KR20120103602A - 연료 전지 및 연료 전지를 정지시키는 방법 - Google Patents

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지노 파가넬리
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미쉐린 러쉐르슈 에 떼크니크 에스.에이.
꽁빠니 제네날 드 에따블리세망 미쉘린
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Abstract

본 발명은 산화 가스로서 분위기 공기 또는 산소가 공급될 수 있는 연료 전지(1)에 관한 것이다. 상기 연료 전지는 공기 흡입부(126)를 포함하는 가압된 분위기 공기로 충전하기 위한 장치와, 산화 가스 재순환 루프(12R)와, 격리 밸브(128), 블록 밸브(120) 또는 체크 밸브와 같이 캐소드 공급 채널과 분위기 공기 재순환 루프가 격리되도록 하는 분위기 공기 격리 수단을 포함하며, 다음 작업, (i) 연료 가스 및 산화 가스 공급의 컷오프, (ii) 산화 가스 공급 시스템 내의 잔류 산화 가스를 소모하기 위해 전류 견인을 유지, (iii) 질소 농후 가스를 산화 가스 공급 시스템 내로 주입을, 포함하는 정지 방법을 실행할 수 있다. 정지시, 연료 전지는 정지하자마자 연료 전지 내에 수소와 질소의 혼합물이 남아 있는 것을 보장하는 것과 같은 방법으로, 내부의 전기화학적 처리의 중단의 결과로서 그것의 열화를 방지하는 조건하에 있다.

Description

연료 전지 및 연료 전지를 정지시키는 방법{FUEL CELL AND METHOD FOR STOPPING A FUEL CELL}
본 발명은 연료 전지 스택에 관한 것으로, 특히 고분자 막(polymeric membrane)의 형태로 전해질을 갖는 타입{즉, PEFC(고분자 전해질 연료 전지) 타입}의 연료 전지 스택에 관한 것이지만 이에 한정되는 것은 아니다.
기계적인 에너지 변환 단계를 거치지 않고, 수소(연료)와 산소(산화제)를 사용하는 전기화학적 산화 환원 반응을 통해 직접 전기 에너지를 생산하는 연료 전지 스택이 공지되어 있다. 이 기술은 특히 전기 자동차 분야에서 전망이 있어 보인다. 연료 전지 스택은 통상, 각각 기본적으로 애노드와 캐소드로 이루어지고 애노드와 캐소드가 애노드로부터 캐소드로 이온이 통과하는 것을 허용하는 고분자 막에 의해 분리되는, 단일 요소들의 일련의 조합으로 구성된다.
PEFC 타입의 연료 전지에서 촉매 열화의 주원인은 수소의 충분하지 않은 공급(H2 부족)으로 알려져 있다. PEFC용 촉매 지지체로서 일반적으로 사용되는 카본의 부식을 방지하기 위해, 작동 동안에는 절대적으로 수소의 충분하지 않은 공급은 피해야 하지만, 발명자의 경험에 따르면 연료 전지 스택의 셧다운 상태(phase of shutting down) 동안 그리고 연료 전지 스택이 휴지해 있는 동안 애노드에 수소가 존재하는 것을 보장할 필요도 있다.
일반적으로, 연료 전지 스택은 잔류 가스들 중 적어도 하나의 완전 소모로 인해 전압이 붕괴할 때까지 연료 전지 스택의 정상적인 전기화학적 반응을 연장하여 소진된다. 전술한 열화 메커니즘을 제한하기 위해, 수소보다 먼저 산소가 고갈되는 것이 보장되어야 한다. 따라서, 연료 전지 스택은 완전 소진될 때까지 애노드에 수소가 공급되는 것이 보장되어야 한다.
또한, 0 V RHE 전기화학적 전위{RHE는 기준 수소 전극(reference hydrogen electrode)의 약어}로 유지하도록, 휴지 동안 애노드에서의 수소의 존재를 보장해야 한다. 따라서, V RHE로 표현된 전압은 수소의 전압에 대한 전기화학적 전위이다. 순수한 수소는 안전성 이유로 권장되지 않으므로, 휴지 상태에 대해 수소/질소 혼합물이 권장된다.
셧다운 상태 동안 애노드에서의 수소의 존재를 보장하기 위해, 특허출원 WO 06/012954호는 과잉 산소를 대기 중에 퍼지하는 것을 제안한다. 그러나, 이렇게 하기 위해서는, 캐소드 압력이 충분히 높아야 하지만, 이것이 항상 보장될 수는 없다. 더욱이, 이 방법의 마지막에, 감압에 의해 공기가 자연스럽게 견인되는 동안, 캐소드 회로 내의 잔류압이 대기압과 거의 동일하게 된다. 냉각에 의해, 압력은 대기압 아래로 떨어지고, 그로 인해 연료 전지 스택 내로 공기의 이동을 증가시켜, 그 속에 든 산소가 잔류 수소와 반응하여 급격한 수소 부족을 야기한다.
문헌 US 6 939 633호는 분위기 공기로부터 가압 질소를 생성하는 장치를 제안한다. 이렇게 하기 위해, 압력원으로서 연료 전지 스택에 도입되는 공기 중의 산소가 메인 탱크로부터 나온 수소와 반응하는, 캐소드 회로 내의 반응기를 사용하는 것이 제안되어 있다. 그러나, 수소 부족을 방지하기 위한 어떠한 구성도 제공되어 있지 않다. 반면, 제안된 방법은 연료 전지 스택을 캐소드에 그리고 애노드에 공기가 존재하는 채로 둔다(제8칼럼 제29행 내지 제31행). 더욱이, 이 해법은 복잡하고, 캐소드 회로 내에 촉매 반응기의 추가를 요구한다. 연료 전지 스택 내에 이미 존재하는 촉매를 사용하는 가능성이 언급되어 있지만(제7칼럼 제59행 내지 제64행), 모든 경우에 공기 중의 수소와 산소는 촉매와 직접 반응하여 전기가 아닌 단지 열만을 발생시킨다. 결국, 이 해법은 애노드 회로와 캐소드 회로 사이에, 공기 중의 산소와 반응하도록 캐소드에 수소를 도입하기 위한 제1 밸브(344)와, 캐소드에서 발생한 질소로 애노드를 침수시키기 위한 제2 밸브(346)의 2가지 연통 수단을 요구하는데, 그로 인해 이들 밸브 중 하나가 고장(적절치 않은 개방 또는 누수)인 경우에 안전을 위협한다.
특허출원 US 2009/0220832호는 수소 버퍼 탱크, 캐소드에 대한 재순환 루프, 그리고 분위기 공기로부터 스택의 내부 회로를 격리하기 위한 밸브로 구성된 연료 전지 스택을 제안한다. 이 출원은 장기간 전극 산화를 방지하기 위해, 소진 동안 그리고 이어지는 휴지 기간 동안 수소 부족을 방지하는 것의 중요성을 설명한다. 그러나, 설명된 소진 방법은 일시적으로 수소/산소 혼합물을 포함되고, 그로 인해 안전을 위협한다. 더욱이, 제안된 구성 성분의 배치 및 설명된 방법은 질소-수소 혼합물 보다, 더 안전하지도 않고 경제적이지도 않은, 사실상 순수한 수소로 스택의 회로를 침수시키도록 되어 있다.
본 발명의 목적은, 연료 전지 스택을 셧다운 동안 열화를 피하는 조건하에 유지하는 것, 또한 제어된 신속한 방식으로 연료 전지 스택을 셧다운하기 위한 방법을 제공하는 것이며, 즉 소진 후에 연료 전지 스택 내에 수소/질소 혼합물이 잔류하는 것을 보장하고 그리고 장착을 크게 복잡하게 하거나 안전을 위협하지 않으면서 그렇게 하기 위해 내부의 전기화학적 과정을 셧다운하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 각각 고분자 이온-교환 막(polymeric ion-exchange membrane)의 양측 상에 애노드와 캐소드를 구비하는 전기화학적 전지(electrochemical cell)들의 스택과, 전기화학적 전지의 애노드측 상에 연료 가스 공급 시스템과, 전기화학적 전지의 캐소드측 상에 산화 가스 공급 시스템으로 형성된 연료 전지 스택이며, 연료 가스 공급 시스템은 연료 가스 저장 탱크에 연결하기 위한 컷오프 밸브와, 애노드에 대한 공급 채널과, 연료 가스 재순환 루프를 포함하는 연료 전지 스택을 제안한다.
본 발명은 연료 전지 스택용 산화 가스 공급 시스템이 캐소드에 대한 산화 가스 공급 채널과 산화 가스 재순환 루프를 포함하는 연료 전지 스택에 관한 것이다. 본 발명은 순수한 산소 또는 매우 산소 농후한 가스로 작동하도록 설계된 연료 전지 스택, 그리고 산화 가스로서 분위기 공기로 작동하도록 설계된 연료 전지 스택에 동등하게 잘 적용되며, 그런 경우에도 본 발명에 따른 연료 전지 스택은 이런 산화 가스 재순환 루프를 포함한다.
