템의 재기동 시에 애노드 촉매에서는 환원 분위기를 조성하여 산화물을 제거할 수 있으나, 캐소드 촉매에서는 계속 산화물이 결합된 상태이며 재기동 시에 리버스 전류에 의하여 캐소드 촉매 지지체 부식 현상 등이 발생하여 스택의 내구성이 저하되는 문제가 있다.
이와 같이 연료 전지 시스템의 정지 시에는 애노드극 보다 캐소드극에서 잔류하는 산소로 인하여 캐소드 촉매 지지체의 부식 및 고분자 전해질막 분해 등 연료전지 내구성을 저해하는 문제가 더 크게 발생한다.
이를 방지하기 위해서 종래에는 개질가스의 공급을 중단하고 비활성가스인 질소(N2)를 공급하여 연료전지 스택 내에 잔류하는 개질가스를 퍼지(purge)하였다.
하지만 질소를 이용한 퍼지 방법은 질소가스를 외부에서 공급해야 하는 불편과 더불어 이로 인한 부대장치가 구성되어야 하므로 제작 비용이 증가할 뿐만 아니라, 질소용기를 설치할 공간 상의 제약으로 연료전지 상용화의 걸림돌로서 작용하였다.
본 발명의 목적은 용이하게 스택을 퍼지할 수 있는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 퍼지 방법은 연료 전지 시스템의 스택으로 공급되는 연료 공급량을 감소시키는 연료 공급 감소 단계와, 상기 스택으로 공급되는 공기 공급량을 감소시키면서 공기 배출을 막는 공기 공급 감소 단계와, 부하를 걸어 산소를 소모하면서 공기 중의 질소로 상기 스택 내부를 충진하는 질소 충진 단계, 및 상기 연료의 공급을 중단하는 정지 단계를 포함한다.
상기 연료 공급 감소 단계는 부하에서 소모하는 전력을 선형적으로 감소시키는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 연료 공급 감소 단계는 상기 연료 공급을 감소한 이후에 부하와의 전기적인 연결을 차단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 연료 공급 감소 단계는 상기 연료의 공급량을 정상 운전 시의 1/3 내지 1/5로 감소시킬 수 있으며, 상기 공기 공급 감소 단계는 공기의 공급량을 정상 운전 시의 30% 내지 50%로 감소시킬 수 있다.
상기 공기 공급 감소 단계는 공기 공급량을 감소시켜서 공급하면서, 상기 스택으로 공급되는 공기 공급 압력을 상한 압력과 비교하여, 상기 공기 공급 압력이 상기 상한 압력보다 큰 경우에는 공기의 공급을 중단하고 상기 공기 공급 압력이 상기 상한 압력보다 작은 경우에는 공기 공급량을 감소시켜서 공급하면서, 공기 공급 압력을 상한 압력과 비교할 수 있이며, 상기 상한 압력은 8㎪ 내지 15㎪일 수 있다.
상기 질소 충진 단계는 전압 감소기와 스택을 연결하여 산소를 소모하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 질소 충진 단계는 전압 감소기를 이용하여 상기 스택을 구성하는 셀의 촉매활성면적에 5㎃/㎠ 내지 20㎃/㎠의 부하를 적용할 수 있다.
상기 질소 충진 단계는, 질소를 충진하면서 상기 스택으로 공급되는 공기 공급 압력을 하한 압력과 비교하여, 상기 공기 공급 압력이 상기 하한 압력보다 작은 경우에는 공기 공급량을 감소시켜서 공급한 후, 질소를 충진할 수 있다. 여기서 상기 하한 압력은 2㎪ 내지 5㎪일 수 있다.
