特許 7404470 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-15

(45)【発行日】2023-12-25

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20231218BHJP

   H01M 8/0606 20160101ALI20231218BHJP

   H01M 8/0438 20160101ALI20231218BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20231218BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 J

H01M8/0606

H01M8/0438

H01M8/04746

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2022142119

(22)【出願日】2022-09-07

(65)【公開番号】P2023039931

(43)【公開日】2023-03-22

【審査請求日】2022-09-07

(31)【優先権主張番号】10-2021-0120160

(32)【優先日】2021-09-09

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】502032105

【氏名又は名称】エルジー エレクトロニクス インコーポレイティド

【氏名又は名称原語表記】ＬＧ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＩＮＣ．

【住所又は居所原語表記】１２８， Ｙｅｏｕｉ－ｄａｅｒｏ， Ｙｅｏｎｇｄｅｕｎｇｐｏ－ｇｕ， ０７３３６ Ｓｅｏｕｌ，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ

(74)【代理人】

【識別番号】100109841

【弁理士】

【氏名又は名称】堅田 健史

(74)【代理人】

【識別番号】230112025

【弁護士】

【氏名又は名称】小林 英了

(72)【発明者】

【氏名】ヒジュン，チャン

(72)【発明者】

【氏名】ヒョンソク，ウ

【審査官】加藤 昌人

(56)【参考文献】

【文献】特開２００７－８０７２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－３１９３１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２７７５０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】韓国公開特許第１０－２０１１－００１９２７４（ＫＲ，Ａ）

【文献】特開２００５－１７４７５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００２／０１４２２００（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１４－１５４４２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２８２６９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０４－８／０６６８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池システムであって、
改質ガスを利用して電力を生成するスタックと、
前記スタックに改質ガスを供給する燃料処理装置と、
前記スタックと前記燃料処理装置とを連結し、前記燃料処理装置から吐出された前記改質ガスが流動する第１ガス流路と、
前記スタックと前記燃料処理装置とを連結し、前記スタックから吐出されたアノードオフガス（ａｏｎｄｅ ｏｆｆ ｇａｓ：ＡＯＧ）が流動する第２ガス流路と、
前記スタックから吐出されるアノードオフガスの一部を保存するバッファータンクと、
前記バッファータンクと前記第２ガス流路とを連結する第１バッファータンク流路と、
前記バッファータンクに保存されたアノードオフガスが流動する第２バッファータンク流路と、
前記第２バッファータンク流路に連結され、前記バッファータンクに保存されたアノードオフガスを前記スタックに供給するガスミキサーと、
前記スタックの余熱又は前記スタックに残存する空気を除去するために前記バッファータンクに保存されたアノードオフガスを前記スタックに供給するように前記ガスミキサーを調節する制御部と、を備える、燃料電池システム。

【請求項2】

前記第１バッファータンク流路に配置され、前記バッファータンクに供給されるアノードオフガスの流動を断続するバッファータンクバルブ、及び
前記バッファータンクバルブの前端に位置し、前記バッファータンクに供給されるアノードオフガスを圧縮するバッファータンク圧縮機、を更に備え、
前記制御部は、
発電運転時、前記ガスミキサーを閉鎖し、前記バッファータンクバルブを開放し、前記バッファータンク圧縮機を作動させて、前記スタックから吐出されるアノードオフガスの一部を加圧後、前記バッファータンクに保存する、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記バッファータンクに配置され、前記バッファータンク内に保存されたアノードオフガスの圧力を測定する圧力センサ、を更に備え、
前記制御部は、
前記圧力センサを介して測定された前記バッファータンク内に保存されたアノードオフガスの圧力が第１設定圧力以上であるとき、前記バッファータンクバルブを閉鎖させて、前記バッファータンク圧縮機を停止する、請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記スタックに空気を供給するブロワー、及び
前記スタックと前記ブロワーとの間に配置され、前記ブロワーから前記スタックに供給される空気を調節する空気供給バルブ、を更に備え、
前記制御部は、
パージ運転時、前記空気供給バルブを閉鎖し、前記ガスミキサーを開放して、前記バッファータンクに保存されたアノードオフガスを前記スタックに供給する、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記バッファータンクに配置され、前記バッファータンク内に保存されたアノードオフガスの圧力を測定する圧力センサ、を更に備え、
前記制御部は、
前記圧力センサを介して測定された前記バッファータンク内のアノードオフガスの圧力が第２設定圧力以下であるとき、前記ガスミキサーを閉鎖してパージ運転を終了する、請求項４に記載の燃料電池システム。

【請求項6】

前記スタックに空気を供給するブロワー、及び
前記スタックと前記ブロワーとの間に配置され、前記ブロワーから前記スタックに供給される空気を調節する空気供給バルブ、を更に備え、
前記制御部は、
スタックの予熱運転時、空気とアノードオフガスとが混合された後に前記スタックに供給されるように前記ガスミキサーと前記空気供給バルブを開放し、前記ブロワーを作動させる、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項7】

前記第１ガス流路に配置され、前記スタックに供給される改質ガスの流動を断続する第１ガスバルブと、
前記第１ガス流路と前記燃料処理装置とを連結するバイパス流路と、
前記バイパス流路に配置され、前記バイパス流路内の改質ガスの流動を断続するバイパスバルブと、を更に備え、
前記制御部は、
スタックの予熱運転時、前記燃料処理装置から吐出された改質ガスが再度前記燃料処理装置に流入するように前記第１ガスバルブを閉鎖し、前記バイパスバルブを開放する、請求項６に記載の燃料電池システム。

【請求項8】

燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムは、スタックと、前記スタックに空気を供給するブロワーと、前記スタックに改質ガスを供給する燃料処理装置と、前記スタックから吐出されるアノードオフガス（ａｎｏｄｅ ｏｆｆ ｇａｓ：ＡＯＧ）の一部を保存するバッファータンクと、バッファータンクバルブと、前記アノードオフガスと前記空気とを混合するガスミキサーと、を備え、
前記バッファータンクバルブが、前記バッファータンクに供給されるアノードオフガスの流動を断続するステップと、
前記アノードオフガスを圧縮するバッファータンク圧縮機を調節するステップと、
前記スタックから吐出されたアノードオフガスを前記バッファータンクに保存する発電運転を行うステップと、を含んでなる、燃料電池システムの制御方法。

【請求項9】

前記発電運転を行うステップは、
前記ガスミキサーを閉鎖し、前記バッファータンクバルブを開放し、前記バッファータンク圧縮機を作動させて、前記スタックから吐出されるアノードオフガスの一部を加圧後、前記バッファータンクに保存するステップを含む、請求項８に記載の燃料電池システムの制御方法。

【請求項10】

前記バッファータンクに保存するステップは、
前記バッファータンク内に保存されたアノードオフガスの圧力を測定する圧力センサを介して測定された圧力が第１設定圧力以上である場合、前記バッファータンクバルブを閉鎖させて、前記バッファータンク圧縮機を停止させるステップを含む、請求項９に記載の燃料電池システムの制御方法。

【請求項11】

前記スタックに向かう空気の流動を断続する空気供給バルブと、前記ガスミキサーを調節して前記スタックに残留する空気を除去するパージ運転を行うステップを更に含む、請求項８に記載の燃料電池システムの制御方法。

【請求項12】

前記パージ運転を行うステップは、
前記空気供給バルブを閉鎖し、前記ガスミキサーを開放して、前記バッファータンクに保存されたアノードオフガスを前記スタックに供給するステップを含む、請求項１１に記載の燃料電池システムの制御方法。

【請求項13】

前記パージ運転を行うステップは、
前記バッファータンク内に保存されたアノードオフガスの圧力を測定する圧力センサを介して測定された圧力が第２設定圧力以下である場合、前記ガスミキサーを閉鎖して前記パージ運転を終了するステップを含む、請求項１２に記載の燃料電池システムの制御方法。

【請求項14】

前記スタックに向かう空気の流動を断続する空気供給バルブ、前記ガスミキサー及び前記ブロワーを調節し、前記スタックを予熱するスタック予熱運転を行うステップを更に含む、請求項８に記載の燃料電池システムの制御方法。

【請求項15】

前記スタック予熱運転を行うステップは、
前記ガスミキサーと前記空気供給バルブを開放し、前記ブロワーを作動させて、空気とアノードオフガスとを前記ガスミキサーで混合した後、前記スタックに供給するステップを含む、請求項１４に記載の燃料電池システムの制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池システムに関し、より詳細には、発電運転の初期進入時のスタックの余熱、及び停止運転時にスタックに残留する空気を除去する燃料電池システムに関する。

【0002】

〔関連技術〕
本願は、韓国特許出願第１０－２０２１－０１２０１６０号（出願日：２０２１年９月９日）に基づくパリ条約４条の優先権主張を伴ったものであり、本願発明は、当該韓国特許出願に開示された内容に基づくものである。参考のために、当該韓国特許出願の明細書、特許請求の範囲及び図面の内容は本願明細書の一部に包摂される。

