KR100978526B1 - 연료전지시스템 - Google Patents

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노부오 후지타
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

본 발명의 연료전지시스템은, 제 1 반응 가스와 제 2 반응 가스의 전기화학반응에 의하여 발전하는 연료전지 본체와, 연료전지 본체에 제 1 및 제 2 반응 가스를 공급하는 제 1 가스 공급 유로 및 제 2 가스 공급 유로와, 연료전지 본체로부터 제 1 및 제 2 반응 가스의 오프 가스를 배출하는 제 1 가스 배출 유로 및 제 2 가스 배출 유로를 구비하고, 또한 제 1 가스 배출 유로와 제 2 가스 배출 유로 중의 한쪽으로부터 분기된 분기 유로를 가지고, 상기 분기 유로에는, 다른쪽의 가스 배출 유로로부터 유도된 오프 가스를 유통할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은, 연료전지시스템에 관한 것이다.
연료전지시스템은, 연료 가스와 산화제 가스를 이들 가스의 공급 경로를 거쳐 연료전지에 공급하고, 전지 본체에서의 이들 가스의 전기화학반응을 이용하여 발전을 행하는 시스템이다. 이 전기화학반응에 의하여 전지 본체에서는 물이 생성되나, 이 물은, 산화제 오프 가스(연료전지 본체로부터 배출되는 산화제 가스) 중에 함유된 상태로 전지 본체로부터 배출된다. 또 통상, 연료 가스는, 전지 본체의 전해질을 거쳐 공급되기 때문에, 연료 오프 가스(연료전지 본체로부터 배출되는 연료 가스) 중에도 수분이 함유되어 있다.
따라서, 연료전지시스템의 정지 중 등에 외기(外氣)의 온도가 예를 들면 영점하(零點下)로까지 저하하면, 시스템의 가스 유로에 설치된 밸브나 배관 등에 잔류하는 가스 중의 수분이 응축하여, 이것들의 구성 부품이 동결하는 경우가 있다. 이러한 경우, 그 후 연료전지시스템을 시동시키려고 하여도, 시동시킬 수 없거나, 시동시킬 수 있어도 정상적인 작동을 행할 수 없게 될 우려가 있다.
이 대책으로서, 연료전지의 시스템을 정지하기 전에, 컴프레서로부터 공급되는 산화제 가스(공기)를 사용하여 연료전지시스템의 산화제 가스 경로 및 연료 가 스 경로를 소기(掃氣)하여, 잔류 수분을 제거하는 방법이 제안되어 있다(특허문헌 1).
[특허문헌 1]
일본국 특개2002-313395호 공보
그러나, 특허문헌 1의 기술을 이용하여, 연료전지시스템 내에 잔류 수분을 배출한 상태에서 시스템을 정지한 경우에도, 그 후 시스템이 저온 하에서 시동되면, 연료전지 내에서의 전기화학반응에 의해 다시, 물이 생성된다. 이 경우, 고온의 연료 오프 가스나 산화제 오프 가스 등이 상시 흐르는 주류(主流) 통로 등에 배치된 밸브나 배관은, 이들 가스와 직접 접촉함으로써 따뜻해지기 때문에, 운전 중에 이와 같은 부분에서 동결이 생길 가능성은 낮다. 그러나, 주류 통로에서 떨어진 위치에 설치된 배관 등은, 고온의 오프 가스에 노출되지 않기 때문에, 시스템 가동 중에도 외기 온도에 가까운 저온 상태 그대로이다. 따라서, 기동 후에 연료전지에서의 전기화학반응에 의하여 생성된 물이 저온의 배관부 등에 접촉하면, 시스템 가동 중이기는 하여도, 그 부위에서는 동결이 생긴다. 특히, 배관 등에 동결이 생겨 배관이 막힌 경우에는, 시스템을 적정하게 작동시킬 수 없게 된다는 문제가 있다.
본 발명은 이러한 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 전지 본체 또는 연료 오프 가스나 산화제 오프 가스의 유통로와 같은 전열 부품으로부터 떨어진 위치에 있고, 연료전지로부터의 열이 전달되기 어려운 구성 부품의 저온 환경 하에서의 동결을 효율적으로 방지할 수 있는 연료전지시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는, 제 1 반응 가스와 제 2 반응 가스의 전기화학반응에 의해 발전하는 연료전지 본체와, 연료전지 본체에 제 1 및 제 2 반응 가스를 공급하는 제 1 가스 공급 유로 및 제 2 가스 공급 유로와, 연료전지 본체로부터 제 1 및 제 2 반응 가스의 오프 가스를 배출하는 제 1 가스 배출 유로 및 제 2 가스 배출 유로를 구비하는 연료전지시스템으로서, 또한, 제 1 가스 배출 유로와 제 2 가스 배출 유로 중 한쪽에서 분기된 분기 유로를 가지고, 상기 분기 유로에는, 다른쪽의 가스 배출 유로에서 유도된 오프 가스를 유통할 수 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템이 제공된다.
