KR20070037367A - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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KR20070037367A
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Abstract

본 발명의 과제는 연료 전지의 발전 상태를 유지한 채로 연료 카트리지를 교환하는 것이 가능한 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
연료 전지(20)를 갖는 연료 전지 시스템(100)은, 연료 전지 시스템(100)에 착탈 가능하게 설치되고, 연료 전지(20)로 공급되는 연료를 저장하는 연료 카트리지(30)와, 연료 카트리지(30)로부터 송출된 연료를 저장하는 연료 서브 탱크(80)와, 연료 서브 탱크(80)로부터 송출되고 소정의 농도로 희석된 연료를 저장하는 버퍼 탱크(90)를 갖고, 연료 서브 탱크(80)의 상부와 버퍼 탱크(90)가 가스가 자유롭게 출입 가능한 탱크 연통로(95)에 의해 접속되어 있다.
또한, 본 발명의 연료 전지 시스템(100)은 연료 전지(20)를 갖는 연료 전지 시스템(100)이며, 연료 전지 시스템(100)에 착탈 가능하게 설치되고 연료 전지(20)에 공급되는 연료를 저장하는 제1 연료 저장부(30)를 갖는 연료 전지 시스템(100)에 있어서, 연료 전지(20)에 연료를 공급하는 연료 공급 수단(90, 92, 43)과, 제1 연료 저장부(30)와 연료 공급 수단(90, 92, 43) 사이에 설치되고 연료를 저장하는 제2 연료 저장부(80)를 갖는 것을 특징으로 한다.
연료 전지, 연료 전지 시스템, 연료 카트리지, 버퍼 탱크, 탱크 연통로

Description

연료 전지 시스템 {Fuel Cell System}
도1은 제1 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템의 사시도.
도2는 제1 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템의 구성을 모식적으로 도시하는 시스템 구성도.
도3은 제1 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템의 서브 탱크의 구성을 상세하게 도시하는 구성도.
도4는 제2 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템의 구성을 모식적으로 도시하는 시스템 구성도.
도5는 가스 유통관(200)을 도시하는 개략도.
도6은 제3 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템의 구성을 모식적으로 도시하는 시스템 구성도.
도7은 제3 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템에 이용되는 기액 분리 구조의 일 형태를 도시하는 도면.
도8은 제3 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템에 이용되는 기액 분리 구조의 다른 형태를 도시하는 도면.
도9는 본 발명에 관한 연료 전지 시스템의 서브 탱크의 구성을 상세하게 도시하는 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 케이스
12, LT : 리미터
20 : 연료 전지
21 : 애노드
22 : 캐소드
23 : 산화제 공급로
24 : 공기 필터
25 : 애노드 배출로
26 : 캐소드 배출로
30 : 연료 카트리지
32 : 연료 백(제1 연료 저장부)
34, 82, 84, 91, 92 : 연료 공급로
36, 86 : 카트리지 조인트
38 : 연료 확인창
40 : 보기 유닛
41 : 메탄올 펌프(제1 액체 펌프)
42 : 메탄올 펌프(제2 액체 펌프)
43 : 메탄올 펌프(제3 액체 펌프)
44 : 공기 펌프
45 : 기액 분리기
46 : 냉각기
46a : 액체 성분 유통로
46b : 기체 성분 유통로
47 : 냉각 팬
50 : 크레이들
60 : 제어 유닛
70 : 2차 전지
80 : 연료 서브 탱크(제2 연료 저장부)
90 : 버퍼 탱크(제3 연료 저장부)
93 : 기체 성분 배출로
94 : 배기 필터
95 : 탱크 연통로
96 : 역지 밸브
97 : 연료 필터
100 : 연료 전지 시스템
LS : 액면 센서
TS : 온도 센서
FCV : 전압 검출 수단
[문헌 1] 일본 특허 공개 제2005-108811호 공보
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 액체 연료를 공급하여 발전을 행하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지는 수소와 산소로부터 전기 에너지를 발생시키는 장치로, 높은 발전 효율을 얻을 수 있다. 연료 전지의 주된 특징으로서는, 종래의 발전 방식과 같이 열 에너지나 운동 에너지의 과정을 거치지 않는 직접 발전이므로 소규모에서도 높은 발전 효율을 기대할 수 있으며, 질소 화합물 등의 배출이 적고 소음이나 진동도 작으므로 환경성이 좋은 점 등을 들 수 있다. 이와 같이, 연료 전지는 연료가 갖는 화학 에너지를 유효하게 이용할 수 있고, 환경에 친화적인 특성을 갖고 있으므로 21세기를 짊어질 에너지 공급 시스템으로서 기대되고, 우주용으로부터 자동차용, 휴대 기기용까지, 대규모 발전으로부터 소규모 발전까지 다양한 용도로 사용할 수 있는 장래 유망한 새로운 발전 시스템으로서 주목되어 실용화를 향해 기술 개발이 본격화되고 있다.
그 중에서도, 고체 고분자형 연료 전지는 다른 종류의 연료 전지에 비해 작동 온도가 낮고 높은 출력 밀도를 갖는 특징이 있어, 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 일 없이 직 접 애노드에 공급하여 메탄올 수용액과 산소와의 전기 화학 반응에 의해 전력을 얻는 것이며, 이 전기 화학 반응에 의해 애노드로부터는 이산화탄소가, 캐소드로부터는 생성수가, 반응 생성물로서 배출된다. 메탄올 수용액은 수소에 비해 단위 체적당 에너지가 높고, 또한 저장에 적합하여 폭발 등의 위험성도 낮으므로 자동차나 휴대 기기[휴대 전화, 노트형 퍼스널 컴퓨터, PDA, MP3 플레이어, 디지털 카메라 혹은 전자 사전(서적)] 등의 전원에의 이용이 기대되고 있다.
[특허 문헌 1]
일본 특허 공개 제2005-108811호 공보
DMFC를 포함하는 특허 문헌 1과 같은 연료 전지 시스템에서는, 버퍼 탱크 내를 포함하는 연료 전지 장치측의 경로 내는 캐소드에 산화제인 공기가 공급되므로 고압 상태가 되고, 펌프가 정지하면 버퍼 탱크 내에서 희석된 메탄올 수용액이 연료 공급 경로로 역류되어 버리는 경우가 있었다. 메탄올 수용액이 연료 공급 경로에 역류되면, 차회 펌프가 운전되어도 버퍼 탱크에는 희석된 메탄올 수용액이 되돌아오는 결과가 되어, 농도가 급격하게 저하하여 발전 능력이 저하되는 문제가 발생된다. 또한, 이러한 문제는 연료 공급 경로에 기포가 혼입된 경우에도 마찬가지로 발생되어, 연료 카트리지의 교환시 등에 연료 공급 경로에 기포가 들어가 버린다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은 상기한 과제에 비추어 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 연료 전지에 액체 연료를 안정적으로 공급하는 것이 가능한 연료 전지 시스템을 제공하 는 것에 있다. 또한, 본 발명의 다른 목적은 버퍼 탱크로부터의 연료의 누설이 억제된 연료 전지 시스템을 제공하는 것에 있다.