상기 정지 단계는 공기를 스택으로 공급하는 공기 펌프의 작동을 중지하고, 전압 감소기와 스택의 연결을 차단하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 연료 전지 시스템은 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급관과 스택에서 배출된 연료를 회수하는 회수관 및 상기 연료 공급관과 회수관을 연결하는 바이패스관을 포함하고, 상기 정지 단계는 상기 바이패스관과 상기 연료 공급관을 연결하고, 상기 연료 공급관 및 상기 회수관과 상기 스택의 연결을 차단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 정지 단계는 상기 스택의 셀전압을 기준 전압과 비교하여 상기 셀전압이 상기 기준 전압보다 더 큰 경우에는 상기 질소 충진 단계를 반복하고, 상기 셀전압이 기준 전압보다 작은 경우에는 연료 공급을 중단할 수 있다. 여기서 상기 기준 전압은 0.1V 내지 0.4V일 수 있다. 또한, 상기 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급관에는 가습기가 설치될 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따르면 별도의 저장 용기에 저장된 질소를 사용하지 않고 공기 중에 포함된 질소로 연료 전지 스택을 퍼지할 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 제 1실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 연료를 개질하여 수소를 발생시키고, 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용할 수 있다.
다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 연료 전지 시스템은 메탄올과 산소의 직접적인 반응에 의하여 전기 에너지를 발생시키는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell)로 이루어질 수 있다.
또한, 연료 전지 시스템은 600℃ 이상의 고온에서 작동하는 용융 탄산염형 연료 전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells), 또는 고체산화물형 연료 전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cells), 또는 200℃ 이하의 비교적 저온에서 작동하는 인산형 연료 전지(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells)로 이루어질 수 있다.
이러한 연료 전지 시스템에 사용되는 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스, LPG 등과 같이 액상 또는 기체 상태로 이루어진 탄화수소계 연료를 통칭한다.
그리고 본 연료 전지 시스템은 수소와 반응하는 산화제로서 공기를 사용한다.
본 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 연료를 이용하여 개질가스를 발생시키는 개질기(120)와 개질기(120)와 연결되어 개질가스와 산화제를 이용하여 전력을 발생시키는 스택(110)과 스택(110)에 연결된 부하(161)와 전압 감소기(163)를 포함한다.
개질기(120)는 연료를 개질하여 이 연료로부터 수소가스를 발생시키고, 수소가스를 스택(110)으로 공급하는 연료처리장치를 말한다. 개질기(120)에는 연료를 공급하는 포트(131)와 물을 공급하는 포트(132), 및 공기를 공급하는 공기 공급원(135)이 연결 설치되어 있다.
개질기(120)는 공급된 연료를 이용하여 열을 발생시키고, 발생된 열을 이용하여 연료와 촉매층의 산화반응으로 연료로부터 수소를 다량으로 포함하는 개질가스를 발생시킨다.
개질가스는 스택(110)과 개질기(120) 사이에 설치된 연료 공급관(152)을 통해서 스택(110)으로 공급된다. 본 실시예에 따른 스택(110)은 복수 개의 셀(미도시)이 적층되어 산화 환원 반응에 의하여 전력을 생산하는 통상적인 구조의 스택(110)으로 이루어진다. 본 발명의 연료 전지 시스템에는 다양한 구조의 스택(110)이 적용될 수 있으며, 특정한 구조에 제한되는 것은 아니다.
스택(110)은 개질가스와 더불어 공기 펌프(141)를 통해서 공기를 포함하는 공기를 공급받는데, 공기에 포함된 산소와 개질가스에 포함된 수소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시킨다.
이러한 스택(110)은 전기 에너지를 발생시키는 최소 단위의 전지 셀을 구비하는 바, 이 전지 셀은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly; MEA)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터를 밀착 배치하여 구성될 수 있다.
스택(110)에서 발생된 전기 에너지를 소비하는 부하(161)가 스택(110)과 전기적으로 연결 설치되는데, 부하(161)는 자동차의 모터, 직류전기를 교류전기로 변환하는 인버터, 또는 가정용 전열기기 등 다양한 전기기기로 이루어질 수 있다.
또한, 스택(110)에는 전압 감소기(163)가 연결 설치되는데, 전압 감소기(163)는 스택(110)을 퍼지할 때, 전기 에너지를 소비하며, 셀 전압을 감소시키면서 셀 전압을 감시하는 역할을 한다.
