KR20120136367A

KR20120136367A - 연료 전지 시스템

Info

Publication number: KR20120136367A
Application number: KR1020127024690A
Authority: KR
Inventors: 료이치 난바; 야스시 아라키
Original assignee: 도요타 지도샤（주）
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2012-12-18
Also published as: CN102986070A; KR101423853B1; US10003093B2; JPWO2012101818A1; EP2669978B1; WO2012101818A1; US20130295477A1; CN102986070B; EP2669978A4; EP2669978A1; JP4868095B1

Abstract

연료 전지 내의 함수 상태를 고출력의 달성 및 드라이 업 발생의 회피를 실현 가능하게 하는 최적의 상태로 관리하는 것이 가능한 연료 전지 시스템을 제공하는 무가습 조건하에서 운전되는 연료 전지 시스템으로서, 연료 가스 유로에 있어서의 상기 연료 가스와 상기 산화제 가스에 있어서의 유로에 있어서의 상기 산화제 가스의 흐름 방향이 서로 대향하고 있으며, 상기 연료 전지의 전압과 상기 연료 가스 유로의 출구에 있어서의 수증기량과의 관계에서 미리 설정된 상기 수증기량의 목표치에 기초하여 상기 수증기량을 제어하는 수증기량 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 제 1 연료 전지 시스템, 및 상기 연료 가스 유로에 있어서의 상기 연료 가스와 상기 산화제 가스에 있어서의 유로에 있어서의 상기 산화제 가스의 흐름 방향이 서로 대향하고 있으며, 상기 연료 전지의 전압과 상기 연료 가스 유로에 있어서의 상기 연료 가스의 평균 유량과의 관계에서 미리 설정된 상기 평균 유량의 목표치에 기초하여 상기 평균 유량을 제어하는 평균 유량 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 제 2 연료 전지 시스템.

Description

연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은, 고체 고분자 전해질형 연료 전지를 구비한 연료 전지 시스템, 특히 무가습 조건하에서 연료 전지를 운전시키는 연료 전지 시스템으로서, 고온 운전시에도 연료 전지 내부의 건조 상태를 회피하여 안정적인 발전을 가능하게 하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.

연료 전지는, 연료와 산화제를 전기적으로 접속된 2 개의 전극에 공급하여 전기 화학적으로 연료의 산화를 일으키게 함으로써 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시킨다. 화력 발전과는 달리, 연료 전지는 카르노-사이클의 제약을 받지 않기 때문에 높은 에너지 변환 효율을 나타낸다. 연료 전지는, 통상 전해질막을 한 쌍의 전극으로 협지한 막?전극 접합체를 기본 구조로 하는 단일 셀을 복수 적층하여 구성되어 있다. 그 중에서도, 전해질막으로서 고체 고분자 전해질막을 사용한 고체 고분자 전해질형 연료 전지는 소형화가 용이한 점, 낮은 온도에서 작동하는 점 등의 이점이 있으므로, 특히 휴대용, 이동체용 전원으로서 주목받고 있다.

고체 고분자 전해질형 연료 전지에서는 수소를 연료로 한 경우, 애노드 전극 (연료극) 에서는 식 (A) 의 반응이 진행된다.

H₂→ 2H^＋＋2e^- … (A)

상기 식 (A) 에서 생기는 전자는, 외부 회로를 경유하여, 외부의 부하로 일을 한 후, 캐소드 전극 (산화제극) 에 도달한다. 그리고, 상기 식 (A) 에서 생긴 프로톤은, 수화된 상태로 고체 고분자 전해질 내를 애노드 전극측에서 캐소드 전극측으로 전기 침투에 의해 이동한다.

또, 산소를 산화제로 한 경우, 캐소드 전극에서는 식 (B) 의 반응이 진행된다.

2H^＋＋(1/2)O₂＋2e^- → H₂O … (B)

캐소드 전극에서 생성된 물은, 가스 유로 등을 거쳐 외부로 배출된다. 이와 같이 연료 전지는 물 이외의 배출물이 없어 깨끗한 발전 장치이다.

고체 고분자 전해질형 연료 전지에서는, 전해질막이나 전극 내의 수분량에 따라 그 발전 성능이 크게 좌우된다. 즉, 배출물인 수분이 과잉인 경우에는, 연료 전지 내부에 있어서 응축된 물이, 전극 내의 공극, 나아가서는 가스 유로를 막아 반응 가스 (연료 가스나 산화제 가스) 의 공급을 저해하여, 발전을 위한 반응 가스가 전극에 충분히 골고루 퍼지지 않고, 농도 과전압이 증대하여 연료 전지의 출력이나 발전 효율이 저하된다는 문제가 생긴다. 한편, 연료 전지 내의 수분이 부족하여 전해질막이나 전극이 건조한 경우에는, 전해질막이나 전극 내에 있어서의 프로톤 (H^＋) 의 전도성이 저하되고, 그 결과 저항 과전압이 증대하여 연료 전지의 출력 및 발전 효율이 저하된다는 문제가 생긴다.

또, 고체 고분자 전해질형 연료 전지에서는, 전해질막의 면 방향 (즉, 전극의 면 방향) 에 있어서 불균일한 물 분포, 즉 물의 편재가 생긴다. 그 결과, 전해질막의 면 방향에 있어서 불균일한 발전량 분포가 생겨, 추가적인 물의 편재화, 나아가서는 연료 전지의 출력 및 발전 효율이 저하된다.

이상과 같이, 고체 고분자 전해질형 연료 전지에 있어서 고출력 및 고발전 효율을 실현하기 위해서는, 적절한 수분 관리가 매우 중요하다. 수분의 부족, 특히 이른바 드라이 업을 회피하기 위하여 가습한 반응 가스를 공급하는 것도 제안되어 있지만, 이 경우, 상기와 같은 수분 과잉에 의한 문제가 추가로 발생하기 쉬워진다. 또, 가습기 탑재에 의한 연료 전지의 대형화나 시스템의 번잡화 등이 발생한다.

그래서, 반응 가스를 가습하지 않는 무가습 조건에서, 연료 전지의 함수 상태를 적절히 관리하여 안정적인 발전 성능을 얻는 시도가 이루어지고 있다.

예를 들어 특허문헌 1 에는, 무가습 조건 및/또는 고온 조건하에서 운전하는 연료 전지 시스템으로서, 연료 전지의 저항치, 전압, 산화제 가스의 압력 손실 중 어느 것에 기초하여 산화제 가스 유로 입구 근방의 건조 상태를 판정하고, 그 판정에 기초하여 연료 가스의 유량 또는 연료 가스의 압력을 제어함으로써, 연료 전지의 면 내 수분량 분포의 발생을 방지하는 시스템이 개시되어 있다.

또, 연료 전지 내의 함수 상태를 관리하는 기술로서, 예를 들어 특허문헌 2 에는, 연료 전지의 출력 전류치를 측정하는 전류 센서와, 연료 전지의 출력 전압치를 측정하는 전압 센서와, 연료 전지의 운전 상태가 최적인 운전 상태일 때의 기준이 되는 상기 출력 전압치와 상기 출력 전류치의 관계를 기억하는 기억부를 구비하고, 상기 전류 센서에 의해 측정된 측정 전류치에 대응하는 최적 전압치를 상기 기억부로부터 판독하고, 판독한 상기 최적 전압치와 상기 전압 센서에 의해 측정된 측정 전압치의 차이가 미리 정해진 임계치보다 큰 경우에, 연료 전지의 수분 상태가 건조 상태라고 판정하는 연료 전지 시스템이 개시되어 있다.

또 특허문헌 3 에는, 연료 전지의 복수의 계측 지점에서 전압 계측하는 계측 수단과, 계측된 전압 중 상이한 계측 지점에 있어서 계측된 전압의 차이로부터 추정되는 상기 복수의 계측 지점간의 함수량의 차이에 기초하여 연료 전지의 수분의 편재 상황을 추정하는 연료 전지 시스템이 개시되어 있다.

또 특허문헌 4 에는, 연료 전지의 전압의 시계열적인 추이에서, 과도적인 부하 증가에 대응한 전압의 저하폭에 기초하여 연료 전지의 함수 상태 판정을 실시하기 위한 실행 조건을 구비할지 판정하고, 그 실행 조건을 구비한다고 판정된 경우에, 상기 전압의 저하폭과 저항의 시계열적인 추이에 기초하여 연료 전지의 함수 상태를 판정하는 연료 전지 시스템이 개시되어 있다.

일본 공개특허공보 2009-259758호 일본 공개특허공보 2010-114039호 일본 공개특허공보 2009-193817호 일본 공개특허공보 2009-117066호

그러나, 종래의 연료 전지에 있어서의 수분 관리 기술에서는, 연료 전지 내에 있어서의 건조 상태의 발생을 충분히 회피할 수 없다. 예를 들어, 특허문헌 1 에 기재된 기술은, 무가습 조건이나 고온 조건시에 발생하기 쉬운, 산화제 가스 유로의 입구 근방에 있어서의 드라이 업을 억제할 수 있지만, 검출된 연료 전지의 전압, 저항이나 압력 손실에 기초하여 연료 가스의 유량이나 압력을 제어하는 피드백 제어이기 때문에, 일시적으로 연료 전지 내가 건조 상태가 될 우려가 있다. 일단, 건조 상태 (드라이 업) 가 된 전해질막이나 전극은, 최적의 함수 상태가 되는, 즉 발전 성능이 회복되기까지 시간이 걸리고, 또 건조 상태가 된 전해질막이나 전극의 재료 열화가 가속된다는 문제가 있다. 따라서, 일시적이더라도 연료 전지 내의 드라이 업의 발생은 회피해야 한다.

또한, 연료 전지의 저항과 전압은 반드시 대응하고 있지는 않다. 요컨대, 저항치가 가장 낮을 때에 피크 전압이 얻어지는 것은 아니다. 따라서, 특허문헌 1 과 같이, 연료 전지의 저항치에 기초하여 연료 가스의 유량이나 압력을 제어했다고 해도 피크 전압이 얻어지지 않을 가능성이 충분히 있다.

더욱이 특허문헌 1 등에서는, 전압이나 저항을 측정하기 위한 셀 모니터가 필요 불가결하여 연료 전지 시스템의 고비용화, 번잡화를 초래한다.

