KR100953418B1 - 연료전지시스템 - Google Patents

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야스히로 노노베
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

연료전지시스템(100)은, 액체수소를 저장하는 저장수단(6)과, 수소가스를 연료가스로서 이용하는 연료전지(3)와, 저장수단(6)에 저장되는 액체수소가 기화한 수소가스를 연료전지(3)의 양극(3b)에 공급하는 연료공급수단(7)과, 연료전지(3)의 양극(3b)을 일부에 포함하는 수소순환계(104, 105, 3b)와, 저장수단(6)에서 발생하는 보일오프가스를 수소순환계(104, 105, 3b)에 도입하는 보일오프가스 도입수단(14)을 구비한다.

Description

연료전지시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 액체수소탱크를 구비한 연료전지시스템에 관한 것이다.
연료전지는, 일반적으로는 수소 및 산소를 연료로 하여 전기에너지를 얻는 장치이다. 이 연료전지는, 환경면에서 우수하고, 또한 높은 에너지효율을 실현할 수 있기 때문에 앞으로의 에너지공급시스템으로서 널리 개발이 진행되어 오고 있다.
이 연료전지에의 수소의 공급방법으로서는, 고압 수소탱크, 수소저장 합금탱크, 액체수소탱크 등의 저장수단에 저장된 수소를 공급하는 방법 등이 검토되고 있다. 액체수소는, 에너지 저장 밀도가 높고, 저장수단에의 충전효율이 높기 때문에 연료전지에의 수소공급원으로서 검토되고 있다.
그러나, 액체수소탱크에서 외부로부터의 열에 의하여 액체수소가 기화됨으로써, 보일오프가스가 발생할 가능성이 있다. 이 보일오프가스가 발생하면 액체수소탱크 내의 압력이 상승한다. 그 때문에, 이 보일오프가스를 적절하게 배출할 필요가 있다.
그래서 보일오프가스를 압력용기에 저장하여, 연료전지의 시동시에 압력용기에 저장된 보일오프가스를 연료전지에 공급하는 기술이 공개되어 있다(예를 들면 특허문헌 1 참조). 이 기술에 의하면, 보일오프가스를 연료전지의 연료로서 사용할 수 있다.
[특허문헌 1]
일본국 특개2003-56799호 공보
그러나, 특허문헌 1의 기술을 이용한 연료전지시스템에서는 보일오프가스를 저장하기 위한 압력용기가 필요하게 된다. 그 결과, 연료전지시스템의 구조가 복잡해진다.
본 발명은, 보일오프가스를 유효하게 이용할 수 있음과 동시에, 시스템 구성을 간소화할 수 있는 연료전지시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 연료전지시스템은, 액체수소를 저장하는 저장수단과, 수소가스를 연료가스로서 사용하는 연료전지와, 저장수단에 저장되는 액체수소가 기화한 수소가스를 연료전지의 양극(anode)에 공급하는 연료공급수단과, 연료전지의 양극을 일부에 포함하는 수소 순환계와, 저장수단에서 발생하는 보일오프가스를 수소 순환계에 도입하는 보일오프가스 도입수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 관한 연료전지시스템에서는, 액체수소가 저장수단에 의하여 저장되고, 저장수단에 저장되는 액체수소가 기화한 수소가스가 연료공급수단에 의해 연료전지의 양극에 공급되고, 저장수단에서 발생하는 보일오프가스가 보일오프가스 도입수단에 의해 수소 순환계에 도입된다. 이 경우, 보일오프가스가 수소 순환계에 도입되기 때문에, 보일오프가스가 외부로 방출되는 것이 방지된다. 그것에 의하여 외부 방출되는 보일오프가스를 희석 등을 하기 위한 처리장치를 새롭게 설치할 필요가 없다. 그 결과, 본 발명에 관한 연료전지시스템의 구성이 간소화된다. 또 연료전지에서 발전이 행하여지고 있는 경우에는, 보일오프가스를 연료전지에서의 발전연료로서 사용할 수 있다. 그것에 의하여 보일오프가스를 유효하게 이용할 수 있다. 또한 연료전지에서 발전이 행하여지고 있지 않은 경우에는, 수소 순환계에 보일오프가스를 가둘 수 있다. 그것에 의하여 보일오프가스는 연료전지에 의한 다음번 발전에서의 연료로서 사용할 수 있다. 따라서 보일오프가스를 유효하게 이용할 수 있다. 그 결과, 본 발명에 관한 연료전지시스템 전체의 에너지 효율 저하를 억제할 수 있다.