또한, 본 발명은 연료 카트리지의 교환시 등에 연료 공급 경로에 들어가 버리는 기포를 탈포하는 동시에, 연료 전지의 발전 상태를 유지한 채로 연료 카트리지를 교환하는 것이 가능한 연료 전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 태양은, 연료 전지 시스템이다. 상기 연료 전지 시스템은, 연료 전지에 액체 연료를 공급하여 연료 전지를 운전하는 연료 전지 시스템이며, 착탈 가능하게 설치되고 연료 전지에 공급되는 액체 연료를 저장하는 제1 연료 저장부와, 제1 연료 저장부에 저장된 액체 연료를 송출하는 제1 연료 공급 수단과, 제1 연료 공급 수단에 의해 송출된 액체 연료를 저장하는 제2 연료 저장부와, 제2 연료 저장부에 저장된 액체 연료를 송출하는 제2 연료 공급 수단과, 제2 연료 저장부에 설치되고 제2 연료 저장부에 저장된 액체 연료의 양을 검출하는 연료 검출 수단을 갖고, 제2 연료 저장부의 상부에 제2 연료 저장부 내의 가스의 흡입 및 배출을 위한 자유 경로가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 태양에 따르면, 제1 연료 저장부(소위, 연료 카트리지)를 연료 전지 시스템으로부터 제거하였을 때라도 제2 연료 저장부에 연료가 저장되어 있으므로, 연료 전지의 발전 상태를 유지할 수 있다. 또한, 제1 연료 저장부를 설치하였을 때 등에 발생된 기포는 제2 연료 저장부에 들어가 탈포되므로, 연료 공급 수단에 들어가는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제2 연료 저장부 내의 가스가 자유 경로를 통해 출입하기 때문에 제2 연료 저장부 내의 가스압이 거의 대기압에서 안정되므로 연료의 역류 등이 발생되기 어려워져, 연료 전지에 공급되는 연료의 농도를 일정하게 유지할 수 있으므로 연료 전지를 안정적으로 운전할 수 있다.
또한, 연료의 양을 검출하는 연료 검출 수단으로서 제2 연료 저장부가 정형의 용기이면 내부의 수위를 검출하는 수위 센서(액면 센서)라도 좋고, 그 수위를 정상적으로 검출하지 않아도 소정의 임계치를 하회하였는지를 검출할 수 있는 리미터와 같은 것이라도 좋다. 이에 의해, 연료 카트리지를 조급하게 교환하지 않으면 연료 전지 시스템을 정지해야만 하는 상황을 사용자에게 전달할 수 있다.
상기 태양에 있어서, 자유 경로는 한쪽 말단이 개방된 관 형상이라도 좋고, 또한 자유 경로는 내부 체적이 제1 연료 공급 수단에 의한 1회분의 액체 연료 용량 이상이라도 좋다. 이에 따르면, 제2 연료 저장부로부터 넘친 연료를 자유 경로에 저장해 둘 수 있으므로 액체 연료가 시스템의 밖으로 누설되는 것이 억제된다.
또한, 상기 태양에 있어서 자유 경로의 말단에 기액 분리 구조가 설치되어 있어도 좋다. 이에 따르면, 기액 분리 구조에 의해 자유 경로로부터 연료를 누설시키는 일 없이 소정의 농도 이하의 연료 가스가 외부로 방출되므로, 연료 전지 시스템의 안전성을 높일 수 있다. 보다 구체적으로는, 기액 분리 구조는 액체 연료를 포집하는 흡수체와 배출 가스 중의 연료를 흡착하는 필터 중 어느 하나를 가져도 좋다. 이 경우, 필터가 활성탄이라도 좋다.
또한, 상기 태양에 있어서, 제2 연료 공급 수단에 접속되고, 연료 전지로부터의 배출물과 제2 연료 공급 수단에 의해 송출된 액체 연료를 혼합하고, 연료 전 지에 공급하기 위한 연료를 조합하고 저장하는 동시에, 불필요한 기체 성분을 연료 전지 시스템 외부로 배출하는 제3 연료 저장 수단을 더 구비하고, 자유 경로의 말단이 제3 연료 저장 수단의 기층 부분에 접속되어 있어도 좋다.
이에 따르면, 연료 전지가 DMFC와 같은 액체 연료를 직접 연료 전지에 공급하는 타입의 연료 전지인 경우, 연료 전지의 애노드로부터는 연료의 농도가 옅어진 액체 연료와 이산화탄소가, 캐소드로부터는 산소의 농도가 옅어진 공기와 물이 배출된다. 제3 연료 저장부에 있어서, 이 배출 물질의 액체 성분(연료의 농도가 옅어진 액체 연료와 물)과 제2 연료 저장부로부터의 연료를 혼합하여, 배출 물질의 기체 성분(이산화탄소와 산소의 농도가 옅어진 공기)을 외부로 배출함으로써 연료를 효율적으로 이용하는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명은 연료 전지를 갖는 연료 전지 시스템이며, 연료 전지 시스템에 착탈 가능하게 설치되고 연료 전지에 공급되는 연료를 저장하는 제1 연료 저장부를 갖는 연료 전지 시스템에 있어서, 연료 전지에 연료를 공급하는 연료 공급 수단과, 제1 연료 저장부와 연료 공급 수단 사이에 설치되고 연료를 저장하는 제2 연료 저장부를 갖는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 제1 연료 저장부(소위, 연료 카트리지)를 연료 전지 시스템으로부터 제거하였을 때라도 제2 연료 저장부에 연료가 저장되어 있으므로 연료 전지의 발전 상태를 유지할 수 있다. 또한, 제1 연료 저장부를 설치하였을 때에 들어가 버린 기포는 제2 연료 저장부에 들어가 탈포되므로, 연료 공급 수단으로 들어가는 것을 방지할 수 있다.
청구항 9에 기재된 발명은, 청구항 8에 기재된 연료 전지 시스템에 있어서 연료 공급 수단은 연료를 저장하는 동시에 기체를 연료 전지 시스템 외부로 배출하는 제3 연료 저장부를 갖는 것을 특징으로 한다. 연료 전지가 DMFC와 같은 액체 연료를 직접 연료 전지에 공급하는 타입의 연료 전지인 경우, 연료 전지의 애노드로부터는 연료의 농도가 옅어진 액체 연료와 이산화탄소가, 캐소드로부터는 산소의 농도가 옅어진 공기와 물이 배출된다. 제3 연료 저장부에 있어서, 이 배출 물질의 액체 성분(연료의 농도가 옅어진 액체 연료와 물)과 제2 연료 저장부로부터의 연료를 혼합하여 배출 물질의 기체 성분(이산화탄소와 산소의 농도가 옅어진 공기)을 외부로 배출함으로써 연료를 효율적으로 이용하는 것이 가능해진다.
