KR100815781B1 - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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산요덴키가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 간이한 구성에 의해, 정제수 등을 희석 연료 탱크에 공급하는 수단의 제공을 목적으로 한다.
본 발명의 연료 전지 시스템은, 액체 연료 및 산화제를 이용하여 발전하는 연료 전지(102)와, 액체 연료를 저장하는 연료 탱크(122)와, 연료 탱크(122)로부터 연료 전지(102)에 액체 연료를 공급하는 제1 경로와, 복수 종류의 카트리지를 교환 가능한 카트리지 장착부와, 카트리지로부터 토출되는 내용물을 연료 전지(102)에 공급하는 제2 경로와, 카트리지 장착부에 장착된 카트리지의 종류를 검지하는 카트리지 검지부(142)와, 검지된 카트리지의 종류에 따라서, 경로를 제어하는 경로 제어 수단을 구비한다.
연료 전지, 연료 탱크, 카트리지 검지부, 펌프, 크레이들

Description

연료 전지 시스템 {Fuel Cell System}
도1은 본 발명의 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템의 사시도.
도2는 연료 전지 시스템의 구성도.
도3은 연료 전지 시스템을 기동했을 때나 카트리지를 교환했을 때에 대한 처리 과정을 나타내는 흐름도.
도4는 이니셜 처리용 카트리지를 장착한 연료 전지 시스템의 모식도.
도5는 이니셜 처리용 카트리지가 장착되었을 때에 대한 처리 과정을 나타내는 흐름도.
도6은 연료용 카트리지를 장착한 연료 전지 시스템의 모식도.
도7은 연료용 카트리지가 장착되었을 때에 대한 처리 과정을 나타내는 흐름도.
도8은 세정용 카트리지를 장착한 연료 전지 시스템의 모식도.
도9는 세정용 카트리지가 장착되었을 때에 대한 처리 과정을 나타내는 흐름도.
도10은 불활성화 처리용 카트리지를 장착한 연료 전지 시스템의 모식도.
도11은 불활성화 처리용 카트리지가 장착되었을 때에 대한 처리 과정을 나타내는 흐름도.
도12는 본 발명의 변형예에 관한 연료 전지 시스템의 모식도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 케이스
20 : 보기 유닛
30 : 크레이들
100, 101 : 연료 전지 시스템
102 : 연료 전지
104 : 애노드측
106 : 캐소드측
110, 112, 114, 116, 118 : 펌프
120 : 연료 서브 탱크
122 : 희석 연료 탱크
124 : 냉각기
126 : 기액 분리기
130 : 연료 전지 시스템 배출 조인트부
132 : 연료 전지 시스템 흡입 조인트부
134 : 역지 밸브
136, 138 : 삼방 밸브
140 : 제어 유닛
142 : 카트리지 검지부
144 : 액면 센서
146 센서
148 : 연료 필터
150 : 배기 필터
152 : 공기 필터
200 : 연료용 카트리지
210 : 연료백
230 : 카트리지 토출 조인트부
240 : 연료 확인 창
300 : 이니셜 처리용 카트리지
310, 510 : 공급백
330, 450, 530 : 카트리지 토출 조인트부
340, 540 : 회수백
360, 430, 560 : 카트리지 회수 조인트부
400 : 세정용 카트리지
410 : 세정액 백
500 : 불활성화 처리용 카트리지
[문헌 1] 일본 특허 공개 제2004-152741호 공보
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 특히, 장착되는 카트리지에 대응하여 연료 전지 시스템 내의 경로를 변경하는 기술에 관한 것이다.
연료 전지는 수소와 산소로부터 전기 에너지를 발생시키는 장치이고, 높은 발전 효율을 얻을 수 있다. 연료 전지의 주된 특징으로서는, 종래의 발전 방식과 같이 열 에너지나 운동 에너지의 과정을 거치지 않는 직접 발전이므로, 소규모라도 높은 발전 효율을 기대할 수 있는 것, 질소 화합물 등의 배출이 적고, 소음이나 진동도 작으므로 환경성이 좋은 것 등을 들 수 있다.
그 중에서도, 고체 고분자형 연료 전지는, 다른 종류의 연료 전지에 비해 작동 온도가 낮고, 높은 출력 밀도를 갖는 특징이 있다. 특히 최근, 고체 고분자형 연료 전지의 일 형태로서, 다이렉트 메탄올 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell : DMFC)가 주목을 받고 있다. DMFC는, 연료인 메탄올 수용액을 개질하는 일없이 직접 애노드로 공급하고, 메탄올 수용액과 산소와의 전기 화학 반응에 의해 전력을 얻는 것이고, 이 전기 화학 반응에 의해 애노드로부터는 이산화탄소가, 캐소드로부터는 생성수가, 반응 생성물로서 배출된다. 메탄올 수용액은 수소에 비해 단위 체적당의 에너지가 높아서 저장이 적합하고, 폭발 등의 위험성도 낮기 때문에, 자동차나 휴대 기기[휴대 전화, 노트형 컴퓨터, PDA, MP3 플레이어, 디지털 카메라 혹은 전자 사전(서적)] 등의 전원으로의 이용이 기대되고 있다.
일반적으로, DMFC에서 사용되는 메탄올 수용액은, 착탈 가능한 카트리지에 의해 공급된다. 카트리지에는, 발전에 최적인 농도보다도 고농도의 메탄올 수용액이 저장되고, 연료 전지 시스템 내의 희석 연료 탱크에서 고농도 메탄올 수용액을 희석 후, DMFC에 공급한다. 이 구조에 의해, 카트리지당의 발전량을 증대시킴으로써, DMFC의 편리성이 향상한다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조).
DMFC를 구입한 직후의 경우나, DMFC를 장기간 사용하지 않고, 보관을 위해 희석 연료 탱크 내를 비어 있게 한 경우에, DMFC의 사용을 개시하는 데 있어서, 정제수 등을 희석 연료 탱크에 공급할 필요가 있다. 그로 인해, 정제수 공급 등의 유지 보수 작업을, 사용자가 용이하게 행할 수 있는 연료 전지 시스템이 요구되고 있다. 또한, 사용자의 편리성을 중시한 나머지, 연료 전지 시스템의 구성이 복잡해져 버린 것은 공간 절약화, 비용 절약화가 곤란하다.
그래서, 본 발명은, 연료 전지 시스템의 구성을 복잡하게 하는 일없이, DMFC의 유지 보수를 사용자가 용이하게 할 수 있는 연료 전지 시스템의 제공을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 임의의 태양의 연료 전지 시스템은, 액체 연료 및 산화제를 이용하여 발전하는 연료 전지와, 액체 연료를 저장하는 연료 탱크와, 연료 탱크로부터 연료 전지에 액체 연료를 공급하는 제1 경로와, 복수 종류의 카트리지를 교환 가능한 카트리지 장착부와, 카트리지로부터 토출되는 내용물을 연료 전지에 공급하는 제2 경로와, 카트리지 장착부에 장착된 카트리지의 종류를 검지하는 카트리지 검지 수단과, 검지된 카트리지의 종류에 따라서, 경로를 제어하는 경로 제어 수단을 구비한다.
이 태양에 따르면, 사용자는, 카트리지를 변경하는 것만으로 연료 전지의 유지 보수를 용이하게 행하기 쉬워진다.
또한, 장착된 카트리지가 연료 탱크에 공급하는 액체 연료를 저장하는 카트리지인 것이, 카트리지 검지 수단에 의해 검지되었을 때, 경로 제어 수단은, 카트리지로부터 토출되는 액체 연료를 연료 탱크에 공급하는 경로로 절환하는 동시에, 연료 전지로부터의 배출물을 연료 탱크에 회수하는 경로로 절환하는 것이 바람직하다.
또한, 장착된 카트리지가 연료 전지 내의 전해질막 또는 애노드를 세정하기 위한 세정액을 저장하는 카트리지인 것이, 카트리지 검지 수단에 의해 검지되었을 때, 경로 제어 수단은, 카트리지로부터 토출되는 내용물을 연료 전지에 공급하는 경로로 절환하는 동시에, 연료 전지로부터의 배출물을 카트리지에 회수하는 경로로 절환하는 것이 바람직하다.