보일오프가스 도입수단은, 보일오프가스의 압력이 문턱값을 넘은 경우에 보일오프가스를 수소 순환계에 도입하는 제 1 밸브를 구비하고 있어도 된다. 이 경우, 저장수단 내의 압력이 과잉압력이 되는 것이 방지된다. 또 보일오프가스 도입수단은, 보일오프가스의 수소 순환계에서 저장수단으로의 역류를 방지하는 제 2 밸브를 구비하고 있어도 된다. 이 경우, 양극 오프 가스에 함유되는 수증기 등의 저장수단에의 역류를 방지할 수 있다. 따라서 제 1 밸브 등의 부식을 방지할 수 있다.
수소 순환계는, 수소 순환계 내의 수소를 순환시키는 수소 순환수단을 구비하고 있어도 된다. 이 경우, 수소 순환수단에 의하여 양극에 공급되는 수소량을 제어할 수 있다. 또 보일오프가스 도입수단으로부터 수소 순환계에 보일오프가스가 도입되는 부위는, 수소 순환계의 수소 순환수단보다 상류측 또한 양극보다 하류측이어도 된다.
수소 순환계는, 수소 순환수단보다 상류측 또한 양극보다 하류측에 설치되어 수소 순환계 내의 기체를 배기하는 배기수단을 구비하고 있어도 된다. 이 경우, 음극(cathode)에서 양극으로 유입한 질소 등을 배기할 수 있다. 또 보일오프가스 도입수단으로부터 수소 순환계에 보일오프가스가 도입되는 부위는, 수소 순환수단보다 상류측 또한 배기수단보다 하류측이어도 된다. 이 경우, 배기수단으로부터의 수소의 배기를 억제할 수 있다.
보일오프가스 도입수단으로부터 수소 순환계에 보일오프가스가 도입되는 부위는, 양극의 도중이어도 좋다. 이 경우, 양극의 출구측의 수소농도 저하를 억제할 수있다. 그것에 의하여 연료전지의 발전반응에 불균일이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
수소 순환계 내의 압력을 검출하는 압력검출수단과, 압력검출수단의 검출값이 문턱값을 넘은 경우에, 수소 순환계에 보일오프가스가 도입되었는지의 여부를 판정하는 판정수단을 더 구비하고 있어도 된다. 이 경우, 저장수단에서 보일오프가스가 발생하고 있는지의 여부가 확실하게 검지된다. 또 압력검출수단은, 수소 순환수단보다 하류측 또한 양극보다 상류측에 설치되어도 좋다.
수소 순환계 내를 유동하는 수소량을 제어하는 수소 순환량 제어수단을 더 구비하고 있어도 된다. 이 경우, 수소 순환량 제어수단에 의하여 양극에 공급되는 수소량을 제어할 수 있다.
수소 순환수단은 수소펌프이고, 수소 순환량 제어수단은 수소 순환계에 보일오프가스가 도입되었다고 판정수단에 의해 판정된 경우에 수소펌프의 회전수를 제어하는 제어수단이어도 된다. 이 경우, 보일오프가스가 수소 순환계에 도입되어도 수소펌프의 회전수를 제어함으로써, 연료전지에서의 발전반응에 필요한 양의 수소를 양극에 공급할 수 있다. 또 수소 순환량 제어수단은, 수소 순환계에 보일오프가스가 도입되었다고 판정수단에 의해 판정된 경우에, 수소펌프를 제어하여 수소펌프의 회전수를 저감시켜도 된다. 이 경우, 연료전지에 과잉량의 수소가 공급되는 것이 방지된다.
