WO2010093127A2 - 연료 전지 시스템의 퍼지 방법 - Google Patents

연료 전지 시스템의 퍼지 방법 Download PDF

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WO2010093127A2
WO2010093127A2 PCT/KR2010/000322 KR2010000322W WO2010093127A2 WO 2010093127 A2 WO2010093127 A2 WO 2010093127A2 KR 2010000322 W KR2010000322 W KR 2010000322W WO 2010093127 A2 WO2010093127 A2 WO 2010093127A2
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PCT/KR2010/000322
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김호석
홍병선
신미남
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(주)퓨얼셀 파워
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04231—Purging of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
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    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a method for purging a fuel cell system, and more particularly, to a method for purging a fuel cell system capable of easily releasing oxygen inside a stack.
  • a fuel cell is a device that produces electricity electrochemically by using fuel (hydrogen or reformed gas) and oxidant (oxygen or air), and converts fuel and oxidant continuously supplied from outside into electric energy directly by electrochemical reaction.
  • fuel hydrogen or reformed gas
  • oxidant oxygen or air
  • pure oxygen or air containing a large amount of oxygen is used, and as the fuel, pure hydrogen or hydrocarbon-based fuel (LNG, LPG, CH 3 OH) or hydrogen produced by reforming hydrocarbon-based fuel Use reformed gas containing a large amount.
  • pure hydrogen or hydrocarbon-based fuel LNG, LPG, CH 3 OH
  • hydrogen produced by reforming hydrocarbon-based fuel Use reformed gas containing a large amount.
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cells
  • DMFC direct oxidation fuel cells
  • DMFC direct methanol fuel cells
  • the polymer electrolyte fuel cell includes a fuel cell body called a fuel cell stack (hereinafter referred to as a 'stack'), and an electrochemical reaction between hydrogen gas supplied from a reformer and air supplied by operation of an air pump or fan. It is made as a structure for generating electrical energy through.
  • the reformer functions as a fuel treatment apparatus for reforming fuel to generate hydrogen gas from the fuel, and supplying the hydrogen gas to the stack.
  • the direct oxidation type fuel cell is directly supplied with alcohol, which is a fuel, without using hydrogen gas.
  • the direct energy fuel cell is supplied by the electrochemical reaction of hydrogen contained in the fuel and separately supplied air. It is made as a structure for generating a.
  • the direct methanol fuel cell refers to a cell using methanol as a fuel in a direct oxidation fuel cell.
  • the polymer electrolyte fuel cell has high power density and energy conversion efficiency, can be operated at low temperature below 80 °C, and can be miniaturized and encapsulated so that it can be used in a variety of pollution-free automobiles, household power generation systems, mobile communication equipment, military equipment, medical equipment, etc. It is used as a power source for the field.
  • Such a polymer electrolyte fuel cell includes a reformer to produce a reformed gas containing a large amount of hydrogen from the fuel, and a stack to produce electricity from the reformed gas.
  • the stack is supplied with air along with reforming gas to produce electricity through the reaction of oxygen and hydrogen in the air.
  • reforming gas to produce electricity through the reaction of oxygen and hydrogen in the air.
  • the anode catalyst When the fuel cell system is restarted, the anode catalyst may form a reducing atmosphere to remove the oxide, but the cathode catalyst is continuously bonded to the oxide, and upon restart, the cathode catalyst support may be corroded due to reverse current. There is a problem that the durability of the stack is reduced.
  • N 2 which is an inert gas
  • the purge method using nitrogen not only increased the production cost because of the inconvenience of supplying nitrogen gas from the outside, but also caused additional equipments, and acted as an obstacle to the commercialization of fuel cells due to the limitation of space for installing nitrogen containers. .
  • One aspect of the present invention is to provide a method of purging a fuel cell system that can easily purge the fuel cell stack.
  • a purge method of a fuel cell system includes a fuel supply reduction step of reducing a fuel supply amount supplied to a stack of a fuel cell system, and an air supply preventing air discharge while reducing an air supply amount supplied to the stack.
  • a reduction step, a nitrogen filling step of filling the stack with nitrogen in air while consuming oxygen, and a stopping step of stopping supply of the fuel includes a fuel supply reduction step of reducing a fuel supply amount supplied to a stack of a fuel cell system, and an air supply preventing air discharge while reducing an air supply amount supplied to the stack.
  • the reducing fuel supply may include linearly reducing power consumed by the load, and the reducing fuel supply may include disconnecting electrical connection with the load after reducing the fuel supply. Can be.
  • the step of reducing fuel supply may reduce the supply of fuel to 1/5 to 1/3 of normal operation, and the step of reducing air supply may reduce the supply of air to 30% to 50% of normal operation. Can be.
  • the air supply reducing step reduces the air supply amount, while comparing the air supply pressure supplied to the stack with the upper limit pressure, when the air supply pressure is greater than the upper limit pressure, stops supply of air and supplies the air supply.
  • the air supply pressure may be compared with the upper limit pressure while supplying the air supply amount by decreasing the upper limit pressure, and the upper limit pressure may be 8 kPa to 15 kPa.
  • the nitrogen filling step may include connecting the voltage reducer and the stack to consume oxygen, and the nitrogen filling step may include 5 kW to the catalytically active area of the cell constituting the stack using the voltage reducer.
  • a load of / cm 2 to 20 mW / cm 2 can be applied.
  • the air supply pressure when the air supply pressure is smaller than the lower limit pressure when the air supply pressure supplied to the stack while filling the nitrogen is lower than the lower limit pressure, the air supply amount is reduced and then supplied with nitrogen.
  • the lower limit pressure may be 2 kPa to 5 kPa.
  • the stopping step may include stopping the operation of the air pump for supplying air to the stack, and disconnecting the voltage reducer from the stack.
  • the fuel cell system also includes a fuel supply pipe for supplying fuel to a stack, a recovery pipe for recovering fuel discharged from the stack, and a bypass pipe for connecting the fuel supply pipe and the recovery pipe, and the stopping step includes the bypass. And connecting the pipe and the fuel supply pipe, and disconnecting the fuel supply pipe and the recovery pipe from the stack.