청구항 10에 기재된 발명은, 청구항 9에 기재된 연료 전지 시스템에 있어서 제2 연료 저장부와 제3 연료 저장부 사이에 설치되고 제3 연료 저장부로부터 제2 연료 저장부로의 액체의 유통을 방지하는 액체 역지 수단을 갖는 것을 특징으로 한다. 또한 청구항 11에 기재된 발명은, 청구항 9에 기재된 연료 전지 시스템에 있어서 제2 연료 저장부와 제3 연료 저장부 사이에 설치되고 제2 연료 저장부와 제3 연료 저장부와의 기체의 유통을 가능하게 하는 기체 유통 수단을 갖는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 연료의 농도가 옅어진 것이 제3 연료 저장부로부터 제2 연료 저장부로 유입하는 것을 방지하고, 제1 연료 저장부의 착탈시에 제2 연료 저장부에 들어가 버린 기포는 제3 연료 저장부를 통해 외부로 배출할 수 있다.
청구항 12에 기재된 발명은, 청구항 8에 기재된 연료 전지 시스템에 있어서 제2 연료 저장부에 설치되고 연료의 양을 검출하는 연료 검출 수단을 갖는 것을 특 징으로 한다. 여기서, 연료의 양을 검출하는 연료 검출 수단으로서 제2 연료 저장부가 정형의 용기이면, 내부의 수위를 검출하는 수위 센서(액면 센서)라도 좋고, 그 수위를 정상적으로 검출하지 않아도 소정의 임계치를 하회하였는지를 검출할 수 있는 리미터와 같은 것이라도 좋다. 이에 의해, 연료 카트리지를 조급하게 교환하지 않으면 연료 전지 시스템을 정지해야만 하는 상황을 사용자에게 전달할 수 있다.
청구항 13에 기재된 발명은, 청구항 8에 기재된 연료 전지 시스템에 있어서 연료 공급 수단은 액체 성분과 기체 성분을 분리하여 냉각하는 냉각부를 갖는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 냉각시의 열교환 효율을 향상시킬 수 있고, 특히 기체 성분을 충분히 응축하여 액체로 함으로써 연료를 효율적으로 이용할 수 있다.
이하에, 본 발명에 관한 연료 전지 시스템(100)의 구성에 대해 도면을 이용하여 상세하게 설명한다.
(제1 실시 형태)
도1은 제1 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템(100)의 사시도, 도2는 연료 전지 시스템(100)의 구성도를 도시하고 있다. 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)은 액체 연료로서 메탄올을 이용하고, 이 메탄올과 산화제로서의 공기를 연료 전지에 있어서 전기 화학 반응시킴으로써 발전을 행하는, 소위 다이렉트 메탄올 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell : DMFC) 시스템이며, 휴대 가능한 노트형 퍼스널 컴퓨터의 전원으로서 사용할 수 있도록 전체 치수는 콤팩트하게 구성되어 있다.
연료 전지 시스템(100)은, 도1에 도시한 바와 같은 케이스(10) 내의 길이 방 향의 일측에 연료 전지(스택)(20)가 탑재되고, 그 반대측에는 연료 전지 시스템(100)으로부터 착탈 가능하게 접속된 연료 카트리지(30)가 대략 중앙부에 보기 유닛(40)이 설치되어 있다. 또한, 노트형 퍼스널 컴퓨터를 얹은 크레이들(50) 내에는 제어 유닛(도시하지 않음)과 2차 전지(도시하지 않음)가 설치되어 있다.
연료 카트리지(30)에 인접하여 연료 서브 탱크(제2 연료 저장부)(80)와 버퍼 탱크(제3 연료 저장부)(90)가 설치되어 있고, 연료 카트리지(30) 내의 연료 백(제1 연료 저장부)(32)에 저장되는 순 메탄올 또는 고농도의 메탄올 수용액은 연료 서브 탱크(80)를 거쳐서 버퍼 탱크(90)에 도입되고, 버퍼 탱크(90)에서 소정의 농도(1 mol/L)로 희석된다. 즉, 연료 서브 탱크(80)는 연료 백(32) 내의 연료 잔량이 0이 된 것을 검출하는 동시에, 연료 카트리지(30)를 착탈할 때에 연료 공급로(34, 82)에 혼입되어 버리는 공기(기체 성분)를 탈포하는 기능을 갖고, 버퍼 탱크(90)는 연료의 농도를 조정하는 동시에 연료 전지(20)로부터 배출되는 기체 성분을 본 연료 전지 시스템(100)의 외부로 배출하는(상세한 것은 후술함) 기액 분리기의 기능을 갖는다.
보기 유닛(40)은, 연료 백(32)으로부터 연료 서브 탱크(80)로 연료를 공급하는 메탄올 펌프(제1 액체 펌프)(41)와, 연료 서브 탱크(80)로부터 버퍼 탱크(90)로 연료를 공급하는 메탄올 펌프(제2 액체 펌프)(42)와, 버퍼 탱크(90)로부터 연료 전지(20)로 연료를 공급하는 메탄올 펌프(제3 액체 펌프)(43)와, 연료 전지(20)로 산소(본 실시 형태에서는 공기)를 공급하는 공기 펌프(44)를 포함하고, 이들은 연료 저장부인 연료 카트리지(30), 연료 서브 탱크(80) 및 버퍼 탱크(90)와 연료 전 지(20) 사이에 탑재되어 있다. 이것은 연료 공급로(34, 82, 84, 91, 92)를 가능한 한 짧게 하여 공간 절약화를 도모하는 동시에, 간헐적으로 공급되는 고농도 메탄올을 신속하게 연료 전지(20)로 공급하기 위함이다.
