KR20090035624A - 연료전지 시스템 - Google Patents

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KR20090035624A
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노리오 야마기시
노부타카 데시마
아키히사 홋타
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

연료전지에 가스를 공급하는 가스 공급유로에 레귤레이터를 설치한 연료전지 시스템에 있어서, 레귤레이터의 상류측의 과도한 압력 상승을 억제하고, 레귤레이터의 오동작을 방지하는 기술을 제공한다. 본 발명의 연료전지 시스템(1)은, 연료전지(2)와, 연료전지(2)에 연료가스를 공급하는 연료가스 공급유로(40)와, 연료전지에 산화가스를 공급하는 산화가스 공급유로(50)와, 연료가스 공급유로(40)에 설치된 2차 레귤레이터(12)와, 2차 레귤레이터(12)의 상류측 유로와 하류측 유로를 연결하는 바이패스 유로(42)와, 바이패스 유로(42)에 설치되어 있고, 상류측의 압력과 하류측의 압력과의 차가 사전설정된 값 이하일 때에 폐쇄되는 한편으로 사전설정된 값을 넘으면 개방되는 압력 조정 밸브(10)를 구비하고 있다.

Description

연료전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}
본 출원은, 2006년 8월 1일에 출원된 일본국 특허출원 제2006-209784호에 의거하는 우선권을 주장한다. 그 출원의 모든 내용은 이 명세서 중에 참조에 의하여 원용되어 있다.
본 발명은, 연료전지와, 연료전지에 연료가스를 공급하는 연료가스 공급유로와, 연료전지에 산화가스를 공급하는 산화가스 공급유로를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것이다. 특히, 가스 공급유로에 설치되어 있는 레귤레이터에 과대한 압력이 작용하는 것을 억제 가능한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지와, 연료전지에 전기화학 반응을 일으키게 하기 위한 연료가스나 산화가스 등의 유체를 연료전지에 공급하는 가스 공급유로를 구비한 연료전지 시스템이 개발되어 있다.
예를 들면, 고체고분자형 연료전지(PEFC)를 사용한 연료전지 시스템의 경우, 공기극과 연료극의 차압이 커지면, 연료전지의 전해질막의 열화나 연료전지의 수명 저하 등의 단점이 생기는 경우가 있다. 그래서, 공기극측에 공급되는 산소가스의 유량과, 연료극측에 공급되는 수소가스의 유량을 제어하여, 연료전지의 공기극측의 압력과 연료극측의 압력이 안정되도록 압력 제어를 행하는 기술이 개발되어 있다.
일본국 특개2002-246045호 공보에 기재된 연료전지 시스템에서는, 수소가스 봄베의 가스 출구에 1차 레귤레이터가 설치되어 있다. 1차 레귤레이터에서 연료전지로 수소가스를 안내하는 수소가스 공급유로에는, 연료전지의 운전상태에 따라 제어되는 2차 레귤레이터가 설치되어 있다. 또, 2차 레귤레이터의 상류측 유로와 하류측 유로는 바이패스 유로에 의하여 접속되고, 이 바이패스 유로에는 개폐 밸브가 설치되어 있다. 2차 레귤레이터 및 개폐 밸브는 제어부에 의하여 제어된다.
이 연료전지 시스템에서는, 수소가스 봄베 내의 수소가스는, 1차 레귤레이터에 의하여 사전설정된 압력으로 조압된다. 1차 레귤레이터에 의하여 조압된 수소가스는, 2차 레귤레이터에 의하여 더욱 조압된다. 2차 레귤레이터는, 연료전지의 운전상태에 따라 제어되고, 연료전지에 공급되는 수소가스의 압력을 조정한다. 이것에 의하여, 연료전지의 공기극측의 압력과 연료극측의 압력의 차압이 안정되고, 연료전지의 열화나 수명의 저하 등을 방지할 수 있다.
