KR20110042097A - 연료전지 발전 시스템 - Google Patents

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KR20110042097A
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타카히로 우메다
에이이치 야스모토
시게유키 우노키
야스시 스가와라
소이치 시바타
오사무 사카이
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Abstract

발전 효율과 내구성이 우수한 연료전지 발전 시스템을 제공한다. 연료 극(2)과, 산화제 극(3)과, 연료 극(2)와 산화제 극(3)이 형성된 전해질(1)을 가지는 연료전지(4)와, 연료전지(4)의 출력을 제어하는 출력 제어부(11)와, 산화제 가스중에 포함되어 산화제 극(3)에 공급되는 불순물 적산량으로부터 연료전지(4)를 개방 회로 상태로 할 때까지의 시간을 결정하는 결정부(12)를 구비한 연료전지 발전 시스템에 있어서, 출력 제어부(11)는 결정부(12)가 결정한 시간마다 연료전지(4)의 발전을 소정 시간 정지하여 연료전지(4)를 개방 회로 상태로 한다.

Description

연료전지 발전 시스템{FUEL BATTERY POWER GENERATION SYSTEM}
본 발명은 산화제 가스에 포함된 불순물에 의해 촉매 활성이 저하된 산화제 극을 활성화하고, 연료전지의 발전 효율 및 내구성 향상을 도모한 연료전지 발전 시스템에 관한 것이다.
종래의 일반적인 연료전지 발전 시스템은, 도 7에 도시하는 바와 같이 전해질(1)의 양면에 연료 극(2)과 산화제 극(3)을 형성한 연료전지(4)를 구비하여, 적어도 수소를 포함하는 연료 가스를 연료 극(2)에 공급하고, 적어도 산소를 포함하는 산화제 가스를 산화제 극(3)을 공급하는 것에 의해 발전하고 있었다.
일반적으로 산화제 가스에는 공기(대기)가 이용되지만, 공기중에는 각종 불순물이 포함되어 있는 경우가 많아, 이러한 불순물 중에는 산화제 극(3)에 부착되어서 산화 방지제 극(3) 촉매 활성을 저하시키고 발전에 필요한 화학 반응을 저해하여 연료전지(4)의 출력 전압을 저하시키는 물질이 있다.
종래의 연료전지 발전 시스템은, 이러한 산화제 극(3)에 부착된 불순물을 제거하기 위해, 예를 들면 발전하는 회로와는 별도로 외부 전원(5)을 설치하여, 발전 정지시에 불순물이 부착된 산화제 극(3)이 양극이 되도록 연료전지(4)에 외부 전원(5)을 전기적으로 연결하여 연료전지(4)에 전압을 인가하고, 일정 기간 산화제 극(3)의 전위를 자연 전위보다 높은 전위로 함으로써 산화제 극(3)에 부착된 불순물을 산화시켜 이탈시키고 있었다(일본국 공개특허 2005-259368호 공보 참조).
특허문헌 1: 일본국 특개 2005-259368호 공보
그러나, 외부 전원을 사용하여 산화제 극의 전위를 고 전위로 하는 방법은 시스템의 구성이 복잡해질 뿐만 아니라, 2차 전지 등의 외부 전원을 탑재해야 할 필요가 있고 경제적이지 않다 라는 문제가 있었다.
본 발명은 상기 종래의 문제를 해결하는 것으로, 외부 전원을 사용하지 않고 간단한 구성으로 산화제 극에 부착된 불순물을 제거할 수 있는 연료전지 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 연료 가스와 산화제 가스 반응에 의해 발전을 하는 연료전지 발전 시스템이며, 적어도 수소를 포함하는 연료 가스가 공급되는 연료 극과, 적어도 산소를 포함하는 산화제 가스가 공급되는 산화제 극과, 상기 연료 극과 상기 산화제 극이 형성된 전해질을 포함하는 연료전지와, 상기 연료전지 발전 시스템 외부에 전력을 공급하지 않은 상태에서 상기 산화제 극에 소정 전압 이상의 전압을 부여하는 출력 제어부와, 상기 출력 제어부에 의해 소정 전압 이상의 전압을 부여하는 시기를 결정하는 결정부를 구비한 것이다.
본 발명의 구성에 의하면, 결정부에 따라, 불순물에 의한 불가역(不可逆)인 전압 저하를 일으키기 전에 출력 제어부에 의해 소정 전압 이상의 전압을 부여하는 시기를 결정하므로, 전압 저하에 의해 발전 효율이 저하될 수 없는 것이다. 또한, 상기 연료전지 발전 시스템 외부에 전력을 공급하지 않은 상태에서 상기 산화제 극에 소정 전압 이상의 전압을 부여하는 출력 제어부를 구동하여 외부 전원을 필요로 하지 않고, 산화제 극을 고 전위로 하여 산화제 극에 부착된 불순물을 산화하고 이탈시켜서 제거하게 되어, 연료전지가 활성화하고 원하는 성능을 유지할 수 있게 되는 내구성이 우수한 연료전지 발전 시스템을 얻을 수 있다.
본 발명은 외부 전원을 사용하지 않고 간단한 구성으로 산화제 극에 부착된 불순물을 제거할 수 있고, 연료전지를 활성화하게 되어 발전 효율 및 내구성이 뛰어난 연료전지 발전 시스템을 제공할 수 있다.
[도 1] 본 발명의 실시형태 1 내지 5에 따른 연료전지 발전 시스템의 개략 구성도
[도 2] 본 발명의 실시형태 2에 따른 연료전지 발전 시스템의 운전 방법을 나타내는 순서도
[도 3] 도 3a는 개방 회로 상태로 하지 않는 경우의 연료전지 발전 시스템의 스택 전압 동작을 나타내는 특성도이고, 도 3b는 본 발명의 실시형태 2에 따른 연료전지 발전 시스템의 스택 전압 동작을 나타내는 특성도
[도 4] 본 발명의 실시형태 3에 따른 연료전지 발전 시스템의 운전 방법을 나타내는 순서도
[도 5] 본 발명의 실시형태 4에 따른 연료전지 발전 시스템의 운전 방법을 나타내는 흐름도
[도 6] 동 연료전지 발전 시스템의 운전 방식으로 운전하는 경우의 스택 전압 동작을 나타내는 특성도
[도 7] 종래의 연료전지 발전 시스템의 개략 구성도
제 1의 발명은 연료 가스와 산화제 가스의 반응에 의해 발전을 하는 연료전지 발전 시스템이며, 적어도 수소를 포함하는 연료 가스가 공급되는 연료 극과, 적어도 산소를 포함하는 산화제 가스가 공급되는 산화제 극과, 상기 연료 극과 상기 산화제 극이 형성된 전해질을 포함하는 연료전지와, 상기 연료전지 발전 시스템 외부에 전력을 공급하지 않은 상태에서 상기 산화제 극에 소정 전압 이상의 전압을 부여하는 출력 제어부와, 상기 출력 제어부에 의해 소정 전압 이상의 전압을 부여하는 시기를 결정하는 결정부를 갖춘 연료전지 발전 시스템이다. 본 발명에 의하면, 결정부에 따라, 불순물에 의한 불가역인 전압 저하를 일으키기 전에 출력 제어부에 의해 소정 전압 이상의 전압을 부여하는 시기를 결정하므로, 전압 저하에 의해 발전 효율이 저하될 수 없는 것이다. 또한, 상기 연료전지 발전 시스템 외부에 전력을 공급하지 않은 상태에서 상기 산화제 극에 소정 전압 이상의 전압을 부여하는 출력 제어부를 구동하여 외부 전원을 필요로 하지 않고, 산화제 극을 고 전위로 하여 산화제 극에 부착된 불순물을 산화하고, 이탈시켜서 제거하게 됨으로써 연료전지가 활성화하고 원하는 성능을 유지할 수 있게 되는 내구성이 뛰어난 연료전지 발전 시스템을 얻을 수 있다.
제 2의 발명은, 제 1의 발명에 있어서, 상기 소정 전압 이상의 전압은 상기 연료전지의 통상 운전시보다 높은 전압으로 하는 것이며, 산화제 극을 고 전위로 해서 산화제 극에 부착된 불순물을 산화 제거하여 연료전지를 활성화할 수 있는 연료전지 발전 시스템을 얻을 수 있다.