또한, 보기 유닛(40)은 연료 전지(20)의 애노드(21)측으로부터 배출되는 액체를 주성분으로 하는 애노드 배출물(배출 메탄올 + 이산화탄소)과 캐소드(22)측으로부터 배출되는 기체를 주성분으로 하는 캐소드 배출물(배출 공기 + 생성수)을 혼합하여 기체 성분과 액체 성분으로 분리하는 기액 분리기(45)와, 기액 분리기(45)에서 분리된 기체 성분과 액체 성분을 다른 배관(46b, 46a)에 유통시키고, 연료 전지 시스템(100) 내부의 공기를 배출하는 냉각 팬(47)에 의해 연료 전지(20)의 배출물을 냉각하는 냉각기(46)를 포함하고, 이들은 연료 전지(20)와 버퍼 탱크(90) 사이에 탑재되어 있다. 이와 같이, 기액 분리 기능을 갖는 버퍼 탱크(90)[냉각기(46)]의 전방단에 있어서 기액 분리기(45)를 탑재함으로써 액체와 기체가 혼재하는 애노드 배출물과 캐소드 배출물을 합류시켜 액체 성분과 기체 성분을 각각 액체 성분 유통로(46a)와 기체 성분 유통로(46b)에 유통시켜 냉각할 수 있어, 기액이 혼재하는 유체를 냉각하는 것보다 냉각기(46)에서의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
버퍼 탱크(90)에서 회수된 연료 전지(20)의 배출물 중 기체 성분은 기체 성분 배출로(93)를 통해 연료 전지 시스템(100) 외부로 배출된다. 이 때, 기체 성분 배출로(93)는 액체 성분을 외부로 배출하지 않도록 가능한 한 길게 배치하고, 또한 출구에 배기 필터(94)를 설치하는 쪽이 좋다. 또한, 버퍼 탱크(90)로부터 배출되 는 수증기량보다도 연료 전지(20)에서 생성되는 생성수의 양이 많아, 연료 전지 시스템(100) 내를 순환하는 연료(메탄올 수용액)가 버퍼 탱크(90)로부터 오버 플로우할 가능성을 고려하여, 버퍼 탱크(90)와 연료 서브 탱크(80)를 그 상부에 있어서 배관[탱크 연통로(95)] 접속하고, 버퍼 탱크(90)로부터 오버 플로우할 때에는 연료 서브 탱크(80)가 버퍼 탱크(90)의 버퍼의 역할을 하는 동시에 연료 카트리지(30)로부터 연료 서브 탱크(80)에 연료가 공급되고, 일시적으로 연료 서브 탱크(80) 내의 압력이 상승하였을 때에는 버퍼 탱크(90)가 연료 서브 탱크(80)의 압력을 릴리프하는 역할을 한다. 연료 서브 탱크(80)와 버퍼 탱크(90) 사이에는 역지 밸브(96)가 설치되고, 연료 공급로(91)로부터 연료 공급로(84)로, 즉 버퍼 탱크(90)로부터 연료 서브 탱크(80)에는 탱크 연통로(95)를 거쳐서 오버 플로우하지 않는 한 희석된 메탄올 수용액이 역류하지 않도록 구성되어 있다. 또한, 연료 백(32)과 연료 서브 탱크(80) 사이에는 카트리지 조인트(36, 86)가 설치되고, 이 카트리지 조인트(36, 86)를 거쳐서 연료 공급로(34)와 연료 공급로(82)가 접속된다. 이 부분은 카트리지 착탈할 때의 연료의 누설을 회수하기 위한 안전 기구나 조인트의 로크 기구 등 본체측에 갖게 하기 위해 연료 카트리지(30)측의 카트리지 조인트(36)가 수형으로 되어 있고, 연료 서브 탱크(80)측의 카트리지 조인트(86)가 암형으로 되어 있다. 암형 쪽이 복잡한 기구를 조립하기 쉬워 연료 카트리지(30)측을 간단한 구조로 함으로써, 사이즈 및 비용면을 고려하면 유리해진다.
또한, 연료 카트리지(30)의 착탈 상태를 검지하기 위해 연료 카트리지(30)와 접촉하는 연료 전지 시스템(100)의 본체 부분에는 리미터(LT)가 설치되어 있다. 이에 의해, 연료 카트리지(30)가 연료 전지 시스템(100)에 정상인 상태로 끼움 삽입되어 있는지 검지하여, 사용 중에 카트리지 조인트(36, 86)부로부터 연료 누설이 없도록 할 수 있다. 연료 카트리지(30)의 착탈을 검지하는 수단은, 리미터(LT)에 한정되지 않고 연료 카트리지(30)의 소정의 위치에 IC 칩 등을 매립하여 IC 칩의 위치를 검출하는 동시에 연료 카트리지(30)의 정보, 예를 들어 용량, 농도, 연료의 종류, 시리얼 넘버 등의 정보를 연료 전지 시스템(100)의 제어 유닛과의 사이에서 교환할 수 있도록 해도 좋다.
연료 카트리지(30)의 연료 공급로(34)는 연료 백(32)의 바닥부에 그 도입구를 갖고, 연료 카트리지(30) 내벽의 변에 따라 상승하도록 배치된 후 카트리지 조인트(36)에 접속된다. 또한, 연료 카트리지 상부(상변의 일부)에는 연료 공급로(34)가 눈으로 확인 가능한 연료 확인창(38)이 개설되어 있다. 이 연료 확인창(38)으로부터 연료 공급로(34) 내부를 확인하기 위해 연료 공급로(34)는 테플론(등록 상표) 튜브와 같은 투명한 소재를 이용하는 것이 바람직하다. 연료 백(32)을 용적 변화 가능한 용기로 하고 내부에 미리 연료와 함께 소량의 기체(공기)를 봉입해 둠으로써, 연료 백(32) 내에 저장되어 있던 연료가 얼마 남지 않았을 때에, 연료 확인창(38)으로부터 액상과 기상의 경계를 눈으로 확인할 수 있다. 연료에는 미리 색을 부여해 두면 더욱 확인하기 쉬워진다.
이상의 연료의 흐름을 정리하면, 연료 백(32) 내의 고농도의 메탄올(혹은 순 메탄올)은 연료 공급로(34)를 유통하여 연료 전지 시스템(100)의 본체에 공급된다. 연료 카트리지(30)와 시스템 본체는 카트리지 조인트(36, 86)에 의해 접속되어 있 고, 연료 백(32) 내의 고농도 메탄올은 카트리지 조인트(86)로부터 연료 서브 탱크(80)에 연결되는 연료 공급로(82)에 설치되어 있는 메탄올 펌프(41)의 흡인력에 의해 연료 서브 탱크(80)에 공급된다. 연료 카트리지(30)를 착탈할 때에, 카트리지 조인트(36, 86)부로부터 연료 공급로(34, 82)에 기체가 혼입되어 버린 경우에는, 이 연료 서브 탱크(80)에서 탈포할 수 있으므로 연료 서브 탱크(80)로부터 버퍼 탱크(90)측으로는 이러한 기포는 혼입되지 않는 구성으로 되어 있다.