상기한 연료전지 시스템에서는, 수소가스 공급유로에 설치된 2차 레귤레이터에 과대한 압력이 작용하여, 2차 레귤레이터의 오동작이 일어날 수 있다. 예를 들면, 수소가스 봄베의 가스 출구가 기밀하게 폐쇄되고, 또한 2차 레귤레이터에서 미소한 수소가스의 누설이 있었던 경우, 2차 레귤레이터 상류의 수소가스 공급유로 내의 수소가스의 압력은 대략 대기압까지 강하한다. 그 상태에서 시스템의 기동 등에 의하여 수소가스 봄베에서 고압가스가 한꺼번에 수소가스 공급유로 내로 유출되면, 2차 레귤레이터 상류의 가스압이 급격하게 상승하여, 2차 레귤레이터 상류의 가스압에 일시적인 압력 피크가 생긴다. 이것에 의하여, 2차 레귤레이터에 과대한 압력이 작용하고, 그 압력에 반응하여 2차 레귤레이터가 밸브를 잘못 개방하는 등의 오동작을 일으키는 경우가 있다. 또, 2차 레귤레이터의 상류측에 설치되어 있는 각 부(예를 들면, 1차 레귤레이터 등)가 고장난 경우에도 마찬가지로, 수소가스 봄베에서 한꺼번에 방출되는 고압가스에 의하여 2차 레귤레이터의 상류측에 압력 피크가 발생하여, 2차 레귤레이터의 동작 불량을 발생시키는 경우가 있다.
상기의 연료전지 시스템에서는, 2차 레귤레이터의 상류측과 하류측을 접속하는 바이패스 유로가 설치되어 있고, 이 바이패스 유로에는 개폐 밸브가 설치되어 있다. 그러나, 이 개폐 밸브는 퍼지동작시에 밸브 개방하는 것이고, 2차 레귤레이터 상류의 가스압이 과대하게 상승하였을 때에 밸브 개방하는 것은 아니다. 이 때문에, 2차 레귤레이터 상류의 가스압의 과대한 상승을 억제할 수는 없어, 2차 레귤레이터의 오동작을 방지할 수는 없다.
본 발명은, 연료전지에 가스를 공급하는 가스 공급유로에 레귤레이터를 설치한 연료전지 시스템에서, 레귤레이터 상류측의 과대한 압력 상승을 억제하여, 레귤레이터의 오동작을 방지하는 기술을 제공한다.
본 발명의 연료전지 시스템은, 연료전지와, 연료전지에 접속되는 연료가스 공급유로와, 연료전지에 접속되는 산화가스 공급유로와, 연료가스 공급유로와 산화가스 공급유로의 적어도 한쪽에 설치된 레귤레이터와, 레귤레이터의 상류측 유로와 하류측 유로를 연결하는 바이패스 유로와, 바이패스 유로에 설치되어 있는 압력 조정 밸브를 구비하고 있다. 연료가스 공급유로는, 연료전지에 연료가스를 공급한다. 산화가스 공급유로는, 연료전지에 산화가스를 공급한다. 연료전지는, 공급된 연료가스와 산화가스를 이용하여 화학반응을 일으켜, 전기를 생성한다. 레귤레이터는, 자신이 설치되어 있는 유로의 하류측의 가스압을 제어한다. 바이패스 유로의 상류측은 레귤레이터의 상류측 유로와 연통하고 있고, 바이패스 유로의 하류측은 레귤레이터의 하류측 유로와 연통하고 있다. 압력 조정 밸브는, 바이패스 유로의 상류측의 압력과 하류측의 압력과의 차이가 사전설정된 값(所定値) 이하인 때에 폐쇄되는 한편으로, 사전설정된 값을 넘으면 개방된다.
상기 시스템에 의하면, 가스 공급유로에 설치된 레귤레이터의 상류에 과도하게 높은 가스압이 인가되었을 때에, 레귤레이터의 상류와 하류를 연결하는 바이패스 유로에 설치된 압력 조정 밸브가 개방된다. 이것에 의하여, 레귤레이터 상류의 가스가 바이패스 유로를 통하여 레귤레이터의 하류로 흐를 수 있다. 이 때문에, 레귤레이터 상류의 가스압이 감압되어, 레귤레이터의 오동작이 방지된다.
또한, 상기의 압력 조정 밸브는, 시일부를 가지는 밸브와, 시일부와 가스 통과구를 가지는 밸브 시트와, 밸브를 밸브 시트측으로 가세(加勢)하는 탄성체를 구비하고 있고, 밸브의 시일부와 밸브 시트의 시일부가 맞닿으면 밸브 시트의 가스 통과구가 밀봉되고, 밸브의 시일부가 밸브 시트의 시일부로부터 떨어지면 밸브 시트의 가스 통과구가 개방되는 것이 바람직하다.
