(57)【要約】パージバルブを開閉させて、燃料電池スタック内に存在する水がガスと共に燃料電池スタック外部に排出されるようにする燃料電池のパージ方法が開示され、この方法は、パージバルブを用いて複数回の短周期パージを遂行することと、パージバルブを用いて一度の長周期パージを遂行することとを含み、短周期パージ及び長周期パージを繰り返し遂行することを特徴とする。燃料電池のパージ方法は、パージバルブを利用して複数回の短周期パージを遂行した後、一度の長周期パージを遂行し、短周期パージ及び長周期パージを繰り返し遂行することで、短周期パージのみ、または長周期パージのみを遂行した時の問題点を解決することができるようになって、その結果、燃料電池の効率及び性能が向上して、燃料電池の安定的な運転の可能な効果がある点で有利である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パージバルブを開閉させることによって、燃料電池スタック内に存在する水がガスと共に前記燃料電池スタック外部に排出されるようにする、燃料電池のパージ方法において、
前記パージバルブを用いて、複数回の短周期パージを遂行することと、
前記パージバルブを用いて、一度の長周期パージを遂行することと、
を含み、
前記短周期パージ及び前記長周期パージを繰り返し遂行することを特徴とする燃料電池のパージ方法。
【請求項２】
前記長周期パージでは、２〜２０分に一度、前記パージバルブ開放がなされることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のパージ方法。
【請求項３】
前記長周期パージでは、前記パージバルブを１〜１０秒間開放することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池のパージ方法。
【請求項４】
前記長周期パージでは、１０分に一度、前記パージバルブ開放がなされるようにして、前記パージバルブを３秒間開放することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のパージ方法。
【請求項５】
前記短周期パージでは、１〜６０秒に一回、前記パージバルブ開放がなされることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のパージ方法。
【請求項６】
前記短周期パージでは、前記パージバルブを０．５〜３秒開放することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池のパージ方法。
【請求項７】
前記短周期パージでは、１０〜１５秒に一度、前記パージバルブ開放がなされるようにして、前記パージバルブを１〜２秒間開放することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のパージ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のパージ方法に関するものであり、より詳細には、燃料電池の効率及び性能を向上させ得る、燃料電池のパージ方法に関するものである。
〔背景技術〕
【０００２】
一般に、バッテリーがエネルギー保存装置であるとすると、燃料電池は化学エネルギーを電気エネルギーに転換させる装置であると言える。
【０００３】
すなわち、燃料電池では水素と酸素が結合して水が作られる過程を通じて電気が生産される。
【０００４】
また、エンジンやタービンとは異なり、燃料電池は、燃料を燃焼しないため、窒素酸化物や硫黄を発生させない。
【０００５】
現在、燃料電池は代替電源として多様な用途で使われている。以下、説明の便宜のために、様々なタイプの燃料電池のうちで固体高分子形燃料電池を中心に説明する。
【０００６】
前記固体高分子形燃料電池は、出力密度及びエネルギー転換効率が高くて、８０℃以下の低い温度で作動可能であり、小型化、密閉化が可能であるので、無公害自動車、家庭用発電システム、移動通信装備、軍事用装備、医療機器などの電源として使われている。
【０００７】
このような固体高分子形燃料電池で、電気エネルギーの出力は、水素イオンであるプロトンがNafion（商標）という高分子膜を通って移動される程度に依存している。前記高分子膜が水素イオンを通すためには適当に水和されなければならない。
【０００８】
高分子膜の水和は、固体高分子形燃料電池の相対湿度が燃料電池スタックの作動温度で１００％になるように、別途の加湿装置を用いて固体高分子形燃料電池のアノードとカソードに導入される反応ガスを加湿することにより行われる。
【０００９】
固体高分子形燃料電池の運転中にカソードにおける反応生成物として水が発生して、過量の水が固体高分子形燃料電池中に存在する場合がある。
【００１０】