본 발명은, 각각 고분자 이온-교환 막의 양측 상에 애노드와 캐소드를 구비하는 전기화학적 전지의 스택과, 전기화학적 전지의 애노드측 상의 연료 가스 공급 시스템과, 전기화학적 전지의 캐소드측 상의 산화 가스 공급 시스템으로 형성된 연료 전지 스택이며, 연료 가스 공급 시스템은,
연료 가스용 압력 조절 밸브와 연료 가스 저장 탱크를 연결하기 위한 컷오프 밸브와, 애노드에 대한 공급 채널과, 연료 가스용 압력 조절 밸브의 하류의 공급 채널에서 종료하는 연료 가스 재순환 루프와, 캐소드에 산화 가스를 공급하기 위한 공급 채널과, 산화 가스 재순환 루프와, 가압된 분위기 공기로 충전하기 위한 충전 장치와, 캐소드에 대한 공급 채널과 상기 재순환 루프를 분위기 공기로부터 격리시킬 수 있는 분위기 공기로부터의 격리 수단을 포함하고,
연료 전지 스택은, 산화 가스 공급 시스템이, 컷오프 밸브의 하류와 압력 조절 밸브의 상류에서 연료 가스 공급 채널의 네트워크에 연결되는, 연료 가스 축적용 버퍼 탱크를 포함하는, 연료 전지 스택을 제안한다.
따라서, 본 발명에 따른 연료 전지 스택에 대한 제안된 구성은 연료 가스 버퍼 탱크의 내용물들이 정교하게 제어된 방식으로 배출되는 것을 가능하게 한다. 연료 가스용 추가적인 축적 챔버는, 그 체적을 줄이기 위해, 또는 동일한 체적에 대해 더 많은 수소량을 비축하기 위해, 공급 회로 내에서 압력이 가장 높은 지점에 위치한다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 공급 시스템은 가압된 분위기 공기로 충전하기 위한 장치를 포함한다. 이는, 본 발명의 모든 실시예에서, 즉 순수 산소 또는 매우 산소가 농후한 가스에 의해 작동하도록 설계된 연료 전지 스택 및 산화 가스로서 분위기 공기에 의해 작동하도록 설계된 연료 전지 스택 모두에 대해, 분위기 공기는 캐소드에서 종료하는 산화 가스 공급 채널로 보내지기 전에 가압된다는 것을 의미한다.
가압된 분위기 공기로 충전하기 위한 장치는, 예컨대 다음과 같은 주요 구성 성분,공기 흡기 오리피스로 시작하는 라인과, 상기 라인 상에 장착되는 컷오프 밸브 및 부스터 펌프 또는 압축기를 포함하고, 산화 가스 공급 회로에서 종료하는 라인 자체는 연료 전지 스택(1)에서 종료한다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 캐소드에 대한 공급 채널과 상기 재순환 루프를 분위기 공기로부터 격리시킬 수 있는, 분위기 공기로부터의 격리 수단을 더 포함한다. 이 분위기 공기로부터의 격리 수단은 분위기 공기로부터 상기 충전 장치를 격리시키는 적어도 하나의 격리 밸브를 포함한다. 보다 일반적으로, 이 분위기 공기로부터의 격리 수단은, 캐소드 회로의 상류 및 하류에 위치되어 주위 매체, 즉 일반적으로 분위기 공기로부터 캐소드 회로를 격리시키는, 체크 밸브(non-return valve)로 제공된다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 산화 가스 공급 시스템은, 산소 공급 탱크에 대한 또는 가압되거나 가압되지 않은 분위기 공기를 공급하기 위한 시스템에 대한 공급 채널의 연결부, 그리고 상기 연결부 상에 분위기 공기로부터의 격리 수단의 일부를 형성하는 컷오프 밸브를 더 포함한다.
본 발명은 또한 각각 고분자 이온-교환 막의 양측 상에 애노드와 캐소드를 구비하는 전기화학적 전지들의 스택으로 형성되고, 전기화학적 전지의 애노드측 상에 연료 가스 공급 시스템과, 전기화학적 전지의 캐소드측 상에 산화 가스 공급 시스템을 구비하며, 전력 라인에 전압을 전달하는, 연료 전지 스택의 셧다운 방법에 관한 것이며, 셧다운 방법은 다음 작업
(i) 연료 가스 및 산화 가스의 공급이 컷오프되는 작업,
(ii) 적절한 지표가 산화 가스 공급 시스템 내의 산화 가스가 충분히 소모되지 않았다는 것을 나타내는 한, 전류가 계속해서 견인되는 작업,
(iii) 질소 농후 가스가 산화 가스 공급 시스템 내로 주입되는 작업
을 포함한다.
작업 (i), (ii) 및 (iii)는 모두 동시 수행된다. 이하의 설명이 더욱 잘 이해되도록, 작업 (ii) 및 (iii)는 연속적인 단계이고, 2개의 작업 (i) 및 (ii)는 동시 수행된다. 본 발명에 따른 셧다운 방법의 설명에도 보여지는 바와 같이, 작업 (iii) 후에 연료 가스 흡입 단계를 더 제공하는 것도 유용하다.
본 발명에 따른 셧다운 방법에 의해, 수소는, 고분자 이온-교환 막을 통해, 그리고 소진 후에, 즉 모든 산소가 소모되고 캐소드 회로가 질소로 충전된 후에 아주 천천히 캐소드 내로 확산된다. 따라서, 산소와 수소는 절대로 유효 양이 공존할 수 없다. 산화 가스 공급의 컷오프와 동시에 또는 거의 동시에, 절차의 시작부터 바로 수소 공급은 중단된다. 연료 가스 공급을 중단하는 작업은 산화 가스 공급을 중단하는 작업에 비해 다소 지연되지만, 현저하게 지연되는 것은 아니다. 이하의 설명은, 제어를 위한 가장 간단한 방법이며 전적으로 만족스러운 결과를 얻는, 산화 가스의 공급 및 연료 가스의 공급이 동시에 중단되는 경우에만 한정된다. 애노드에서의 모든 잔류 수소는 원하는 H2/N2 혼합물을 보장하는데 인색하게 사용된다.
앞서 제안된 셧다운 방법은, 추가적인 연료 가스 축적 챔버가 연료 가스 공급 회로 내의 임의의 지점, 즉 재순환 회로 또는 물 분리기와 배출기 사이의 회로라고 하더라도 컷오프 밸브와 연료 전지 스택 사이의 임의의 지점에 위치할 수 있는, 연료 전지 스택까지 확장된다. 그러나, 전술한 연료 전지 스택의 설명에서 명시한 바와 같이 그 체적을 감소시키도록 압력이 가장 높은 회로 내의 지점에 위치시키는 것이 바람직하다.
전해질과 관련하여, 본 발명은 고분자 막의 형태로 전해질을 갖는 타입(즉, PEFC 타입 중 하나)의 연료 전지 스택에 적용된다. 수소의 충분하지 않은 공급은 PEFC에 매우 민감한 문제이다. 또한, 연료 전지 스택에 분위기 공기 보다는 순수 산소를 공급하는 것은 여러 가지 장점, 특히 정상 상태의 적용예와 달리 특별히 간헐적인 작동 조건을 요구한다고 알려진 전기 자동차와 같은 수송 차량에 적용하기에 특별히 이로운, 전류 요구에 대한 연료 전지 스택의 더욱 역동적인 응답성을 제공한다. 이하에 설명된 연료 전지 스택과 셧다운 방법이 전기 자동차에 장착되고 시행되는데 특히 적절하다는 것은 입증되었다.
이하의 설명은, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 모든 태양이 명확하게 이해되도록 돕는다.
도 1은 순수 산소가 공급되는, 본 발명에 따른 연료 전지 스택의 개략도이다.
도 2는 분위기 공기가 공급되는, 본 발명에 따른 연료 전지 스택의 개략도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 연료 전지 스택의 소진 동안 다양한 파라미터들의 변화를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 연료 전지 스택을 셧다운하는 방법의 흐름도를 도시한다.
도 6은 전기화학적 반응기의 단부 플레이트의 벽을 통해 연료 전지 스택의 인클로저를 관통하는 센서 중 하나의 장착 단면도이다.
안전을 이유로, 연료 전지 스택은 일반적으로 셧다운 동안 폐쇄 상태로 남아있는 H2 컷오프 밸브를 구비한다. 이 경우, 소진 절차 동안 H2를 탱크 내로 견인하는 것은 불가능하다. 따라서, 셧다운 절차는 채널, 덕트, 내부 제습 저장소 및 안전 밸브로부터 실제 연료 전지 스택까지 이어지는 공급 라인의 다른 부품 내에만 잔류 수소가 있는 상태로 실행되어야 하며, 이들 부품들은 이후에 전반적으로 연료 전지 스택용 공급 회로로서 나타내어진다.
도 1은 고분자 막의 형태로 전해질을 구비하는 타입{즉, PEFC 또는 PEM(양자 교환 막) 타입}의 연료 전지 스택(1)을 도시한다. 연료 전지 스택(1)에는 2개의 가스, 즉 연료(차량의 보드 상에 저장되거나 생성된 수소) 및 산화제(순수 산소)가 제공되며, 이 가스들은 전기화학적 전지의 전극에 제공된다. 전기 부하(14)가 전기 라인(10)을 거쳐 연료 전지 스택(1)에 연결된다. 간소화를 위해, 도 1은 본 발명을 이해하는데 도움이 되는 가스 회로 부품들만을 도시한다.