상기의 압력 조정 밸브에서는, 연료전지 시스템이 정상으로 운전되고 있을 때는, 바이패스 유로의 상류측의 가스 압력과 하류측의 가스 압력과의 차이가 사전설정된 값 이하로 유지되고, 밸브의 시일부가 밸브 시트의 시일부에 맞닿아 가스 통과구를 폐쇄한다. 한편, 시스템의 동작 개시시나 시스템의 고장시 등에 있어서 바이패스 유로의 상류측의 가스 압력과 하류측의 가스 압력과의 차이가 사전설정된 값을 넘으면, 상류측의 가스 압력에 의하여 밸브의 시일부가 밸브 시트의 시일부로부터 떨어져 가스 통과구가 개방된다. 상류측의 압력이 사전설정된 값 이하로 되돌아가면 탄성체의 가세력에 의하여 밸브가 되돌려지고, 가스 통과구는 다시 밀봉된다.
상기의 구성에 의하면, 압력 조정 밸브의 밸브를 제어부에 의하여 개폐 구동하는 구성이 아니라, 바이패스 유로의 상류측과 하류측의 압력 차이에 의하여 기계적으로 개폐하는 구성을 채용하기 때문에, 레귤레이터의 상류측의 압력이 과도하게 상승하였을 때에 즉시 압력 조정 밸브의 밸브를 개방할 수 있다. 또, 압력 조정 밸브가 개방되는 타이밍은 탄성체의 탄성률로 결정되기 때문에, 탄성체의 탄성률을 조정함으로써, 레귤레이터에 작용하는 압력의 상한값을 조정할 수 있다. 따라서, 레귤레이터에 과대한 부하가 작용하는 것을 방지할 수 있고, 레귤레이터의 내구성을 확보할 수 있다.
또한, 상기의 밸브 시트에는, 밸브 시트의 시일부보다 상류측에서 밸브를 슬라이드 가능하게 안내하는 밸브 가이드부가 설치되어 있는 것이 바람직하다.
연료전지 시스템에서는, 레귤레이터의 상류측의 연료가스 공급유로 내는 연료가스만이 흐르는 데 대하여, 레귤레이터의 하류측의 연료가스 공급유로 내는 연료가스뿐 아니라 연료전지로 생성한 가스도 흐른다. 따라서, 밸브를 안내하는 밸브 가이드부를 밸브 시트의 시일부보다 상류측에 설치함으로써, 밸브 가이드부를 연료가스만이 흐르는 유로 내에 배치할 수 있다. 이것에 의하여, 밸브의 개폐 동작의 확실성이 담보되어, 압력 조정 밸브의 동작 불량을 방지할 수 있다.
예를 들면, 고체고분자형 연료전지를 사용한 연료전지 시스템에서는, 수소 이온과 물이 연료전지의 전해질막을 투과하기 위하여 가습상태에서 동작한다. 이 때문에, 연료가스 공급유로에 설치되어 있는 레귤레이터의 상류측은 수소가스로 채워져 있어 드라이한 데 대하여, 하류측은 포화 수증기로 채워져 있어 습윤하다. 마찬가지로, 압력 조정 밸브의 상류측은 드라이하게 되고, 압력 조정 밸브의 하류측은 습윤하게 된다. 이 때문에, 시스템 정지 후에 하류측의 수증기에 의한 결로(結露)가 발생하면, 압력 조정 밸브의 하류측에서 압력 조정 밸브 내로 결로수가 침입하는 경우가 있다. 밸브를 안내하는 밸브 가이드부가 상기의 시일부보다 하류측에 있는 경우, 침입한 결로수가 밸브 가이드부에서 동결하여, 압력 조정 밸브의 밸브가 록(lock)될 가능성이 있다. 또, 하류측에서 이물이 침입하여 밸브의 동작 불량을 발생시키는 경우도 있다.
고체고분자형 연료전지를 사용한 연료전지 시스템에 상기의 본 발명의 구성을 채용하면, 밸브 시트의 시일부의 상류측에 있는 밸브 가이드부는 수소가스(드라이 가스)로 채워져 있어, 드라이하고 또한 클린하다. 이 때문에, 결로수의 동결이나 이물의 침입 등에 의하여 압력 조정 밸브가 동작 불량을 발생시키는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 연료전지 시스템의 압력 조정 밸브의 가스 입구에는, 압력 조정 밸브 내로의 가스의 유입 속도를 억제하는 유량 조절부가 설치되어 있는 것이 바람직하다.
상기의 구성에 의하면, 압력 조정 밸브 상류의 압력이 과도하게 상승한 경우에도, 압력 조정 밸브의 가스 입구에 설치된 유량 조절부에 의하여, 압력 조정 밸브 내에 가스가 과도하게 흐르는 것이 억제되고, 밸브에 작용하는 가스의 압력이 과도하게 상승하는 것이 억제된다. 이것에 의하여, 압력 조정 밸브의 상류측의 압력이 과대하게 상승하는 경우에도, 압력 조정 밸브의 밸브의 동작성을 확보할 수 있다.