연료 서브 탱크(80)에는, 도3에 도시한 바와 같이 탱크 높이(a)의 1/2 이상의 높이(b)의 위치에 연료 부족을 검지하는 액면 센서(81)가 설치되어 있어, 연료 서브 탱크(80) 내의 연료의 수위가 액면 센서(81) 이하가 된 것을 검지하면, 메탄올 펌프(41)가 구동하고, 연료 백(32)으로부터 고농도의 연료를 연료 서브 탱크(80)에 추가하는 구성으로 되어 있다. 소정 시간 메탄올(41)이 구동해도 연료 서브 탱크(80)의 연료의 수위가 회복되지 않는 경우는, 사용자에게 연료 부족을 나타내는 표시(알람)를 하도록 되어 있다. 사용자에게 연료 부족을 나타내는 표시(알람)를 통지 후 연료 카트리지(30)의 교환용으로 설정한 교환 시간을 경과해도 연료 카트리지(30)의 연료 수위가 회복되지 않는 경우에는 시스템이 후퇴 행동을 취하도록 되어 있다. 이 액면 센서(81)는 사용자가 연료 부족의 알람을 인식한 후, 연료 카트리지(30)를 교환 가능하도록 필요한 시간의 운전을 가능하게 하는 양의 연료(본 실시 형태에서는, 교환 시간 : 약 5분간, 교환 시간의 운전 가능하게 하는 연료량 : 약 5 cc로 설정)를 유지할 수 있는 위치로 설치할 필요가 있고, 본 실시 형태에서는 탱크 높이(용기 중에 연료를 수용할 수 있는 높이)의 1/2 이상의 위치에 액면 센서를 설치한다. 연료 서브 탱크(80) 내의 고농도 메탄올은 연료 공급로(84)에 설치된 메탄올 펌프(42)의 흡인력에 의해 버퍼 탱크(90)로 공급된다. 연료 공급로(84)는 역지 밸브(96)를 거쳐서 연료 공급로(91)와 접속되어 있고, 역지 밸브(96)로부터 버퍼 탱크(90)측의 희석된 메탄올 수용액은 정상적으로는 연료 서브 탱크(80)로 되돌아오지 않는 구성으로 되어 있다.
또한, 연료 서브 탱크(80)에는 탱크 연통로(95)와 연통되는 가스 흡배기구(101)가 용기 상부면에 설치되어 있고, 용기 내의 가스가 자유롭게 출입 가능한 구조로 되어 있다. 이 구조에 의해, 용기 내의 연료의 액면이 변동해도 용기 내의 압력이 가압 또는 부압 상태로 되지 않으므로 연료 서브 탱크(80)의 안전성을 높일 수 있는 것 외에, 액체 연료가 연료 공급로(82)에 역류하거나 소정의 타이밍 이외에 액체 연료가 연료 공급로(84)로 유입되는 등의 동작 이상을 억제할 수 있다.
여기서, 연료 서브 탱크(80) 내의 연료의 액면 변동에 대해 설명한다. 메탄올 펌프(42)에 의해 연료 전지(20)의 발전 상태에 따라서 연료 공급로(84)의 단부인 연료 배출구(104)로부터 간헐적으로 소정량(v)의 액체 연료가 연료 전지(20)를 향해 공급된다. 이하, 1회당 연료 추가량을 v라 하고, 1회의 연료 배출에 의해 용기 내의 연료의 액면이 하강하는 양을 y라 한다. 연료 배출에 의해, 연료 서브 탱크(80) 내의 연료의 수위가 액면 센서(81)의 높이 이하가 된 것이 검지되면, 메탄올 펌프(42)가 정지한 후 메탄올 펌프(41)가 기동하고, 연료 서브 탱크(80) 내의 연료의 수위가 액면 센서(81)의 높이로부터 1/2·y의 위치가 되도록 연료 공급로(82)의 단부인 연료 주입구(102)로부터 액체 연료가 추가된다. 이와 같이, 메탄 올 펌프(41) 및 메탄올 펌프(42)는 간헐적으로 비동기로 동작하고, 연료 서브 탱크(80) 내의 연료의 물은 액면 변동 범위(y)의 범위에서 변동한다. 메탄올 펌프(41) 및 메탄올 펌프(42)를 비동기로 제어함으로써 액체 연료의 잔량 변화에 수반되는 연료 카트리지(30)로부터의 연료 토출에 필요로 하는 메탄올 펌프(41)의 압력 증감 등의 외란이나 시간의 흐름에 따른 열화 등에 의해 메탄올 펌프(41)의 정량 정밀도가 낮은 경우라도 액체 연료의 공급에 지장을 초래하는 일 없이 연료 전지(20)를 운전시킬 수 있다.
또한, 가스 흡배기구(101)는 액면 변동 범위(y)의 상한으로부터, 또한 적어도 y보다 높은 위치에 있는 것이 바람직하다. 즉, 도3을 참조하여 길이(H1)[액면 변동 범위(y)의 상한으로부터 가스 흡배기구(101)까지의 길이] ＞ y인 것이 바람직하다. 이에 따르면, 메탄올 펌프(41)에 의해 연료가 1회 추가된 경우라도 연료 서브 탱크(80) 내의 연료의 상부에 가스층을 유지할 수 있다. 이 밖에, 가스 흡배기구(101)는 연료 서브 탱크(80)의 직경을 x라 하였을 때, 액면 변동 범위(y)의 상한으로부터, 또한 적어도 x·tanθ보다 높은 위치에 있는 것이 바람직하다. 즉, 도3을 참조하여 길이(H1) ＞ x·tanθ인 것이 바람직하다. 적합하게는, 각도(θ)는 45도이다. 이에 따르면, 연료 서브 탱크(80)가 각도(θ)만큼 기울어진 상태라도, 가스 흡배기구(101)가 액체 연료에 침지된 상태라도 액면 센서(81)에 의해 액체 연료의 수위 저하가 검지되지 않으므로 불필요한 연료 추가를 피할 수 있어 연료 전지 시스템(100)의 동작 안정성을 높일 수 있다.
또한, 연료 공급로(82)의 단부인 연료 주입구(102)는 용기 내의 액체 연료에 있어서의 일반적인 액면 변동 범위(y)의 상한 높이보다 높은 위치에 있는 것이 바람직하다. 이에 따르면, 용기 내에 유지 가능한 연료의 용량을 확보할 수 있는 동시에 액면 변동 범위(y)에 미치는 영향을 없앨 수 있다.
또한, 연료 공급로(84)의 단부인 연료 배출구(104)는 용기의 바닥부에 가능한 한 근접하고 있는 것이 바람직하다. 이에 따르면, 용기 내의 연료를 낭비없이 배출할 수 있다. 또한, 연료 배출(104)은 액면 변동 범위(y)의 하한보다, 또한 적어도 y보다 낮은 위치에 있는 것이 바람직하다. 즉, 도3을 참조하여 길이(H2)[액면 변동 범위(y)의 하한으로부터 연료 배출구(104)까지의 길이] ＞ y인 것이 바람직하다.
이에 따르면, 연료 카트리지(30)의 교환에 필요한 시간 동안 연료 전지(20)의 운전을 가능하게 할 수 있다. 더욱 바람직하게는, 연료 배출구(104)는 액면 변동 범위(y)의 하한보다, 적어도 3 × y만큼 낮은 위치에 있는 것이 바람직하다. 이에 따르면, 연료 카트리지(30)를 3회 교환하는 데 필요한 시간 동안 연료 전지(20)의 운전을 가능하게 할 수 있다.
