JP4602268B2 - 混合燃料供給装置及び燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に気体状の燃料を利用して別途の動力装置を用いずに混合燃料及び水を供給する装置を採用した燃料電池システムに関する。
一般に、燃料電池は水素と酸素の電気化学反応によって化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。前記水素は、純粋な水素を直接燃料電池システムに供給することもでき、メタノール、エチルアルコール、天然ガスなどのような物質を改質して水素を供給することもできる。また、前記酸素は、純粋な酸素を直接燃料電池システムに供給することもでき、空気ポンプ等を利用して通常の空気に含まれた酸素を供給することもできる。
このような燃料電池は、常温または１００℃以下で作動する高分子電解質型及びアルカリ型燃料電池、１５０〜２００℃程度で作動する燐酸型燃料電池、６００〜７００℃の高温で作動する溶融炭酸塩型燃料電池及び１０００℃以上の高温で作動する固体酸化物形燃料電池などに分類される。これらの燃料電池は基本的に同じ原理によって作動するが、使用される燃料の種類、触媒、電解質などはそれぞれ違う。
この中で、高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ）は、メタノール、エチルアルコール、天然ガスなど水素を含む物質を改質して生成された水素を使用し、他の燃料電池に比べて出力特性が優れており、作動温度が低いだけでなく、早い始動特性及び応答特性を持つ。したがって自動車などに用いられる移動用電源は言うまでもなく住宅や公共建物などに用いられる分散用電源及びポータブル電子機器などに用いられる小型携帯器機用電源などで利用することができ、その応用範囲が広いという長所がある。
基本的に高分子電解質型燃料電池は、燃料を貯蔵する燃料容器、燃料を改質して水素を発生させる改質器、水素と酸素の電気化学的な反応によって所定の電圧及び電流を発生させる電気発生部、を含む。電気発生部は、電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの単位燃料電池を含むが、複数の単位燃料電池が積層されたスタック（ｓｔａｃｋ）構造を持つこともできる。
このような構造の高分子電解質型燃料電池は、燃料容器に貯蔵された燃料を改質器に供給し、改質器が燃料を改質して水素を発生させて電気発生部が水素と酸素を電気化学的に反応して電気エネルギーを発生させる。
このような燃料電池システムにおいて、電気を実質的に発生させるスタック構造の電気発生部は、膜／電極アセンブリー（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）とバイポーラープレート（ｂｉｐｏｌａｒ ｐｌａｔｅ）からなる単位燃料電池が、数個ないし数十個に積層された構造を持つ。
膜／電極アセンブリーは、電解質膜を間に置いてアノード電極とカソード電極が付着された構造を持つ。そして、バイポーラープレートは、燃料電池の反応に必要な水素と酸素が供給される通路の役割及び各膜／電極アセンブリーのアノード電極とカソード電極を直列的に接続する伝導体の役割を同時に果たしている。バイポーラープレートによってアノード電極には水素が供給され、カソード電極には酸素が供給される。この過程において、アノード電極では水素の酸化反応が起きるようになり、カソード電極では酸素の還元反応が起きるようになって、この時生成される電子の移動によって電気を得ることができる。
改質器は、燃料と水の混合物を改質反応によって前記電気発生部の電気生成に必要な水素を豊富に含む改質ガスに変化させるだけでなく、このような改質ガスに含まれて燃料電池の触媒を被毒させる一酸化炭素を取り除く。したがって、通常的な改質器は、燃料を改質して水素を豊富に含む改質ガスを発生させる改質部と、このような改質ガスに混合された一酸化炭素を取り除く一酸化炭素除去部とを含む。
前記改質部は、水蒸気改質（Ｓｔｅａｍ Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ：ＳＲ）、部分酸化（Ｐａｒｔｉａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ：ＰＯＸ）、自熱反応（Ａｕｔｏｔｈｅｒｍａｌ Ｒｅａｃｔｉｏｎ：ＡＴＲ）などの触媒反応を通じて、燃料を水素を豊富に含む改質ガスに変化させる。前記一酸化炭素除去部は、水性ガス転換（Ｗａｔｅｒ Ｇａｓ Ｓｈｉｆｔ：ＷＧＳ）、選択的酸化（Ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌ ＣＯＯｘｉｄａｔｉｏｎ：ＰＲＯＸ）などのような触媒反応または分離膜を利用した水素の精製などを通じて前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を取り除く。
一方、高分子電解質型燃料電池システムに使用される燃料としては、水素を含む多様な物質が使用され得るが、主に炭化水素系列物質が使用される。この中で、市場でブタンは容易に手に入れることができ、改質反応に必要な熱源を提供する燃焼燃料として同時に使用することができるという長所があり、最近注目されている。
ブタンは、沸点が低く比較的小さな圧力で容易に液化されるため、通常的に所定の圧力をかけて液化された状態で燃料容器に充填されて供給される。このような燃料容器を装着してブタンを燃料として使用する燃料電池システムの場合、燃料容器のノズルを開放すれば気化された燃料が自然に燃料容器外部に放出されるので、別途の燃料供給装置を用いずに燃料電池システムに燃料を供給することができる。
しかし、燃料電池の運転に必要な水は別途の供給装置を利用して供給しなければならないので、燃料供給装置を省略する利点が相殺されて、燃料電池システムの全体的に大きくなり、しかも余計な電力を消費しなければならない。
