KR20100102225A - 연료전지시스템 및 연료전지시스템의 제어방법 - Google Patents

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KR20100102225A
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Abstract

연료전지 스택(100)에 의한 발전 정지 후에, 발전 중에 수소와 산소의 전기화학반응에 의하여 생성된 생성수가, 연료전지 스택(100)이 구비하는 막전극 접합체에서 동결한다고 예측되었을 때에, 막전극 접합체의 온도가, 세퍼레이터의 온도보다 상대적으로 높아지도록, 미약한 발전(온도 구배 형성제어)을 행한다.
그리고, 이 온도 구배 형성제어는, 막전극 접합체와 세퍼레이터 사이에 온도 구배가 형성되기까지의 기간만 행하고, 막전극 접합체와 세퍼레이터 사이에 온도 구배가 형성된 후에는 신속하게 정지한다. 이와 같이 함으로써, 연료전지를 구비하는 연료전지시스템에서, 연료전지시스템의 에너지 효율의 저하를 억제함과 동시에, 저온 시동성을 향상시킬 수 있다.

Description

연료전지시스템 및 연료전지시스템의 제어방법{FUEL CELL SYSTEM AND FUEL CELL SYSTEM CONTROL METHOD}
본 발명은, 연료전지시스템 및 연료전지시스템의 제어방법에 관한 것이다.
종래, 연료가스(예를 들면, 수소)와 산화제 가스(예를 들면, 산소)의 전기화학반응에 의해 발전하는 연료전지가 에너지원으로서 주목받고 있다. 이 연료전지는, 프로톤 전도성을 가지는 전해질막의 양면에, 각각 애노드 및 캐소드를 접합하여 이루어지는 막전극 접합체를, 세퍼레이터에 의해 끼워 유지함으로써 구성된다. 그리고, 막전극 접합체의 캐소드에서는, 발전 시에, 캐소드 반응에 의해, 물(생성수)이 생성된다.
이와 같은 연료전지를 구비하는 연료전지시스템에서는, 연료전지에 의한 발전 정지 후에, 연료전지의 온도가 영하가 되면, 막전극 접합체에 포함되는 생성수가 동결된다. 그리고, 이 상태에서 연료전지시스템을 시동하면, 동결한 생성수에 의해, 막전극 접합체의 애노드에 대한 연료가스의 공급 및 캐소드에 대한 산화제가스의 공급이 방해되어, 연료전지의 발전성능이 저하한다.
그래서, 종래, 연료전지시스템에서, 발전정지 중의 연료전지의 내부에서의 생성수의 동결을 억제하기 위한 여러가지 기술이 제안되어 있다.
[특허문헌 1]
일본국 특개2004-22198호 공보
[특허문헌 2]
일본국 특개2006-107901호 공보
[특허문헌 3]
일본국 특개2004-327101호 공보
[특허문헌 4]
일본국 특개2005-322527호 공보
그러나, 상기 특허문헌에 기재된 기술에서는, 연료전지의 내부에 잔류한 생성수를 연료전지의 외부로 배출시키는 운전을 행하거나, 연료전지의 온도를 동결 온도보다 높은 온도로 유지하는 운전을 행하기 위하여, 이들 운전을 행할 때에, 에너지를 소비하여, 연료전지시스템의 에너지 효율의 저하를 초래한다.
본 발명은, 상기한 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 연료전지를 구비하는 연료전지시스템에서, 연료전지시스템의 에너지 효율의 저하를 억제함과 동시에, 저온 시동성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 상기한 과제의 적어도 일부를 해결하기 위하여 이하의 형태 또는 적용예로서 실현하는 것이 가능하다.
[적용예 1]
연료전지시스템으로서, 전해질막의 양면에, 각각, 애노드 및 캐소드를 접합하여 이루어지는 막전극 접합체를, 세퍼레이터에 의해 끼워 유지한 연료전지와, 상기 애노드로 연료가스를 공급하는 연료가스 공급부와, 상기 캐소드로 산화제 가스를 공급하는 산화제 가스 공급부와, 상기 연료전지를 냉각하기 위한 냉각매체를, 상기 세퍼레이터 내에 형성된 냉각매체 유로로 순환시키는 냉각매체 순환부와, 상기 각(各)부를 제어하는 제어부를 구비하고, 상기 제어부는, 상기 연료전지에 의한 발전 정지 후에, 발전 중에 상기 연료가스와 상기 산화제 가스의 전기화학반응에 의해 생성된 생성수가, 상기 막전극 접합체에서 동결한다고 예측되었을 때에, 상기연료가스 공급부와, 상기 산화제 가스 공급부와, 상기 냉각매체 순환부 중 적어도 하나를 기동하여, 상기 막전극 접합체의 온도가 상기 세퍼레이터의 온도보다 상대적으로 높아지도록, 상기 막전극 접합체와 상기 세퍼레이터 사이에 온도 구배를 형성하는 온도 구배 형성제어를 행하고, 상기 막전극 접합체와 상기 세퍼레이터 사이에 상기 온도 구배가 형성된 후에, 상기 온도 구배 형성제어를 정지하는, 연료전지시스템.
