開放型燃料電池システム
本発明は開放型燃料電池システムに関する。本発明の実施形態による開放型燃料電池システムは、水素と空気中の酸素を反応させて電気を発生させる主燃料電池と、前記主燃料電池に水素と空気を供給する供給手段と、前記主燃料電池から排出された水素を主燃料電池に再循環させる再循環手段と、前記主燃料電池を構成する複数のセル（cell）の電圧を検知する検知手段と、前記主燃料電池の一側と選択的に連通して主燃料電池内部の水分及び不純物を除去する再生手段と、前記主燃料電池から排出された空気中の水分を前記主燃料電池に供給する加湿手段と、前記供給手段、前記再循環手段、前記検知手段、前記再生手段、及び前記加湿手段の動作を制御する制御手段とから構成され、前記再生手段は、前記主燃料電池を経由した水素の流動方向を案内する再生用管と、前記再生用管を選択的に遮蔽する再生用バルブと、前記再生用管から提供された水素を内部で空気と反応させて水を生成する犠牲燃料電池と、前記犠牲燃料電池内部に空気流入を案内する空気流入管と、前記犠牲燃料電池で発生した水を集水する集水部とから構成される。このような本発明によれば、水素排出による爆発の危険性が解消され、水分及び不純物が除去されるので、主燃料電池の発電効率及び耐久性が向上する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は開放型燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料（ＬＮＧ、ＬＰＧ、水素、メタノールなど）と酸素の反応により電気を発生させ、同時に副産物として水と熱を発生させるシステムであり、発電効率が高く、環境有害要素を含まない発電装置である。
【０００３】
また、用いられる電解質の種類によって、ポリマー電解質膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）などがある。
【０００４】
このような燃料電池の種類のうち、ＰＥＭＦＣ、ＰＡＦＣ、ＤＭＦＣは、作動温度がそれぞれ８０〜１２０℃、１９０〜２００℃、２５〜９０℃程度と低く、自動車などの輸送用、家庭用及び携帯用の電力源として活用可能性が高い。
【０００５】
よって、これら燃料電池の商用化の早期実現及び拡大のために、燃料電池システム全体の小型化、軽量化、低価格化などに研究の関心が集まっている。
【０００６】
しかし、燃料電池内部では、高電流領域の運転環境において反応物の生成が過剰となり、過量の水分である水滴により触媒層へのガスの供給及び高分子膜へのプロトンの拡散が抑制されるので、燃料電池の性能低下が生じる。
【０００７】
さらに深刻なことに、燃料電池内に存在する単位セル（cell）毎に水分布が均質でないことによる一部のセルの性能低下により、正常な運転が難しくなるという問題が発生する。
【０００８】
このように、燃料電池で発生する過量の水分、すなわちフラッディング（flooding）は、反応効率の低下はもちろん、燃料電池の安定した運転を妨げる重要な因子であるので、前記過量の水分を燃料電池外に排出することが必須である。
【０００９】
よって、韓国登録特許第０５０９８１８号には「燃料電池システムにおいて内部パージを行うための方法及び装置」が開示されている。
【００１０】
このような従来技術を簡単に説明すると、複数のセルの電圧を検知し、フラッディングの発生時にパージバルブと再循環ポンプを制御し、圧力差を用いてスタック内部の水分及びガス混合物をスタック外部に放出（purge）し、水分と分離されたガスをスタックに再供給できるように構成されている。
【００１１】
しかし、このような従来技術には次のような問題がある。
【００１２】
すなわち、燃料電池に供給される燃料の純度は１００％になり得ないので、水分と分離されたガスが燃料電池に再供給されても、結局は燃料電池内部に不純物が蓄積されて発電効率が低下する。
【００１３】
また、燃料電池内部で分離板及び電極を構成している炭素や燃料電池を構成する周辺装置の金属イオン及び粒子などの不純物が蓄積されると、燃料電池の耐久性に徐々に影響を与えるのはもちろんであり、セル内部の漏洩電流を発生させ、燃料電池の寿命短縮や破損の原因となり、莫大な修理費が発生するので、好ましくない。
【００１４】