본 발명은 상기 실정을 감안하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은, 연료 전지 내의 함수 상태를 고출력의 달성 및 드라이 업 발생의 회피를 실현 가능하게 하는 최적의 상태로 관리하는 것이 가능한 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 제 1 연료 전지 시스템은,

애노드 전극 및 캐소드 전극에 협지된 고분자 전해질막과,

상기 애노드 전극에 대하여 연료 성분을 적어도 함유하는 연료 가스를 공급하기 위해서 그 애노드 전극에 대면하여 배치된 연료 가스 유로와,

상기 캐소드 전극에 대하여 산화제 성분을 적어도 함유하는 산화제 가스를 공급하기 위해서 상기 캐소드 전극에 대면하여 배치된 산화제 가스 유로를 갖는 연료 전지를 구비하고, 무가습 조건하에서 운전되는 연료 전지 시스템으로서,

상기 연료 가스 유로에 있어서의 상기 연료 가스와 상기 산화제 가스 유로에 있어서의 상기 산화제 가스의 흐름 방향이 서로 대향하고 있으며,

상기 연료 전지의 전압과 상기 연료 가스 유로의 출구에 있어서의 수증기량의 관계에서 미리 설정된 상기 수증기량의 목표치에 기초하여 상기 수증기량을 제어하는 수증기량 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

제 1 연료 전지 시스템에 의하면, 연료 전지의 전해질막의 면 방향에 있어서 균일한 발전이 진행되도록 그 면 방향에 있어서의 수분량을 적절히 제어하는 것이 가능하고, 또한 상기 수증기량의 목표치에 기초하여 상기 수증기량이 제어되는 피드 포워드 제어이기 때문에, 연료 전지 내의 건조 상태의 발생을 미연에 방지할 수 있다.

제 1 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 수증기량 제어 수단은, 예를 들어 상기 수증기량의 목표치에 기초하여 상기 연료 전지에 있어서의 상기 연료 가스의 유량, 상기 연료 가스의 압력, 및 온도 중 적어도 하나를 제어할 수 있다.

제 1 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 수증기량 제어 수단은, 예를 들어 상기 수증기량의 목표치에 기초하여 상기 연료 전지에 있어서의 상기 연료 가스의 유량 및/또는 상기 연료 가스의 압력을 제어할 수 있다.

제 1 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 수증기량 제어 수단은, 예를 들어 상기 수증기량의 목표치와, 상기 연료 전지에 있어서의 상기 연료 가스의 유량, 상기 연료 가스의 압력 및 온도 중 적어도 하나와의 상관 관계에 기초하여 취득된 맵에 기초하여, 상기 연료 전지에 있어서의 상기 연료 가스의 유량, 상기 연료 가스의 압력, 및 상기 온도 중 적어도 하나를 제어할 수 있다.

이와 같이, 맵에 기초하는 상기 수증기량의 제어를 실시하는 경우, 수증기 제어를 위한 측정 수단 등의 부가적인 수단을 필요로 하지 않기 때문에, 시스템의 간소화나 비용 삭감이 가능하다.

혹은, 제 1 연료 전지 시스템이, 상기 수증기량을 측정하는 수증기량 측정 수단을 구비하는 경우, 상기 수증기량 제어 수단은, 상기 수증기량 측정 수단에 의해 측정되는 상기 수증기량이 상기 수증기량의 목표치에 가까워지도록, 상기 연료 전지에 있어서의 상기 연료 가스의 유량, 상기 연료 가스의 압력, 및 온도 중 적어도 하나를 제어할 수 있다.

제 1 연료 전지 시스템이,

연료 공급 수단으로부터 상기 연료 가스 유로에 상기 연료 성분 가스를 공급하는 연료 가스 공급로와,

상기 연료 전지로부터의 배출 연료 가스를 상기 연료 가스 공급로로 재순환시키는 연료 가스 순환로와,

상기 연료 가스 순환로에 배치되어 상기 배출 연료 가스를 상기 연료 가스 공급로로 재순환시키는 재순환 펌프를 구비하는 경우,

상기 수증기량 제어 수단은, 상기 재순환 펌프에 의해 재순환시키는 상기 배출 연료 가스의 유량을 제어함으로써, 상기 연료 전지에 있어서의 상기 연료 가스의 유량을 제어할 수 있다.

제 1 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 수증기량 제어 수단은, 예를 들어 상기 수증기량의 목표치에 기초하여 상기 연료 가스 유로의 입구에 있어서의 상기 연료 가스의 압력 및/또는 상기 연료 가스 유로의 출구에 있어서의 상기 연료 가스의 압력을 제어할 수 있다.

본 발명의 제 2 연료 전지 시스템은,

애노드 전극 및 캐소드 전극에 협지된 고분자 전해질막과,

상기 애노드 전극에 대하여 연료 가스를 공급하기 위해서 그 애노드 전극에 대면하여 배치된 연료 가스 유로와,

상기 캐소드 전극에 대하여 산화제 가스를 공급하기 위해서 상기 캐소드 전극에 대면하여 배치된 산화제 가스 유로를 갖는 연료 전지를 구비하고, 무가습 조건하에서 운전되는 연료 전지 시스템으로서,

상기 연료 전지의 전압과 상기 연료 가스 유로에 있어서의 상기 연료 가스의 평균 유량의 관계에서 미리 설정된 상기 평균 유량의 목표치에 기초하여 상기 평균 유량을 제어하는 평균 유량 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명자들은, 상기 평균 유량이 상기 수증기량과 상관 관계를 가지며, 상기 평균 유량을 제어함으로써, 상기 수증기량을 제어하는 경우와 마찬가지로, 연료 전지 내의 수분량을 적절히 제어할 수 있음을 알아내었다. 즉, 제 2 연료 전지 시스템에 의하면, 연료 전지의 전해질막의 면 방향에 있어서 균일한 발전이 진행되도록 그 면 방향에 있어서의 수분량을 적절히 제어하는 것이 가능하고, 또한 상기 수증기량의 목표치에 기초하여 상기 수증기량이 제어되는 피드 포워드 제어이기 때문에, 연료 전지 내의 건조 상태의 발생을 미연에 방지할 수 있다.

제 2 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 평균 유량 제어 수단은, 예를 들어 상기 평균 유량의 목표치에 기초하여 상기 연료 전지에 있어서의 상기 연료 가스의 유량, 상기 연료 가스의 압력, 및 온도 중 적어도 하나를 제어할 수 있다.

제 2 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 평균 유량 제어 수단은, 예를 들어 상기 평균 유량의 목표치에 기초하여 상기 연료 전지에 있어서의 상기 연료 가스의 유량 및/또는 상기 연료 가스의 압력을 제어할 수 있다.

제 2 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 평균 유량 제어 수단은, 상기 평균 유량의 목표치와, 상기 연료 전지에 있어서의 상기 연료 가스 유량, 상기 연료 가스 압력 및 온도 중 적어도 하나와의 상관 관계에 기초하여 취득된 맵에 기초하여, 상기 연료 전지에 있어서의 상기 연료 가스의 유량, 상기 연료 가스의 압력, 및 상기 온도 중 적어도 하나를 제어할 수 있다.

제 2 연료 전지 시스템이,

상기 평균 유량 제어 수단은, 상기 재순환 펌프에 의해 재순환시키는 상기 배출 연료 가스의 유량을 제어함으로써, 상기 연료 전지에 있어서의 상기 연료 가스의 유량을 제어할 수 있다.

이 때, 상기 평균 유량은, 예를 들어 하기 식 (1) 에 의해 산출할 수 있다.

Qave = Qa＋Qb/2 … 식 (1)

Qave : 상기 연료 가스 유로에 있어서의 상기 연료 가스의 평균 유량

Qa : 상기 재순환 펌프에 의해 재순환시키는 상기 배출 연료 가스의 유량

Qb : 상기 연료 공급 수단으로부터 공급되는 상기 연료 성분 가스의 유량

혹은, 제 2 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 평균 유량은, 예를 들어 하기 식 (2) 에 의해 산출할 수 있다.

Qave = nRT/P … (2)

n : 상기 연료 가스 유로의 전체 길이의 1/2 의 위치에 있어서의 상기 연료 가스의 몰수

R : 기체 상수

T : 연료 전지 온도

P : 상기 연료 가스 유로의 전체 길이의 1/2 의 위치에 있어서의 상기 연료 가스의 압력

이 때, 상기 식 (2) 에 있어서,

상기 n 을, 상기 연료 가스 유로에 공급되는 상기 연료 가스에 함유되는 연료 성분 중, 상기 연료 전지의 발전량에 대하여 최저한 필요한 연료 성분량의 1/2 이 소비된 것으로 가정하여 산출하고,

상기 P 를, 하기 식 (3) 에 의해 산출할 수도 있다.

P = (Pin＋Pout)/2 … (3)

Pin : 상기 연료 가스 유로의 입구에 있어서의 상기 연료 가스의 압력

Pout : 상기 연료 가스 유로의 출구에 있어서의 상기 연료 가스의 압력

혹은, 제 2 연료 전지 시스템이,

상기 평균 유량을, 하기 식 (4) 에 의해 산출할 수도 있다.

Qave = n'RT/P … (4)

n' : 상기 연료 가스 유로에 공급된 상기 연료 가스 중, 상기 연료 공급 수단으로부터 상기 연료 가스 유로에 공급된 상기 연료 성분의 1/2 이 소비된 것으로 가정하여 산출되는 상기 연료 가스 유로의 전체 길이의 1/2 의 위치에 있어서의 상기 연료 가스의 몰수

R : 기체 상수

T : 연료 전지 온도

P : 하기 식 (3) 에 의해 산출되는 상기 연료 가스 유로의 전체 길이의 1/2 의 위치에 있어서의 상기 연료 가스의 압력

P = (Pin＋Pout)/2 … (3)

제 2 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 평균 유량 제어 수단은, 상기 평균 유량의 목표치에 기초하여 상기 연료 가스 유로의 입구에 있어서의 상기 연료 가스의 압력 및/또는 상기 연료 가스 유로의 출구에 있어서의 상기 연료 가스의 압력을 제어할 수 있다.