적용예 1의 연료전지시스템에서는, 연료전지에 의한 발전 정지 후에, 발전 중에 연료가스와 산화제 가스의 전기화학반응에 의해 생성된 생성수가, 막전극 접합체에서 동결한다고 예측되었을 때에, 연료가스 공급부와, 산화제 가스 공급부와, 상기 냉각매체 순환부 중의 적어도 하나를 기동하여, 막전극 접합체의 온도가, 세퍼레이터의 온도보다 상대적으로 높아지도록, 막전극 접합체와 세퍼레이터 사이에 온도 구배를 형성하는 온도 구배 형성제어를 행한다. 이와 같이 함으로써, 막전극 접합체와 세퍼레이터 사이에 증기압 구배가 생기고, 막전극 접합체에 포함되는 생성수에, 증기압이 높은 막전극 접합체 측으로부터 증기압이 낮은 세퍼레이터 측으로 이동하는 구동력이 작용한다. 따라서, 막전극 접합체에 포함되는 생성수를, 세퍼레이터 측으로 이동시켜, 영하의 저온 환경 하에서의 막전극 접합체에서의 생성수의 동결을 억제할 수 있다. 이 결과, 연료전지시스템의 저온 시동성을 향상 시킬 수 있다.
또, 상기 온도 구배 형성제어는, 막전극 접합체와 세퍼레이터 사이에, 원하는 온도 구배가 형성되기까지의 기간만 행하여지고, 그 온도 구배가 형성된 후에는 신속하게 정지된다. 따라서, 먼저 설명한 종래 기술, 즉, 연료전지의 내부에 잔류한 생성수를 연료전지의 외부로 배출시키는 운전이나, 연료전지의 온도를 동결온도보다 높은 온도로 유지하는 운전과 비교하여, 연료전지시스템의 에너지 효율의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 상기 생성수가, 막전극 접합체에서 동결하는지의 여부의 예측은, 여러가지 방법을 적용 가능하다. 예를 들면, 연료전지에 온도센서를 설치하여, 이 온도센서에 의해, 연료전지의 온도를 적절하게 검출하고, 검출된 온도나, 온도의 변화율에 의거하여, 상기 생성수가 막전극 접합체에서 동결하는지의 여부를 판단하도록 할 수 있다. 또, 연료전지의 외부의 환경 온도, 환경 온도의 변화율, 냉각매체의 온도, 냉각매체의 온도의 변화율의 적어도 일부에 의거하여, 상기 생성수가 막전극 접합체에서 동결하는지의 여부를 판단하도록 하여도 된다.
[적용예 2]
적용예 1에 기재된 연료전지시스템으로서, 상기 제어부는, 상기 온도 구배 형성제어로서, 상기 연료가스 공급부 및 상기 산화제 가스 공급부를 기동하여, 상기 연료전지에 의한 발전을 행함으로써, 상기 막전극 접합체의 온도를, 상기 세퍼레이터의 온도보다 높게 하는, 연료전지시스템.
적용예 2의 연료전지시스템에 의해, 막전극 접합체의 온도를, 세퍼레이터의 온도보다 높게 할 수 있다. 또한, 온도 구배 형성제어에서의 발전은, 막전극 접합체와 세퍼레이터 사이에 온도 구배가 형성되면 되기 때문에, 정상 발전보다 미약한 발전으로 된다.
[적용예 3]
적용예 1에 기재된 연료전지시스템으로서, 상기 제어부는, 상기 온도 구배 형성제어로서, 상기 냉각매체 순환부를 기동하여, 상기 세퍼레이터로 상기 냉각매체를 순환시킴으로써, 상기 세퍼레이터의 온도를, 상기 막전극 접합체의 온도보다낮게 하는, 연료전지시스템.
적용예 3의 연료전지시스템에 의하여, 막전극 접합체의 온도를, 세퍼레이터의 온도보다 높게 할 수 있다.
[적용예 4]
적용예 1에 기재된 연료전지시스템으로서, 상기 애노드 및 캐소드는, 상기 연료가스와 상기 산화제 가스의 반응을 촉진하기 위한 촉매를 포함하고 있고, 상기연료전지시스템은, 상기 애노드 및 상기 캐소드의 적어도 한쪽에, 상기 연료가스와 상기 산화제 가스의 혼합가스를 공급하는 혼합가스 공급부를 더 구비하고, 상기 제어부는, 상기 온도 구배 형성제어로서, 상기 혼합가스 공급부를 기동하여, 상기 촉매로 상기 혼합가스를 연소시킴으로써, 상기 막전극 접합체의 온도를, 상기 세퍼레이터의 온도보다 높게 하는 연료전지시스템.
적용예 4의 연료전지시스템에 의하여, 막전극 접합체의 온도를, 세퍼레이터의 온도보다 높게 할 수 있다.
본 발명은, 상기한 여러가지 특징의 일부를, 적절하게 조합시켜 구성할 수도 있다. 또, 본 발명은, 상기한 연료전지시스템으로서의 구성 외, 연료전지시스템의 제어방법의 발명으로서 구성할 수도 있다. 또, 이들을 실현하는 컴퓨터프로그램 및 그 프로그램을 기록한 기록매체, 그 프로그램을 포함하여 반송파 내에 구현화된 데이터 신호 등 여러가지 형태로 실현하는 것이 가능하다. 또한, 각각의 형태에서, 먼저 나타낸 여러가지 부가적 요소를 적용하는 것이 가능하다.