기설정된 시간 이상, 압력검출수단의 검출값이 문턱값을 넘은 경우에, 저장수단이 이상이라고 판정하는 이상 판정수단을 더 구비하고 있어도 된다. 이 경우, 기설정된 시간 내에 압력검출수단의 검출값이 문턱값을 넘지 않은 경우에는, 저장수단이 이상이라고 판정되지 않는다. 따라서 계속적으로 보일오프가스가 발생하고 있는지, 돌발적으로 보일오프가스가 발생하고 있는지가 판정된다.
저장수단은, 액체수소 기화수단을 더 구비하여, 액체수소 기화수단의 동작을 제어하고, 저장수단이 이상이라고 이상 판정수단에 의해 판정된 경우에, 액체수소 기화수단의 동작을 정지시키는 제어수단을 더 구비하고 있어도 된다. 이 경우, 액체수소가 대량으로 기화되는 것이 방지된다. 그것에 의하여 액체수소의 쓸데 없는 소비가 방지된다.
본 발명에 의하면, 외부 방출되는 보일오프가스를 희석 등을 하기 위한 처리장치를 새롭게 설치할 필요가 없다. 그 결과, 본 발명에 관한 연료전지시스템의 구성이 간소화된다. 또 액체수소의 쓸데 없는 소비를 억제할 수 있다. 그 결과, 본 발명에 관한 연료전지시스템 전체의 에너지효율이 향상된다.
도 1은 제 1 실시예에 관한 연료전지시스템의 전체 구성을 나타내는 모식도,
도 2는 압력센서가 검출하는 가스압력을 나타내는 도,
도 3은 보일오프가스가 배관에 공급된 경우의 제어부의 동작의 일례를 설명하기 위한 플로우차트,
도 4는 제 2 실시예에 관한 연료전지시스템의 전체 구성을 나타내는 모식도이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태를 설명한다.
(실시예 1)
도 1은 제 1 실시예에 관한 연료전지시스템(100)의 전체 구성을 나타내는 모식도이다.
도 1에 나타내는 바와 같이 연료전지시스템(100)은, 에어펌프(1), 가습장치(2), 연료전지(3), 압력조정밸브(4, 8), 희석기(5), 액체수소탱크(6), 메인스톱밸브(7), 수소펌프(9), 압력센서(10, 11), 수소배기밸브(12), 체크밸브(13), 안전밸브(14), 히터(15) 및 제어부(20)를 포함한다. 연료전지(3)는, 음극(3a) 및 양극(3b)를 포함한다.
에어펌프(1)는, 배관(101)을 거쳐 연료전지(3)의 음극(3a)의 입구에 접속되어 있다. 배관(101)에는 가습장치(2)가 개재 삽입되어 있다. 음극(3a)의 출구는 배관(102)을 거쳐 희석기(5)에 접속되어 있다. 배관(102)에는 압력조정밸브(4)가 개재삽입되어 있다.
히터(15)는 액체수소탱크(6)에 내장되어 있다. 액체수소탱크(6)는, 배관(103) 및 배관(104)을 거쳐 연료전지(3)의 양극(3b)의 입구에 접속되어 있다. 배관(103)에는 메인스톱밸브(7) 및 압력조정밸브(8)가 액체수소탱크(6)측으로부터 순서대로 개재 삽입되어 있다. 배관(104)의 한쪽 끝은 배관(103)에 접속되고, 배관(104)의 다른쪽 끝은 양극(3b)의 입구에 접속되어 있다. 양극(3b)의 출구는, 배관(105)을 거쳐 배관(104)에 접속되어 있다.
배관(105)에는 수소펌프(9)가 개재 삽입되어 있다. 배관(105)에서는 수소펌프(9)와 양극(3b)의 출구와의 사이에 압력센서(10)가 설치되어 있고, 수소펌프(9)와 배관(104)의 사이에 압력센서(11)가 설치되어 있다. 또 배관(105)의 도중과 희석기(5)는, 배관(107)을 거쳐 접속되어 있다. 배관(105)에서의 배관(107)과의 접속부분은, 양극(3b)의 출구와 압력센서(10)의 사이에 있다. 배관(107)에는 수소 배기밸브(12)가 개재 삽입되어 있다. 희석기(5)는, 외부와 통하고 있다.