  • the stopping step is to compare the cell voltage of the stack with a reference voltage and repeat the nitrogen filling step if the cell voltage is greater than the reference voltage, and stop the fuel supply if the cell voltage is less than the reference voltage.
  • the reference voltage may be 0.1V to 0.4V.
  • a humidifier may be installed in the air supply pipe for supplying air to the stack.
  • the fuel cell stack may be purged with nitrogen contained in the air without using nitrogen stored in a separate storage container.
  • FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a purge method of a fuel cell system according to a first exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a configuration diagram schematically illustrating a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a purge method of a fuel cell system according to a second exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.
  • the fuel cell system generates a hydrogen by reforming a fuel, and generates a polymer electrolyte fuel cell by electrochemically reacting hydrogen and oxygen (Polymer Electrode Membrane Fuel). Cell; PEMFC) method can be adopted.
  • the fuel cell system may include a direct methanol fuel cell that generates electric energy by a direct reaction of methanol and oxygen.
  • Fuel cell systems may also be used at molten carbonate fuel cells (MCFCs) or solid oxide fuel cells (SOFCs) operating at high temperatures of 600 ° C. or higher, or at relatively low temperatures of 200 ° C. or lower.
  • MCFCs molten carbonate fuel cells
  • SOFCs solid oxide fuel cells
  • PAFC Phosphoric Acid Fuel Cells
  • the fuel used in such a fuel cell system generally refers to a hydrocarbon-based fuel made in a liquid or gaseous state such as methanol, ethanol or natural gas, LPG, and the like.
  • the fuel cell system uses air as an oxidant to react with hydrogen.
  • the fuel cell system includes a reformer 120 generating a reformed gas using fuel, a stack 110 connected to the reformer 120 to generate electric power using reformed gas and an oxidant, and a stack ( A load 161 and a voltage reducer 163 connected to 110 are included.
  • the reformer 120 refers to a fuel processor that reforms fuel to generate hydrogen gas from the fuel, and supplies hydrogen gas to the stack 110.
  • the reformer 120 is connected to a port 131 for supplying fuel, a port 132 for supplying water, and an air supply source 135 for supplying air.
  • the reformer 120 generates heat using the supplied fuel, and generates reformed gas containing a large amount of hydrogen from the fuel by an oxidation reaction between the fuel and the catalyst layer using the generated heat.
  • the reformed gas is supplied to the stack 110 through a fuel supply pipe 152 installed between the stack 110 and the reformer 120.
  • the stack 110 according to the present exemplary embodiment includes a stack 110 having a conventional structure in which a plurality of cells (not shown) are stacked to produce power by a redox reaction.
  • the stack 110 of various structures may be applied to the fuel cell system of the present invention, but is not limited to a specific structure.
  • the stack 110 receives air including air through the air pump 141 together with the reformed gas.
  • the stack 110 electrochemically reacts oxygen contained in the air with hydrogen contained in the reformed gas to generate electrical energy.
  • the stack 110 includes a battery cell having a minimum unit for generating electrical energy.
  • the battery cell may be configured by closely placing separators on both sides of a membrane-electrode assembly (MEA). Can be.
  • MEA membrane-electrode assembly
  • a load 161 that consumes electrical energy generated by the stack 110 is electrically connected to the stack 110.
  • the load 161 is a motor of an automobile, an inverter that converts direct current electricity to alternating current electricity, or home electric heat. It may be made of a variety of electrical equipment such as appliances.
  • a voltage reducer 163 is connected to the stack 110.
  • the voltage reducer 163 consumes electrical energy when purging the stack 110, and monitors the cell voltage while reducing the cell voltage. Play a role.
  • the voltage reducer 163 is a device capable of applying a minute load to each cell of the stack 110.
  • the operation of the voltage reducer 163 is performed by four unit cells when an operation command signal is input. Bundled circuits are connected in series to operate simultaneously, and by operating a current through the photodiode side of the photo coupler connected in series, the internal transistor of the photo coupler can be conducted so that the voltage reducer circuit can be operated. .
  • the voltage reducer 163 is configured such that a load of 5 kW / cm 2 to 20 kW / cm 2 is applied to the catalytically active area to prevent damage to the stack.
  • the stack 110 is connected to the controller 165 for controlling the driving of the stack 110, the controller 165 is connected to the load 161 and the voltage reducer 163 is installed to the load 161 and Operation of the voltage reducer 163 may be controlled.
  • a recovery pipe 154 connecting the 120 and a bypass pipe 156 connecting the recovery pipe 154 and the fuel supply pipe 152 are provided.
  • the bypass pipe 156 is installed in the fuel supply pipe 152 via a 3-way valve 151, and the three-way valve 151 communicates with the fuel supply pipe 152 and the stack 110. To control the communication between the fuel supply pipe 152 and the bypass pipe 156.
  • the recovery pipe 154 is provided with a recovery valve 153 for controlling communication between the recovery pipe 154 and the stack 110.
  • the three-way valve 151 is illustrated as being installed, but the present invention is not limited thereto, and the valve may be installed at the fuel supply pipe 152 and the bypass pipe 156, respectively.
  • the bypass pipe 156 is disposed closer to the reformer 120 than the recovery valve 153, whereby the fuel supply pipe 152 communicates only with the bypass pipe 156, and the recovery valve 153 is closed. The reformed gas from the reformer 120 may move back to the reformer 120 through the bypass pipe 156.
  • the three-way valve 151 and the recovery valve 153 is composed of a solenoid valve (solenoid valve).
  • An air supply pipe 142 for supplying air is connected to the stack 110, and the air supply pipe 142 has an air pump 141 for pushing air, an air flow meter 143 for measuring the flow rate of air, and air Humidifier 146 is installed to increase the humidity of.
  • the air pump 141 may be typically formed of a pump for supplying air to the stack 110.
  • the air pump 141 according to the present embodiment may have a maximum pressure of 10 kPa to 15 kPa.
  • a pressure gauge 145 is installed between the humidifier 146 and the stack 110 to measure the pressure of the air supply pipe 142.