애노드 회로의 설명
장치는 애노드측 상에 연료 가스 공급 회로(11)를 포함한다. 순수 수소(H2) 탱크(11T)는, 컷오프 밸브(110)를 거치고, 그리고 압력 조절 밸브(117)를 거치고, 그리고 배출기(113)를 거치고, 그리고 애노드에서 종료하는 연료 가스 공급 채널(11A)을 거치는 공급 라인에 의해 연료 전지 스택(1)의 애노드 회로의 입구에 연결되어 있다. 압력 프로브(111)는 연료 전지 스택(1) 내로의 입구 바로 직전에 공급 채널(11A) 내에 장착된다. 연료 전지 스택(1)의 애노드 회로의 출구에 연결되며 연료 전지 스택에 의해 소모되지 않은 수소를 재순환시키는 회로(11R)가 수소(연료) 공급 회로(11)의 일부를 형성한다. 물 분리기(114)는 재순환 회로(11R) 내에 장착된다. 배출기(113)와 재순환 펌프(115)는 소모되지 않은 수소를 재순환시키고, 탱크로부터 나온 새로운 수소와 혼합한다.
또한, 추가적인 연료 가스 축적 챔버(116)는 컷오프 밸브(110)와 압력 조절 밸브(117) 사이에 연료 가스 공급 회로(11)의 배관 상에 위치한다. 바람직한 실시예에서, 추가적인 축적 챔버는, 그 체적을 줄이기 위해, 또는 동일한 체적에 대해 더 많은 수소량을 비축하기 위해, 공급 회로 내에서 압력이 가장 높은 지점에 위치한다. 추가적인 연료 가스 축적 챔버(116)는, 연료 가스 공급 회로 내의 임의의 지점, 즉 재순환 회로(11R) 또는 물 분리기(114)와 배출기(113) 사이의 회로라고 하더라도 컷오프 밸브(110)와 연료 전지 스택(1) 사이의 임의의 지점에 위치할 수 있다. 그러나, 그 체적을 감소시키도록 압력이 가장 높은 회로 내의 지점에 위치시키는 것이 바람직하다. 더욱이, 압력 조절 밸브의 상류 위치는 전술한 축적 챔버로부터의 제어된 배출을 가능하게 한다.
흡입 펌프(119) 및 컷오프 밸브(118)는, 바람직하게는 물 분리기(114) 아래에서 분위기 공기로 통기된 라인 상에 장착되고 연료 가스 재순환 루프(11R)에 연결되는 것을 알 수 있다. 도 1에 도시된 이 정확한 지점에서의 연결은 컷오프 밸브(118)를 제어함으로써 3가지 기능, 즉 물 배출, 퍼징 및 수소 흡입을 제공하는 것을 가능하게 한다. 그러나, 본 실시예의 세부 사항은 이에 한정되지 않는다. 더욱 분명한 본 발명의 수소 흡입 기능을 제공하기 위해, 컷오프 밸브(118)를 갖는 라인은 압력 조절 밸브(117)의 하류의 임의의 지점에 연결될 수 있다.
캐소드 회로의 설명
장치는 또한 캐소드측 상에 산화 가스 공급 회로(12)를 포함한다. 순수 산소(O2) 탱크(12T)는, 컷오프 밸브(120)를 거치고, 그리고 압력 조절 밸브(127)를 거치고, 그리고 배출기(123)를 거치고 캐소드에서 종료하는 산화 가스 공급 채널(12A)을 거치는 공급 라인에 의해 연료 전지 스택(1)의 캐소드 회로의 입구에 연결된다. 압력 프로브(121)는 연료 전지 스택(1) 내로의 입구 직전에 공급 채널(12A) 내에 장착된다. 연료 전지 스택(1)의 캐소드 회로의 출구에 연결되며 연료 전지 스택에 의해 소모되지 않은 산소를 재순환시키는 회로(12R)가 산소 공급 회로(12)의 일부를 형성한다. 물 분리기(124)는 재순환 회로(12R) 내에 장착된다. 배출기(123)와 재순환 펌프(125)는 소모되지 않은 산소를 재순환시키고, 탱크로부터 나온 새로운 산소와 혼합한다.
퍼지 밸브(122)는 물 분리기(124)의 바닥에 연결된다. 이 밸브는 2가지 기능, 즉 물의 제거 및 산소 회로의 분위기 공기로의 통기를 제공한다. 변형으로서, 물 분리기(124) 내의 물을 배출하는 것과는 별개로 산소 회로를 분위기 공기로 통기하는 것이 바람직하다면, 이 퍼지 밸브(122)는 연료 전지 스택(1)과 물 분리기(124) 사이의 라인으로부터 분기된 연료 전지 스택(1)의 가스 출구에만 연결될 수 있다. 모든 경우에, 물 분리기(124)로부터 그리고 물 분리기(114)로부터 물을 배출하는 기능이 보장되어야 한다는 것은 당연하다.
본 발명에 따른 연료 전지 스택은 가압된 분위기 공기로 캐소드 회로를 충전하기 위한 충전 장치(12N)를 포함한다. 충전 장치(12N)는 이하의 부품, 공기 흡기 오리피스(126)로 시작하는 라인과, 그 라인 상에 장착되는 컷오프 밸브(128) 및 부스터 펌프(129)를 포함하고, 라인은 연료 전지 스택(1)의 바로 상류에 산소 공급 회로에서 종료한다. 분위기 공기 충전 장치(12N)는, 배출기(123)를 연료 전지 스택(1)에 연결하는 라인에 의해 그리고 재순환 회로(12R)에 의해 형성되는 산화 가스 공급 회로(12)의 루프 내의 임의의 지점에서 종료될 수 있다는 점을 주목해야 한다.
도 2는 산화 가스가 이번에는 분위기 공기라는 점에서 도 1과 상이한 연료 전지 스택(1b)을 도시한다. 단순화를 위해, 도 2는 본 발명을 이해하는데 도움이 되는 가스 회로 부품들만을 도시한다. 연료 가스 공급 시스템은 도 1과 동일하다. 따라서, 설명을 반복하는 것은 불필요하며, 사용된 참조 부호도 도 1과 공통된다.
캐소드측 상의 산화 가스 공급 회로(12b)와 관련하여, 우선 주목할만한 차이는 가압 산소 탱크와의 연결이 없다는 것이다. 가압 분위기 공기로 충전하기 위한 장치(12Nb)는 도 1의 12N과 매우 유사한 것을 알 수 있다. 이 장치는 부수적으로 본 발명의 맥락에서 연료 전지 스택에 분위기 공기를 공급하기 위한 정상적인 용도를 돕는 {도 1의 부스터 펌프(129)와 같은} 부스터 펌프로서 사용되는 공기 압축기(129b)를 포함한다. 본 발명의 맥락에서, 압축기(129b)는 부스터 펌프로서 사용된다. 여기서 압축기는 정상적인 작동 동안 연료 전지 스택에 공기를 공급하는 것과 소진 동안 가압된 공기를 부스팅하는 2가지 기능을 제공할 수 있는 것으로 여겨진다. 공기 압축기가, 예컨대 압력 레벨 불일치 이유로 부스터 펌프 기능을 제공할 수 없다면, 가압된 공기를 충전하기 위한 제2 라인이 제공되어 소진 동안에만 사용될 수 있다. 다른 차이는 연료 전지 스택에 의해 소모되지 않은 공기를 재순환시키는 회로(12R)가, 배출기를 거치지 않고, 가압 분위기 공기를 충전하기 위한 장치(12N)의 하류에서 간단한 분기 연결부(123b)를 거쳐 공급 채널(12A)에 바로 연결된다는 것이다. 다른 차이는 재순환 회로(12R)가 물 분리기를 포함하지 않는다는 것이다. 압력 조절 밸브(122b)는 연료 전지 스택의 하류측 상에 압력 하강을 제어하고 그럼으로써 연료 전지 스택 내를 원하는 압력으로 만들 수 있다는 것을 알 수 있다. 이 압력 조절 밸브(122b)는 셧오프 밸브(128)와 조합하여 소진 동안 그리고 소진 후에 분위기 공기로부터 산화 회로를 격리시키는 것을 가능하게 한다.
소진 과정의 설명
이하에 설명된 과정은 연료 전지 스택을 소진시켜, 질소 탱크가 필요없이 그 내부에 수소/질소 혼합물을 저장하는 것을 보장하는 것을 가능하게 한다.
셧다운 절차는 기본적으로 이하에 설명된 다양한 명령으로부터 야기되는 3가지 상태로 이루어진다.
제1 상태: 연료 가스 공급 및 산화 가스 공급을 컷오프 할 때, 그리고 연료 전지 스택의 단자에서 전류(IS)를 견인함으로써 발생하는, 잔류 산소 소모 상태. 이러한 전류 견인(current draw)(IS)은 적절한 지표가 산화 가스 공급 시스템 내의 산화 가스가 충분히 소모되지 않았다는 것을 나타내는 한 유지된다. 적절한 지표는, 예컨대 연료 전지 스택의 단자를 가로지르는 전압이다.
제2 상태: 캐소드 회로에 질소를 충전할 때 발생하는 중화 상태. 본 명세서에 설명된 실시예에서, 질소는 분위기 공기 중의 것이다. 분위기 공기의 강제 주입이 일어나고, 그로 인해 전류 견인에 의해 소모가 제어되어야 하는 산소가 다시 약간 도입된다.
제3 상태: 전기화학적 처리가 셧다운 완료된 후, 임의의 초과 연료 가스가 강제로 제거(여기서는, 초과 수소의 강제 흡입)되는 동안 선택적임. 본 발명에 따르면, 연료 전지 스택이 그 심각한 중요성이 알려져 있는 수소의 충분하지 않은 공급을 피하기 위한 대책이 취해지는 상태에 놓인 후에만 이 흡입이 발생한다는 점을 주목해야 한다.