제 3의 발명은, 제 1의 발명에 있어서, 상기 소정 전압 이상의 전압은 상기 산화제 극에 부착된 불순물을 산화시키는데 필요한 전압이며, 산화제 극을 고 전위로 해서 산화제 극에 부착된 불순물을 산화 제거하여 연료전지를 활성화할 수 있는 연료전지 발전 시스템을 얻을 수 있다.
제 4의 발명은, 제 1 내지 제 3의 발명 중 어느 하나에 있어서, 상기 소정 전압 이상의 전압은 상기 연료전지의 부하를 절단하여 개방 회로 상태로 얻을 수 있는 전압이며, 산화제 극을 고 전위로 해서 산화제 극에 부착된 불순물을 산화 제거하여 연료전지를 활성화할 수 있는 연료전지 발전 시스템을 얻을 수 있다.
제 5의 발명은, 제 1 내지 제 3의 발명 중 어느 하나에 있어서, 상기 소정 전압 이상의 전압은 상기 연료전지 발전 시스템의 부하를 저부하로서 얻을 수 있는 전압이며, 산화제 극을 고 전위로 해서 산화제 극에 부착된 불순물을 산화 제거하여 연료전지를 활성화할 수 있는 연료전지 발전 시스템을 얻을 수 있다.
제 6의 발명은, 제 1 내지 제 5의 발명 중 어느 하나에 있어서, 상기 출력 제어부는, 상기 연료 극과 상기 산화제 극에 연료 가스와 산화제 가스를 각각 공급한 상태에서, 또한 상기 연료전지 발전 시스템 외부에 전력을 공급하지 않은 상태에서 상기 산화제 극에 소정 전압 이상의 전압을 부여하는 것으로, 산화제 극을 고 전위로 해서 산화제 극에 부착된 불순물을 산화 제거하여 연료전지를 활성화할 수 있는 연료전지 발전 시스템을 얻을 수 있다.
제 7의 발명은, 제 1 내지 제 5의 발명 중 어느 하나에 있어서, 상기 출력 제어부는, 상기 연료 극과 상기 산화제 극에 연료 가스와 산화제 가스의 공급을 각각 정지한 상태에서, 또한 상기 연료전지 발전 시스템 외부에 전력을 공급하지 않은 상태에서 상기 산화제 극에 소정 전압 이상의 전압을 부여하는 것으로, 산화제 극을 고 전위로 해서 산화제 극에 부착된 불순물을 산화 제거하여 연료전지를 활성화할 수 있는 연료전지 발전 시스템을 얻을 수 있다.
제 8의 발명은, 제 1 내지 제 7의 발명 중 어느 하나에 있어서, 상기 결정부는 상기 연료전지의 발전 시간을 적산하는 발전 시간 적산부를 구비하고, 상기 발전 시간 적산부에 의해 얻어진 적산 시간에 의해 상기 산화제 극에 소정 전압 이상의 전압을 부여하는 시기를 결정하는 것으로, 발전 시간을 적산하는 매우 간단한 구성에 근거해 산화제 극에 부착된 불순물을 제거하여 연료전지를 활성화할 수 있는 연료전지 발전 시스템을 얻을 수 있다.
제 9의 발명은, 제 1 내지 제 7의 발명 중 어느 하나에 있어서, 상기 산화제 가스중에 포함된 불순물의 농도를 검출하는 불순물 농도 검출부를 구비하고, 상기 결정부는, 상기 불순물 농도 검출부에서 검출한 불순물 농도와, 상기 산화제 극에 공급된 상기 산화제 가스의 공급량으로부터 상기 산화제 극에 공급되는 불순물의 적산량을 연산하여 상기 산화제 극에 소정 전압 이상의 전압을 부여하는 시기를 결정함으로써, 산화제 가스중의 불순물의 농도를 실시간으로 검출하고, 실제의 불순물 적산량에 따라 산화제 극에 부착된 불순물을 제거하여 연료전지를 활성화할 수 있으므로, 보다 발전 효율 및 내구성이 우수한 연료전지 발전 시스템을 얻을 수 있다.
제 10의 발명은, 제 1 내지 제 9의 발명 중 어느 하나에 있어서, 상기 산화제 가스에 포함된 불순물은 황 화합물이며, 산화제 극을 피독(被毒) 하여 활성을 저하시키는 황 화합물을 상기 산화제 극에 소정 전압 이상의 전압을 부여함으로써 황 화합물이 산화되기 쉬운 자연 전위 근처에서 산화 제거할 수 있으므로, 보다 발전 효율 및 내구성이 우수한 연료전지 발전 시스템을 얻을 수 있다.
제 11의 발명은, 제 1 내지 제 7의 발명 중 어느 하나에 있어서, 상기 연료전지의 전압을 검출하는 전압 검출부를 가지며, 상기 결정부는 상기 전압 검출부에서 검출한 전압으로부터 상기 산화제 극에 공급되는 불순물의 적산량을 연산하여 상기 산화제 극에 소정 전압 이상의 전압을 부여하는 시기를 결정함으로써, 불순물을 직접적으로 검출하는 수단이 없어도 불순물 적산량에 대응하여 저하하는 연료전지의 전압으로부터 산화제 극의 활성상태를 판정하고, 전압이 정상시의 전압에 대해 낮을 경우에 연료전지를 활성화할 수 있으므로 연료전지 발전 시스템을 보다 단순화할 수 있다.
제 12의 발명은, 제 11의 발명에 있어서, 상기 출력 제어부는 상기 산화제 극에 소정 전압 이상의 전압을 부여하는 횟수가 소정의 횟수를 상회하고, 상기 전압 검출부에서 검출하는 전압이 소정의 전압보다 일정 시간 밑돌았을 때, 상기 연료전지의 발전을 정지시켜 적어도 상기 산화제 가스의 공급을 정지하여 상기 산화제 극의 전위를 소정의 전위까지 낮춘 후, 다시 상기 산화제 가스를 공급하여 상기 연료전지를 소정 시간 개방 회로 상태로 만든 후 상기 연료전지의 발전을 재개하고, 발전하는 동안 개방 회로 상태로 해도 전압이 회복되지 않을 경우에, 기동 정지를 함으로써 산화제 극의 전위를 고 전위(자연 전위)에서 낮은 전위까지 승강시켜 각종 불순물을 산화 제거하므로 더욱 연료전지의 활성을 회복할 수 있다.
제 13의 발명은, 제 4의 발명에 있어서, 상기 연료 극에 공급하는 상기 연료 가스의 압력을, 상기 산화제 극에 공급하는 상기 산화제 가스의 압력보다 낮게 유지한 상태에서, 상기 출력 제어부에 의해 상기 연료전지에 대해 개방 회로 상태로 함으로써, 연료 극측으로부터 산화제 극측으로 크로스(cross) 누설하는 수소량이 감소하고, 산화제 극의 전위를 더욱 상승시킬 수 있으므로 산화제 극에 부착된 불순물이 보다 산화되어 더욱 활성화될 수 있다.
제 14의 발명은, 제 4의 발명에 있어서, 상기 연료 극에 공급하는 상기 연료 가스 유량을 감소시켜 상기 연료 가스의 압력을, 상기 산화제 극에 공급하는 상기 산화제 가스의 압력보다 낮게 유지한 상태에서, 상기 출력 제어부에 의해 상기 연료전지에 대해 개방 회로 상태로 하여 발전을 일시 정지하는 동안에만 연료 극에 공급하는 연료 가스의 유량을 줄이므로, 연료 극 측에서 산화제 극측으로 크로스 누설하는 수소량이 감소하여 산화제 극의 전위를 더욱 상승시킬 수 있으므로 산화제 극에 부착된 불순물이 보다 산화되어 더욱 활성화될 수 있다.