본 실시예에 따른 전압 감소기(163)는 스택(110)의 각 셀에 미세한 부하(load)를 가할 수 있는 기기로서 전압 감소기(163)의 동작은 동작명령신호가 입력되면 4개 단위 셀 묶음으로 되어 있는 회로들이 직렬로 연결되어 동시에 동작되며, 직렬로 연결된 포토 커플러의 포토 다이오드 측에 전류를 흘려 동작시킴으로써 포토 커플러의 내부 트랜지스터가 도통되어 전압 감소기 회로가 동작될 수 있다. 전압 감소기(163)는 스택의 손상을 방지할 수 있도록 촉매활성면적에 5㎃/㎠ 내지 20㎃/㎠의 부하가 가해지도록 이루어진다.
또한, 스택(110)에는 스택(110)의 구동을 제어하는 제어기(165)가 연결 설치 되는데, 제어기(165)는 부하(161)와 전압 감소기(163)에 연결 설치되어 부하(161) 및 전압 감소기(163)의 작동을 제어할 수 있다.
한편, 개질기(120)와 스택(110) 사이에는 연료 공급관(152) 이외에 스택(110)에서 소모되지 않은 미반응 개질가스를 개질기(120)로 회수할 수 있도록 스택(110)의 출구단과 개질기(120)를 연결하는 회수관(154), 및 회수관(154)과 연료 공급관(152)을 연결하는 바이패스관(156)이 설치된다.
바이패스관(156)은 3방향 밸브(3-way valve)(151)를 매개로 연료 공급관(152)에 설치되는데, 3방향 밸브(151)는 연료 공급관(152)과 스택(110)의 연통을 제어하고, 연료 공급관(152)과 바이패스관(156)의 연통을 제어한다. 또한, 회수관(154)에는 회수관(154)과 스택(110)의 연통을 제어하는 회수 밸브(153)가 설치된다.
본 실시예에서는 3방향 밸브(151)가 설치된 것으로 예시하고 있지만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 연료 공급관(152)과 바이패스관(156)에 각각 밸브가 설치될 수 있다.
바이패스관(156)은 회수 밸브(153) 보다 더 개질기(120)와 인접하게 배치되는데, 이에 따라 연료 공급관(152)이 바이패스관(156)에만 연통되고, 회수 밸브(153)가 폐쇄되면 개질기(120)에서 나온 개질가스는 바이패스관(156)을 통해서 다시 개질기(120)로 이동할 수 있다. 그리고 상기한 3방향 밸브(151)와 회수 밸브(153)는 솔레노이드 밸브(solenoid valve)로 이루어진다.
스택(110)에는 공기의 공급을 위한 공기 공급관(142)이 연결 설치되는데, 공 기 공급관(142)에는 공기를 밀어내는 공기 펌프(141)와 공기의 유량을 측정하는 공기 유량계(143), 및 공기의 습도를 상승시키는 가습기(146)가 설치된다.
공기 펌프(141)는 통상적으로 스택(110)에 공기를 공급하는 펌프로 이루어질 수 있으며, 본 실시예에 따른 공기 펌프(141)는 최대 압력이 10㎪ 내지 15㎪로 이루어질 수 있다.
가습기(146)와 스택(110) 사이에는 공기 공급관(142)의 압력을 측정하는 압력계(145)가 설치된다.
또한, 스택(110)에는 공기 배출관(144)이 설치되는데, 공기 배출관(144)은 가습기(146)와 연결되어 가습기(146)에 수분을 공급하고 외부로 배출된다. 공기 배출관(144)에는 공기의 배출을 제어하는 배출 밸브(147)가 설치된다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 퍼지 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 퍼지 방법은 스택(110)으로 공급되는 연료 공급량을 감소시키는 연료 공급 감소 단계(S101)와 스택(110)과 부하(161)와의 전기적인 연결을 차단하는 차단 단계(S102)와, 스택(110)으로 공급되는 공기 공급량을 감소시키면서 공기 배출을 막는 공기 공급 감소 단계(S103)와, 부하를 걸어 산소를 소모하면서 공기 중의 질소로 스택(110) 내부를 충진하는 질소 충진 단계(S104), 및 연료의 공급을 중단하는 정지 단계(S105)를 포함한다.