また、従来技術を用いて燃料電池内部のガスを再循環させて燃料電池に発生した水分を内部から除去しても、閉回路を構成しているので、結局は燃料電池に供給されるガスにより、再び燃料電池内部に不純物が流入するので、燃料電池の性能及び耐久性を低下させることとなる。
【００１５】
一方、内部パージを行わない一般の開放型燃料電池システムにおいては、燃料電池から未反応のまま大気に排出された水素の爆発の危険性があるので、密閉された空間での長期間の稼動に注意を要する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】韓国登録特許第０５０９８１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上記問題を解決するための本発明は、主燃料電池から排出された水素を主燃料電池に再循環させる再循環手段と、主燃料電池の運転中に発生する水分と不純物を除去する再生手段とが備えられる開放型燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１８】
また、本発明は、主燃料電池に供給された水素が大気に排出されないように構成された開放型燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の実施形態による開放型燃料電池システムは、水素と空気中の酸素を反応させて電気を発生させる主燃料電池と、前記主燃料電池に水素と空気を供給する供給手段と、前記主燃料電池から排出された水素を主燃料電池に再循環させる再循環手段と、前記主燃料電池を構成する複数のセル（cell）の電圧を検知する検知手段と、前記主燃料電池の一側と選択的に連通して主燃料電池内部の水分及び不純物を除去する再生手段と、前記主燃料電池から排出された空気中の水分を前記主燃料電池に供給する加湿手段と、前記供給手段、前記再循環手段、前記検知手段、前記再生手段、及び前記加湿手段の動作を制御する制御手段とから構成され、前記再生手段は、前記主燃料電池を経由した水素の流動方向を案内する再生用管と、前記再生用管を選択的に遮蔽する再生用バルブと、前記再生用管から提供された水素を内部で空気と反応させて水を生成する犠牲燃料電池と、前記犠牲燃料電池内部に空気流入を案内する空気流入管と、前記犠牲燃料電池で発生した水を集水する集水部とから構成される。
【００２０】
前記再生手段は、前記主燃料電池から未反応のまま排出された水素と空気の流動速度を変化させて前記主燃料電池内部の水分及び不純物を排出する。
【００２１】
前記再循環手段は、前記主燃料電池で生成された水と水素を分離する気体液体分離器と、前記気体液体分離器で水から分離した水素を主燃料電池に案内する再循環管と、前記再循環管内部の水素の流れを強制する再循環ポンプとから構成される。
【００２２】
前記再生用管と前記再循環管は連通する。
【００２３】
前記集水部と前記気体液体分離器は、水を集水する水貯蔵タンク内部と選択的に連通する。
【００２４】
前記犠牲燃料電池は、水素及び空気の供給を受けて発電し、電気の流れを案内する一対の電極が選択的に接続される。
【００２５】
前記犠牲燃料電池は、主燃料電池より小さい発電量を有し、選択的に交換される。
【００２６】
前記犠牲燃料電池の一側には、一対の電極を選択的に短絡する短絡スイッチが備えられ、前記短絡スイッチは、前記再生用バルブの開放時に接続される。
【００２７】
前記供給手段は、水素を保管して選択的に供給する燃料タンクと、前記主燃料電池内部に外部空気の供給を強制する空気供給器とから構成される。
【００２８】
前記再循環管の一側には、前記気体の一方向の流れを遮断するチェックバルブが備えられる。
【００２９】
前記制御手段は、前記複数のセルの各電圧の少なくとも１つが予め設定された電圧より低いと、前記再生用管を開放する。
【００３０】
前記気体液体分離器の一側には、前記気体液体分離器内部に保管された水を選択的に排水して水位を調節するドレイン部が備えられる。
【００３１】
前記加湿手段は、前記主燃料電池に加湿された水素と空気を供給する加湿器内部に気体液体分離器から排出された湿った空気を案内する加湿用管と、前記加湿用管を選択的に遮蔽する加湿制御バルブとから構成される。
【００３２】