제 15의 발명은, 제 13의 발명에 있어서, 상기 연료전지의 상기 연료 극을 우회(by-pass)하는 연료전지 바이패스 라인을 갖추어 상기 연료 가스의 일부를 상기 연료전지 바이패스 라인에 공급하고, 상기 연료 극에 공급하는 상기 연료 가스 유량을 감소해서 상기 연료 가스의 압력을, 상기 산화제 극에 공급하는 상기 산화제 가스의 압력보다 낮게 유지한 상태에서, 상기 출력 제어부에 의해 상기 연료전지에 대하여 개방 회로 상태로 하여, 발전을 일시 정지하는 동안에만 연료 가스의 일부를 연료전지 바이패스 라인에 공급하여 연료 극에 공급하는 연료 가스의 압력을 낮추고, 연료 처리부에서 생성하는 연료 가스 총량을 일정하게 유지하면서 공급하므로 연료 처리부의 제어를 단순화할 수 있다.
제 16의 발명은, 제 1 내지 제 7의 발명 중 어느 하나에 있어서, 상기 출력 제어부는 상기 연료전지의 부하 변동에 따라 상기 연료 가스와 상기 산화제 가스의 공급량을 제어하여 상기 연료전지의 출력을 제어하고, 상기 결정부가 결정한 시간마다 상기 연료전지의 출력을 강제로 저감시켜 소정의 출력 이하로 상기 연료 가스와 상기 산화제 가스가 소정의 공급량까지 감소한 후, 상기 산화제 극에 소정 전압 이상의 전압을 부여하여 산화제 극을 활성화하고, 연료 가스와 산화제 가스의 소비량이 적은 출력이 낮을 때에 발전을 정지하므로 발전에 사용할 수 없는 연료 가스와 산화제 가스의 소비량을 최소화할 수 있어 효율적으로 연료전지의 활성화를 할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 한편, 본 실시 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
(실시형태 1)
도 1은 본 발명의 실시 형태 1의 연료전지 발전 시스템의 개략적인 구성도를 나타내는 것이다.
본 발명의 실시 형태 1의 연료전지 발전 시스템은, 수소이온 도전성을 가지는 퍼플루오로 카본 술폰산 폴리머로 구성된 고체 고분자 전해질(1; 이하 '전해질(1)'이라 함)의 양면에 연료 극(2)과 산화제 극(3)을 형성한 막 전극 접합체(6)를 가지는 연료전지(4)를 구비하고, 적어도 수소를 포함하는 연료 가스를 연료 극(2)에 적어도 산소를 포함하는 산화제 가스를 산화제 극(3)에 공급함으로써 발전할 수 있다.
연료전지 발전 시스템은, 연료전지(4)와, 적어도 외부 부하에 교류 전력을 공급하는 인버터 등의 전력 출력부와, 보조 기기나 제어 기판의 전원 등의 내부 부하를 가진다.
연료 극(2)과 산화제 극(3)은 내산화성이 높은 다공성 카본에 백금 등의 귀금속을 담지한 촉매 및 수소 이온 도전성을 가지는 고분자 전해질의 혼합물로 이루어지는 촉매층과, 촉매층 위에 적층한 통기성 및 전자 도전성을 가지는 가스 확산층으로 이루어진다. 연료 극(2)은 내CO성을 가지는 백금-루테늄(ruthenium) 합금 촉매로 구성된다. 또한, 연료 극(2)에 사용되는 촉매는 백금-루테늄 합금에 한정되는 것은 아니다.
또한, 가스 확산층은 방수 처리를 한 카본 페이퍼(carbon paper)로 구성된다. 또, 가스 확산층은 카본 페이퍼에 한정되는 것이 아니라, 카본 크로스와 탄소 부직포일 수도 있다.
전해질(1)의 양면에 연료 극(2)과 산화제 극(3)을 형성한 막 전극 접합체(6)의 주위에는 가스의 혼합이나 누출을 방지하기 위해 한 쌍의 가스켓(gasket)을 배치하고, 연료 극(2)과 산화제 극(3)에 각각 연료 가스와 산화제 가스를 공급 배출하는 가스 유로를 가지는 카본제의 도전성의 한 벌의 분리판(71,72)으로 협지(挾持)하고, 단(單) 셀이 구성된다.
또한, 복수의 단 셀을 적층하고 양쪽에 집전판, 절연판 및 끝판을 배치하여 체결 로드로 확고하게 체결하여 스택이 구성된다. 각 셀의 사이에는 냉각수를 공급 배출하는 유로를 마련하고, 스택 외부에의 방열을 방지하며, 안정된 온도를 유지하기 위해 주위에 단열재가 배치되어 있다.
상기 구성의 연료전지(4)에, 연료 가스를 공급하는 연료 처리부(8)와, 산화제 가스를 공급하는 산화제 가스 공급부(9)를 연결하여 연료전지 발전 시스템이 구성된다.
연료 처리부(8)는, 메탄 등의 탄화 수소를 포함하는 도시 가스 등의 원료 가스를 개질하여 수소를 포함하는 연료 가스를 공급하고, 탈취제 등에 포함된 황 화합물을 흡착 제거하는 탈황부(81)와, 메탄 등의 탄화 수소를 포함하는 원료 가스를 개질하는 개질부(82)와, 개질 반응에서 발생하는 일산화탄소(CO)를 변성하는 CO 변성부(83)와, 또한 CO를 선택적으로 산화 제거하는 CO 제거부(84)로 구성된다.
원료 가스는 먼저 탈황부(81)에서 탈황된 후, 개질부(82)로 개질되어 수소를 포함하는 연료 가스가 된다. 원료 가스에 메탄을 이용했을 경우, 개질부(82)에서는 수증기를 따라서 (화학식 1)로 나타낸 반응이 일어나고, 연료 가스인 수소와 함께 약 10 %의 CO가 발생한다.
[화학식 1]
Figure pct00001
연료전지(4)의 운전 온도 영역에서 연료 극(2)에 포함된 백금 촉매는 경미한 CO에서도 피독(被毒)하여 그 촉매 활성이 저하되기 때문에 개질부(82)에서 발생한 CO는 (화학식 2)에서와 같이 CO 변성부(83)에서 이산화탄소로 변성되어, 그 농도는 약 5000ppm까지 감소한다. 하류측의 CO 제거부(84)에서는 CO뿐만 아니라, 연료 가스의 수소까지 산화되어 버리므로, 이 CO 변성부(83)에 있어서 될 수 있는 한 CO 농도를 저하시킬 필요가 있다.
[화학식 2]
Figure pct00002
또한, 남은 CO는 (화학식 3)에서와 같이 CO 제거부(84)에서 선택 산화 공기 공급부(85)로 대기중으로부터 받아들인 공기에 의해 선택적으로 산화되어, 그 농도는 연료 극(2)의 촉매 활성 저하를 억제할 수 있는 약 10ppm 이하까지 감소한다.
[화학식 3]
Figure pct00003
또한, 연료 처리부(8)는 상기 수증기 개질법에 한하는 것이 아니라, 오토 서멀법 등의 수소 생성 방법이라도 좋다.
또한, 연료 극(2)의 앞에 발전 중 연료 극(2)에 공기를 공급하는 에어 브리드부(air bleed;10)를 마련하고, 연료 처리부(8)로 생성한 연료 가스에 1~2% 정도의 공기를 혼합하여 조금 남는 CO의 영향을 더욱 경감시키는 구성이 채용되고 있다. 또한, 연료 가스에 포함된 CO 농도에 따라 에어 브리드부(10)를 생략해도 좋다.
산화제 가스 공급부(9)는, 산화제 가스를 받아들이는 블로워(91)와, 산화제 가스 중의 불순물을 제거하는 불순물 제거부(92)와, 산화제 가스를 가습하는 가습기(93)로 구성되어, 연료전지(4)의 산화제 극(3)에 가습하는 산화제 가스를 공급한다. 산화제 가스는 적어도 산소를 포함하는(또는 산소를 공급할 수 있는) 가스의 총칭이며, 예를 들면 대기(공기)를 들 수 있다.
여기서, 상기 구성의 연료전지(4)의 동작에 대해 설명한다. 연료 극(2)과 산화제 극(3)에 각각 연료 가스와 산화제 가스를 공급하고 부하를 연결하면, 연료 극(2)에 공급된 연료 가스 중에 포함된 수소는 반응식(화학식 4)에서와 같이 연료 극(2)의 촉매층과 전해질의 계면에서 전자를 버리고 수소 이온이 된다.