액체수소탱크(6)는, 또한 배관(106)을 거쳐 배관(105)의 도중에 접속되어 있다. 배관(106)에는 안전밸브(14) 및 체크밸브(13)가 액체수소탱크(6)측으로부터 순서대로 개재 삽입되어 있다. 배관(105)에서의 배관(106)과의 접속부분은, 압력센서(10)와 수소펌프(9)의 사이에 있다.
제어부(20)는, CPU(중앙연산처리장치), ROM(리드 온리 메모리) 등으로 이루어지고, 압력센서(10, 11)로부터의 검출결과를 수취하여 에어펌프(1), 가습장 치(2), 압력조정밸브(4, 8), 메인스톱밸브(7), 수소펌프(9), 수소배기밸브(12) 및 히터(15)의 동작을 제어한다.
다음에 연료전지시스템(100)의 동작에 대하여 설명한다. 에어펌프(1)는, 제어부(20)의 지시에 따라 배관(101)을 거쳐 필요한 공기를 가습장치(2)에 공급한다. 가습장치(2)는, 제어부(20)의 지시에 따라 공급된 공기의 습도를 조정한다. 가습장치(2)에 의하여 습도가 조정된 공기는 배관(101)을 거쳐 음극(3a)에 공급된다.
연료전지(3)에서는 뒤에서 설명하는 양극(3b)에서 발생한 수소 이온과 음극(3a)에 공급된 공기 중의 산소로부터 물이 발생함과 동시에 전력이 발생한다. 발생한 물은, 수소 이온과 산소의 반응열에 의하여 수증기가 된다. 음극(3a)에서 발생한 수증기 및 수소 이온과 반응하지 않은 공기는, 음극 오프 가스로서 배관(102)을 거쳐 희석기(5)에 공급된다. 압력조정밸브(4)는, 제어부(20)의 지시에 따라 음극(3a)에서 희석기(5)에 공급되는 음극 오프 가스의 압력을 조정한다.
액체수소탱크(6)는, 단열재에 덮힌 구조를 가지고, 연료전지(3)의 연료로서의 액체수소를 저장하고 있다. 히터(15)는, 제어부(20)의 지시에 따라 액체수소탱크(6)의 온도를 조정한다. 그것에 의하여 필요량의 액체수소가 기화한다. 액체수소탱크(6)에서 기화한 수소는, 배관(103) 및 배관(104)을 거쳐 양극(3b)에 공급된다. 메인스톱밸브(7)는, 제어부(20)의 지시에 따라 배관(103)의 개폐를 행한다. 그것에 의하여 제어부(20)는 액체수소탱크(6)에서 발생한 수소의 양극(3b)에의 공급을 제어할 수 있다. 또 압력조정밸브(8)는 제어부(20)의 지시에 따라 액체수소탱크(6)로부터 양극(3b)에 공급되는 수소의 압력을 조정한다. 그것에 의하여 제어 부(20)는 액체수소탱크(6)로부터 양극(3b)에 공급되는 수소량을 제어할 수 있다.
양극(3b)에서는 공급된 수소가 수소 이온으로 변환된다. 양극(3b)에서 수소 이온으로 변환되지 않은 수소는, 양극 오프 가스로서 배관(105)을 거쳐 수소펌프(9)에 공급된다. 수소펌프(9)는 스크롤식 펌프, 스크류식 펌프 등으로 이루어지고, 배관(105) 및 배관(104)을 거쳐 양극 오프 가스를 양극(3b)에 공급한다. 압력센서(10)는, 배관(105)을 유동하는 양극 오프 가스의 압력을 검출하여, 그 검출결과를 제어부(20)에 준다. 압력센서(11)는, 수소펌프(9)에 의하여 압축된 양극 오프 가스의 압력을 검출하여, 그 검출결과를 제어부(20)에 준다.
수소배기밸브(12)는, 제어부(20)의 지시에 따라 배관(107)의 개폐를 행한다. 그것에 의하여 제어부(20)는 배관(105)을 유동하는 양극 오프 가스의 희석기(5)에의 배기를 제어한다. 이 경우, 음극(3a)에서 양극(3b)에 유입한 질소 등을 배기할 수 있다. 희석기(5)는, 음극(3a)에서 공급된 음극 오프 가스 및 양극(3b)에서 공급된 양극 오프 가스를 산화하여 연료전지시스템(100)의 외부로 배출한다.