  • the stack 110 the air discharge pipe 144 is installed, the air discharge pipe 144 is connected to the humidifier 146 to supply moisture to the humidifier 146 and is discharged to the outside.
  • the air discharge pipe 144 is provided with a discharge valve 147 for controlling the discharge of air.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a purge method of a fuel cell system according to a first exemplary embodiment of the present invention.
  • the purging method of the fuel cell system includes a fuel supply reducing step (S101) of reducing a fuel supply amount supplied to the stack 110, a stack 110, and a load 161.
  • Blocking step (S102) to cut off the electrical connection air supply reduction step (S103) to prevent the discharge of air while reducing the amount of air supplied to the stack 110, and stacks with nitrogen in the air while consuming oxygen under load
  • stop step (S105) for stopping the supply of fuel.
  • the amount of fuel can be reduced to a level of 1/5 to 1/3 of the amount of fuel supplied to the stack 110 in normal operation, and preferably, in the normal operation, the stack ( 110) to a quarter of the amount of fuel supplied. Reducing the fuel supply also reduces the power consumed at the load, with the load 161 power and the supply of fuel being linearly reduced. In such a linear reduction, it is possible to prevent the generation of a bunch in the stack 110.
  • the load 161 in which the above connection is blocked means a main load connected to the stack 110 and consuming power in the normal operation of the stack 110.
  • the electrical connection with the load 161 is cut off and the voltage reducer 163 is connected.
  • the present invention is not limited thereto, and the load 161 may be maintained while maintaining a connection with some load 161. May be used to reduce the voltage.
  • the output of the air pump 141 is lowered to supply a small amount of air to the stack 110, and the exhaust valve 147 is closed while reducing the supply amount of air so that the air in the stack 110 is reduced. Is not discharged.
  • the air pump 141 uses a pump having a maximum supply pressure of 10 kPa to 15 kPa, and accordingly, a large pressure is applied to the stack 110, thereby preventing the stack 110 from being damaged.
  • the amount of air can be reduced to a level of 30% to 50% of the amount of air supplied to the stack 110 in normal operation, preferably 40% of the amount of air supplied to the stack 110 in normal operation. Can be reduced.
  • the load may be connected to the stack 110 and may be any kind of electric device that consumes power generated by the stack 110.
  • the load may be a voltage reducer 163.
  • the voltage reducer 163 consumes the power generated in the stack 110 to allow the stack 110 to generate power at a low load, and 5 to 20 mW / cm 2 to the catalytically active area of the cells constituting the stack. It consumes power so that a load of cm 2 is applied.
  • the load applied to the catalytically active area is smaller than 5 mW / cm 2, there is a problem that oxygen is not properly reduced. If the load applied to the catalytically active area is greater than 20 mW / cm 2, the catalytically active area is damaged.
  • the air contains about 21% oxygen and about 78% nitrogen.
  • the inside of the stack 110 is gradually filled with nitrogen which is an inert gas.
  • the filling of nitrogen is continued until the cell voltage of the stack 110 is 0.1V to 0.4V. If the cell voltage is greater than 0.4V, there is a problem that the catalyst is oxidized due to a large amount of residual oxygen. If the cell voltage is less than 0.1V, a problem occurs that the catalyst is oxidized due to a reverse voltage applied to the cell. In this case, the cell voltage means an average voltage of cells constituting the stack.
  • the stop step (S105) is to stop the operation of the air pump 141, to cut off the connection of the voltage reducer 163 and the stack 110, and connect the bypass pipe 156 and the fuel supply pipe 152. And disconnecting the fuel supply pipe 152 from the stack 110.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a fuel cell system according to a second exemplary embodiment of the present invention.
  • the fuel cell system according to the second embodiment includes an air supply valve 148 installed in the air supply pipe 142. Except for the air supply valve 148, since the fuel cell system has the same structure as the fuel cell system according to the first embodiment, a duplicate description of the same structure is omitted.
  • the air supply valve 148 is installed between the pressure gauge 145 and the humidifier 146. When the air supply valve 148 is installed as described above, the air supply valve 148 is closed after the power generation is completely stopped, thereby stably preventing the oxygen in the air from flowing into the stack 110 by diffusion or the like.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a purge method of a fuel cell system according to a second exemplary embodiment of the present invention.
  • the fuel supply reduction step S201 for reducing the fuel supply amount supplied to the stack 110 and the electrical connection between the load 161 and the fuel supply reduction step S201 are performed.
  • Blocking step (S202) for blocking the, air supply reduction step (S203) for reducing the air supply to the stack 110, the first pressure comparison step (S204) for comparing the air supply pressure with the upper limit pressure, and air
  • the air supply stop step (S205) for stopping the supply of nitrogen and the nitrogen filling step (S206) for filling nitrogen by consuming oxygen
  • the second pressure comparison step (S207) for comparing the air supply pressure with the lower limit pressure and the cell voltage
  • a voltage comparison step S208 for comparing with the reference voltage is included.
  • the amount of fuel can be reduced to a level of 1/5 to 1/3 of the amount of fuel supplied to the stack 110 in the normal operation, and preferably the stack (in the normal operation) 110) to a quarter of the amount of fuel supplied.
  • a pressure gauge 145 is used to detect a rise in pressure inside the air supply pipe 142. This is because supplying too much air may damage or damage the stack 110.
  • the supply of air is stopped when the air supply pressure is greater than the upper limit pressure (S207), and when the air supply pressure is lower than the upper limit pressure, air is continuously supplied (S205).
  • the upper limit pressure is set here from 8 kPa to 15 kPa. If the upper limit pressure is less than 8 kPa, there is a problem that the air is not sufficiently supplied to the inside of the stack 110. If the upper limit pressure is larger than 15 kPa, a large pressure is applied to the stack 110 and the stack 110 is broken. there is a problem.
  • the air supply valve 148 is closed to block air from flowing into the stack 110.
  • the first pressure comparing step and the air supply stopping step may be performed at the same time in the process of supplying air in the air supply reducing step.
  • the first pressure comparing step and the air supply stopping step may be included in the air supply reducing step. have.