또한, 유량 조절부는, 스로틀 부재와 필터 부재의 적어도 한쪽을 구비하고 있는 것이 바람직하다.
예를 들면, 유량 조절부를 스로틀 부재 및 필터 부재에 의하여 구성한 경우, 스로틀 부재를 압력 조정 밸브의 가스 입구에 배치하고, 그 스로틀 부재의 하류에 필터 부재를 설치할 수 있다. 이 경우, 필터 부재의 하류에 밸브 시트를 배치하면, 압력 조정 밸브의 가스 입구에서 압력 조정 밸브 내로 흐르는 가스는, 스로틀 부재의 제트구멍에서 감속되고, 또한, 필터 부재에 의하여 감속된다. 이 때문에, 압력 조정 밸브의 밸브에 과대한 압력이 작용하는 것을 억제할 수 있다. 이것에 의하여, 압력 조정 밸브의 동작성을 확보할 수 있다. 스로틀 부재 또는 필터 부재 중 어느 하나만을 사용한 경우이어도, 압력 조정 밸브의 가스 입구에서 압력 조정 밸브 내로 흐르는 가스를 양호하게 감속할 수 있음은 물론이다.
아울러, 본 발명의 연료전지 시스템의 압력 조정 밸브의 가스 출구에는, 방수성을 가지는 시트 부재가 설치되어 있는 것이 바람직하다.
상기의 구성에 의하면, 가령 압력 조정 밸브의 하류측의 가스에 수증기가 포함되어 있어도, 그 수증기에서 발생하는 결로수가 압력 조정 밸브 내로 침입하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 시트 부재는 방수성을 갖는 부재이면 되고, 예를 들면 미세한 통기구를 가지는 필터이어도 된다.
도 1은 연료전지 시스템의 개략 구성을 나타내는 도,
도 2는 압력 조정 밸브의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
가장 먼저, 이하에 설명하는 실시예의 주요한 특징을 열거하여 기재한다.
(형태 1) 연료가스는 수소가스이고, 산화가스는 공기이다.
(형태 2) 연료가스의 저장탱크는, 초고압 상태로 수소를 저장할 수 있다.
(형태 3) 연료가스의 저장탱크의 가스 출구에는, 파일럿 밸브가 설치되어 있다. 1차 레귤레이터는, 파일럿 밸브에 인접하여 설치되어 있다. 1차 레귤레이터에서 연료전지까지 신장되는 수소가스 공급유로에는 2차 레귤레이터가 설치되어 있다.
(형태 4) 제어장치는, 파일럿 밸브의 개폐를 제어한다. 제어장치에는, 자동차의 이그니션 스위치가 접속되어 있다.
(형태 5) 제어장치는, 연료 전지의 부하나 가스 소비량, 연료전지에 공급되는 수소가스의 압력을 검지하고, 이들에 의거하여 2차 레귤레이터를 제어하고 있다.
(형태 6) 연료전지 시스템에는, 고체고분자형 연료전지가 이용되고 있다. 연료전지 시스템은, 연료전지로 발전한 전력을 이용하여 구동(주행)하는 연료전지 자동차에 탑재되어 있다.
(실시예)
본 발명의 실시예에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.
도 1은 본 실시예의 연료전지 시스템(1)의 개략 구성을 나타내고 있다. 연료전지 시스템(1)은, 자동차(60)에 탑재되어 있다. 연료전지 시스템(1)은, 연료전지(2)와, 산소가스 공급유로(50)와, 저장탱크(4)와, 파일럿 밸브(6)와, 1차 레귤레이터(7)와, 수소가스 공급유로(40)와, 2차 레귤레이터(12)와, 바이패스 유로(42)와, 압력 조정 밸브(10)와, 기액 분리기(14)와, 수소 순환 유로(70)와, 펌프(8)와, 배수 유로(80)와, 배수 밸브(16)와, 제어장치(64)를 구비하고 있다.
저장탱크(4)는 초고압 상태로 수소를 저장할 수 있다. 저장탱크(4)의 가스 출구에는 파일럿 밸브(6)가 설치되어 있다. 파일럿 밸브(6)가 개방되면 저장탱크(4)로부터 수소가스 공급유로(40)로 수소가스가 흐르고, 파일럿 밸브(6)가 폐쇄되면 저장탱크(4)로부터 수소가스 공급유로(40)로의 수소가스의 유출이 차단된다. 파일럿 밸브(6)의 개폐는, 제어장치(64)에 의하여 제어되어 있다. 저장탱크(4)의 가스 출구와 파일럿 밸브(6) 사이에는, 가스 배관이 존재하지 않는다.