【背景技術】

【0003】

燃料電池システム（Ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ｓｙｓｔｅｍ）は、炭化水素系列の物質、例えば、メタノール、エタノール、天然ガスなどに含まれている水素を、酸素と電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる発電システムである。

【0004】

一般的な燃料電池システムは、特許文献１（韓国公開特許公報第１０－２０１２－００７１２８８号）と同様に、水素原子を含む燃料を水素ガスに転換改質（ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）する燃料処理装置と、燃料処理装置から供給される水素ガスを利用して電気エネルギーを発生させるスタック（ｓｔａｃｋ）を備える。また、燃料電池システムは、スタックを冷却し、熱を回収するための熱交換器及び冷却水配管、生産された直流電源を交流電源に変換する電力変換装置等をさらに備えることができる。

【0005】

一方、発電運転の終了後、スタック内に残存する酸素を除去するために、特許文献２（韓国公開特許公報第１０－２０１１－００１９２７４号）は、スタックに燃料を供給する燃料供給システムの水素パージラインに水素パージバルブと分岐する別途の分岐バルブを装着し、発電運転の終了時、前記分岐バルブを通過する水素が空気供給ラインを経由してスタック内カソード（Ｃａｔｈｏｄｅ）電極部をパージする案を開示しているが、前記カソード（Ｃａｔｈｏｄｅ）電極部に供給するためのアノードオフガス（Ａｎｏｄｅ Ｏｆｆ Ｇａｓ：ＡＯＧ）をさらに生成して供給しなければならないという問題点がある。

【0006】

したがって、発電運転の終了後、スタック内カソード（Ｃａｔｈｏｄｅ）電極部に残存する酸素を除去し、スタックの寿命減少を防止するための研究が必要なのが実情である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】韓国特許公開第１０－２０１２－００７１２８８号公報

【文献】韓国特許公開第１０－２０１１－００１９２７４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明は、前述した問題及び別の問題を解決することを目的とする。

【0009】

また別の目的は、発電運転の終了後、スタック内カソード（Ｃａｔｈｏｄｅ）電極部に残存する酸素を除去するためのパージ運転を行う燃料電池システムを提供することである。

【0010】

また別の目的は、発電運転時にスタックを予熱するスタック予熱運転を行う燃料電池システムを提供することである。

【0011】

また別の目的は、燃料電池システムのメンテナンスコストを低減できる燃料電池システムを提供することである。

【0012】

本発明の課題は、以上で言及した課題に制限されず、言及されないまた別の課題は、以下の記載から当業者にとって明確に理解できるはずである。

【課題を解決するための手段】

【0013】

〔本発明の一の態様〕
本発明にあっては、その一の態様として、以下の発明を提案する。
〔１〕
燃料電池システムであって、
改質ガスを利用して電力を生成するスタックと、
前記スタックに改質ガスを供給する燃料処理装置と、
前記スタックと前記燃料処理装置とを連結し、前記燃料処理装置から吐出された前記改質ガスが流動する第１ガス流路と、
前記スタックと前記燃料処理装置とを連結し、前記スタックから吐出されたアノードオフガス（ａｏｎｄｅ ｏｆｆ ｇａｓ：ＡＯＧ）が流動する第２ガス流路と、
前記スタックから吐出されるアノードオフガスの一部を保存するバッファータンクと、
前記バッファータンクと前記第２ガス流路とを連結する第１バッファータンク流路と、
前記バッファータンクに保存されたアノードオフガスが流動する第２バッファータンク流路と、
前記第２バッファータンク流路に連結され、前記バッファータンクに保存されたアノードオフガスを前記スタックに供給するガスミキサーと、
前記スタックの余熱又は前記スタックに残存する空気を除去するために前記バッファータンクに保存されたアノードオフガスを前記スタックに供給するように前記ガスミキサーを調節する制御部と、を備える、燃料電池システム。
〔２〕
前記第１バッファータンク流路に配置され、前記バッファータンクに供給されるアノードオフガスの流動を断続するバッファータンクバルブ、及び
前記バッファータンクバルブの前端に位置し、前記バッファータンクに供給されるアノードオフガスを圧縮するバッファータンク圧縮機、を更に備え、
前記制御部は、
発電運転時、前記ガスミキサーを閉鎖し、前記バッファータンクバルブを開放し、前記バッファータンク圧縮機を作動させて、前記スタックから吐出されるアノードオフガスの一部を加圧後、前記バッファータンクに保存する、〔１〕に記載の燃料電池システム。
〔３〕
前記バッファータンクに配置され、前記バッファータンク内に保存されたアノードオフガスの圧力を測定する圧力センサ、を更に備え、
前記制御部は、
前記圧力センサを介して測定された前記バッファータンク内に保存されたアノードオフガスの圧力が第１設定圧力以上であるとき、前記バッファータンクバルブを閉鎖させて、前記バッファータンク圧縮機を停止する、〔２〕に記載の燃料電池システム。
〔４〕
前記スタックに空気を供給するブロワー、及び
前記スタックと前記ブロワーとの間に配置され、前記ブロワーから前記スタックに供給される空気を調節する空気供給バルブ、を更に備え、
前記制御部は、
パージ運転時、前記空気供給バルブを閉鎖し、前記ガスミキサーを開放して、前記バッファータンクに保存されたアノードオフガスを前記スタックに供給する、〔１〕に記載の燃料電池システム。
〔５〕
前記バッファータンクに配置され、前記バッファータンク内に保存されたアノードオフガスの圧力を測定する圧力センサ、を更に備え、
前記制御部は、
前記圧力センサを介して測定された前記バッファータンク内のアノードオフガスの圧力が第２設定圧力以下であるとき、前記ガスミキサーを閉鎖してパージ運転を終了する、〔４〕に記載の燃料電池システム。
〔６〕
前記スタックに空気を供給するブロワー、及び
前記スタックと前記ブロワーとの間に配置され、前記ブロワーから前記スタックに供給される空気を調節する空気供給バルブ、を更に備え、
前記制御部は、
スタックの予熱運転時、空気とアノードオフガスとが混合された後に前記スタックに供給されるように前記ガスミキサーと前記空気供給バルブを開放し、前記ブロワーを作動させる、〔１〕に記載の燃料電池システム。
〔７〕
前記第１ガス流路に配置され、前記スタックに供給される改質ガスの流動を断続する第１ガスバルブと、
前記第１ガス流路と前記燃料処理装置とを連結するバイパス流路と、
前記バイパス流路に配置され、前記バイパス流路内の改質ガスの流動を断続するバイパスバルブと、を更に備え、
前記制御部は、
スタックの予熱運転時、前記燃料処理装置から吐出された改質ガスが再度前記燃料処理装置に流入するように前記第１ガスバルブを閉鎖し、前記バイパスバルブを開放する、〔６〕に記載の燃料電池システム。
〔８〕
燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムは、スタックと、前記スタックに空気を供給するブロワーと、前記スタックに改質ガスを供給する燃料処理装置と、前記スタックから吐出されるアノードオフガス（ａｎｏｄｅ ｏｆｆ ｇａｓ：ＡＯＧ）の一部を保存するバッファータンクと、バッファータンクバルブと、前記アノードオフガスと前記空気とを混合するガスミキサーと、を備え、
前記バッファータンクバルブが、前記バッファータンクに供給されるアノードオフガスの流動を断続するステップと、
前記アノードオフガスを圧縮するバッファータンク圧縮機を調節するステップと、
前記スタックから吐出されたアノードオフガスを前記バッファータンクに保存する発電運転を行うステップと、を含んでなる、燃料電池システムの制御方法。
〔９〕
前記発電運転を行うステップは、
前記ガスミキサーを閉鎖し、前記バッファータンクバルブを開放し、前記バッファータンク圧縮機を作動させて、前記スタックから吐出されるアノードオフガスの一部を加圧後、前記バッファータンクに保存するステップを含む、〔８〕に記載の燃料電池システムの制御方法。
〔１０〕
前記バッファータンクに保存するステップは、
前記バッファータンク内に保存されたアノードオフガスの圧力を測定する圧力センサを介して測定された圧力が第１設定圧力以上である場合、前記バッファータンクバルブを閉鎖させて、前記バッファータンク圧縮機を停止させるステップを含む、〔９〕に記載の燃料電池システムの制御方法。
〔１１〕
前記スタックに向かう空気の流動を断続する空気供給バルブと、前記ガスミキサーを調節して前記スタックに残留する空気を除去するパージ運転を行うステップを更に含む、〔８〕に記載の燃料電池システムの制御方法。
〔１２〕
前記パージ運転を行うステップは、
前記空気供給バルブを閉鎖し、前記ガスミキサーを開放して、前記バッファータンクに保存されたアノードオフガスを前記スタックに供給するステップを含む、〔１１〕に記載の燃料電池システムの制御方法。
〔１３〕
前記パージ運転を行うステップは、
前記バッファータンク内に保存されたアノードオフガスの圧力を測定する圧力センサを介して測定された圧力が第２設定圧力以下である場合、前記ガスミキサーを閉鎖して前記パージ運転を終了するステップを含む、〔１２〕に記載の燃料電池システムの制御方法。
〔１４〕
前記スタックに向かう空気の流動を断続する空気供給バルブ、前記ガスミキサー及び前記ブロワーを調節し、前記スタックを予熱するスタック予熱運転を行うステップを更に含む、〔８〕に記載の燃料電池システムの制御方法。
〔１５〕
前記スタック予熱運転を行うステップは、
前記ガスミキサーと前記空気供給バルブを開放し、前記ブロワーを作動させて、空気とアノードオフガスとを前記ガスミキサーで混合した後、前記スタックに供給するステップを含む、〔１４〕に記載の燃料電池システムの制御方法。