이와 같은 시스템 구성으로 한 경우, 통상은 고온의 오프 가스에 접촉되지 않고 저온 환경 하에서 동결되기 쉬운, 한쪽의 오프 가스용의 분기 유로에 설치된 배관이나 밸브 등의 구성 부품이, 다른쪽의 가스 배출 유로로부터의 오프 가스의 열에 의하여 효율적으로 따뜻해지기 때문에, 이들 부품의 동결을 방지하는 것이 가능해진다.
예를 들면, 본 연료전지시스템은, 상기 다른쪽의 가스 배출 유로의 오프 가스를, 분기 유로로 유도하는 바이패스 유로를 구비하여도 된다. 또한, 「분기 유로로 유도한다」란, 반응 가스의 오프 가스를 직접 분기 유로에 도입하는 것, 및 반응 가스의 오프 가스를 분기 유로의 근방에 도입하여, 오프 가스가 가지는 열을 분기 유로에 전달하는 것의 양쪽 의미를 포함한다. 이러한 바이패스 유로를 설치함으로써, 더욱 확실하게 상기의 효과를 얻을 수 있다.
여기서, 연료전지시스템은, 상기 다른쪽의 가스 배출 유로의 오프 가스를, 바이패스 유로에 도입하기 위한 조정수단을 가져도 된다. 이 경우, 조정수단에 의하여 오프 가스를 확실하게 바이패스 유로에 도입할 수 있기 때문에, 더욱 효과적으로 구성 부품의 동결을 방지할 수 있다.
또 상기 분기 유로의, 상기 분기 유로와 바이패스 유로의 접속점보다도 상류측에는, 전자밸브가 배치되고, 상기 조정수단은, 상기 전자밸브가 폐쇄되어 있을 때에, 상기 다른쪽의 가스 배출 유로의 오프 가스를 상기 바이패스 유로에 도입하도록 조작되어도 된다. 이에 따라, 바이패스 유로로부터의 반응 가스의 오프 가스가 분기 유로를 역류하는 것을 방지할 수 있다.
또는, 상기 분기 유로는, 2중관 구조의 배관을 가지고, 2중관의 한쪽에는, 바이패스 유로로부터의 다른쪽의 반응 가스의 오프 가스가 유통되도록 하여도 된다. 이 경우, 반응 가스의 오프 가스가 분기 유로를 역류하는 일은 생기지 않게 되어, 상기의 전자밸브가 불필요하게 된다.
여기서, 상기 분기 유로는, 기액 분리 수단으로 처리된 수분을 함유하는 가스를 배출하는 유로이어도 된다.
또는 제 1 가스 배출 유로는, 제 1 가스 공급 유로에 접속되고, 상기 분기 유로는, 제 1 반응 가스를 시스템 밖으로 배출하는 유로이어도 된다.
또, 상기 조정수단은, 개도(開度)를 조정함으로써, 바이패스 유로와, 상기 바이패스 유로가 접속된 배출 유로에, 상기 배출 유로를 흐르는 오프 가스를 분배할 수 있는 수단이어도 된다. 이에 따라, 바이패스 유로측에 반응 가스의 오프 가스를 도입시킨 경우에도, 오프 가스 배출 유로의 과도한 배압 상승 때문에, 동력 부하가 증대하여 시스템의 연비가 나빠진다는 문제를 회피할 수 있다.
특히, 상기 조정수단의 개도는, 바이패스 유로가 접속된 분기 유로의 온도 및/또는 외기 온도에 의하여, 변화시키는 것이 바람직하다. 이에 따라, 더욱 효율적인 동결 방지 조작이 가능해진다.
또는, 본 발명의 다른 형태로서, 상기 분기 유로는, 제 1 전자밸브를 가지고, 상기 분기 유로는, 상기 다른쪽의 가스 배출 유로에 접속되며, 제 1 전자밸브와 상기 다른쪽의 가스 배출 유로의 사이에는, 다른 배출 유로가 설치되고, 상기 다른 배출 유로에는 제 2 전자밸브가 배치되어도 된다. 이러한 시스템 구성에서는, 상기의 바이패스 유로 및 조정수단을 새롭게 설치하지 않아도, 분기 유로에 설치된 배관 및 밸브 등의 동결 방지가 가능해진다.