前記犠牲燃料電池と前記加湿器の一側には、内部空気を排気する排気部が備えられる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明においては、主燃料電池から排出された水素を主燃料電池に再循環させる再循環手段と、主燃料電池の発電効率が低くなると内部の水分及び不純物を除去する再生手段とが備えられる。
【００３４】
従って、燃料効率が最大化され、再生手段の作用により主燃料電池の発電効率が最大化されるという利点がある。
【００３５】
また、本発明においては、再生手段に備えられた犠牲燃料電池を選択的に交換できるように構成されている。
【００３６】
よって、主燃料電池の発電効率が低下すると、選択的に再生して発電効率を向上させることができるので、主燃料電池の耐久性を向上させることができるという利点がある。
【００３７】
また、犠牲燃料電池を選択的に交換できるように構成されているので、主燃料電池のメンテナンス及び管理が容易であり、犠牲燃料電池の整備性が向上するという利点がある。
【００３８】
また、従来の燃料電池システムにおいて燃料電池内部の水分を排出するために同時に排出されていた微量の水素を排出しないので、燃料電池システムの室内運転を図ることができ、安全性が向上するという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明による開放型燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明による開放型燃料電池システムの一構成である再循環手段の動作時の水素及び空気の流れ方向を示す使用状態図である。
【図３】本発明による開放型燃料電池システムの一構成である再生手段の動作時の水素及び空気の流れ方向を示す使用状態図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、添付図面を参照して本発明による開放型燃料電池システムの構成について説明する。
【００４１】
図１には、本発明による開放型燃料電池システムの構成図を示す。
【００４２】
同図に示すように、開放型燃料電池システム１００は、燃料である水素（Ｈ２）と空気を供給し、水素（Ｈ２）と酸素（Ｏ２）を反応させて電気を発生させる構成を有する。
【００４３】
このために、前記開放型燃料電池システムは、水素と空気中の酸素を反応させて電気を発生させる主燃料電池１１０と、前記主燃料電池に水素と空気を供給する供給手段１２０と、前記主燃料電池から排出された水素を主燃料電池に再循環させる再循環手段１３０と、前記主燃料電池を構成する複数のセル（cell）の電圧を検知する検知手段１４０と、前記主燃料電池の一側と選択的に連通して主燃料電池内部の水分及び不純物を除去する再生手段１５０と、前記主燃料電池から排出された空気中の水分を前記主燃料電池に供給する加湿手段１７５と、前記供給手段、前記再循環手段、前記検知手段、前記再生手段、及び前記加湿手段の動作を制御する制御手段１６０とから構成されることを特徴とする。
【００４４】
また、開放型燃料電池システム１００は、自動車などの大気に露出した空間で使用される装置に適用可能なシステムであり、水素と空気を供給して発電し、水分と空気を吐出するように構成される。
【００４５】
従って、主燃料電池１１０は、燃料である水素と酸素の供給を受けて電気を発生させることのできるものであれば、様々な燃料電池を適宜採用することができる。
【００４６】
すなわち、供給手段１２０は、主燃料電池１１０に水素と酸素とを含む気体を供給するための構成であり、本発明の一実施形態においては、水素を保管して選択的に供給する燃料タンク１２４と、主燃料電池１１０内部に外部空気を供給する空気供給器１２６とから構成される。
【００４７】
空気供給器１２６は、送風機（air blower）やエアコンプレッサ（air compressor）が採用され、外部空気を吸入して主燃料電池１１０に強く供給する。
【００４８】
このような開放型燃料電池システム１００は、自動車のように外部に開放された状態で使用される装置に設置されて適用される。
【００４９】
よって、空気供給器１２６により供給される空気は、主燃料電池１１０内部に供給されると、酸素のみが反応し、残りは排出される。