  • the pressure inside the stack decreases.
  • the second pressure comparison step (S207) when the air supply pressure is greater than the lower limit pressure, air is compared with the lower limit pressure.
  • the supply valve 148 is opened to supply air again, and when it is determined that the air is sufficiently filled in comparison with the upper limit pressure, the supply of air is stopped and the nitrogen is charged while consuming oxygen by walking the voltage reducer as a load.
  • the lower limit pressure is 2 kPa-5 kPa here.
  • the second pressure comparing step may be performed simultaneously with the nitrogen filling step in the process of filling the nitrogen, and the second pressure comparing step may be included in the nitrogen filling step.
  • air may be continuously supplied into the stack 110 while preventing damage to the stack 110.
  • oxygen in the stack 110 cathode electrode flow path may be stably removed to prevent deterioration of the catalyst layer in the stack 110.
  • the voltage comparing step (S208) while charging nitrogen, the cell voltage is compared with the reference voltage, and when the cell voltage is higher than the reference voltage, the nitrogen is continuously charged and charged, and the pressure is compared. After supplying nitrogen, it is filled with nitrogen.
  • the second pressure comparing step and the voltage comparing step may be performed simultaneously.
  • the reference voltage is comprised between 0.1V and 0.4V.
  • the voltage comparison step is to check the amount of oxygen remaining in the stack 110. When the voltage of the cell is lower than the reference pressure, oxygen is removed from the stack 110 to a stable level so that oxidation occurs in the catalyst layer. Can be prevented.
  • the voltage reducer 163 is disconnected from the stack 110 and the fuel supply is stopped. Interruption of the fuel supply connects the bypass pipe 156 and the fuel supply pipe 152, cuts off the connection between the fuel supply pipe 152 and the stack 120, and closes the recovery valve 153 to close the reformer 120 and the stack. Block the connection of 110. Accordingly, the fuel is recovered to the reformer 120 through the fuel supply pipe 152, the bypass pipe 156 and the recovery pipe 154.

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Abstract

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

Description

연료 전지 시스템의 퍼지 방법
본 발명은 연료 전지 시스템의 퍼지 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스택 내부의 산소를 용이하게 배출시킬 수 있는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법에 관한 것이다.
연료 전지는 연료(수소 또는 개질 가스)와 산화제(산소 또는 공기)를 이용하여 전기 화학적으로 전력을 생산하는 장치로서, 외부에서 지속적으로 공급되는 연료와 산화제를 전기 화학 반응에 의하여 직접 전기에너지로 변환시키는 장치이다.
연료 전지의 산화제로는 순수 산소를 이용하거나 산소가 다량 함유되어 있는 공기를 이용하며, 연료로는 순수 수소 또는 탄화수소계 연료(LNG, LPG, CH3OH)또는 탄화수소계 연료를 개질하여 생성된 수소가 다량 함유된 개질 가스를 사용한다.
이러한 연료 전지는 크게 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)와, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxydation Fuel Cell)와 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)로 구분될 수 있다.
고분자 전해질형 연료 전지는 연료전지스택(이하 '스택'이라 한다)이라 불리는 연료 전지 본체를 포함하며, 개질기로부터 공급되는 수소 가스와, 공기 펌프 또는 팬의 가동에 의해 공급되는 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어진다. 여기서 개질기는 연료를 개질하여 이 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 스택으로 공급하는 연료처리장치로서의 기능을 한다.
직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 수소 가스를 사용하지 않고 연료인 알코올류를 직접적으로 공급받아 이 연료 중에 함유된 수소와, 별도로 공급되는 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어진다. 직접 메탄올형 연료 전지는 직접 산화형 연료 전지 중에서 메탄올을 연료로 사용하는 전지를 말한다.
이하, 설명의 편의를 위하여 이러한 연료 전지 중 고분자 전해질형 연료 전지를 중심으로 설명한다. 고분자 전해질형 연료 전지는 출력 밀도 및 에너지 전환 효율이 높고 80℃ 이하의 낮은 온도에서 작동 가능하며, 소형화, 밀폐화가 가능하여 무공해 자동차, 가정용 발전 시스템, 이동 통신 장비, 군사용 장비, 의료기기 등 매우 다양한 분야의 전원으로 사용되고 있다.
이러한 고분자 전해질형 연료 전지는 개질기를 구비하여 연료로부터 수소를 다량으로 함유한 개질가스를 생산하고, 스택을 구비하여 상기한 개질가스로 전기를 생산한다.
스택으로는 개질가스와 함께 공기가 공급되어 공기 중의 산소와 수소의 반응으로 전기를 생산한다. 이와 같은 연료 전지 시스템에서 운전 정지 시에, 개질가스 및 산소가 스택 내에 잔류하면 고분자 전해질 막이나 애노드극과 캐소드극에 형성되어 있는 촉매층이 열화되는 문제가 있다.
연료 전지 시스템의 재기동 시에 애노드 촉매에서는 환원 분위기를 조성하여 산화물을 제거할 수 있으나, 캐소드 촉매에서는 계속 산화물이 결합된 상태이며 재기동 시에 리버스(reverse) 전류에 의하여 캐소드 촉매 지지체 부식 현상 등이 발생하여 스택의 내구성이 저하되는 문제가 있다.
이와 같이 연료 전지 시스템의 정지 시에는 애노드극 보다 캐소드극에서 잔류하는 산소로 인하여 캐소드 촉매 지지체의 부식 및 고분자 전해질막 분해 등 연료전지 내구성을 저해하는 문제가 더 크게 발생한다.
이를 방지하기 위해서 종래에는 개질가스의 공급을 중단하고 비활성가스인 질소(N2)를 공급하여 연료전지 스택 내에 잔류하는 개질가스를 퍼지(purge)하였다.
하지만 질소를 이용한 퍼지 방법은 질소가스를 외부에서 공급해야 하는 불편과 더불어 이로 인한 부대장치가 구성되어야 하므로 제작 비용이 증가할 뿐만 아니라, 질소용기를 설치할 공간 상의 제약으로 연료전지 상용화의 걸림돌로서 작용하였다.