본 발명의 연료전지시스템에서는, 연료전지로부터 떨어진 위치에 있고, 연료전지로부터의 열이 전달되기 어려운 배관 등의 구성 부품의 효율적인 동결 방지가 가능해져, 저온 환경 하에서도 연료전지시스템을 정상으로 작동시키는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 연료전지시스템의 구성도,
도 2는 본 발명의 연료전지시스템에서의 동결 방지부의 동작을 나타내는 플로우차트,
도 3은 본 발명의 연료전지시스템에서의 동결 방지부의 제 2 실시형태를 나타내는 도,
도 4는 본 발명의 연료전지시스템에서의 동결 방지부의 제 3 실시형태를 나타내는 도면이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 연료전지 본체 2 : 연료 가스 유로
3 : 산화제 가스 유로 4 : 제어부
5 : 대상 영역 200 : 고압 수소 탱크
201 : 연료 가스 공급 유로 203 : 순환 유로
207 : 제 1 분기 유로 209 : 제 2 분기 유로
210 : 수소 펌프 220 : 연료 오프 가스용 기액 분리기
230, 234, 240, 244, 246 : 전자밸브
232 : 감압 밸브 242 : 체크 밸브
250 : 희석기 301 : 산화제 가스 공급 유로
303 : 산화제 오프 가스 배출 유로
305 : 컴프레서 307 : 하류측 분기 유로
309, 344 : 전자밸브 325 : 가습기
312 : 산화제 오프 가스 분기 유로
320 : 산화제 오프 가스용 기액 분리기
400 : 압력 측정 결과 401 : 온도 측정 결과
502 : 바이패스 유로 503 : 배출관
505 : 조정수단 510 : 전자밸브
이하 도면을 참조하여, 본 발명의 실시의 형태를 설명한다.
도 1에는, 본 발명에 의한 연료전지시스템의 구성예를 나타낸다. 이 시스템은, 연료전지 본체(1)를 가지고, 이 연료전지 본체(1)에서 발생한 전력을, 예를 들면 차량 등의 구동원으로서 이용할 수 있다. 또 이 연료전지시스템은, 시스템 내에서 연료 가스를 유통시키기 위한 연료 가스 유로(2)와, 산화제 가스(공기)를 유통시키기 위한 산화제 가스 유로(3)와, 제어부(4)를 구비하고 있다. 여기서 도 1의 예에서는, 본 발명의 동결 방지 효과를 발휘시키는 부분으로서, 뒤에 설명하는 기액 분리기(220)로부터 분기된 제 1 분기 유로(207)를 대상으로 하고 있는 것에 유의할 필요가 있다[상기 부분을 대상 영역(5)이라 한다]. 또한 이하의 설명에서는, 연료전지에 공급하는 연료 가스로서 수소 가스를 사용하는 시스템을 예로 설명한다.
연료 가스 유로(이하 수소 가스 유로라고도 한다)(2)는, 예를 들면 고압 수소 탱크(200)와 같은 수소 연료원으로부터의 연료 가스를 연료전지 본체(1)에 공급하기 위한 연료 가스 공급 유로(201)와, 연료전지 본체(1)로부터 연료 오프 가스를 배출하기 위한 연료 오프 가스 배출 유로(203)를 구비하고 있다. 단, 연료 오프 가스 배출 유로(203)는, 실질적으로는 순환 유로로 되어 있고, 연료전지 본체(1)측에서, 뒤에 설명하는 기액 분리기(220) 및 수소 펌프(210)를 거쳐 연료 가스 공급 유로(201)에 접속되어 있다. 이후 이 연료 오프 가스 배출 유로(203)를 순환 유로(203)라고도 부른다. 순환 유로(203)에는, 제 1 분기 유로(207)와, 제 2 분기 유 로(209)가 접속되어 있다.