【００５０】
燃料タンク１２４と空気供給器１２６は加湿器１７０に連通し、加湿器１７０は主燃料電池１１０内部に連通する。よって、燃料タンク１２４と空気供給器１２６内部の水素及び空気は、加湿器１７０を経由して加湿されてから主燃料電池１１０内部に供給される。
【００５１】
加湿器１７０は、主燃料電池１１０内部に供給される燃料及び空気の反応を促進するための構成であり、空気供給器１２６に連結された加湿器１７０の下側には第１排気部１７２が備えられる。
【００５２】
第１排気部１７２は、加湿手段１７５により加湿器１７０内部に流入した湿った空気が加湿器１７０を経由して外部に吐出されるようにする構成である。
【００５３】
主燃料電池１１０の上側には検知手段１４０が備えられる。検知手段１４０は、主燃料電池１１０を構成する複数のセル（cell）の電圧を検知するための構成である。
【００５４】
すなわち、主燃料電池１１０は、複数のセルを積層して高い電圧を発生するように構成されるが、このような複数のセルは長期間の使用によりセル内で発生した水分の量及び電流密度の変化に応じた異なる電圧を発生するので、セル間のばらつきが生じる。
【００５５】
よって、主燃料電池１１０の運転中も水分の量及び電流密度の変化を測定して事前に診断するために検知手段１４０が備えられる。
【００５６】
検知手段１４０の右側には再循環手段１３０が備えられる。再循環手段１３０は、主燃料電池１１０内部から未反応のまま排出される水素を主燃料電池１１０に再循環させて燃料の利用率を最大化するための構成である。
【００５７】
このために、再循環手段１３０は、主燃料電池１１０内部での酸素と水素の反応により生成された水から未反応の水素を分離する気体液体分離器１３１と、気体液体分離器１３１で水から分離した水素を主燃料電池１１０に案内する再循環管１３３と、再循環管１３３内部の気体の流れを強制する再循環ポンプ１３７とから構成される。
【００５８】
再循環手段１３０は、気体液体分離器１３１内部と加湿器１７０の先端に両端部が連通するように設置されているので、主燃料電池１１０から排出された未反応の水素を再び主燃料電池１１０に再循環させることができる。
【００５９】
再循環管１３３の一側にはチェックバルブ１５３が備えられる。チェックバルブ１５３は、燃料タンク１２４から供給される水素が再循環管１３３に流入しないように遮断する役割を果たすものであり、再循環ポンプ１３７により主燃料電池１１０の前段に供給される再循環ガス（水素）が加湿器１７０内部に流入するように強制する。
【００６０】
また、気体液体分離器１３１の下側にはドレイン部１９０が備えられる。ドレイン部１９０は、主燃料電池１１０から吐出された水が気体液体分離器１３１内部で適正水位以上に増えたときに水貯蔵タンク１８０に水が吐出されるように案内する構成である。
【００６１】
このために、ドレイン部１９０は、気体液体分離器１３１内部と水貯蔵タンク１８０内部が連通するようにするドレイン管１９２と、ドレイン管１９２内部を選択的に遮蔽するドレインバルブ１９４とから構成される。
【００６２】
よって、ドレインバルブ１９４の開閉により気体液体分離器１３１内部の水はドレイン管１９２を介して水貯蔵タンク１８０に流入するので、気体液体分離器１３１内部の水位は一定に維持される。
【００６３】
再循環手段１３０の右側には、本発明の要部構成である再生手段１５０が備えられる。再生手段１５０は、検知手段１４０により検知された主燃料電池１１０の複数のセルの電圧が設定電圧より低いと、再循環管１３３に流入した気体を瞬間的に迂回させることにより、主燃料電池１１０内部の不純物が外部に排出されるようにする構成である。
【００６４】
このために、再生手段１５０は、再循環手段１３０を経由した水素の流動方向を案内する再生用管１５２と、再生用管１５２を選択的に遮蔽する再生用バルブ１５４と、再生用管１５２から提供された水素を空気と内部で反応させて水を生成する犠牲燃料電池１５６と、犠牲燃料電池１５６で発生した水を集水する集水部１５８とから構成される。
【００６５】
再生用管１５２は、再循環管１３３の一側で分岐されて犠牲燃料電池１５６内部に連通するものであり、再生用バルブ１５４の動作により気体の流動を案内する。
【００６６】