본 발명의 제 1 및 제 2 연료 전지 시스템에 있어서는, 상기 연료 전지의 온도가 80 ℃ 이상이더라도 건조 상태의 발생을 방지하여 안정적인 발전량을 제공할 수 있다.

본 발명에 의해 제공되는 연료 전지 시스템은, 고전압을 실현함과 함께 드라이 업의 발생을 미연에 방지하여 고온 조건하의 운전에서도 안정적인 발전 성능을 나타낸다. 또, 본 발명에 있어서는, 전압이나 저항을 측정하기 위한 셀 모니터를 필요로 하지 않는 시스템 구성을 채용하는 것도 가능하여 연료 전지 시스템의 간략화, 저비용화를 달성할 수도 있다.

도 1 은 연료 전지의 온도와 피크 전압이 얻어지는 연료 가스 출구 수증기량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2 는 연료 가스 평균 유량과, 연료 전지 전압 및 연료 전지 저항의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3 은 연료 가스 출구 수증기량과 연료 가스 평균 유량의 관계를 나타내는 그래프이다
도 4 는 제 1 연료 전지 시스템의 실시형태예 100 을 나타내는 도면이다.
도 5 는 제 1 연료 전지 시스템에 있어서의 단일 셀의 구조예를 나타내는 단면도이다.
도 6 은 제 1 연료 전지 시스템의 실시형태예 101 을 나타내는 도면이다.
도 7 은 제 2 연료 전지 시스템의 실시형태예 200 을 나타내는 도면이다.
도 8 은 제 2 연료 전지 시스템에 있어서 사용되는 맵의 예를 나타내는 이미지도이다.

본 발명의 제 1 연료 전지 시스템은,

애노드 전극 및 캐소드 전극에 협지된 고분자 전해질막과,

또, 본 발명의 제 2 연료 전지 시스템은,

애노드 전극 및 캐소드 전극에 협지된 고분자 전해질막과,

본 발명자들은 예의 검토한 결과, 연료 가스 유로에 있어서의 연료 가스와 산화제 가스 유로에 있어서의 산화제 가스 유로의 흐름 방향이 서로 대향하는, 이른바 카운터 플로우의 연료 전지에 있어서, 무가습 조건 운전하는 경우, 연료 가스 유로 출구에 있어서의 수증기량 (연료 가스 출구 수증기량) 에 의해 연료 전지 내의 함수 상태를 추정할 수 있고, 피크 전압을 나타낼 때의 연료 가스 출구 수증기량을 파악함으로써, 연료 전지 내의 적절한 수분 관리가 실현되어 고전압이 얻어진다는 지견을 얻었다.

또, 피크 전압을 나타낼 때의 연료 가스 수증기량과 연료 전지의 온도의 관계를 조사한 결과, 연료 가스 수증기량이 도 1 에 나타내는 바와 같은 약간량의 경우에 피크 전압이 얻어지는 것을 알아내었다. 도 1 에 의해, 연료 전지 온도가 70 ℃ 이상, 특히 80 ℃ 이상의 조건하에 있어서, 연료 가스 출구로부터 배출되는 수증기량이 약 0.02 ? 약 0.067 몰/min 이라는 약간량일 때, 피크 전압이 얻어지는 것을 알 수 있다.

나아가서는, 도 2 에 나타내는 바와 같이 연료 가스 평균 유량을 변화시켰을 때의 연료 전지의 전압과 저항치를 측정하면서, 연료 가스 출구 수증기량을 측정한 결과, 도 2 에 있어서의 상태 1 ? 3 에 있어서는, 이하와 같은 연료 가스 출구 수증기량과 연료 전지 전압 및 저항치의 관계가 관찰되었다.

즉, 연료 가스 유로 출구로부터 배출되는 수증기량 (이하, 연료 가스 출구 수증기량이라고 하는 경우가 있다) 이 매우 적은 경우, 연료 전지의 전압은 낮아진다 (상태 1).

이와 같이 연료 가스 출구 수증기량이 매우 적은 상태라는 것은, 연료 전지의 전해질막의 면 방향 (즉 전극의 면 방향으로서, 전해질막과 전극의 적층 방향에 대하여 직교하는 방향) 에 있어서 산화제 가스 유로 입구 근방의 영역 (요컨대, 연료 가스 유로 출구 근방의 영역) 이 건조한 상태로, 그 영역에서의 발전이 이루어지지 않고, 산화제 가스 유로 출구 근방의 영역 (요컨대, 연료 가스 유로 입구 근방의 영역) 에서 집중적으로 발전이 이루어진다. 이 때, 애노드 전극측의 수증기는, 캐소드 전극측의 건조를 보충하기 위해 건조 상태의 캐소드 전극측으로 이동하기 때문에 연료 가스 출구 수증기량은 적어지는 것으로 생각된다. 또, 산화제 가스 유로 입구 근방의 영역에서는 건조에 의해 저항 과전압이 커지는 한편, 산화제 가스 유로 출구 근방의 영역에서는 산화제 성분의 농도 저하에 의해 농도 과전압이 커지기 때문에, 연료 전지의 전압은 낮아지는 것으로 생각된다.

한편, 연료 가스 유로 출구로부터 약간의 수증기가 배출되는 경우, 연료 전지의 전압은 높아진다 (상태 2).

이와 같이 약간의 수증기가 배출되는 상태라는 것은, 연료 전지의 상기 면 방향에 있어서 함수 상태가 균일하고 또한 양호한 상태로, 면 내에서 균일한 발전이 이루어지기 때문에 농도 과전압이 저하되고, 나아가서는 산화제 가스 유로 출구 근방의 영역에 있어서의 저항 과전압도 낮아지기 때문에 높은 전압이 얻어지는 것으로 생각된다.

또, 연료 가스 유로 출구로부터 배출되는 수증기량이 많은 경우, 연료 전지의 전압은 낮아진다 (상태 3).

이와 같이 연료 가스 출구 수증기량이 많은 상태에서는, 연료 전지의 상기 면 방향의 산화제 가스 유로 입구 근방 영역에서는, 충분한 습윤 상태임과 함께 산화제 성분의 농도가 충분히 확보되어 있기 때문에 발전이 집중적으로 진행되는 것으로 생각된다. 한편, 연료 가스 유로 입구 근방의 영역 (요컨대, 산화제 가스 유로 출구 근방의 영역) 에서는, 연료 가스에 의해 연료 가스 유로 출구측으로 수분이 사라져 건조하고 또한 산화제 성분 농도도 낮기 때문에, 저항 과전압의 증가와 농도 과전압의 양방이 생기므로, 면 내에 있어서 균일한 발전 분포가 얻어지지 않아 연료 전지의 전압이 낮아지는 것으로 생각된다.

또, 연료 전지의 면 방향에 있어서, 농도 과전압의 증감과 저항 과전압의 증감은 1 대 1 로 대응하지 않기 때문에, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 저항의 보텀치를 나타내는 운전 조건과 피크 전압을 나타내는 운전 조건은 일치하지 않는다. 즉, 저항의 보텀의 검지에 의해 연료 전지의 운전 조건을 제어해도 피크 전압이 얻어지는 운전 조건으로는 반드시 되지는 않기 때문에, 발전 효율이 낮아질 우려가 있다. 또, 검지된 전압이나 저항에 기초하여 연료 전지의 운전 조건을 제어한 경우에는, 제어의 지연에 의해 연료 전지 내에 일시적으로라도 드라이 업 상태가 되는 영역이 발생할 우려가 충분히 있다. 일시적으로라도 드라이 업 상태가 된 영역은, 그 발전 성능이 회복되는 데에 시간을 필요로 하거나, 혹은 발전 성능을 회복하지 않는 경우도 있다.

본 발명자들은 상기 지견에 기초하여, 연료 전지의 전압과 연료 가스 출구 수증기량의 관계에서, 높은 전압이 얻어지는 연료 가스 출구 수증기량을 미리 취득해 두고, 이 수증기량을 목표치로 하여 연료 가스 유로의 출구에 있어서의 수증기량을 제어함으로써, 연료 전지의 전해질막의 면 방향에 있어서 균일한 발전이 진행되도록, 그 면 방향에 있어서의 수분량을 적절히 제어하는 것이 가능함을 알아내었다. 또한 본 발명자들은, 이와 같은 수분량의 적절한 관리의 결과, 안정적이며 또한 높은 출력이 얻어짐과 함께, 드라이 업의 발생을 미연에 방지하는 것이 가능하고, 나아가서는 발전 효율의 저하를 억제할 수 있음을 찾아내고, 본 발명의 제 1 연료 전지 시스템을 완성하기에 이르렀다.

또 본 발명자들은, 연료 가스 출구 수증기량과, 연료 가스 유로에 있어서의 연료 가스의 평균 유량 (이하, 연료 가스 평균 유량이라고 하는 경우가 있다) 사이에 높은 상관 관계가 있음을 알아내었다. 즉, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 연료 가스 유로에 있어서의 연료 가스의 평균 유량이 낮은 경우, 연료 가스 출구 수증기량이 적어 연료 전지의 전압이 낮은 상태 (상기 상태 1) 가 되고, 그 상태 1 보다 연료 가스 평균 유량을 높게 한 경우, 연료 가스 출구 수증기량이 약간량이 되어 높은 연료 전지의 전압이 얻어지는 상태 (상기 상태 2) 가 되고, 그 상태 2 보다 더 연료 가스 평균 유량을 높게 한 경우, 연료 가스 출구 수증기량이 많아져 연료 전지의 전압이 낮은 상태 (상기 상태 3) 가 된다는 지견을 얻었다.

또한 본 발명자들은, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 연료 가스 출구 수증기량과 연료 가스 평균 유량이, 연료 가스 유로에 있어서의 연료 가스의 압력에 관계없이 일정한 상관 관계를 나타내는 점에서, 연료 가스 평균 유량을 제어함으로써 연료 가스 출구 수증기량을 간접적으로 제어할 수 있음을 알아내었다.