또, 수소 가스 유로(2)의 연료 가스 공급 유로(201)에는, 고압 수소 탱크(200)의 방출구에 상시 폐쇄 전자밸브(230)가 배치되어 있고, 연료전지 본체(1)측을 향하여 순서대로, 감압 밸브(232), 상시 폐쇄 전자밸브(234)가 배치되어 있다. 한편, 순환 유로(203)에는, 연료전지 본체(1)측에서 보아 이 순서대로 상시 폐쇄 전자밸브(240), 기액 분리기(220), 수소 펌프(210) 및 체크 밸브(242)가 배치되어 있다. 또 제 1 분기 유로(207)는, 기액 분리기(220)와 접속되어 있고, 그 도중에는 상시 폐쇄 전자밸브(244)가 배치되어 있다. 제 2 분기 유로(209)는, 펌프(210)의 출구측과, 순환 유로(203)와 연료 가스 공급 유로(201)의 접속점(A) 사이에서, 순환 유로(203)에 접속되어 있다. 제 2 분기 유로(209)에는 상시 폐쇄 전자밸브(퍼지 밸브)(246) 및 희석기(250)가 배치되어 있고, 희석기(250)의 출구측의 제 2 분기 유로(209)의 다른쪽 끝은, 뒤에서 설명하는 산화제 오프 가스 배출 유로(303)와 접속되어 있다. 또한 제 1 분기 유로(207)의 다른쪽 끝도, 산화제 오프 가스 배출 유로(303)와 접속되어 있다.
한편, 산화제 가스 유로(3)는, 연료전지 본체에 산화제 가스를 공급하기 위한 산화제 가스 공급 유로(301)와, 연료전지 본체(1)로부터 산화제 오프 가스를 배출하기 위한 산화제 오프 가스 배출 유로(303)를 구비하고 있다.
산화제 가스 공급 유로(301)에는, 컴프레서(305)와 가습기(325)가 배치되어 있다. 또 산화제 오프 가스 배출 유로(303)에는, 상기의 가습기(325)가 설치되고, 가습기(325)와 연료전지 본체(1)의 사이에는 전자밸브(공기 압력 조절 밸브)(309) 가 배치되어 있다. 또 산화제 오프 가스 배출 유로(303)는, 뒤에서 설명하는 대상 영역(5)의 하류측에 산화제 오프 가스 분기 유로(312)를 가지고, 이 산화제 오프 가스 분기 유로(312)는 상기의 희석기(250)와 접속된다. 산화제 오프 가스 배출 유로(303)의 더욱 하류측에는, 산화제 오프 가스용의 기액 분리기(320)가 설치되고, 이 기액 분리기(320)에는, 하류측 분기 유로(307)가 접속되어 있고, 그 도중에는 전자밸브(344)가 배치되어 있다. 단, 희석기(250)와 산화제 오프 가스 분기 유로(312) 및/또는 기액 분리기(320)와 하류측 분기 유로(307)와 전자밸브(344)는, 생략되는 경우도 있다.
제어부(4)는, 상기의 각 유로의 기설정된 부분에 설치된 압력 센서와 온도 센서로부터의 압력 측정 결과(400), 온도 측정 결과(401)를 받아, 각 밸브(234, 240, 244, 246, 230, 232, 309), 수소 펌프(210) 및 컴프레서(305) 등을 각각 제어한다. 또한 제어부(4)는, 뒤에서 설명하는 대상 영역(5)의 조정수단(505)의 제어도 행한다. 또한 도면을 보기 쉽게 하기 위하여, 제어선 등은 생략되어 있다.
여기서, 산화제 가스의 통상의 흐름에 대하여 간단하게 설명한다. 연료전지시스템의 통상의 운전시에는, 제어부(4)에 의하여, 컴프레서(305)를 구동시킴으로써, 대기 중의 공기가 산화제 가스로서 도입되고, 산화제 가스 공급 유로(301)를 통하여, 가습기(325)를 거쳐 연료전지(1)에 공급된다. 공급된 산화제 가스는, 연료전지(1) 내에서 전기화학반응에 의해 소비된 후, 산화제 오프 가스로서 배출된다. 배출된 산화제 오프 가스는, 산화제 오프 가스 배출 유로(303)를 통하여, 기액 분리기(320) 등을 거쳐 외부에 배출된다.