파일럿 밸브(6)의 하류에는 1차 레귤레이터(7)가 설치되어 있다. 1차 레귤레이터(7)는, 저장탱크(4)로부터의 수소가스의 압력을 소정의 압력으로 감압한다. 파일럿 밸브(6)와 1차 레귤레이터(7)는 인접하여 설치되어 있고, 양자의 사이에는 가 스 배관이 존재하지 않는다.
1차 레귤레이터(7)의 하류에는, 수소가스 공급유로(40a)가 접속되어 있다. 수소가스 공급유로(40a)의 하류에는, 2차 레귤레이터(12)의 상류측이 접속되어 있다. 2차 레귤레이터(12)는, 1차 레귤레이터(7)에서 감압된 수소가스를 더욱 감압한다. 제어장치(64)는, 연료전지(2)의 부하나 가스 소비량, 연료전지(2)에 공급되는 수소가스의 압력을 검지하고, 이들에 의거하여 2차 레귤레이터(12)를 제어한다. 2차 레귤레이터(12)의 하류측은 수소가스 공급유로(40b)에 접속되어 있고, 수소가스 공급유로(40b)의 하류측은 연료전지(2)에 접속되어 있다. 2차 레귤레이터(12)에 의하여 감압된 수소가스는, 수소가스 공급유로(40b)를 통하여 연료전지(2)의 수소극측에 공급된다.
상류측 유로(40a)와 하류측 유로(40b)는, 바이패스 유로(42)에 의하여 접속되어 있다. 바이패스 유로(42)에는 압력 조정 밸브(10)가 설치되어 있다. 압력 조정 밸브(10)는, 바이패스 유로(42)의 상류측 유로(42a)의 가스 압력과 하류측 유로(42b)의 가스 압력과의 차이가 소정값 이하일 때에 폐쇄되고, 소정값을 넘으면 개방되도록 구성되어 있다.
수소가스 공급유로(40b)에는 수소 순환 유로(70)가 접속되어 있다. 연료전지(2)에서 사용되지 않은 잉여 수소는 물과 수증기와 함께 배출되어, 기액 분리기(14)에 의하여 배수와 수소 농후 가스로 분리된다. 수소 농후 가스는 수소 순환 유로(70)로 도출되고, 펌프(8)에 의하여 수소가스 공급유로(40b)로 되돌아가, 연료전지(2)의 수소극에 다시 공급된다. 기액 분리기(14)에 의하여 분리된 배수는, 배 수 밸브(16)로부터 배출된다.
연료전지(2)는, 연료전지 셀을 복수매 겹친 스택으로 구성되어 있다. 연료전지 셀은, 촉매층과 가스 확산층을 가지는 애노드와, 촉매층과 가스 확산층을 가지는 캐소드와, 애노드와 캐소드와의 사이에 배치된 전해질막(예를 들면, 불소 수지계 이온 교환막 등)에 의하여 구성되어 있다. 연료전지(2)는, 수소극측에 수소가스 공급유로(40)로부터 수소가스가 공급되고, 공기극측에 산화가스 공급유로(50)로부터 산화가스(본 실시예의 경우, 압축된 공기)가 공급된다. 수소극측에 공급된 수소가스로부터 얻어지는 프로톤과 전자가, 공기극측에 공급된 산화가스로부터 얻어지는 산소와 반응하여 물을 생성한다. 이 화학반응에 의하여 흐르는 전류로부터 생성된 전기는, 연료전지 시스템(1)을 탑재하는 자동차(60)의 구동 전원으로서 이용된다. 고체고분자 전해질막을 이용한 연료전지(2)는 습윤상태에서 동작하기 때문에, 수소가스 공급유로(40)의 1차측의 공급 유로(40a)는 수소가스로 채워져 있어 드라이한 데 대하여, 수소가스 공급유로(40)의 2차측 공급 유로(40b)는 포화 수증기로 채워져 있어 습윤하다.
도 2는 압력 조정 밸브(10)의 개략 구성을 나타내고 있다. 압력 조정 밸브(10)는, 밸브(20)와, 가스 통과구(26)를 가지는 밸브 시트(22)와, 밸브(20)를 밸브 시트(22)측으로 가세하는 탄성체(본 실시예의 경우, 스프링)(24)를 구비하고 있다.