상기 지견에 기초하여 본 발명자들은, 연료 전지의 전압과 연료 가스 평균 유량의 관계에서, 높은 전압이 얻어지는 연료 가스 평균 유량을 미리 취득해 두고, 이 평균 유량을 목표치로 하여 연료 가스 유로에 있어서의 연료 가스 평균 유량을 제어함으로써, 연료 전지의 전해질막의 면 방향에 있어서 균일한 발전이 진행되도록, 그 면 방향에 있어서의 수분량을 적절히 제어하는 것이 가능해져 안정적이며 또한 높은 출력이 얻어짐과 함께, 드라이 업의 발생을 미연에 방지하는 것이 가능하고, 나아가서는 발전 효율의 저하를 억제할 수 있음을 찾아내고, 본 발명의 제 2 연료 전지 시스템을 완성하기에 이르렀다.

이하, 본 발명의 연료 전지 시스템에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.

또한, 본 발명의 연료 전지 시스템의 용도는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 이동체인 차량, 선박 등의 구동 장치에 대하여 전력을 공급하는 전력 공급원으로서, 또 그 외 다양한 장치의 전력 공급원으로서 이용이 가능하다.

또, 본 발명에 있어서, 연료 가스란 연료 성분을 함유하는 가스로서, 연료 전지 내의 연료 가스 유로를 흐르는 가스를 의미하며, 연료 성분 이외의 성분 (예를 들어, 수증기나 질소 가스 등) 도 함유할 수 있다. 또, 산화제 가스란 산화제 성분을 함유하는 가스로서, 연료 전지 내의 산화제 가스 유로를 흐르는 가스를 의미하며, 산화제 성분 이외의 성분 (예를 들어, 수증기나 질소 가스 등) 도 함유할 수 있다. 연료 가스와 산화제 가스를 통틀어 반응 가스라고 하는 경우가 있다.

도 4 는, 본 발명의 제 1 연료 전지 시스템의 실시형태예인 연료 전지 시스템 (100) 을 나타내고 있다.

연료 전지 시스템 (100) 은, 적어도 반응 가스의 공급을 받아 발전하는 연료 전지 (1) 와, 연료 가스 배관계 (2) 와, 산화제 가스 배관계 (도시 생략) 와, 시스템을 통합 제어하는 제어부 (3) 를 갖는다. 또한, 본 발명의 연료 전지 시스템은, 연료 전지에 산화제 가스를 공급하고, 연료 전지로부터 미반응의 산화제 성분이나 수증기 등을 함유하는 가스 (배출 산화제 가스) 를 배출하는 산화제 가스 배관계를 갖는데, 본 발명에 있어서 산화제 가스는, 연료 가스 유로를 흐르는 연료 가스의 방향과 산화제 가스 유로를 흐르는 산화제 가스의 방향이 서로 대향하는 이른바 카운터 플로우이면, 산화제 가스의 공급, 배출의 구체적인 형태는 특별히 한정되지 않기 때문에, 산화제 가스 배관계에 대해서는 도면 중의 설명을 생략한다.

연료 전지 (1) 는, 고체 고분자 전해질형 연료 전지에 의해 구성되어 있고, 통상 다수의 단일 셀을 적층한 스택 구조를 가지며, 산화제 가스 및 연료 가스의 공급을 받아 전력을 발생시킨다. 연료 전지 (1) 로의 산화제 가스 및 연료 가스의 공급 및 연료 전지 (1) 로부터의 산화제 가스 및 연료 가스의 배출은, 각각 산화제 가스 배관계 및 연료 가스 배관계 (2) 에 의해 이루어진다. 이하에서는, 산화제 가스로서 산소를 함유하는 공기를 예로, 또 연료 가스로서 수소 가스를 함유하는 가스를 예로 설명한다.

도 5 는, 연료 전지 (1) 를 구성하는 단일 셀 (12) 의 개략 단면도이다.

각 단일 셀 (12) 은, 고체 고분자 전해질막 (13) 을 캐소드 전극 (공기극) (14) 및 애노드 전극 (연료극) (15) 으로 협지한 막?전극 접합체 (16) 를 기본 구조로 하고 있다. 캐소드 전극 (14) 은, 전해질막 (13) 측으로부터 순서대로 캐소드 촉매층 (21) 과 가스 확산층 (22) 이 적층된 구조를 가지고 있으며, 애노드 전극 (15) 은, 전해질막 (13) 측으로부터 순서대로 애노드 촉매층 (23) 과 가스 확산층 (24) 이 적층된 구조를 가지고 있다.

막?전극 접합체 (16) 는, 한 쌍의 세퍼레이터 (17, 18) 사이에 캐소드 전극 (14) 및 애노드 전극 (15) 이 양측으로부터 협지되어 있다. 캐소드측의 세퍼레이터 (17) 에는, 캐소드 전극 (14) 에 산화제 가스를 공급하기 위한 산화제 가스 유로를 형성하는 홈이 형성되어 있고, 그 홈과 캐소드 전극 (14) 에 의해 산화제 가스 유로 (19) 가 획성되어 있다. 애노드측의 세퍼레이터 (18) 에는, 애노드 전극 (15) 에 연료 가스를 공급하기 위한 연료 가스 유로를 형성하는 홈이 형성되어 있고, 그 홈과 애노드에 의해 연료 가스 유로 (20) 가 획성되어 있다.

산화제 가스 유로 (19) 와 연료 가스 유로 (20) 는, 산화제 가스 유로 (19) 를 흐르는 산화제 가스의 유통 방향과 연료 가스 유로 (20) 를 흐르는 연료 가스의 유통 방향이 서로 대향하도록 배치되어 있다 (이른바 카운터 플로우 구조). 도 5 에 있어서는, 산화제 가스 유로 (19) 및 연료 가스 유로 (20) 중의 「동그라미에 점」의 기호는, 가스의 흐름 방향이 지면의 안쪽 편에서 이쪽 편을 향하는 방향인 것을 의미하고, 「동그라미에 × 표시」의 기호는, 가스의 흐름 방향이 지면의 이쪽 편에서 안쪽 편을 향하는 방향인 것을 의미하고 있다. 또한, 도면에 구체적으로 나타나 있지는 않지만, 산화제 가스 유로 (19) 의 입구 근방 영역과 연료 가스 유로 (20) 의 출구 근방 영역이 전해질막 (1) 을 사이에 두고 배치되고, 또한 산화제 가스 유로 (19) 의 출구 근방 영역과 연료 가스 유로 (20) 의 입구 근방 영역이 전해질막 (1) 을 사이에 두고 배치되어 있다. 또한, 도 5 에서는, 가스 유로가 사행형 유로 (서펜타인형 유로) 인 것으로 그려져 있지만, 가스 유로의 형태는 특별히 한정되지 않으며, 카운터 플로우 구조를 갖고 있으면 어떠한 형태도 취할 수 있다.

연료 전지를 구성하는 각 부재는 특별히 한정되지 않으며, 일반적인 재료로 형성된 일반적인 구조를 갖는 것이어도 된다.

연료 전지 (1) 에는, 연료 전지 (1) 의 온도 T 를 계측하는 온도 센서 (온도 측정 수단) (9) 가 설치되어 있다. 온도 센서 (9) 는, 연료 전지 내의 온도를 직접 측정하는 것이어도 되고, 연료 전지 내를 유통하는 열교환 매체의 온도를 측정하는 것이어도 된다.

또, 연료 전지 (1) 에는, 연료 가스 유로를 흐르는 연료 가스의 압력을 계측하는 압력 센서 (10) 가 배치되어 있다. 또한 압력 센서는, 원하는 위치에 있어서의 연료 가스 유로 내의 연료 가스의 압력을 파악할 수 있으면 구체적인 설치 위치는 한정되지 않는다. 예를 들어, 연료 가스 유로의 입구에 형성되고, 그 입구에 있어서의 연료 가스의 압력을 측정하는 입구 압력 센서와, 연료 가스 유로의 출구에 형성되고, 그 출구에 있어서의 연료 가스의 압력을 측정하는 출구 압력 센서를 이용하여, 이들 압력 센서로 검출된 연료 가스 입구 압력 Pin 과 연료 가스 출구 압력 Pout 의 평균치를 연료 가스 압력으로서 검출, 제어할 수 있다. 또, 연료 가스 유로의 입구 및 출구에 한정하지 않고, 연료 가스 유로의 복수 개소에 압력 센서를 구비하여, 각각의 위치에 있어서의 연료 가스의 압력을 검출, 제어해도 되고, 평균치를 산출하여, 평균치로서 제어해도 된다. 또, 연료 전지 내의 압력 센서는 하나여도 된다. 또한, 연료 가스 유로 밖에 형성된 압력 센서에 의해 연료 가스의 압력을 추정해도 된다.

또, 연료 전지 (1) 에는, 연료 가스 유로의 출구에 있어서의 연료 가스 중의 수증기량 S 를 계측하는 노점계 (수증기량 측정 수단) (25) 가 설치된다. 또한, 노점계는 연료 가스 출구 수증기량 S 를 검출할 수 있으면, 연료 가스 배관계 (2) 에 형성되어 있어도 된다.

연료 가스 배관계 (2) 는, 수소 탱크 (4), 연료 가스 공급로 (5), 연료 가스 순환로 (6) 를 갖는다. 수소 탱크 (4) 는, 고압의 수소 가스 (연료 성분) 를 저류한 수소 가스 공급원으로, 연료 공급 수단이다. 또한, 연료 공급 수단으로는, 수소 탱크 (4) 대신에, 예를 들어 탄화수소계의 연료로부터 수소 리치 개질 가스를 생성하는 개질기와, 개질기로 생성된 개질 가스를 고압 상태로 하여 축압하는 수소 저장 합금을 갖는 탱크를 채용할 수도 있다.

연료 가스 공급로 (5) 는, 연료 공급 수단인 수소 탱크 (4) 로부터 연료 성분인 수소 가스를 연료 전지 (1) 에 공급하기 위한 유로로, 주유로 (5A) 와 혼합로 (5B) 로 구성된다. 주유로 (5A) 는, 연료 가스 공급로 (5) 와 연료 가스 순환로 (6) 가 연결되는 연결부 (7) 의 상류에 위치하고 있다. 주유로 (5A) 에는, 수소 탱크 (4) 의 메인 밸브로서 기능하는 셧 밸브 (도시 생략) 나 수소 가스를 감압하는 레귤레이터 등이 형성되어도 된다. 수소 탱크 (4) 로부터 공급되는 수소 가스의 유량 (연료 성분 가스의 유량) Qb 는, 연료 전지에 대한 요구 출력에 기초하여 제어되고, 요구 출력이 담보된다. 혼합로 (5B) 는, 연결부 (7) 의 하류측에 위치하고 있으며, 수소 탱크 (4) 로부터의 수소 가스와 연료 가스 순환로 (6) 로부터의 배출 연료 가스의 혼합 가스를 연료 전지 (1) 의 연료 가스 유로 입구로 유도한다.