다음에 수소 가스의 흐름에 대하여 설명한다. 통상의 운전시에는, 제어부(4)에 의하여 전자밸브(230)가 개방되고, 고압 수소 탱크(200)로부터 수소 가스가 방출되며, 그 방출된 수소 가스는, 연료 가스 공급 유로(201)를 통하여, 감압 밸브(232)에서 감압된 후, 전자밸브(234)를 거쳐 연료전지 본체(1)에 공급된다. 공급된 수소 가스는, 연료전지(1) 내에서 전기화학반응에 소비된 후, 수소 오프 가스로서 배출된다. 배출된 수소 오프 가스는, 순환 유로(203)를 통하여, 기액 분리기(220)에서 수분이 제거된 후, 수소 펌프(210)를 거쳐 연료 가스 공급 유로(201)로 되돌아가고, 다시 연료전지 본체(1)에 공급된다. 또한 연료 가스 공급 유로(201)와 순환 유로(203)의 접속점(A)과 펌프(210)와의 사이에는 체크 밸브(242)가 설치되어 있기 때문에, 순환하고 있는 수소 오프 가스는, 역류하지 않는다. 또한 통상은, 제 1 및 제 2 분기 유로(207, 209)의 전자밸브(244 및 246)는 폐쇄되어 있으나, 필요에 따라 이들 밸브가 개방되면, 각각의 분기 유로로부터, 기액 분리기(220)에서 처리된 수분을 많이 함유하는 가스 및 순환시킬 필요가 없어진 수소 오프 가스가 배출된다. 이들 액체 및/또는 기체는, 산화제 오프 가스 배출 유로(303)를 거쳐 시스템 밖으로 배출된다.
다음에 본 발명의 특징적 부분이기도 한 대상 영역(5)의 구성 및 동작에 대하여 설명한다.
대상 영역(5)은, 산화제 오프 가스 배출 유로(303)로부터 분기된 바이패스 유로(502)와, 조정수단(505)을 가진다. 단, 더욱 정확하게는, 동결 방지부(5)는, 도 1의 파선으로 둘러싸인 부분을 표시하고, 산화제 오프 가스 배출 유로(303)의 일부 및 제 1 분기 유로(207)의 일부를 포함한다. 또한 조정수단(505)은, 가스 흐름을 2 방향으로 변환할 수 있는 장치이다.
통상, 연료전지시스템에서, 연료전지로부터의 열이 전달되기 어려운 제 1 분기 유로(207)와 같은 부분에서는, 유로에 잔류하는 수분이 동결하고, 유로가 막혀 적정한 작동을 행할 수 없는 경우가 있다. 이 현상은, 특히 연료전지시스템을 예를 들면 0℃와 같은 저온 환경에서 사용하는 경우에 현저하고, 시스템이 가동 중이어도, 상기의 부분에서는 배관이 동결하는 경우가 있다. 그러나 본 발명의 대상 영역(5)은, 산화제 오프 가스 배출 유로(303)와 바이패스 유로(502)와의 접점에 설치된 조정수단(505)을 제어부(4)에서 제어함으로써, 산화제 오프 가스를 필요에 따라, 바이패스 유로(502)에 유통시킬 수 있다. 따라서, 고온의 산화제 오프 가스를 바이패스 유로(502)에 유통시켜 열교환시킴으로써, 제 1 분기 유로(207)의 동결을 방지하는 것이 가능하다. 특히, 조정수단(505)을 가변식의 가이드장치로 한 경우에는, 바이패스 유로(502)에 유통시키는 산화제 오프 가스량을 조정할 수 있다. 또한, 바이패스 유로(502)에 유통된 산화제 오프 가스는, 그 후 제 1 분기 유로(207)를 통하여, 다시 산화제 오프 가스 배출 유로(303)에 합류하여, 시스템 밖으로 배출된다.
이 동작을 도 2에 나타내는 플로우차트를 참조하여, 자세하게 설명한다.
먼저 단계 S10에서는, 외기 온도 또는 대상 배관 온도[도 1의 시스템 구성의 경우는, 제 1 분기 유로(207)의 배관온도]가 측정되고, 제어부(4)에서는, 이 측정 온도(401)와 미리 설정된 문턱값과의 비교에 의하여, 동결 방지 조작의 필요 유무 가 판단된다. 측정 온도가 문턱값을 웃도는 경우에는, 제어부(4)에 의한 조정수단(505)의 조작은 행하여지지 않고, 산화제 오프 가스는, 바이패스 유로(502)에는 유통되지 않고, 통상대로 산화제 오프 가스 배출 유로(303)에만 흘러 배출된다. 한편, 측정 온도(401)가 문턱값 이하인 경우에는, 제어부(4)에서 대상부의 동결 방지 조작이 필요하다고 판단되어, 다음 단계 S20으로 진행한다.