一方、前記従来の燃料電池システムに関する技術を記載した文献としては、下記特許文献１等がある。
特開２００４−３１９３３０号公報
したがって、本発明は、上述した問題点を考慮して導出されたもので、その目的は、付加的な動力装置を用いずに水を供給する水供給装置を持つ燃料電池システムを提供することである。
上述した目的を果たすために本発明による混合燃料供給装置は、少なくとも一部は気体状の燃料を貯蔵する燃料容器、内部に水を貯蔵する水容器、前記燃料容器の内部圧力を前記水容器に伝達するための加圧管、前記混合燃料を生成して混合燃料供給管を通じて外部と流体的に連通されている混合器、前記水容器と前記混合器を流体的に連通する水供給管及び前記燃料容器と前記混合器を流体的に連通する燃料供給管を含むことを特徴とする。
また、前記燃料は炭化水素系列の物質を含むことができ、特にブタンを含むことができ、この時前記燃料容器は移動式ブタン燃料容器とすることができる。
さらに、前記燃料容器の出力端には分配器を装着することができ、前記分配器には前記加圧管及び前記燃料供給管を連通して設置することができる。前記加圧管は第１流量調節バルブを含むことができ、前記燃料供給管は第２流量調節バルブを含むことができる。
一方、前記加圧管には第１ソレノイドバルブを設置し、前記第１ソレノイドバルブを駆動及び制御する動力部及び制御部をさらに含むことができるが、この時前記燃料供給管には前記動力部及び前記制御部で駆動及び制御する第２ソレノイドバルブを設置することができ、前記水容器は前記制御部と電気的に接続された水位感知部をさらに含むことができる。
また、前記混合器は、前記燃料供給管、前記混合燃料供給管及び前記水供給管が互いに流体的に連通可能となるように混合部に設置された構成であり、前記燃料供給管及び前記混合燃料供給管は互いにほぼ同一の直径を有しており、それぞれの一端を接続して設置した一直線の中空管が形成されるが、前記水供給管の直径は、前記燃料供給管の直径及び前記混合燃料供給管の直径より小さい場合がある。
さらに、前記混合器は前記混合部に接続して設置された前記水供給管の一端にノズルを形成することが可能であり、前記混合器は前記燃料供給管から前記混合燃料供給管の方向に縮径していく中空管を前記混合部内部にさらに含むことができる。
本発明の実施形態によって流動する燃料を使用する燃料電池システム内に具備される燃料混合器において、所定の吐出圧を持つ前記燃料を通過させるベンチュリ管及び前記ベンチュリ管を通じた前記燃料の流動する際に負圧が発生する地点に入口が形成され、前記負圧によって水を供給する構造を持つ水供給管を含むことができる。
前記水供給管の入口にはノズルを設置することが可能で、前記ノズルを前記燃料の進行方向に対して所定の角度を持つように設置し得る。前記ノズルと隣接する前記ベンチュリ管の一部には、前記ベンチュリ管の中心部に湾曲された先端を形成することができる。
本発明の他の実施形態による混合燃料供給装置は、少なくとも一部は気体状の燃料を貯蔵する燃料容器、内部に水を貯蔵する水容器、前記混合燃料を生成して混合燃料供給管を通じて外部と流体的に連通されている混合器、前記燃料容器と前記混合器を流体的に連通する燃料供給管、前記混合器に設置されて前記燃料供給管から吐出される燃料を通過させるベンチュリ管及び前記ベンチュリ管を通じる前記燃料の流動する際に負圧が発生する地点に入口が形成され、前記負圧によって水を供給する構造を持つ水供給管を含むことを特徴とする。
前記燃料容器の内部圧力を前記水容器に伝達するための加圧管をさらに含むことができる。前記燃料は炭化水素系列の物質を含むことができる。さらに、前記燃料はブタンを含むことができ、この時前記燃料容器は移動式ブタン燃料容器を含むことができる。
前記燃料容器の出力端には分配器をさらに装着することが可能で、前記分配器には前記加圧管及び前記燃料供給管を連通して設置することができる。前記加圧管は、第１流量調節バルブを含むことができ、前記燃料供給管は第２流量調節バルブを含むことができる。
一方、前記加圧管には第１ソレノイドバルブを設置し、前記第１ソレノイドバルブを駆動及び制御する動力部及び制御部をさらに含むことができる。この時前記燃料供給管には、前記動力部及び前記制御部で駆動及び制御する第２ソレノイドバルブを設置することができ、前記水容器は前記制御部と電気的に接続された水位感知部をさらに含むことを特徴とする。
前記水供給管の入口にはノズルを設置することが可能で、前記ノズルは前記燃料の進行方向に対して所定の角度を持つように設置し得る。前記ノズルと隣接する前記ベンチュリ管の一部は前記ベンチュリ管の中心部に湾曲された先端を形成することができる。
本発明の実施形態による燃料電池システムは、水を供給する水供給装置、少なくとも一部は気体状の燃料を貯蔵する燃料容器、前記水と前記燃料が混合された混合燃料から化学触媒反応によって水素を発生させる改質器、前記水素と酸素の電気化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換させて電気を生産する電気発生部を含み、前記水供給装置は、内部に水を貯蔵して、水供給管を通じて前記改質器と流体的に連通されている水容器、前記水容器から前記改質器で水を供給可能なように前記水容器内部に圧力を付与する圧力付与手段を含むことを特徴とする。
前記圧力付与手段は、前記燃料容器であり、前記燃料容器の内部圧力を前記水容器に伝達するための加圧管をさらに含むことができる。前記燃料は炭化水素を含むことができ、前記燃料容器は移動式ブタン燃料容器を含むことができる。
本発明の他の実施形態による燃料電池システムは、水と燃料が混合された混合燃料を供給する混合燃料供給装置、前記混合燃料から化学触媒反応によって水素を発生させる改質器、前記水素と酸素の電気化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換させて電気を発生させる電気発生部を含み、前記混合燃料供給装置は、少なくとも一部は気体状の燃料を貯蔵する燃料容器、内部に水を貯蔵する水容器、前記混合燃料を生成して、混合燃料供給管を通じて外部と流体的に連通されている混合器、前記燃料容器と前記混合器を流体的に連通する燃料供給管、前記混合器に設置されて前記燃料供給管から吐出される燃料を通過させるベンチュリ管及び前記ベンチュリ管を通じる前記燃料の流動時に負圧が発生する地点に入口が形成され、前記負圧によって水を供給する構造を持つ水供給管を含むことを特徴とする。