연료 가스 순환로 (6) 는, 연료 전지 (1) 의 연료 가스 유로 출구로부터 배출된 배출 연료 가스를 연료 가스 공급로 (5) 로 재순환시킨다. 연료 가스 순환로 (6) 에는, 배출 연료 가스를 연료 가스 공급로 (5) 로 재순환시키기 위한 재순환 펌프 (8) 가 형성되어 있다. 배출 연료 가스는, 연료 전지의 발전에 의해 수소가 소비된 결과, 연료 전지에 공급되는 연료 가스보다 유량 및 압력이 저하되고 있기 때문에, 재순환 펌프에 의해 유량이나 압력이 적절히 제어되어, 연결부 (7) 로 압송된다. 연료 가스 순환로 (6), 연료 가스 공급로 (5) 및 연료 전지 (1) 내의 연료 가스 유로를 늘어 놓은 계통에 의해 연료 가스를 연료 전지에 순환 공급하는 순환계가 구성된다.

연료 전지 (1) 로부터 배출되는 배출 연료 가스에는, 연료 전지의 발전 반응에 의해 생성된 생성수나, 연료 전지의 캐소드 전극으로부터 전해질막을 개재하여 애노드 전극측으로 투과, 즉 크로스 리크된 질소 가스, 미소비의 수소 가스 등이 함유된다. 연료 가스 순환로 (6) 상에는, 재순환 펌프 (8) 의 상류측에 기액 분리기 (도시 생략) 가 형성되어도 된다. 기액 분리기는, 배출 연료 가스에 함유되는 물과, 미소비의 수소 가스 등의 가스를 분리한다. 또, 연료 가스 순환로 (6) 상에는, 재순환 펌프 (8) 의 상류측에 배출 연료 가스의 일부를 연료 전지의 외부로 배출시키고, 재순환시키는 배출 연료 가스의 압력을 조정하는 배출 연료 가스 압력 조정 밸브 (도시 생략) 등이 형성되어도 된다.

또한 연료 가스 배관계는, 수소 가스 (연료 성분) 의 유효 이용의 관점에서, 연료 가스 순환로, 재순환 펌프 등에 의한 순환계를 갖는 것이 바람직하다고 할 수 있지만, 순환계를 가지고 있지 않아도 되거나, 혹은 데드 엔드 구조를 가지고 있어도 된다.

산화제 가스 배관계는, 연료 전지 (1) 에 산화제 가스를 공급하는 산화제 가스 공급로, 연료 전지 (1) 로부터의 배출 산화제 가스를 배출하는 산화제 가스 배출로, 및 컴프레셔를 갖는다. 컴프레셔는 산화제 가스 공급로 상에 형성되고, 컴프레셔에 의해 유입된 대기 중의 공기가 산화제 가스 공급로를 흘러 압송되어, 연료 전지 (1) 에 공급된다. 연료 전지 (1) 로부터 배출되는 배출 산화제 가스는, 산화제 가스 배출로를 흘러 외부로 배출된다.

연료 전지 시스템의 운전은, 제어부 (3) 에 의해 제어된다. 제어부 (3) 는, 내부에 CPU, RAM, ROM 등을 구비하는 마이크로 컴퓨터로 구성되어 있고, ROM 이나 RAM 등에 기억된 각종 프로그램이나 맵 등에 따라, 연료 전지에 대한 요구 출력 (출력 전류 밀도, 즉 연료 전지에 접속되는 부하의 크기) 이나, 연료 전지에 접속된 온도 센서, 가스 압력 센서, 가스 유량 센서, 노점계 등 각종 센서의 측정 결과 등에 기초하여, CPU 가 각종 밸브, 각종 펌프, 연료 가스 배관계, 산화제 가스 배관계, 열교환 매체 순환계 등 다양한 처리나 제어를 실행한다.

본 발명의 연료 전지 시스템 (100) 은, 제어부 (3) 가 연료 전지 (1) 의 전압과 연료 가스 출구 수증기량의 관계에서 미리 설정된 연료 가스 출구 수증기량의 목표치에 기초하여 연료 가스 출구 수증기량을 제어하는 수증기량 제어 수단을 구비하고 있는 점에 큰 특징을 가지고 있다.

또한 본 발명에 있어서, 연료 가스 유로의 출구에 있어서의 수증기량 (연료 가스 출구 수증기량) 이란, 연료 가스 유로의 출구를 흐르는 연료 가스 중에 함유되는 수증기량이다.

구체적으로는, 연료 전지 (1) 의 작동시, 제어부 (3) 의 수증기량 제어 수단은 온도 센서 (9) 에 의해 연료 전지 (1) 의 온도 T 를 검출한다.

또 제어부 (3) 는, 압력 센서 (10) 에 의해 연료 가스 유로에 있어서의 연료 가스의 압력 P 를 검출한다.

또 제어부 (3) 는, 노점계 (11) 에 의해 연료 가스 유로 출구에 있어서의 연료 가스의 수증기량 S 를 검출한다.

그리고, 제어부 (3) 는, 검출된 온도 T 및 압력 P 에 기초하여, 검출된 연료 가스 출구 수증기량 S 가 목표치 St 에 가까워지도록 연료 가스의 유량 Q 를 제어한다. 목표치 St 는, 연료 가스 출구 수증기량 S 와 연료 전지의 전압의 상관 관계에 기초하여 미리 취득되어 있다. 또한, 연료 가스의 유량 Q 란, 연료 가스 유로를 흐르는 연료 가스의 유량이다.

구체적으로는, 연료 전지에 있어서의 연료 가스 유량 Q 는, 예를 들어 재순환 펌프 (8) 에 의해 재순환시키는 연료 배출 가스의 유량 Qa 의 제어에 의해 제어할 수 있다. 연료 전지 시스템 (100) 과 같이, 연료 배출 가스를 순환시키는 순환계의 경우, 연료 공급원인 수소 펌프 (4) 로부터 공급되는 연료 성분 가스의 유량 Qb 는 수증기량 제어 수단에 의한 제어를 실시하지 않고, 재순환 펌프 (8) 에 의해 재순환시키는 연료 배출 가스의 유량 Qa 를 제어함으로써, 요구 출력을 충분히 담보한 상태에서, 연료 성분인 수소의 이용 효율을 높여 연료 전지의 물 분포를 효과적으로 제어할 수 있다.

또한, 수증기량 제어 수단에 의한 연료 가스 유량 Q 의 제어는, 상기 Qa 에 의한 제어에 한정되지 않고, 연료 전지에 대한 요구 출력을 담보할 수 있으면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 요구 출력을 담보한 상태에서, Qb 만에 의한 제어, 혹은 Qa 및 Qb 의 양방에 의한 제어를 실시해도 된다. 나아가서는, 연료 가스 유량을 제어하는 그 밖의 수단을 사용해도 된다.

본 실시형태에서는, 미리 취득해 둔 연료 가스 출구 수증기량과 연료 전지의 전압의 관계에 기초하여 그 연료 가스 수증기량의 목표치를 산출하고, 그 수증기량을 실현시키도록 연료 가스의 유량, 압력이나 연료 전지 온도를 제어할 수 있다. 즉, 연료 전지 내의 함수 상태, 나아가서는 연료 전지의 전압을 피드 포워드 제어를 실시할 수 있다. 이와 같은 피드 포워드 제어를 실시함으로써, 연료 전지의 전압을 실제로 검출하여 연료 전지 내의 함수 상태를 판정하고, 피드백 제어를 실시하는 경우와 비교하여, 드라이 업의 발생을 미연에 막으면서 고전압을 실현하는 연료 전지 운전 제어를 실현시킬 수 있다. 나아가서는, 본 발명에 있어서는, 전압 센서나 저항 센서를 생략할 수도 있기 때문에, 연료 전지 시스템에 있어서의 제어를 보다 간소화하는 것이 가능해짐과 함께, 연료 전지의 비용 삭감도 가능해진다.

또한, 수증기량 제어 수단에 의한 수증기량 제어 처리는, 연료 전지 운전 중 정기적으로 실행되어도 되고, 연료 전지 온도가 소정 이상인 조건하에서만 실행되어도 된다. 예를 들어, 특히 드라이 업이 발생하기 쉬운 고온 조건하, 예를 들어 80 ℃ 이상의 온도 조건하에서만 수증기 제어 수단에 의한 수증기 제어 처리가 실행되어도 된다. 특히 드라이 업이 발생하기 쉬운 점에서, 적어도 70 ℃ 이상, 또한 80 ℃ 이상에 있어서는 수증기 제어 처리가 실행되는 것이 바람직하다.

또, 미리 취득된 연료 가스 수증기량의 목표치는, 전압 피크가 얻어지는 수증기량의 1 점으로 규정해도 되고, 전압 피크가 얻어지는 수증기량을 포함하는 소정의 폭을 갖는 수증기량의 범위로 규정해도 된다.

연료 전지 시스템 (100) 의 구체적인 수증기량 제어 처리에 있어서는, 연료 가스의 유량 Q (구체적으로는 배출 연료 가스 유량 Qa) 를 제어함으로써 연료 가스 출구 수증기량을 제어하고 있는데, 연료 가스 출구 수증기량 S 를 수증기량의 목표치 St 에 근접시키기 위한 제어 파라미터는 연료 가스의 유량 Q 에 한정되지 않는다. 예를 들어, 연료 가스의 유량, 연료 가스의 압력, 및 연료 전지 온도 중 적어도 하나를 선택할 수 있다. 이들 연료 가스 유량, 연료 가스 압력 및 연료 전지 온도 중, 제어가 용이하고, 또 수증기량이나 평균 유량의 제어 응답이 빠른 점에서, 특히 연료 가스 유량 및 연료 가스 압력 중 적어도 하나를 제어하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 연료 가스의 유량 Q 만, 연료 가스의 압력 P 만, 혹은 연료 가스의 유량 Q 와 연료 가스의 압력 P 의 양방을 제어할 수 있다. 연료 가스 유량의 제어에 수반하여 연료 가스의 압력도 변동되는 점에서, 이들 연료 가스의 유량 및 압력의 양방을 제어함으로써 보다 효율적으로 수증기량의 목표치에 가까워지는 것을 기대할 수 있다.