[화학식 4]
Figure pct00004
수소 이온은 전해질(1)을 통해서 산화제 극(3)으로 이동하고, 산화제 극(3)의 촉매층과 전해질의 계면에서 전자를 받아 산화제 극(3)에 공급되는 산화제 가스 중에 포함된 산소와 반응하여 물을 생성한다. 이 반응식은 (화학식 5)와 같이 된다.
[화학식 5]
Figure pct00005
모든 반응을 (화학식 6)에 나타낸다.
[화학식 6]
Figure pct00006
이때 부하를 흐르는 전자의 흐름을 직류의 전기 에너지로 사용할 수 있으며, 또 일련의 반응은 발열 반응이므로 반응열을 열 에너지로 이용할 수 있다.
또한, 도 1에서 출력 제어부(11)는 부하 변동에 따라 연료전지(4)의 출력을 제어하고 있다. 연료전지(4)의 부하가 상승하고 많은 발전량을 필요로 하는 경우는, 연료 처리부(8)에 공급하는 원료 가스의 공급량을 증가시켜 생성하는 연료 가스량을 증가시키고, 또한 블로워(91)의 능력값을 올려서 산화제 가스 공급량을 증가시킨다.
반대로, 그다지 발전량이 필요하지 않을 경우는, 연료 가스나 산화제 가스 공급량을 감소시켜 출력을 저감할 수 있는 구성으로 되어 있다.
그런데, 대기중에는 각종 불순물이 포함되어 있는 경우가 많아, 예를 들면 화산이나 연소 배기 가스 등에 포함되어 있는 이산화황 등의 황 화합물이나, 공장이나 자동차의 연소 배기 가스 등에 많이 포함되어 있는 질소 산화물, 혹은 악취 성분인 암모니아 등이 포함되어 있다.
이들 불순물은 연료전지(4)에 악영향을 끼치며, 산화제 가스를 혼입하여 산화제 극(3)에 도달할 경우, 산화제 극(3)에 포함된 촉매에 부착(흡착)하여 발전에 필요한 화학 반응을 저해하므로 연료전지(4) 출력이 저하될 수 있다. 특히 황 화합물은 비교적 흡착력이 강하고, 다량의 황 화합물이 축적될 경우 제거하는 것이 곤란하게 되어 연료전지(4)의 발전 효율이나 내구성을 저하시키는 원인이 된다.
한편, 산화제 극(3)의 전극 전위에 의해 상기 불순물의 산화 반응을 촉진시킬 수 있어, 물이나 공기와 반응시켜 산화제 극(3)에 부착된 불순물을 산화제 극(3)으로부터 이탈시키기 쉽게 할 수 있다.
본 실시 형태의 연료전지 발전 시스템은, 적어도 수소를 포함하는 연료 가스가 공급되는 연료 극(2)과, 적어도 산소를 포함하는 산화제 가스가 공급되는 산화제 극(3)과, 연료 극(2)과 산화제 극(3)이 형성된 전해질(1)을 포함하는 연료전지(4)와, 연료전지 발전 시스템 외부에 전력을 공급하지 않은 상태에서 산화제 극(3)에 소정 전압 이상의 전압을 부여하는 출력 제어부(11)와, 출력 제어부(11)에 의해 소정 전압 이상의 전압을 부여하는 시기를 결정하는 결정부(12)를 구비한 것이다.
여기서, 연료전지 발전 시스템의 외부 부하(미도시)에 교류 전력을 공급하는 인버터 등의 전력 출력부(미도시)가 있고, 연료전지(4)는 이 외부 부하와 연료전지 발전 시스템 내부에 있는 보조 기기나 제어 기판의 전원 등의 내부 부하(미도시)에 전력을 공급하고 있으며, 연료전지 발전 시스템 외부에 전력을 공급하지 않는 상태란, 내부 부하의 전체 또는 일부는 그대로 외부 부하를 절단(切斷)하는 상태이다.
본 실시 형태의 구성에 의하면, 결정부(12)에 근거하여, 불순물에 의한 불가역인 전압 저하를 일으키기 전에 출력 제어부(11)에 의해 소정 전압 이상의 전압을 부여하는 시기를 결정하므로, 전압 저하에 따른 발전 효율이 저하되는 일이 없다. 또한, 연료전지 발전 시스템 외부에 전력을 공급하지 않은 상태에서 산화제 극에 소정 전압 이상의 전압을 부여하는 출력 제어부(11)를 구동함으로써, 외부 전원을 필요로 하지 않고, 산화제 극(3)을 고 전위로 해서 산화제 극(3)에 부착된 불순물을 산화하여 이탈시켜서 제거하게 되어, 연료전지(4)가 활성화하고 원하는 성능을 유지할 수 있게 되는 내구성이 우수한 연료전지 발전 시스템을 얻을 수 있다.
이 특정 전압 이상의 전압은 연료전지(4)의 통상 운전시보다 높은 전압으로 하는 것이며, 산화제 극(3)을 고 전위로 해서 산화제 극(3)에 부착된 불순물을 산화 제거하여 연료전지(4)를 활성화할 수 있는 연료전지 발전 시스템을 얻을 수 있다. 또한, 소정 전압 이상의 전압은 산화제 극(3)에 부착된 불순물을 산화시키는데도 필요한 전압이며, 산화제 극(3)을 고 전위로 해서 산화제 극(3)에 부착된 불순물을 산화 제거하여 연료전지(4)를 활성화할 수 있는 연료전지 발전 시스템을 얻을 수 있다.
또한, 소정 전압 이상의 전압은 연료전지 발전 시스템의 부하를 저부하로 얻을 수 있는 전압이며, 산화제 극(3)을 고 전위로 해서 산화제 극(3)에 부착된 불순물을 산화 제거하여 연료전지(4)를 활성화할 수 있는 연료전지 발전 시스템을 얻을 수 있다.
또한, 소정 전압 이상의 전압은 연료전지(4)의 부하를 절단(切斷)하여 개방 회로 상태로 얻을 수 있는 전압이며, 산화제 극(3)을 고 전위로 해서 산화제 극(3)에 부착된 불순물을 산화 제거하여 연료전지(4)를 활성화할 수 있는 연료전지 발전 시스템을 얻을 수 있다.
이 연료전지(4)의 부하를 절단하여 개방 회로 상태로 얻을 수 있는 소정 전압 이상의 전압을 이용하여 산화제 극(3)에 부착된 불순물을 산화 제거하는 구성에 대해 다음에 설명한다.
산화 반응이 촉진되는 전극 전위는 불순물의 종류에 따라 달라, 이산화황 등 황 화합물은 발전시보다 높은 전극 전위에서 산화되기 쉽고, 발명자들은 출력 제어부(11)로 연료 극(2) 및 산화제 극(3)에 각각 연료 가스와 산화제 가스를 공급한 상태로 연료전지(4)의 부하를 절단하는 개방 회로 상태를 설정하고, 이러한 개방 회로 상태의 자연 전위에서도 연료전지 발전시보다 높은 전극 전위를 얻을 수 있고, 산화제 극(3)에 부착된 상당 부분의 황 화합물을 산화하는 것이 가능해지고, 또한 공급이 계속되고 있는 산화제 가스에 의해 산화된 황 화합물을 산화제 극(3)으로부터 이탈시켜서 제거할 수 있는 것을 발견했다.
따라서, 본 발명에서는 어느 정도의 양이 축적되면 불가역인 전압 저하를 일으키는 황 화합물에 주목하여, 불가역인 전압 저하를 일으키기 전의 적은 적산량 때에 연료전지(4)를 개방 회로 상태로 하고, 산화제 극(3)을 고 전위(자연 전위)로 해서 산화제 극(3)에 부착된 황 화합물을 산화 제거하여 연료전지(4)를 활성화하도록 구성하였다.