연료 공급 감소 단계(S101)에 있어서, 연료의 양은 정상 운전 시에 스 택(110)으로 공급되는 연료 양의 1/3 내지 1/5 수준으로 감소시킬 수 있으며, 바람직하게는 정상 운전 시에 스택(110)으로 공급되는 연료의 양의 1/4 수준으로 감소시킬 수 있다. 연료 공급을 감소하면서 부하에서 소모하는 전력도 감소시키는데, 부하(161) 전력 및 연료의 공급은 선형적으로 감소된다. 이와 같이 선형적으로 감소시키면 스택(110)에 무리가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
부하(161)의 전력이 선형적으로 감소되면 스택(110)과 부하(161)와의 연결을 차단한다(S102). 상기한 연결이 차단되는 부하(161)는 스택(110)의 정상 운전 시에 스택(110)과 연결되어 전력을 소모하는 주된 부하를 의미한다.
본 실시예에서는 부하(161)와의 전기적인 연결을 차단하고 전압 감소기(163)를 연결하는 것으로 예시하고 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 일부 부하(161)와 연결을 유지하면서 부하(161)를 이용하여 전압을 감소시킬 수도 있다.
공기 공급 감소 단계(S103)에서는 공기 펌프(141)의 출력을 낮추어서 소량의 공기를 스택(110)으로 공급하며, 공기의 공급 양을 감소하면서 배출 밸브(147)를 폐쇄하여 스택(110)에서 공기가 배출되지 못한다.
이때, 공기 펌프(141)는 최대 공급 압력이 10㎪ 내지 15㎪인 펌프를 사용하는 바, 이에 따라 스택(110)에 큰 압력이 걸려서 스택(110)이 파손되는 것을 방지할 수 있다.
공기의 양은 정상 운전 시에 스택(110)으로 공급되는 공기 양의 30% 내지 50% 수준으로 감소시킬 수 있으며, 바람직하게는 정상 운전 시에 스택(110)으로 공급되는 공기의 양의 40% 수준으로 감소시킬 수 있다.
질소 충진 단계에서는 전압 감소기(163)와 스택(110)을 연결하여 부하를 연결함으로써 산소를 소모하고, 공기 중의 질소로 스택 내부를 충진한다. 이때 부하라 함은 스택(110)과 연결되어 스택(110)에서 생성된 전력을 소비하는 모든 종류의 전기 기기가 될 수 있으며, 본 실시예에서는 전압 감소기(163)가 된다.
전압 감소기(163)는 스택(110)에서 발생된 전력을 소모하여 스택(110)이 낮은 부하에서 발전을 수행하도록 하며, 스택을 구성하는 셀의 촉매활성면적에 5㎃/㎠ 내지 20㎃/㎠의 부하가 가해지도록 전력을 소모한다.
촉매활성면적에 적용된 부하가 5㎃/㎠ 보다 더 작으면 산소가 제대로 감소되지 못하는 문제가 있으며, 촉매활성면적에 적용된 부하가 20㎃/㎠ 보다 더 크면 촉매활성영역이 손상되는 문제가 있다.
공기 중에는 산소가 21% 정도, 질소가 78%정도 포함되어 있는 바, 발전을 통해서 산소를 소모하면 스택(110) 내부는 점차 불활성 가스인 질소로 채워진다. 이때, 질소의 충진은 스택(110)의 셀 전압이 0.1V 내지 0.4V가 될 때까지 지속한다. 셀 전압이 0.4V보다 크면 잔류 산소량이 많아서 촉매가 산화되는 문제가 있으며, 셀 전압이 0.1V보다 작으면 셀에 역전압이 걸려서 오히려 촉매가 산화되는 문제가 발생할 수 있다. 이 때 셀 전압이라 함은 스택을 구성하는 셀의 평균 전압을 의미한다.