また、前記燃料容器の内部圧力を前記水容器に伝達するための加圧管をさらに含むことができる。前記燃料は炭化水素系列の物質を含むことができ、特にブタンを含むことができ、この時前記燃料容器は移動式ブタン燃料容器を含むことができる。
本発明の実施形態による水供給装置は、内部に水を貯蔵し、水供給管を通じて外部に流体的に連通可能とされている水容器、前記水容器で外部に水を排出するように前記水容器内部に圧力を付与する圧力付与手段を含むことを特徴とする。
前記圧力付与手段は、少なくとも一部は気体状の物質を貯蔵する容器で、前記容器の内部圧力を前記水容器に伝達するための加圧管をさらに含むことができる。前記加圧管に流量調節バルブをさらに設置することができ、前記物質は炭化水素系列の物質を含むことができる。
以上、上述したように本発明による燃料電池システム及びこれに使用するための混合燃料供給装置と水供給装置によれば、別途の動力装置を用いずに燃料電池システムに水を供給するので、よりコンパクトで、かつ高効率の燃料電池システムを提供することが可能である。
以下、添付した図面に基づいて本発明を明確にするための好ましい実施形態を詳しく説明する。図面において、同じ参照符号は同じまたは類似する構成要素を示す。
図１は、本発明の実施形態による水供給装置１７０を含む燃料電池システムの概略図である。本発明による燃料電池システムにおいて燃料とは、本実施形態では一般に市場で販売されているブタン燃料を意味するが、これに限定せず気体状の炭化水素系列物質であるＬＮＧ、プロパン、純粋ブタンなどを含むことができる。前記ブタン燃料は、純粋ブタン及びプロパンが一定の割合で混合されている。また、前記ブタン燃料と水の混合物を混合燃料と定義する。
図１を参照すれば、本発明による燃料電池システムは、燃料容器１１１、水を供給する水供給装置１７０、前記混合燃料から水素を発生させる改質器１４０、前記水素と酸素の化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換させて電気を生産する電気発生部１５０及び改質器１４０と電気発生部１５０とに酸素を供給する空気ポンプ１６１，１６２を含んで構成される。
前記燃料電池システムは、高分子電解質型燃料電池方式を採用し、改質器１４０を通じて前記混合燃料から水素ガスを発生させ、前記水素ガスを電気発生部１５０に供給して水素と酸素の電気化学的な反応によって電気エネルギーを発生させる。
水供給装置１７０は、燃料容器１１１、分配器１１２、加圧管１２４、水容器１６４、水供給管１２２及び第１チェックバルブ１２８で構成される。
燃料容器１１１は、密閉型の耐圧性容器であり、内部にブタン燃料を貯蔵し、前記ブタン燃料を放出するノズル（図示せず）を含む。燃料容器１１１は、一般に市場で販売されている移動式ブタン燃料容器を使用することもできるが、以下では燃料容器１１１に移動式ブタン燃料容器を使用する場合について説明する。
一般に、温度５０℃で容器中のガス圧力の１．５倍の圧力をかける時にも変形せず、温度５０℃で容器中のガス圧力の１．８倍の圧力をかける時に破裂しないように、または圧力１．３ＭＰａを加える時にも変形せず圧力１．５ＭＰａを加える時に破裂しないように容器を製作することができる。
前記移動式ブタン燃料容器に貯蔵されて販売する通常のブタン燃料は、プロパン３０％程度とブタン７０％程度を交ぜた混合物である。ブタンの他にプロパンを混合する理由は、純粋なブタンの沸点が−０．５℃なので、冬季及び気温の低い場所ではブタンの気化が自然に行われることが難しいためである。また、前記ブタン燃料は比較的低圧力で液化が可能であるが、液化の時には体積が元の体積と比較して１／２００以下になるため、通常加圧して液状で燃料容器１１１に貯蔵する。
燃料容器１１１を液状のブタン燃料で満たせば、液状のブタン燃料の一部は気化され、前記気化されたブタン燃料によって燃料容器１１１の内圧は上昇する。前記内圧が所定の圧力に至ればそれ以上液状のブタン燃料の気化は起きないで所定の圧力が維持される。この時の状態を気液共存状態と言い、この時維持される圧力を蒸圧力または飽和蒸圧力と言う。前記蒸圧力は、密閉容器にある液体の量に関係なく液体が同じ成分と温度であれば一定に維持される。
図２はプロパンとブタンの混合液の蒸圧力を示すグラフである。図２を参照すれば、例えば、２０℃でプロパンとブタンの混合費が３：７の混合液の蒸圧力は４ｋｇ／ｃｍ２である。すなわち、燃料容器１１１は２０℃の常温で大圧力の４倍の内圧を維持している。したがって、燃料容器１１１のノズルを開放すれば、前記内圧によって燃料容器１１１内部の上部空間を満たしている気体状のブタン燃料の一部が自然に外部に放出される。すると、上部空間のガス量が減少するから前記内圧が低くなって液面に加えられる圧力も減少し、液状のブタン燃料は再度気化する。したがって別途の燃料供給装置が具備されなくともノズルの開放によってブタン燃料を持続的に供給することができる。
また、図１を参照すれば、前記ブタン燃料は、燃料容器１１１のノズルに連通して設置された分配器１１２を通じて分岐されて別途の付加装置を用いずに自然に放出される。分配器１１２の燃料出力端には、加圧管１２４、燃料供給管１２１のそれぞれの一端が連通して設置される。加圧管１２４の他端は水容器１６４の内部に連通し、水容器１６４の内部に貯蔵された水が加圧管１２４を通じて分配器１１２に逆流されない位置と方向に接続して設置される。