前記カソードで生成された過量の水によって、高分子膜を通じてアノードにおける水素イオンの逆拡散が発生するおそれがあるので、高分子膜を境界として用いてカソード及びアノードの水分量を調節することが固体高分子形燃料電池の運転では重要である。
【００１１】
すなわち、アノード及びカソードを含む電極の加湿が不足であると、高分子膜を乾燥(dehydrate)させて、前記高分子膜の抵抗値が上がる。しかしながら、このような高分子膜の抵抗値の上昇は、プロトンの移動を抑制するので、固体高分子形燃料電池の電気効率を減少させる点で問題がある。
【００１２】
また、過量の水は、電極へのガスの移動及びプロトンの拡散を邪魔するので、固体高分子形燃料電池の安全性を落とすと同時に化学エネルギーを電気エネルギーに転換する効率を減少させる点で問題がある。
【００１３】
一般に、固体高分子形燃料電池では、乾燥(dehydration)の問題よりは、過量の水分(以下、「フラッディング現象」と称する)問題が重要である。
【００１４】
特に、高電流領域での運転環境では、カソードで反応物の生成が過多になって、水分が過多である場合に水滴によって触媒層へのガスの供給及び高分子膜へのプロトンの拡散が抑制されるので、燃料電池スタック全体の性能低下が現われる。
【００１５】
さらに、水は、燃料電池スタック内に存在する単位セル(unit cells)に均等に分布しないので、一部の単位セルの性能が低下する場合があり、よって、正常な運転が難しくなる。
【００１６】
したがって、固体高分子形燃料電池で生じるフラッディング現象は、固体高分子形燃料電池の反応効率を減少させ、固体高分子形燃料電池の安定的な運転を難しくするので、前記過量の水分を燃料電池スタックの外に排出させることが必須に要求される。
【００１７】
燃料電池から水を排出する従来方法は、構造的な方法及びパージ方法を含むことができる。
【００１８】
構造的な方法とは、分離板の流路を水排出が容易な蛇行型(serpentine)形態で設計して、圧力降下と流速に応じて、燃料電池からの水排出を容易にする方法である。
【００１９】
そして、パージ(purge)方法は、燃料電池スタック後端に設置したパージバルブを利用して、水とガスとの混合形態にある水の排出を促進させる方法である。
【００２０】
このようなパージ方法は、短周期パージ方法と長周期パージ方法とを含む。
【００２１】
図１は、従来技術の短周期パージ方法によるパージシグナルを示したグラフであり、パージ条件はパージ周期-１周期/５〜６０秒、パージ持続時間-０．５〜２秒である。
【００２２】
したがって、このような短周期パージ方法では、短い時間の間に頻繁にパージバルブを開放する。短周期パージ方法は、水を少しずつ排出して燃料電池が正常な出力を出すことができるようにする点で有利だが、短い時間の間に水が全部排出されることができずに燃料電池中に残るようになり、残った水によって燃料電池の性能が低下される点で問題があった。
【００２３】
図２は、従来技術の長周期パージ方法によるパージシグナルを示したグラフであり、パージ条件はパージ周期-１周期/１０分、パージ持続時間-３秒である。
【００２４】
したがって、このような長周期パージ方法では、比較的長い時間の間(３秒以上)パージバルブを開くが、燃料消費を考慮して約１０分に一回開放される。長い時間の間パージバルブが開放されるので、燃料消費が増加する点で、長周期には問題があった。
〔発明の詳細な説明〕
〔技術的課題〕
【００２５】
したがって、本発明は、前記従来技術の問題点に留意してなされたものであり、本発明の目的は、短周期パージ方法と長周期パージ方法の適切な調和を通じて燃料電池の効率及び性能が向上させ得る、燃料電池のパージ方法を提供することにある。
〔技術的解決方法〕
【００２６】
前記目的を達成するために、本発明は、燃料電池のパージ方法を提供し、この方法により、パージバルブを開閉させて、燃料電池スタック内に存在する水がガスと共に燃料電池スタック外部に排出される。この燃料電池のパージ方法は、前記パージバルブを用いて複数回の短周期パージを遂行することと、前記パージバルブを用いて一回の長周期パージを遂行することと、を含み、短周期パージ及び長周期パージを繰り返し遂行することを特徴とする。
【００２７】
ここで、前記長周期パージでは、２〜２０分に一回、パージバルブ開放がなされることを特徴とする。
【００２８】
この場合、パージバルブを、１〜１０秒の間、開放することを特徴とする。
【００２９】
代わりに、前記長周期パージでは、１０分に一度、パージバルブ開放がなされてよく、パージバルブを３秒の間、開放することができる。
【００３０】
また、前記短周期パージでは、１〜６０秒に一回、パージバルブ開放がなされることを特徴とする。
【００３１】
この場合、パージバルブを、０．５〜３秒の間、開放することを特徴とする。
【００３２】
代わりに、前記短周期パージでは、１０〜１５秒に一回、パージバルブの開放がなされるようにして、パージバルブを１〜２秒間、開放する。
〔有利な効果〕