또한, 장착된 카트리지가 2개의 용기를 포함하고, 제1 용기에는 연료 탱크에 공급하기 위한 정제수 또는 소정의 농도로 희석된 액체 연료를 저장하고, 제2 용기에는 연료 전지로부터 토출되는 배출물을 회수하는 카트리지인 것이, 카트리지 검지 수단에 의해 검지되었을 때, 경로 제어 수단은, 카트리지로부터 토출되는 내용물을 연료 탱크에 공급하는 경로로 절환하는 동시에, 연료 전지로부터의 배출물을 카트리지에 회수하는 경로로 절환함으로써, 희석 연료 탱크 내의 액체 연료 또는 연료 전지 내의 불활성 가스를 제2 용기에 회수 가능하게 하고, 카트리지로부터 토 출되는 내용물을 연료 전지에 공급하는 경로로 절환하는 동시에, 연료 전지로부터의 배출물을 희석 연료 탱크에 회수하는 경로로 절환함으로써, 제1 용기에 저장된 정제수 또는 소정의 농도로 희석된 액체 연료를 연료 탱크에 공급하는 것이 바람직하다.
또한, 장착된 카트리지가 2개의 용기를 포함하고, 제1 용기에는 연료 전지의 열화를 방지하기 위한 불활성 가스를 저장하고, 제2 용기에는 연료 전지로부터 토출되는 배출물을 회수하는 카트리지인 것이, 카트리지 검지 수단에 의해 검지되었을 때, 경로 제어 수단은, 카트리지로부터 토출되는 내용물을 연료 탱크에 공급하는 경로로 절환하는 동시에, 연료 전지로부터의 배출물을 카트리지에 회수하는 경로로 절환함으로써, 연료 탱크 내의 액체 연료를 제2 용기에 회수 가능하게 하고, 카트리지로부터 토출되는 내용물을 연료 전지에 공급하는 경로로 절환하는 동시에, 연료 전지로부터의 배출물을 연료 탱크에 회수하는 경로로 절환함으로써, 제1 용기에 저장된 불활성 가스를 연료 전지에 공급하는 것이 바람직하다.
이 태양에 따르면, 사용자는, 카트리지를 변경하는 것만으로, 카트리지의 종류에 따른 최적의 경로가 연료 전지 시스템에 의해 선택되기 쉬워진다. 그로 인해, 사용자는 연료 전지의 유지 보수를 용이하게 행하기 쉬워진다.
도1은 본 발명의 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템(100)의 사시도, 도2는 연료 전지 시스템(100)의 구성도를 나타내고 있다. 연료 전지 시스템(100)은 액체 연료로서 메탄올을 이용하고, 이 메탄올과 산화제로서의 공기를 연료 전지에 있어 서 전기 화학 반응시키는 것에 의해 발전을 행하는 DMFC 시스템이고, 휴대 가능한 노트형 퍼스널 컴퓨터의 전원으로서 사용할 수 있도록 전체 치수는 콤팩드하게 구성되어 있다.
연료 전지 시스템(100)은, 도1에 도시하는 바와 같은 케이스(10) 내의 길이 방향의 한쪽에 연료 전지(102)가 탑재되고, 그 반대측에는 연료 전지 시스템(100)으로부터 착탈 가능하게 접속된 연료용 카트리지(200)가, 대략 중앙부에 보기 유닛(20)이 설치되어 있다. 또한, 노트형 퍼스널 컴퓨터를 적재하는 크레이들(30) 내에는 제어 유닛(140)과 이차 전지가 설치되어 있다.
도1 및 도2에서는, 연료 전지 시스템(100)에서 주로 사용되는 연료용 카트리지(200)가 장착되어 있다. 연료용 카트리지(200)에 인접하여 연료 서브 탱크(120)와 희석 연료 탱크(122)가 설치되어 있다. 연료용 카트리지(200) 내의 연료백(210)에 저장되는 순 메탄올 또는 고농도의 메탄올 수용액은, 연료 서브 탱크(120)를 통해 희석 연료 탱크(122)에 도입되어, 소정의 농도(1 mol/L)로 희석된다. 연료 서브 탱크(120)는, 연료용 카트리지(200)를 착탈할 때에, 연료 공급 경로(220, 153, 154, 156)에 혼입해 버리는 공기를 탈포하는 기능을 갖는다. 희석 연료 탱크(122)는, 연료의 농도를 조정하는 동시에, 연료 전지(102)로부터 배출되는 기체 성분을 연료 전지 시스템(100)의 외부에 배출하는 기액 분리기의 기능을 갖는다.
보기 유닛(20)은, 연료백(210)으로부터 연료 서브 탱크(120)로 연료를 공급하는 펌프(110)와, 연료 서브 탱크(120)로부터 희석 연료 탱크(122)로 연료를 공급 하는 펌프(112)와, 희석 연료 탱크(122)로부터 연료 전지(102)로 연료를 공급하는 펌프(114)를 포함하고, 이들은 연료 저장부인 연료용 카트리지(200), 연료 서브 탱크(120) 및 희석 연료 탱크(122)와 연료 전지(102)와의 사이에 탑재되어 있다. 이것은, 연료 공급로(220, 153, 154, 156, 158, 160, 162, 166, 168, 170, 172)를 가능한 한 짧게 하여 공간 절약화를 도모하는 동시에, 간헐적으로 공급되는 고농도 메탄올을 신속히 연료 전지(102)로 공급하기 위해서이다.
또한, 보기 유닛(20)은, 연료 전지(102)의 캐소드측(106)에 산소를 공급하기 위한 펌프(116)를 포함한다. 대기로부터 펌프(116)에 의해 흡인된 공기는, 산소 공급로(180)를 통과하여, 공기 필터(152)를 통과한다. 이것에 의해, 대기 중의 먼지 등을 제거할 수 있다. 공기 필터(152)를 통과한 공기는, 산소 공급로(182)를 통과하여, 캐소드측(106)에 공급된다.
또한, 보기 유닛(20)은 기액 분리기(126) 및 냉각기(124)를 포함한다. 기액 분리기(126) 및 냉각기(124)는 연료 전지(102)와 희석 연료 탱크(122)와의 사이에 탑재되어 있다. 기액 분리기(126)는, 연료 전지(102)의 애노드측(104)으로부터 배출되는 액체를 주성분으로 하는 애노드 배출물(배메탄올 + 이산화탄소)과, 캐소드측(106)으로부터 배출되는 기체를 주성분으로 하는 캐소드 배출물(배공기 + 생성수)을, 캐소드측 배출로(184) 및 애노드측 배출로(174), 배출로(176)를 경유하여 혼합하고, 기체 성분과 액체 성분으로 분리한다. 냉각기(124)는, 기액 분리기(126)에서 분리된 기체 성분과 액체 성분을 다른 배관(186, 178)에 유통시키고, 연료 전지 시스템(100) 내부의 공기를 배출하는 냉각 팬에 의해 연료 전지(102)의 배출물을 냉각한다. 이와 같이, 기액 분리 기능을 갖는 희석 연료 탱크(122)[냉각기(124)]의 전단에 있어서 기액 분리기(126)를 탑재하는 것에 의해, 액체와 기체가 혼재하는 애노드 배출물과 캐소드 배출물을 합류시켜, 기체 성분과 액체 성분을, 각각 액체 성분 유통로(178)와 기체 성분 유통로(186)로 유통시켜 냉각할 수 있다. 그로 인해, 기체가 혼재하는 유체를 냉각하는 것보다 냉각기(124)에서의 열 교환율을 향상시킬 수 있다.