또한, 연료전지(4)를 개방 회로 상태로 할 때의 산화제 극(3)에 공급되는 불순물의 적산량의 한계값(threshold;역치)은 불가역인 전압 저하를 일으키지 않고, 또한 자연 전위를 1초~10분 정도 유지하면 회복하는 한계량을 미리 실험적으로 요구해 두고, 그 한계량에 도달하기 전의 적산량을 한계값으로 하였다.
여기서, 불순물의 적산량의 한계값은 상기 한계량의 취지를 만족하는 값이면 좋고, 불순물의 직접적인 양이어도 좋고, 불순물의 양에 상당하는 간접적인 양이어도 좋은 것으로,이 불순물의 적산량의 한계값에 의해 연료전지를 개방 회로 상태로 하는 시기를 결정하는 결정부(12)를 갖추고 있다.
본 실시 형태의 구성에 의하면, 결정부(12)에 기초하여, 불순물에 의한 불가역인 전압 저하를 일으키기 전에 연료전지를 개방 회로 상태로 하는 시기를 결정하므로, 전압 저하에 의한 발전 효율이 떨어질 일이 없는 것이다. 또한, 결정부(12)로 결정된 시기에 연료전지(4)를 개방 회로 상태로 하는 출력 제어부(11)에 의해, 외부 전원을 필요로 하지 않고 산화제 극(3)을 고 전위로 해서 산화제 극(3)에 부착된 불순물을 산화하고, 산화제 가스에 의해 산화된 불순물을 이탈시켜서 제거하게 되어, 연료전지(4)가 활성화하고 원하는 성능을 유지할 수 있게 되는 내구성이 우수한 연료전지 발전 시스템을 얻을 수 있다.
다음으로, 불순물의 적산량의 한계값을 얻는 구체적인 예를 이하에 설명한다.
불순물의 적산량은 연료전지(4)의 발전 시간의 경과와 함께 가산되어 가는 것이다. 따라서, 결정부(12)는 연료전지(4)의 발전 시간을 적산하는 발전 시간 적산부(미도시)를 가지며, 발전 시간 적산부에 의해 얻어진 적산 시간이 불순물의 적산량의 한계값에 상당하는 시간이 되었을 때, 연료전지(4)를 개방 회로 상태로 하는 시기를 결정한다. 결정부(12)로 결정된 시기에, 출력 제어부(11)는 연료 극(2)과 산화제 극(3)에 연료 가스와 산화제 가스를 각각 공급한 상태에서 연료전지(4) 부하를 절단하여 개방 회로 상태로 한다.
본 실시 형태에 따르면, 발전 시간을 적산하는 매우 간단한 구성에 기초하여, 산화제 극(3)에 부착된 불순물을 제거하여 연료전지(4)를 활성화할 수 있는 연료전지 발전 시스템을 얻을 수 있다.
또한, 위의 설명에서 출력 제어부(11)는 연료 극(2)과 산화제 극(3)을 연료 가스와 산화제 가스를 각각 공급한 상태에서, 개방 회로 상태로 하는 설명을 하였지만, 개방 회로 상태로 하지 않고 연료전지 발전 시스템 외부에 전원을 공급하지 않은 상태에서 산화제 극(3)에 소정 전압 이상의 전압을 부여하면 좋은 것이고, 산화제 극(3)을 고 전위로 해서 산화제 극(3)에 부착된 불순물을 산화 제거하여 연료전지를 활성화할 수 있는 연료전지 발전 시스템을 얻을 수 있다.
또한, 출력 제어부(11)는 연료 극(2)과 산화제 극(3)에 연료 가스와 산화제 가스의 공급을 각각 정지한 상태에서, 또한 연료전지 발전 시스템 외부에 전력을 공급하지 않은 상태에서 산화제 극(3)에 소정 전압 이상의 전압을 부여하는 구성으로 해도 좋다. 이것은 연료 가스와 산화제 가스의 공급을 각각 정지한 상태에서도 공급 정지의 직전까지 연료 극(2)과 산화제 극(3)에 공급되고 있던 가스에 의해 소정의 전압이 부여되는 것이다.
(실시형태 2)
도 1은 본 발명의 실시 형태 2의 연료전지 발전 시스템의 개략적인 구성도를 나타내는 것이다.
본 발명의 실시 형태 2의 연료전지 발전 시스템은, 실시 형태 1의 결정부(12)에 구비할 수 있었던 발전 시간 적산부를 제거하고, 산화제 가스 중에 포함된 불순물의 농도를 검출하는 불순물 농도 검출부(13)를 갖춘 것이며, 다른 구성 요소에는 동일 부호를 부여하여 설명을 생략한다.
출력 제어부(11)에 연결되는 결정부(12)는, 불순물 제거부(92)의 불순물 제거율로부터 추정되는 불순물 제거부(92) 후류(後流)의 불순물의 농도와, 산화제 가스의 공급량 및 산화제 극에 공급되는 불순물 적산량으로부터 연산하고, 연료전지(4)를 개방 회로 상태로 할 때까지의 시간을 결정하여 출력 제어부(11)에 연료전지(4)를 개방 회로 상태로 하는 타이밍의 지령을 내릴 수 있다.
대기중의 불순물의 농도는 연료전지 발전 시스템이 설치된 장소의 불순물 정보로부터 미리 통상시의 평균 농도를 결정부(12)에 입력하여 두거나, 그때마다 인터넷 등의 통신부를 통해서 자동으로 얻을 수 있지만, 본 실시 형태에서는 불순물 농도 검출부(13)를 탑재하여 설치 환경에 대한 실시간 산화제 가스중에 포함된 불순물 농도를 검출하도록 구성하였다. 불순물 농도 검출부(13)에는 이산화황을 검출할 수 있는 이산화황 가스 센서를 채용하였다.
다음으로, 본 발명의 연료전지 발전 시스템의 운전 순서에 대해 도 2의 순서도를 이용하여 설명한다.
먼저, 결정부(12)가 불순물 농도 검출부(13)로 검출하는 이산화황의 농도와, 불순물 제거부(92)의 이산화황의 제거율과, 발전을 시작하고 나서 블로워(91)가 산화제 극(3)에 공급한 산화제 가스의 공급량으로부터 산화제 극에 공급되는 불순물(이산화황)의 적산량을 연산하여 연료전지(4)를 개방 회로 상태로 하는 시기를 결정한다(단계 101).
다음으로, 미리 실험적으로 구해진 적산량의 한계값에 대하여 단계 101에서 구한 적산량이 많은지를 확인한다(단계 102).
적산량이 한계값을 넘었으면, 출력 제어부(11)로 연료 극(2)과 산화제 극(3)에 각각 연료 가스와 산화제 가스를 공급한 상태에서 연료전지(4)의 부하를 절단하는 개방 회로 상태를 (1초~10분 정도) 유지한다 (단계 103). 결과적으로 연료전지의 발전이 정지 상태가 되므로, 도 2에서는 발전 정지라고 표기한다.
그리고, 1초~10분 정도 개방 회로 상태로 되면 부하를 연결하고 다시 발전을 시작한다 (단계 104,105)
이때, 실시 형태 1과 마찬가지로 개방 회로 상태로 함으로써 연료전지(4)의 활성이 회복하여 연료전지 발전 시스템의 발전 효율이나 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 산화제 극(3)의 촉매층 중에 포함된 카본은 고 전위로 부식이나 산화를 일으켜 열화하기 쉬워지지만, 본 실시 형태의 연료전지 발전 시스템에 의하면, 개방 회로 상태로 하는 것에 의해 전극 전위는 자연 전위까지 밖에 오르지 않기 때문에 촉매층을 구성하는 카본의 산화를 억제할 수 있다.
다음으로, 상기 구성의 본 실시 형태의 연료전지 발전 시스템의 효과를 확인하기 위해, 실제로 연료전지(4)의 산화제 극(3)에 불순물(이산화황)을 포함하는 산화제 가스를 공급하면서 모의 시험을 실시했다. 공급하는 이산화황의 농도는 실제의 대기중에 포함되는 평균적인 농도를 불순물 제거부(92)로 제거한 뒤의 농도로 했다. 도 3에 실험 결과를 나타낸다.