【0014】

前記課題を達成するための、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムは、改質ガスを利用して電力を生成するスタックと、前記スタックに改質ガスを供給する燃料処理装置と、前記スタックと前記燃料処理装置とを連結し、前記燃料処理装置から吐出された前記改質ガスが流動する第１ガス流路と、前記スタックと前記燃料処理装置とを連結し、前記スタックから吐出されたアノードオフガス（ａｏｎｄｅ ｏｆｆ ｇａｓ：ＡＯＧ）が流動する第２ガス流路と、前記スタックから吐出されるアノードオフガスの一部を保存するバッファータンクと、前記バッファータンクと前記第２ガス流路とを連結する第１バッファータンク流路と、前記バッファータンクに保存されたアノードオフガスが流動する第２バッファータンク流路と、前記第２バッファータンク流路に連結され、前記バッファータンクに保存されたアノードオフガスを前記スタックに供給するガスミキサーと、前記スタックの余熱又は前記スタックに残存する空気を除去するために前記バッファータンクに保存されたアノードオフガスを前記スタックに供給するように前記ガスミキサーを調節する制御部と、を含む（備える；構成する；構築する；設定する；包接する；包含する；含有する）ことができる。

【0015】

前記第１バッファータンク流路に配置され、前記バッファータンクに供給されるアノードオフガスの流動を断続するバッファータンクバルブ、及び前記バッファータンクバルブの前端に位置し、前記バッファータンクに供給されるアノードオフガスを圧縮するバッファータンク圧縮機をさらに含み、前記制御部は、発電運転時、前記ガスミキサーを閉鎖し、前記バッファータンクバルブを開放し、前記バッファータンク圧縮機を作動させて、前記スタックから吐出されるアノードオフガスの一部を加圧後、前記バッファータンクに保存することができる。

【0016】

前記バッファータンクに配置され、前記バッファータンク内に保存されたアノードオフガスの圧力を測定する圧力センサをさらに含み、前記制御部は、前記圧力センサを介して測定された前記バッファータンク内に保存されたアノードオフガスの圧力が第１設定圧力以上であるとき、前記バッファータンクバルブを閉鎖させて、前記バッファータンク圧縮機を停止することができる。

【0017】

前記スタックに空気を供給するブロワー、及び前記スタックと前記ブロワーとの間に配置され、前記ブロワーから前記スタックに供給される空気を調節する空気供給バルブをさらに含み、前記制御部は、パージ運転時、前記空気供給バルブを閉鎖し、前記ガスミキサーを開放して、前記バッファータンクに保存されたアノードオフガスを前記スタックに供給できる。

【0018】

前記バッファータンクに配置され、前記バッファータンク内に保存されたアノードオフガスの圧力を測定する圧力センサをさらに含み、前記制御部は、前記圧力センサを介して測定された前記バッファータンク内のアノードオフガスの圧力が第２設定圧力以下であるとき、前記ガスミキサーを閉鎖してパージ運転を終了することができる。

【0019】

前記スタックに空気を供給するブロワー、及び前記スタックと前記ブロワーとの間に配置され、前記ブロワーから前記スタックに供給される空気を調節する空気供給バルブをさらに含み、前記制御部は、スタックの予熱運転時、空気とアノードオフガスとが混合された後に前記スタックに供給されるように前記ガスミキサーと前記空気供給バルブを開放し、前記ブロワーを作動させることができる。

【0020】

前記第１ガス流路に配置され、前記スタックに供給される改質ガスの流動を断続する第１ガスバルブと、前記第１ガス流路と前記燃料処理装置とを連結するバイパス流路と、前記バイパス流路に配置され、前記バイパス流路内の改質ガスの流動を断続するバイパスバルブとをさらに含み、前記制御部は、スタックの予熱運転時、前記燃料処理装置から吐出された改質ガスが再度前記燃料処理装置に流入するように前記第１ガスバルブを閉鎖し、前記バイパスバルブを開放することができる。

【0021】

一方、前記課題を達成するための、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの制御方法は、前記バッファータンクに供給されるアノードオフガスの流動を断続するバッファータンクバルブと、前記アノードオフガスを圧縮するバッファータンク圧縮機を調節し、前記スタックから吐出されたアノードオフガスを前記バッファータンクに保存する発電運転を行うステップを含むことができる。

【0022】

前記発電運転を行うステップは、前記ガスミキサーを閉鎖し、前記バッファータンクバルブを開放し、前記バッファータンク圧縮機を作動させて、前記スタックから吐出されるアノードオフガスの一部を加圧後、前記バッファータンクに保存するステップを含むことができる。

【0023】

前記スタックから吐出されたアノードオフガスを前記バッファータンクに保存するステップは、前記バッファータンク内に保存されたアノードオフガスの圧力を測定する圧力センサを介して測定された圧力が第１設定圧力以上である場合、前記バッファータンクバルブを閉鎖させて、前記バッファータンク圧縮機を停止させるステップを含むことができる。

【0024】

一方、前記課題を達成するための、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの制御方法は、前記スタックに向かう空気の流動を断続する空気供給バルブと、前記ガスミキサーを調節して前記スタックに残留する空気を除去するパージ運転を行うステップをさらに含むことができる。

【0025】

前記パージ運転を行うステップは、前記空気供給バルブを閉鎖し、前記ガスミキサーを開放して、前記バッファータンクに保存されたアノードオフガスを前記スタックに供給するステップを含むことができる。

【0026】

前記パージ運転を行うステップは、前記バッファータンク内に保存されたアノードオフガスの圧力を測定する圧力センサを介して測定された圧力が第２設定圧力以下である場合、前記ガスミキサーを閉鎖して前記パージ運転を終了するステップを含むことができる。

【0027】

一方、前記課題を達成するための、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの制御方法は、前記スタックに向かう空気の流動を断続する空気供給バルブ、前記ガスミキサー及び前記ブロワーを調節し、前記スタックを予熱するスタック予熱運転を行うステップをさらに含むことができる。

【0028】

前記スタック予熱運転を行うステップは、前記ガスミキサーと前記空気供給バルブを開放し、前記ブロワーを作動させて、空気とアノードオフガスとを前記ガスミキサーで混合した後、前記スタックに供給するステップを含むことができる。

【0029】

その他の実施形態の具体的な事項は、詳細な説明及び図面に含まれている。

【発明の効果】

【0030】

本発明の多様な実施形態に係ると、発電運転の終了後、バッファータンクに保存されたアノードオフガスをスタックに供給するパージ運転を行い、スタック内残存する酸素を除去することによって、カソード電極部の酸化によるスタックの寿命減少を防止することができる。

【0031】

また、本発明の多様な実施形態に係ると、前記パージ運転によりスタックの使用年限などが増加するに伴ってシステムのメンテナンスコストが低減し、経済性を確保することができる。

【0032】

さらに、本発明の多様な実施形態に係ると、発電運転の初期進入時にバッファータンクに保存されたアノードオフガスがスタックに供給されることによって、スタックが速く予熱されて、発電効率を向上することができる。

【0033】

本発明の効果は、以上で言及した効果に制限されず、言及されないまた別の効果は、請求範囲の記載から当業者にとって明確に理解できるはずである。

【図面の簡単な説明】

【0034】

【図1】本発明の一実施形態に係る燃料処理装置の構成に対する概略図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムに対する構成図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムに対する構成図である。

【図4】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの制御方法に関するフローチャートである。

【図5】本発明の一実施形態に係るスタック予熱運転の制御方法に関するフローチャートである。

【図6】本発明の一実施形態に係るスタック予熱運転を説明する図である。

【図7】本発明の一実施形態に係る発電運転の制御方法に関するフローチャートである。

【図8a-8b】本発明の一実施形態に係る発電運転を説明する図である。

【図9】本発明の一実施形態に係る停止運転の制御方法に関するフローチャートである。

【図10a-10b】本発明の一実施形態に係る停止運転を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0035】

以下では、図面を参照として本発明を詳細に説明する。図面においては、本発明を明確且つ簡略に説明するために説明と関係ない部分の図示を省略しており、明細書全体を通じて同一又は極めて類似する部分については同一の図面参照符号を使用する。

【0036】

以下の説明で使用される構成要素に対する接尾辞「モジュール」及び「部」は、単純に本明細書の作成の容易さのみが考慮されて与えられるものであって、それ自体で特別に重要な意味又は役割を与えるわけではない。従って、前記「モジュール」及び「部」は、互いに混用されて使用されることもある。