연료 가스 압력의 제어는, 예를 들어 연료 가스 유로의 입구에 있어서의 연료 가스의 압력 및/또는 연료 가스 유로의 출구에 있어서의 연료 가스의 압력을 제어할 수 있다. 구체적으로는, 연료 가스 유로 출구의 하류측에 형성된 배압 밸브, 수소 탱크로부터 연료 전지에 수소를 공급하기 위한 레귤레이터, 연료 가스 배관계가 순환계인 경우에는, 수소 탱크로부터 배관계에 수소를 공급하기 위한 인젝터, 배관계에 형성된 순환용 펌프 등에 의해 연료 가스의 압력을 제어할 수 있다.

다음으로, 도 6 을 이용하여, 본 발명의 제 1 연료 전지 시스템의 실시형태예인 연료 전지 시스템 (101) 을 설명한다.

도 6 에 나타내는 연료 전지 시스템 (101) 은, 노점계 (11) 를 구비하고 있지 않으며, 또 제어부 (3) 의 수증기량 제어 수단에 의한 구체적인 수증기량 제어 처리가 상이한 점 이외에는, 상기 연료 전지 시스템 (100) 과 동일한 구성이다.

이하, 연료 전지 시스템 (101) 에 대하여, 연료 전지 시스템 (100) 과 상이한 점을 중심으로 설명한다.

연료 전지 시스템 (101) 에 있어서, 수증기량 제어 수단은, 연료 전지 (1) 의 전압과 연료 가스 유로의 출구에 있어서의 수증기량의 관계에서 미리 설정된 연료 가스 출구 수증기량의 목표치와, 연료 전지 (1) 에 있어서의 연료 가스의 유량, 연료 가스의 압력 및 온도 중 적어도 하나와의 상관 관계에 기초하여 취득된 맵에 기초하여, 연료 전지에 있어서의 연료 가스의 유량, 연료 가스의 압력, 및 연료 전지의 온도 중 적어도 하나를 제어한다.

상기에서 설명한 연료 전지 시스템 (100) 은, 연료 가스 출구 수증기량을 노점계로 실제로 검출하고, 검출된 연료 가스 출구 수증기량에 기초하여 연료 가스의 유량 등을 제어하는 데에 비해, 연료 전지 시스템 (101) 은, 미리 취득된 연료 가스 출구 수증기량의 목표치를 실현시키는, 연료 가스의 유량, 연료 가스 압력 및 연료 전지 온도 중 적어도 하나도 또한 미리 취득되어 있다. 그리고, 이들 취득된 연료 가스 유량, 압력 및 연료 전지 온도에 기초하여 연료 가스의 유량, 온도 및 연료 전지의 온도 중 적어도 하나를 제어함으로써, 연료 출구 수증기량을 설정된 목표치가 되도록 제어한다. 즉, 연료 전지 시스템 (101) 은 연료 전지 시스템 (100) 과 비교하여, 노점계와 같은 연료 가스 출구 수증기량 측정 수단을 갖고 있지 않는 만큼 시스템의 간이화가 가능하다.

그리고, 제어부 (3) 는, 검출한 온도 T 와 압력 P 에 기초하여 연료 가스 출구 수증기량 S 가 미리 취득된 목표치 St 에 가까워지도록 연료 가스의 유량 Q 를 제어한다. 목표치 St 는, 연료 가스 출구 수증기량 S 와 연료 전지의 전압의 상관 관계에 기초하여 미리 취득되어 있다. 또, 연료 가스의 유량 Q 는, 연료 가스 출구 수증기량의 목표치 St 와, 온도 T, 연료 가스 압력 P, 및 연료 가스 유량 Q 의 상관 관계에 기초하여 취득된 맵을 이용하여, 목표치 Qt 가 산출되고, 그 목표치에 대응하여 제어된다.

구체적으로는, 연료 전지에 있어서의 연료 가스 유량 Q 는, 상기 연료 전지 시스템 (100) 과 마찬가지로, 재순환 펌프 (8) 에 의해 재순환시키는 연료 배출 가스의 유량 Qa 의 제어에 의해 제어할 수 있다. 이와 같이, 연료 공급원인 수소 펌프 (4) 로부터 공급되는 연료 성분 가스의 유량 Qb 는 수증기량 제어 수단에 의한 제어를 실시하지 않고, 재순환 펌프 (8) 에 의해 재순환시키는 연료 배출 가스의 유량 Qa 를 제어함으로써, 요구 출력을 충분히 담보한 상태에서, 연료 성분인 수소의 이용 효율을 높여 연료 전지의 물 분포를 효과적으로 제어할 수 있다. 또, 수증기량 제어 수단에 의한 연료 가스 유량 Q 의 제어는 상기 Qa 에 의한 제어에 한정되지 않고, 연료 전지에 대한 요구 출력을 담보할 수 있으면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 요구 출력을 담보한 상태에서, Qb 만에 의한 제어, 혹은 Qa 및 Qb 의 양방에 의한 제어를 실시해도 된다. 나아가서는, 연료 가스 유량을 제어하는 그 밖의 수단을 사용해도 된다.

또한 상기 맵은, 수증기량을 보다 높은 정밀도로 제어하기 위해서는, 연료 가스 출구 수증기량의 목표치와, 연료 전지에 있어서의 연료 가스의 유량, 연료 가스의 압력 및 온도 중 적어도 2 개의 상관 관계에 기초하여, 특히 연료 가스의 유량, 연료 가스의 압력 및 온도 모두와의 상관 관계에 기초하여 취득되는 것이 바람직하다.

또, 상기 연료 가스 수증기량의 목표치 St 와, 온도 T, 연료 가스 압력 P, 및 연료 가스 유량 Q 중 적어도 하나와의 상관 관계에 기초하여 취득되는 맵은, 연료 가스 수증기량의 목표치 St 와, 온도 T, 연료 가스 압력 P, 및 연료 가스 유량 Q 중 적어도 하나와의 상관 관계를 나타내는 것이어도 된다.

이어서, 본 발명의 제 2 연료 전지 시스템에 대하여 설명한다. 또한, 본 발명의 제 2 연료 전지 시스템에 대해서는, 상기 본 발명의 제 1 연료 전지 시스템과 상이한 점을 중심으로 설명한다.

도 7 은, 본 발명의 제 2 연료 전지 시스템의 실시형태예인 연료 전지 시스템 (200) 을 나타내고 있다.

연료 전지 시스템 (200) 은, 연료 전지의 연료 가스의 압력을 측정하는 연료 가스 압력 측정 수단으로서 연료 가스 유로의 입구에 있어서의 연료 가스의 압력 Pin 을 측정하는 입구 압력 센서 (연료 가스 입구 압력 측정 수단) (25) 및 연료 가스 유로의 출구에 있어서의 연료 가스의 압력 Pout 를 측정하는 출구 압력 센서 (연료 가스 출구 압력 측정 수단) (26) 를 구비하고, 또 제어부 (3) 가, 연료 전지 (1) 의 전압과 연료 가스 평균 유량의 관계에서 미리 설정된 연료 가스 평균 유량의 목표치에 기초하여 연료 가스 평균 유량을 제어하는 평균 유량 제어 수단을 구비하고 있는 점 이외에는, 상기 연료 전지 시스템 (101) 과 동일한 구성이다.

연료 전지 시스템 (101) 과 동일하게, 압력 센서는, 원하는 위치에 있어서의 연료 가스 유로 내의 연료 가스의 압력을 파악할 수 있으면 구체적인 설치 위치는 한정되지 않으며, 상기와 같이 입구 압력 센서와 출구 압력 센서를 이용하지 않아도 된다.

연료 전지 시스템 (200) 에 있어서, 평균 유량 제어 수단은, 연료 전지의 전압과 연료 가스 유로에 있어서의 연료 가스의 평균 유량 (연료 가스 평균 유량) Qave 의 관계에서 미리 설정된 연료 가스 평균 유량의 목표치 Qavet 와, 연료 전지 (1) 에 있어서의 연료 가스의 유량 Q, 연료 가스의 압력 P 및 온도 T 중 적어도 하나와의 상관 관계에 기초하여 취득된 맵에 기초하여, 연료 전지에 있어서의 연료 가스의 유량 Q, 연료 가스의 압력 P, 및 연료 전지의 온도 중 적어도 하나를 제어한다.

연료 전지 시스템 (200) 은, 미리 취득된 연료 가스 평균 유량의 목표치를 실현시키는, 연료 가스의 유량, 연료 가스 압력 및 연료 전지 온도 중 적어도 하나도 또한 미리 취득되어 있다. 그리고, 이들 취득된 연료 가스 유량, 압력 및 연료 전지 온도에 기초하여 연료 가스의 유량, 온도 및 연료 전지의 온도 중 적어도 하나를 제어함으로써, 연료 가스 평균 유량을 설정된 목표치가 되도록 제어한다.

구체적으로는, 연료 전지 시스템 (200) 에 있어서, 연료 전지 (1) 의 작동시, 제어부 (3) 의 평균 유량 제어 수단은 온도 센서 (9) 에 의해 연료 전지 (1) 의 온도 T 를 검출한다.

또 제어부 (3) 는, 압력 센서 (25, 26) 에 의해 검출된, 연료 가스 유로 입구에 있어서의 연료 가스의 압력 Pin 및 연료 가스 유로 출구에 있어서의 연료 가스의 압력 Pout 에 기초하여 연료 가스 유로에 있어서의 평균 압력 Pave [Pave = (Pin＋Pout)/2] 를 산출한다.

그리고, 제어부 (3) 는, 검출한 온도 T 와 산출한 평균 압력 Pave 에 기초하여, 연료 가스 평균 유량 Qave 가 미리 취득된 목표치 Qavet 에 가까워지도록 연료 가스의 유량 Q 를 제어한다. 목표치 Qavet 는, 연료 가스 평균 유량 Qave 와 연료 전지의 전압과의 상관 관계에 기초하여 미리 취득되어 있다. 또, 연료 가스의 평균 유량 Qave 는, 연료 가스 평균 유량의 목표치 Qavet 와, 온도 T, 연료 가스 압력 P, 및 연료 가스 유량 Q 의 상관 관계에 기초하여 취득된 맵을 이용하여, 목표치 Qavet 가 산출되고, 그 목표치에 대응하여 제어된다.