よって、犠牲燃料電池１５６は、再生用バルブ１５４の開放時に水素の供給を受けることができる。
【００６７】
犠牲燃料電池１５６は、構成の名称のとおり、内部の水分により主燃料電池１１０の性能が低下した場合や、不純物を排出しようとする場合に選択的に動作するものであり、主燃料電池１１０より小さい発電量を有し、選択的に交換できるように構成される。
【００６８】
すなわち、犠牲燃料電池１５６は、水素及び空気の供給を受けて発電し、電気の流れを案内する一対の電極の一側には短絡スイッチ１５７が備えられて選択的に接続される。また、主燃料電池１１０内部から吐出された気体は短絡スイッチ１５７の接続により犠牲燃料電池１５６内部で消耗して水になり、それ以外の不純物は犠牲燃料電池１５６内部に蓄積される。
【００６９】
また、犠牲燃料電池１５６内では、供給された未反応のガスを電気接続により水に変換すると共に、不純物を吸着及び捕集する。従って、犠牲燃料電池１５６は、主燃料電池１１０の耐久性向上のために供給される反応ガス内の微量の不純物及び密閉型燃料電池システム内の不純物を捕集する機能を果たす。
【００７０】
よって、犠牲燃料電池１５６は、主燃料電池１１０を保護して耐久性を向上させるが、苛酷な環境条件下におかれるので、場合によっては周期的に交換される。
【００７１】
一方、検知手段１４０、再循環ポンプ１３７、再生用バルブ１５４、短絡スイッチ１５７などは、制御手段１６０により動作が制御される。
【００７２】
すなわち、制御手段１６０は、複数のセルの各電圧の少なくとも１つが予め設定された電圧より低いと、再生手段１５０を動作させ、正常な電圧であれば再循環手段１３０を動作させる。
【００７３】
より詳細には、再循環ポンプ１３７を動作させ、再生用バルブ１５４を閉じ、短絡スイッチ１５７をオフ状態にしたまま、再循環手段１３０を動作させる。
【００７４】
それとは反対に、再生用バルブ１５４を閉じ、再循環ポンプ１３７を停止させた状態を維持して所定時間経過すると、再生用バルブ１５４が再生用管１５２を開放し、短絡スイッチ１５７をオン状態にし、再生手段１５０を動作させる。
【００７５】
それ以外にも、制御手段１６０は、気体液体分離器１３１内部の水位に応じてドレインバルブ１９４を選択的に開放して水位を調節するように構成される。
【００７６】
前述したように、気体液体分離器１３１内部はドレイン管１９２により水貯蔵タンク１８０と選択的に連通し、主燃料電池１１０の一側に備えられた排水路１１２により主燃料電池１１０と水貯蔵タンク１８０内部は連通する。
【００７７】
また、集水部１５８内部も水貯蔵タンク１８０内部に連通する。すなわち、集水部１５８の左側には、集水部１５８内部の水位を調節する水位調節管１８２及び調節バルブ１８４が備えられる。
【００７８】
水位調節管１８２は両端部が集水部１５８と水貯蔵タンク１８０内部にそれぞれ連通するように連結され、調節バルブ１８４は水位調節管１８２内部を選択的に遮蔽する。
【００７９】
よって、調節バルブ１８４を開放するか否かに応じて、集水部１５８内部の水が水貯蔵タンク１８０内部に流入して保管される。
【００８０】
これにより、主燃料電池１１０内部の水、気体液体分離器１３１内部の水、及び集水部１５８内部の水は、全て水貯蔵タンク１８０内部に流入して保管される。
【００８１】
一方、前記主燃料電池内部で空気が流動する流路に連通する気体液体分離器１３１の右側には空気流入管１５１が備えられる。
【００８２】
空気流入管１５１は、気体液体分離器１３１から排出された空気が犠牲燃料電池１５６内部に流入するように案内する構成である。
【００８３】
すなわち、再生用管１５２が犠牲燃料電池１５６内部に水素を供給するように、空気流入管１５１は主燃料電池１１０から未反応のまま排出された酸素を含む空気を犠牲燃料電池１５６に供給し、水素と酸素が反応するようにする構成である。
【００８４】
よって、空気流入管１５１は再生用管１５２と共に選択的に開放されて犠牲燃料電池１５６を用いた主燃料電池１１０の再生を可能にし、このために空気流入管１５１には選択的に開放できるように流入遮断バルブ１５５が備えられる。
【００８５】
犠牲燃料電池１５６の一側には第２排気部１５９が備えられる。第２排気部１５９は、犠牲燃料電池１５６内部から未反応のまま排出される空気を外部に排気するための構成であり、第１排気部１７２と同様の役割を果たす。