본 발명의 일 측면은 용이하게 연료전지 스택을 퍼지할 수 있는 연료 전지 시스템의 퍼지 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 퍼지 방법은 연료 전지 시스템의 스택으로 공급되는 연료 공급량을 감소시키는 연료 공급 감소 단계와, 상기 스택으로 공급되는 공기 공급량을 감소시키면서 공기 배출을 막는 공기 공급 감소 단계와, 부하를 걸어 산소를 소모하면서 공기 중의 질소로 상기 스택 내부를 충진하는 질소 충진 단계, 및 상기 연료의 공급을 중단하는 정지 단계를 포함한다.
상기 연료 공급 감소 단계는 부하에서 소모하는 전력을 선형적으로 감소시키는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 연료 공급 감소 단계는 상기 연료 공급을 감소한 이후에 부하와의 전기적인 연결을 차단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 연료 공급 감소 단계는 상기 연료의 공급량을 정상 운전 시의 1/5 내지 1/3로 감소시킬 수 있으며, 상기 공기 공급 감소 단계는 공기의 공급량을 정상 운전 시의 30% 내지 50%로 감소시킬 수 있다.
상기 공기 공급 감소 단계는 공기 공급량을 감소시켜서 공급하면서, 상기 스택으로 공급되는 공기 공급 압력을 상한 압력과 비교하여, 상기 공기 공급 압력이 상기 상한 압력보다 큰 경우에는 공기의 공급을 중단하고 상기 공기 공급 압력이 상기 상한 압력보다 작은 경우에는 공기 공급량을 감소시켜서 공급하면서, 공기 공급 압력을 상한 압력과 비교할 수 있으며, 상기 상한 압력은 8㎪ 내지 15㎪일 수 있다.
상기 질소 충진(充塡) 단계는 전압 감소기와 스택을 연결하여 산소를 소모하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 질소 충진 단계는 전압 감소기를 이용하여 상기 스택을 구성하는 셀의 촉매활성면적에 5㎃/㎠ 내지 20㎃/㎠의 부하를 적용할 수 있다.
상기 질소 충진 단계는, 질소를 충진하면서 상기 스택으로 공급되는 공기 공급 압력을 하한 압력과 비교하여, 상기 공기 공급 압력이 상기 하한 압력보다 작은 경우에는 공기 공급량을 감소시켜서 공급한 후, 질소를 충진할 수 있다. 여기서 상기 하한 압력은 2㎪ 내지 5㎪일 수 있다.
상기 정지 단계는 공기를 스택으로 공급하는 공기 펌프의 작동을 중지하고, 전압 감소기와 스택의 연결을 차단하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 연료 전지 시스템은 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급관과 스택에서 배출된 연료를 회수하는 회수관 및 상기 연료 공급관과 회수관을 연결하는 바이패스관을 포함하고, 상기 정지 단계는 상기 바이패스관과 상기 연료 공급관을 연결하고, 상기 연료 공급관 및 상기 회수관과 상기 스택의 연결을 차단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 정지 단계는 상기 스택의 셀전압을 기준 전압과 비교하여 상기 셀전압이 상기 기준 전압보다 더 큰 경우에는 상기 질소 충진 단계를 반복하고, 상기 셀전압이 기준 전압보다 작은 경우에는 연료 공급을 중단할 수 있다. 여기서 상기 기준 전압은 0.1V 내지 0.4V일 수 있다. 또한, 상기 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급관에는 가습기가 설치될 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면 별도의 저장 용기에 저장된 질소를 사용하지 않고 공기 중에 포함된 질소로 연료 전지 스택을 퍼지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 퍼지방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템의 퍼지방법을 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 연료를 개질하여 수소를 발생시키고, 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용할 수 있다.
다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 연료 전지 시스템은 메탄올과 산소의 직접적인 반응에 의하여 전기 에너지를 발생시키는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell)로 이루어질 수 있다.
또한, 연료 전지 시스템은 600℃ 이상의 고온에서 작동하는 용융 탄산염형 연료 전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells), 또는 고체산화물형 연료 전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cells), 또는 200℃ 이하의 비교적 저온에서 작동하는 인산형 연료 전지(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells)로 이루어질 수 있다.
이러한 연료 전지 시스템에 사용되는 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연가스, LPG 등과 같이 액상 또는 기체 상태로 이루어진 탄화수소계 연료를 통칭한다.
그리고 본 연료 전지 시스템은 수소와 반응하는 산화제로서 공기를 사용한다.
본 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 연료를 이용하여 개질가스를 발생시키는 개질기(120)와, 개질기(120)와 연결되어 개질가스와 산화제를 이용하여 전력을 발생시키는 스택(110)과, 스택(110)에 연결된 부하(161)와 전압 감소기(163)를 포함한다.
개질기(120)는 연료를 개질하여 이 연료로부터 수소가스를 발생시키고, 수소가스를 스택(110)으로 공급하는 연료처리장치를 말한다. 개질기(120)에는 연료를 공급하는 포트(131)와 물을 공급하는 포트(132), 및 공기를 공급하는 공기 공급원(135)이 연결 설치되어 있다.
개질기(120)는 공급된 연료를 이용하여 열을 발생시키고, 발생된 열을 이용하여 연료와 촉매층의 산화반응으로 연료로부터 수소를 다량으로 포함하는 개질가스를 발생시킨다.
개질가스는 스택(110)과 개질기(120) 사이에 설치된 연료 공급관(152)을 통해서 스택(110)으로 공급된다. 본 실시예에 따른 스택(110)은 복수 개의 셀(미도시)이 적층되어 산화 환원 반응에 의하여 전력을 생산하는 통상적인 구조의 스택(110)으로 이루어진다. 본 발명의 연료 전지 시스템에는 다양한 구조의 스택(110)이 적용될 수 있으며, 특정한 구조에 제한되는 것은 아니다.
스택(110)은 개질가스와 더불어 공기 펌프(141)를 통해서 공기를 포함하는 공기를 공급받는데, 공기에 포함된 산소와 개질가스에 포함된 수소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시킨다.