본 발명을 컴퓨터 프로그램 또는 그 프로그램을 기록한 기록매체 등으로서 구성하는 경우에는, 연료전지시스템의 동작을 제어하는 프로그램 전체로서 구성하는 것으로 하여도 되고, 본 발명의 기능을 하는 부분만을 구성하는 것으로 하여도 된다. 또, 기록매체로서는, 플렉시블 디스크나 CD-ROM, DVD-ROM, 광자기 디스크, IC 카드, ROM 카트리지, 펀치 카드, 바코드 등의 부호가 인쇄된 인쇄물, 컴퓨터의 내부 기억장치(RAM이나 ROM 등의 메모리) 및 외부 기억장치 등 컴퓨터가 판독 가능한 여러가지 매체를 이용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예로서의 연료전지시스템(1000)의 개략 구성을 나타내는 설명도,
도 2는 제 1 실시예에서의 연료전지 스택(100)에 의한 발전 정지 후의 운전제어처리의 흐름을 나타내는 플로우차트,
도 3은 발전 정지 후의 운전제어처리에 의한 작용·효과를 나타내는 설명도,
도 4는 제 2 실시예에서의 연료전지 스택(100)에 의한 발전 정지 후의 운전제어처리의 흐름을 나타내는 플로우차트,
도 5는 본 발명의 제 3 실시예로서의 연료전지시스템(100OA)의 개략 구성을 나타내는 설명도,
도6은 제 3 실시예에서의 연료전지 스택(100)에 의한 발전 정지 후의 운전제어처리의 흐름을 나타내는 플로우차트이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여, 실시예에 의거하여 설명한다.
A. 제 1 실시예 :
A1. 연료전지시스템의 구성 :
도 1은, 본 발명의 제 1 실시예로서의 연료전지시스템(1000)의 개략 구성을 나타내는 설명도이다.
연료전지 스택(100)은, 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 발전하는 단(單)셀(40)을, 복수 적층시킨 스택구조를 가지고 있다. 각 단셀(40)은, 대략, 프로톤 전도성을 가지는 전해질막의 양면에, 각각 애노드 및 캐소드를 접합한 막전극 접합체를, 세퍼레이터에 의하여 끼워 유지한 구성으로 되어 있다. 애노드 및 캐소드는, 각각 전해질막의 각 표면에 접합된 촉매층과, 이 촉매층의 표면에 접합된 가스확산층을 구비하고 있다. 본 실시예에서는, 전해질막으로서, 나피온(등록상표) 등의 고체 고분자막을 사용하는 것으로 하였다. 전해질막으로서, 고체 산화물 등, 다른 전해질막을 사용하는 것으로 하여도 된다. 각 세퍼레이터에는, 애노드에 공급해야 할 연료가스로서의 수소의 유로나, 캐소드에 공급해야 할 산화제 가스로서의 공기의 유로나, 냉각매체(물, 에틸렌글리콜 등)의 유로가 형성되어 있다. 또한, 단셀(40)의 적층수는, 연료전지 스택(100)에 요구되는 출력에 따라 임의로 설정가능하다.
연료전지 스택(100)은, 한쪽 끝으로부터, 엔드플레이트(10a), 절연판(20a), 집전판(30a), 복수의 단셀(40), 집전판(30b), 절연판(20b), 엔드플레이트(10b)의 순으로 적층함으로써 구성되어 있다. 이들에게는, 연료전지 스택(100) 내에, 수소나, 공기나, 냉각매체를 흘리기 위한 공급구나, 배출구가 설치되어 있다. 또, 연료전지 스택(100) 내부에는, 수소나, 공기나, 냉각매체를, 각각 각 단셀(40)로 분배하여 공급하기 위한 공급 매니폴드(수소공급 매니폴드, 공기공급 매니폴드, 냉각매체공급 매니폴드)나, 각 단셀(40)의 애노드 및 캐소드로부터 각각 배출되는 애노드 오프 가스 및 캐소드 오프 가스나, 냉각매체를 집합시켜 연료전지 스택(100)의 외부로 배출하기 위한 배출 매니폴드(애노드 오프 가스 배출 매니폴드, 캐소드 오프 가스 배출 매니폴드, 냉각매체 배출 매니폴드)가 형성되어 있다.
또, 연료전지 스택(100)에는, 단셀(40)의 온도를 검출하기 위한 온도센서(90)가 설치되어 있다. 도시하는 바와 같이, 본 실시예에서는, 온도센서(90)는, 방열에 의해 온도가 저하하기 쉬운, 복수의 단셀(40)의 적층방향의 끝부에 배치된 단셀(40)에 설치되는 것으로 하였다.
엔드 플레이트(10a, 10b)는, 강성을 확보하기 위하여, 강 등의 금속에 의해 형성되어 있다. 절연판(20a, 20b)은, 고무나, 수지 등의 절연성 부재에 의해 형성되어 있다. 집전판(30a, 30b)은, 치밀질 카본이나, 구리판 등의 가스 불투과의 도전성부재에 의해 형성되어 있다. 집전판(30a, 30b)에는, 각각 도시 생략한 출력단자가 설치되어 있고, 연료전지 스택(100)으로 발전한 전력을 출력 가능하게 되어 있다.