희석 연료 탱크(122)와 연료 전지(102)를 연결하는 유통 경로에는 삼방 밸브(136)가, 연료 전지(102)의 애노드측(104)과 기액 분리기(126)를 연결하는 유통 경로에는 삼방 밸브(138)가 설치되어 있다. 연료 공급로(153)는, 연료 서브 탱크(120)로 향하기 전에 연료 공급로(154)와 공급로(188)로 분기되고, 공급로(188)가 삼방 밸브(136)에 연결되어 있다. 삼방 밸브(136)는, 밸브의 절환에 의해 연료 공급로(168)를 연료 공급로(170)로 연결하거나, 공급로(188)를 연료 공급로(170)로 연결하는 것이 가능하다. 삼방 밸브(136)는 펌프(114)와 희석 연료 탱크(122)를 연결하는 유통 경로 사이에 설치되어 있다. 그로 인해, 삼방 밸브를 절환하는 것에 의해, 희석 연료 탱크(122) 내의 메탄올 수용액을 연료 전지(102)로 공급하거나, 카트리지 내의 내용물을 연료 전지(102), 기액 분리기(126), 냉각기(124)를 경유하여 희석 연료 탱크(122)에 공급할 수 있다. 삼방 밸브(138)는 애노드측 배출로(174)에 연결되어 있고, 애노드측 배출로(174)를 기액 분리기(126)로 연결하는 배출로(176)와, 연료 전지 시스템 배출 조인트부(130)로 연결하는 배출로(190)로 분기시킨다. 삼방 밸브(138)는, 밸브의 절환에 의해 애노드측 배출로(174)를 배출 로(176)로 연결하거나, 애노드측 배출로(174)를 배출로(190)로 연결하는 것이 가능하다. 삼방 밸브(136) 및 삼방 밸브(138)는, 제어 유닛(140)으로부터의 전기 신호에 의해 제어되는 전자기 밸브이다.
희석 연료 탱크(122)에서 회수된 연료 전지(102)의 배출물 중 기체 성분은, 기체 성분 배출로(192)를 통해 연료 전지 시스템(100) 외부로 배출된다. 이때, 기체 성분 배출로(192)는 액체 성분을 외부로 배출하지 않도록 가능한 한 길게 배치하고, 또한 출구에 배기 필터(150)를 설치하는 쪽이 좋다.
희석 연료 탱크(122)로부터 배출되는 수증기량보다도 연료 전지(102)에서 생성되는 생성수의 양이 많아서, 연료 전지 시스템(100) 내를 순환하는 연료가 희석 연료 탱크(122)로부터 오버 플로우할 가능성을 고려하여, 희석 연료 탱크(122)와 연료 서브 탱크(120)를, 그 상부에 있어서 배관[탱크 연락로(164)] 접속하고, 희석 연료 탱크(122)로부터 오버 플로우할 때에는, 연료 서브 탱크(120)가 희석 연료 탱크(122)의 버퍼의 역할을 하는 동시에, 연료용 카트리지(200)로부터 연료 서브 탱크(120)로 연료가 공급되고, 일시적으로 연료 서브 탱크(120) 내의 압력이 상승했을 때에는, 희석 연료 탱크(122)가 연료 서브 탱크(120)의 압력을 릴리프하는 역할을 한다. 연료 서브 탱크(120)와 희석 연료 탱크(122)와의 사이에는 역지 밸브(134)가 설치되고, 연료 공급로(162)로부터 연료 공급로(160, 158)로, 즉, 희석 연료 탱크(122)로부터 연료 서브 탱크(120)로는, 탱크 연락로(164)를 통해 오버 플로우하지 않는 한, 희석된 메탄올 수용액이 역류하지 않도록 구성되어 있다.
연료 서브 탱크(120)에는 액면 센서(144)가, 희석 연료 탱크(122)에는 센 서(146)가 설치되어 있다. 이들의 센서는, 탱크 내 수용액의 액면의 위치나 농도를 측정하고, 그 데이터를 제어 유닛(140)으로 송신한다. 제어 유닛(140)은, 액면 센서(144)로부터의 데이터를 기초로 하여, 연료용 카트리지(200)로부터 연료 서브 탱크(120)로 연료를 공급시킨다. 또한, 제어 유닛(140)은, 센서(146)로부터의 데이터를 기초로 하여, 연료 전지 시스템(100) 내의 각종 장치를 제어한다. 예를 들어, 희석 연료 탱크(122) 내의 메탄올 수용액의 농도 저하를 검출하고, 연료 서브 탱크(120)로부터 희석 연료 탱크(122)로 고농도 메탄올을 공급시킨다. 또한, 희석 연료 탱크(122)와 삼방 밸브(136)를 연결하는 유통 경로에는 연료 필터(148)가 설치되어 있다. 연료 필터(148)에 의해 메탄올 수용액 내의 불순물이 제거되고, 여과된 메탄올 수용액이 연료 전지(102)에 공급된다.
연료백(210)과 연료 서브 탱크(120)를 연결하는 유통 경로에는 카트리지 토출 조인트부(230), 연료 전지 시스템 흡입 조인트부(132)가 설치되고, 이 조인트부를 통해 연료 공급로(220)와 연료 공급로(153)가 접속된다. 이 조인트부는, 카트리지를 착탈할 때의 연료의 누설을 회수하기 위한 안전 기구나 조인트의 로크 기구 등을 본체측에 갖게 하기 위해, 연료용 카트리지(200)측의 카트리지 토출 조인트부(230)가 수(雄)형, 연료 서브 탱크(120)측의 연료 전지 시스템 흡입 조인트부(132)가 암(雌)형으로 되어 있다. 암(雌)형의 쪽이 복잡한 기구를 조립하기 쉽고, 연료용 카트리지(200)측을 간단한 구조로 하는 것에 의해, 사이즈 및 비용의 면을 고려하면 유리하게 된다. 삼방 밸브(138)와 연료용 카트리지(200)를 연결하는 유통 경로에는, 연료 전지 시스템 배출 조인트부(130)가 설치되어 있다. 연료 전지 시스템 배출 조인트부(130)는, 카트리지가 내부에 2개의 용기를 포함할 때, 연료 전지 시스템(100)으로부터 배출되는 배출물을 회수하기 위해 사용된다. 연료 전지 시스템 배출 조인트부(130)와, 배출물의 회수에 사용되는 카트리지의 조인트부도, 마찬가지로 암형, 수형의 관계로 되어 있다.
연료용 카트리지(200)의 착탈 상태를 검지하기 위해, 연료용 카트리지(200)와 접촉하는 연료 전지 시스템(100)의 본체 부분에는 카트리지 검지부(142)가 설치되어 있다. 이것에 의해, 연료용 카트리지(200)가 연료 전지 시스템(100)에 정상인 상태로 끼워 넣어져 있는지를 검지하고, 사용 중에 카트리지 토출 조인트부(230)와 연료 전지 시스템 흡입 조인트부(132)로부터 연료 누설이 없도록 할 수 있다. 연료용 카트리지(200)의 착탈을 검지하는 수단은, 카트리지 검지부(142)에 한정되지 않고, 연료용 카트리지(200)의 소정의 위치에 IC 칩 등을 매립하고, IC 칩의 위치를 검출하는 동시에, 연료용 카트리지(200)의 정보, 예를 들어, 용량, 농도, 연료의 종류, 시리얼 넘버 등의 정보를 연료 전지 시스템(100)의 제어 유닛(140)과의 사이에서 주고받을 수 있도록 해도 좋다.
또한, 카트리지 검지부(142)는 카트리지의 종류를 검지한다. 검지된 카트리지가, 연료 전지 시스템(100)이 요구하고 있는 카트리지인지를 제어 유닛(140)이 판정한다. 장착된 카트리지가 요구하고 있는 카트리지인 경우, 제어 유닛(140)은 펌프(114), 삼방 밸브(136, 138) 등을 제어하여, 카트리지에 따른 처리를 실행한다. 장착된 카트리지가 요구하고 있는 카트리지와 다른 경우, 제어 유닛(140)은 사용자에게 카트리지가 다른 취지를 통지한다. 통지하는 수단은, 소리에 의해 알 리는 것이라도, 사용자가 시각적으로 확인할 수 있는 표시에 의한 것이라도 좋다.