도 3a는 불순물을 공급하면서 개방 회로 상태를 넣지 않고 발전했을 경우의 스택 전압의 추이를 나타낸다. 발전 개시로부터 일정 시간 후의 전압(도면중의 검은 동그라미)이 점차 감소하고 있다는 것을 알 수 있다. 이것은 산화제 가스 중의 이산화황이 서서히 산화제 극(3)에 축적하여, 촉매를 피독하기 위해 화학 반응이 저해되어 활성이 저하되는데 따른 것으로 생각된다.
한편, 본 발명의 운전 방법에 의한 스택 전압은 도 3b에 나타낸 바와 같이, 발전 중 불순물 적산량에 따라 주기적으로 개방 회로 상태로 함으로써, 발전 개시로부터 일정 시간 후에 전압(도면 중의 검은 동그라미)가 저하됨이 없이 일정하게 전환하는 것을 알았다.
따라서, 본 실시 형태의 연료전지 발전 시스템에 의하면, 산화제 가스 중에 불순물의 농도를 실시간으로 검출하고, 실제의 불순물 적산량에 따라 산화제 극(3)에 부착된 불순물을 산화시켜 제거하여 연료전지(4)를 활성화할 수있으므로, 연료전지(4)의 발전 효율과 내구성을 향상시킬 수 있다.
(실시형태 3)
도 1은 본 발명의 실시 형태 3의 연료전지 발전 시스템의 개략적인 구성도를 나타내는 것이다.
본 발명의 실시 형태 3의 연료전지 발전 시스템은, 도 1에서 불순물 농도 검출부(13)를 제거하고 연료전지(4)의 전압을 검출하는 전압 검출부(14)를 갖추어, 전압 검출부(14)로 검출하는 전압이 연료전지(4)의 출력과 발전시간 적산부에 의한 적산 시간과 발전 시작으로부터의 시간으로 정해지는 소정의 전압을 일정 시간 밑돌았을 때를 연료전지(4)를 개방 회로 상태로 하는 시기로서 결정부(12)가 결정하는 점 이외에는 실시 형태 2의 연료전지 발전 시스템과 같고, 실시 형태 2와 다른 점에 대해 상세히 설명한다.
전술한 바와 같이, 연료전지(4)의 전압은 불순물에 의해 저하하고, 소정의 농도 이하이면 농도에 따라 전압이 변화하므로, 전압을 모니터링하고 있으면 불순물 농도 검출부(13)와 같은 수단이 없어도 어느 정도 불순물의 농도와 그 적산량을 알 수 있다.
따라서, 불순물과 관계없이 지속적으로 서서히 저하하는 전압과, 기동 직후에 복구(recovery) 효과에 의해 서서히 저하하는 전압을 고려하면, 전압 검출부(14)로 검출하는 전압으로부터 불순물의 적산량에 상당하는 한계값을 구할 수 있다.
본 실시 형태 3에서는, 결정부(12)가, 전압 검출부(14)로 검출한 전압으로부터 산화제 가스중에 포함되어 산화제 극(3)에 공급되는 불순물의 적산량을 연산하여 연료전지(4)를 개방 회로 상태로 하는 시기를 결정하고, 불순물 농도 검출부(13) 등이 없어도 불순물의 적산량에 대응하여 저하하는 연료전지(4)의 전압으로부터 산화제 극(3)의 활성 상태를 판정하고, 전압이 정상시의 전압에 대해서 낮은 경우에 연료전지(4)를 개방 회로 상태로 하므로 연료전지 발전 시스템을 더욱 간소화할 수 있다.
또한, 출력 제어부(11)가, 발전이 시작되고 나서의 연료전지(4)를 개방 회로 상태로 한 횟수가 소정의 횟수를 상회하고, 그래도 전압 검출부(14)로 검출하는 전압이 소정의 전압보다 일정 시간보다 밑돌았을 경우, 연료전지(4)의 부하를 절단해서 연료전지(4)의 발전을 강제적으로 정지시켜, 적어도 산화제 가스의 공급을 정지하여 산화제 극(3)의 전위를 소정의 전위까지 내린 후, 재기동해 소정 시간 연료전지(4)를 개방 회로 상태로 한 후 발전을 재개하도록 구성했다.
또한, 연료 가스의 공급은 반드시 정지할 필요는 없고, 온도가 고온으로 안정되어 있는 연료 처리부(8)를 기동 정지하여 불필요한 에너지를 소비하지 않는다고 하는 점에서, 연료 가스의 공급은 정지하지 않는 것이 바람직하다.
도 4에 본 발명의 실시 형태 3의 연료전지 발전 시스템의 운전 방법의 순서도를 나타낸다.
우선, 전압 검출부(14)가 연료전지(4)의 전압을 모니터하고 있다 (단계 201).
전압 검출부(14)가 검출하는 전압이, 불가역인 전압 저하를 제공하는 한계량에 도달하는 앞의 적산량의 불순물이 부착했을 때의 전압인 한계값보다 낮아진 것인지 여부를 결정부(12)가 판정하고, 결정부(12)는 연료전지(4)를 개방 회로 상태로 하는 시기를 결정한다(단계 202). 출력 제어부(11)는, 전압 검출부(14)가 검출한 전압이 한계값 미만인 때에 연료 극(2)과 산화제 극(3)에 각각 연료 가스와 산화제 가스를 공급한 상태에서 연료전지(4)의 부하를 절단하는 개방 회로 상태를 소정 시간(1초~10분 정도) 유지한다(단계 203). 결과적으로 연료전지의 발전이 정지 상태가 되므로, 도 4에서는 발전 정지라고 표기한다.
그리고, 1초~10분 정도 개방 회로 상태로 하면, 다시 연료전지(4)의 부하를 연결하고 개방 회로 상태를 정지시켜 발전을 시작한다(단계 204, 205)
또한, 발전을 시작하고 나서 개방 회로 상태로 한 횟수를 세어(count-up; 단계 206), 개방 회로 상태로 횟수가 소정 횟수(한계값)를 넘어도 전압이 오르지 않는다고 판단했을 경우(스텝 207)는 연료전지(4)의 부하를 절단하여 강제로 기동 정지시키는 일반적인 발전 정지 모드로 전환한다.
우선, 발전을 정지해(단계 208), 적어도 산화제 가스 공급을 정지한다(단계 209).
이때, 연료 극(2) 측에는 연료 가스인 수소가 존재하고 있으므로, 스택의 전압은 거의 산화제 극(3)의 전극 전위와 동등한 것으로 간주할 수 있다. 산화제 극(3)의 전극 전위가 0 ~ 0.2V 정도까지 하락, 혹은 그것에 상당하는 시간이 경과하면(단계 210), 산화제 극(3)에 산화제 가스의 공급을 재개한다(단계 211). 산화제 가스가 공급되기 시작하면, 산화제 극(3)의 전극 전위가 상승하고, 자연 전위가 된다.
그리고, 연료전지(4)의 부하를 접속시켜 발전을 재개한다(단계 212).
본 실시 형태에 따르면, 발전중에 복수회 이상 개방 회로 상태로해서도 전압이 회복되지 않을 경우에, 기동 정지를 하면 산화제 극(3)의 전위를 고 전위(자연 전위)로부터 저 전위까지 승강(乘降)시키게 되고, 산화제 극(3)이 산화 상태로부터 환원 상태가 되어 산화제 극(3)의 활성을 회복할 수 있다.
또한, 개방 회로 상태로 함에 따라 산화제 극(3)에 부착된 불순물이 산화되므로, 기동 정지에 의해 발생하는 응축수나 발전시에 발생하는 생성 수에 용해시켜 외부에 배출할 수 있고, 개방 회로 상태와 기동 정지의 조합으로 불순물의 영향을 더욱 완화할 수 있다.
(실시 형태 4)
도 1은 본 발명의 실시 형태 4에 있어서의 연료전지 발전 시스템의 개략적인 구성도를 나타내는 것이다.