단계 S20에서는, 기액 분리기(220)의 전자밸브(244)의 개폐 상태가 확인된다. 전자밸브(244)가 폐쇄되어 있는 경우, 다음 단계 S30에서 조정수단(505)은, 바이패스 유로(502)측에 산화제 오프 가스(통상은 그 일부)를 분기시키도록 조작되고, 이 고온 가스가 흐름으로써, 제 1 분기 유로(207)의 배관이 따뜻해져, 동결이 방지된다. 여기서, 조정수단(505)의 개도[바이패스 유로(502)측에 오프 가스를 흘리는 비율 : 100%는 모든 산화제 오프 가스가 바이패스 유로(502)측으로 흐르는 것을 의미한다]는, 상기의 외기 온도 또는 대상 배관 온도의 측정값(401)에 따라 변화시켜도 된다. 원리적으로 제어수단(505)의 개도가 높아질수록, 배압의 상승에 의하여, 동력[컴프레서(305) 등]의 부하의 증대에 의한 연비의 악화로 이어진다. 한편, 조정수단(505)의 개도가 낮은 경우, 동결 방지 효과가 얻어질 때까지의 시간이 길어진다. 따라서, 조작 후의 조정수단(505)의 개도가 일정한 경우, 어느 하나의 영향이 현저하게 나타난다. 이와 같은 경우에서도, 제어부(4)에 의하여 조정수단(505)의 개도를 적절하게 변화시키는 구성으로 한 경우에는, 저온부분의 신속한 동결방지와, 연비악화의 억제의 양립이 가능해진다. 또한 이 조작은, 제어부(4)에, 외기 온도 또는 대상 배관 온도와 조정수단(505)의 개도와의 관계를 미리 기억시켜 둠으로써 행할 수 있다. 이것에 의하여 예를 들면 제어부(4)에 의하여, 대상 배관 온도가 현저하게 낮을 때에는, 조정수단(505)의 개도를 높여 두고, 바이패스되는 산화제 오프 가스에서의 열교환에 의하여 대상 배관 온도가 상승하기 시작한 이후는, 그 온도에 따라 조정수단(505)의 개도를 서서히 저하시킨다는 조작을 행하는 것이 가능하게 된다. 한편, 단계 S20에서, 전자밸브(244)가 개방되어 있다고 판단된 경우는, 조정수단(505)은 조작되지 않는다. 이것은 전자밸브(244)가 개방된 상태에서, 산화제 오프 가스 배기유로(303)로부터 바이패스 유로(502)로 산화제 오프 가스가 유입된 경우, 이 가스가, 전자밸브(244)을 거쳐 제 1 분기 유로(207)를 역류할 가능성이 있기 때문이다.
상기한 단계는, 기본적으로 연료전지시스템의 시동 시 이후, 작동 중에 반복하여 행하여져, 항시 저온부분의 동결을 회피하는 것이 가능해진다.
본 발명의 연료전지시스템에 의한 대상 영역(5)의 다른 실시형태는, 도 3 및 도 4에 나타나 있다.
대상 영역(5)의 제 2 실시예에서는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 제 1 분기 유로(207)를 구성하는 배관이 2중관 구조로 되어 있다. 즉 이 실시예에서는, 상기한 실시예에서의 분기된 산화제 오프 가스의 유로는, 바이패스 유로(502a)와, 2중관의 바깥 둘레측의 유로(502b)로 구성된다. 또 2중관의 안쪽 관은, 기액 분리기(220)에서 처리된 수분 등의 유통로가 되어, 상기한 제 1 분기 유로(207)로서의 역할을 가진다. 이 경우, 산화제 오프 가스 유로(303)로부터 바이패스 유로(502a)측으로 분기된 산화제 오프 가스는, 2중관의 바깥쪽을 흐르기 때문에, 이 산화제 오프 가스와의 열교환에 의하여, 2중관의 안쪽 관의 동결이 방지된다. 이 구조에서는, 제어부(4)에 의하여 조정수단(505)을 조작할 때에, 기액 분리기(220)의 하류에 배치된 전자밸브(244)의 개폐상태에 배려할 필요가 없어진다는 이점이 있다. 전자밸브(244)가 개방된 상태에서, 산화제 오프 가스가 바이패스 유로(502a)에 공급되어도, 이 가스가 기액 분리기(220)측으로 역류하는 일이 없기 때문이다. 따라서, 더욱 효율적인 동결 방지조작을 행할 수 있다.