【0037】

本出願において、「含む」又は「有する」等の用語は、明細書上に記載された特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部品、又はこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであり、一つ又はそれ以上の異なる特徴や数字、ステップ、動作、構成要素、部品、又はこれらを組み合わせたものの存在又は付加の可能性を予め排除しないものと理解されなければならない。

【0038】

また、本明細書において、多様な要素を説明するために第１、第２等の用語が用いられ得るが、このような要素は、このような用語により制限されない。このような用語は、ある要素を他の要素から区別するためにのみ用いられ得る。

【0039】

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料処理装置の構成に対する概略図である。

【0040】

図１を参照すると、燃料処理装置１０は、脱硫器１１０、バーナー１２０、蒸気発生器１３０、改質器１４０、第１反応器１５０及び／又は第２反応器１６０を含むことができる。燃料処理装置１０は、少なくとも１つのミキサー１１１、１１２をさらに含むことができる。

【0041】

脱硫器１１０は、燃料ガスに含まれた硫黄化合物を除去する脱硫工程を行うことができる。例えば、脱硫器１１０は内部に吸着剤を備えることができる。その際、脱硫器１１０の内部を通過する燃料ガスに含まれた硫黄化合物が吸着剤に吸着されることができる。

【0042】

吸着剤は、金属酸化物、ゼオライト（Ｚｅｏｌｉｔｅ）、活性炭素（ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ）などで構成されることができる。

【0043】

脱硫器１１０は、燃料ガスに含まれた異物を除去するフィルタをさらに含むことができる。

【0044】

バーナー１２０は、改質器１４０における改質反応が促進されるように、改質器１４０に熱を供給できる。例えば、脱硫器１１０から吐出された燃料ガスと外部から流入した空気とが第１ミキサー１１１で混合されて、バーナー１２０に供給されることができる。その際、バーナー１２０は、燃料ガスと空気とが混合された混合ガスを燃焼させて、燃焼熱を発生させることができる。その際、バーナー１２０で供給される熱により、改質器１４０の内部温度が適正温度（例えば、８００℃）に維持されることができる。

【0045】

一方、混合ガスの燃焼によりバーナー１２０で生成される排気ガスは、燃料処理装置１０の外部に排出されることができる。

【0046】

蒸気発生器１３０は、水を気化させて水蒸気に排出することができる。例えば、蒸気発生器１３０は、バーナー１２０で生成される排気ガス、第１反応器１５０及び／又は第２反応器１６０から熱を吸収し、水を気化させることができる。

【0047】

蒸気発生器１３０は、第１反応器１５０、第２反応器１６０及び／又はバーナー１２０から排出される排気ガスが流動する配管に隣接して配置され得る。

【0048】

改質器１４０は、触媒を利用し、硫黄化合物が除去された燃料ガスから水素ガスを生成する改質工程を行うことができる。例えば、脱硫器１１０から吐出された燃料ガスと蒸気発生器１３０から吐出された水蒸気とが第２ミキサー１１２で混合されて、改質器１４０に供給されることができる。その際、改質器１４０に供給された燃料ガスと水蒸気が改質器１４０内で改質反応する場合、水素ガスが生成され得る。

【0049】

第１反応器１５０は、改質器１４０から吐出されるガスに含まれた成分のうち、改質反応により生成される一酸化炭素を低減することができる。例えば、改質器１４０から吐出されるガスに含まれた一酸化炭素が第１反応器１５０の内部で水蒸気と反応し、二酸化炭素と水素が生成され得る。その際、第１反応器１５０の内部温度は、改質器１４０の内部温度より低く、常温より高い温度（例：２００℃）であり得る。

【0050】

第１反応器１５０は、シフト反応器（ｓｈｉｆｔ ｒｅａｃｔｏｒ）と名付けられ得る。

【0051】

第２反応器１６０は、第１反応器１５０から吐出されるガスに含まれた成分のうち、残存する一酸化炭素を低減することができる。例えば、第１反応器１５０から吐出されたガスに含まれた一酸化炭素が第２反応器１６０の内部で酸素と反応する選択的酸化（ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ：ＰＲＯＸ）反応が起こり得る。

【0052】

一方、選択的酸化反応の場合、多量の酸素が必要であるので、空気の追加供給が要求され、追加供給された空気により水素が希釈されて、スタックに供給される水素の濃度が減少するという短所がある。従って、このような短所を克服するために、一酸化炭素と水素が反応する選択的メタン化（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｍｅｔｈａｎａｔｉｏｎ）反応が活用され得る。

【0053】

一方、改質器１４０、第１反応器１５０及び／又は第２反応器１６０を経て燃料処理装置１０から吐出されるガスは、改質ガスと名付けられ得る。

【0054】

スタック２０は、燃料処理装置１０から供給される改質ガスに電気化学反応を起こして電気エネルギーを生成できる。

【0055】

スタック２０は、電気化学反応が起こる単一セルが積層されて構成されることができる。

【0056】

単一セルは、電解質膜を中心に燃料極と空気極が配置された膜－電極接合体（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）、セパレータ（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）等で構成されることができる。膜－電極接合体の燃料極では、水素が触媒により水素イオンと電子とに分離されて電気が発生し得、膜－電極接合体の空気極では、水素イオンと電子が酸素と結合して水が生成され得る。

【0057】

スタック２０は、電気化学反応の過程で発生する熱を防熱するスタック熱交換器（図示せず）をさらに含むことができる。スタック熱交換器は、水を冷媒に使用する熱交換器であり得る。例えば、スタック熱交換器に供給される冷却水が電気化学反応の過程で発生する熱を吸収することができ、吸収された熱により温度が上昇した冷却水がスタック熱交換器の外部に吐出されることができる。

【0058】

図２及び３は、本発明の一実施形態に係る燃料処理装置を含む燃料電池システムに対する構成図である。

【0059】

図２を参照すると、燃料電池システム１は、燃料処理部Ｉ、電力生成部ＩＩ、冷却水循環部ＩＩＩ及び／又は熱回収部ＩＶを含むことができる。

【0060】

燃料処理部Ｉは、燃料処理装置１０、燃料処理装置１０に供給される燃料ガスの流動を調節する燃料バルブ３０、空気を燃料処理装置１０に流動させる第１ブロワー７１等を含むことができる。

【0061】

電力生成部ＩＩは、スタック２０ａ、２０ｂ、燃料処理装置１０から吐出された改質ガスの熱交換が生じる改質ガス熱交換器２１、スタック２０ａ、２０ｂで反応せずに排出されるガスの熱交換が生じるＡＯＧ熱交換器２２、スタック２０ａ、２０ｂに供給される空気に水分を供給する加湿装置２３、空気をスタック２０ａ、２０ｂに流動させる第２ブロワー７２等を含むことができる。ここで、スタック２０ａ、２０ｂで反応せずに排出されるガスは、正極排出ガス（ａｎｏｄｅ ｏｆｆ ｇａｓ：ＡＯＧ）と名付けられ得る。本発明の一実施形態において、燃料電池システム１が２つのスタック２０ａ、２０ｂを備えるものと説明しているが、これに制限されない。

【0062】

冷却水循環部ＩＩＩは、燃料電池システム１で生成される水を保存する水供給タンク１３、燃料処理装置１０に水を流動させる水ポンプ３８、燃料処理装置１０に供給される水の流動を調節する水供給バルブ３９、改質ガス熱交換器２１に水を流動させる冷却水ポンプ４３などを含むことができる。

【0063】

熱回収部ＩＶは、熱交換に使用される水を保存する熱回収タンク１５、熱回収タンク１５に保存された水を熱回収タンク１５の外部に流動させる温水ポンプ４８等を含むことができる。

【0064】

燃料バルブ３０は、燃料処理装置１０に供給される燃料ガスが流動する燃料供給流路１０１に配置できる。燃料バルブ３０の開度程度に対応し、燃料処理装置１０に供給される燃料ガスの流量が調節できる。例えば、燃料バルブ３０は、燃料処理装置１０に対する燃料ガスの供給が中断されるように、燃料供給流路１０１を遮断することができる。

【0065】

燃料供給流路１０１には、燃料供給流路１０１内に流動する燃料ガスの流量を検出する第１燃料流量計５１を配置することができる。

【0066】

第１ブロワー７１は、第１外部空気流入流路２０１及び燃料側空気供給流路２０２に連結されることができる。第１ブロワー７１は、第１外部空気流入流路２０１を介して外部から流入する空気を、燃料側空気供給流路２０２を介して燃料処理装置１０に流動させることができる。

【0067】

燃料側空気供給流路２０２を介して燃料処理装置１０に流入する空気は、燃料処理装置１０のバーナー１２０に供給されることができる。例えば、燃料処理装置１０に流入する空気は、脱硫器１１０から吐出された燃料ガスと第１ミキサー１１１で混合されてバーナー１２０に供給されることができる。

【0068】

第１外部空気流入流路２０１には、空気に含まれた埃などの異物を除去する空気フィルタ９１及び／又は空気の流動方向を制限する第１空気側チェックバルブ８１を配置することができる。