본 발명의 실시 형태 4의 연료전지 발전 시스템은, 실시 형태 2의 연료전지 발전 시스템에서 연료 극(2)에 공급하는 연료 가스의 압력을 산화제 극(3)에 공급하는 산화제 가스의 압력보다 낮게 유지한 상태로, 출력 제어부(11)가 연료전지(4)의 부하를 소정 시간 절단하여 연료전지(4)를 개방 회로 상태로 해서 산화제 극(3)을 활성화하는 점 이외에는 실시 형태 2의 연료전지 발전 시스템과 동일하므로, 실시 형태 2와 다른 점에 대해서 상세히 설명한다.
본 실시 형태의 구성은, 전술한 실시 형태 1 내지 3 중 어느 것에 의한 결정부(12)에 기초하여, 불순물에 의한 불가역인 전압 저하를 일으키기 전에 연료전지를 개방 회로 상태로 하는 시기를 결정한다. 결정부(12)로 결정된 시기에, 연료 가스의 압력을 산화제 가스의 압력보다 낮게 한다. 그 후, 출력 제어부(11)가 연료전지(4)의 부하를 소정 시간 절단하여 연료전지(4)를 개방 회로 상태로 한다.
본 실시 형태에 의하면, 연료 가스의 압력을 산화제 가스의 압력보다 낮게 함으로써 연료 극(2) 측에서 산화제 극(3) 측으로 크로스(cross) 누설하는 수소량이 감소하고 산화제 극(3)의 전위를 더욱 상승시킬 수 있어, 산화제 극(3)에 부착된 불순물이 보다 산화되기 쉬워져 보다 활성화할 수 있다.
연료 극(2)에 공급하는 연료 가스의 압력은, 연료 가스의 유량을 감소시킴으로써 저감시켰다.
또한, 도 1에 도시하는 바와 같이, 연료전지(4)의 연료 극(2)을 우회(by-pass)하도록 연료전지 바이패스 라인(15)을 갖추어 연료전지(4)를 활성화할 때만 연료 가스의 일부를 연료전지 바이패스 라인(15)에 공급하고, 연료 극(2)에 공급하는 연료 가스 유량을 감소해서 연료 가스의 압력을, 산화제 극(3)에 공급하는 산화제의 가스 압력보다 낮게 유지함으로써 연료 처리부(8)로 생성하는 연료 가스의 총량을 일정하게 유지하면서 공급할 수 있어, 연료 처리부(8)의 제어를 간소화할 수 있다.
(실시 모양 5)
도 1은 본 발명의 실시 형태 4에 있어서의 연료전지 발전 시스템의 개략적인 구성도를 나타내는 것이다.
본 발명의 실시 형태 5의 연료전지 발전 시스템은, 실시 형태 2의 연료전지 발전 시스템에서 결정부(12)가 결정한 연료전지(4)를 개방 회로 상태로 하는 시기에 출력 제어부(11)가 연료전지(4)의 출력을 강제로 저감시켜, 소정 출력 이하로 연료 가스와 산화제 가스가 소정의 공급량까지 저감한 후 연료전지(4)의 부하를 절단하여 연료전지(4)를 개방 회로 상태로 하는 점 이외에는 실시 형태 2의 연료전지 발전 시스템과 동일하므로, 실시 형태 2와 다른 점에 대해서 상세히 설명한다.
본 발명의 실시 형태 5의 연료전지 발전 시스템의 운전 순서(sequence)에 대해서 도 5의 순서도를 이용하여 설명한다.
먼저, 결정부(12)가 불순물 농도 검출부(13)로 검출하는 이산화황의 농도와, 불순물 제거부(92)의 이산화황의 제거율과, 발전을 시작하고 나서 블로워(91)가 산화제 극(3)에 공급한 산화제 가스의 공급량으로부터 불순물의 적산량을 산출한다(단계 301).
다음으로, 미리 실험적으로 구해진 적산량의 한계값(threshold;역치)에 대하여 단계 301에서 구한 적산량이 많은지를 판단한다(단계 302).
적산량이 한계값을 넘었으면 연료전지(4)의 출력을 강제로 내리고, 그에 따라 연료 가스와 산화제 가스의 공급량을 감소시킨다(단계 303). 이때의 출력 및 연료 가스와 산화제 가스 공급량은 연료전지 발전 시스템의 최소 출력과 그에 따른 공급량으로 설정되어 있다.
그리고, 연료 가스와 산화제 가스 공급량이 한계값에 도달하면 연료 극(2)과 산화제 극(3)에 각각 연료 가스와 산화제 가스를 공급한 상태에서 연료전지(4)의 부하를 절단하는 개방 회로 상태를 소정 시간(1초~10분 정도) 유지한다(단계 304, 305). 결과적으로 연료전지의 발전이 정지 상태가 되므로, 도 5에서는 발전 정지라고 표기한다.
그리고 1초~10분 정도 개방 회로 상태로 하면, 다시 연료전지(4)의 부하를 연결하고 개방 회로 상태를 정지시켜 발전을 시작한다(단계 306, 307).
본 발명의 실시 형태 4의 연료전지 발전 시스템에 의하면, 연료 가스나 산화제 가스의 소비량이 적은 출력이 낮을 때에 발전을 정지하므로, 발전에 이용할 수 없는 연료 가스와 산화제 가스의 소비량을 최소화할 수 있어 효율적으로 연료전지의 활성화를 할 수 있다.
또한, 도 6에 개방 회로 상태로 하는 전후의 스택 전압의 전압 거동을 나타낸다. 발전 시작으로부터 불순물의 적산량이 전압 저하를 제공하는 한계량에 도달하기 전의 시간 t가 경과한 후에, 연료전지(4)의 출력을 낮추고, 또한 연료 가스와 산화제 가스의 공급량도 감소시켰다. 이때, 스택 전압은 상승했다. 또한, 그 직후에 연료 극(2)과 산화제 극(3)에 각각 연료 가스와 산화제 가스를 공급한 상태에서 연료전지(4)의 부하를 절단하는 개방 회로 상태로 하고, 또한 스택 전압을 상승시켜 개방 회로 전압을 약 10초간 유지하였다.
그 후 다시 부하를 연결하고, 원래의 발전 상태로 되돌리기 위해 연료 가스와 산화제 가스의 공급량을 증가시키고 나서, 연료전지(4)의 출력을 증가시켰다. 그리고, 개방 회로 상태로 하여 활성화한 시점으로부터 다시 시간 t 후에 같은 활성화 처리를 실시하였다.
시간 t에 있어서의 불순물의 적산량은 동일하고, 동일한 적산량의 불순물을 같은 동작으로 확실하게 제거하여 활성화하므로, 불순물에 대하여 내성이 강한 연료전지 발전 시스템을 얻을 수 있다.
그런데, 연료전지 발전 시스템은 원료 가스로서 도시 가스를 사용하지만, 가스 공급 라인에는 마이컴 미터(micom meter)라고 불리는 안전 장치가 부착된 것이 있다. 마이컴 미터는 가스의 유량을 모니터하는 가스 미터이고, 가스 누출시 가스의 공급을 자동적으로 차단하는 기능을 가지고 있다.
예를 들면, 가스의 소비량이 일정한 기간, 일정한 유량으로 변동이 없을 경우, 가스가 새고 있다고 판단하고 가스를 차단한다. 한편, 연료전지 발전 시스템은 다른 가스 기기와 비교해서 연속으로 사용될 가능성이 높고, 일정한 출력으로 발전했을 경우, 가스 누출이 발생하고 있지 않음에도 불구하고 가스가 차단될 가능성이 있다.
가스가 강제로 차단되었을 경우, 에너지 효율의 저하나 기기의 내구성에 미치는 영향이 우려된다. 따라서, 일정한 출력으로 소정 시간 이상 연속해서 발전했을 경우, 연료전지 발전 시스템의 출력을 강제로 변동, 저감시켜 가스의 사용량을 변화시키는 기술이 알려져 있다.