(액면 센서의 설치 위치예)
가스 흡배기구(101)를 액면 변동 범위(y)의 상한으로부터, 또한 y만큼 높은 위치로 하고, 연료 배출구(104)를 액면 변동 범위(y)의 하한보다 또한 3 × y만큼 낮은 위치로 한 경우에는 연료 서브 탱크(80)의 용기의 높이는 약 y + y + 3y = 5y 가 된다. 또한, 액면 센서(81)의 높이는 약 1/2·y + 3y = 3.5y가 된다. 즉, 액면 센서(81)의 높이는 용기의 높이를 기준으로 하면, 3.5/5 = 0.7의 위치에 상당한다.
버퍼 탱크(90)에도 연료 서브 탱크(80)와 마찬가지로, 탱크 높이의 1/3 이하의 위치에 물 부족(연료량 부족)을 검지하는 액면 센서(LS2)가 설치되어 있고, 버퍼 탱크(90) 내의 연료의 수위가 액면 센서(LS2) 이하가 된 것을 검지하면 제어 유닛에 신호를 보내고, 제어 유닛은 연료 전지(20)로부터 생성되는 생성수의 양이 증가하도록, 즉 연료 전지(20)로부터 고전류를 출력시키도록 연료 전지 시스템(100) 내의 각종 장치를 제어한다. 반대로, 버퍼 탱크(90) 내의 연료량이 증가하여 버퍼 탱크(90)로부터 오버 플로우하는 경우에는 탱크 연통로(95)를 통해 연료가 연료 서브 탱크(80)에 도입되도록 되어 있다. 이 탱크 연통로(95)는 연료 카트리지(30)의 착탈 등에 의해 연료 서브 탱크(80)의 기상 부분의 압력이 상승해도, 정상적으로는 연료 서브 탱크(80)와 버퍼 탱크(90)의 기상 부분의 압력에 차이가 생기지 않도록 구성되어 있다.
버퍼 탱크(90) 내의 희석된 메탄올 수용액은 연료 공급로(92)에 설치된 메탄올 펌프(43)의 흡인력에 의해 연료 전지(20)에 공급된다. 연료 공급로(92)에는 메탄올 펌프(43)의 전방단에 연료 필터(97)가 설치되어 있고, 연료 필터(97)에 의해 메탄올 수용액 내에 혼입된 불순물(오염이나 이온)을 제거(흡착)하여, 연료 전지(20)의 애노드(21)에 공급된다. 연료 필터(97)의 위치는 메탄올 펌프(43)의 후방단측이라도 문제없지만, 전방단에 배치한 쪽이 메탄올 펌프(43)에 있어서 먼지 등의 쓰레기가 막히는 것을 회피할 수 있다. 메탄올 펌프(43)는, 상기 펌프(41, 42)와 달리 연료 전지 시스템(100)이 가동하고 있는 동안의 거의 전 시간에 걸쳐 운전되므로 상기한 바와 같이 쓰레기가 막히는 것을 배려하여 전방단에 연료 필터(97)를 배치하는 것이 바람직하다.
한편, 연료 전지(20)의 캐소드(22)에는 공기 펌프(44)에 의해 공기가 공급된다. 공기 펌프(44)는 연료 전지 시스템(100) 내부의 공기를 흡인하지만, 연료 전지 시스템(100) 외부의 공기를 내부에 도입하는 도시하지 않은 개구부에는 오염과 같은 미립자 성분을 제거하는 필터를 설치하고 있으므로 산화제 공급로(23)에 공기 펌프(44)의 후방단측에 공기 중의 유기물을 촉매 연소에 의해 제거하거나, 혹은 이온을 흡착하는 공기 필터(24)를 배치한다.
연료 전지(20)의 애노드(21)측으로부터 배출된 배출 메탄올과 이산화탄소는 애노드 배출로(25)로부터 기액 분리기(45)로 배출되는 동시에, 캐소드(22)측으로부터 배출된 배출 공기와 생성수는 캐소드 배출로(26)로부터 배출되어 기액 분리기(45)에서 합류된다. 기액 분리기(45)에 있어서, 액체 성분과 기체 성분으로 분리된 후, 액체 성분은 액체 성분 유통로(46a)를, 기체 성분은 기체 성분 유통로(46b)를 유통하면서 냉각 팬(47)에 의해 강제 배기되는 연료 전지 시스템(100) 내부의 공기에 의해 냉각되어 각각 버퍼 탱크(90)에 도입된다. 즉, 버퍼 탱크(90)는 발전 반응에 의해 메탄올이 소비된 배출 메탄올과 생성수가 회수되기 때문에 버퍼 탱크(90) 내의 메탄올 농도는 서서히 저하된다. 버퍼 탱크(9O) 내의 메탄올 농도가 저하하면 연료 전지(20)를 구성하는 복수의 셀의 전압에 변동이 생기므로, 본 실시 형태에서는 이 변동을 검출하여 농도 센서 대신으로서 복수의 셀의 전압이 소정의 변동 이상이 된 것을 검출하면 제어 유닛에 신호를 보내고, 제어 유닛은 메탄올 펌프(42)를 구동시켜 연료 서브 탱크(80)로부터 버퍼 탱크(90)에 연료를 보충하여 버퍼 탱크(90)의 메탄올 농도를 조정한다. 또한, 메탄올 펌프(41)는 메탄올 펌프(42)와 연동하여 메탄올 펌프(42)가 구동할 때마다 같은 양의 고농도 메탄올이 연료 백(32)으로부터 연료 서브 탱크(80)로 보충되도록 해도 좋고, 보기류의 소비 에너지를 저감하기 위해 예를 들어 메탄올 펌프(42)가 3회 구동하면, 3배의 양의 고농도 메탄올이 연료 백(32)으로부터 연료 서브 탱크(80)로 보충되도록 해도 좋다.
(제2 실시 형태)
도4는 제2 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템의 구성을 모식적으로 도시하는 시스템 구성도이다. 본 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템(100)의 기본적인 구성은 제1 실시 형태와 동일하다. 이하, 제2 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)에 대해 제1 실시 형태와 다른 구성에 대해 설명한다.
본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)의 연료 서브 탱크(80)에는 자유 경로로서 제1 실시 형태의 탱크 연통로(95) 대신에, 한쪽 단부가 개방되어 있는 관 형상의 가스 유통관(200)이 설치되어 있다.
도5는 가스 유통관(200)을 도시한 개략도이다. 가스 유통관(200)은 액체 연료를 유지하는 데 충분한 길이의 소경 튜브[예를 들어, 내경(φ) 1.5 × 300 mm 정도]이며, 예를 들어 가스 유통관(200)은 내부의 체적을 상술한 체적(v) 이상으로 하는 것이 바람직하다. 이에 따르면, 연료 서브 탱크(80)로부터 넘친 액체 연료를 가스 유통관(200) 내에 저장해 둘 수 있으므로 액체 연료가 시스템 밖으로 누설되는 것이 억제된다.