정지 단계(S105)는 공기 펌프(141)의 작동을 중지하고, 전압 감소기(163)와 스택(110)의 연결을 차단하는 단계와, 바이패스관(156)과 연료 공급관(152)을 연결하고, 연료 공급관(152)과 스택(110)의 연결을 차단하는 단계를 포함한다.
정지 단계(S105)에서는 공기 배출관(144)에 설치된 배출 밸브(147)를 폐쇄하여 질소의 유출 및 산소의 유입을 차단하며, 공기 펌프(141)의 작동이 중지되면 가습기(146)의 압력 차손(pressure drop)으로 더 이상 스택(110)으로 공기가 유입되는 것을 방지할 수 있다. 이 상태에서 전압 감소기(163)와 스택(110)의 연결을 차단하면 스택(110)은 더 이상 발전을 수행하지 않고 정지한다.
또한, 연료 공급관(152)과 스택(110)의 연결을 차단하면 연료가 더 이상 스택(110)으로 유입되지 아니하며, 연료 공급관(152)과 바이패스관(156)을 연결시키면 연료가 바이패스관(156)을 통해서 개질기(120)로 회수된다. 이때, 회수관(154)의 회수 밸브(153)를 폐쇄하여 연료 전지 스택(110)과 개질기(120)의 연결을 완전히 차단한다.
본 실시예와 같이 산소를 소모하여 공기 중의 질소로 스택(110) 내부를 채우면 산소로 인하여 캐소드 촉매 등이 산화되는 것을 안정적으로 방지할 수 있다. 또한, 공기 중의 질소를 이용하여 퍼지함으로써 별도로 질소 저장 장치 등을 설치할 필요가 없다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 도시한 개략적인 구성도이다.
도 3을 참조하여 설명하면, 본 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 공기 공급관(142)에 설치된 공기 공급 밸브(148)를 포함한다. 상기한 공기 공급 밸브(148)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.
공기 공급 밸브(148)는 압력계(145)와 가습기 사이에 설치된다. 이와 같이 공기 공급 밸브(148)를 설치하면 발전을 완전히 정지한 후에 공기 공급 밸브(148)를 폐쇄하여 확산 등에 의하여 공기 중의 산소가 스택(110)으로 유입되는 것을 안정적으로 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 퍼지 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4를 참조하여 설명하면, 본 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 퍼지 방법은 스택(110)으로 공급되는 연료 공급량을 감소시키는 연료 공급 감소 단계(S201)와 부하(161)와의 전기적인 연결을 차단하는 차단 단계(S202)와, 공기량을 감소하여 스택(110)으로 공급하는 공기 공급 감소 단계(S203)와, 공기 공급 압력을 상한 압력과 비교하는 제1 압력 비교 단계(S204)와, 공기의 공급을 중단하는 공기 공급 중단 단계(S205)와 산소를 소모하여 질소를 충진하는 질소 충진 단계(S206)와, 공기 공급 압력을 하한 압력과 비교하는 제2 압력 비교 단계(S207)와 셀 전압을 기준 전압과 비교하는 전압 비교 단계(S208)를 포함한다.
연료 공급 감소 단계(S201)에 있어서, 연료의 양은 정상 운전 시에 스택(110)으로 공급되는 연료 양의 1/3 내지 1/5 수준으로 감소시킬 수 있으며, 바람직하게는 정상 운전 시에 스택(110)으로 공급되는 연료의 양의 1/4 수준으로 감소시킬 수 있다.
제1 압력 비교 단계(S204)에서 공기 배출을 막고 공기량을 감소하여 공급할 때, 압력계(145)를 이용하여 공기 공급관(142) 내부의 압력 상승을 검출한다. 공 기를 지나치게 많이 공급하면 스택(110)이 파손되거나 손상될 수 있기 때문이다. 공기량을 감소하여 공급함에 있어서 공기 공급 압력이 상한 압력보다 크면 공기의 공급을 중단하고(S207), 공기 공급 압력이 상한 압력보다 작으면 계속 공기를 공급한다(S205).