이러한 스택(110)은 전기 에너지를 발생시키는 최소 단위의 전지 셀을 구비하는 바, 이 전지 셀은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly; MEA)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터를 밀착 배치하여 구성될 수 있다.
스택(110)에서 발생된 전기 에너지를 소비하는 부하(161)가 스택(110)과 전기적으로 연결 설치되는데, 부하(161)는 자동차의 모터, 직류전기를 교류전기로 변환하는 인버터, 또는 가정용 전열기기 등 다양한 전기기기로 이루어질 수 있다.
또한, 스택(110)에는 전압 감소기(163)가 연결 설치되는데, 전압 감소기(163)는 스택(110)을 퍼지할 때, 전기 에너지를 소비하며, 셀 전압을 감소시키면서 셀 전압을 감시하는 역할을 한다.
본 실시예에 따른 전압 감소기(163)는 스택(110)의 각 셀에 미세한 부하(load)를 가할 수 있는 기기로서 전압 감소기(163)의 동작은 동작명령신호가 입력되면 4개 단위 셀 묶음으로 되어 있는 회로들이 직렬로 연결되어 동시에 동작되며, 직렬로 연결된 포토 커플러(photo coupler)의 포토 다이오드 측에 전류를 흘려 동작시킴으로써 포토 커플러의 내부 트랜지스터가 도통되어 전압 감소기 회로가 동작될 수 있다. 전압 감소기(163)는 스택의 손상을 방지할 수 있도록 촉매활성면적에 5㎃/㎠ 내지 20㎃/㎠의 부하가 가해지도록 이루어진다.
또한, 스택(110)에는 스택(110)의 구동을 제어하는 제어기(165)가 연결 설치되는데, 제어기(165)는 부하(161)와 전압 감소기(163)에 연결 설치되어 부하(161) 및 전압 감소기(163)의 작동을 제어할 수 있다.
한편, 개질기(120)와 스택(110) 사이에는 연료 공급관(152) 이외에 스택(110)에서 소모되지 않은 미반응 개질가스를 개질기(120)로 회수할 수 있도록 스택(110)의 출구단과 개질기(120)를 연결하는 회수관(154), 및 회수관(154)과 연료 공급관(152)을 연결하는 바이패스관(156)이 설치된다.
바이패스관(156)은 3방향 밸브(3-way valve)(151)를 매개로 연료 공급관(152)에 설치되는데, 3방향 밸브(151)는 연료 공급관(152)과 스택(110)의 연통을 제어하고, 연료 공급관(152)과 바이패스관(156)의 연통을 제어한다. 또한, 회수관(154)에는 회수관(154)과 스택(110)의 연통을 제어하는 회수 밸브(153)가 설치된다.
본 실시예에서는 3방향 밸브(151)가 설치된 것으로 예시하고 있지만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 연료 공급관(152)과 바이패스관(156)에 각각 밸브가 설치될 수 있다.
바이패스관(156)은 회수 밸브(153) 보다 더 개질기(120)와 인접하게 배치되는데, 이에 따라 연료 공급관(152)이 바이패스관(156)에만 연통되고, 회수 밸브(153)가 폐쇄되면 개질기(120)에서 나온 개질가스는 바이패스관(156)을 통해서 다시 개질기(120)로 이동할 수 있다. 그리고 상기한 3방향 밸브(151)와 회수 밸브(153)는 솔레노이드 밸브(solenoid valve)로 이루어진다.
스택(110)에는 공기의 공급을 위한 공기 공급관(142)이 연결 설치되는데, 공기 공급관(142)에는 공기를 밀어내는 공기 펌프(141)와 공기의 유량을 측정하는 공기 유량계(143), 및 공기의 습도를 상승시키는 가습기(146)가 설치된다.
공기 펌프(141)는 통상적으로 스택(110)에 공기를 공급하는 펌프로 이루어질 수 있으며, 본 실시예에 따른 공기 펌프(141)는 최대 압력이 10㎪ 내지 15㎪로 이루어질 수 있다.
가습기(146)와 스택(110) 사이에는 공기 공급관(142)의 압력을 측정하는 압력계(145)가 설치된다.
또한, 스택(110)에는 공기 배출관(144)이 설치되는데, 공기 배출관(144)은 가습기(146)와 연결되어 가습기(146)에 수분을 공급하고 외부로 배출된다. 공기 배출관(144)에는 공기의 배출을 제어하는 배출 밸브(147)가 설치된다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 퍼지 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 퍼지 방법은 스택(110)으로 공급되는 연료 공급량을 감소시키는 연료 공급 감소 단계(S101)와 스택(110)과 부하(161)와의 전기적인 연결을 차단하는 차단 단계(S102)와, 스택(110)으로 공급되는 공기 공급량을 감소시키면서 공기 배출을 막는 공기 공급 감소 단계(S103)와, 부하를 걸어 산소를 소모하면서 공기 중의 질소로 스택(110) 내부를 충진(充塡)하는 질소 충진 단계(S104), 및 연료의 공급을 중단하는 정지 단계(S105)를 포함한다.
연료 공급 감소 단계(S101)에 있어서, 연료의 양은 정상 운전 시에 스택(110)으로 공급되는 연료 양의 1/5 내지 1/3 수준으로 감소시킬 수 있으며, 바람직하게는 정상 운전 시에 스택(110)으로 공급되는 연료의 양의 1/4 수준으로 감소시킬 수 있다. 연료 공급을 감소하면서 부하에서 소모하는 전력도 감소시키는데, 부하(161) 전력 및 연료의 공급은 선형적으로 감소된다. 이와 같이 선형적으로 감소시키면 스택(110)에 무리가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
부하(161)의 전력이 선형적으로 감소되면 스택(110)과 부하(161)와의 연결을 차단한다(S102). 상기한 연결이 차단되는 부하(161)는 스택(110)의 정상 운전 시에 스택(110)과 연결되어 전력을 소모하는 주된 부하를 의미한다.
본 실시예에서는 부하(161)와의 전기적인 연결을 차단하고 전압 감소기(163)를 연결하는 것으로 예시하고 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 일부 부하(161)와 연결을 유지하면서 부하(161)를 이용하여 전압을 감소시킬 수도 있다.