대상 영역(5)의 제 3 실시예에서는, 상기한 2개의 실시예와 같은 바이패스 유로(502)(또는 502a)를 새롭게 설치할 필요는 없다. 이 경우, 대상 영역(5)은, 도 4에 나타내는 바와 같이, 제 1 분기 유로(207)를 구성하는 배관(207c)과, 분기시킨 산화제 오프 가스를 방출하기 위한 배출관(503)과, 배출관(503)에 접속된 전자밸브(510)로 구성된다. 통상의 상태에서는, 전자밸브(510)와 전자밸브(244)는 폐쇄되어 있다. 또 기액 분리기(220)에서 처리된 수분 등을 배출시키는 경우는, 전자밸브(244)만이 개방되고, 배관(207c)은 기액 분리기(220)에서 처리된 수분을 배출하는 분기 유로(207)로서 이용된다. 이 때의 유체의 흐름을 화살표 P로 나타낸다. 한편, 동결 방지 조작시에는, 배관(207c)은, 산화제 오프 가스 배출 유로(303)의 바이패스 유로로서 이용된다. 즉 동결 방지 조작시에는, 전자밸브(244)가 폐쇄되고, 전자밸브(510)가 개방되어, 산화제 오프 가스 배출 유로(303)로부터 분기 공급된 산화제 오프 가스는, 배관(207c) 속을 화살표 Q의 방향으로 흐르고, 배관(207c)에서 열교환을 행한 후에 배출관(503)으로부터 배출된다. 이 구조에서는, 전자밸브(510)가 폐쇄되어 있을 때에는, 산화제 오프 가스가 배관(503)을 유통하는 일은 없다. 그 한편으로, 전자밸브(510)가 개방되어 있을 때에는, 배관(503)의 유로쪽이, 산화제 오프 가스 배출 유로(303)보다 배압이 낮아지기 때문에, 산화제 오프 가스가 배관(503)측으로도 유통하게 되어, 상기한 조정수단(505)이 불필요하게 된다. 또 기존의 연료전지시스템에, 새로운 전용의 바이패스 유로를 설치할 필요가 없기 때문에, 시스템의 공간 절약화가 가능해진다.
또한 본 발명의 각 실시예에서는, 연료전지시스템의 동결 방지조치를 실시하는 부분[대상 영역(5)]으로서, 제 1 분기 유로(207)를 선정하여 설명을 행하였다. 그러나, 본 발명은 예를 들면 제 2 분기 유로(209) 등, 다른 동결이 생기기 쉬운 부분에도 적용할 수 있는 것은 분명할 것이다.
또, 상기한 설명에서는, 산화제 오프 가스를 이용하여, 연료 오프 가스의 유로에 접속된 분기 유로의 동결을 방지하는 구성에 대하여 설명하였다. 그러나, 본 발명에서는, 이것과는 반대로 연료 오프 가스를 이용하여, 산화제 가스의 유로에 접속된 분기 유로[예를 들면 하류측 분기 유로(307)]의 동결을 방지하는 것도 가능하다. 이 경우, 필요에 따라 상기한 실시예의 설명에서의「산화제 오프 가스」 또는 「산화제 가스」라는 용어 또는 접두어를, 「연료 오프 가스」,「연료 가스」 또는 「수소 오프 가스」,「수소 가스」와, 또는 그 반대로 고쳐 읽음으로써, 본 발명의 다른 구성을 더욱 이해할 수 있을 것이다.
또, 본 발명의 설명을 위하여 사용한 연료전지시스템의 구성은 일례로서, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 예를 들면, 실제의 연료전지시스템에서는, 나타나 있지 않은 부분에도, 전자밸브나 배관 등, 다른 구성 부품이 설치되는 경우가 있 고, 반대로 도 1에 나타낸 몇가지 구성 부품이 생략되는 경우도 있을 수 있는 것에 유의할 필요가 있다.
또한, 본원은, 2005년 12월 2일에 출원한 일본국 특허출원2005-349337호에 의거하는 우선권을 주장하는 것으로, 동일자 일본국 출원의 전체 내용을 본원에 참조에 의하여 원용한다.