안전밸브(14)는, 액체수소탱크(6) 내의 압력이 소정의 압력을 상회하는 경우에 액체수소탱크(6) 내의 수소를 보일오프가스로서 배관(106)에 공급한다. 그것에 의하여 액체수소탱크(6) 내의 압력이 과잉압력이 되는 것이 방지된다. 배관(106)에 공급된 수소는 배관(105)에 공급된다. 체크밸브(13)는, 액체수소탱크(6)로부터 배관(105)에의 유동을 허용하고, 배관(105)으로부터 액체수소탱크(6)에의 유동을 금지한다. 그것에 의하여 양극 오프 가스 중에 함유되는 수증기 등에 의한 안전밸브(14)의 부식을 방지할 수 있다.
또한 보일오프가스는 배관(105, 104)을 거쳐 양극(3b)에 공급되어 있기 때문에 보일오프가스에 의한 연료전지(3)의 온도저하가 방지된다. 따라서 본 실시예에 관한 연료전지시스템(100)은 연료전지(3)의 발전반응 중에 특히 효과를 발휘한다.
본 실시예에 관한 연료전지시스템(100)에서는 배관(104, 105) 및 양극(3b)이 밀폐공간을 구성하고 있기 때문에, 보일오프가스가 외부로 방출되는 것이 방지된다. 그것에 의하여 외부로 방출되는 보일오프가스를 희석 등을 하기 위한 처리장치를 새롭게 설치할 필요가 없다. 그 결과, 연료전지시스템(100)의 구성이 간소화된다. 또한 본 실시예에서는 배관(104, 105) 및 양극(3b)이 구성하는 밀폐공간의 용적은, 예를 들면 3∼4 리터 정도이나, 연료전지시스템을 설계할 때에 최적의 용적으로 설정할 수 있다.
또, 연료전지(3)에서 발전이 행하여지고 있는 경우에는 보일오프가스를 연료전지(3)에서의 발전연료로서 사용할 수 있다. 이 경우, 제어부(20)는 수소펌프(9)의 회전수를 저감시킨다. 그것에 의하여 수소펌프(9)의 쓸데 없는 동작을 억제할 수 있음과 동시에, 액체수소의 쓸데 없는 소비를 억제할 수 있다. 따라서 연료전지시스템(100)의 에너지효율이 향상한다. 상세한 것은 뒤에서 설명한다.
또한 연료전지(3)에서 발전이 행하여지고 있지 않은 경우에는 배관(104, 105) 및 양극(3b)이 구성하는 밀폐공간에 보일오프가스를 가둘 수 있다. 그것에 의하여 보일오프가스는 연료전지(3)에 의한 다음번 발전에서의 연료로서 사용할 수 있다. 따라서 액체수소의 쓸데 없는 소비를 억제할 수 있다. 그 결과, 연료전지시스템(100)의 에너지효율 저하를 억제할 수 있다.
또, 보일오프가스는 배관(105)의 수소펌프(9)보다 상류측에 공급되기 때문에 수소펌프(9)의 회전수를 제어함으로써, 양극(3b)에 공급되는 수소량을 제어할 수 있다.
또, 본 실시예에서는 수소펌프(9)를 사용하여 양극 오프 가스를 양극(3b)에 공급하고 있으나, 수소펌프(9) 대신에 가변 이젝터 등의 다른 공급수단을 사용할 수도 있다. 또 연료전지(3)는, 수소가스를 연료가스로서 사용하는 연료전지이면 특별히 한정되지 않는다. 또 압력센서를 배관(106)의 체크밸브(13)보다 상류측에 설치하여 보일오프가스의 배관(106)에의 유입을 검지하여도 좋다.
또, 본 실시예에서는 압력센서(11)에 의하여 보일오프가스의 배관(106)에의 유입을 검지하고 있으나, 유량계를 사용하여 보일오프가스의 배관(106)에의 유입을 검지할 수도 있다. 이 경우, 유량계를 배관(106)의 체크밸브(13)보다 상류측에 설치하고, 또는 유량계를 압력센서(11) 대신에 설치하여 보일오프가스의 배관(106)에의 유입을 검지할 수 있다.