연료용 카트리지(200)의 연료 공급로(220)는 연료백(210)의 바닥부에 그 도입구를 갖고, 연료용 카트리지(200) 내벽의 변을 따라 상승하도록 배치된 후 카트리지 토출 조인트부(230)에 접속된다. 또한, 연료용 카트리지(200)의 상부(상부변의 일부)에는 연료 공급로(220)가 눈으로 확인 가능한 연료 확인 창(240)이 개방 형성되어 있다. 이 연료 확인 창(240)으로부터 연료 공급로(220)의 내부를 확인하기 위해, 연료 공급로(220)는 테플론(등록 상표) 튜브와 같은 투명한 소재를 이용하는 것이 바람직하다. 연료백(210)을 용적 변화 가능한 용기로 하고, 내부에 미리 연료와 함께 소량의 기체를 봉입해 두는 것에 의해, 연료백(210) 내에 저장되어 있었던 연료가 얼마 남지 않게 되었을 때에, 연료 확인 창(240)으로부터 액상과 기상의 경계를 눈으로 확인할 수 있다. 연료에는 미리 색을 부여해 두면, 더 확인하기 쉬워진다.
도3은, 연료 전지 시스템(100)을 기동했을 때나 카트리지를 교환했을 때에 대한 처리 과정을 나타내는 흐름도이다.
우선, 카트리지 검지부(142)는, 카트리지가 연료 전지 시스템(100)에 장착되어 있는지를 검출한다(S10). 연료 전지 시스템(100)을 기동했을 때, 카트리지가 장착되어 있지 않으면(S10의 아니오), 제어 유닛(140)은, 연료 전지 시스템(100)이 필요로 하는 카트리지의 종류를 사용자에게 통지한다(S16). 필요로 하는 카트리지는 사용 상황에 의해 변화하기 때문에, 제어 유닛(140)이 연료 전지 시스템(100) 내의 메모리에 기록된 사용 이력을 기초로 하여 판정해도 좋다. 카트리지가 장착 되어 있으면(S10의 예), 제어 유닛(140)은, 카트리지 검지부(142)로부터의 데이터를 기초로 하여, 그 카트리지가 연료 전지 시스템(100)이 필요로 하는 카트리지인지를 판정한다(S12). 필요로 하는 카트리지와 다르면(S12의 아니오), 필요한 카트리지의 종류를 사용자에게 통지한다(S16). 필요로 하는 카트리지이면(S12의 예), 제어 유닛(140)은 연료 전지 시스템(100) 내의 각종 장치를 제어하고, 카트리지에 대응한 처리를 실행한다(S14). S14의 처리의 상세에 대해서는, 도5 등에 관련하여 상세하게 서술한다.
도4는, 이니셜 처리용 카트리지(300)를 장착한 연료 전지 시스템(100)의 모식도이다.
이니셜 처리용은 연료 전지 시스템(100)을 구입했을 때나, 장기간 사용하지 않기 때문에 연료 전지(102)의 불활성화 처리를 하여, 다시 사용할 때에 필요한 처리이다. 이니셜 처리용 카트리지(300)는 공급백(310), 공급로(320), 카트리지 토출 조인트부(330), 회수백(340), 회수로(350) 및 카트리지 회수 조인트부(360)를 포함한다. 공급백(310)은 용적 변화 가능한 용기이고, 공급로(320)를 통해 카트리지 토출 조인트부(330)에 연결되어 있다. 카트리지 토출 조인트부(330)는 연료 전지 시스템 흡입 조인트부(132)와 결합하여, 공급백(310) 내의 내용물을 연료 전지 시스템(100)으로 공급한다. 공급백(310)에는 정제수나, 연료용 카트리지(200) 내의 고농도 메탄올보다도 저농도의 메탄올이 저장된다. 공급백(310)에 저장된 정제수 등은 비어 있는 희석 연료 탱크(122)에 공급되고, 후방에 장착되는 연료용 카트리지(200)의 고농도 메탄올에 의해, 발전에 최적인 농도로 조정되기 위해 사용된 다.
회수백(340)은 용적 변화 가능한 용기이고, 회수로(350)를 통해 카트리지 회수 조인트부(360)에 연결되어 있다. 카트리지 회수 조인트부(360)는 연료 전지 시스템 배출 조인트부(130)와 결합하여, 연료 전지 시스템(100)으로부터 배출되는 가스 등을 회수한다. 불활성화 처리에 의해, 연료 전지(102) 등에 충전된 불활성 가스가 회수백(340)에 저장된다.
도5는, 이니셜 처리용 카트리지(300)가 장착되었을 때에 대한 처리 과정을 나타내는 흐름도이다.
우선, 제어 유닛(140)은 삼방 밸브(136) 및 삼방 밸브(138)에 대해, 각각의 밸브의 위치의 데이터를 취득한다. 취득된 밸브의 위치를 기초로 하여, 삼방 밸브(136)에서 입구(136b)와 출구(136a)가, 삼방 밸브(138)에서 입구(138a)와 출구(138b)가 연결되도록 밸브를 절환한다(S18). 밸브의 절환 완료 후, 펌프(114)의 운전을 개시시킨다(S20). 연료 전지 시스템(100)을 구입했을 때 등에는, 연료 전지(102) 내의 전극의 산화를 방지하기 위해 불활성 가스가 충전되어 있다. 또한, 액 누설 등을 방지하기 위해, 연료 서브 탱크(120)와 희석 연료 탱크(122)의 내부는 비어 있는 것으로 되어 있다. 삼방 밸브의 절환과 펌프(114)의 기동에 의해, 희석 연료 탱크(122)나 연료 전지(102) 내의 불활성 가스가 연료 공급로(167), 연료 공급로(170), 연료 공급로(172), 애노드측 배출로(174), 배출로(190)를 차례로 유통한다. 유통한 불활성 가스는, 회수로(350)를 통해 회수백(340)에 저장된다.
회수가 완료할 때까지는 회수 작업이 계속된다(S22의 아니오). 미리 회수에 필요한 시간을 측정해 두고, 그 시간 동안 각각의 삼방 밸브의 위치를 유지하는 것에 의해, 제어 유닛(140)은 불활성 가스 회수의 완료를 판정할 수 있다. 또한, 도시하지 않은 센서를 배출로(190) 내에 설치하고, 가스 농도를 측정하는 것에 의해 회수 완료를 판정해도 좋다. 회수 완료 후(S22의 예)에는, 연료 전지 시스템(100) 내의 메모리에 기록된 사용 이력을 기초로 하여, 이니셜 처리의 하나 전에 실행된 처리의 종류를 검출한다(S24). 검출된 처리가 세정 처리인 경우(S24의 예)에 대해서는, 도9에 관련하여 상세하게 서술한다. 금회는, 연료 전지 시스템(100)을 구입한 경우이고, 하나 전에 실행된 처리는 검출되지 않고, 세정 처리 후는 아니라고 한다(S24의 아니오).
제어 유닛(140)은, 삼방 밸브(136)에서 입구(136c)와 출구(136a)가, 삼방 밸브(138)에서 입구(138a)와 출구(138c)가 연결되도록 밸브를 절환한다(S30). 삼방 밸브의 절환에 의해, 공급백(310) 내의 정제수 등이 공급로(320), 연료 공급로(153), 공급로(188), 연료 공급로(170), 연료 공급로(172), 애노드측 배출로(174), 배출로(177)를 차례로 유통한다. 유통한 정제수 등은, 고농도 메탄올을 희석하기 위해 희석 연료 탱크(122)에 공급된다.
공급이 완료할 때까지 정제수 등의 공급 작업이 계속된다(S32의 아니오). 미리 필요한 공급량으로 되는 희석 연료 탱크(122) 내의 액면의 위치를 측정해 두고, 희석 연료 탱크(122)에 설치된 센서(146)가 그 위치를 검출하는 것에 의해, 제어 유닛(140)은 공급 완료를 판정할 수 있다. 공급 완료 후(S32의 예)에는, 제어 유닛(140)은 펌프(114)의 운전을 정지시킨다(S34).