이 일정한 출력으로 연속해서 발전하는 소정의 시간이, 본 발명의 불순물의 적산량이 전압 저하를 제공하는 한계량에 도달하기 전의 시간 t보다 작을 경우, 마이컴 미터의 오검지 방지를 위해 출력을 저감시켜 연료 가스와 산화제 가스의 공급량이 저감한 타이밍(timing)에 연료전지(4)를 단시간만 개방 회로 상태로 하여 산화제 극(3)을 활성화해도 좋고, 이 타이밍에 활성화하면, 보다 효과적으로 연료전지(4)의 발전 효율과 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 전술한 실시 형태 2로부터 실시 형태 5에서는, 특히 산화제 극(3)에 소정 전압 이상의 전압을 부여하는 구성으로서 연료전지(4)의 부하를 절단하여 개방 회로 상태로 하는 구성을 설명했지만, 소정 전압 이상의 전압은 연료전지(4)의 통상 운전시보다 높은 전압, 산화제 극(3)에 부착된 불순물을 산화시키는데 필요한 전압, 연료전지 발전 시스템의 부하를 저부하로서 얻을 수 있는 전압의 어느 쪽을 선택해도 좋다.
또한, 출력 제어부(11)는, 연료 극(2)과 산화제 극(3)을 연료 가스와 산화제 가스를 각각 공급한 상태를 설명하였지만, 연료 극(2)과 산화제 극(3)에 연료 가스와 산화제 가스의 공급을 각각 정지한 상태로 해도 좋다.
본 출원은, 2008년 8월 29일 출원의 일본 특허출원, 특원2008-221401에 기초하는 것이며, 그 내용은 여기에 참조로서 포함된다.
이상, 본 발명의 각종 실시 형태를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 형태에서 나타내진 사항에 한정되지 않고, 명세서의 기재, 및 주지의 기술에 기초하여 당업자가 변경·응용하는 것도 본 발명의 예정하는 것이며, 보호를 요구하는 범위에 포함된다.
본 발명의 연료전지 발전 시스템은, 산화제 가스중에 포함되고, 산화제 극에 공급되는 불순물 적산량에 따라 산화제 극을 고 전위로 하여 연료전지를 활성화하고, 발전 효율과 내구성의 향상이라고 하는 효과를 가지며, 고분자형 고체 전해질을 이용한 연료전지, 연료전지 장치, 고정식 연료전지 폐열 발전(cogeneration) 시스템에 유용하다.
1 : 전해질
2 : 연료 극
3 : 산화제 극
4 : 연료전지
11 : 출력 제어부
12 : 결정부
13 : 불순물 농도 검출부
14 : 전압 검출부
15 : 연료전지 바이패스 라인

Claims (16)

  1. 연료 가스와 산화제 가스 반응에 의해 발전을 하는 연료전지 발전 시스템이며, 적어도 수소를 포함하는 연료 가스가 공급되는 연료 극과, 적어도 산소를 포함하는 산화제 가스가 공급되는 산화제 극과, 상기 연료 극과 상기 산화제 극이 형성된 전해질을 포함하는 연료전지와, 상기 연료전지 발전 시스템 외부에 전력을 공급하지 않은 상태에서 상기 산화제 극에 소정 전압 이상의 전압을 부여하는 출력 제어부와, 상기 출력 제어부에 의해 소정 전압 이상의 전압을 부여하는 시기를 결정하는 결정부를 구비한 연료전지 발전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 소정 전압 이상의 전압은, 상기 연료전지의 통상 운전시보다 높은 전압인 연료전지 발전 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 소정 전압 이상의 전압은, 상기 산화제 극에 부착된 불순물을 산화시키는데 필요한 전압인 연료전지 발전 시스템.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소정 전압 이상의 전압은, 상기 연료전지의 부하를 절단하여 개방 회로 상태로 얻을 수 있는 전압인 연료전지 발전 시스템.
  5. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소정 전압 이상의 전압은, 상기 연료전지 발전 시스템의 부하를 저부하로서 얻을 수 있는 전압인 연료전지 발전 시스템.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출력 제어부는, 상기 연료 극과 상기 산화제 극에 연료 가스와 산화제 가스를 각각 공급한 상태에서, 또한 상기 연료전지 발전 시스템 외부에 전력을 공급하지 않은 상태에서 상기 산화제 극에 소정 전압 이상의 전압을 부여하는 연료전지 발전 시스템.
  7. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출력 제어부는, 상기 연료 극과 상기 산화제 극에 연료 가스와 산화제 가스의 공급을 각각 정지한 상태에서, 또한 상기 연료전지 발전 시스템 외부에 전력을 공급하지 않은 상태에서 상기 산화제 극에 소정 전압 이상의 전압을 부여하는 연료전지 발전 시스템.
  8. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결정부는, 상기 연료전지의 발전 시간을 적산하는 발전 시간 적산 부를 구비하고, 상기 발전 시간 적산부에 의해 얻어진 적산 시간에 의해 상기 산화제 극에 소정 전압 이상의 전압을 부여하는 시기를 결정하는 연료전지 발전 시스템.
  9. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산화제 가스중에 포함된 불순물의 농도를 검출하는 불순물 농도 검출부를 구비하고, 상기 결정부는, 상기 불순물 농도 검출부에서 검출한 불순물 농도와, 상기 산화제 극에 공급된 상기 산화제 가스의 공급량으로부터 상기 산화제 극에 공급되는 불순물의 적산량을 연산하여 상기 산화제 극에 소정 전압 이상의 전압을 부여하는 시기를 결정하는 연료전지 발전 시스템.
  10. 청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산화제 가스에 포함된 불순물은 황 화합물인 연료전지 발전 시스템.
  11. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지의 전압을 검출하는 전압 검출부를 구비하고, 상기 결정부는, 상기 전압 검출부에서 검출한 전압으로부터 상기 산화제 극에 공급되는 불순물의 적산량을 연산하여 상기 산화제 극에 소정 전압 이상의 전압을 부여하는 시기를 결정하는 연료전지 발전 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 출력 제어부는, 상기 산화제 극에 소정 전압 이상의 전압을 부여하는 횟수가 소정의 횟수를 상회하고, 상기 전압 검출부에서 검출하는 전압이 소정의 전압보다 일정 시간 밑돌았을 때, 상기 연료전지의 발전을 정지시켜, 적어도 상기 산화제 가스의 공급을 정지하여 상기 산화제 극의 전위를 소정의 전위까지 낮춘 후, 다시 상기 산화제 가스를 공급하여 상기 연료전지를 소정 시간 개방 회로 상태로 만든 후, 상기 연료전지의 발전을 재개하는 연료전지 발전 시스템.
  13. 청구항 4에 있어서,
    상기 연료 극에 공급하는 상기 연료 가스의 압력을, 상기 산화제 극에 공급하는 상기 산화제 가스의 압력보다 낮게 유지한 상태에서, 상기 출력 제어부에 의해 상기 연료전지에 대해 개방 회로 상태로 하는 연료전지 발전 시스템.
  14. 청구항 4에 있어서,
    상기 연료 극에 공급하는 상기 연료 가스 유량을 감소시켜 상기 연료 가스의 압력을, 상기 산화제 극에 공급하는 상기 산화제 가스의 압력보다 낮게 유지한 상태에서, 상기 출력 제어부에 의해 상기 연료전지에 대하여 개방 회로 상태로 하는 연료전지 발전 시스템.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 연료전지의 상기 연료 극을 우회(by-pass)하는 연료전지 바이패스 라인을 갖추어 상기 연료 가스의 일부를 상기 연료전지 바이패스 라인에 공급하고, 상기 연료 극에 공급하는 상기 연료 가스 유량을 감소해서 상기 연료 가스의 압력을, 상기 산화제 극에 공급하는 상기 산화제 가스의 압력보다 낮게 유지한 상태에서, 상기 출력 제어부에 의해 상기 연료전지에 대하여 개방 회로 상태로 하는 연료전지 발전 시스템.
  16. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출력 제어부는, 상기 연료전지의 부하 변동에 따라 상기 연료 가스와 상기 산화제 가스의 공급량을 제어하여 상기 연료전지의 출력을 제어하고, 상기 결정부가 결정한 시간마다 상기 연료전지의 출력을 강제로 저감시켜 소정의 출력 이하에서 상기 연료 가스와 상기 산화제 가스가 소정의 공급량까지 감소한 후, 상기 산화제 극에 소정 전압 이상의 전압을 부여하는 연료전지 발전 시스템.
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