이어서 배관(105) 내를 유동하는 가스의 압력에 대하여 설명한다. 도 2는 압력센서(11)가 검출하는 가스압력을 나타내는 도면이다. 도 2의 세로축은 압력센서(11)가 검출하는 가스압력을 나타내고, 도 2의 가로축은 수소펌프(9)의 회전수를 나타낸다.
도 2의 실선 X로 나타내는 바와 같이 수소펌프(9)의 회전수가 증가함에 따라 배관(105) 내의 가스압력도 증대한다. 실선 X는, 연료전지(3)의 발전에 필요한 수소량과 수소펌프(9)의 회전수로 구한 이론값이다. 따라서 실선 X에서는 수소펌 프(9)의 회전수와 배관(105) 내의 가스압력은 비례관계를 가진다. 그러나 수소펌프(9)의 압축효율의 불균일 등에 의하여 도 2의 파선 Y로 나타내는 바와 같이, 배관(105) 내의 가스압력에도 불균일이 발생한다. 도 2의 점선 Z는, 수소펌프(9)의 압축효율의 불균일을 고려하여 구한 수소펌프(9)의 회전수에 대한 배관(105) 내의 가스압력의 최대값을 나타낸다. 따라서 압력센서(11)가 검출하는 가스압력이 점선 Z를 상회하는 경우에는 확실하게 보일오프가스가 배관(105)에 유입하고 있게 된다. 이상의 것으로부터 도 2의 실선 Z를 사용함으로써 보일오프가스의 배관(105)에의 유입을 검지할 수 있다.
다음에 보일오프가스가 배관(105)에 공급된 경우의 제어부(20)의 동작에 대하여 설명한다. 도 3은, 보일오프가스가 배관(105)에 공급된 경우의 제어부(20)의 동작의 일례를 설명하기 위한 플로우차트를 나타낸다. 제어부(20)는 상기한 동작을 소정의 시간간격(예를 들면 수 밀리초)으로 반복한다.
도 3에 나타내는 바와 같이 먼저 제어부(20)는 배관(105) 내의 가스압력이 소정의 가스압력을 상회하였는지의 여부를 판정한다(단계 S1). 이 경우, 제어부(20)는 압력센서(11)로부터 주어지는 검출결과 및 도 2의 점선 Z에 의거하여 판정할 수 있다.
단계 S1에서 배관(105) 내의 가스압력이 소정의 가스압력을 상회하였다고 판정된 경우, 제어부(20)는 수소펌프(9)의 회전수가 저감하도록 수소펌프(9)를 제어한다(단계 S2). 다음에 제어부(20)는 소정의 시간(예를 들면, 5초 정도) 대기한다(단계 S3). 이어서 제어부(20)는 배관(105) 내의 가스압력이 소정의 가스압력을 상회하고 있는지의 여부를 판정한다(단계 S4). 이 경우, 제어부(20)는 압력센서(11)로부터 주어지는 검출결과 및 도 2의 점선 Z에 의거하여 판정할 수 있다.
단계 S4에서 배관(105) 내의 가스압력이 소정의 가스압력을 상회하고 있다고 판정된 경우, 제어부(20)는 히터(15)에의 통전을 정지한다(단계 S5). 그 후, 제어부(20)는 동작을 종료한다.
단계 S4에서 배관(105) 내의 가스압력이 소정의 가스압력을 상회하고 있다고 판정되지 않은 경우, 제어부(20)는 수소펌프(9)의 회전수가 통상의 회전수로 되돌아가도록 수소펌프(9)를 제어한다(단계 S6). 그 후, 제어부(20)는 동작을 종료한다.
단계 S1에서 배관(105) 내의 가스압력이 소정의 가스압력을 상회하고 있다고 판정되지 않은 경우, 제어부(20)는 동작을 종료한다.