【0069】

燃料処理部Ｉは、脱硫器１１０から吐出された燃料ガスが改質器１４０に流動する第１内部ガス流路１０２を含むことができる。第１内部ガス流路１０２には、比例制御バルブ３１、改質器１４０に流入する燃料ガスの流動を調節する内部燃料バルブ３２、内部ガス流路１０２内に流動する燃料ガスの流量を検出する第２燃料流量計５２、内部ガス流路１０２内に流動する燃料ガスの流動方向を制限する燃料側チェックバルブ８３、及び／又は硫黄検出装置９４を配置することができる。

【0070】

比例制御バルブ３１は、脱硫器１１０から吐出されて改質器１４０に流動する燃料ガスの流量、圧力等を電気制御方式で内／外部のフィードバックを介して調節できる。

【0071】

硫黄検出装置９４は、脱硫器１１０から吐出された燃料ガスに含まれた硫黄を検出することができる。硫黄検出装置９４は、脱硫器１１０の吸着剤により除去されない硫黄化合物に反応し、色が変わる指示薬を含むことができる。ここで、指示薬は、フェノールフタレイン（ｐｈｅｎｏｌｐｈｔｈａｌｅｉｎ）、モリブデン化合物等を含むことができる。

【0072】

燃料処理部Ｉは、脱硫器１１０から吐出された燃料ガスがバーナー１２０に流動する第２内部ガス流路１０３を含むことができる。バーナー１２０は、第２内部ガス流路１０３を介して流入する燃料ガスを燃焼に使用できる。

【0073】

第１内部ガス流路１０２と第２内部ガス流路１０３は、互いに連通され得る。

【0074】

燃料処理装置１０は、水供給タンク１３から吐出された水が流動する水供給流路３０３に連結されることができる。水供給流路３０３には、水ポンプ３８、水の流動を調節する水供給バルブ３９及び／又は水供給流路３０３内に流動する水の流量を検出する水流量計５４を配置することができる。

【0075】

燃料処理装置１０のバーナー１２０で生成される排気ガスは、排気ガス吐出流路２１０を介して燃料処理装置１０から吐出されることができる。

【0076】

燃料処理装置１０は、改質ガス吐出流路１０４に連結されることができる。燃料処理装置１０から吐出された改質ガスは、改質ガス吐出流路１０４を介して流動できる。

【0077】

改質ガス吐出流路１０４は、改質ガスの熱交換が生じる改質ガス熱交換器２１に連結されることができる。改質ガス吐出流路１０４には、改質ガス熱交換器２１に流入する改質ガスの流動を調節する改質ガスバルブ３３を配置することができる。

【0078】

改質ガス吐出流路１０４は、燃料処理装置１０から吐出された改質ガスが燃料処理装置１０に流動するバイパス流路１０５と連通され得る。バイパス流路１０５は、燃料処理装置１０に連結されることができる。バイパス流路１０５を介して燃料処理装置１０に流入する改質ガスは、バーナー１２０の燃焼のための燃料に使用できる。バイパス流路１０５には、燃料処理装置１０に流入する改質ガスの流動を調節するバイパスバルブ３４を配置することができる。

【0079】

改質ガス熱交換器２１は、燃料処理装置１０から吐出された改質ガスが流動する改質ガス吐出流路１０４に連結されることができる。改質ガス熱交換器２１は、水供給タンク１３から吐出された水が流動する冷却水供給流路３０４に連結されることができる。改質ガス熱交換器２１は、改質ガス吐出流路１０４を介して流入する改質ガスと、冷却水供給流路３０４を介して供給される水とを熱交換できる。

【0080】

冷却水供給流路３０４には、水供給タンク１３に保存された水を改質ガス熱交換器２１に流動させる冷却水ポンプ４３、及び／又は冷却水供給流路３０４内に流動する水の流量を検出する冷却水流量計５６を配置することができる。

【0081】

改質ガス熱交換器２１は、スタックガス供給流路１０６に連結されることができる。改質ガス熱交換器２１から吐出された改質ガスは、スタックガス供給流路１０６を介してスタック２０ａ、２０ｂに流動できる。

【0082】

スタックガス供給流路１０６には、改質ガスに含まれた水分の量を調節する改質ガス水分除去装置６１を配置することができる。改質ガス水分除去装置６１に流入した改質ガスは、水分が除去された後、改質ガス水分除去装置６１から吐出されることができる。

【0083】

改質ガス水分除去装置６１で生成された凝縮水は、改質ガス水分除去装置６１から吐出され、第１水回収流路３０９に流動できる。第１水回収流路３０９には、水の流動を調節する第１水回収バルブ４４を配置することができる。

【0084】

スタック２０ａ、２０ｂは、スタックガス供給流路１０６を介して流入する改質ガスに電気化学反応を起こして電気エネルギーを生成することができる。一実施形態において、燃料電池システム１が複数のスタック２０ａ、２０ｂを備える場合、第１スタック２０ａで反応せずに吐出される改質ガスは、第２スタック２０ｂでさらに電気化学反応を起こし得る。

【0085】

第２ブロワー７２は、第１外部空気流入流路２０１と連通された第２外部空気流入流路２０３と、スタック側の空気流入流路２０４に連結されることができる。第２外部空気流入流路２０３は、空気フィルタ９１の後端に連結されることができる。第２ブロワー７２は、第２外部空気流入流路２０３を介して流入する空気を、スタック側の空気流入流路２０４を介してスタック２０側に流動させることができる。

【0086】

第２外部空気流入流路２０３には、空気の流動方向を制限する第２空気側のチェックバルブ８２を配置することができる。

【0087】

スタック側の空気流入流路２０４には、スタック側の空気流入流路２０４内に流動する空気の流量を検出する空気流量計５３を配置することができる。

【0088】

加湿装置２３は、スタック側の空気流入流路２０４を介して流入する空気に水分を供給することができ、水分が含まれた空気をスタック側の空気供給流路２０５を介して吐出できる。

【0089】

スタック側の空気供給流路２０５には、スタック２０に供給される空気の流動を調節するスタック側の空気供給バルブ３６を配置することができる。

【0090】

スタック側の空気供給流路２０５は、スタック２０ａ、２０ｂにそれぞれ対応する個別供給流路２０６、２０７に連結されることができる。スタック側の空気供給流路２０５を介して流動する空気は、個別供給流路２０６、２０７を介してスタック２０ａ、２０ｂに供給されることができる。

【0091】

複数のスタック２０ａ、２０ｂは、ガス連結流路１０７により互いに連結されることができる。第１スタック２０ａで反応せずに吐出される改質ガスは、ガス連結流路１０７を介して第２スタック２０ｂに流入できる。

【0092】

ガス連結流路１０７には、改質ガスが第１スタック２０ａを通過する間に凝縮して生成された水を除去する追加水分除去装置６２を配置することができる。

【0093】

追加水分除去装置６２で生成された水は、追加水分除去装置６２から吐出され、第２水回収流路３１０に流動できる。第２水回収流路３１０には、水の流動を調節する第２水回収バルブ４５を配置することができる。第２水回収流路３１０は、第１水回収流路３０９に連結されることができる。

【0094】

スタック２０ａ、２０ｂで反応せずに吐出される正極排出ガス（ＡＯＧ）は、スタックガス吐出流路１０８を介して流動できる。

【0095】

ＡＯＧ熱交換器２２は、スタック２０ａ、２０ｂから吐出された正極排出ガス（ＡＯＧ）が流動するスタックガス吐出流路１０８に連結されることができる。ＡＯＧ熱交換器２２は、熱回収タンク１５から吐出された水が流動する温水供給流路３１３に連結されることができる。ＡＯＧ熱交換器２２は、スタックガス吐出流路１０８を介して流入する正極排出ガス（ＡＯＧ）と、温水供給流路３１３を介して供給される水とを熱交換することができる。

【0096】

温水供給流路３１３には、熱回収タンク１５に保存された水をＡＯＧ熱交換器２２に流動させる温水ポンプ４８及び／又は温水供給流路３１３内に流動する水の流量を検出する温水流量計５５を配置することができる。

【0097】

ＡＯＧ熱交換器２２は、ＡＯＧ供給流路１０９に連結されることができ、ＡＯＧ供給流路１０９を介して熱交換された正極排出ガス（ＡＯＧ）を吐出することができる。ＡＯＧ熱交換器２２から吐出された正極排出ガス（ＡＯＧ）は、ＡＯＧ供給流路１０９を介して燃料処理装置１０に流動できる。ＡＯＧ供給流路１０９を介して燃料処理装置１０に供給された正極排出ガス（ＡＯＧ）は、バーナー１２０の燃焼のための燃料に使用できる。また、ＡＯＧ熱交換器２２から吐出された正極排出ガス（ＡＯＧ）は、第１バッファータンク流路２３１を介してバッファータンク２３０に流動できる。すなわち、ＡＯＧ熱交換器２２から吐出された正極排出ガス（ＡＯＧ）の一部は燃料処理装置１０に流動し、残りはバッファータンク２３０に流動できる。