또한, 가스 유통관(200)의 재질과 두께를 적절하게 취함으로써 가스 유통관(200) 내에서 증발한 액체 연료가 증기로서 표면으로부터 서서히 증산하는 구조로 할 수 있다. 예를 들어, 이러한 구조에 적합한 관재로서 0.5 mm 이하의 두께의 실리콘 튜브나 저밀도 폴리에틸렌 튜브 등을 들 수 있다.
(제3 실시 형태)
도6은 제3 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템의 구성을 모식적으로 도시한 구성도이다. 본 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템(100)의 기본적인 구성은 제2 실시 형태와 동일하다. 이하, 제2 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)에 대해 제2 실시 형태와 다른 구성에 대해 설명한다.
본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)에서는, 가스 유통관(200)의 선단부 부분에 기액 분리 구조(210)가 설치되어 있다. 기액 분리 구조(210)에 의해 가스 유통관(200)으로부터 액체 연료를 누설시키는 일 없이 소정의 농도 이하의 연료 가스가 외부로 방출되기 때문에 연료 전지 시스템(100)의 안전성을 높일 수 있다.
도7은 기액 분리 구조(210)의 일 형태를 도시한다. 본 형태에서는, 가스 유통관(200)의 말단 부분이 통형의 연료 포집부(220)에 삽입되어 있다. 연료 포집부(220)는 용기(222), 흡수제(224) 및 활성탄(226)을 구비한다. 구체적으로는, 용기(222)에 삽입된 가스 유통관(200)의 주위에 스폰지형의 흡수제(224)가 설치되고, 흡수제(224)의 상부, 즉 용기(222)의 입구 부근에 활성탄(226)이 설치되어 있다. 이 구조에 의해, 가스 유통관(200)으로부터 누설된 액체 연료는 용기(222)의 바닥에 일단 체류하고, 체류량이 증가하면 흡수제(224)에 의해 포집되어 연료가 누설되는 것이 억제된다. 또한, 흡수제(224)에 의해 완전히 포집되지 않은 연료는 대표면적을 갖는 활성탄(226)에 의해 증발이 촉진되어 일정 농도(예를 들어 200 ppm) 이상이 되지 않도록 증산된다.
도8은 기액 분리 구조(210)의 다른 형태를 도시한다. 본 형태에서는 연료 포집부(220)는 연료 전지, 열교환기 등의 발열체의 부근에 배치된다. 본 형태의 연료 포집부(220)에서는 용기(222)에 삽입된 가스 유통관(200)의 부근에 활성탄(226)이 설치되고, 활성탄(226)의 주위에 또한 흡수제(224)가 설치되어 있다. 이 구조에 따르면, 가스 유통관(200)의 말단에 도달한 액체 연료는 발열체에 의한 열에 의해 증산이 촉진되어, 활성탄(226)에 의해 과잉의 연료를 포집함으로써 일정 농도(예를 들어, 200 ppm) 이상이 되지 않도록 증산된다. 또한, 완전히 증발되지 않은 연료는 흡수제(224)에 의해 흡수되기 때문에 연료가 누설되기 어렵게 되어 있다.
또한, 연료 서브 탱크(80)에는, 도9에 도시한 바와 같이 탱크 높이의 1/2 이상의 위치에 연료 부족을 검지하는 액면 센서(LS1)가 설치되어 있어, 연료 서브 탱크(80)의 연료의 수위가 액면 센서(LS1) 이하가 된 것을 검지하면 제어 유닛(60)에 신호를 보내고, 사용자에게 연료 부족을 나타내는 표시(알람)를 하도록 되어 있다. 이 액면 센서(LS1)는 사용자가 연료 부족의 알람을 인식한 후, 연료 카트리지(30) 를 교환 가능하도록 필요한 시간의 운전을 가능하게 하는 양의 연료(본 실시 형태에서는 교환 시간 : 약 5분간, 교환 시간의 운전 가능하게 하는 연료량 : 약 5 cc로 설정)를 유지할 수 있는 위치로 설치할 필요가 있고, 본 실시 형태에서는 탱크 높이(용기 중에 연료를 수용할 수 있는 높이)의 1/2 이상의 위치에 액면 센서를 설치한다. 연료 서브 탱크(80) 내의 고농도 메탄올은 연료 공급로(84)에 설치된 메탄올 펌프(42)의 흡인력에 의해 버퍼 탱크(90)에 공급된다. 연료 공급로(84)는 역지 밸브(96)를 거쳐서 연료 공급로(91)와 접속되어 있고, 역지 밸브(96)로부터 버퍼 탱크(90)측의 희석된 메탄올 수용액은 정상적으로는 연료 서브 탱크(80)로 되돌아오지 않는 구성으로 되어 있다.
본 실시 형태에서는 액체 연료로서 메탄올을 사용하는 DMFC로 이루어지는 연료 전지 시스템을 이용하여 설명하였지만, 본 발명을 적용할 수 있는 액체 연료를 직접 공급하는 타입의 연료 전지 시스템은 DMFC 시스템에 한정되지 않는다. 또한, 부하로서 퍼스널 컴퓨터를 이용하는 형상의 연료 전지 시스템에 관하여 설명하였지만, 본 발명은 다양한 기기, 특히 휴대 기기에의 이용이 기대되는 연료 전지 시스템에 있어서 이용 가능하다고 생각된다.
본 발명에 따르면, 액체 연료를 공급하는 연료 전지 시스템에 있어서 연료 전지를 보다 안정적으로 운전할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 액체 연료를 공급하는 연료 전지 시스템에 있어서 연료 전지의 발전 상태를 유지한 채로 연료 카트리지를 교환할 수 있다.

