연료전지 시스템 document_id A220623030402

연료전지는, 기본적으로는, 이온 전도성을 가진 전해질을 사이에 끼운 한 쌍의 전극인 애노드와 캐소드 및, 이들을 끼워 지지하는 애노드측 세퍼레이터와 캐소드측 세퍼레이터로 구성된다. 애노드측 세퍼레이터는 애노드에 연료를 공급하는 유로를 가지며, 캐소드측 세퍼레이터는 캐소드에 산화제를 공급하는 유로를 가진다. 애노드에 연료, 예를 들면, 수소 가스 혹은 에탄올 등을 공급하고, 캐소드에 산화제, 예를 들면, 산소 혹은 공기를 공급하여, 이들 반응 물질이 가진 화학에너지를 각 전극상에서 일으키는 산화 혹은 환원 반응에 의해 전기 에너지로 변환하여, 전류를 추출한다. 이러한 연료전지 중에는, 전해질로서 수소이온 전도성을 가진 고분자막을 이용하고, 연료로서 수소 혹은 수소를 주성분으로 하는 혼합 가스를 이용하며, 산화제로서 산소 혹은 공기 등의 가스를 이용한 형태가 있다. 이 연료전지에서는, 애노드상에서 수소 가스가 식(1)의 반응에 의해 산화되어 전자와 수소이온을 발생한다. 수소이온은 고체 전해질막 내를 이동하여 캐소드측에 도달한다. 한편, 전자는 외부 회로를 통과하여 캐소드에 도달하고, 캐소드에 있는 산소와 전자 및 수소이온이 식(2)의 반응에 의해 환원되어 물을 생성한다. 2H2 →4H++4e (1) 4H++O2+4e →2H2O (2) 이 연료전지의 전해질인 고체 고분자막은, 습윤 상태에서만 이온 도전성을 발휘한다. 이 때문에, 높은 발전 성능을 유지하려면 식(2)의 반응으로 생성되는 수분만으로는 불충분하고, 외부로부터 수분을 보급할 필요가 있다. 일반적으로는, 연료전지의 본체 내부 혹은 외부에 설치된 연료전지에 공급되는 가스를 가습하기 위한 장치에 통과시킴으로써, 연료전지의 운전에 필요한 수분을 공급하는 방법이 취해진다. 또한, 이 연료전지의 운전 온도는, 전해질인 고체 고분자막의 내열성능에 의한 제약을 받기 때문에, 통상 90℃ 이하이다. 그러나, 식 (1) 및 (2)의 반응은 90℃ 이하의 환경에서는 일어나기 어렵기 때문에, 상술한 애노드 및 캐소드는 이러한 반응을 활성화시키는 작용을 가진 촉매를 구비할 필요가 있다. 따라서, 이 연료전지의 애노드 및 캐소드에는, 촉매능이 높은 백금이 이용되고 있다. 이러한 연료전지를 구비한 종래의 연료전지 시스템의 일례로서 도 1에 나타낸 구성을 가진 시스템이 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 즉, 이 시스템은, 수소 공급수단(11)으로부터 공급되는 수소와, 공기 공급수단(12)으로부터 가습기(13)를 통해 가습되어 공급되는 공기 중의 산소를 반응시켜 발전하는 연료전지(10)를 구비한다. 전극 반응의 열을 회수하기 위해서 연료전지(10)에 냉각수를 순환시키는 펌프(16)와, 연료전지(10)에서 발전한 직류 전량(電量)을 교류로 변환하는 인버터(25)를 구비하고 있다. 펌프(16)에 의해서 순환하는 냉각수는, 연료전지에서 얻은 열에너지를 열교환기(19)로 방출한다. 한편, 펌프(17)에 의해서 순환하는 저장조(18) 내의 물은 열교환기(19)로부터 열을 흡수하여, 온수로서 저장조(18) 내에 저장된다. 이러한 종래의 시스템에서는, 연료전지(10)의 연료가스 입구(14a)로 이어지는 유로(14) 및 공기 입구(15a)로 이어지는 유로(15)에는 3방 밸브(21) 및 (22)가 각각 설치되어 있다. 