공기 공급 감소 단계(S103)에서는 공기 펌프(141)의 출력을 낮추어서 소량의 공기를 스택(110)으로 공급하며, 공기의 공급 양을 감소하면서 배출 밸브(147)를 폐쇄하므로 스택(110)에서 공기가 배출되지 못한다.
이때, 공기 펌프(141)는 최대 공급 압력이 10㎪ 내지 15㎪인 펌프를 사용하는 바, 이에 따라 스택(110)에 큰 압력이 걸려서 스택(110)이 파손되는 것을 방지할 수 있다.
공기의 양은 정상 운전 시에 스택(110)으로 공급되는 공기 양의 30% 내지 50% 수준으로 감소시킬 수 있으며, 바람직하게는 정상 운전 시에 스택(110)으로 공급되는 공기의 양의 40% 수준으로 감소시킬 수 있다.
질소 충진 단계에서는 전압 감소기(163)와 스택(110)을 연결하여 부하를 연결함으로써 산소를 소모하고, 공기 중의 질소로 스택 내부를 충진한다. 이때 부하라 함은 스택(110)과 연결되어 스택(110)에서 생성된 전력을 소비하는 모든 종류의 전기 기기가 될 수 있으며, 본 실시예에서는 전압 감소기(163)가 된다.
전압 감소기(163)는 스택(110)에서 발생된 전력을 소모하여 스택(110)이 낮은 부하에서 발전을 수행하도록 하며, 스택을 구성하는 셀의 촉매활성면적에 5㎃/㎠ 내지 20㎃/㎠의 부하가 가해지도록 전력을 소모한다.
촉매활성면적에 적용된 부하가 5㎃/㎠ 보다 더 작으면 산소가 제대로 감소되지 못하는 문제가 있으며, 촉매활성면적에 적용된 부하가 20㎃/㎠ 보다 더 크면 촉매활성영역이 손상되는 문제가 있다.
공기 중에는 산소가 21% 정도, 질소가 78%정도 포함되어 있는 바, 발전을 통해서 산소를 소모하면 스택(110) 내부는 점차 불활성 가스인 질소로 채워진다. 이때, 질소의 충진은 스택(110)의 셀 전압이 0.1V 내지 0.4V가 될 때까지 지속한다. 셀 전압이 0.4V보다 크면 잔류 산소량이 많아서 촉매가 산화되는 문제가 있으며, 셀 전압이 0.1V보다 작으면 셀에 역전압이 걸려서 오히려 촉매가 산화되는 문제가 발생할 수 있다. 이 때 셀 전압이라 함은 스택을 구성하는 셀의 평균 전압을 의미한다.
정지 단계(S105)는 공기 펌프(141)의 작동을 중지하고, 전압 감소기(163)와 스택(110)의 연결을 차단하는 단계와, 바이패스관(156)과 연료 공급관(152)을 연결하고, 연료 공급관(152)과 스택(110)의 연결을 차단하는 단계를 포함한다.
정지 단계(S105)에서는 공기 배출관(144)에 설치된 배출 밸브(147)를 폐쇄하여 질소의 유출 및 산소의 유입을 차단하며, 공기 펌프(141)의 작동이 중지되면 가습기(146)의 압력 차손(pressure drop)으로 더 이상 스택(110)으로 공기가 유입되는 것을 방지할 수 있다. 이 상태에서 전압 감소기(163)와 스택(110)의 연결을 차단하면 스택(110)은 더 이상 발전을 수행하지 않고 정지한다.
또한, 연료 공급관(152)과 스택(110)의 연결을 차단하면 연료가 더 이상 스택(110)으로 유입되지 아니하며, 연료 공급관(152)과 바이패스관(156)을 연결시키면 연료가 바이패스관(156)을 통해서 개질기(120)로 회수된다. 이때, 회수관(154)의 회수 밸브(153)를 폐쇄하여 연료 전지 스택(110)과 개질기(120)의 연결을 완전히 차단한다.
본 실시예와 같이 산소를 소모하여 공기 중의 질소로 스택(110) 내부를 채우면 산소로 인하여 캐소드 촉매 등이 산화되는 것을 안정적으로 방지할 수 있다. 또한, 공기 중의 질소를 이용하여 퍼지함으로써 별도로 질소 저장 장치 등을 설치할 필요가 없다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 도시한 개략적인 구성도이다.
도 3을 참조하여 설명하면, 본 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 공기 공급관(142)에 설치된 공기 공급 밸브(148)를 포함한다. 상기한 공기 공급 밸브(148)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.
공기 공급 밸브(148)는 압력계(145)와 가습기(146) 사이에 설치된다. 이와 같이 공기 공급 밸브(148)를 설치하면 발전을 완전히 정지한 후에 공기 공급 밸브(148)를 폐쇄하여 확산 등에 의하여 공기 중의 산소가 스택(110)으로 유입되는 것을 안정적으로 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 퍼지 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4를 참조하여 설명하면, 본 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 퍼지 방법은 스택(110)으로 공급되는 연료 공급량을 감소시키는 연료 공급 감소 단계(S201)와 부하(161)와의 전기적인 연결을 차단하는 차단 단계(S202)와, 공기량을 감소하여 스택(110)으로 공급하는 공기 공급 감소 단계(S203)와, 공기 공급 압력을 상한 압력과 비교하는 제1 압력 비교 단계(S204)와, 공기의 공급을 중단하는 공기 공급 중단 단계(S205)와 산소를 소모하여 질소를 충진하는 질소 충진 단계(S206)와, 공기 공급 압력을 하한 압력과 비교하는 제2 압력 비교 단계(S207)와 셀 전압을 기준 전압과 비교하는 전압 비교 단계(S208)를 포함한다.
연료 공급 감소 단계(S201)에 있어서, 연료의 양은 정상 운전 시에 스택(110)으로 공급되는 연료 양의 1/5 내지 1/3 수준으로 감소시킬 수 있으며, 바람직하게는 정상 운전 시에 스택(110)으로 공급되는 연료의 양의 1/4 수준으로 감소시킬 수 있다.