Claims (13)

  1. 연료 전지에 액체 연료를 공급하여 상기 연료 전지를 운전하는 연료 전지 시스템이며,
    착탈 가능하게 설치되고 상기 연료 전지에 공급되는 액체 연료를 저장하는 제1 연료 저장부와,
    상기 제1 연료 저장부에 저장된 액체 연료를 송출하는 제1 연료 공급 수단과,
    상기 제1 연료 공급 수단에 의해 송출된 액체 연료를 저장하는 제2 연료 저장부와,
    상기 제2 연료 저장부에 저장된 액체 연료를 송출하는 제2 연료 공급 수단과,
    상기 제2 연료 저장부에 설치되고 상기 제2 연료 저장부에 저장된 액체 연료의 양을 검출하는 연료 검출 수단을 갖고,
    상기 제2 연료 저장부의 상부에 상기 제2 연료 저장부 내의 가스의 흡입 및 배출을 위한 자유 경로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 자유 경로는 한쪽 말단이 개방된 관 형상인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 자유 경로는 내부 체적이 제1 연료 공급 수단에 의한 1회분의 액체 연료 용량 이상인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 자유 경로의 말단에 기액 분리 구조가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 기액 분리 구조는,
    액체 연료를 포집하는 흡수체와,
    배출 가스 중의 상기 연료를 흡착하는 필터 중 어느 하나를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 필터가 활성탄인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제2 연료 공급 수단에 접속되고,
    상기 연료 전지로부터의 배출물과 상기 제2 연료 공급 수단에 의해 송출된 상기 액체 연료를 혼합하고, 상기 연료 전지에 공급하기 위한 연료를 조합하고 저장하는 동시에, 불필요한 기체 성분을 상기 연료 전지 시스템 외부로 배출하는 제3 연료 저장 수단을 더 구비하고,
    상기 자유 경로의 말단이 제3 연료 저장 수단의 기층 부분에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  8. 연료 전지를 갖는 연료 전지 시스템이며, 상기 연료 전지 시스템에 착탈 가능하게 설치되고 상기 연료 전지에 공급되는 연료를 저장하는 제1 연료 저장부를 갖는 연료 전지 시스템에 있어서,
    상기 연료 전지에 상기 연료를 공급하는 연료 공급 수단과,
    상기 제1 연료 저장부와 상기 연료 공급 수단 사이에 설치되고 상기 연료를 저장하는 제2 연료 저장부를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 연료 공급 수단은 상기 연료를 저장하는 동시에 기체를 상기 연료 전지 시스템 외부로 배출하는 제3 연료 저장부를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제2 연료 저장부와 상기 제3 연료 저장부 사이에 설치되고 상기 제3 연료 저장부로부터 상기 제2 연료 저장부로의 액체의 유통을 방지하는 액체 역지 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  11. 제9항에 있어서, 상기 제2 연료 저장부와 상기 제3 연료 저장부 사이에 설치되고 상기 제2 연료 저장부와 상기 제3 연료 저장부와의 기체의 유통을 가능하게 하는 기체 유통 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  12. 제8항에 있어서, 상기 제2 연료 저장부에 설치되고 상기 연료의 양을 검출하는 연료 검출 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  13. 제8항에 있어서, 상기 연료 공급 수단은 액체 성분과 기체 성분을 분리하여 냉각하는 냉각부를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
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Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5184819B2 (ja) * 2007-05-31 2013-04-17 日清紡ホールディングス株式会社 ソーラシミュレータ
GB0713265D0 (en) * 2007-07-09 2007-08-15 Spi Lasers Uk Ltd Apparatus and method for laser processing a material
WO2009029812A1 (en) * 2007-08-30 2009-03-05 Oorja Protonics, Inc. Apparatus, system, and method for supplying fuel to and removing waste from fuel cells
US20100273068A1 (en) * 2009-04-22 2010-10-28 Adaptive Materials, Inc. Fuel cell system including a fuel filter member with a filter property indicator
US20110189587A1 (en) * 2010-02-01 2011-08-04 Adaptive Materials, Inc. Interconnect Member for Fuel Cell
JP2012059746A (ja) * 2010-09-06 2012-03-22 Fujikura Ltd ファイバレーザ及びレーザ加工機
JP6087106B2 (ja) * 2012-10-25 2017-03-01 ダイハツ工業株式会社 燃料供給システム
JP2014120438A (ja) * 2012-12-19 2014-06-30 Daihatsu Motor Co Ltd 燃料電池システム
US8824519B1 (en) * 2013-03-01 2014-09-02 Princeton Optronics Inc. VCSEL pumped fiber optic gain systems
US9843156B2 (en) * 2014-04-13 2017-12-12 Soreq Nuclear Research Center Q-switched fiber laser
CN106500834A (zh) * 2016-10-28 2017-03-15 何桂崧 一种光功率计测试系统
US10855050B1 (en) 2017-11-21 2020-12-01 Arete Associates Methods of laser pulse development and maintenance in a compact laser resonator
JP2023501088A (ja) * 2019-11-04 2023-01-18 アルコン インコーポレイティド デューティサイクルの光学検出を使用したパルスレーザ出力の測定

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5939958B2 (ja) 1979-02-15 1984-09-27 松下電器産業株式会社 リモ−トコントロ−ル送信装置
JPS5939958U (ja) * 1982-09-07 1984-03-14 日本電気株式会社 Ｑスイツチレ−ザ装置
JPS60102785A (ja) * 1983-11-09 1985-06-06 Mitsubishi Electric Corp パルスレ−ザ装置
JPH01181584A (ja) * 1988-01-11 1989-07-19 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光ファイバレーザ装置
US4930901A (en) * 1988-12-23 1990-06-05 Electro Scientific Industries, Inc. Method of and apparatus for modulating a laser beam
US4918704A (en) * 1989-01-10 1990-04-17 Quantel International, Inc. Q-switched solid state pulsed laser with injection seeding and a gaussian output coupling mirror
US5394415A (en) * 1992-12-03 1995-02-28 Energy Compression Research Corporation Method and apparatus for modulating optical energy using light activated semiconductor switches
JP3331726B2 (ja) * 1994-02-16 2002-10-07 住友電気工業株式会社 光ファイバレ−ザ装置
JPH08274399A (ja) * 1995-04-03 1996-10-18 Komatsu Ltd パルスレーザ装置のパルスエネルギ制御装置と方法
JP2885209B2 (ja) * 1996-12-26 1999-04-19 日本電気株式会社 レーザ加工装置
KR100317452B1 (ko) * 1996-12-31 2002-02-19 이정태 궤환구조형이종펌핑광섬유증폭기
DE19958566A1 (de) * 1999-12-04 2001-06-07 Zeiss Carl Jena Gmbh Gütegeschalteter Festkörperlaser mit einstellbarer Pulslänge
JP2001332791A (ja) 2000-05-24 2001-11-30 Fuji Electric Co Ltd Ｑスイッチレーザ装置
JP2003152255A (ja) * 2001-11-19 2003-05-23 Sunx Ltd レーザ発振装置
US6603600B2 (en) * 2001-11-21 2003-08-05 Coherent, Inc. Chirped pulse amplification method and apparatus
KR20030078975A (ko) * 2002-03-21 2003-10-10 주식회사 엘지이아이 연료전지 시스템의 연료 공급 장치
KR20030078974A (ko) * 2002-03-21 2003-10-10 주식회사 엘지이아이 연료전지 시스템의 연료 공급 장치
WO2005004258A2 (en) * 2003-06-27 2005-01-13 Ultracell Corporation Portable fuel cartridge for fuel cells
JP2006040593A (ja) 2004-07-23 2006-02-09 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃料電池システム
JP4152360B2 (ja) 2004-07-29 2008-09-17 三洋電機株式会社 燃料電池システム
KR101126207B1 (ko) * 2005-02-28 2012-03-26 삼성에스디아이 주식회사 개질기용 연료 공급장치 및 연료 전지 시스템

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