도 3은 순수 산소로 작동하며 300㎠의 유효 영역을 갖는 20개의 전지를 포함하는 연료 전지 스택에서 실제로 측정된, 셧다운 동안의 3가지 상태의 시퀀스를 도시한다. x축은 셧다운 절차가 시작되는 순간을 기준(0)으로 하여 초 단위로 시간을 나타낸다. 이 도면은 질소 발생에 의한 셧다운 동안의 시간의 함수로서 이하의 양들의 변화를 나타낸다.
- 커브 1, 연료 전지 스택으로부터 견인된 전류를 나타내며 "스택 전류[A]"로 적힌 y축이 암페어로 표시된다.
- 커브 2, 연료 전지 스택의 단자를 가로지르는 전체 전압을 나타내며 "스택 전압[V]"으로 적힌 y축이 볼트로 표시된다.
- 커브 3, 애노드 구획(수소: 실선)과 캐소드 구획(산소: 점선) 내의 압력을 나타내며 "압력[bar]"으로 적힌 y축이 bara로 표시된다.
- 커브 4, 애노드 구획(수소: 실선)과 캐소드 구획(산소: 점선) 내의 수소 농도를 나타내며 "H2 농도[%]"로 적힌 y축이 vol%로 표시된다.
{수소 공급을 컷오프하는 컷오프 밸브(110)가 폐쇄되는 것과 동시에 컷오프 밸브(120)를 폐쇄함으로써} 산소 공급이 컷오프되는 순간부터 시작하는 소진의 제1 상태 동안(도 2에서 "산소 고갈"로 표기된 0 내지 35s), 연료 전지 스택 내에 잔류하는 순수 산소는 우선 퍼지 밸브(122)의 순간적인 개방에 의해 부분적으로 분위기 공기로 통기되고, 그리고 나머지는 전류(IS)를 견인함으로써 소모된다. 퍼지 밸브(122)는 소진 절차의 나머지 동안 그리고 휴지 동안 폐쇄된 상태로 유지되어, 공기가 캐소드를 관통하는 것을 방지한다.
도 5는 본 발명에 따른 셧다운 절차의 기본적인 명령들을 개략적으로 도시한다. 연료 전지 스택을 셧다운하는 지령(정지 지시) 후에, 자동 연료 전지 스택 제어기가 가스의 공급을 컷오프함으로써, 즉, 예컨대 (도 1에 도시된 연료 전지 스택에 대해서) 컷오프 밸브(110) 및 컷오프 밸브(120)와 컷오프 밸브(128)를 동시에 폐쇄하거나, 예컨대 (도 2에 도시된 연료 전지 스택에 대해서) 컷오프 밸브(110)와 컷오프 밸브(128)를 동시에 폐쇄함으로써 셧다운 절차를 개시한다는 것을 알 수 있다.
제1 커브에 도시된 바와 같이, 이 전류(IS)는 처음에 50 A로 설정된다. 연료 전지 스택의 전압(V)이 실험적으로 선택된 임계 전압(VS) 아래로 떨어지는 순간(약 25초 이후)부터, 연료 전지 스택의 전압이 떨어지기 시작하는 것과 동시에 제어기는 전류(IS)를 계속해서 감소시킨다.
도 3의 제3 커브는 산소 구획 내의 압력이 500 mbara 미만으로 떨어지는 것을 나타낸다(통상 연료 전지 스택 분야에서, "mbara"는 "millibar absolute"를 의미하며, 마지막 문자 "a"는 "absolute"를 나타낸다). 그러나, 전류 생산과 관련된 소모에도 불구하고, 수소 압력은 추가적인 연료 가스 축적 챔버(116)의 존재로 인해 1.75 bara로 유지된다.
시간 35s(도 3의 시간축 상에 "35")에서, 캐소드 회로를 2.2bara 압력(파라미터 1)으로 가압하기 위해 공기 부스터 펌프(129)가 작동하는 것과 동시에 컷오프 밸브(128)가 개방되고, 50s에 도달된다. 이 시퀀스는 도 5에 개략적으로 도시되어 있으며, 연료 전지 스택 전압이 V0(2볼트) 이하로 되자마자 제어기는 "공기 부스트를 활성화" 지령을 보낸다는 것을 알 수 있다. 이렇게 공기에 의해 제공된 산소는 연료 전지 스택 전압을 다시 상승시킨다. 연료 전지 스택의 전압이 다시 제로로 될 때까지 전류는 계속해서 견인된다(도 3은 전압 상승에 수반하여 견인되는 전류가 다소 상승한 것을 도시한다).
본 발명에 따른 셧다운 절차는, 바람직하게는 전류 견인이 처음에 제1 레벨로 설정되고, 그 후 연료 전지 스택의 특정 전지의 전압이 하강하기 시작하는 것과 동시에 감소되고, 마지막으로 연료 전지 스택의 전압이 0 V에 근접할 때 제로로 되도록 제어된다. 따라서, 이 목적을 위해, 스택을 구성하는 전지들, 연료 전지 스택의 적어도 어느 정도의 전지의 전압을 개별적으로 모니터링하기 위해 필요한 전기 접속부 및 센서를 연료 전지 스택에 장착시키는 것이 필요하다.
이 시퀀스는 도 5에 개략적으로 도시되어 있으며, 연료 전지 스택의 전압이 다시 2보다 커지자마자 그리고 2보다 크게 되는 한(V0이 약 2볼트임), 제어기는 적절한 회로에 의해 그리고 압력 프로브(121)에 의해 전송된 신호에 의해, 전류(IS)가 견인되는 것을 유지하고, 제어기는 산화 가스 공급 회로 내의 압력을 사실상 일정하게 유지하도록 공기 부스터 펌프(129)의 작동을 제어한다는 것을 알 수 있다.
부수적으로, 이하에 설명되고 도 3 및 도 4에 도시된 모든 커브는 산화제로서 순수 산소가 공급되고 질소 농후 가스가 분위기 공기인 연료 전지 스택을 셧다운하기 위한 절차에 관한 것이라는 점을 상기해야 한다. 그러나, 한편, 질소 농후 가스는 순수 질소일 수 있고, 물론 이 경우 커브는 질소 주입이 새로운 산소 공급에 수반되지 않기 때문에 "35초" 순간 후에 상이한 형태를 갖는다는 것을 주목해야 한다.
설명 중인 경우, 즉 산화제로서 순수 산소가 공급되는 연료 전지 스택의 경우로 돌아간다. 연료 전지 스택의 단자를 가로지르는 전압이 65초 순간에 제로로 되는 것으로 드러난 것처럼, 전류가 소모됨에 따라 캐소드에 존재하는 공기는 결국 대부분 질소만 포함하게 되기 전까지 산소가 점점 고갈되어 간다.
이 순간(산소와 수소 공급이 컷오프된 후 65초), 공기 부스터 펌프(129)는 정지하고 수소 흡입 펌프(119)는 컷오프 밸브(118)가 개방됨과 동시에 작동하여, 과잉 수소를 제거한다. 흡입 펌프(119)는 수소 압력이 0.5 bara(파라미터 2)에 도달할 때까지 작동 상태로 유지된다. 이 압력은 75초 순간에 도달된다.
이 시퀀스는 도 5에 개략적으로 도시되어 있고, 연료 전지 스택의 전압이 2V 이하로 되자마자 제어기는 "공기 부스트 정지", "IS 차단" 및 "H2 흡입 활성화" 지령을 보내고, 한편 압력은 압력 프로브(111)에 의해 전송된 신호에 의해 모니터링되고, 연료 전지 스택의 애노드 회로의 압력이 0.5 bara 이하로 되는 순간부터 제어기는 "H2 흡입 정지" 지령을 보낸다는 것을 알 수 있다.
그리고 절차가 종료되고, 부스터 펌프(129) 및 흡입 펌프(119)가 정지되고, 컷오프 밸브(118) 및 컷오프 밸브(128)가 폐쇄되어, 애노드 및 캐소드 회로가 분위기 공기로부터 격리된다.
전체 소진 절차 내내, 가스의 양호한 균질성을 보장하고 산소의 완전한 소모를 보장하여 국부적으로 더 높은 산소 농도를 갖는 부분이 나타나는 것을 방지하도록, 캐소드측 상의 재순환 펌프(125)는 작동 상태로 유지된다. 또한 임의의 국부적인 수소 부족을 피하기 위해 애노드측 상의 재순환 펌프(115)는 작동 상태로 유지된다. 제4 커브에 의해 도시된 수소 소모가 나타내는 바와 같이, 소진 기간 내내 수소 부족은 방지된다. 수소 흡입이 개시되는 65초 순간까지, 농도는 애노드 회로 내에서 85% 위로 유지된다.
파라미터를 더 긴 시간에 걸쳐 모니터링하도록 동일 셧다운을 상이한 시간 크기로 도시한 도 4에 나타내어진 바와 같이, 셧다운 절차의 종료 그리고 압력과 농도가 막을 통한 자연 침투에 의해 균형을 이룬 후에, 수소 농도는 막의 양측 상에서 약 10%로 안정된다. 추론하면, 연료 전지 스택의 2개의 구획은 최종적으로 10% 수소/90% 질소 혼합물로 충전되고, 그에 따라 연료 전지 스택이 적절한 내구성 조건 및 안정성 조건 하에 휴지 상태로 있는 것을 보장한다.