燃料供給管１２１の他端は、改質器１４０に連通して設置される。一方、水供給管１２２の一端は、水容器１６４の内部に連通され、水容器１６４の内部に貯蔵された水が円滑に供給され得る位置と方向に接続して設置される。水供給管１２２の他端は、改質器１４０に連通して設置される。一方水容器１６４に連通された水回収管１２９には、第１チェックバルブ１２８が設置される。第１チェックバルブ１２８は、水回収管１２９から水容器１６４へ液体が流れることのみ可能とする。
前記構成を通じて燃料容器１１１は、分配器１１２と加圧管１２４とを通じて水容器１６４に連通されている。そうすると、前述したように燃料容器１１１内部は所定の内圧を持っているので、燃料容器１１１内部の気化された燃料が水容器１６４に所定量供給されて水容器１６４の内圧を増加させる。また、第１チェックバルブ１２８の作用によって水回収管１２９を通じて水容器１６４へ水が流入されることは容易である一方、水容器１６４から水回収管１２９を通じて水が放出されることが抑制される。したがって、水容器１６４に貯蔵された水は、水供給管１２２を通じて放出されて改質器１４０に供給される。また燃料容器１１１に貯蔵されたブタン燃料は、分配器１１２から分岐されて燃料供給管１２１を通じて改質器１４０に供給される。
一方、前記実施形態で水容器１６４内部を加圧する手段として燃料容器１１１を使用したが、これに限定せず、水容器１６４と流体的に連通するように接続して圧力を上昇させることができる別途のガス充填容器などを使用することができる。
通常供給されるブタン燃料には、使用時の安全のために付臭剤、例えば、テトラヒドロチオフェン（ｔｅｔｒａ ｈｙｄｒｏ ｔｈｉｏｐｈｅｎｅ：ＴＨＴ）及び／またはタシャリブチルメルカブタン（ｔｅｒｔｉａｒｙ ｂｕｔｙｌ ｍｅｒｃａｐｔａｎ：ＴＢＭ）などを微量添加する。ところが、このような付臭剤はイオウ化合物で、イオウ成分が除去されないでそのまま改質燃料として使用する場合、燃料電池システムの触媒が非活性化されて寿命が短縮されるという悪影響がある。よって、改質ガスを生成させる燃料としてブタン燃料を使用するためには、脱イオウ部（図示せず）を経てブタン燃料内のイオウ成分を取り除いた後、後述する改質器１４０に供給することができる。
改質器１４０は、水蒸気改質触媒反応を通じてブタン燃料と水とが混合された前記混合燃料を改質して水素を主成分にする改質ガスを生成し、水性ガス転換触媒反応と選択的酸化触媒反応を通じて前記改質ガスに含まれた一酸化炭素を低減する。また、前記選択的酸化触媒反応に必要な酸素は、空気ポンプ１６１を通じて通常の空気に含まれた酸素を供給する。
一方、改質器１４０は、前記触媒反応に必要な熱源を供給するために燃料容器１１１に貯蔵されたブタン燃料の一部の供給を受けて燃焼させる熱源部（図示せず）をさらに含むことができる。前記水蒸気改質触媒反応と水性ガス転換触媒反応と選択的酸化触媒反応を反応式で染示すと、下記反応式１、反応式２、及び反応式３のようである。
［反応式１］
水蒸気改質触媒反応：ｎ−Ｃ４Ｈ１０＋８Ｈ２Ｏ→４ＣＯ２＋１３Ｈ２ΔＨ２９８＝４８５．３ＫＪ／ｍｏｌ
［反応式２］
水性ガス転換触媒反応：ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２ΔＨ２９８＝−４１．１ＫＪ／ｍｏｌ
［反応式３］
選択的酸化触媒反応：ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２ΔＨ２９８＝−２８４．１ＫＪ／ｍｏｌ
電気発生部１５０は、改質器１４０を通じて改質した水素と空気ポンプ１６２を通じて供給された酸素を電気化学反応させて電気エネルギーを発生させる。電気発生部１５０は、水素と酸素をそれぞれ酸化／還元させる膜／電極アセンブリー１５４と、水素と酸素を膜／電極アセンブリーに供給するためのバイポーラープレート１５５を含むことができる。
膜／電極アセンブリー１５４は、両側面を成すアノード電極１５２とカソード電極１５３との間に電解質膜１５１が介在された一般的な膜／電極アセンブリーの構造を持つことができる。電気発生部１５０の電気化学反応を反応式で示すと下記反応式４のようである。
［反応式４］
アノード電極：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
カソード電極：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
全体反応式：Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ＋電流＋熱
電気発生部１５０の一端には、コンデンサ１６３が設置される。コンデンサ１６３は電気発生部１５０から排出されたガスの中で水蒸気を凝縮し、凝縮された水はコンデンサ１６３と水容器１６４のと間に連通して設置された水回収管１２９を通じて水容器１６４に移送される。
図３は、本発明の他の実施形態による水供給装置２７０の概略図である。図３を参照すれば、本発明の第２実施形態による水供給装置２７０には、前記水供給装置１７０に付け加えて第１流量調節バルブ１２５が設置される。第１流量調節バルブ１２５は、加圧管１２４に接続して設置される。
前記構成を通じて第１流量調節バルブ１２５を操作することで燃料容器１１１から水容器１６４に供給されるブタン燃料の量を調節して水容器１６４の内圧を調節することで、水容器１６４から水供給管１２２を通じて排出される水の量を調節する。説明の便宜上、前記本発明の第１実施形態による水供給装置１７０と類似する他の構成の説明は省略する。
図４は、本発明の実施形態による混合燃料供給装置１９０を含む燃料電池システムの概略図である。図４を参照すれば、本発明の第３実施形態による混合燃料供給装置１９０を含む燃料電池システムは、前記混合燃料を供給する混合燃料供給装置１９０、前記混合燃料から水素を発生させる改質器１４０、前記水素と酸素の化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換させて電気を生産する電気発生部１５０及び改質器１４０と電気発生部１５０とに酸素を供給する空気ポンプ１６１，１６２を含んで構成する。