제어 유닛(140)은, 삼방 밸브(136)에서 입구(136b)와 출구(136a)가, 삼방 밸브(138)에서 입구(138a)와 출구(138c)가 연결되도록 밸브를 절환한다(S36). 삼방 밸브의 절환에 의해, 연료 전지(102)는 카트리지와 직접 연결되는 경로를 차단되고, 제어 유닛(140)은 이니셜 처리가 완료된 것을 사용자에게 통지한다(S38).
도6은, 연료용 카트리지(200)를 장착한 연료 전지 시스템(100)의 모식도이고, 도7은, 연료용 카트리지(200)가 장착되었을 때에 대한 처리 과정을 나타내는 흐름도이다.
우선, 제어 유닛(140)은 삼방 밸브(136) 및 삼방 밸브(138)에 대해, 각각의 밸브의 위치의 데이터를 취득한다. 취득된 밸브의 위치를 기초로 하여, 삼방 밸브(136)에서 입구(136b)와 출구(136a)가, 삼방 밸브(138)에서 입구(138a)와 출구(138c)가 연결되도록 밸브를 절환한다(S40). 밸브의 절환 완료 후, 희석 연료 탱크(122)에 설치된 센서(146)에 의해, 탱크 내의 메탄올 수용액의 액면의 위치가 검출된다(S42). 액량이 적어서, 연료용 카트리지(200)로부터 고농도 메탄올 수용액을 공급해도, 발전에 최적인 농도의 메탄올 수용액을 준비할 수 없는 경우(S42의 아니오), 제어 유닛(140)은, 이니셜 처리용 카트리지(300)를 필요로 하는 취지의 통지를 사용자에게 행한다(S54). 사용자는 이니셜 처리용 카트리지(300)로 변환하고, 희석 연료 탱크(122)에 충분한 정제수 등을 공급한 후에, 다시, 연료용 카트리지(200)로 변환하는 것이 된다. 희석 연료 탱크(122) 내의 액량이 충분한 경우(S42의 예), 센서(146)에 의해 농도가 검출된다. 희석 연료 탱크(122) 내의 수용액이 발전에 최적인 농도가 아닌 경우, 제어 유닛(140)은 펌프(110) 및 펌 프(112)의 운전을 개시시켜, 연료백(210) 내의 고농도 메탄올 수용액을 희석 연료 탱크(122)에 공급한다. 수용액이 최적의 농도인 경우, 펌프(114)의 운전을 개시시킨다(S44).
희석 연료 탱크(122) 내의 메탄올 수용액은, 펌프(114)에 의해 연료 공급로(167), 연료 공급로(170), 연료 공급로(172)를 차례로 유통하고, 연료 전지(102)의 애노드측(104)에 공급된다. 한편, 연료 전지(102)의 캐소드측(106)에는, 도시하지 않은 펌프(116)에 의해 공기가 공급된다. 이것에 의해, 연료 전지(102)가 발전을 개시한다.
제어 유닛(140)은, 발전 중 연료 전지(102)의 발전 전압을 감시한다. 전극이나 전해질막의 열화에 의해 전압의 저하가 검출된 경우(S46의 예), 세정용 카트리지(400)로 변환하는 취지의 통지를 사용자에게 행한다(S52). 전압의 저하를 검출하는 것은 아니고, 연료 전지 시스템(100) 내의 메모리에 기록된 연료 전지(102)의 총 운전 시간을 기초로 하여 세정 처리가 필요한지를 판단해도 좋다. 사용자는 세정용 카트리지(400)로 변환하고, 전극이나 전해질막의 세정을 행한 후에, 다시, 연료용 카트리지(200)로 변환하는 것이 된다. 세정용 카트리지를 장착했을 때의 처리 과정에 대해서는 도8에 관련하여 상세하게 서술한다.
전압의 저하가 검출되지 않은 경우(S46의 아니오), 연료 전지(102)의 발전은 속행된다. 사용자가, 연료 전지 시스템(100)에 접속된 노트형 퍼스널 컴퓨터의 기기 등의 사용을 종료하는 경우, 제어 유닛(140)은 기기의 종료를 검출하여(S48의 예), 펌프(114)의 운전을 정지시킨다(S50). 펌프(114)가 정지하는 것에 의해 발전 처리가 종료된다. 사용자의 기기 사용에 의해 발전이 속행되는 경우(S48의 아니오), 제어 유닛(140)은 연속하여 연료 전지(102)의 발전 전압을 감시한다.
도8은, 세정용 카트리지(400)를 장착한 연료 전지 시스템(100)의 모식도이다.
세정 처리는, 연료 전지(102)의 발전 전압이 저하한 경우나, 연료 전지(102)의 총 운전 시간이 소정의 시간에 도달한 경우 등에 필요한 처리이다. 세정용 카트리지(400)는 세정액 백(410), 회수로(420), 카트리지 회수 조인트부(430), 공급로(440) 및 카트리지 토출 조인트부(450)를 포함한다. 세정액 백(410)은 용적 변화 가능한 용기이고, 공급로(440)를 통해 카트리지 토출 조인트부(450)에 연결되어 있다. 카트리지 토출 조인트부(450)는 연료 전지 시스템 흡입 조인트부(132)와 결합하여, 세정액 백(410) 내의 내용물을 연료 전지 시스템(100)으로 공급한다. 세정액 백(410)에는, 세정액으로서 0.5 mol/L 정도의 희류산이 저장된다. 세정액은 연료 전지(102)에 공급되고, 전해질막에 부착된 금속 이온이나 전극에 부착된 산화물을 제거한다. 이것에 의해, 연료 전지(102)의 발전 전압을 회복시킬 수 있다. 또한, 세정액에 의해 제거되는 금속 이온으로서는 알루미늄, 칼슘, 구리, 철 등의 이온이 고려된다.
또한, 세정액 백(410)은, 회수로(420)를 통해 카트리지 회수 조인트부(430)와 연결되어 있다. 카트리지 회수 조인트부(430)는 연료 전지 시스템 배출 조인트부(130)와 결합하여, 연료 전지(102)로부터 배출된 세정액을 회수한다. 회수된 세정액은 다시 세정액 백(410)에 저장되고, 세정용 카트리지(400) 내와 연료 전지 시 스템(100) 내를 순환한다. 세정액과 함께 회수된 금속 이온이나 산화물은, 도시하지 않은 필터에 의해 여과된다. 필터에는, 이온 교환 수지나 수지제(폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 테플론 등)의 메쉬가 이용된다. 필터는, 세정용 카트리지(400) 내의 유통 경로 상에 설치될 필요가 있다.
도9는, 세정용 카트리지(400)가 장착되었을 때에 대한 처리 과정을 나타내는 흐름도이다.
우선, 제어 유닛(140)은 삼방 밸브(136) 및 삼방 밸브(138)에 대해, 각각의 밸브의 위치의 데이터를 취득한다. 취득된 밸브의 위치를 기초로 하여, 삼방 밸브(136)에서 입구(136c)와 출구(136a)가, 삼방 밸브(138)에서 입구(138a)와 출구(138c)가 연결되도록 밸브를 절환한다(S52). 밸브의 절환 완료 후, 펌프(114)의 운전을 개시시킨다(S54). 삼방 밸브의 절환과 펌프(114)의 기동에 의해, 세정액 백(410) 내의 세정액은, 공급로(440), 연료 공급로(153), 공급로(188), 연료 공급로(170), 연료 공급로(172), 애노드측 배출로(174), 배출로(177)의 차례로 유통한다. 유통한 세정액은 희석 연료 탱크(122)에 저장된다. 이것에 의해, 발전 운전 후, 희석 연료 탱크(122)와 연료 전지(102)와의 사이를 연결하는 유통 경로 내에 남아 있었던 메탄올 수용액 등의 물질이, 세정액과 함께 희석 연료 탱크(122) 내에 저장된다.