또한, 도시는 생략하고 있으나, 연료전지 스택(100)은, 스택구조 중 어느 하나의 부분에서의 접촉저항의 증가 등에 의한 전지 성능의 저하를 억제하거나, 가스의 누설을 억제하기 위하여, 스택구조의 적층방향으로, 소정의 체결 하중이 가해진 상태에서, 체결부재에 의해 체결되어 있다.
연료전지 스택(100)의 애노드에는, 배관(53)을 거쳐, 고압 수소를 저장한 수소 탱크(50)로부터, 연료가스로서의 수소가 공급된다. 수소 탱크(50) 대신, 알콜,탄화수소, 알데히드 등을 원료로 하는 개질반응에 의해 수소 리치한 가스를 생성하여, 애노드에 공급하는 것으로 하여도 된다.
수소 탱크(50)에 저장된 고압 수소는, 수소 탱크(50)의 출구에 설치된 셔트 밸브(51), 레귤레이터(52)에 의해 압력 및 공급량이 조정되고, 수소공급 매니폴드를 거쳐, 각 단셀(40)의 애노드에 공급된다. 각 단셀(40)로부터 배출되는 애노드 오프 가스는, 애노드 오프 가스 배출 매니폴드에 접속된 배출 배관(56)을 거쳐, 연료전지 스택(100)의 외부로 배출할 수 있다. 또한, 애노드 오프 가스를 연료전지 스택(100)의 외부로 배출할 때에는, 애노드 오프 가스에 포함되는 수소는, 도시생략한 희석기 등에 의해 처리된다.
또, 배관(53) 및 배출 배관(56)에는, 애노드 오프 가스를 배관(53)으로 재순환시키기 위한 순환 배관(54)이 접속되어 있다. 그리고, 배출 배관(56)의 순환 배관(54)과의 접속부의 하류측에는, 배기 밸브(57)가 배치되어 있다. 또, 순환 배관(54)에는, 펌프(55)가 배치되어 있다. 펌프(55) 및 배기 밸브(57)의 구동을 제어함으로써, 애노드 오프 가스를 외부로 배출할지, 배관(53)으로 순환시킬지를 적절하게 변환할 수 있다. 애노드 오프 가스를 배관(53)으로 재순환시킴으로써, 애노드 오프 가스에 포함되는 미소비의 수소를 효율적으로 이용할 수 있다.
연료전지 스택(100)의 캐소드에는, 배관(61)을 거쳐, 컴프레서(60)에 의해 압축된 압축공기가, 산소를 함유한 산화제 가스로서 공급된다. 그리고, 이 압축공기는, 배관(61)에 접속된 공기공급 매니폴드를 거쳐, 각 단셀(40)의 캐소드에 공급된다. 각 단셀(40)의 캐소드로부터 배출되는 캐소드 오프 가스는, 캐소드 오프 가스 배출 매니폴드에 접속된 배출 배관(62)을 거쳐, 연료전지 스택(100)의 외부로 배출된다. 배출 배관(62)으로부터는, 캐소드 오프 가스와 함께, 연료전지 스택(100)의 캐소드에서, 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 생성된 생성수도 배출된다.
연료전지 스택(100)은, 상기한 전기화학반응에 의해 발열하기 때문에, 연료전지 스택(100)에는, 연료전지 스택(100)을 냉각하기 위한 냉각매체도 공급된다. 이 냉각매체는, 펌프(70)에 의해, 배관(72)을 흐르고, 라디에이터(71)에 의해 냉각되어, 연료전지 스택(100)으로 공급된다.
또한, 도시는 생략하고 있으나, 영하의 저온 환경 하에서, 연료전지 스택(100)의 내부에서의 생성수의 동결을 억제하기 위하여, 연료전지 스택(100)은, 단열성을 가지는 케이스에 수납되어 있다.
연료전지시스템(1000)의 운전은, 제어유닛(80)에 의해 제어된다. 제어유닛(80)은, 내부에 CPU, RAM, ROM, 타이머 등을 구비하는 마이크로컴퓨터로서 구성되어 있고, ROM에 기억된 프로그램에 따라, 예를 들면, 각종 밸브나, 펌프의 구동등, 시스템의 운전을 제어한다. 또, 본 실시예의 연료전지시스템(1000)에서는, 제어유닛(80)은, 연료전지 스택(100)에 의한 발전 정지 후에, 이하에 설명하는 운전제어처리를 행한다.
A2. 발전 정지 후의 운전제어처리 :
도 2는, 제 1 실시예에서의 연료전지 스택(100)에 의한 발전 정지 후의 운전제어처리의 흐름을 나타내는 플로우차트이다. 이 처리는, 제어유닛(80)의 CPU가 실행하는 처리이다.