또한, 압력이 약 1.5 bara에서 균형을 유지함으로써, 냉각 후에도 대기압에 비해 약간 초과된 압력을 보장하여, 연료 전지 스택 내로의 공기의 느린 침투를 최소화한다. 전술한 최종 농도 및 압력은 2개의 파라미터, 즉 캐소드의 공기 충전 압력 및 최종 수소 흡입 압력을 조정하는 것에 기인한다. 이들 2개의 파라미터의 다른 설정도 물론 가능하다.
전술한 절차에서, 첫번째 2개의 상태(잔류 산소 소모 및 질소 주입)는 연속해서 일어난다. 그러나, 이들은 또한 동시 수행되는 것일 수 있다. 소진을 더욱 신속하게 하기 위해, 이들을 동시에 발생시키는 것이 바람직하다. 마지막 상태(초과 수소 흡입)는 항상 필수적인 것은 아니다. 수소 버퍼 탱크는 사실상 이하에 설명되는 바와 같이 원하는 양의 수소로 절차가 종료되도록 설계될 수 있다.
연료 가스 공급 회로(11)의 내부 체적은 산화 가스 공급 회로(12)의 내부 체적보다 더 크게 설계되고, 정상 작동시, 산화 가스 공급 회로(12) 내의 압력과 연료 가스 공급 회로(11) 내의 압력은, 주어진 산화 가스 공급 회로(12)의 내부 체적과 연료 가스 공급 회로(11)의 내부 체적에서, 연료 가스 공급 회로 내의 소진 과정의 개시에서 항상 이용할 수 있는 연료 가스의 몰 수가 전체 소진 절차 동안, 즉 캐소드 회로가 기본적으로 원하는 압력에서 질소로 충전될 때까지 산화 가스 공급 회로 내에서 소모된 산소의 몰 수의 2배 이상이 되도록 된다.
이와 같이, 산출되고 실행되는 간단한 적용에서, 연료 가스 공급 회로는 산화 가스 공급 회로 내의 산소가 배기되는 것으로부터 초래되는 연료 전지 스택의 소진을 위해 충분한 가스를 항상 함유하는 것이 보장될 수 있다.
애노드 회로(12)와 캐소드 회로(11)의 체적을 어떻게 산출하는지 알아본다. 예컨대 몰로 표현되며 소진 전반에 걸쳐 완전하게 소모되는 산소의 양을 mO2라 한다. 이는, 퍼지될 수 있는 양과 질소를 발생시키기 위해 부스터 펌프(129)에 의해 도입된 공기에 의해 도입된 양을 더한 것보다 더 적은, 소진의 개시시 캐소드 회로 내의 잔류 산소이다.
가스 소모가 수소측 상에서 2배 더 높기 때문에, 애노드 회로와 캐소드 회로의 체적은
mh2 ≥ 2×mO2 + resh2
를 보장하도록 크기 설정되어야 하며, 여기서 mh2는 몰로 표현되며 연료 가스 공급 회로{파이프, 채널, 바이폴라 플레이트, 컷오프 밸브(110) 하류의 공급 라인}의 내부 체적으로 소진의 개시시에 적용될 수 있는 수소의 양이고, resh2는 몰로 표현되는 원하는 잔류 수소의 양이다. 최종적으로 필요한 수소의 양(mh2)은 추가적인 연료 가스 축적 챔버(116)의 체적을 조정함으로써 얻어진다.
mO2 및 mh2의 양은 치수 설정이 필요한 대응 회로의 체적과 관련되지만, 이들은 또한 그 내부의 압력에 지배적으로 의존한다. 통상 가스의 온도 및 수소 밀도의 비선형성을 압력의 함수로 고려하는 것도 필요하므로, 이는 단순화된 접근이다. 그러나, 원하는 정밀도를 위해 압력을 고려하는 것으로 충분하다는 것은 입증되어 있다. 발생할 수 있는 가장 불리한 압력과 온도 조건, 즉 소진 개시시에 수소 회로 내의 최소한의 가능한 압력과 산소 회로 내의 최대한의 가능한 잔류 압력에 대해 체적이 계산되어야 한다.
그러나, 공급 압력 변화의 경우, 수소의 초과 및 최종 흡입에 의한 절차의 실행은 수소 부족이 없고 또한 최종 조건의 더 나은 재현성이 있음을 보장한다.
본 발명에 따르면, 공기의 고갈로부터 질소가 생기고, 공기 중에 함유된 산소가 비정상적인 발열 및 촉매 부품의 아무런 열화 위험없이 정상적인 전류 발생 반응에 따라 연료 전지 스택 내에서 반응한다는 것을 주목해야 한다(특허 US 6,939,633와 대조).
셧다운 절차의 마지막에{산소 공급(120)과 수소 공급(110)이 컷오프된 후 75초}, 예컨대 캐소드에서 2.2 bara보다 높고 애노드에서 0.5 bara와 같이, 애노드와 캐소드 사이에 압력 차이가 남아 있다. 압력이 균형을 유지하기 위해 필요한 시간은 바람직하게 막의 투과성을 암시할 수 있다. 막의 투과성은 연료 전지 스택의 성능 상태를 매우 잘 나타내는 파라미터이다. 더욱이, 막 내의 구멍들의 검출되지 않는 형상은 안전을 위협할 수도 있다. 따라서, 투과성의 지속적인 모니터링이 안전상 도움이 된다.
예컨대, 각 셧다운 후, 압력 차이가 500 mbar로 하강하자마자, 연료 전지 스택을 제어하는 유닛이 이어지는 60초에 걸쳐 압력의 변화를 측정한다. 얻어진 값은 연료 전지 스택의 노후에 의해 변하고 우수한 지표가 된다.
압력 차이에 의해 투과성을 측정하는 원리가 종래의 것임에도 불구하고, 특정 수작업 절차 및 특정 장치(예컨대 외부 질소 용기)를 요구한다. 반면, 본 발명은 각각의 소진 후에 투과성을 자동으로 측정할 수 있는 가능성을 제공하며, 이는 연료 전지 스택을 모니터링하고 진단하는데 상당한 이점이다.
이와 같이, 다른 태양에 따르면, 본 발명은 연료 전지 스택의 고분자 이온-교환 막의 투과성의 상태를 검출하기 위한 절차를 제공한다. 이와 관련해서, 특허출원 US 2004/124843는 이미 연료 전지 스택의 각각의 이온-교환 막의 개별 투과성을 판단하기 위한 방법을 교시하고 있다. 이를 위해, 애노드에는 수소가 공급되고 캐소드에는 질소 또는 다른 불활성 가스가 공급된다. 네른스트 식(Nernst's equation)에 따르면, 막의 양 측상의 가스의 성질의 차이, 특히 이들 가스들의 부분압 또는 농도에 따라 전위차를 발생시킨다. 막이 특별히 투과성이라면 수소는 캐소드측 상에 확산되고, 그렇지 않다면 막의 양 측상의 가스 혼합물의 성질을 수정하고 결과적으로 이 전지 상에 측정되는 전위차를 수정한다. 방법은 네른스트 식을 풀기 위해, 전압 측정, 애노드 회로 내의 압력 및 캐소드 회로 내의 압력 측정, 그리고 온도 측정을 수반하여, 연료 전지 스택 내에 장착된 하나 이상의 막이 투과성 결함을 갖는지 여부를 검출한다.
그러나, 이 방법에는 이하의 실행 난점이 있다.
- 애노드의 순수 수소와 캐소드의 순수 질소에 의한 이론상 전위차는 많아야 수십 mV이며, 이는 매우 정확한 전압 측정 장치가 필요함을 의미한다.
- 투과성의 판단은, 실제로 가스 혼합물에 대해 큰 정밀도로 수행하기 어려운 유량 측정을 수반한다.
- 캐소드에서 최소 극미량의 잔류 산소가 기대한 전압 레벨보다 훨씬 더 높은 전압 차이를 발생시키고 그로 인해 측정이 왜곡될 수 있고, 아직까지는 특히 막 전해질 조립체(MEA) 내에 포함된 GDL(가스 확산층)과 같은 흡수성 지지체가 있을 때에는 실제로 가스의 완전한 소실을 보장하기 매우 어렵다는 것이 알려져 있다.
- 마지막으로, 이 방법은 시스템에 영향을 미치는 특별한 방법을 수반하며 이용 가능한 질소원 또는 다른 불활성 가스원을 필요로 한다. 따라서, 이 방법은 특히 온보드 적용과 관련해서 자동화하기 어렵다.
본 발명에 따른, 연료 전지 스택의 고분자 이온-교환 막의 투과성의 상태를 검출하기 위한 방법에서, 연료 전지 스택은 고분자 이온-교환 막의 양측 상에 애노드와 캐소드를 각각 갖는 전기화학적 전지의 스택으로 형성되고, 연료 전지 스택은 전기화학적 전지의 애노드측 상에 연료 가스 공급 시스템과 전기화학적 전지의 캐소드측 상에 산화 가스 공급 시스템을 갖고, 방법은, 애노드와 캐소드 회로 내의 압력 차이가 임계값(PS)보다 떨어지자마자 연료 전지 스택의 각각의 셧다운후 애노드 회로 내의 압력과 캐소드 회로 내의 압력이 균형을 유지하게 되는 속도를 측정하는 단계와, 미리 정해진 기간(tC)에 걸쳐 상기 회로 내의 압력 변화를 측정하는 단계와, 미리 정해진 기간의 마지막에 이 회로들의 압력 차이의 값을 소위 제어압(PC)으로 저장하는 단계와, 제어압(PC)이 경고 임계값(PA)보다 낮으면 경고하는 단계로 이루어진다.