밸브(20)는, 압력 조정 밸브(10)의 축방향으로 이동 가능하게 되어 있고, 밸브 시트(22)에 맞닿는 상태와 밸브 시트(22)로부터 이간하는 상태로 전환 가능하게 되어 있다. 밸브(20)의 선단(상류측)에는 슬라이드부(20a)가 설치되고, 슬라이드부(20a)의 하류측에는 시일부(20b)가 설치되어 있다. 슬라이드부(20a)는, 밸브 시트(22)의 가스 통과구(26) 내에 위치하고, 가스 통과구(26)의 안둘레면으로 안내된다. 따라서, 밸브(20)가 압력 조정 밸브(10)의 축방향으로 이동할 때는, 슬라이드부(20a)가 밸브 시트(22)의 가스 통과구(26)의 안둘레면으로 안내된다. 이것에 의하여, 밸브(20)는, 안정된 상태에서 압력 조정 밸브(10)의 축방향으로 이동할 수 있게 되어 있다[즉, 본 실시예에서는, 밸브 시트(22)의 가스 통과구(26)의 안둘레면이 밸브 가이드부로서 기능하고 있다].
밸브 시트(22)는, 가스 통과구(26)의 하류측에 연달아 설치된 시일부(23)를 가지고 있다. 밸브(20)가 밸브 시트(22)에 맞닿는 상태에서는, 밸브(20)의 시일부(20b)가 밸브 시트(22)의 시일부(23)에 맞닿아, 밸브 시트(22)의 가스 통과구(26)가 폐쇄된다. 밸브(20)가 밸브 시트(22)에서 떨어진 상태에서는, 밸브(20)의 시일부(20b)가 밸브 시트(22)의 시일부(23)에서 떨어져, 밸브 시트(22)의 가스 통과구(26)가 개방된다. 가스 통과구(26)가 개방되면, 압력 조정 밸브(10)의 가스 입구와 가스 출구가 연통한다. 압력 조정 밸브(10)의 가스 입구에는 바이패스 유로(42a)의 한쪽 끝이 접속되고, 바이패스 유로(42a)의 다른쪽 끝은 상류측 유로(40a)에 접속되어 있다. 압력 조정 밸브(10)의 가스 출구에는 바이패스 유로(42b)의 한쪽 끝이 접속되고, 바이패스 유로(42b)의 다른쪽 끝은 하류측 유로(40b)에 접속되어 있다.
탄성체(24)는, 밸브(20)의 시일부(20b)의 하류측에 배치되어 있다. 탄성 체(24)는, 밸브(20)가 밸브 시트(22)에 맞닿는 상태에서 압축 상태로 되어 있다. 이것에 의하여, 밸브(20)는 밸브 시트(22)측으로 가세되어 있다. 밸브(20)의 상류측에는 상류측의 바이패스 유로(42a) 내의 수소가스의 압력이 작용하고, 밸브(20)의 하류측에는 하류측의 바이패스 유로(42b) 내의 수소가스의 압력이 작용한다. 따라서, 밸브(20)의 상류측의 수소가스의 압력이 하류측의 수소가스의 압력보다 높아지고, 상류측과 하류측의 수소가스의 압력 차이가 소정값을 넘으면, 밸브(20)는 탄성체(24)의 가세력에 저항하여 밸브 시트(22)로부터 떨어진다.
또한, 밸브(20)가 밸브 시트(22)로부터 떨어질 때의 밸브(20)의 상류측과 하류측의 압력 차이는, 밸브(20)와 밸브 시트(22)가 맞닿을 때(즉, 밸브 폐쇄시)의 탄성체(24)의 압축량에 의하여 조정할 수 있고, 2차 레귤레이터(12)의 동작 가능 압력에 따라 적절하게 결정할 수 있다. 밸브 개방 압력은, 2차 레귤레이터(12)의 동작 가능 압력보다 밑에서 설정할 수 있다. 이것에 의하여, 1차측의 바이패스 유로(42a)와 2차측의 바이패스 유로(42b)의 차압이 설정한 밸브 개방 압력 이상이 되면, 밸브(20)가 밸브 시트로부터 떨어져, 2차 레귤레이터(12)에 과대한 압력이 작용하는 것을 방지할 수 있다.