먼저, CPU는, 온도센서(90)에 의해, 소정 주기로 연료전지 스택(100)의 온도를 검출한다(단계 S100). 본 실시예에서는, 1시간 주기로 연료전지 스택(100)의 온도를 검출하는 것으로 하였다. 또한, 상기 소정 주기는, 임의로 설정 가능하다. 또, 연료전지 스택(100)의 온도의 검출주기를, 온도센서(90)에 의해 검출된 온도에 따라 변화시키도록 하여도 된다. 예를 들면, 발전 정지 후의 초기에는, 연료전지 스택(100)의 온도의 검출주기를 1시간으로 하고, 연료전지 스택(100)의 온도가, 소정 온도[예를 들면, 10 (℃)] 이하가 되었을 때에, 연료전지 스택(100)의 온도의 검출주기를 5분으로 하도록 하여도 된다.
그리고, CPU는, 연료전지 스택(100)의 온도의 변화율(저하율)을 산출하고, 연료전지 스택(100)의 온도와, 연료전지 스택(100)의 온도의 변화율에 따라, 연료전지 스택(100) 내의 막전극 접합체에서의 생성수의 동결을 예측한다(단계 S110). 그리고, 막전극 접합체에서, 생성수가 동결하지 않는다고 판단된 경우에는(단계 S120 : NO), 단계 S100으로 되돌아간다. 또한, 연료전지 스택(100)에 의한 발전정지 후, 상당 시간 경과 후는, 연료전지 스택(100)을 구성하는 막전극 접합체와 세퍼레이터의 온도는 거의 같다.
한편, 막전극 접합체에서, 생성수가 동결한다고 판단된 경우에는(단계 S120:YES), CPU는, 막전극 접합체의 온도가 영하가 되기 직전의 타이밍에서, 셔트 밸브(51), 레귤레이터(52), 배기 밸브(57)를 개방함과 동시에, 컴프레서(60)를 기동하여, 막전극 접합체의 애노드 및 캐소드에, 각각, 수소 및 공기를 공급하고(단계 S130), 소정기간, 연료전지 스택(100)에 의해, 정상발전보다 미약한 발전을 행하고, 이 발전에 의한 막전극 접합체의 발열에 의해, 막전극 접합체와 세퍼레이터 사이에, 온도 구배를 형성한다. 이 처리는, 본 발명에서의 온도 구배 형성제어에 상당하다. 또한, 상기 소정 기간은, 막전극 접합체와 세퍼레이터 사이에 원하는 온도 구배가 형성되는 범위 내에서, 임의로 설정 가능하다. 그 후, CPU는, 셔트 밸브(51), 레귤레이터(52), 배기 밸브(57)를 폐쇄함과 동시에, 컴프레서(60)를 정지하여, 막전극 접합체의 애노드 및 캐소드에 대한 수소 및 공기의 공급을 정지하고(단계 S140), 이 처리를 종료한다.
A3. 작용·효과 :
도 3은, 상기한 발전 정지 후의 운전제어처리에 의한 작용·효과를 나타내는 설명도이다. 상기한 운전제어처리의 단계 S130에서, 소정기간, 연료전지 스택(100)에 의한 발전을 행함으로써, 도 3(b)에 나타내는 바와 같이, 막전극 접합체(MEA : Membrane Electrode Assembly)와 세퍼레이터 사이에, 온도 구배, 즉, 증기압 구배가 형성된다. 그렇게 하면, 이 증기압 구배에 의해, 막전극 접합체에 포함되는 생성수에, 증기압이 높은 막전극 접합체 측으로부터 증기압이 낮은 세퍼레이터 측으로 이동하는 구동력이 작용하기 때문에, 도 3(a)에 나타낸 바와 같이, 막전극 접합체에 포함되는 생성수는, 막전극 접합체 측으로부터 세퍼레이터 측으로 이동한다. 이와 같이 함으로써, 막전극 접합체에 포함되는 생성수의 양을 감소시킬 수 있다.
이상 설명한 제 1 실시예의 연료전지시스템(1000)에 의하면, 상기한 운전제어에 의해, 막전극 접합체에 포함되는 생성수가 동결하기 직전에, 이 생성수를, 막전극 접합체로부터 세퍼레이터 측으로 이동시킬 수 있기 때문에, 영하의 저온환경 하에서의 막전극 접합체에서의 생성수의 동결을 억제하고, 연료전지시스템(1000)의 저온 시동성을 향상시킬 수 있다. 또, 상기 운전제어에서, 연료전지 스택(100)에의한 발전(도 2의 단계 S130)은, 막전극 접합체와 세퍼레이터 사이에 온도 구배가 형성되기까지의 기간만 행하여지고, 그 후, 신속하게 정지되기 때문에, 먼저 설명한 종래 기술, 즉, 연료전지의 내부에 잔류한 생성수를 연료전지의 외부로 배출시키는 운전이나, 연료전지의 온도를 동결 온도보다 높은 온도로 유지하는 운전과 비교하여, 연료전지시스템(1000)의 에너지 효율의 저하를 억제할 수 있다.
B. 제 2 실시예 :
제 2 실시예의 연료전지시스템의 구성은, 제 1 실시예의 연료전지시스템(1000)의 구성과 동일하다. 단, 연료전지 스택(100)에 의한 발전 정지 후의 운전제어처리가, 제 1 실시예와 다르다. 이하, 제 2 실시예의 연료전지시스템에서, 연료전지 스택(100)에 의한 발전 정지 후의 운전제어처리에 대하여 설명한다.
도 4는, 제 2 실시예에서의 연료전지 스택(100)에 의한 발전 정지 후의 운전제어처리의 흐름을 나타내는 플로우차트이다. 이 처리는, 제어 유닛(80)의 CPU가 실행하는 처리이다.