도 4, 보다 구체적으로는 애노드측과 캐소드측 상에 압력의 변화를 나타내는 커브를 참조하면, 이들 커브 사이의 차이는 이들 2개의 회로 사이의 압력 차이의 직접적인 크기를 제공한다. 약 300초의 시간 후에 임계값(PS) 500 mbar에 도달된다는 것을 알 수 있다. 다음으로, 추가 기간(tC)의 마지막, 예컨대 60초 시간에서의 압력 차이는, 체계적으로, 즉 연료 전지 스택의 각 셧다운에서 기록됨으로써, 이 예, 즉 도 3 및 도 4의 커브를 기록하는데 사용된 연료 전지 스택에 대해, 360 mbar, 즉 애노드 및 캐소드 회로에서의 압력 차이가 140 mbar 떨어진 제어압(PC)이 주어진다. 따라서, 미리 정해진 기간(tC)의 마지막에서의 제어압(PC)값을 이온-교환 막의 열화와 연관짓는 실험적 설계를 수립하는데 충분하고, 그럼으로써 연료 전지 노후를 자동적으로 모니터링하는 것이 가능하다.
수소 농도 센서(C11)는 바람직하게는 애노드 회로 내에 삽입되어, 소진 절차 동안 수소 부족이 없다는 것을 확인하고, 예컨대 수소 압력이 비정상적으로 낮고 수소 부족의 위험 없이 소진 절차를 완료하기 위한 충분한 수소의 양을 보장하지 않는다면 적절한 곳에서 부스터 펌프에 의한 공기의 주입을 제한할 수 있다. 이런 수소 센서(C11)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 장착되고, 도 6에 도시되어 있으며 이하에서 더 구체적으로 설명된다.
도 6은 전지 스택(C25)에 인접하고 단부 플레이트(C17) 내에 제공된 수소 흡기 챔버(C20)를 도시하며, 전지들에서는 연료 전지 스택(C1)의 전기화학적 반응이 발생한다. 인접 전지들은 입구(C26)를 통해 챔버(C20) 내에 지원되는, 수소 가스를 공급하기 위한 덕트(C24)에 의해 횡단된다.
열 전도성 측정에 기초한 수소 농도 센서(C11)는 시스템 플레이트(C17)의 상부 측면(C27) 상에, 더 정확하게는 천공 구멍(C28) 내에 장착되고, 가압된 가스에 대한 적절한 밀폐가 밀봉부(C49)에 의해 형성된 상태로 중공 단부편(C31)이 천공 구멍을 통과하고, 수소 농도 센서(C11)의 감도 유닛(C30)은 단부편 내에 장착 및 보호된다. 감도 유닛(C30)의 헤드는 단부편(C31)의 하부 내에 제공된 챔버(C36) 내에 장착되는 감도 회로들의 웨이퍼(C32)를 포함한다. 챔버(C36)는 중공 단부편(C31)의 단부벽 내에 천공된 채널(C34)을 통해 연료 전지 스택 내에 챔버(C20)와 연통한다. 웨이퍼(C32)는 일면이 챔버(C36) 내의 채널(C34)의 출구를 향해 거꾸로 되고, 채널(C34)을 거쳐 챔버(C20) 내에서 분위기 공기와 직접 접촉한다. 주요 태양에 따르면, 챔버(C20)의 가스들과 혼합될 수 있는 액체 물과의 임의의 접촉으로부터 웨이퍼(C32)를 격리시키도록, 필터(C37)가 챔버(C36) 내에 채널(C34)의 입구 상에 배치된다. 필터(C37)는 가스에 대해서는 투과성이지만 액체 물에 불투과성인 물질로 만들어진다. 이런 용도에 사용하기 위한 예로 고어텍스(GORETEX®)라는 상품명을 갖는 상업적으로 입수 가능한 직조물이 알려져 있다. 이것은 기본적으로 테플론(Teflon®) 실의 합성 직물로 이루어진다.
수소 농도 센서(C11)의 케이싱은, 중공 단부편(C31)으로부터 대향측 상에, 플레이트(C17)의 외부 측벽(C27)으로부터 이 벽(C27) 내에 고정된 스러스트 플랜지(C35)에 의해 돌출하고 그 자체가 관형 쉘(C40)에 의해 연장된 원통형 슬리브(C48)를 포함한다. 열 전도성 측정에 기초한 수소 농도 정보를 생성하는 프로세싱 유닛(C12)은 인쇄 회로 기판(C42) 상에 장착된 회로에 의해 형성되고, 그 접촉 핀들은 단부(C71)에서 원통형 슬리브(C48) 내측의 지지부(C73) 상에 장착된 연결 하우징(C78) 내에서 커넥터(C72)에 연결된다. 연결 하우징(C78) 내의 일단에 연결된 전기 도전체(C46) 세트는 원통형 슬리브(C48)의 내부와 플랜지(C35)의 중공 내부를 통과하여, 센서(C31)의 단부편의 단부에서 챔버(C36)의 상부를 폐쇄하는 하우징(C75) 또는 절연 분할 플러그에서 종료한다. 또한, 각각의 도전체(C46)는 이 하우징(C75)을 통해 챔버(C36) 내에 하우징의 하부면 상에 형성된 각각의 접촉 패드(C77)에 전기적으로 연결된다. 또한, 센서의 감도 유닛(C30)의 웨이퍼(C32)는 그 감도면이 챔버(C36)를 향해 거꾸로 된 상태로 이 하부면에 접합된다.
플러그(C75)는, 알다시피 그 상부면 상에서 연료 전지 스택이 장착된 공간 내의 주위 압력을 받는, 챔버(C36) 내의 가스의 압력을 견딜 수 있도록, 중공 단부편(C31) 내부에서 슬리브(C76)의 내측에 밀봉식으로 고정된다. 전기 도전체(C46)는, 챔버(C20) 내에 저장된 가스가 새어 나가지 않도록 그 밀봉의 손상을 방지하기 위해, 유리 비드 내에 플러그(C75)를 통과한다.
이런 모든 대책들이 제공되면, 웨이퍼(C32) 둘레의 감도 유닛(C30)과 프로세싱 유닛(C12)를 구비한 수소 농도 센서(C11)는, 챔버(C20) 내에 저장된 가스, 특히 연료 전지 스택의 작동에 무엇보다 중요한 파라미터인 수소 내용물의 성질을 특징짓는 물리적 파라미터의 현장 측정을 실시하도록 작동한다. 내부에서 전기화학적 반응을 연속적으로 또는 거의 연속적으로 현장 측정하는 것은, 그 감도 헤드(C30)가 침지된 가스의 열 전도성에 대한 센서 감도를 반응기에 통합함으로써 작동식으로 가능하다는 것이 밝혀져 있다. 이 파라미터의 측정은 연료 전지와 같은 전기화학적 반응기의 분위기 공기 내에서 수소 내용물을 검출하기에 특별히 적절한 것으로 판명되어 있다. 수소의 열 전도성이 가스와 관련해서는 자연 상태에서 사실상 가장 높다는 것이 알려져 있다. 이 특성은 다른 가스, 특히 연료 전지 스택 내에 혼합되기 쉬운 산소 및 질소 사이에서 수소를 검출하는 것을 더욱 쉽게 한다. 이런 형태의 측정을 하기 위해, 센서는, 예컨대 전류가 관통하여 흐르는 저항에 의해 가열되는 물질의 웨이퍼를 포함한다. 규정된 온도를 유지하기 위해 드는 전력을 측정함으로써, 웨이퍼가 침지된 분위기 공기 내에서 열 손실에 의해 소비된 전력을 판정하고, 그것으로부터 주위 가스 혼합물의 열 전도성을 추론할 수 있다.
다른 태양에 따르면, 전술한 C11과 같은 가스 내용물 센서는, 소진 동안 그리고 이어지는 휴지 또는 저장 기간 동안 시스템의 온전한 상태를 유지하도록 연료 전지 스택 내에 사용된다. 구체적으로, 연료 전지 스택의 제어 유닛은 수소 농도 센서(C11)에 의해 명령되는 주기적인 측정에 기초하여 연료 가스 회로의 수소 내용물을 계속해서 모니터링하고 수소가 항상 존재하는 것을 확인하도록 프로그래밍된다.
출원인은, 산화 감도 요소의 환경이 연료 전지 스택의 소진 상태의 기간에 걸쳐 또는 이어지는 휴지 기간 동안 수소 부족이 되는 것을 방지하도록, C11과 같은 열 전도성 센서가 연료 전지 스택의 수소 회로 내에서 평가될 상대적으로 낮은 농도 임계값(몇 퍼센트)을 검출하는데 매우 적합하다는 것을 알아냈다. 이 상태를 방지하기 위해, 바람직하게는 수소 농도 센서(C11)에 의해 전달되는 수소 농도 정보에 기초하여 소진 절차가 실시된다. 이어지는 휴지 상태 동안, 수소 농도 센서(C11)는 측정을 실시하도록 주기적으로 "작동"된다. 예컨대, 제어 유닛이 수소 농도 센서(C11)에 의해 전달된 정보로부터 이런 상태의 위험을 검출하면, 소진 또는 저장 상태에 있는 반응기의 연료 회로 내에 수소의 양을 프로그래밍된 레벨로 재설정하기 위해, 축적 챔버(116) 내에 저장된 수소의 일부의 제어된 배출을 허용하도록 압력 조절 밸브(117)를 개방시킨다. 선택적으로, 축적 챔버가 비어있으면, 순수 수소 흡기 밸브(110)가 개방된다.