【0098】

バッファータンク２３０は、スタック２０から吐出された正極排出ガス（ＡＯＧ）を保存することができる。バッファータンク２３０に保存された正極排出ガス（ＡＯＧ）は、後述するスタックの予熱運転又は停止運転（パージ運転）で活用されることができる。バッファータンク２３０は、第１バッファータンク流路２３１を介してＡＯＧ供給流路１０９と連結されることができる。バッファータンク２３０は第２バッファータンク流路２３４を介して、ガスミキサー２３５と連結されることができる。バッファータンク２３０にはバッファータンク２３０に流入する正極排出ガス（ＡＯＧ）の流動を調節するバッファータンクバルブ２３３を配置することができる。具体的に、バッファータンクバルブ２３３はバッファータンク２３０の入口端に配置されることができる。バッファータンク２３０は、バッファータンク２３０内に保存された正極排出ガス（ＡＯＧ）の圧力を測定する圧力センサ２３６を備えることができる。

【0099】

第１バッファータンク流路２３１の一端は、ＡＯＧバルブ３５とＡＯＧ 水分除去装置６３との間の地点でＡＯＧ供給流路１０９と連結されることができる。第１バッファータンク流路２３１の他端は、バッファータンク２３０と連結されることができる。第１バッファータンク流路２３１には、バッファータンク２３０に流入する正極排出ガス（ＡＯＧ）を圧縮するバッファータンク圧縮機２３２を配置することができる。バッファータンク圧縮機２３２はバッファータンクバルブ２３３の前端に配置されることができる。

【0100】

第２バッファータンク流路２３４の一端はバッファータンク２３０と連結されることができる。第２バッファータンク流路２３４の他端はガスミキサー２３５と連結されることができる。第２バッファータンク流路２３４には、バッファータンク２３０から排出された正極排出ガス（ＡＯＧ）とスタック２０に流入する空気とを混合するガスミキサー２３５を配置することができる。ガスミキサー２３５は、スタック側の空気供給バルブ３６とスタック２０との間に位置し得る。ガスミキサー２３５はバッファータンク２３０から排出された正極排出ガス（ＡＯＧ）の流動を調節することができる。例えば、ガスミキサー２３５はベンチュリタイプのミキサーであってもよい。

【0101】

ＡＯＧ供給流路１０９には、正極排出ガス（ＡＯＧ）に含まれた水分の量を調節するＡＯＧ水分除去装置６３及び／又は燃料処理装置１０に供給される正極排出ガス（ＡＯＧ）の流動を調節するＡＯＧバルブ３５を配置することができる。ＡＯＧ水分除去装置６３に流入した正極排出ガス（ＡＯＧ）は、水分が除去された後、ＡＯＧ水分除去装置６３から吐出されることができる。

【0102】

ＡＯＧ水分除去装置６３で生成された凝縮水は、ＡＯＧ水分除去装置６３から吐出され、第３水回収流路３１１を介して流動できる。第３水回収流路３１１には、水の流動を調節する第３水回収バルブ４６を配置することができる。第３水回収流路３１１は、第１水回収流路３０９に連結されることができる。

【0103】

スタック側の空気吐出流路２１１は、スタック２０ａ、２０ｂにそれぞれ対応する個別吐出流路２０８、２０９に連結されることができる。スタック２０ａ、２０ｂから吐出された空気は、個別吐出流路２０８、２０９を介してスタック側の空気吐出流路２１１に流動できる。その際、スタック側の空気吐出流路２１１を介して流動する空気は、スタック２０ａ、２０ｂで生じる電気化学反応により生成される水分を含むことができる。

【0104】

スタック側の空気吐出流路２１１には、スタック２０から排出される空気の流動を調節するスタック側の空気吐出バルブ３７を配置することができる。

【0105】

スタック側の空気吐出流路２１１は、加湿装置２３に連結されることができる。加湿装置２３は、スタック側の空気吐出流路２１１を介して供給される空気に含まれた水分を利用し、スタック２０に流動する空気に水分を供給することができる。スタック側の空気吐出流路２１１を介して加湿装置２３に供給された空気は、加湿装置２３を経て加湿装置吐出流路２１２に吐出されることができる。

【0106】

水供給タンク１３は、水流入流路３０１に連結されることができ、水流入流路３０１を介して供給される水を保存することができる。水流入流路３０１には、外部から供給される水に含まれた異物を除去する第１液体フィルタ９２及び／又は水供給タンク１３に流入する水の流動を調節する水流入バルブ４１を配置することができる。

【0107】

水供給タンク１３は、水排出流路３０２に連結されることができ、水排出流路３０２を介して水供給タンク１３に保存された水の少なくとも一部を外部に排出できる。水排出流路３０２には、水供給タンク１３から排出される水の流動を調節する水排出バルブ４２を配置することができる。

【0108】

水供給タンク１３は、水保存流路３０８に連結されることができ、水保存流路３０８を介して流動する水を保存することができる。例えば、改質ガス水分除去装置６１、追加水分除去装置６２、ＡＯＧ水分除去装置６３及び／又は空気水分除去装置６４から吐出され、第３水回収流路３１１を介して流動する水が、水保存流路３０８を経て水供給タンク１３に流入できる。水保存流路３０８には、水供給タンク１３に回収される水に含まれた異物を除去する第２液体フィルタ９３を配置することができる。

【0109】

水供給タンク１３に保存された水の少なくとも一部は、冷却水ポンプ４３により改質ガス熱交換器２１に流動でき、改質ガス熱交換器２１で改質ガスと熱交換されることができる。改質ガス熱交換器２１から吐出された水は、スタック水供給流路３０５を介してスタック２０ａ、２０ｂに流入できる。

【0110】

スタック水供給流路３０５を介してスタック２０ａ、２０ｂに流入した水は、スタック２０ａ、２０ｂを冷却することができる。スタック２０ａ、２０ｂに流入した水は、スタック２０ａ、２０ｂに含まれたスタック熱交換器（図示せず）によって流動でき、スタック２０ａ、２０ｂで生じる電気化学反応により発生する熱を吸収することができる。

【0111】

複数のスタック２０ａ、２０ｂは、水連結流路３０６により連結されることができる。第１スタック２０ａから吐出される水は、水連結流路３０６を介して第２スタック２０ｂに流入できる。

【0112】

スタック２０ａ、２０ｂから吐出される水は、スタック水吐出流路３０７を介して冷却水熱交換器２４に流入できる。冷却水熱交換器２４は、スタック２０ａ、２０ｂから吐出された水と、熱回収タンク１５から吐出された水とを熱交換できる。スタック２０ａ、２０ｂから吐出された水は、冷却水熱交換器２４を経て水保存流路３０８に流動できる。

【0113】

温水ポンプ４８により熱回収タンク１５から吐出された水は、温水供給流路３１３を経てＡＯＧ熱交換器２２に流入できる。ＡＯＧ熱交換器２２で正極排出ガス（ＡＯＧ）と熱交換された水は、第１温水循環回路３１４に吐出されることができる。

【0114】

空気熱交換器２５は、加湿装置２３から吐出された空気が流動する加湿装置吐出流路２１２に連結されることができる。空気熱交換器２５は、ＡＯＧ熱交換器２２から吐出された水が流動する第１温水循環回路３１４に連結されることができる。空気熱交換器２５は、加湿装置吐出流路２１２を介して流入する空気と第１温水循環回路３１４を介して流入する水とを熱交換することができる。

【0115】

空気熱交換器２５で熱交換された空気は、空気排出流路２１３を介して空気熱交換器２５から吐出されることができる。空気排出流路２１３は排気ガス吐出流路２１０と連通されることができ、排気ガス吐出流路２１０に流動する排気ガスと空気排出流路２１３に流動する空気が混合できる。

【0116】

空気排出流路２１３には、空気水分除去装置６４を配置することができる。空気水分除去装置６４は、外部に排出される空気に含まれた水分の量を調節することができる。空気水分除去装置６４に流入した空気は、水分が除去された後、空気水分除去装置６４から吐出されることができる。

【0117】

空気水分除去装置６４で生成された凝縮水は、空気水分除去装置６４から吐出されて第４水回収流路３１２を介して流動できる。第４水回収流路３１２には、水の流動を調節する第４水回収バルブ４７を配置することができる。第４水回収流路３１２は、水保存流路３０８に連結されることができる。

【0118】

空気熱交換器２５で熱交換された水は、第２温水循環流路３１５を介して空気熱交換器２５から吐出されることができる。空気熱交換器２５から吐出された水は、第２温水循環流路３１５を介して冷却水熱交換器２４に流入できる。

【0119】

冷却水熱交換器２４は、スタック水吐出流路３０７を介して流入する水と、第２温水循環流路３１５を介して流入する水とを熱交換することができる。

【0120】

排気熱交換器２６は、排気ガスが流動する排気ガス吐出流路２１０に連結されることができる。排気熱交換器２６は、冷却水熱交換器２４から吐出された水が流動する第３温水循環流路３１６に連結されることができる。排気熱交換器２６は、排気ガス吐出流路２１０を介して流入する排気ガスと、第３温水循環流路３１６を介して流入する水とを熱交換することができる。