混合燃料供給装置１９０は、燃料容器１１１、分配器１１２、加圧管１２４、水容器１６４、水供給管１２２、混合器１３０、燃料供給管１２１、混合燃料供給管１２３及び第１チェックバルブ１２８で構成される。
分配器１１２は、燃料容器１１１のノズルに連通して設置され、分配器１１２の出力端には加圧管１２４、燃料供給管１２１のそれぞれの一端が連通して設置される。加圧管１２４の他端は、水容器１６４の内部に連通し、水容器１６４の内部に貯蔵された水が加圧管１２４を通じて分配器１１２に逆流されない位置と方向とに接続して設置される。
燃料供給管１２１の他端は、混合器１３０の内部に連通して設置される。また、水供給管１２２の一端は、水容器１６４の内部に連通され、水容器１６４の内部に貯蔵された水が円滑に供給され得る位置と方向とに接続して設置される。水供給管１２２の他端は、混合器１３０の内部に連通して設置される。また混合燃料供給管１２３の一端は、混合器１３０の内部に連通して設置され、混合燃料供給管１２３の他端は改質器１４０に設置される。一方、水容器１６４に連通された水回収管１２９には第１チェックバルブ１２８が接続して設置される。
前記構成を通じて燃料容器１１１は、分配器１１２と加圧管１２４とを通じて水容器１６４に連通されている。前述したように、燃料容器１１１内部は所定の内圧を持っているから、燃料容器１１１内部の気化された燃料が水容器１６４に所定量供給されて水容器１６４の内圧を増加させる。また第１チェックバルブ１２８は流体を一方向のみに流す作用をするから、水回収管１２９を通じて水容器１６４に容易に水が流入させる。さらに、水容器１６４から水回収管１２９を通じて水を放出させることを抑制する。
したがって、水容器１６４に貯蔵された水は、水供給管１２２を通じて放出されて混合器１３０に供給される。また、燃料容器１１１に貯蔵されたブタン燃料は、分配器１１２から一部が分岐されて燃料供給管１２１を通じて混合器１３０に供給される。混合器１３０では前記水と前記ブタン燃料とが混合して混合燃料が生成され、前記混合燃料は混合燃料供給管１２３を通じて改質器１４０に供給される。
一方、前記実施形態で水容器１６４の内部を加圧する手段として燃料容器１１１を使用したが、これに限定せず水容器１６４と流体的に連通されて気体圧を加えることができる別途のガス充填容器などを使用することができる。説明の便宜上、前記本発明の第１実施形態による水供給装置１７０を含む燃料電池システムと類似な構造の改質器１４０、電気発生部１５０及び空気ポンプ１６１，１６２などの説明は省略する。
図５は、本発明の他の実施形態による混合燃料供給装置２９０の概略図である。図５を参照すれば、本発明の第４実施形態による混合燃料供給装置２９０には、図４の本発明の第３実施形態による混合燃料供給装置１９０に加えて、第１流量調節バルブ１２５、第２流量調節バルブ１２６及び第２チェックバルブ１２７が設置される。第１流量調節バルブ１２５は加圧管１２４に接続して設置され、第２流量調節バルブ１２６は燃料供給管１２１に接続して設置され、第２チェックバルブ１２７は水供給管１２２に接続して設置される。
前記構成を通じて第１流量調節バルブ１２５を操作することで燃料容器１１１から水容器１６４に供給されるブタン燃料の量を調節して水容器１６４の内圧を調節することで、水容器１６４から水供給管１２２を通じて排出される水の量を調節する。また、混合器１３０に供給される前記水の量に対応するように第２流量調節バルブ１２６を操作することで混合器１３０に供給されるブタン燃料の量を調節する。したがって、第１流量調節バルブ１２５と第２流量調節バルブ１２６それぞれの開度を適切に調節することで混合器１３０での水とブタン燃料の混合量及び混合比を容易に調節して燃料電池の出力を任意にコントロール可能である。
一方、第２チェックバルブ１２７は、流体を一方向のみに流す作用をするから、水容器１６４から水供給管１２２を通じて混合器１３０に容易に水を放出可能である一方で、混合器１３０から水供給管１２２を通じて水容器１６４に水が流入することを抑制する。したがって、混合器１３０に流入された燃料によって混合器１３０の内圧が増加して、水または燃料などが水容器１６４に逆流することを防止することができる。
図６は、本発明の他の実施形態による混合燃料供給装置３９０の概略図である。図６を参照すれば、本発明の第５実施形態による混合燃料供給装置３９０には、図４の本発明の第３実施形態の混合燃料供給装置２９０に加えて、第１ソレノイドバルブ１８４、第２ソレノイドバルブ１８５、動力部１８１、制御部１８２、水位感知部１８３及び第２チェックバルブ１２７が設置される。
第１ソレノイドバルブ１８４は加圧管１２４に接続して設置され、第２ソレノイドバルブ１８５は燃料供給管１２１に接続して設置され、これらはそれぞれ動力部１８１に接続される。動力部１８１の駆動源は電気または空圧力などとすることが可能である。動力部１８１は制御部１８２に接続され、制御部１８２は水容器１６４に設置された水位感知部１８３に接続される。また第２チェックバルブ１２７は水供給管１２２に接続して設置される。
前記構成を通じて、制御部１８２はあらかじめ入力された設定値によって必要な時に動力部１８１に所定の信号を入力して動力部１８１を駆動して、動力部１８１に接続された第１ソレノイドバルブ１８４の開度を調節する。これによって、燃料容器１１１から水容器１６４に供給されるブタン燃料の量を調節して水容器１６４の内圧を調節することにより、水容器１６４から水供給管１２２を通じて混合器１３０に供給される水の量を調節する。また、制御部１８２はあらかじめ入力された設定値によって必要な時に動力部１８１に所定の信号を入力して動力部１８１を駆動し、第２ソレノイドバルブ１８５の開度を調節する。これによって、混合器１３０に供給される前記水の量に対応するように混合器１３０に供給されるブタン燃料の量を調節する。
このように制御部１８２を通じて第１ソレノイドバルブ１８４と第２ソレノイドバルブ１８５それぞれの開度を自動で調節することにより混合器１３０に供給される水とブタン燃料の量を調節して、混合器１３０での水とブタン燃料との混合量及び混合費を容易に自動で調節して所望の燃料電池の出力にコントロールすることができる。