먼저, CPU는, 온도센서(90)에 의해, 소정 주기로 연료전지 스택(100)의 온도를 검출한다(단계 S200). 이것은, 제 1 실시예의 운전제어처리의 단계 S100과 동일하다.
그리고, CPU는, 연료전지 스택(100)의 온도의 변화율(저하율)을 산출하여, 연료전지 스택(100)의 온도와, 연료전지 스택(100)의 온도의 변화율에 따라, 연료전지 스택(100) 내의 막전극 접합체에서의 생성수의 동결을 예측한다(단계 S210). 그리고, 막전극 접합체에서, 생성수가 동결하지 않는다고 판단된 경우에는(단계 S 220 : NO), 단계 S200으로 되돌아간다.
한편, 막전극 접합체에서, 생성수가 동결한다고 판단된 경우에는(단계 S22O: YES), CPU는, 막전극 접합체의 온도가 영하가 되기 직전의 타이밍에서, 냉각매체를 순환시키기 위한 펌프(70) 및 라디에이터(71)를 기동하여, 연료전지 스택(100)으로 냉각매체를 순환시키고(단계 S230), 소정기간, 세퍼레이터를 냉각하여, 막전극 접합체와 세퍼레이터 사이에, 온도 구배를 형성한다. 또한, 먼저 설명한 바와 같이, 연료전지 스택(100)은, 단열성을 가지는 케이스 내에 수납되어 있고, 펌프(70)나, 라디에이터(71) 등의 냉각장치는, 케이스 밖에 배치되어 있기 때문에, 냉각매체의 온도는, 세퍼레이터의 온도보다 낮다. 이 때문에, 연료전지 스택(100)으로 냉각매체를 순환시킴으로써, 세퍼레이터의 온도를 저하시킬 수 있다. 이 처리는, 본 발명에서의 온도 구배 형성제어에 상당하다. 그 후, CPU는, 펌프(70) 및 라디에이터(71)를 정지하여, 냉각매체의 순환을 정지하고(단계 S240), 이 처리를 종료한다.
이상 설명한 제 2 실시예의 연료전지시스템(1000)에 의해서도, 제 1 실시예의 연료전지시스템(1000)과 마찬가지로, 막전극 접합체에 포함되는 생성수가 동결하기 직전에, 막전극 접합체와 세퍼레이터 사이에 온도 구배를 형성하고, 이 생성수를, 막전극 접합체로부터 세퍼레이터 측으로 이동시킬 수 있기 때문에, 영하의 저온환경 하에서의 막전극 접합체에서의 생성수의 동결을 억제하여, 연료전지시스템(1000)의 저온 시동성을 향상시킬 수 있다. 또, 상기 운전제어에서, 냉각수의 순환(도 4의 단계 S230)은, 막전극 접합체와 세퍼레이터 사이에 온도 구배가 형성되기까지의 기간만 행하여지고, 그 후, 신속하게 정지되기 때문에, 제 1 실시예와 마찬가지로, 먼저 설명한 종래 기술, 즉, 연료전지의 내부에 잔류한 생성수를 연료전지의 외부로 배출시키는 운전이나, 연료전지의 온도를 동결온도보다 높은 온도로 유지하는 운전과 비교하여, 연료전지시스템(1000)의 에너지 효율의 저하를 억제할 수 있다.
C. 제 3 실시예 :
C1. 연료전지시스템의 구성 :
도 5는, 본 발명의 제 3 실시예로서의 연료전지시스템(1000A)의 개략 구성을 나타내는 설명도이다. 이 연료전지시스템(1OOOA)의 구성은, 제 1 실시예 및 제 2실시예의 연료전지시스템(1000)의 구성과 대략 동일하다. 단, 제 3 실시예의 연료전지시스템(100OA)은, 도시하는 바와 같이, 배관(53)으로부터 배관(61)으로 수소를 흘리기 위한 배관(58)과, 수소를 연료전지 스택(100)으로 흘릴지, 배관(58)으로 흘릴지를 변환하는 삼방밸브(59)를 구비하고 있다. 그리고, 컴프레서(60)를 구동시켜 공기를 배관(61)으로 흘림과 동시에, 삼방밸브(59)를 제어하여, 수소를 배관(61)으로 흘림으로써, 연료전지 스택(100)의 캐소드로, 수소와 공기의 혼합가스를 흘릴 수 있다. 또, 연료전지시스템(100OA)은, 제어유닛(80) 대신, 제어유닛(80A)을 구비하고 있다.
C2. 발전 정지 후의 운전제어처리 :
도 6은, 제 3 실시예에서의 연료전지 스택(100)에 의한 발전 정지 후의 운전제어처리의 흐름을 나타내는 플로우차트이다. 이 처리는, 제어유닛(80A)의 CPU가 실행하는 처리이다.
먼저, CPU는, 온도센서(90)에 의해, 소정 주기로 연료전지 스택(100)의 온도를 검출한다(단계 S300). 이것은, 제 1 실시예의 운전제어처리의 단계 S100과 동일하다.