【0121】

排気熱交換器２６で熱交換された排気ガスは、排気流路２１４に吐出されることができ、排気流路２１４に流動する排気ガスは外部に排出されることができる。

【0122】

排気熱交換器２６で熱交換された水は、温水回収流路３１７に吐出されることができ、温水回収流路３１７に流動する水は、熱回収タンク１５に流入することができる。

【0123】

一方、燃料電池システム１は、少なくとも１つの制御部（図示せず）をさらに含むことができる。制御部は、少なくとも１つのプロセッサを含むことができる。ここで、プロセッサは、ＣＰＵ（ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）のような一般的なプロセッサであり得る。もちろん、プロセッサはＡＳＩＣのような専用装置（ｄｅｄｉｃａｔｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）であるか、他のハードウェアベースのプロセッサであり得る。

【0124】

制御部は、燃料電池システム１の動作全般を制御することができる。制御部は、燃料電池システム１に備えられた各構成と連結されることができ、各構成と相互間に信号を送信及び／又は受信することができる。例えば、制御部は、燃料電池システム１に備えられた各構成から受信される信号を処理することができ、信号を処理した結果による制御信号を燃料電池システム１に備えられた各構成に送信することができる。

【0125】

図４は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの制御方法に関するフローチャートである。図５は、スタック予熱運転の制御方法に関するフローチャートである。図６は、スタック予熱運転時、燃料電池システムの作動図である。

【0126】

図４を参考すると、燃料電池システム１はスタックを予熱するスタック予熱運転を行うことができる（Ｓ１００）。スタック予熱運転は、後述する発電運転に先だって行うことができる。一般に、燃料電池システム１の発電運転の初期進入時、スタック２０は周辺の大気温度と同じ状態で冷却されている。従って、スタック２０が安定的に高効率の発電運転をするためには、一定の温度でスタック２０を予熱するスタック予熱運転が必要である。以下、図５及び６を参考として、スタック予熱運転を説明する。

【0127】

図５及び６を参考すると、燃料電池システム１は、発電運転のための運転待機状態を維持することができる（Ｓ１１０）。ここで、運転待機状態とは、燃料電池システム１の各構成に電源を供給するなどの発電運転を行うための一連の準備過程を意味することができる。

【0128】

Ｓ１１０の後、燃料電池システム１は、燃料処理装置１０のバーナー１２０を予熱する運転を行うことができる（Ｓ１２０）。例えば、燃料ガスと空気とが混合されたガスをバーナー１２０に供給して燃焼熱を発生させることができる。その際、改質器１４０の内部温度は改質反応が促進される適正温度（例えば、８００℃）までますます増加し得る。

【0129】

また、燃料電池システム１はバーナー１２０を予熱する運転を行う間、改質器１４０に対する燃料ガスの供給を遮断することができる。例えば、燃料電池システム１は脱硫器１１０から吐出される燃料ガスがすべてバーナー１２０に供給されるように比例制御バルブ３１を調節し、改質器１４０に対する燃料ガスの供給を遮断することができる。

【0130】

例えば、燃料電池システム１は、バーナー１２０を予熱する運転を行う間、改質ガスバルブ３３、バイパスバルブ３４及びＡＯＧバルブ３５をすべて閉鎖できる。その際、改質器１４０に対する燃料ガスの供給が遮断されるので、改質器１４０で改質ガスが生成されない。また、改質ガス吐出流路１０４、バイパス流路１０５及びＡＯＧ供給流路１０９で、改質ガスやアノードオフガス（ＡＯＧ）が流動しない。

【0131】

また、燃料電池システム１は、改質ガスを初期生成する改質運転を行うことができる（Ｓ１２０）。例えば、燃料電池システム１は、バーナー１２０の予熱により改質器１４０の内部温度が適正温度（例えば、８００℃）まで増加した場合、改質ガスを初期生成する改質運転を開始することができる。例えば、燃料電池システム１は、第１反応器１５０の内部温度が一酸化炭素の除去のための最小温度（例えば、１６０℃）以上である場合、改質ガスを初期生成する改質運転を開始することができる。

【0132】

燃料電池システム１は、改質ガスを初期生成する運転を行う場合、脱硫器１１０から吐出される燃料ガスのうちの一部が改質器１４０に供給され、残りの一部がバーナー１２０に供給されるように比例制御バルブ３１を調節することができる。

【0133】

一方、燃料電池システム１は、改質ガスを初期生成する運転を開始する場合、改質反応に使用される水蒸気が改質器１４０に供給されるように、水ポンプ３８を駆動して燃料処理装置１０の蒸気発生器１３０に水を供給することができる。その際、燃料電池システム１は、改質器１４０に供給された水蒸気の圧力が改質反応のための最小圧力以上に維持される場合、例えば、水ポンプ３８が駆動された後に所定時間が経過すると、脱硫器１１０から吐出される燃料ガスのうちの一部を改質器１４０に供給できる。

【0134】

一方、改質ガスを初期生成する運転が行われる間、燃料処理装置１０から吐出される改質ガス中の水素ガスの比率が既設定された最小比率よりも低いことがある。ここで、既設定された最小比率は、目標とする発電量を達成することができる、改質ガスの中、水素ガスが占める比率の最小値（例えば、８０％）を意味することができる。その際、水素ガスの比率が既設定された最小比率よりも低い改質ガスがスタック２０に供給される場合、スタック２０で目標とする発電量だけ電気が発生するのは難しいので、燃料処理装置１０から吐出される改質ガスをバーナー１２０の燃料として再使用できる。

【0135】

例えば、燃料電池システム１は、改質ガスを初期生成する運転を行う間、改質ガスバルブ３３及びＡＯＧバルブ３５を閉鎖し、バイパスバルブ３４を開放することができる。その際、燃料処理装置１０から吐出された改質ガスは、改質ガス吐出流路１０４及びバイパス流路１０５を介して燃料処理装置１０に再度流入でき、バーナー１２０の燃焼のための燃料として使用できる。

【0136】

Ｓ１２０の後、燃料電池システム１はスタック側の空気供給バルブ３６を開放することができる（Ｓ１３０）。従って、加湿装置２３で加湿された空気は、スタック側の空気供給バルブ３６を通りガスミキサー２３５に供給されることができる。

【0137】

Ｓ１３０の後、燃料電池システム１はスタック側の空気吐出バルブ３７を開放することができる（Ｓ１４０）。従って、スタック２０で改質ガスと空気の化学反応後に生成されたガスは、スタック側の空気吐出バルブ３７を通り加湿装置２３に供給された後、外部に排出されることができる。

【0138】

Ｓ１４０の後、燃料電池システム１は第２ブロワー７２を一定の回転数で作動させることができる（Ｓ１５０）。従って、第２ブロワー７２の作動によって外部からスタック２０に空気が過給され得る。

【0139】

Ｓ１５０の後、燃料電池システム１はガスミキサー２３５を開放し、バッファータンク２３０に保存された正極排出ガス（ＡＯＧ）と空気とを混合することができる（Ｓ１６０）。その際、バッファータンク２３０に保存された正極排出ガス（ＡＯＧ）の流動が第２バッファータンク流路２３４に向かうようにバッファータンクバルブ２３３は閉鎖され得る。従って、第２ブロワー７２から過給された空気とバッファータンク２３０に保存された正極排出ガス（ＡＯＧ）とがガスミキサー２３５で混合されてスタック２０に供給されることができ、スタック２０内カソード（Ｃａｔｈｏｄｅ）の入口端から発生する化学反応による発熱反応により、スタック２０は速く予熱されることができる。ここで、バッファータンク２３０内に保存された正極排出ガス（ＡＯＧ）は、燃料電池システム１の試運転の際に保存された正極排出ガス（ＡＯＧ）であるか、後述するパージ運転の後に残存した正極排出ガス（ＡＯＧ）であり得る。

【0140】

図７は、発電運転の制御方法に関するフローチャートである。図８は、発電運転時、燃料電池システムの作動図である。具体的に、図８ａは、発電運転時、バッファータンクに正極排出ガス（ＡＯＧ）を保存する燃料電池システムの作動図であり、図８ｂは、発電運転時、バッファータンクに正極排出ガス（ＡＯＧ）の保存が完了した後の燃料電池システムの作動図である。

【0141】

再度図４を参考すると、燃料電池システム１は改質ガスと空気の化学反応を通じてスタックで電気を生成する発電運転を行うことができる（Ｓ２００）。発電運転を行う場合、燃料電池システム１はスタック２０から吐出される正極排出ガス（ＡＯＧ）をバッファータンク２３０に保存するステップを行うことができる。以下、図７及び８を参考として、発電運転を説明する。

【0142】

図７及び８を参考すると、燃料電池システム１はガスミキサー２３５を閉鎖させることができる（Ｓ２１０）。従って、発電運転時、バッファータンク２３０に保存される正極排出ガス（ＡＯＧ）がガスミキサー２３５に供給されることを遮断することができる。

【0143】

Ｓ２１０の後、燃料電池システム１は第２ブロワー７２の回転数を目標発電量によって調節できる（Ｓ２２０）。その際、スタック側の空気供給バルブ３６は開放されることができ、これによって、外部空気が加湿装置２３とガスミキサー２３５を通りスタック２０に供給されることができる。