경로의 세정이 완료할 때까지 세정 작업이 계속된다(S56의 아니오). 미리 경로 세정에 필요한 시간을 측정해 두고, 그 시간 동안 각각의 삼방 밸브의 위치를 유지하는 것에 의해, 제어 유닛(140)은 경로 세정의 완료를 판정할 수 있다. 경로 세정 후(S56의 예), 제어 유닛(140)은, 삼방 밸브(136)에서 입구(136c)와 출구(136a)가, 삼방 밸브(138)에서 입구(138a)와 출구(138b)가 연결되도록 밸브를 절환한다(S58). 삼방 밸브의 절환에 의해, 세정액 백(410) 내의 세정액을 공급로(440), 연료 공급로(153), 공급로(188), 연료 공급로(170), 연료 공급로(172), 애노드측 배출로(174), 배출로(190)의 차례로 유통시킨다. 유통한 세정액은 회수로(420)를 통해 세정액 백(410)에 저장된다. 세정액 백(410)에 저장된 세정액은, 다시 연료 전지 시스템(100)에 공급되어 세정액이 순환함으로써, 연료 전지(102) 내의 전극, 전해질막이 세정된다.
세정이 완료할 때까지 세정 처리가 계속된다(S60의 아니오). 미리 세정에 필요한 시간을 측정해 두고, 그 시간 동안 각각의 삼방 밸브의 위치를 유지하는 것에 의해, 제어 유닛(140)은 세정 완료를 판정할 수 있다. 세정 후(S60의 예), 제어 유닛(140)은, 삼방 밸브(136)에서 입구(136c)와 출구(136a)가, 삼방 밸브(138)에서 입구(138a)와 출구(138c)가 연결되도록 밸브를 절환한다(S62). 삼방 밸브의 절환에 의해, 세정액 백(410)의 세정액을, 공급로(440), 연료 공급로(153), 공급로(188), 연료 공급로(170), 연료 공급로(172), 애노드측 배출로(174), 배출로(177)의 차례로 유통시킨다. 유통한 세정액은, 희석 연료 탱크(122)에 저장된다.
저장이 완료할 때까지, 저장 처리가 계속된다(S64의 아니오). 미리 세정액 백(410)의 세정액의 저장에 필요한 시간을 측정해 두고, 그 시간 동안 각각의 삼방 밸브의 위치를 유지하는 것에 의해, 제어 유닛(140)은 세정액의 저장 완료를 판정 할 수 있다. 또한, 희석 연료 탱크(122) 내에 설치된 센서(146)에 의해, 희석 연료 탱크(122)가 충분히 채워진 것을 탱크 내의 수용액의 액면으로부터 검출하고, 세정액의 저장 완료를 판정해도 좋다.
저장 완료 후(S64의 예)에는, 제어 유닛(140)은 펌프(114)의 운전을 정지시킨다(S66). 제어 유닛(140)은, 삼방 밸브(136)에서 입구(136b)와 출구(136a)가, 삼방 밸브(138)에서 입구(138a)와 출구(138c)가 연결되도록 밸브를 절환한다(S68). 삼방 밸브의 절환에 의해, 연료 전지(102)는 카트리지와 직접 연결되는 경로를 차단된다. 제어 유닛(140)은, 희석 연료 탱크(122) 내에 저장된 세정액과 메탄올 수용액의 혼합 용액을 연료 전지 시스템(100) 외부로 배출하기 위해, 이니셜 처리용 카트리지(300)로 변환하는 취지의 통지를 사용자에게 행한다(S70).
도4에 도시되는 바와 같이, 이니셜 처리용 카트리지(300)에 교환되는 것에 의해, 연료 전지 시스템(100)은, 상술한 도5의 S18 내지 S22를 실행한다. 여기서는, 불활성 가스가 아닌 희석 연료 탱크(122)에 저장된 세정액과 메탄올 수용액의 혼합 용액이 회수백(340)에 저장된다. 제어 유닛(140)은, 연료 전지 시스템(100) 내의 메모리에 기록된 사용 이력을 기초로 하여, 이니셜 처리의 하나 전에 실행된 처리의 종류를 검출한다(S24). 검출되는 처리는 세정 처리이기 때문에(S24의 예), 삼방 밸브(136)에서 입구(136c)와 출구(136a)가, 삼방 밸브(138)에서 입구(138a)와 출구(138b)가 연결되도록 밸브를 절환한다(S26). 삼방 밸브의 절환에 의해, 공급백(310) 내의 정제수 등을 공급로(320), 연료 공급로(153), 공급로(188), 연료 공급로(170), 연료 공급로(172), 애노드측 배출로(174), 배출로(190)의 차례로 유통 시킨다. 그 결과, 세정액을 순환시키는 세정 처리 후, 유통 경로에 잔존한 세정액을 제거할 수 있다. 세정액을 포함한 정제수 등은, 회수로(350)를 통해 이니셜 처리용 카트리지(300)의 회수백(340)에 저장된다.
세정액의 제거가 완료할 때까지 제거 작업이 계속된다(S28의 아니오). 미리 제거 완료에 필요한 시간을 측정해 두고, 그 시간 동안 각각의 삼방 밸브의 위치를 유지하는 것에 의해, 제어 유닛(140)은 세정액의 제거 완료를 판정할 수 있다. 제거 완료 후(S28의 예)에는, 상술한 도5의 S30 내지 S38이 실행된다. 희석 연료 탱크(122)에 생성수 등이 공급된 후 펌프(114)가 정지되고, 이니셜 처리는 종료한다. 그 후, 사용자가 발전 처리를 희망하는 경우, 다시, 연료용 카트리지(200)로 변환하는 것이 된다.
또한, 전해질막이나 전극의 불필요한 물질의 제거 능력을 향상시키기 위해, 세정 처리에 2종류의 세정액을 사용해도 좋다. 2종류의 세정액으로서, 과산화수소수와 상술한 희류산이 고려된다. 각각이 다른 세정용 카트리지(400)의 세정액 백(410)에 저장된다. 처음에 과산화수소수를 저장한 세정용 카트리지(400)가 장착된다. 과산화수소수는, 유통 경로를 통해 카트리지와 연료 전지(102)와의 사이를 순환하고, 전해질막이나 전극의 탈지를 행한다. 다음에, 희류산을 저장한 세정용 카트리지(400)에 의해, 상술한 세정 처리가 실행된다. 희류산의 세정 처리 전에 과산화수소수에 의해 탈지함으로써, 희류산에 의한 전해질막이나 전극의 불필요한 물질 제거 능력이 향상하고, 연료 전지(102)의 발전 성능도 향상한다,
도10은, 불활성화 처리용 카트리지(500)를 장착한 연료 전지 시스템(100)의 모식도이다.
불활성화 처리용은, 연료 전지(102)를 장기간 사용하지 않기 때문에 보관하는 경우나, 연료 전지(102)를 폐기하는 경우에 필요한 처리이다. 불활성화 처리용 카트리지(500)는 공급백(510), 공급로(520), 카트리지 토출 조인트부(530), 회수백(540), 회수로(550) 및 카트리지 회수 조인트부(560)를 포함한다. 공급백(510)은 용적 변화 가능한 용기이고, 공급로(520)를 통해 카트리지 토출 조인트부(530)에 연결되어 있다. 카트리지 토출 조인트부(530)는 연료 전지 시스템 흡입 조인트부(132)와 결합하고, 공급백(510) 내의 내용물을 연료 전지 시스템(100)으로 공급한다. 공급백(510)에는 불활성 가스인 아르곤이나 질소 등이 저장된다. 공급백(510) 내의 불활성 가스는 연료 전지(102)에 공급되고, 장기 보관시에 있어서의 전극의 산화를 방지한다. 또한, 불활성 가스를 연료 전지(102)에 공급한 후에, 연료 전지 시스템 배출 조인트부(130), 연료 전지 시스템 흡입 조인트부(132) 및 도시하지 않은 기체 성분 배출로(192)를, 공기와 반응함으로써 경화하는 접착제 등을 밀폐하는 것이 고려된다. 이것에 의해, 연료 전지(102)는, 연료 전지 시스템(100) 밖과 직접 연결되는 경로가 협력하여 밀폐되어, 연료 전지(102)의 폐기시에 있어서의 환경으로의 영향을 저감할 수 있다. 또한, 공급백(510)에, 불활성 가스가 아닌 강력한 산화제를 저장해도 좋다. 이것에 의해, 촉매의 역할을 담당하고 있는 전극을 산화시켜, 불활성화시킬 수 있다. 그로 인해, 연료 전지(102)의 폐기를 보다 안전하게 행하는 것이 가능하게 된다.