전술한 소진 절차는, 연료 전지를 시스템 내에 어떠한 침입도 없이 자동으로 특허출원 US 2004/124843에 개시된 막 투과성 측정 방법을 실행하기 위한 상태로 만든다. 따라서, 본 발명은 전술한 소진 절차에 이어서, 연료 전지 스택의 전지들 각각의 개별 전압을 측정하는 단계와, 각각의 개별 전압이 변하는 속도가 미리 확인된 특유의 징후를 가질 때 그 속도를 기록하는 단계와, 연료 전지 스택이 점검을 요구한다는 것을 나타내는 경고 신호를 활성화하는 단계로 이루어지는, 이온-교환 막의 각각의 개별 투과성의 측정을 수반한다.
특허출원 US 2004/124843호에 개시된 방법은 연료 전지 스택의 애노드 회로를 수소에 그리고 캐소드 회로를 불활성 가스에 침수시키는 것을 제안하고 있다. 가스들의 성질의 차이는 네른스트 식에 따르면 압력 및 온도에 의존하는 전위차를 초래한다. 막의 과도한 투과성은 애노드와 캐소드 사이의 가스 교환을 촉발하고, 이에 따라 막의 양측 상에 가스 혼합물의 성질을 수정하고, 측정된 전위차의 수정을 야기한다. 따라서, 막들의 개별 투과성은 전압 측정에 기초하여 결정될 수 있다.
연료 전지 스택의 전지들의 개별 전압을 측정하는 것은 연료 전지 스택의 정상 작동 동안 개별 전지들 또는 여러 전지들의 그룹의 전압을 기록하는데 사용되는 CVM(전지 전압 모니터링)이라고 불리는 통상적인 방법이다. 압력 및 온도 측정은 또한 연료 전지 스택의 정상 작동을 위해 필요하다.
본 특허출원에 개시된 소진 절차가 특허출원 US 2004/124843호에 개시된 막 투과성 측정 방법을 실시하기 위해 필요한 다른 조건들, 즉 애노드에서의 수소의 존재 및 캐소드에서의 불활성 가스 즉, 질소의 존재를 자동으로 초래한다는 것은 분명하다. 이는 각각의 소진에서 그리고 시스템 내에 침투하지 않고, 그리고 추가적인 탱크를 요구하지 않으면서 발생하고, 이것은 특히 이동식 적용예에 이롭다.
본 명세서에 개시된 소진 절차의 다른 이점은 전기화학적 반응에 의한 잔류 산소의 완전한 소모를 자연적으로 야기하고, 그럼으로써 캐소드에 산소가 존재하지 않는 것을 보장한다는 것이다. 그러나, 특허출원 US 2004/124843호에 개시된 방법에 의해 전술한 문제점들 중 하나는 실제로 투과성 측정을 완전하게 왜곡할 수 있는 최소 극미량의 잔류 산소에 대한 감도이다.
따라서, 본 발명에서는 본 명세서에 개시된 소진 절차에 따른 각각의 소진 절차 후에 자동적으로 특허출원 US 2004/124843호에 개시된 방법을 사용하여 개별 투과성 측정을 실시하는 것이 제안된다.
특허출원 US 2004/124843호는 거기에 개시된 소진 절차가 폐쇄된 애노드 및 캐소드 회로 내에서 소진의 마지막에 이들 2개의 가스의 제한된 양이 갇힌 상태로 전지 스택을 남겨놓지만, 애노드에서의 수소와 캐소드에서의 불활성 가스의 연속적인 스트림을 권장한다. 결과적으로, 2개의 챔버의 가스 혼합이 막의 자연적인 투과로 인해 몇 분 후에 균질화될 때 필연적으로 0으로 되려는 성향이 있는 최종값보다 전위차 측정의 역동성을 고려하는 것이 필요하다. 이는 막의 개별 투과성을 평가하는데 있어서의 문제점이 아니며, 반대로 가스 유량 측정을 제공할 수 있도록 한다. 더욱이, 이것은 가스 소모면에서 더욱 경제적이다.

Claims (18)

  1. 고분자 이온-교환 막의 양측 상에 애노드와 캐소드를 각각 구비하는 전기화학적 전지의 스택과, 전기화학적 전지의 애노드측 상의 연료 가스 공급 시스템과, 전기화학적 전지의 캐소드측 상의 산화 가스 공급 시스템으로 형성된 연료 전지 스택(1)으로서, 상기 연료 가스 공급 시스템은,
    상기 연료 가스용 압력 조절 밸브(117)와 연료 가스 저장 탱크(11T)에 연결하기 위한 컷오프 밸브(110)와,
    애노드에 대한 공급 채널(11A)과,
    상기 연료 가스용 압력 조절 밸브(117)의 하류의 공급 채널(11A)에서 종료하는 연료 가스 재순환 루프(11R)와,
    캐소드에 산화 가스를 공급하기 위한 공급 채널(12A)과,
    산화 가스 재순환 루프(12R)와,
    가압된 분위기 공기로 충전하기 위한 충전 장치와,
    캐소드에 대한 공급 채널과 상기 재순환 루프를 분위기 공기로부터 격리시킬 수 있는, 분위기 공기로부터의 격리 수단을 포함하는, 연료 전지 스택에 있어서,
    상기 산화 가스 공급 시스템은, 컷오프 밸브(110)의 하류와 압력 조절 밸브(117)의 상류에서 연료 가스 공급 채널의 네트워크에 연결되는, 상기 연료 가스 축적을 위한 추가적인 연료 가스 축적 챔버(116)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분위기 공기로부터의 격리 수단은 적어도 하나의 격리 밸브(128)를 포함하는 연료 전지 스택.
  3. 제1항에 있어서, 상기 분위기 공기로부터의 격리 수단은 체크 밸브를 포함하는 연료 전지 스택.
  4. 제1항에 있어서, 상기 분위기 공기로부터의 격리 수단은 분위기 공기로부터 상기 충전 장치를 격리하는 출력 밸브(122)를 포함하는 연료 전지 스택.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 산화 가스 공급 시스템은, 산소 저장 탱크(12T)에 대한 캐소드 공급 채널의 연결부와, 상기 연결부 상에 컷오프 밸브(120)를 더 포함하는 연료 전지 스택.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가압된 분위기 공기로 충전하기 위한 충전 장치는, 공기 흡기 오리피스(126), 컷오프 밸브(128) 및 부스터 펌프(129)를 포함하고, 이들은 연료 전지 스택(1)에서 종료하는 산화 가스 공급 회로 내에 종료하는 라인 상에 장착되는 연료 전지 스택.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 가스 공급 시스템은 흡입 펌프(119)와 컷오프 밸브(118)를 포함하고, 이들은 분위기 공기로 통하는 라인 상에 장착되고 연료 가스 재순환 루프(11R)에 연결되는 연료 전지 스택.
  8. 제7항에 있어서, 상기 흡입 펌프(119)는 물 분리기(114) 아래에 연결되는 연료 전지 스택.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드측 상에 연료 가스 공급 시스템 내에 수소 농도 센서(C11)를 포함하는 연료 전지 스택.
  10. 각각 고분자 이온-교환 막의 양측 상에 애노드와 캐소드를 구비하는 전기화학적 전지의 스택으로 형성되고, 전기화학적 전지의 애노드측 상의 연료 가스 공급 시스템과, 전기화학적 전지의 캐소드측 상의 산화 가스 공급 시스템을 구비하며, 전력 라인(10)에 전압을 전달하는, 연료 전지 스택(1)의 셧다운 방법이며,
    상기 셧다운 방법은 이하의 작업 즉,
    (i) 연료 가스 및 산화 가스의 공급이 컷오프되는 작업,
    (ii) 적절한 지표가 산화 가스 공급 시스템 내의 산화 가스가 충분히 소모되지 않았다는 것을 나타내는 한, 전류가 계속해서 견인되는 작업,
    (iii) 질소 농후 가스가 산화 가스 공급 시스템 내로 주입되는 작업을 포함하는
    셧다운 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 작업 (i), (ii) 및 (iii)은 동시 수행되는 셧다운 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 작업 (ii) 및 (iii)는 연속적인 단계이고, 2개의 작업 (i) 및 (ii)는 동시 수행되는 셧다운 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 작업 (iii) 후에 연료 가스 흡입 단계를 더 포함하는 셧다운 방법.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 산화제로서 순수 산소가 공급되는 연료 전지 스택에 대해, 질소 농후 가스는 분위기 공기인 셧다운 방법.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 연료 가스 공급을 중단하는 작업이 산화 가스 공급을 중단하는 작업에 비해 지연되는 셧다운 방법.
  16. 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 순수 산소의 공급과 연료 가스 공급은 동시에 중단되는 셧다운 방법.