【００３３】
本発明によると、パージバルブを利用して複数回の短周期パージを遂行した後、一度の長周期パージを遂行し、このような短周期パージ及び長周期パージを繰り返して遂行することで、短周期パージのみ、または長周期パージのみを遂行した時の問題点を解決することができるようになって、その結果、燃料電池の効率及び性能が向上して燃料電池の安定的な運転が可能となる。
〔発明の実施のための最良の形態〕
【００３４】
以下、本発明の望ましい実施例について、添付された図面を参照して詳しく説明する。
【００３５】
図３は、本発明による燃料電池のパージシグナルを示したグラフである。
【００３６】
同図面で見られるように、燃料電池のパージは、パージバルブ(図示せず)の開閉作動によってなされ、前記パージバルブは短周期パージの間、複数回開かれ、その後、長周期パージの間に一度開かれる。短周期パージ及び長周期パージを繰り返し遂行する。
【００３７】
この場合、前記長周期パージでは、２〜２０分に一度、パージバルブ開放がなされてよく、パージバルブのパージ維持時間を１〜１０秒とすることができる。
【００３８】
望ましくは、１０分に一回、パージバルブを開放させてよく、パージバルブのパージ維持時間を３秒とすることができる。
【００３９】
以下、前記したように長周期パージ値を固定した状態で多様な実験を通じて短周期パージの最適値を導出する。
【００４０】
まず、実験では、長周期パージのパージ条件を、パージ周期を１周期/１０分、パージ持続時間を３秒で固定する。
【００４１】
そして、１周期/１０秒、１周期/２０秒、および１周期/６０秒のパージ周期、ならびに１秒、および０．５秒のパージ持続時間という短周期パージのパージ条件で、６回の実験を遂行する。
【００４２】
さらに、電流を０Ａから４０Ａまで１０Ａずつ増加させた後、４０Ａで３０分間維持した状態で実験を進行する。
【００４３】
図４〜図９は、本発明による短周期パージの最適値を導出するための実験データを示したグラフである。
【００４４】
図４は、０．５秒間パージバルブが開放され、パージ周期が１周期/１０秒である場合に得られた結果を示しているし、図５は、１秒間パージバルブが開放され、パージ周期が１周期/１０秒である場合に得られた結果を示している。
【００４５】
図４および図５に示された前記実験結果を通じて、パージ周期が、１周期/１０秒である時、パージ持続時間が最小１秒以上にならなければならないことが分かる。
【００４６】
そして、図６は、０．５秒間パージバルブが開放され、パージ周期が１周期/２０秒である場合の結果を示しているし、図７は、１秒間パージバルブが開放され、パージ周期が１周期/２０秒である場合の結果を示している。
【００４７】
図６および図７に示される実験結果を通じて、パージ持続時間が０．５秒である場合、電圧降下が徐々に増大することが分かり、パージ持続時間が１秒である場合、電圧降下幅が一定に維持されることが分かる。
【００４８】
そして、図８は、０．５秒間パージバルブが開放され、パージ周期が１周期/６０秒である場合の結果を示しているし、図９は、１秒間パージバルブが開放され、パージ周期が１周期/６０秒である場合の結果を示している。
【００４９】
図８及び図９に示される実験結果を通じて、パージ周期が１周期/６０秒である時は、パージ持続時間にかかわらず電圧降下が発生されることが分かる。
【００５０】
前記のとおり、図４〜図９に示される実験結果から、長周期パージにおいてパージ周期を１周期/l０分、パージ持続時間を３秒で固定した場合、および、短周期パージにおいてパージ周期を１周期/１０〜１５秒、パージ持続時間を１〜２秒に固定した場合に、燃料電池の効率及び性能が一番安定することが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】従来技術の短周期パージ方法によるパージシグナルを示したグラフである。
【図２】従来技術の長周期パージ方法によるパージシグナルを示したグラフである。
【図３】本発明による燃料電池のパージシグナルを示したグラフである。
【図４】本発明による短周期パージの最適値を導出するための実験データを示したグラフである。
【図５】本発明による短周期パージの最適値を導出するための実験データを示したグラフである。
【図６】本発明による短周期パージの最適値を導出するための実験データを示したグラフである。
【図７】本発明による短周期パージの最適値を導出するための実験データを示したグラフである。
【図８】本発明による短周期パージの最適値を導出するための実験データを示したグラフである。
【図９】本発明による短周期パージの最適値を導出するための実験データを示したグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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