Claims (10)

  1. 제 1 반응 가스와 제 2 반응 가스의 전기화학반응에 의하여 발전하는 연료전지 본체와, 연료전지 본체에 제 1 및 제 2 반응 가스를 공급하는 제 1 가스 공급 유로 및 제 2 가스 공급 유로와, 연료전지 본체로부터 제 1 및 제 2 반응 가스의 오프 가스를 배출하는 제 1 가스 배출 유로 및 제 2 가스 배출 유로를 구비하는 연료전지시스템에 있어서,
    또한, 제 1 가스 배출 유로와 제 2 가스 배출 유로 중의 한쪽으로부터 분기된 분기유로를 가지고, 상기 분기유로에는, 다른쪽의 가스 배출 유로로부터 유도된 오프 가스를 유통할 수 있고, 상기 분기유로는, 기액 분리 수단으로 처리된 수분을 함유하는 가스를 배출하는 유로인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 다른쪽의 가스 배출 유로의 오프 가스를, 분기 유로로 유도하는 바이패스 유로를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 다른쪽의 가스 배출 유로의 오프 가스를 바이패스 유로에 도입하기 위한 조정수단을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 분기 유로의, 상기 분기 유로와 바이패스 유로의 접속점보다도 상류측에는, 전자밸브가 배치되고, 상기 조정수단은, 상기 전자밸브가 폐쇄되어 있을 때에, 상기 다른쪽의 가스 배출 유로의 오프 가스를 상기 바이패스 유로에 도입하도록 조작되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 분기 유로는, 2중관 구조의 배관을 가지고, 2중관의 한쪽에는, 바이패스 유로로부터의 다른쪽의 반응 가스의 오프 가스가 유통되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    제 1 가스 배출 유로는, 제 1 가스 공급 유로에 접속되고, 상기 분기 유로는, 제 1 반응 가스를 시스템 밖으로 배출하는 유로인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  8. 제 3항에 있어서,
    상기 조정수단은, 개도(開度)를 조정함으로써, 바이패스 유로와, 상기 바이패스 유로가 접속된 배출 유로에, 상기 배출 유로를 흐르는 오프 가스를 분배할 수 있는 수단인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 조정수단의 개도는, 바이패스 유로가 접속된 분기 유로의 온도 및 외기 온도 중 하나 이상에 의하여, 변화하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 분기 유로는, 제 1 전자밸브를 가지고,
    상기 분기 유로는, 상기 다른쪽의 가스 배출 유로에 접속되며,
    제 1 전자밸브와 상기 다른쪽의 가스 배출 유로의 사이에는, 다른 배출 유로가 설치되고, 상기 다른 배출 유로에는 제 2 전자밸브가 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
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Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4530176B2 (ja) * 2006-10-26 2010-08-25 トヨタ自動車株式会社 燃料電池車両
JP5112804B2 (ja) * 2007-10-12 2013-01-09 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
KR100986473B1 (ko) * 2008-03-14 2010-10-08 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 수소 배기 장치
WO2010143246A1 (ja) * 2009-06-08 2010-12-16 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び燃料電池システムの温度調整方法
JP5522590B2 (ja) * 2010-03-01 2014-06-18 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
CA2867428C (en) * 2012-03-15 2017-08-22 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system with a controller having a pulsating unit and a pressure increasing setting unit
JP6623785B2 (ja) * 2016-01-21 2019-12-25 ブラザー工業株式会社 燃料電池、燃料電池の制御方法、及びコンピュータプログラム
JP6847029B2 (ja) * 2017-12-21 2021-03-24 本田技研工業株式会社 燃料電池システム及びその制御方法
JP6992601B2 (ja) 2018-03-02 2022-02-04 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム、および、燃料電池システムにおける風速導出方法
JP2020068139A (ja) * 2018-10-25 2020-04-30 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
CN112310437A (zh) * 2019-07-15 2021-02-02 国家能源投资集团有限责任公司 固体氧化物燃料电池系统和固体氧化物燃料电池发电的方法
JP7165229B2 (ja) 2021-03-29 2022-11-02 本田技研工業株式会社 水電解・発電システム

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002289237A (ja) 2001-01-18 2002-10-04 Toyota Motor Corp 車載用燃料電池システムおよび水素オフガス排出方法
JP2003132915A (ja) 2001-10-23 2003-05-09 Honda Motor Co Ltd 排出燃料希釈器および排出燃料希釈式燃料電池システム
JP2005259494A (ja) 2004-03-11 2005-09-22 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃料電池コージェネレーションシステム

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002313395A (ja) 2001-04-09 2002-10-25 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システムの残留水排出装置
JP4799751B2 (ja) 2001-04-10 2011-10-26 本田技研工業株式会社 燃料電池の始動制御装置
JP5002885B2 (ja) 2004-04-26 2012-08-15 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4363260B2 (ja) 2004-06-11 2009-11-11 栗田工業株式会社 汚水処理方法及び装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002289237A (ja) 2001-01-18 2002-10-04 Toyota Motor Corp 車載用燃料電池システムおよび水素オフガス排出方法
JP2003132915A (ja) 2001-10-23 2003-05-09 Honda Motor Co Ltd 排出燃料希釈器および排出燃料希釈式燃料電池システム
JP2005259494A (ja) 2004-03-11 2005-09-22 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃料電池コージェネレーションシステム

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