이상과 같이 상기 플로우차트에 따르면 보일오프가스가 배관(105)에 유입하였는지의 여부가 판정된다. 보일오프가스가 배관(105)에 유입한 경우에는, 수소펌프(9)의 회전수를 저하시킴으로써 연료전지(3)에 과잉의 수소가 공급되는 것이 방지된다. 그것에 의하여 수소의 쓸데 없는 소비가 방지됨과 동시에, 수소펌프(9)의 쓸데 없는 동작이 방지된다. 그 결과, 연료전지시스템(100) 전체의 시스템 효율의 향상을 도모할 수 있다.
또, 소정시간 이상 보일오프가스가 배관(105)에 공급되는지의 여부가 판정되어 있기 때문에, 보일오프가스가 돌발적으로 발생하고 있는지 계속적으로 발생하고 있는지가 판정된다. 그것에 의하여 히터(15)의 이상을 신속하게 검출할 수 있다. 따라서 액체수소가 대량으로 기화되는 것이 방지된다. 그 결과, 수소의 쓸데 없는 소비가 방지된다.
또한 소정시간 이상 보일오프가스가 배관(105)에 공급되지 않은 경우에는 히터(15)가 동작을 정지하지 않고 수소펌프(9)의 회전수가 원래로 되돌아가기 때문에 연료전지(3)에서의 발전반응이 안정적으로 계속된다.
또한 단계 S4에서 배관(105) 내의 가스압력이 소정의 가스압력을 상회하고 있다고 판정된 경우에, 히터(15)에 이상이 발생한 것이 판정되어 있으나, 그것에 한정되지 않는다. 예를 들면 액체수소탱크(6)의 단열불량이라고 판정되어도 좋고, 안전밸브(14)의 고장이라고 판정되어도 좋다.
본 실시예에서는 액체수소탱크(6)가 저장수단에 상당하고, 메인스톱밸브(7)가 연료공급수단에 상당하며, 배관(104, 105) 및 양극(3b)이 수소 순환계에 상당하고, 안전밸브(14)가 보일오프가스 도입수단에 상당하며, 수소펌프(9)가 수소 순환수단에 상당하고, 제어부(20)가 수소 순환량 제어수단, 판정수단, 이상판정수단 및 제어수단에 상당하며, 압력센서(11)가 압력검출수단에 상당하고, 히터(15)가 액체기화수단에 상당하며, 안전밸브(14)가 제 1 밸브에 상당하고, 체크밸브(13)가 제 2 밸브에 상당하고, 수소배기밸브(12)가 배기수단에 상당한다.
(실시예 2)
도 4는 제 2 실시예에 관한 연료전지시스템(100a)의 전체구성을 나타내는 모식도이다. 연료전지시스템(100a)이 도 1의 연료전지시스템(100)과 다른 점은, 배관(106)이 배관(105)에 접속되지 않고 양극(3b)의 도중에 접속되어 있는 점이다.
여기서 양극(3b)에 공급되는 수소가스는, 양극(3b)을 유동함에 따라 연료전지(3)의 발전반응에 의하여 소비된다. 따라서 양극(3b)의 출구 부근에서는 수소가스농도가 저하하게 된다. 그 결과, 연료전지(3)에서의 발전반응에 불균일이 발생한다.
본 실시예에서는 보일오프가스가 양극(3b)의 도중에 공급되기 때문에 양극(3b)의 출구측의 수소농도 저하를 억제할 수 있다. 그것에 의하여 연료전지(3)의 발전반응에 불균일이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 또한 배관(106)과 양극(3b)의 접속부분은 양극(3b)의 도중이면 특별히 한정되지 않는다.
본 실시예에 관한 연료전지시스템(100a)에서도 보일오프가스가 외부로 방출되는 것이 방지된다. 그것에 의하여 외부 방출되는 보일오프가스를 희석 등을 하기 위한 처리장치를 설치할 필요가 없다. 그 결과, 연료전지시스템(100a)의 구성을 간소화할 수 있다. 또 연료전지(3)에서 발전이 행하여지고 있지 않은 경우에는, 배관(104, 105) 및 양극(3b)이 구성하는 밀폐공간에 보일오프가스를 가둘 수 있다. 따라서 보일오프가스는 연료전지(3)에 의한 다음번 발전에서의 연료로서 사용할 수 있다. 그 결과, 연료전지시스템(100a)의 수소 손실을 억제할 수 있다. 이상의 것으로부터 연료전지시스템(100a)의 에너지 효율 저하를 억제할 수 있다.