회수백(540)은 용적 변화 가능한 용기이고, 회수로(550)를 통해 카트리지 회 수 조인트부(560)에 연결되어 있다. 카트리지 회수 조인트부(560)는 연료 전지 시스템 배출 조인트부(130)와 결합하고, 희석 연료 탱크(122)에 저장된 메탄올 수용액을 회수한다. 장기 보관시의 액 누설 등을 방지하기 위해서이다.
도11은, 불활성화 처리용 카트리지(500)가 장착되었을 때에 대한 처리 과정을 나타내는 흐름도이다.
우선, 제어 유닛(140)은 삼방 밸브(136) 및 삼방 밸브(138)에 대해, 각각의 밸브의 위치의 데이터를 취득한다. 취득된 밸브의 위치를 기초로 하여, 삼방 밸브(136)에서 입구(136b)와 출구(136a)가, 삼방 밸브(138)에서 입구(138a)와 출구(138b)가 연결되도록 밸브를 절환한다(S72). 밸브의 절환 종료 후, 펌프(114)의 운전을 개시시킨다(S74). 삼방 밸브의 절환과 펌프(114)의 기동에 의해, 희석 연료 탱크(122) 내의 메탄올 수용액이 연료 공급로(167), 연료 공급로(170), 연료 공급로(172), 애노드측 배출로(174), 배출로(190)를 차례로 유통한다. 유통한 메탄올 수용액은, 회수로(550)를 통해 회수백(540)에 회수된다. 연료 서브 탱크(120)에 메탄올 수용액이 잔존하는 경우, 펌프(114)의 운전을 개시시키기 전에 제어 유닛(140)은 펌프(112)를 기동시키고, 연료 서브 탱크(120) 내의 메탄올 수용액을 희석 연료 탱크(122)에 이동시킨다. 그 후, 펌프(114)를 기동시킴으로써, 연료 서브 탱크(120) 내의 메탄올 수용액도 회수할 수 있다.
회수가 완료할 때까지 회수 처리가 계속된다(S76의 아니오). 미리 회수에 필요한 시간을 측정해 두고, 그 시간 동안 각각의 삼방 밸브의 위치를 유지하는 것에 의해, 제어 유닛(140)은 회수 완료를 판정할 수 있다. 또한, 희석 연료 탱 크(122) 내에 설치된 센서(146)에 의해 액면의 위치를 측정하고, 회수 완료를 판정해도 좋다. 회수 완료 후(S76의 예), 제어 유닛(140)은, 삼방 밸브(136)에서 입구(136c)와 출구(136a)가, 삼방 밸브(138)에서 입구(138a)와 출구(138c)가 연결되도록 밸브를 절환한다(S78). 삼방 밸브의 절환에 의해, 공급백(510) 내의 불활성 가스가, 공급로(520), 연료 공급로(153), 공급로(188), 연료 공급로(170), 연료 공급로(172)를 차례로 유통한다. 유통한 불활성 가스는 연료 전지(102)에 충전된다.
불활성 가스의 충전이 완료할 때까지 가스의 공급 처리가 계속된다(S80의 아니오). 가스의 충전이 완료할 때까지의 시간을 미리에 측정해 두고, 그 시간 동안 각각의 삼방 밸브의 위치를 유지하는 것에 의해, 제어 유닛(140)은 충전 완료를 판정할 수 있다. 충전 완료 후(S80의 예)에는, 제어 유닛(140)은 펌프(114)의 운전을 정지시킨다(S82). 제어 유닛(140)은, 삼방 밸브(136)에서 입구(136b)와 출구(136a)가, 삼방 밸브(138)에서 입구(138a)와 출구(138c)가 연결되도록 밸브를 절환한다(S84). 삼방 밸브의 절환에 의해, 연료 전지(102)는 카트리지와 직접 연결되는 경로를 차단되고, 제어 유닛(140)은 불활성화 처리가 완료된 것을 사용자에게 통지한다(S86).
또한，이니셜 처리 전후에 있어서, 연료 전지(102) 내의 화학 반응을 보다 빠르게 하기 위해, 연료 전지(102)의 전해질막을 에이징시키는 처리를 추가해도 좋다. 이때, 에이징 처리용의 카트리지를 별도 준비한다. 에이징 처리용 카트리지는 정제수를 저장한 정제수와 히터를 포함한다. 정제수 백은, 카트리지 토출 조인트부와 공급로를 통해 연결되고, 카트리지 회수 조인트부와 회수로를 통해 연결되 어 있다. 히터는, 전해질막을 에이징시키기 위한 최적의 온도로 정제수를 따뜻하게 한다. 따뜻하게 된 정제수는, 제어 유닛(140)에 의해 절환된 삼방 밸브와 펌프(114)에 의해, 카트리지와 연료 전지(102)를 유통 경로를 통해 순환하고, 전해질막을 에이징시킨다. 에이징된 전해질막에서는, 이온 교환이 신속히 이루어지기 때문에 연료 전지의 발전 성능이 향상한다.
이상, 실시 형태를 기초로 본 발명을 설명했다. 또한 본 발명은 본 실시 형태에 한정되지 않고, 그 다양한 변형예도 또한, 본 발명의 태양으로서 유효하다. 이하, 연료 전지 시스템(100)이, 하나의 삼방 밸브를 포함하는 경우의 실시 형태에 대해 설명한다.
도12는, 본 발명의 변형예에 관한 연료 전지 시스템(101)의 모식도이다.
연료 공급로(153)는 연료 공급로(154)와 공급로(194)로 분기된다. 공급로(194)는 공급로(196)를 통해 직접 희석 연료 탱크(122)와 연결된다. 공급로(196)에, 희석 연료 탱크(122)로의 경로와 연료 전지(102)로의 경로로 분기시키는 삼방 밸브는 존재하지 않는다. 그로 인해, 카트리지로부터의 토출수를 희석 연료 탱크(122)에 공급하기 위해서는, 펌프(118)가 새롭게 필요하게 된다. 또한 삼방 밸브가 존재하지 않기 때문에, 희석 연료 탱크(122)로부터 연료 전지(102)로 메탄올 수용액을 공급하는 경로는, 카트리지로부터 희석 연료 탱크(122)로 토출수를 공급할 때의 경로와는 독립되어 있다. 희석 연료 탱크(122)의 메탄올 수용액은 연료 공급로(198), 연료 공급로(172)를 유통하여 연료 전지(102)의 애노드측(104)에 공급된다. 변형예에 관한 연료 전지 시스템(101)에서는, 본 발명의 실시 형태와 마찬가지의 구성에 대한 기술을 적절하게 생략한다.
연료 전지 시스템(101)에, 이니셜 처리용 카트리지(300)가 장착된 경우에 대해 설명한다.
제어 유닛(140)은, 삼방 밸브(138)에서 입구(138a)와 출구(138b)가 연결되도록 밸브를 절환하고, 펌프(114)를 기동시킨다. 희석 연료 탱크(122) 내의 불활성 가스는 연료 공급로(198), 연료 공급로(172), 애노드측 배출로(174), 배출로(190)를 유통한 후에, 이니셜 처리용 카트리지(300)의 회수백(340)에 저장된다. 그 후, 펌프(114)를 정지시키고, 펌프(118)를 기동시킴으로써, 이니셜 처리용 카트리지(300)의 공급백(310)의 정제수 등을 연료 공급로(153), 공급로(194), 공급로(196)를 유통시킨다. 정제수 등이 희석 연료 탱크(122)에 공급되어, 이니셜 처리는 완료된다.
연료 전지 시스템(101)에, 연료용 카트리지(200)가 장착된 경우에 대해 설명한다.
제어 유닛(140)은, 삼방 밸브(138)에서 입구(138a)와 출구(138c)가 연결되도록 밸브를 절환하고, 펌프(114)를 기동시킨다. 희석 연료 탱크(122)의 메탄올 수용액은 연료 공급로(198), 연료 공급로(172)를 차례로 유통하고, 연료 전지(102)의 애노드측(104)에 공급된다. 한편, 연료 전지(102)의 캐소드측(106)에는, 도시하지 않은 펌프(116)에 의해 공기가 공급된다. 이것에 의해, 연료 전지(102)가 발전을 개시한다.