여기서 상한 압력은 8㎪ 내지 15㎪로 설정된다. 상한 압력이 8㎪보다 더 작으면 스택(110) 내부에 공기가 충분히 공급되지 못하는 문제가 있으며, 상한 압력이 15㎪보다 더 크면 스택(110)에 큰 압력이 가해져서 스택(110)이 파손되는 문제가 있다.
공기 공급 중단 단계(S207)는 공기 공급 압력이 상한 압력보다 클 때, 공기 공급 밸브(148)를 폐쇄하여 공기가 스택(110)으로 유입되는 것을 차단한다.
이와 같이 제1 압력 비교 단계와 공기 공급 중단 단계는 공기 공급 감소 단계에서 공기를 공급하는 과정에서 거의 동시에 수행될 수 있는 바, 제1 압력 비교 단계와 공기 공급 중단 단계는 공기 공급 감소 단계에 포함될 수 있다.
공기의 공급이 중단되면 전압 감소기(163)와 스택(110)을 연결하여 부하를 연결함으로써 산소를 소모하고, 공기 중의 질소로 스택(110) 내부를 충진한다(S206).
질소를 충진하는 과정에서 산소가 소모되면 스택 내부의 압력이 감소하는 바, 제2 압력 비교 단계(S207)에서 공기 공급관(142)의 압력과 하한 압력을 비교하여 공기 공급 압력이 하한 압력보다 크면 공기 공급 밸브(148)를 개방하여 다시 공기를 공급하고, 상한 압력과 비교하여 공기가 충분히 채워졌다고 판단되면 공기의 공급을 중단하고 부하인 전압 감소기를 걸어 산소를 소모하면서 질소를 충진한다. 여기서 하한 압력은 2㎪ 내지 5㎪이 된다.
제2 압력 비교 단계는 질소를 충진하는 과정에서 질소 충진 단계와 동시에 수행될 수 있는 바, 제2 압력 비교 단계는 질소 충진 단계에 포함될 수 있다.
이와 같이 스택(110)의 압력 변화에 따라 공기의 공급과 차단을 반복하면 스택(110)의 손상을 방지하면서 지속적으로 스택(110) 내부에 공기를 공급할 수 있다.
또한, 공급된 공기 중에서 산소만을 소모하여 질소로 스택(110) 내부를 충진함으로써 스택(110) 캐소드극 유로 내의 산소를 안정적으로 제거하여 스택(110)내 촉매층이 열화되는 것을 방지할 수 있다.
전압 비교 단계(S208)에서는 질소를 충진하면서 셀의 전압을 기준 전압과 비교하여 셀 전압이 기준 전압보다 크면 계속해서 질소를 충진하고 충진하다가 압력을 비교하여 공기 공급 압력이 하한 압력 보다 낮아지면 다시 공기를 공급한 후, 질소를 충진한다. 이와 같이 질소를 충진하는 단계를 행함에 있어서 제2 압력 비교 단계와 전압 비교 단계는 동시에 수행될 수 있다.
기준 전압은 0.1V 내지 0.4V로 이루어진다. 전압 비교 단계는 스택(110) 내부에 잔존하는 산소의 양을 확인하는 단계로서 셀의 전압이 기준 압력 이하가 되도록 하면 스택(110) 내부의 산소를 안정적인 수준으로 제거하여 촉매층에서 산화가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
여기서 전압 비교를 통해서 스택(110)의 셀전압이 기준 전압보다 작으면 전 압 감소기(163)와 스택(110)의 연결을 차단하고, 연료의 공급을 중단한다. 연료 공급의 중단은 바이패스관(156)과 상기 연료 공급관(152)을 연결하고, 연료 공급관(152)과 스택(120)의 연결을 차단하며 회수 밸브(153)를 닫아서 개질기(120)와 스택(110)의 연결을 차단한다. 이에 따라 연료는 연료 공급관(152)과 바이스패관(156) 및 회수관(154)을 거쳐서 다시 개질기(120)로 회수된다.