【0144】

一方、燃料電池システム１は、燃料処理装置１０の改質器１４０を目標発電量によって調節できる（Ｓ２２０）。その際、燃料電池システム１は改質ガスバルブ３３を開放し、バイパスバルブ３４は閉鎖させて、燃料処理装置１０から吐出された改質ガスをスタック２０に供給できる。また、燃料電池システム１はＡＯＧバルブ３５を開放し、スタック２０から吐出された正極排出ガス（ＡＯＧ）の一部は再度燃料処理装置１０に供給できる。

【0145】

Ｓ２２０の後、燃料電池システム１はバッファータンクバルブ２３３を開放することができる（Ｓ２３０）。Ｓ２３０の後、燃料電池システム１はバッファータンク圧縮機２３２を駆動させることができる（Ｓ２４０）。従って、スタック２０から吐出された正極排出ガス（ＡＯＧ）の残りは、バッファータンク圧縮機２３２の駆動によって圧縮され、バッファータンク２３０に供給されることができる。

【0146】

Ｓ２４０の後、燃料電池システム１はバッファータンク２３０に配置された圧力センサ２３６を介してバッファータンク２３０に保存された正極排出ガス（ＡＯＧ）の圧力（Ｐ＿ｂｔ）を感知することができる（Ｓ２５０）。

【0147】

Ｓ２５０の後、燃料電池システム１はバッファータンク２３０に正極排出ガス（ＡＯＧ）の保存が完了しているか判断できる（Ｓ２６０）。例えば、燃料電池システム１は、前記Ｓ２５０の動作で圧力センサ２３６を介して感知されたバッファータンク２３０の圧力（Ｐ＿ｂｔ）が第１設定圧力以上（Ｐａ）であるか判断できる。ここで、第１設定圧力（Ｐａ）とは、バッファータンク２３０に保存可能な正極排出ガス（ＡＯＧ）の全体保存量１００％に対応する正極排出ガス（ＡＯＧ）の圧力値であって、バッファータンク２３０内正極排出ガス（ＡＯＧ）の保存が完了したことを意味することができる。

【0148】

バッファータンク２３０の圧力（Ｐ＿ｂｔ）が第１設定圧力（Ｐ＿ａ）よりも低い場合（Ｓ２６０でＮｏ）、燃料電池システム１はバッファータンク２３０に正極排出ガス（ＡＯＧ）の保存が完了していないと判断し、Ｓ２５０の動作に復帰し、バッファータンク２３０に正極排出ガス（ＡＯＧ）の保存が完了するまでバッファータンク２３０の圧力（Ｐ＿ｂｔ）を持続的に感知すると同時に、前記バッファータンク２３０の圧力（Ｐ＿ｂｔ）を第１設定圧力（Ｐ＿ａ）と比較できる。

【0149】

バッファータンク２３０の圧力（Ｐ＿ｂｔ）が第１設定圧力以上である場合（Ｓ２６０でＹｅｓ）、燃料電池システム１はバッファータンクバルブ２３３を閉鎖することができる（Ｓ２７０）。Ｓ２７０の後、燃料電池システム１はバッファータンク圧縮機２３２を停止させることができる（Ｓ２８０）。従って、燃料電池システム１はスタック２０から吐出された正極排出ガス（ＡＯＧ）がバッファータンク２３０に流入することを遮断し、スタック２０から吐出された正極排出ガス（ＡＯＧ）の全部を燃料処理装置１０に供給できる。

【0150】

図９は、停止運転の制御方法に関するフローチャートである。図１０は、停止運転（パージ運転）時、燃料電池システムの作動図である。具体的に、図１０ａは、停止運転の中、燃料電池システムの作動図であり、図１０ｂは、停止運転の完了後、燃料電池システムの作動図である。

【0151】

再度図４を参考すると、燃料電池システム１はスタック２０の発電を終了し、スタック２０内に残存する酸素を除去する停止運転（パージ運転）を行うことができる（Ｓ３００）。燃料電池システムの発電運転が終了した場合、一般にスタック２０内の化学反応の後、残存する酸素によりカソード（Ｃａｔｈｏｄｅ）電極部が酸化し、スタック２０の寿命が減少するという問題点がある。従って、燃料電池システム１の発電運転の終了後、スタック内に残存する酸素を除去するための停止運転（パージ運転）が必要である。以下、図９及び１０を参照として、停止運転（パージ運転）を説明する。

【0152】

図９及び１０を参考すると、ユーザーによる発電運転の終了又はシステム内のエラー発生により発電運転を終了する場合、燃料電池システム１はスタックの発電量がますます減少するように後熱運転を行うことができる（Ｓ３１０）。ここで、後熱運転とは、改質器の温度及びスタックでの急激な出力変化による信頼性の問題を防止するために、段階的に出力を減少させて運転を停止する運転を意味することができる。例えば、燃料電池システム１は、第２ブロワー７２と燃料処理装置１０を調節し、スタック２０に供給される空気及び改質ガスの流量を段階的に減少させることができる。

【0153】

Ｓ３１０の後、燃料電池システム１はスタック側の空気供給バルブ３６を閉鎖させることができる（Ｓ３２０）。従って、燃料電池システム１はスタック２０に供給される空気を遮断することができる。

【0154】

Ｓ３２０の後、燃料電池システム１はスタック側の空気吐出バルブ３７を開放することができる（Ｓ３３０）。Ｓ３３０の後、燃料電池システム１はガスミキサー２３５を開放することができる（Ｓ３４０）。その際、燃料電池システム１はバッファータンクバルブ２３３を閉鎖させて、バッファータンク２３０に保存された正極排出ガス（ＡＯＧ）をガスミキサー２３５に供給できる。従って、ガスミキサー２３５に供給された正極排出ガス（ＡＯＧ）はスタック２０に供給されて、カソード（Ｃａｔｈｏｄｅ）電極部に残存する酸素をスタックの外部に排出させることができる。これによって、発電運転の終了後、カソード（Ｃａｔｈｏｄｅ）電極部に残存する酸素が除去され、カソード（Ｃａｔｈｏｄｅ）電極部の酸化を防止することができる。

【0155】

Ｓ３４０の後、燃料電池システム１はバッファータンク２３０に配置された圧力センサ２３６を介してバッファータンク２３０に保存された正極排出ガス（ＡＯＧ）の圧力（Ｐ＿ｂｔ）を感知することができる（Ｓ３５０）。

【0156】

Ｓ３５０の後、燃料電池システム２５０はスタック内に残存する酸素が除去されているか判断できる（Ｓ３６０）。例えば、燃料電池システム１は、前記Ｓ３５０の動作で圧力センサ２３６を介して感知されたバッファータンク２３０の圧力（Ｐ＿ｂｔ）が第２設定圧力以上（Ｐｂ）であるか判断できる。ここで、第２設定圧力（Ｐａ）とは、バッファータンク２３０に保存可能な正極排出ガス（ＡＯＧ）の全体保存量のうち、５０％に対応する正極排出ガス（ＡＯＧ）の圧力値を意味することができる。

【0157】

バッファータンク２３０の圧力（Ｐ＿ｂｔ）が第２設定圧力（Ｐ＿ｂ）よりも高い場合（Ｓ３６０でＮｏ）、燃料電池システム１はスタック２０に残存する酸素の除去が完了していないと判断し、Ｓ３５０の動作に復帰し、スタック２０に残存する酸素の除去が完了するまでバッファータンク２３０の圧力（Ｐ＿ｂｔ）を持続的に感知すると同時に、前記バッファータンク２３０の圧力（Ｐ＿ｂｔ）を第２設定圧力（Ｐ＿ｂ）と比較できる。

【0158】

バッファータンク２３０の圧力（Ｐ＿ｂｔ）が第１設定圧力（Ｐ＿ｂ）以下である場合（Ｓ３６０でＹｅｓ）、燃料電池システム１はガスミキサー２３５を閉鎖することができる（Ｓ３７０）。従って、バッファータンク２３０に保存された正極排出ガス（ＡＯＧ）がガスミキサー２３５に供給されることが遮断され得る。

【0159】

添付された図面は、本明細書に開示された実施形態を容易に理解できるようにするためのものであるだけで、添付された図面により本明細書に開示された技術的思想が制限されず、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解されなければならない。

【0160】

同様に、特定の順序で、図面で動作を描写しているが、これは好ましい結果を得るために図示されたその特定の順序や順次の順序通りそのような動作を行わなければならないか、又は全ての図示された動作が行われなければならないものと理解されてはならない。特定の場合、マルチタスキングと並列プロセシングが有利であり得る。

【0161】

また、以上では、本発明の好ましい実施形態について図示して説明しているが、本発明は、前述した特定の実施形態に限定されず、請求範囲で請求する本発明の要旨を外れることなく、当該発明が属する技術分野で通常の知識を有する者により多様な変形実施が可能であるのは勿論であり、このような変形実施は、本発明の技術的思想や展望から個別的に理解されてはならない。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8a】

【図8b】

【図9】

【図10a】

【図10b】