상기 압력 조정 밸브(10)의 가스 입구에는 유량 조절부(30)가 설치되어 있다. 유량 조절부(30)는, 스로틀 부재(30a)와, 필터 부재(30b)에 의하여 구성되어 있다. 스로틀 부재(30a)는 제트구멍(30c)을 가지고 있고, 이 제트구멍(30c)에 의하여 바이패스 유로(42a)에서 압력 조정 밸브(10) 내로의 수소가스의 유입을 억제하여, 압력 조정 밸브(10) 내로의 수소가스의 유입 속도를 저감시킨다. 또, 필터 부 재(30)는, 스로틀 부재(30a)를 통과한 수소가스로부터 이물 등을 제거하고, 또, 유로 저항으로서 기능한다. 따라서, 스로틀 부재(30a)를 통과한 수소가스는, 필터 부재(30)에 의하여 더욱 유속이 저감된다. 이것에 의하여, 압력 조정 밸브(10)의 밸브에 과대한 압력이 작용하는 것을 완화할 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 스로틀 부재(30a)와 필터 부재(30b)를 연달아 접속하여 배치하고 있으나, 어느 한쪽의 부재만을 배치하여도, 과도한 가압의 완화 작용을 얻을 수 있다. 바이패스 유로(42a)로부터의 가스압이 밸브(20)에 직접적으로 작용하지 않기 때문에, 밸브(20)의 밸브 오개방을 방지할 수 있다.
한편, 압력 조정 밸브(10)의 가스 출구에는, 통기성과 방수성을 겸비한 시트 부재(28)가 설치되어 있다. 시트 부재(28)가 방수성을 가짐으로써, 습윤한 상태에 있는 하류측(2차측)의 바이패스 유로(42b)로부터의 결로수나 이물의 압력 조정 밸브(10)로의 침입을 방지할 수 있다. 그 한편으로, 시트 부재(28)가 통기성을 가지기 때문에, 2차 레귤레이터(12)의 상류측의 수소가스가 바이패스 유로(42)를 통하여 2차 레귤레이터(12)의 하류측으로 흐를 수 있다.
또한, 상기한 밸브(20), 밸브 시트(22), 탄성체(24), 시트 부재(28) 및 유량 조절부(30)는, 도시 생략한 바디에 수용되어 있다.
이하에, 본 실시예의 연료전지 시스템(1)의 운전 동작 개요를 설명한다. 자동차(60)의 이그니션 스위치(62)가 온되면 연료전지 시스템(1)은 기동하고, 제어장치(64)가 파일럿 밸브(6)를 개방하여 저장탱크(4)에서 수소가스 공급유로(40a)로의 수소가스의 방출을 개시한다. 파일럿 밸브(6)에서 유출된 수소가스는, 1차 레귤레 이터(7)에 의하여 감압된다. 1차 레귤레이터(7)에서 수소가스 공급유로(40a)로 유출한 수소가스는, 2차 레귤레이터(12)로 유입된다. 2차 레귤레이터(12)는, 수소가스 공급유로(40a)에서 유입된 수소가스를 연료전지(2)에 공급하는 최적의 압력이 되도록 조정한다. 즉, 제어장치(64)는, 연료전지의 부하상태와 수소 순환 유로(70)에서의 수소가스의 순환량 등에 의거하여 연료전지(12)에 공급하는 수소가스의 압력을 결정하고, 결정한 압력이 되도록 2차 레귤레이터를 구동한다. 2차 레귤레이터(12)는, 수소가스의 압력을 연료전지(2)에 대한 적절한 가스 압력이 되도록 조압한다. 이것에 의하여, 연료전지(2)에는 적절한 압력의 수소가스와 산화가스가 공급되어, 연료전지(2)의 전해질막의 열화나 수명 저하 등을 방지할 수 있다.
자동차(60)의 이그니션 스위치(62)가 오프되면, 연료전지 시스템(1)도 정지한다. 제어장치(64)에 의하여 파일럿 밸브(6)는 폐쇄되고, 2차 레귤레이터(12)도 폐쇄된다. 이것에 의하여, 연료전지(2)에 대한 수소가스의 공급이 정지된다.