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 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 퍼지방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템의 퍼지방법을 나타낸 순서도이다.
- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -
110: 스택 120: 개질기
141: 공기 펌프 142: 공기 공급관
144: 공기 배출관 145: 압력계
146: 가습기 147: 배출 밸브
148: 공기 공급 밸브 151: 3방향 밸브
152: 연료 공급관 153: 회수 밸브
154: 회수관 156: 바이패스관
161: 부하 163: 전압 감소기
165: 제어기 156: 바이패스관

Claims (16)

  1. 연료 전지 시스템의 스택으로 공급되는 연료 공급량을 감소시키는 연료 공급 감소 단계;
    상기 스택으로 공급되는 공기 공급량을 감소시키면서 공기 배출을 막는 공기 공급 감소 단계;
    부하를 걸어 산소를 소모하면서 공기 중의 질소로 상기 스택 내부를 충진하는 질소 충진 단계; 및
    상기 연료의 공급을 중단하는 정지 단계;
    를 포함하는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 공급 감소 단계는 부하에서 소모하는 전력을 선형적으로 감소시키는 단계를 포함하는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 공급 감소 단계는 상기 연료 공급을 감소한 이후에 부하와의 전기적인 연결을 차단하는 단계를 포함하는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 공급 감소 단계는 상기 연료의 공급량을 정상 운전 시의 1/3 내지 1/5로 감소시키는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 공급 감소 단계는 공기의 공급량을 정상 운전 시의 30% 내지 50%로 감소시키는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 공급 감소 단계는 공기 공급량을 감소시켜서 공급하면서, 상기 스택으로 공급되는 공기 공급 압력을 상한 압력과 비교하여,
    상기 공기 공급 압력이 상기 상한 압력보다 큰 경우에는 공기의 공급을 중단하고 상기 공기 공급 압력이 상기 상한 압력보다 작은 경우에는 공기 공급량을 감소시켜서 공급하는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 상한 압력은 8㎪ 내지 15㎪인 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 질소 충진 단계는 전압 감소기와 스택을 연결하여 산소를 소모하는 단계를 포함하는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 질소 충진 단계는 상기 전압 감소기를 이용하여 상기 스택을 구성하는 셀의 촉매활성면적에 5㎃/㎠ 내지 20㎃/㎠의 부하를 적용하는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 정지 단계는 공기를 스택으로 공급하는 공기 펌프의 작동을 중지하고, 상기 전압 감소기와 상기 스택의 연결을 차단하는 단계를 포함하는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 질소 충진 단계는, 질소를 충진하면서 상기 스택으로 공급되는 공기 공급 압력을 하한 압력과 비교하여,
    상기 공기 공급 압력이 상기 하한 압력보다 작은 경우에는 공기 공급량을 감소시켜서 공급한 후, 질소를 충진하는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 하한 압력은 2㎪ 내지 5㎪인 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급관과 스택에서 배출된 연료를 회수하는 회수 및 상기 연료 공급관과 회수관을 연결하는 바이패스관을 포함하고,
    상기 정지 단계는 상기 바이패스관과 상기 연료 공급관을 연결하고, 상기 연료 공급관 및 상기 회수관과 상기 스택의 연결을 차단하는 단계를 포함하는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 스택의 셀전압을 기준 전압과 비교하여 상기 셀전압이 상기 기준 전압보다 더 큰 경우에는 상기 질소 충진 단계로 이동하고, 상기 셀전압이 기준 전압보다 작은 경우에는 연료 공급을 중단하는 단계를 포함하는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 기준 전압은 0.1V 내지 0.4V인 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급관에는 가습기가 설치된 연료 전지 시스템의 퍼지 방법.
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