また、水位感知部１８３は水容器１６４の水位を感知して制御部１８２に所定信号を伝送し、所定水位以下の時には制御部１８２から所定の信号を動力部１８１に送る。そして、動力部１８１は第１ソレノイドバルブ１８４と第２ソレノイドバルブ１８５とを作動させて混合器１３０に供給する水とブタン燃料とを漸次的に減少させながら遮断する。したがって、安全に燃料電池の運転を停止させることができる。
以後に別途の水供給などによって水容器１６４の水位が所定水位以上の時には、水位感知部１８３で該水位を感知して動力部１８１が第１ソレノイドバルブ１８４と第２ソレノイドバルブ１８５とを作動させる。これにより、再度水とブタン燃料とを供給して燃料電池の運転を再開することができる。
一方、前述のように第２チェックバルブ１２７は、流体を一方向のみに流す作用をするため、水容器１６４から水供給管１２２を通じて混合器１３０に水を容易に放出する。さらに、混合器１３０から水供給管１２２を通じて水容器１６４に水が流入されることを抑制する。したがって、混合器１３０に流入した燃料によって混合器１３０の内圧が上昇することによる水または燃料などの水容器１６４への逆流を防止することができる。
前記実施形態には第１ソレノイドバルブ１８４及び第２ソレノイドバルブ１８５がすべて含まれたが、第２ソレノイドバルブ１８５を省略して第１ソレノイドバルブ１８４のみ設置して気化器１３０に供給される水の量のみを調節する構成も可能である。
図７は、本発明の実施形態による混合器１３０の垂直断面図である。図７を参照すれば、混合器１３０は燃料供給管１２１、水供給管１２２及び混合燃料供給管１２３が混合部１３２で連通して設置された構成である。特に、燃料供給管１２１と混合燃料供給管１２３はほぼ同一の直径を有しており、一列に連通して接続された状態で設置されて一体に形成されている。
一方、図７における水供給管１２２は、燃料供給管１２１及び混合燃料供給管１２３に直角となるように設置したが、混合器１３０の構造はこれに限定されない。水供給管１２２は、液状の水が流動するため、気体状のブタン燃料が流れる燃料供給管１２１及び混合燃料供給管１２３より直径が小さい場合がある。
前記構成を通じて気体状の燃料は、燃料供給管１２１を通じて混合部１３２に流入され、液状の水は、前記ブタン燃料の水容器１６４に対する加圧作用によって水供給管１２２を通じて混合部１３２に流入される。混合部１３２では、前記燃料と水が混合して混合燃料を生成し、前記混合燃料は混合燃料供給管１２３を通じて移送される。
図８は、本発明の他の実施形態による混合器２３０の垂直断面図である。図８を参照すれば、本発明の第７実施形態による混合器２３０は、燃料供給管１２１、水供給管１２２及び混合燃料供給管１２３が混合部１３２近傍で連通して設置される。特に、燃料供給管１２１と混合燃料供給管１２３とはほぼ同一の直径を持ち、一列に連通して接続された状態で設置されており、一体に形成されている。
水供給管１２２が混合部１３２に連通して設置された末端部内部には、噴霧ノズル１３３が形成されている。また、燃料供給管１２１及び混合燃料供給管１２３が接続して設置された混合部１３２近傍の内部は内部管１３１が設置された二重管構造を持つ。内部管１３１の一端は、ブタン燃料が流入される燃料供給管１２１内部に接して設置され、他端は混合燃料供給管１２３に向けて延長されて直径が徐々に減少する。内部管１３１の他端には、混合部１３２の噴霧ノズル１３３に隣接して所定の直径の開口が形成される。
前記構成を通じて、気体状のブタン燃料は、燃料供給管１２１を通じて流入されて直径が徐々に減少する内部管１３１の内部に沿って流動し、混合部１３２に吐出される。すると、ベルヌイ（Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ）の定理によって前記ブタン燃料の流速が増加して、燃料供給部１３２近傍の圧力が低くなって負圧が発生する。
一方、前述したブタン燃料の水容器１６４に対する加圧作用及び混合部１３２近傍の前記負圧によって、水は水供給管１２２を通じてさらに容易に流入され、噴霧ノズル１３３を通じて混合部１３２に噴射される。混合部１３２では、前記燃料と水が混合して混合燃料が生成されて、前記混合燃料は混合燃料供給管１２３を通じて移送される。
一方、前記実施形態で、噴霧ノズル１３３の位置は内部管１３１の他端の外部としたが、これに限定せず内部管１３１の末端の内部とすることも可能である。
図９は、本発明のまた他の実施形態による混合器３３０の垂直断面図である。図９を参照すれば、本発明の第８実施形態による混合器３３０は、燃料供給管１２１と水供給管１２２と混合燃料供給管１２３とが混合部１３２で連通して設置される構成である。特に、燃料供給管１２１と混合燃料供給管１２３とはほぼ同一の直径を有し、一列に連通して接続された状態で設置されており、一体に形成されている。また、これらが接続される地点の内部にはベンチュリ管１３６が設置される。ベンチュリ管１３６は通常のベンチュリ管の形状と同様に中間部分に行くほど直径は徐々に小さくなり、両端に行くほど直径は徐々に大きくなる。
水供給管１２２が混合部１３２に連通して設置された内部にはノズル１３４が形成される。前記ノズル１３４は、混合燃料供給管１２３側のベンチュリ管１３６一端部に位置する。該位置はベンチュリ管１３６の直径が拡がり始める境界部分である。また、ベンチュリ管１３６を流動する燃料がノズル１３４に流入しないようにするために、ノズル１３４の形成方向は、燃料が流動する方向に逆らわないよう、混合燃料供給管１２３に向けて、所定の角度を為す斜め方向に形成されている。
ノズル１３４とベンチュリ管１３６とが会合する部分には、コアンダ（Ｃｏａｎｄａ）先端１３５が形成される。コアンダ先端１３５には、ノズル１３４と隣接したベンチュリ管１３６の表面がベンチュリ管１３６の中心部に湾曲されて形成される。