Claims (15)

  1. 액체수소를 저장하는 저장수단과,
    수소가스를 연료가스로서 사용하는 연료전지와,
    상기 저장수단에 저장되는 액체수소가 기화한 수소가스를 상기 연료전지의 양극에 공급하는 연료공급수단과,
    상기 연료전지의 양극을 일부에 포함하는 수소 순환계와,
    상기 저장수단에서 발생하는 보일오프가스를 상기 수소 순환계에 도입하는 보일오프가스 도입수단을 구비하되,
    상기 수소 순환계는, 상기 수소 순환계 내의 수소를 순환시키는 수소 순환수단을 구비하고,
    상기 보일오프가스 도입수단으로부터 상기 수소 순환계에 상기 보일오프가스가 도입되는 부위는, 상기 수소 순환계의 상기 수소 순환수단보다 상류측 또한 상기 양극보다 하류측인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 보일오프가스 도입수단은, 상기 보일오프가스의 압력이 문턱값을 넘은 경우에 상기 보일오프가스를 상기 수소 순환계에 도입하는 제 1 밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 보일오프가스 도입수단은, 상기 보일오프가스의 상기 수소 순환계에서 상기 저장수단에의 역류를 방지하는 제 2 밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 수소 순환계는, 상기 수소 순환수단보다 상류측 또한 상기 양극보다 하류측에 설치되어 상기 수소 순환계 내의 기체를 배기하는 배기수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 보일오프가스 도입수단으로부터 상기 수소 순환계에 상기 보일오프가스가 도입되는 부위는, 상기 수소 순환수단보다 상류측 또한 상기 배기수단보다 하류측인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  8. 액체수소를 저장하는 저장수단과,
    수소가스를 연료가스로서 사용하는 연료전지와,
    상기 저장수단에 저장되는 액체수소가 기화한 수소가스를 상기 연료전지의 양극에 공급하는 연료공급수단과,
    상기 연료전지의 양극을 일부에 포함하는 수소 순환계와,
    상기 저장수단에서 발생하는 보일오프가스를 상기 수소 순환계에 도입하는 보일오프가스 도입수단을 구비하되,
    상기 수소 순환계는, 상기 수소 순환계 내의 수소를 순환시키는 수소 순환수단을 구비하고,
    상기 보일오프가스 도입수단으로부터 상기 수소 순환계에 상기 보일오프가스가 도입되는 부위는, 상기 양극의 도중인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 수소 순환계 내의 압력을 검출하는 압력검출수단과,
    상기 압력검출수단의 검출값이 문턱값을 넘은 경우에 상기 수소 순환계에 보일오프가스가 도입되었는지의 여부를 판정하는 판정수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 압력검출수단은, 상기 수소 순환수단보다 하류측 또한 상기 양극보다 상류측에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 수소 순환계 내를 유동하는 수소량을 제어하는 수소 순환량 제어수단을더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 수소 순환수단은, 수소펌프이고,
    상기 수소 순환량 제어수단은, 상기 수소 순환계에 보일오프가스가 도입되었 다고 상기 판정수단에 의해 판정된 경우에 상기 수소펌프의 회전수를 제어하는 제어수단인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 수소 순환량 제어수단은, 상기 수소 순환계에 보일오프가스가 도입되었다고 상기 판정수단에 의해 판정된 경우에, 상기 수소펌프를 제어하여 상기 수소펌프의 회전수를 저감시키는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  14. 제 9항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,
    기설정된 시간 이상, 상기 압력검출수단의 검출값이 상기 문턱값을 넘은 경우에, 상기 저장수단이 이상이라고 판정하는 이상판정수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 저장수단은, 액체수소 기화수단을 더 구비하고,
    상기 액체수소 기화수단의 동작을 제어하고, 상기 저장수단이 이상이라고 상기 이상판정수단에 의해 판정된 경우에, 상기 액체수소 기화수단의 동작을 정지시키는 제어수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
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