구체적으로는, 연료 전지에 있어서의 연료 가스 유량 Q 는, 상기 연료 전지 시스템 (100) 과 마찬가지로, 재순환 펌프 (8) 에 의해 재순환시키는 연료 배출 가스의 유량 Qa 의 제어에 의해 제어할 수 있다. 이와 같이, 연료 공급원인 수소 펌프 (4) 로부터 공급되는 연료 성분 가스 유량 Qb 는 수증기량 제어 수단에 의한 제어를 실시하지 않고, 재순환 펌프 (8) 에 의해 재순환시키는 연료 배출 가스의 유량 Qa 를 제어함으로써, 요구 출력을 충분히 담보한 상태에서, 연료 성분인 수소의 이용 효율을 높이고, 연료 가스의 평균 유량을 조정하여 연료 전지의 물 분포를 효과적으로 제어할 수 있다. 또, 평균 유량 제어 수단에 의한 연료 가스 유량 Q 의 제어는 상기 Qa 에 의한 제어에 한정되지 않고, 연료 전지에 대한 요구 출력을 담보할 수 있으면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 요구 출력을 담보한 상태에서, Qb 만에 의한 제어, 혹은 Qa 및 Qb 의 양방에 의한 제어를 실시해도 된다. 나아가서는, 연료 가스 유량을 제어하는 그 밖의 수단을 사용해도 된다.

또한 상기 맵은, 연료 가스의 평균 유량을 보다 높은 정밀도로 제어하기 위해서는, 연료 가스 평균 유량의 목표치와, 연료 전지에 있어서의 연료 가스의 유량, 연료 가스의 압력 및 온도 중 적어도 2 개와의 상관 관계에 기초하여, 특히 연료 가스의 유량, 연료 가스의 압력 및 온도 모두와의 상관 관계에 기초하여 취득되는 것이 바람직하다.

또, 상기 연료 가스 평균 유량의 목표치 Qavet 와, 온도 T, 연료 가스 압력 P, 및 연료 가스 유량 Q 중 적어도 하나와의 상관 관계에 기초하여 취득되는 맵은, 연료 가스 평균 유량의 목표치 Qavet 와, 온도 T, 연료 가스 압력 P, 및 연료 가스 유량 Q 중 적어도 하나와의 상관 관계를 나타내는 것이어도 된다.

본 발명의 제 2 연료 전지 시스템에 있어서, 연료 가스 유로에 있어서의 연료 가스의 평균 유량 (연료 가스 평균 유량) Qave 란, 연료 가스 유로를 흐르는 연료 가스의 평균 유량으로, 그 산출 방법은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 연료 전지 시스템 (200) 과 같이 연료 가스 배관계가 순환계를 갖는 경우에는, 하기 식 (1) 에 의해 산출할 수 있다.

Qave = Qa＋Qb/2 … 식 (1)

Qave : 연료 가스 유로에 있어서의 연료 가스의 평균 유량

Qa : 재순환 펌프에 의해 재순환시키는 배출 연료 가스의 유량

Qb : 연료 공급 수단으로부터 공급되는 연료 성분 가스의 유량

상기 식 (1) 에서는, 연료 가스 유로의 전체 유로 길이의 1/2 의 위치에 있어서, 요구 출력에 따라 연료 공급 수단으로부터 공급된 연료 성분 가스의 유량 Qb 의 절반이 소비되고 있다는 가정에 기초하여, 연료 가스의 평균 유량 Qave 를 산출하고 있다.

여기서, 상기 식 (1) 에 의해 산출되는 연료 가스의 평균 유량 Qave 에 기초한 평균 유량 제어 처리에 사용되는 상기 맵의 예를 도 8 에 나타낸다.

도 8 에 나타내는 맵에 있어서는, 검출된 온도 T 와 평균 압력 Pave [Pave = (Pin＋Pout)/2] 와 연료 가스 평균 유량의 목표치 Qavet 의 상관 관계가 나타나 있다. 따라서, 예를 들어 검출된 온도 T 에 있어서의, 평균 압력 Pave 와 평균 유량 Qavet 의 상관 관계를 나타내는 맵에 따라, 검출된 평균 압력 Pave 에 있어서의 목표 평균 유량 Qavet 가 산출된다. 그리고, 식 (1) 에 의해 산출되는 Qave 가 맵에 의해 산출된 Qavet 가 되도록 배출 연료 가스 유량 Qa 를 제어할 수 있다.

또, 본 발명의 제 2 연료 전지 시스템에 있어서, 연료 가스 평균 유량 Qave 는, 하기 식 (2) 에 의해 산출할 수도 있다.

Qave = nRT/P … (2)

Qave : 연료 가스 유로에 있어서의 연료 가스의 평균 유량

n : 연료 가스 유로의 전체 길이의 1/2 의 위치에 있어서의 연료 가스의 몰수

R : 기체 상수

T : 연료 전지 온도

P : 연료 가스 유로의 전체 길이의 1/2 의 위치에 있어서의 연료 가스의 압력

상기 식 (2) 에서는, 연료 가스 유로의 전체 유로 길이의 1/2 의 위치에 있어서의 연료 가스의 유량을 연료 가스 평균 유량 Qave 로서 채용하고 있으며, 연료 가스 유로의 전체 유로 길이의 1/2 의 위치에 있어서의 연료 가스의 몰수 및 압력으로부터, 기체의 상태 방정식에 기초하여 연료 가스의 평균 유량 Qave 를 산출하고 있다.

여기서, 식 (2) 에 있어서, 연료 가스의 몰수는, 연료 가스 유로의 전체 유로 길이의 1/2 의 위치에 있어서의 연료 가스 중에 함유되는 전체 성분 (수소 가스 외, 질소 가스나 수증기 등) 의 몰수로, 구체적으로는, 연료 가스 유로 입구의 연료 가스의 전체 몰수로부터 연료 가스 유로의 전체 유로 길이의 1/2 의 위치에 도달하기까지 소비된 연료 성분의 몰수를 감한 몰수이다. 연료 가스 유로의 전체 유로 길이의 1/2 의 위치에 도달하기까지 소비된 연료 성분의 몰수는 연료 전지의 요구 출력으로부터 필요 연료 성분량의 절반이다. 또, 연료 가스 유로 입구의 연료 가스의 전체 몰수는, 순환 펌프에 의해 연료 가스 유로 입구로 되돌아오는 연료 가스 유량과 수소 탱크로부터 추가 보충되는 수소량의 합계 유량의 온도와 압력에 의해 구할 수 있다.

또, 식 (2) 에 있어서, 연료 가스의 압력은, 연료 가스 유로의 전체 길이의 1/2 의 위치에 있어서의 연료 가스의 압력을 실제로 검출해도 되고, 연료 가스 유로의 전체 길이의 복수 개소에 있어서의 연료 가스의 압력을 측정하여, 평균치를 산출해도 된다. 혹은, 연료 가스 유로의 전체 길이에서 발생하는 압력 손실의 1/2 이, 연료 가스 유로의 전체 길이의 1/2 의 위치에 있어서 발생하고 있는 것으로 가정하여 산출해도 되고, 이러한 압력 손출을 가정한 상기 연료 가스 압력은 이하의 식 (3) 에 의해 산출할 수 있다.

P = (Pin＋Pout)/2 … (3)

Pin : 연료 가스 유로의 입구에 있어서의 연료 가스의 압력

Pout : 연료 가스 유로의 출구에 있어서의 연료 가스의 압력

상기 연료 전지 시스템 (200) 과 같이, 연료 가스 배관계가 순환계를 가지고 있는 경우에는, 식 (2) 의 변형예로서, 하기 식 (4) 에 의해 연료 가스의 평균 유량 Qave 를 산출할 수 있다.

Qave = n'RT/P … (4)

Qave : 연료 가스 유로에 있어서의 연료 가스의 평균 유량

n' : 연료 가스 유로에 공급된 상기 연료 가스 중, 연료 가스 공급 수단으로부터 연료 가스 유로에 공급된 상기 연료 성분의 1/2 이 소비된 것으로 가정하여 산출되는 연료 가스 유로의 전체 길이의 1/2 의 위치에 있어서의 연료 가스의 몰수

R : 기체 상수

T : 연료 전지 온도

P : 상기 식 (3) 에 의해 산출되는 연료 가스 유로의 전체 길이의 1/2 의 위치에 있어서의 연료 가스의 압력

또한, 제 2 연료 전지 시스템에 있어서, 연료 가스 평균 유량 Qave 는, 상기와 같은 가정에 기초하는 산출이 아니라, 연료 가스 유로 내의 복수 개소에 있어서의 연료 가스 유량을 실제로 측정하여 평균화하여 얻어지는 값이나, 연료 가스 유로의 전체 길이의 1/2 의 위치에 있어서 실제로 측정되는 연료 가스의 유량치를 사용해도 된다. 간편하게 연료 전지 시스템을 구축할 수 있다는 관점에서는, 상기 식 (1), (2) 또는 (4) 를 이용하여 연료 가스 평균 유량을 산출하는 것이 바람직하다.

또, 제 2 연료 전지 시스템에 있어서, 평균 유량 제어 수단에 의한 연료 가스 평균 유량 제어 처리는, 연료 전지 운전 중 정기적으로 실행되어도 되고, 연료 전지 온도가 소정 이상인 조건하에서만 실행되어도 된다. 예를 들어, 특히 드라이 업이 발생하기 쉬운 고온 조건하, 예를 들어 80 ℃ 이상의 온도 조건하에서만 평균 유량 제어 수단에 의한 연료 가스 평균 유량 제어 처리가 실행되어도 된다. 특히 드라이 업이 발생하기 쉬운 점에서, 적어도 70 ℃ 이상, 또한 80 ℃ 이상에 있어서는 평균 유량 제어 처리가 실행되는 것이 바람직하다.