前記構成を通じて、気体状のブタン燃料は燃料供給管１２１を通じて流入され、縮径していくベンチュリ管１３６を通過しながら流速が増加して混合部１３２に吐出される。すると、ベルヌイの定理によって混合部１３２の圧力は下がり負圧が発生する。
一方、コアンダ先端１３５は下方に湾曲されているため、コアンダ先端１３５表面を流れるブタン燃料はコアンダ効果によって下方に湾曲されて流動する。また、コアンダ先端１３５を通過してノズル１３４近傍を流動する前記ブタン燃料は、慣性効果によって引き続き下方に湾曲されて流動するので、ノズル１３４に流入される前記ブタン燃料の量を最小化することができる。したがってノズル１３４に流入される前記ブタン燃料に阻害されることなくノズル１３４を通じて水を容易に噴霧し得る。
したがって、前述したブタン燃料の水容器１６４に対する加圧作用及び混合部１３２の前記負圧によって、水はさらに容易に水供給管１２２を通じて流入されてノズル１３４を通じて混合部１３２に噴霧される。混合部１３２では前記燃料と前記水が混合して混合燃料を生成し、前記混合燃料は混合燃料供給管１２３を通じて移送される。
以上添付した図面を参照して本発明について詳細に説明したが、これは例示的なものに過ぎず、当該技術分野における通常の知識を有する者であれば、多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるということを理解することができる。
本発明の実施形態による水供給装置を含む燃料電池システムの概略図である。 プロパンとブタンの混合液の蒸圧力を示すグラフである。 本発明の他の実施形態による水供給装置の概略図である。 本発明の実施形態による混合燃料供給装置を含む燃料電池システムの概略図である。 本発明の他の実施形態による混合燃料供給装置の概略図である。 本発明の他の実施形態による混合燃料供給装置の概略図である。 本発明の実施形態による混合器の垂直断面図である。 本発明の他の実施形態による混合器の垂直断面図である。 本発明の他の実施形態による混合器の垂直断面図である。
符号の説明
１１１ 燃料容器
１２１ 燃料供給管
１２２ 水供給管
１２３ 混合燃料供給管
１２４ 加圧管
１２９ 水回収管
１３０ 混合器
１４０ 改質器
１５０ 電気発生部
１６４ 水容器
１７０ 水供給装置
１９０ 混合器
２３０ 混合器
２７０ 水供給装置
２９０ 混合燃料供給装置
３３０ 混合燃料供給装置
３９０ 混合燃料供給装置

Claims (36)

  1. 少なくとも一部は気体状の燃料を貯蔵する燃料容器と、
    内部に水を貯蔵する水容器と、
    前記燃料容器の内部圧力を前記水容器に伝達するための加圧管と、
    前記混合燃料を生成して混合燃料供給管を通じて外部と流体的の連通されている混合器と、
    前記水容器と前記混合器とを流体的に連通するように接続する水供給管と、
    前記燃料容器と前記混合器を流体的に連通するように接続する燃料供給管と、を含み、
    前記水供給装置に燃料を供給する前記加圧管と、前記混合器に燃料を供給する前記燃料供給管とは、気化された燃料を前記加圧管に分配し、且つ、液体状の燃料を前記燃料供給管に分配する分配器を介して、燃料容器の出力端に接続されることを特徴とする混合燃料供給装置。
  2. 前記燃料は、炭化水素系列の物質を含むことを特徴とする請求項１に記載の混合燃料供給装置。
  3. 前記燃料は、ブタンを含むことを特徴とする請求項２に記載の混合燃料供給装置。
  4. 前記燃料容器は、移動式ブタン燃料容器を含むことを特徴とする請求項３に記載の混合燃料供給装置。
  5. 前記加圧管は、第１流量調節バルブを含むことを特徴とする請求項１に記載の混合燃料供給装置。
  6. 前記燃料供給管は、第２流量調節バルブを含むことを特徴とする請求項５に記載の混合燃料供給装置。
  7. 前記加圧管には第１ソレノイドバルブを設置し、前記第１ソレノイドバルブを駆動及び制御する動力部及び制御部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の混合燃料供給装置。
  8. 前記燃料供給管には前記動力部及び前記制御部で駆動及び制御する第２ソレノイドバルブを設置することを特徴とする請求項７に記載の混合燃料供給装置。
  9. 前記水容器は、前記制御部と電気的に接続された水位感知部をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の混合燃料供給装置。
  10. 前記混合器は、前記燃料供給管、前記混合燃料供給管及び前記水供給管が互いに流体的に連通できるように混合部で設置構成され、
    前記燃料供給管及び前記混合燃料供給管には、
    それぞれの一端が接続して設置されて一直線の中空管に形成されることを特徴とする請求項１に記載の混合燃料供給装置。
  11. 前記水供給管の直径は、前記燃料供給管の直径及び前記混合燃料供給管の直径より小さいことを特徴とする請求項１０に記載の混合燃料供給装置。
  12. 前記混合器の前記混合部に接続して設置された前記水供給管の一端にノズルが形成されたことを特徴とする請求項１０に記載の混合燃料供給装置。
  13. 前記混合器は、前記燃料供給管から前記混合燃料供給管方向に縮径していく中空管を前記混合部内部にさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の混合燃料供給装置。
  14. 前記混合器は、
    所定の吐出圧を持つ前記燃料を通過させるベンチュリ管と、
    前記ベンチュリ管を通じる前記燃料の流動する際に負圧が発生する地点に入口が形成され、前記負圧によって水を供給する構造を持つ水供給管と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の混合燃料供給装置。
  15. 前記水供給管の入口には、ノズルが設置されることを特徴とする請求項１４に記載の混合燃料供給装置。
  16. 前記ノズルは、前記燃料の進行方向に対して所定の角度を持つように設置されることを特徴とする請求項１５に記載の混合燃料供給装置。