예를 들면, 저장탱크(4)의 기밀성이 좋고, 또한 연료전지 시스템(1)의 정지시에 2차 레귤레이터(12)에서 미소 누설이 있었던 경우, 2차 레귤레이터(12) 상류의 배관 내 압력은 거의 대기압까지 강하한다. 그 상태에서 이그니션 스위치(62)를 온하여 시스템(1)을 기동시키면, 저장탱크(4)에서의 고압의 수소가스가 한꺼번에 수소가스 공급유로(40) 내로 흐르고, 2차 레귤레이터(12) 상류의 수소가스의 가스압이 급속하게 상승한다. 2차 레귤레이터(12) 상류의 수소가스의 압력에 일시적인 피크가 생기면, 2차 레귤레이터(12)의 상류와 하류의 차압이 소정값을 넘기 때문에, 압력 조정 밸브(10)가 밸브 개방한다. 이것에 의하여, 2차 레귤레이터(12)의 상류측의 수소가스의 압력이 저하하여, 2차 레귤레이터(12)의 오동작이나 파괴 등을 방지할 수 있다. 또, 파일럿 밸브(6)나 1차 레귤레이터(7) 등의 고장 등의 이유에 의하여, 저장탱크(4)에서 수소가스 공급유로(40)로의 수소가스의 누설시에도, 2차 레귤레이터 상류의 수소가스의 압력이 과도하게 상승하는 경우가 있다. 이러한 경우도, 압력 조정 밸브(10)가 밸브 개방하여, 2차 레귤레이터(12)에 작용하는 수소가스의 압력을 저감시키기 때문에, 2차 레귤레이터(12)의 오동작이나 파괴 등을 방지할 수 있다.
또한, 본 실시예의 압력 조정 밸브(10)는, 밸브(20)의 슬라이드부(20a)를 밸브 시트(22)의 가스 통과구(26)의 안둘레면에 의하여 안내한다. 이 때문에, 밸브(20)의 슬라이드부(20a)는, 수소가스(드라이 가스)가 흐르는 유로 내에 배치되기 때문에, 밸브(20)의 안정적인 동작을 확보할 수 있다.
또, 압력 조정 밸브(10)의 가스 출구(하류측의 출구)에는, 방수성을 가지는 시트 부재(28)가 배치되어 있고, 하류측의 수소가스 공급유로(40b)에서 압력 조정 밸브(10) 내로의 결로수의 침입을 방지할 수 있다. 이것에 의해서도, 압력 조정 밸브(10) 내에서의 결로수의 동결 등이 방지되어, 밸브(20)의 안정적인 동작을 확보할 수 있다.
이상, 본 발명의 구체예를 상세하게 설명하였으나, 이들은 예시에 지나지 않고, 특허청구의 범위를 한정하는 것은 아니다. 특허청구의 범위에 기재된 기술에는, 이상에 예시한 구체예를 여러가지로 변형, 변경한 것이 포함된다.
본 명세서 또는 도면에 설명한 기술 요소는, 단독으로 또는 각종 조합에 의 하여 기술적 유용성을 발휘하는 것으로, 출원시의 청구항에 기재된 조합에 한정되는 것은 아니다. 또, 본 명세서 또는 도면에 예시한 기술은 복수 목적을 동시에 달성하는 것으로, 그 중 하나의 목적을 달성하는 것 자체로 기술적 유용성을 가지는 것이다.

Claims (6)

  1. 연료전지와,
    연료전지에 접속되어, 연료전지에 연료가스를 공급하는 연료가스 공급유로와,
    연료전지에 접속되어, 연료전지에 산화가스를 공급하는 산화가스 공급유로와,
    연료가스 공급유로와 산화가스 공급유로의 적어도 한쪽에 설치된 레귤레이터와,
    레귤레이터의 상류측 유로와 하류측 유로를 연결하는 바이패스 유로와,
    바이패스 유로에 설치되어 있고, 상류측의 압력과 하류측의 압력의 차이가 사전설정된 값(所定値) 이하인 때에 폐쇄되는 한편으로 사전설정된 값을 넘으면 개방되는 압력 조정 밸브를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 압력 조정 밸브는,
    시일부를 가지는 밸브와,
    시일부와 가스 통과구를 가지는 밸브 시트와,
    밸브를 밸브 시트측으로 가세하는 탄성체를 구비하고 있고,
    밸브의 시일부와 밸브 시트의 시일부가 맞닿으면 밸브 시트의 가스 통과구가 밀봉되고, 밸브의 시일부가 밸브 시트의 시일부로부터 떨어지면 밸브 시트의 가스 통과구가 개방되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 밸브 시트에는, 밸브 시트의 시일부보다 상류측에서 밸브를 슬라이드 가능하게 안내하는 밸브 가이드부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 조정 밸브의 가스 입구에는, 압력 조정 밸브 내로의 가스의 유입을 억제하는 유량 조절부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 유량 조절부는, 스로틀 부재와 필터 부재의 적어도 한쪽을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 조정 밸브의 가스 출구에는, 방수성을 가지는 시트 부재가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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