제1 압력 비교 단계(S204)에서 공기 배출을 막고 공기량을 감소하여 공급할 때, 압력계(145)를 이용하여 공기 공급관(142) 내부의 압력 상승을 검출한다. 공기를 지나치게 많이 공급하면 스택(110)이 파손되거나 손상될 수 있기 때문이다. 공기량을 감소하여 공급함에 있어서 공기 공급 압력이 상한 압력보다 크면 공기의 공급을 중단하고(S207), 공기 공급 압력이 상한 압력보다 작으면 계속 공기를 공급한다(S205).
여기서 상한 압력은 8㎪ 내지 15㎪로 설정된다. 상한 압력이 8㎪보다 더 작으면 스택(110) 내부에 공기가 충분히 공급되지 못하는 문제가 있으며, 상한 압력이 15㎪보다 더 크면 스택(110)에 큰 압력이 가해져서 스택(110)이 파손되는 문제가 있다.
공기 공급 중단 단계(S207)는 공기 공급 압력이 상한 압력보다 클 때, 공기 공급 밸브(148)를 폐쇄하여 공기가 스택(110)으로 유입되는 것을 차단한다.
이와 같이 제1 압력 비교 단계와 공기 공급 중단 단계는 공기 공급 감소 단계에서 공기를 공급하는 과정에서 거의 동시에 수행될 수 있는 바, 제1 압력 비교 단계와 공기 공급 중단 단계는 공기 공급 감소 단계에 포함될 수 있다.
공기의 공급이 중단되면 전압 감소기(163)와 스택(110)을 연결하여 부하를 연결함으로써 산소를 소모하고, 공기 중의 질소로 스택(110) 내부를 충진한다(S206).
질소를 충진하는 과정에서 산소가 소모되면 스택 내부의 압력이 감소하는 바, 제2 압력 비교 단계(S207)에서 공기 공급관(142)의 압력과 하한 압력을 비교하여 공기 공급 압력이 하한 압력보다 크면 공기 공급 밸브(148)를 개방하여 다시 공기를 공급하고, 상한 압력과 비교하여 공기가 충분히 채워졌다고 판단되면 공기의 공급을 중단하고 부하인 전압 감소기를 걸어 산소를 소모하면서 질소를 충진한다. 여기서 하한 압력은 2㎪ 내지 5㎪이 된다.
제2 압력 비교 단계는 질소를 충진하는 과정에서 질소 충진 단계와 동시에 수행될 수 있는 바, 제2 압력 비교 단계는 질소 충진 단계에 포함될 수 있다.
이와 같이 스택(110)의 압력 변화에 따라 공기의 공급과 차단을 반복하면 스택(110)의 손상을 방지하면서 지속적으로 스택(110) 내부에 공기를 공급할 수 있다.
또한, 공급된 공기 중에서 산소만을 소모하여 질소로 스택(110) 내부를 충진함으로써 스택(110) 캐소드극 유로 내의 산소를 안정적으로 제거하여 스택(110)내 촉매층이 열화되는 것을 방지할 수 있다.
전압 비교 단계(S208)에서는 질소를 충진하면서 셀의 전압을 기준 전압과 비교하여 셀 전압이 기준 전압보다 크면 계속해서 질소를 충진하고 충진하다가 압력을 비교하여 공기 공급 압력이 하한 압력 보다 낮아지면 다시 공기를 공급한 후, 질소를 충진한다. 이와 같이 질소를 충진하는 단계를 행함에 있어서 제2 압력 비교 단계와 전압 비교 단계는 동시에 수행될 수 있다.
기준 전압은 0.1V 내지 0.4V로 이루어진다. 전압 비교 단계는 스택(110) 내부에 잔존하는 산소의 양을 확인하는 단계로서 셀의 전압이 기준 압력 이하가 되도록 하면 스택(110) 내부의 산소를 안정적인 수준으로 제거하여 촉매층에서 산화현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
여기서 전압 비교를 통해서 스택(110)의 셀전압이 기준 전압보다 작으면 전압 감소기(163)와 스택(110)의 연결을 차단하고, 연료의 공급을 중단한다. 연료 공급의 중단은 바이패스관(156)과 상기 연료 공급관(152)을 연결하고, 연료 공급관(152)과 스택(120)의 연결을 차단하며 회수 밸브(153)를 닫아서 개질기(120)와 스택(110)의 연결을 차단한다. 이에 따라 연료는 연료 공급관(152)과 바이스패관(156) 및 회수관(154)을 거쳐서 다시 개질기(120)로 회수된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims (16)

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

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107946614B (zh) * 2017-11-13 2019-09-03 天津大学 质子交换膜燃料电池阳极氮气吹扫策略的设计方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5832903B2 (ja) * 1978-07-28 1983-07-15 富士電機株式会社 燃料電池の休止方法
JP2001132901A (ja) * 1999-10-29 2001-05-18 Toyo Radiator Co Ltd 蒸気発生器
JP2005100846A (ja) * 2003-09-25 2005-04-14 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2005259664A (ja) * 2004-03-15 2005-09-22 Ebara Ballard Corp 燃料電池スタックの運転方法および燃料電池システム
JP4839596B2 (ja) * 2004-10-26 2011-12-21 日産自動車株式会社 燃料電池システムの停止保管方法
WO2008026449A1 (en) 2006-08-29 2008-03-06 Canon Kabushiki Kaisha Method for stopping power generation of fuel cell system and fuel cell system including power generation stopping unit
US8445145B2 (en) 2006-09-22 2013-05-21 GM Global Technology Operations LLC Stack shutdown purge method
KR100945945B1 (ko) * 2007-07-06 2010-03-05 (주)퓨얼셀 파워 연료전지 시스템 및 연료전지 시스템의 퍼지 방법
JP5382408B2 (ja) * 2008-07-22 2014-01-08 アイシン精機株式会社 燃料電池システム

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113479066A (zh) * 2021-08-17 2021-10-08 金华氢途科技有限公司 一种叉车用高集成度多功能高压配电箱

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