  17. 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 전류 견인은 우선 제1 레벨로 설정된 후, 이는 연료 전지 스택의 특정 전지들이 전압 강하를 시작함과 동시에 감소하고, 마지막으로 연료 전지 스택의 전압이 0 V에 접근할 때 제로가 되는 셧다운 방법.
  18. 제10항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 연료 전지 스택의 전지들 각각의 개별 전압을 측정하는 단계와, 개별 전압 각각이 변하는 속도를 기록하는 단계와, 상기 속도가 미리 확인된 특별한 징후를 가질 때 연료 전지 스택은 점검이 필요하다는 것을 나타내는 경고 신호를 활성화시키는 단계로 이루어지는, 이온-교환 막들의 각각의 개별 투과성의 측정이 이어지는 셧다운 방법.
KR1020127013865A 2009-10-30 2010-10-27 연료 전지 및 연료 전지를 정지시키는 방법 KR20120103602A (ko)

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Families Citing this family (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9537160B2 (en) * 2012-02-15 2017-01-03 GM Global Technology Operations LLC Operational method for a simplified fuel cell system
JP5899000B2 (ja) * 2012-02-21 2016-04-06 本田技研工業株式会社 燃料電池システムの漏れ異常判定方法
WO2013147703A1 (en) * 2012-03-30 2013-10-03 Temasek Polytechnic Fuel cell apparatus and method of operation
FR2990081B1 (fr) * 2012-04-27 2014-06-13 Dassault Aviat Systeme electrique d'aeronef et procede de gestion associe
FR2992777B1 (fr) * 2012-06-27 2014-06-27 Michelin & Cie Systeme d'alimentation de pile a combustible
DE102012020280A1 (de) * 2012-10-17 2013-11-28 Daimler Ag Wasserabscheider für einen Anodenkreislauf
FR2999810A1 (fr) * 2012-12-14 2014-06-20 Michelin & Cie Procedure de detection de l'etat de permeabilite de la membrane polymere echangeuse d'ions d'une pile a combustible
EP2772976B1 (de) * 2013-02-27 2017-11-15 Airbus Defence and Space GmbH Regeneratives Brennstoffzellensystem mit Gasreinigung
JP6240936B2 (ja) * 2013-03-27 2017-12-06 本田技研工業株式会社 燃料電池システムの運転方法および燃料電池システム
JP5744094B2 (ja) * 2013-03-27 2015-07-01 本田技研工業株式会社 燃料電池システムの制御方法
FR3008235A1 (fr) 2013-07-04 2015-01-09 Michelin & Cie Procede d'arret d'un systeme a pile a combustible, et systeme a pile a combustible
EP2840636A1 (de) * 2013-08-20 2015-02-25 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellenstapels sowie Brennstoffzellenstapel und Brennstoffzellenanlage
US10193173B2 (en) 2015-07-21 2019-01-29 GM Global Technology Operations LLC Electrochemical hydrogen sensor for global/local hydrogen starvation detection in PEM fuel cells
KR101856290B1 (ko) * 2015-08-21 2018-05-09 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 스택 성능 개선 장치
EP3226334B1 (de) * 2016-04-01 2019-07-24 Siemens Aktiengesellschaft Brennstoffzellensystem und verfahren zu seinem betrieb in einer aussenluftunabhängigen anlage
FR3061361B1 (fr) * 2016-12-23 2019-05-31 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Systeme electrochimique a pile a combustible comportant un dispositif de regulation de pression a detendeur
CN109860671B (zh) * 2018-11-30 2021-08-06 一汽解放汽车有限公司 一种减少氢燃料电池车在密闭空间排放氢气的系统及其控制方法
JP2021005534A (ja) * 2019-06-27 2021-01-14 株式会社東芝 燃料電池システムおよびその制御方法
CN110350220B (zh) * 2019-07-10 2022-04-05 上海齐耀动力技术有限公司 一种适用于水下动力系统的燃料电池供氧系统
CN110600763A (zh) * 2019-08-02 2019-12-20 武汉船用电力推进装置研究所（中国船舶重工集团公司第七一二研究所） 一种燃料电池电堆供气系统
FR3109843B1 (fr) * 2020-04-30 2022-12-30 Symbio Methode de controle de l’humidite d’une pile a combustible
JP7334672B2 (ja) * 2020-05-01 2023-08-29 トヨタ自動車株式会社 水素漏れ検知機構
JP7481960B2 (ja) 2020-08-31 2024-05-13 株式会社東芝 燃料電池システム
EP4331030A1 (en) * 2021-04-30 2024-03-06 Ph Matter Oxygen-fed fuel cell system and method of using same
CN113793951B (zh) * 2021-09-10 2023-04-28 中国第一汽车股份有限公司 一种燃料电池系统及停机控制方法
CN115117397B (zh) * 2022-06-16 2023-03-28 清华大学 再循环燃料电池系统的控制方法、装置和计算机设备
CN115799568B (zh) * 2023-01-19 2023-04-28 国家电投集团氢能科技发展有限公司 一种燃料电池阴极系统及其控制方法

Family Cites Families (36)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2924009B2 (ja) * 1989-05-19 1999-07-26 富士電機株式会社 燃料電池の発電停止方法
US5178969A (en) * 1990-07-06 1993-01-12 Kabushiki Kaisha Toshiba Fuel cell powerplant system
JP3569983B2 (ja) * 1994-10-21 2004-09-29 トヨタ自動車株式会社 燃料電池の運転制御装置
JPH0927336A (ja) * 1995-07-13 1997-01-28 Toshiba Corp 燃料電池スタックの診断方法
JPH1126003A (ja) * 1997-06-27 1999-01-29 Fuji Electric Co Ltd 燃料電池発電システムの発電停止方法
JPH1167254A (ja) * 1997-08-21 1999-03-09 Toshiba Corp 燃料電池発電プラントおよびその起動・停止操作方法
JP2000077086A (ja) * 1998-08-31 2000-03-14 Toshiba Corp 燃料電池発電プラント
US20020076583A1 (en) * 2000-12-20 2002-06-20 Reiser Carl A. Procedure for shutting down a fuel cell system using air purge
US6635370B2 (en) * 2001-06-01 2003-10-21 Utc Fuel Cells, Llc Shut-down procedure for hydrogen-air fuel cell system
JP4434525B2 (ja) 2001-07-27 2010-03-17 本田技研工業株式会社 燃料電池の異常検出方法
JP4222019B2 (ja) 2002-12-17 2009-02-12 トヨタ自動車株式会社 燃料電池の診断方法
EP1487044A3 (en) * 2003-04-17 2006-07-19 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Method for detecting possible structural deficiencies of a polymer electrolyte fuel cell
US6984464B2 (en) * 2003-08-06 2006-01-10 Utc Fuel Cells, Llc Hydrogen passivation shut down system for a fuel cell power plant
US8142950B2 (en) * 2003-08-06 2012-03-27 Utc Power Corporation Hydrogen passivation shut down system for a fuel cell power plant
US6939633B2 (en) 2003-09-17 2005-09-06 General Motors Corporation Fuel cell shutdown and startup using a cathode recycle loop
US20050142399A1 (en) * 2003-12-31 2005-06-30 Kulp Galen W. Procedure for starting up a fuel cell using a fuel purge
JP4788989B2 (ja) * 2004-01-07 2011-10-05 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP2005251483A (ja) * 2004-03-02 2005-09-15 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
CN100449839C (zh) * 2004-03-17 2009-01-07 丰田自动车株式会社 漏气检测装置及其方法
FR2873498B1 (fr) * 2004-07-20 2007-08-10 Conception & Dev Michelin Sa Arret d'une pile a combustible alimentee en oxygene pur
JP2006185886A (ja) * 2004-12-01 2006-07-13 Toyota Motor Corp 異常判定装置
JP2007103124A (ja) * 2005-10-03 2007-04-19 Mitsubishi Electric Corp 燃料電池発電システムの制御方法
JP5061453B2 (ja) * 2005-11-22 2012-10-31 日産自動車株式会社 燃料電池システム
US20070154742A1 (en) * 2005-12-29 2007-07-05 Hao Tang Starting up and shutting down a fuel cell
JP2007323954A (ja) * 2006-05-31 2007-12-13 Aisin Seiki Co Ltd 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法
JP2008123840A (ja) * 2006-11-13 2008-05-29 Denso Corp 燃料電池システム
JP4830852B2 (ja) * 2006-12-28 2011-12-07 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
US7771888B2 (en) * 2007-01-19 2010-08-10 Gm Global Technology Operations, Inc. Anode air purge valve design
JP2008235093A (ja) * 2007-03-22 2008-10-02 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池の特性回復方法および燃料電池システム
JP5376390B2 (ja) * 2007-05-24 2013-12-25 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
FR2917536B1 (fr) * 2007-06-15 2009-08-21 Michelin Soc Tech Arret d'une pile a combustible alimentee en oxygene pur
GB2453126B (en) * 2007-09-26 2013-02-06 Intelligent Energy Ltd Fuel cell system
JP2009117139A (ja) * 2007-11-06 2009-05-28 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2009117226A (ja) * 2007-11-08 2009-05-28 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP5236966B2 (ja) * 2008-02-29 2013-07-17 三菱重工業株式会社 燃料電池およびその運転方法
US9413020B2 (en) * 2008-09-17 2016-08-09 Belenos Clean Power Holding Ag Method of shut-down and starting of a fuel cell

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