  17. 前記ノズルと隣接する前記ベンチュリ管の一部には、前記ベンチュリ管の中心部に湾曲された先端が形成されることを特徴とする請求項１６に記載の混合燃料供給装置。
  18. 少なくとも一部は気体状の燃料を貯蔵する燃料容器と、
    内部に水を貯蔵する水容器と、
    前記燃料容器の内部圧力を前記水容器に伝達するための加圧管と、
    前記混合燃料を生成し、混合燃料供給管を通じて外部と流体的に連通されている混合器と、
    前記燃料容器と前記混合器を流体的に連通する燃料供給管と、
    前記混合器に設置されて前記燃料供給管から吐出される燃料を通過させるベンチュリ管と、
    前記ベンチュリ管を通じる前記燃料の流動する際の負圧が発生する地点に入口が形成され、前記負圧によって水を供給する構造を持つ水供給管を含み、
    前記水供給装置に燃料を供給する前記加圧管と、前記混合器に燃料を供給する前記燃料供給管とは、気化された燃料を前記加圧管に分配し、且つ、液体状の燃料を前記燃料供給管に分配する分配器を介して、燃料容器の出力端に接続されることを特徴とする混合燃料供給装置。
  19. 前記燃料は、炭化水素系列の物質を含むことを特徴とする請求項１８に記載の混合燃料供給装置。
  20. 前記燃料は、ブタンを含むことを特徴とする請求項１９に記載の混合燃料供給装置。
  21. 前記燃料容器は、移動式ブタン燃料容器を含むことを特徴とする請求項２０に記載の混合燃料供給装置。
  22. 前記加圧管は、第１流量調節バルブを含むことを特徴とする請求項１８に記載の混合燃料供給装置。
  23. 前記燃料供給管は、
    第２流量調節バルブを含むことを特徴とする請求項２２に記載の混合燃料供給装置。
  24. 前記加圧管には第１ソレノイドバルブを設置し、
    前記第１ソレノイドバルブを駆動及び制御する動力部及び制御部をさらに含むことを特徴とする請求項１８に記載の混合燃料供給装置。
  25. 前記燃料供給管には、前記動力部及び前記制御部で駆動及び制御する第２ソレノイドバルブを設置することを特徴とする請求項２４に記載の混合燃料供給装置。
  26. 前記水容器は、前記制御部と電気的に接続された水位感知部をさらに含むことを特徴とする請求項２５に記載の混合燃料供給装置。
  27. 前記水供給管の入口には、ノズルが設置されることを特徴とする請求項１８に記載の混合燃料供給装置。
  28. 前記ノズルは、前記燃料の進行方向に対して所定の角度を持つように設置されることを特徴とする請求項２７に記載の混合燃料供給装置。
  29. 前記ノズルと隣接する前記ベンチュリ管の一部には、前記ベンチュリ管の中心部に湾曲された先端が形成されることを特徴とする請求項２８に記載の混合燃料供給装置。
  30. 水を供給する水供給装置と、
    少なくとも一部は気体状の燃料を貯蔵する燃料容器と、
    前記水と前記燃料が混合された混合燃料から化学触媒反応によって水素を発生させる改質器と、
    前記水素と酸素の電気化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換させて電気を生産する電気発生部を含み、
    前記水供給装置は、
    内部に水を貯蔵して水供給管を通じて前記改質器と流体的に連通可能とされている水容器と、
    前記水容器から前記改質器に水を供給するように前記水容器内部に圧力を付与する圧力付与手段と、を含み、
    前記圧力付与手段は、前記燃料容器であり、前記燃料容器の内部圧力を前記水容器に伝達するための加圧管をさらに含み、
    前記水供給装置に燃料を供給する前記加圧管と、前記混合器に燃料を供給する前記燃料供給管とは、気化された燃料を前記加圧管に分配し、且つ、液体状の燃料を前記燃料供給管に分配する分配器を介して、燃料容器の出力端に接続されることを特徴とする燃料電池システム。
  31. 前記燃料は、炭化水素を含むことを特徴とする請求項３０に記載の燃料電池システム。
  32. 前記燃料容器は、移動式ブタン燃料容器を含むことを特徴とする請求項３１に記載の燃料電池システム。
  33. 水と燃料が混合された混合燃料を供給する混合燃料供給装置と、
    前記混合燃料から化学触媒反応によって水素を発生させる改質器と、
    前記水素と酸素の電気化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換させて電気を発生させる電気発生部を含み、
    前記混合燃料供給装置は、
    少なくとも一部は気体状の燃料を貯蔵する燃料容器と、
    内部に水を貯蔵する水容器と、
    前記混合燃料を生成して混合燃料供給管を通じて外部と流体的に連通可能とされている混合器と、
    前記燃料容器と前記混合器を流体的に連通可能とする燃料供給管と、
    前記混合器に設置されて前記燃料供給管から吐出される燃料を通過させるベンチュリ管と、
    前記ベンチュリ管を通じる前記燃料の流動の時負圧が発生する地点に入口が形成され、前記負圧によって水を供給する構造を持つ水供給管と、を含み、
    さらに、前記燃料容器の内部圧力を前記水容器に伝達するための加圧管をさらに含み、
    前記水供給装置に燃料を供給する前記加圧管と、前記混合器に燃料を供給する前記燃料供給管とは、気化された燃料を前記加圧管に分配し、且つ、液体状の燃料を前記燃料供給管に分配する分配器を介して、燃料容器の出力端に接続されることを特徴とする燃料電池システム。
  34. 前記燃料は、炭化水素系列の物質を含むことを特徴とする請求項３３に記載の燃料電池システム。
  35. 前記燃料は、ブタンを含むことを特徴とする請求項３４に記載の燃料電池システム。
  36. 前記燃料容器は、移動式ブタン燃料容器を含むことを特徴とする請求項３５に記載の燃料電池システム。
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