연료전지(10)의 운전을 정지했을 때에는, 불활성 가스 봄베(20)로부터 불활성 가스를 연료가스 유로 및 공기유로에 공급할 수 있는 구조가 되어 있다. 14b는 연료가스의 출구, 15b는 공기의 출구이다. 이 예에서 대표되는 연료전지 시스템은, 연료가스의 화학에너지를 효율적으로 사용하기 위해서, 공급할 곳의 전력 수요에 따라 운전 출력을 변화시키거나 기동 정지를 반복하거나 할 필요가 있다. 그러나, 발전원인 연료전지를 기동 정지시키는 경우, 이하의 문제에 의해 애노드 또는 캐소드의 어느 한쪽, 혹은 양쪽 모두의 가스를 불활성 가스와 치환시키는, 즉 불활성 가스로 퍼지할 필요가 있다. 먼저, 기동정지시의 문제점으로서, 제일 먼저 안전성의 관점으로부터 정지 중의 연료전지 내로부터 수소가스를 제거할 필요가 있는 것을 들 수 있다. 이것은, 애노드와 캐소드를 거리를 두고 있는 고체 고분자막이 산소 가스나 수소 가스를 투과하기 위해서, 연료전지의 운전 정지상태가 장시간 유지되었을 경우, 수소와 산소가 서로 섞인 상태가 되기 때문이다. 둘째, 발전 효율의 관점으로부터 캐소드내의 산소 가스를 제거할 필요가 있는 것을 들 수 있다. 이것은, 무부하 상태에서 캐소드내에 산소가 존재할 경우, 캐소드가 표준 수소 전극 전위에 대해서 약 1V의 전위가 되고, 이 전위에 의해서 전극 촉매인 백금의 산화 반응이나 용해 반응이 일어나므로, 전극의 촉매능이 저하하기 때문이다. 셋째, 기동의 안정성의 관점으로부터, 애노드 및 캐소드내의 수증기를 제거할 필요가 있는 것을 들 수 있다. 이것은, 연료전지에 공급되는 가스는 가습되고 있으며, 또한 식(2)의 반응에 의한 생성수가 가해짐으로써, 연료전지 내부의 가스는 운전시의 온도에서 상대습도가 100%에 가까운 상태가 되고 있다. 연료전지의 운전 온도는 통상 60℃～80℃이지만, 연료전지의 정지시에는 실온 부근까지 연료전지 내부에 체류하고 있는 가스가 냉각된다. 이 때문에, 가스 내의 수분이 응집한다. 연료전지의 기동시에는, 연료전지의 온도가 낮은 상태이기 때문에, 이 응집수는 액체 상태로 전지 내에 머무르고 있다. 이 응집한 수분에 의한 백금 표면의 피복이나, 다공체인 가스 확산층의 구멍의 막힘, 세퍼레이터의 가스 유로의 폐색이 일어남으로써 가스의 확산이 저해되어 기동시의 발전이 안정되지 않는다. 이들 문제를 해결하기 위한 퍼지 방법으로서는, 도 1에 있는 바와 같이 시스템에 질소가스 등의 불활성 가스 봄베(20)를 탑재하고, 연료전지(10)의 연료가스 입구(14a)측의 유로(14) 및 공기의 입구(15a)측의 유로(15)로부터, 봄베의 압력을 동력으로 하여, 연료전지가 정지할 때에 불활성 가스를 공급하는 방법이 가장 일반적이다. 그 외에도, 냉각수에 의해 퍼지하는 방법(예를 들면, 특허문헌 2)이나, 캐소드 배출 가스 내의 산소를 제거한 후, 연료전지에 다시 공급하는 방법(예를 들면, 특허문헌 3), 연료인 수소와 공기를 연소시킨 후, 연료전지에 공급하는 방법(예를 들면, 특허문헌 4) 등이 과거에 제안되어 있다. 특허문헌 1 : 일본 특허공개평성11-214025호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허공개평성06-251788호 공보 특허문헌 3 : 일본 특허공개평성06-203865호 공보 특허문헌 4 : 일본 특허공개2002-50372호 공보