그리고, CPU는, 연료전지 스택(100)의 온도의 변화율(저하율)을 산출하여, 연료전지 스택(100)의 온도와, 연료전지 스택(100)의 온도의 변화율에 의거하여, 연료전지 스택(100) 내의 막전극 접합체에서의 생성수의 동결을 예측한다(단계 S310). 그리고, 막전극 접합체에서, 생성수가 동결하지 않는다고 판단된 경우에는(단계 S320 : NO), 단계 S300으로 되돌아간다.
한편, 막전극 접합체에서, 생성수가 동결한다고 판단된 경우에는(단계 S32O:YES), CPU는, 막전극 접합체의 온도가 영하가 되기 직전의 타이밍에서, 셔트 밸브(51), 레귤레이터(52)를 개방하고, 또한 배관(53)으로부터 배관(58)으로 수소가 흐르도록 삼방밸브(59)를 제어함과 동시에, 컴프레서(60)를 기동하여, 막전극 접합체의 캐소드에, 소정 기간, 수소와 공기의 혼합가스를 공급한다(단계 S330). 그렇게 하면, 막전극 접합체의 캐소드의 촉매층에 포함되는 촉매로, 수소와 공기에 포함되는 산소가 연소하고, 이 연소에 의한 막전극 접합체(촉매층)의 발열에 의해, 막전극 접합체와 세퍼레이터의 사이에, 온도 구배가 형성된다. 이 처리는, 본 발명에서의 온도 구배 형성제어에 상당하다. 그 후, CPU는, 셔트 밸브(51), 레귤레이터(52)를 폐쇄하고, 삼방밸브(59)의 상태를 원래로 되돌림과 동시에, 컴프레서(60)를 정지하여, 막전극 접합체의 캐소드에 대한 혼합가스의 공급을 정지하고(단계 S340), 이 처리를 종료한다.
이상 설명한 제 3 실시예의 연료전지시스템(1000A)에 의해서도, 제 1 실시예의 1000와 마찬가지로, 막전극 접합체에 포함되는 생성수가 동결하기 직전에, 막전극 접합체와 세퍼레이터 사이에 온도 구배를 형성하여, 이 생성수를, 막전극 접합체로부터 세퍼레이터 측으로 이동시킬 수 있기 때문에, 영하의 저온환경 하에서의 막전극 접합체에서의 생성수의 동결을 억제하여, 연료전지시스템(1000)의 저온 시동성을 향상시킬 수 있다. 또, 상기 운전제어에 있어서, 막전극 접합체의 캐소드에 대한 혼합가스의 공급(도 6의 단계 S330)은, 막전극 접합체와 세퍼레이터 사이에 온도 구배가 형성되기까지의 기간만 행하여지고, 그 후, 신속하게 정지되기때문에, 제 1 실시예와 마찬가지로, 먼저 설명한 종래 기술, 즉, 연료전지의 내부에 잔류한 생성수를 연료전지의 외부로 배출시키는 운전이나, 연료전지의 온도를 동결온도보다 높은 온도로 유지하는 운전과 비교하여, 연료전지시스템(1000A)의 에너지 효율의 저하를 억제할 수 있다.
D. 변형예 :
이상, 본 발명의 몇가지 실시형태에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 실시형태에 조금도 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위 내에서 여러가지 형태로의 실시가 가능하다. 예를 들면, 이하와 같은 변형이 가능하다.
D1. 변형예 1 :
상기한 제 1 내지 제 3 실시예의 내용을 조합시키도록 하여도 된다. 예를 들면, 제 1 실시예에서의 연료전지 스택(100)에 의한 발전 정지 후의 운전제어처리와, 제 2 실시예에서의 연료전지 스택(100)에 의한 발전 정지 후의 운전제어처리를 조합시켜, 연료전지 스택(100)의 막전극 접합체에서 생성수가 동결한다고 예측되었을 때에, 발전을 행함과 동시에, 냉각매체를 순환시키도록 하여도 된다. 또, 제 3실시예의 연료전지시스템(1OOOA)에서, 연료전지 스택(100)에 의한 발전 정지 후의 운전제어처리와, 제 2 실시예에서의 연료전지 스택(100)에 의한 발전 정지 후의 운전제어처리를 조합시켜, 연료전지 스택(100)의 막전극 접합체에서 생성수가 동결한다고 예측되었을 때에, 막전극 접합체의 캐소드의 촉매층에 포함되는 촉매로, 혼합가스를 연소시킴과 동시에, 냉각매체를 순환시키도록 하여도 된다.
D2. 변형예 2 :
상기 제 3 실시예에서는, 연료전지시스템(1000A)은, 배관(58)과 삼방밸브(59)를 구비하고, 연료전지 스택(100)에 의한 발전 정지 후의 운전제어처리에서, 막전극 접합체의 캐소드에 상기 혼합가스를 공급하여, 캐소드의 촉매층에 포함되는 촉매로 수소와 산소를 연소시키는 것으로 하였으나, 본 발명은, 이것에 한정되지 않는다. 막전극 접합체의 애노드 및 캐소드의 적어도 한쪽에, 상기 혼합가스를 공급하여, 촉매층에 포함되는 촉매로 수소와 산소를 연소시키도록 하면 된다.