1…연료 전지
2…연료 가스 배관계
3…제어부
4…수소 탱크 (연료 공급 수단)
5…연료 가스 공급로
5A…주유로
5B…혼합로
6…연료 가스 순환로
7…연결부
8…재순환 펌프
9…온도 센서 (온도 측정 수단)
10…압력 센서
11…노점계 (수증기량 측정 수단)
12…단일 셀
13…고분자 전해질막
14…캐소드 전극
15…애노드 전극
16…막?전극 접합체
17…세퍼레이터
18…세퍼레이터
19…산화제 가스 유로
20…연료 가스 유로
21…캐소드 촉매층
22…가스 확산층
23…애노드 촉매층
24…가스 확산층
25…압력 센서 (연료 가스 유로 입구 압력 측정 수단)
26…압력 센서 (연료 가스 유로 출구 압력 측정 수단)
100…연료 전지 시스템
101…연료 전지 시스템
200…연료 전지 시스템

Claims

애노드 전극 및 캐소드 전극에 협지된 고분자 전해질막과,
상기 애노드 전극에 대하여 연료 성분을 적어도 함유하는 연료 가스를 공급하기 위해서 그 애노드 전극에 대면하여 배치된 연료 가스 유로와,
상기 캐소드 전극에 대하여 산화제 성분을 적어도 함유하는 산화제 가스를 공급하기 위해서 상기 캐소드 전극에 대면하여 배치된 산화제 가스 유로를 갖는 연료 전지를 구비하고, 무가습 조건하에서 운전되는 연료 전지 시스템으로서,
상기 연료 가스 유로에 있어서의 상기 연료 가스와 상기 산화제 가스 유로에 있어서의 상기 산화제 가스의 흐름 방향이 서로 대향하고 있으며,
상기 연료 전지의 전압과 상기 연료 가스 유로의 출구에 있어서의 수증기량의 관계에서 미리 설정된 상기 수증기량의 목표치에 기초하여 상기 수증기량을 제어하는 수증기량 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 수증기량 제어 수단은, 상기 수증기량의 목표치에 기초하여 상기 연료 전지에 있어서의 상기 연료 가스의 유량, 상기 연료 가스의 압력, 및 온도 중 적어도 하나를 제어하는, 연료 전지 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 수증기량 제어 수단은, 상기 수증기량의 목표치에 기초하여 상기 연료 전지에 있어서의 상기 연료 가스의 유량 및/또는 상기 연료 가스의 압력을 제어하는, 연료 전지 시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수증기량 제어 수단은, 상기 수증기량의 목표치와, 상기 연료 전지에 있어서의 상기 연료 가스의 유량, 상기 연료 가스의 압력 및 온도 중 적어도 하나와의 상관 관계에 기초하여 취득된 맵에 기초하여, 상기 연료 전지에 있어서의 상기 연료 가스의 유량, 상기 연료 가스의 압력, 및 상기 온도 중 적어도 하나를 제어하는, 연료 전지 시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수증기량을 측정하는 수증기량 측정 수단을 구비하고,
상기 수증기량 제어 수단은, 상기 수증기량 측정 수단에 의해 측정되는 상기 수증기량이 상기 수증기량의 목표치에 가까워지도록, 상기 연료 전지에 있어서의 상기 연료 가스의 유량, 상기 연료 가스의 압력, 및 온도 중 적어도 하나를 제어하는, 연료 전지 시스템.
제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
연료 공급 수단으로부터 상기 연료 가스 유로에 상기 연료 성분 가스를 공급하는 연료 가스 공급로와,
상기 연료 전지로부터의 배출 연료 가스를 상기 연료 가스 공급로로 재순환시키는 연료 가스 순환로와,
상기 연료 가스 순환로에 배치되어 상기 배출 연료 가스를 상기 연료 가스 공급로로 재순환시키는 재순환 펌프를 구비하고,
상기 수증기량 제어 수단은, 상기 재순환 펌프에 의해 재순환시키는 상기 배출 연료 가스의 유량을 제어함으로써, 상기 연료 전지에 있어서의 상기 연료 가스의 유량을 제어하는, 연료 전지 시스템.
제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수증기량 제어 수단은, 상기 수증기량의 목표치에 기초하여 상기 연료 가스 유로의 입구에 있어서의 상기 연료 가스의 압력 및/또는 상기 연료 가스 유로의 출구에 있어서의 상기 연료 가스의 압력을 제어하는, 연료 전지 시스템.
애노드 전극 및 캐소드 전극에 협지된 고분자 전해질막과, 상기 애노드 전극에 대하여 연료 가스를 공급하기 위해서 그 애노드 전극에 대면하여 배치된 연료 가스 유로와, 상기 캐소드 전극에 대하여 산화제 가스를 공급하기 위해서 상기 캐소드 전극에 대면하여 배치된 산화제 가스 유로를 갖는 연료 전지를 구비하고, 무가습 조건하에서 운전되는 연료 전지 시스템으로서,
상기 연료 가스 유로에 있어서의 상기 연료 가스와 상기 산화제 가스 유로에 있어서의 상기 산화제 가스의 흐름 방향이 서로 대향하고 있으며,
상기 연료 전지의 전압과 상기 연료 가스 유로에 있어서의 상기 연료 가스의 평균 유량의 관계에서 미리 설정된 상기 평균 유량의 목표치에 기초하여 상기 평균 유량을 제어하는 평균 유량 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제 8 항에 있어서,
상기 평균 유량 제어 수단은, 상기 평균 유량의 목표치에 기초하여 상기 연료 전지에 있어서의 상기 연료 가스의 유량, 상기 연료 가스의 압력, 및 온도 중 적어도 하나를 제어하는, 연료 전지 시스템.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
상기 평균 유량 제어 수단은, 상기 평균 유량의 목표치에 기초하여 상기 연료 전지에 있어서의 상기 연료 가스의 유량 및/또는 상기 연료 가스의 압력을 제어하는, 연료 전지 시스템.
제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 평균 유량 제어 수단은, 상기 평균 유량의 목표치와, 상기 연료 전지에 있어서의 상기 연료 가스 유량, 상기 연료 가스 압력 및 온도 중 적어도 하나와의 상관 관계에 기초하여 취득된 맵에 기초하여, 상기 연료 전지에 있어서의 상기 연료 가스의 유량, 상기 연료 가스의 압력, 및 상기 온도 중 적어도 하나를 제어하는, 연료 전지 시스템.
제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
연료 공급 수단으로부터 상기 연료 가스 유로에 상기 연료 성분 가스를 공급하는 연료 가스 공급로와,
상기 연료 전지로부터의 배출 연료 가스를 상기 연료 가스 공급로로 재순환시키는 연료 가스 순환로와,
상기 연료 가스 순환로에 배치되어 상기 배출 연료 가스를 상기 연료 가스 공급로로 재순환시키는 재순환 펌프를 구비하고,
상기 평균 유량 제어 수단은, 상기 재순환 펌프에 의해 재순환시키는 상기 배출 연료 가스의 유량을 제어함으로써, 상기 연료 전지에 있어서의 상기 연료 가스의 유량을 제어하는, 연료 전지 시스템.
제 12 항에 있어서,
상기 평균 유량이, 하기 식 (1) 에 의해 산출되는, 연료 전지 시스템.
Qave = Qa＋Qb/2 … 식 (1)
Qave : 상기 연료 가스 유로에 있어서의 상기 연료 가스의 평균 유량
Qa : 상기 재순환 펌프에 의해 재순환시키는 상기 배출 연료 가스의 유량
Qb : 상기 연료 공급 수단으로부터 공급되는 상기 연료 성분 가스의 유량
제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 평균 유량이, 하기 식 (2) 에 의해 산출되는, 연료 전지 시스템.
Qave = nRT/P … (2)
Qave : 상기 연료 가스 유로에 있어서의 상기 연료 가스의 평균 유량
n : 상기 연료 가스 유로의 전체 길이의 1/2 의 위치에 있어서의 상기 연료 가스의 몰수
R : 기체 상수
T : 연료 전지 온도
P : 상기 연료 가스 유로의 전체 길이의 1/2 의 위치에 있어서의 상기 연료 가스의 압력
제 14 항에 있어서,
상기 식 (2) 에 있어서,
상기 n 이, 상기 연료 가스 유로에 공급되는 상기 연료 가스에 함유되는 연료 성분 중, 상기 연료 전지의 발전량에 대하여 최저한 필요한 연료 성분량의 1/2 이 소비된 것으로 가정하여 산출되고,
상기 P 가, 하기 식 (3) 에 의해 산출되는, 연료 전지 시스템.
P = (Pin＋Pout)/2 … (3)
Pin : 상기 연료 가스 유로의 입구에 있어서의 상기 연료 가스의 압력
Pout : 상기 연료 가스 유로의 출구에 있어서의 상기 연료 가스의 압력
제 12 항에 있어서,
상기 평균 유량이, 하기 식 (4) 에 의해 산출되는, 연료 전지 시스템.
Qave = n'RT/P … (4)
Qave : 상기 연료 가스 유로에 있어서의 상기 연료 가스의 평균 유량
n' : 상기 연료 가스 유로에 공급된 상기 연료 가스 중, 상기 연료 공급 수단으로부터 상기 연료 가스 유로에 공급된 상기 연료 성분의 1/2 이 소비된 것으로 가정하여 산출되는 상기 연료 가스 유로의 전체 길이의 1/2 의 위치에 있어서의 상기 연료 가스의 몰수
R : 기체 상수
T : 연료 전지 온도
P : 하기 식 (3) 에 의해 산출되는 상기 연료 가스 유로의 전체 길이의 1/2 의 위치에 있어서의 상기 연료 가스의 압력
P = (Pin＋Pout)/2 … (3)
Pin : 상기 연료 가스 유로의 입구에 있어서의 상기 연료 가스의 압력
Pout : 상기 연료 가스 유로의 출구에 있어서의 상기 연료 가스의 압력
제 9 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 평균 유량 제어 수단은, 상기 평균 유량의 목표치에 기초하여 상기 연료 가스 유로의 입구에 있어서의 상기 연료 가스의 압력 및/또는 상기 연료 가스 유로의 출구에 있어서의 상기 연료 가스의 압력을 제어하는, 연료 전지 시스템.
제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연료 전지의 온도가 80 ℃ 이상인, 연료 전지 시스템.