연료 전지 시스템(101)에, 세정용 카트리지(400)가 장착된 경우에 대해 설명 한다.
제어 유닛(140)은, 삼방 밸브(138)에서 입구(138a)와 출구(138b)가 연결되도록 밸브를 절환하고, 펌프(114), 펌프(118)를 기동시킨다. 희석 연료 탱크(122) 내의 메탄올 수용액은 연료 공급로(198), 연료 공급로(172), 애노드측 배출로(174), 배출로(190)를 유통한 후에, 세정액 백(410)에 저장되는 동시에, 세정액은 세정액 백(410)과 희석 연료 탱크(122)와 연료 전지(102)를 순환함으로써, 경로 및 연료 전지(102) 내의 전극이나 전해질막이 세정된다.
그리고, 제어 유닛(140)은 펌프(114), 펌프(118)를 정지하고, 삼방 밸브(138)에서 입구(138a)와 출구(138c)가 연결되도록 밸브를 절환하고, 이니셜 처리용 카트리지(300)를 요구하는 취지의 통지를 사용자에게 행한다. 이니셜 처리용 카트리지(300)의 장착 후, 삼방 밸브(138)에서 입구(138a)와 출구(138b)가 연결되도록 밸브를 절환하고, 펌프(114)를 기동시킨다. 희석 연료 탱크(122) 내의 메탄올 수용액은 연료 공급로(198), 연료 공급로(172), 애노드측 배출로(174), 배출로(190)를 유통한 후에, 이니셜 처리용 카트리지(300)의 회수백(340)에 저장된다.
저장 완료 후, 제어 유닛(140)은 펌프(114)를 정지시키고, 세정용 카트리지(400)를 요구하는 취지의 통지를 사용자에게 행한다. 세정용 카트리지(400)를 장착 후, 삼방 밸브(138)에서 입구(138a)와 출구(138b)가 연결되도록 밸브를 절환하고, 펌프(114)와 펌프(118)를 기동시킴으로써, 세정액 백(410)의 세정액은 연료 공급로(153), 공급로(194), 공급로(196), 연료 공급로(198), 연료 공급로(172), 애 노드측 배출로(174), 배출로(190)를 유통하고, 다시 세정액 백(410)에 저장된다.
순환 세정에 의한 세정 완료 후, 제어 유닛(140)은, 펌프(114)와 펌프(118)를 정지시키고, 이니셜 처리용 카트리지(300)를 요구하는 취지의 통지를 사용자에게 행한다. 이니셜 처리용 카트리지(300)의 장착 후, 삼방 밸브(138)에서 입구(138a)와 출구(138b)가 연결되도록 밸브를 절환하고, 펌프(114)와 펌프(118)를 기동시킴으로써, 공급백의 정제수 등이 연료 공급로(153), 공급로(194), 공급로(196), 연료 공급로(198), 연료 공급로(172), 애노드측 배출로(174), 배출로(190)를 유통한다. 유통한 정제수 등은, 유통 경로에 남아 있는 세정액과 함께 회수백(340)에 저장되고, 세정 처리는 완료된다.
연료 전지 시스템(101)에, 불활성화 처리용 카트리지(500)가 장착된 경우에 대해 설명한다.
제어 유닛(140)은, 삼방 밸브(138)에서 입구(138a)와 출구(138b)가 연결되도록 밸브를 절환하고, 펌프(114)를 기동시킨다. 희석 연료 탱크(122) 내의 메탄올 수용액은 연료 공급로(198), 연료 공급로(172), 애노드측 배출로(174), 배출로(190)를 유통한 후에, 불활성화 처리용 카트리지(500)의 회수백(540)에 저장된다. 저장 완료 후, 삼방 밸브(138)에서 입구(138a)와 출구(138c)가 연결되도록 밸브를 절환하고, 펌프(118)를 기동시킨다. 불활성화 처리용 카트리지(500)의 공급백(510)의 불활성 가스는 연료 공급로(153), 공급로(194), 공급로(196)를 유통하여, 희석 연료 탱크(122)에 공급된다. 공급된 불활성 가스는, 연료 공급로(198), 연료 공급로(172), 애노드측 배출로(174), 배출로(176)를 유통하여, 희석 연료 탱 크(122)와 연료 전지(102)와의 사이를 순환한다. 그 결과, 연료 전지(102)에 불활성 가스가 충전되어, 불활성화 처리가 완료된다.
본 발명에 따르면, 연료 전지 시스템의 구성을 복잡하게 하는 일없이, DMFC의 유지 보수를 사용자가 용이하게 행하기 쉬워진다.

Claims (5)

  1. 액체 연료 및 산화제를 이용하여 발전하는 연료 전지와,
    상기 액체 연료를 저장하는 연료 탱크와,
    상기 연료 탱크로부터 상기 액체 연료를 상기 연료 전지에 공급하는 제1 경로와,
    복수 종류의 카트리지를 교환 가능한 카트리지 장착부와,
    상기 카트리지로부터 토출되는 내용물을 상기 연료 전지에 공급하는 제2 경로와,
    상기 카트리지 장착부에 장착된 카트리지의 종류를 검지하는 카트리지 검지 수단과,
    검지된 카트리지의 종류에 따라서, 상기 경로를 제어하는 경로 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 경로 제어 수단은, 상기 카트리지로부터 토출되는 액체 연료를 상기 연료 탱크에 공급하는 경로로 제어하는 동시에, 상기 연료 전지로부터의 배출물을 상기 연료 탱크에 회수하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 경로 제어 수단은, 상기 카트리지로부터 토출되는 세 정액을 상기 연료 전지에 공급하는 경로로 제어하는 동시에, 상기 연료 전지로부터의 배출물을 상기 카트리지에 회수하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 장착된 카트리지가 2개의 용기를 포함하고, 제1 용기에는 상기 연료 탱크에 공급하기 위한 정제수 또는 소정의 농도로 희석된 액체 연료를 저장하고, 제2 용기에는 상기 연료 전지로부터 토출되는 배출물을 회수하는 카트리지인 것이, 상기 카트리지 검지 수단에 의해 검지되었을 때,
    상기 경로 제어 수단은,
    상기 카트리지로부터 토출되는 내용물을 상기 연료 탱크에 공급하는 경로로 제어하는 동시에, 상기 연료 전지로부터의 배출물을 상기 카트리지에 회수함으로써, 연료 탱크 내의 액체 연료 또는 연료 전지 내의 불활성 가스를 제2 용기에 회수 가능하게 하고,
    상기 카트리지로부터 토출되는 내용물을 상기 연료 전지에 공급하는 경로로 제어하는 동시에, 상기 연료 전지로부터의 배출물을 상기 연료 탱크에 회수함으로써, 제1 용기에 저장된 정제수 또는 소정의 농도로 희석된 액체 연료를 연료 탱크에 공급하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 장착된 카트리지가 2개의 용기를 포함하고, 제1 용기에는 연료 전지의 열화를 방지하기 위한 불활성 가스를 저장하고, 제2 용기에는 상기 연료 전지로부터 토출되는 배출물을 회수하는 카트리지인 것이, 상기 카트리지 검지 수단에 의해 검지되었을 때,
    상기 경로 제어 수단은,
    상기 카트리지로부터 토출되는 내용물을 상기 연료 탱크에 공급하는 경로로 제어하는 동시에, 상기 연료 전지로부터의 배출물을 상기 카트리지에 회수함으로써, 연료 탱크 내의 액체 연료를 제2 용기에 회수 가능하게 하고,
    상기 카트리지로부터 토출되는 내용물을 상기 연료 전지에 공급하는 경로로 제어하는 동시에, 상기 연료 전지로부터의 배출물을 상기 연료 탱크에 회수함으로써, 제1 용기에 저장된 불활성 가스를 연료 전지에 공급하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
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