D3. 변형예 3 :
상기 실시예에서는, 연료전지 스택(100)에 의한 발전 정지 후의 운전제어처리에서, 연료전지 스택(100)의 온도와, 연료전지 스택(100)의 온도의 변화율에 의거하여, 연료전지 스택(100) 내의 막전극 접합체에서의 생성수의 동결을 예측하는 것으로 하였으나, 본 발명은, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 연료전지 스택(100)의 외부의 환경온도, 환경온도의 변화율, 냉각매체의 온도, 냉각매체의 온도의 변화율을 검출, 또는 산출하여, 이들의 적어도 하나에 의거하여, 연료전지 스택(100) 내의 막전극 접합체에서의 생성수의 동결을 예측하는 것으로 하여도 된다.

Claims (5)

  1. 연료전지시스템에 있어서,
    전해질막의 양면에, 각각, 애노드 및 캐소드를 접합하여 이루어지는 막전극 접합체를, 세퍼레이터에 의해 끼워 유지한 연료전지와,
    상기 애노드로 연료가스를 공급하는 연료가스 공급부와,
    상기 캐소드로 산화제 가스를 공급하는 산화제 가스 공급부와,
    상기 연료전지를 냉각하기 위한 냉각매체를, 상기 세퍼레이터 내에 형성된 냉각매체 유로로 순환시키는 냉각매체 순환부와,
    제어부를 구비하고,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지에 의한 발전 정지 후에, 발전 중에 상기 연료가스와 상기 산화제 가스의 전기화학반응에 의해 생성된 생성수가, 상기 막전극 접합체에서 동결한다고 예측되었을 때에, 상기 연료가스 공급부와, 상기 산화제 가스 공급부와, 상기 냉각매체 순환부 중 적어도 하나를 기동하여, 상기 막전극 접합체의 온도가 상기 세퍼레이터의 온도보다 상대적으로 높아지도록, 상기 막전극 접합체와 상기 세퍼레이터 사이에 온도 구배를 형성하는 온도 구배 형성제어를 행하고, 상기 막전극 접합체와 상기 세퍼레이터 사이에 상기 온도 구배가 형성된 후에, 상기 온도 구배 형성제어를 정지하는 연료전지시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 온도 구배 형성제어로서, 상기 연료가스공급부 및 상기 산화제 가스 공급부를 기동하여, 상기 연료전지에 의한 발전을 행함으로써, 상기 막전극 접합체의 온도를, 상기 세퍼레이터의 온도보다 높게 하는 연료전지시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 온도 구배 형성제어로서, 상기 냉각매체 순환부를 기동하여, 상기 세퍼레이터로 상기 냉각매체를 순환시킴으로써, 상기 세퍼레이터의 온도를, 상기 막전극 접합체의 온도보다 낮게 하는 연료전지시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 애노드 및 캐소드는, 상기 연료가스와 상기 산화제 가스의 반응을 촉진하기 위한 촉매를 포함하고 있고,
    상기 연료전지시스템은, 상기 애노드 및 상기 캐소드의 적어도 한쪽에, 상기연료가스와 상기 산화제 가스의 혼합가스를 공급하는 혼합가스 공급부를 더 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 온도 구배 형성제어로서, 상기 혼합가스 공급부를 기동하여, 상기 촉매로 상기 혼합가스를 연소시킴으로써, 상기 막전극 접합체의 온도를, 상기 세퍼레이터의 온도보다 높게 하는 연료전지시스템.
  5. 연료전지시스템의 제어방법에 있어서,
    상기 연료전지시스템은,
    전해질막의 양면에, 각각, 애노드 및 캐소드를 접합하여 이루어지는 막전극 접합체를, 세퍼레이터에 의해 끼워 유지한 연료전지와,
    상기 애노드에 연료가스를 공급하는 연료가스 공급부와,
    상기 캐소드에 산화제 가스를 공급하는 산화제 가스 공급부와,
    상기 연료전지를 냉각하기 위한 냉각매체를, 상기 세퍼레이터 내에 형성된 냉각매체 유로로 순환시키는 냉각매체 순환부를 구비하고 있고,
    상기 제어방법은,
    상기 연료전지에 의한 발전 정지 후에, 발전 중에 상기 연료가스와 상기 산화제 가스의 전기화학반응에 의해 생성된 생성수가, 상기 막전극 접합체에서 동결하는지의 여부를 예측하는 동결 예측공정과,
    상기 동결 예측공정에 의해, 상기 생성수가, 상기 막전극 접합체에서 동결한다고 예측되었을 때에, 상기 연료가스 공급부와, 상기 산화제 가스 공급부와, 상기냉각매체 순환부 중의 적어도 하나를 기동하여, 상기 막전극 접합체의 온도가 상기세퍼레이터의 온도보다 상대적으로 높아지도록, 상기 막전극 접합체와 상기 세퍼레이터 사이에 온도 구배를 형성하는 온도 구배 형성공정과,
    상기 온도 구배 형성공정에 의해, 상기 막전극 접합체와 상기 세퍼레이터 사이에 상기 온도 구배가 형성된 후에, 상기 온도 구배 형성공정을 정지하는 공정을 구비하는 제어방법.
KR1020107018260A 2008-02-19 2009-02-10 연료전지시스템 및 연료전지시스템의 제어방법 KR20100102225A (ko)

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