【００８６】
すなわち、第１排気部１７２は加湿器１７０内部を経由した空気を外部に吐出する構成であり、第２排気部１５９は犠牲燃料電池１５６内部の空気を排気するための構成である。
【００８７】
よって、第１排気部１７２と第２排気部１５９は選択的に動作させることができ、より具体的には、第１排気部１７２は加湿手段１７５の動作時に排気し、第２排気部１５９は空気流入管１５１の開放時に排気する。
【００８８】
すなわち、加湿手段１７５は、気体液体分離器１３１から排出された湿った空気を加湿器１７０に案内する加湿用管１７６と、加湿用管１７６を選択的に遮蔽する加湿制御バルブ１７７とから構成される。
【００８９】
以下、開放型燃料電池システム１００が動作して電気を生成する過程について、図２の矢印を参照して説明する。
【００９０】
図２には、本発明による開放型燃料電池システムの一構成である再循環手段の動作時の水素及び空気の流れ方向を示す使用状態図を示す。
【００９１】
同図に示すように、開放型燃料電池システム１００が発電するために、供給手段１２０が水素と空気を加湿器１７０に供給する。主燃料電池１１０は、加湿器１７０を通過して加湿された空気と水素の供給を受けて発電する。
【００９２】
次に、主燃料電池１１０で反応していない水素は気体液体分離器１３１を通過して再循環管１３３に沿って流動し、未反応の湿った空気は気体液体分離器１３１を通過して加湿器１７０内部に流入し、空気に湿気が加えられて第１排気部１７２から外部に排気される。
【００９３】
ここで、再生用バルブ１５４は、再生用管１５２を遮蔽して気体の流入が遮られるようにし、流入遮断バルブ１５５は空気流入管１５１を遮蔽して空気の流入を遮断し、検知手段１４０は主燃料電池１１０を構成する複数のセルの電圧を続けて測定する。また、短絡スイッチ１５７はオフになっている。
【００９４】
よって、このような再循環手段１３０の作用により、水素のリサイクル率は最大化される。
【００９５】
以下、検知手段１４０により検知された複数のセルの各電圧の少なくとも１つが予め設定された電圧より低いため、再生手段１５０が動作する場合の気体の流れについて、図３を参照して説明する。
【００９６】
図３には、本発明による開放型燃料電池システムの一構成である再生手段の動作時の水素及び空気の流れ方向を示す使用状態図を示す。
【００９７】
同図に示すように、主燃料電池１１０の発電効率が低くなると、再生手段１５０が動作して主燃料電池１１０の発電効率及び耐久性を向上させることができる。
【００９８】
このために、制御手段１６０は、再生用バルブ１５４を開放して圧力差により主燃料電池１１０内部の水分を気体液体分離器１３１から排出させると共に、犠牲燃料電池１５６に未反応の水素及び不純物を供給する。
【００９９】
ここで、短絡スイッチ１５７をオンにし、犠牲燃料電池１５６内で水素／酸素を反応させることにより水に変換させる。
【０１００】
よって、犠牲燃料電池１５６は発電し、犠牲燃料電池１５６内部で水を生成する。
【０１０１】
犠牲燃料電池１５６内部で生成された水は、集水部１５８に流入して保管され、調節バルブ１８４の選択的開放により水貯蔵タンク１８０に流入可能になる。
【０１０２】
次に、犠牲燃料電池１５６で反応していない空気は、第２排気部１５９から外部に排気される。
【０１０３】
このような作用によれば、主燃料電池１１０内部の水、不純物などが犠牲燃料電池１５６内部に溜まることにより、主燃料電池１１０内部には不純物が減少し、結果的に耐久性が向上する。
【０１０４】
また、犠牲燃料電池１５６は、水素を全て反応させて水を生成するので、外部に水素を排出しなくなる。
【０１０５】
このような本発明の範囲は前述した実施形態に限定されるものではなく、前述した技術範囲内であれば当業者には本発明に基づいた様々な変形が可能であろう。
【０１０６】
例えば、本発明の実施形態においては主燃料電池内部の構成を詳しく図示していないが、主燃料電池の発熱量を低減して発電効率を向上させるための冷却水回路を追加して構成できることは明らかである。
【符号の説明】
【０１０７】
１００ 開放型燃料電池システム １１０ 主燃料電池
１１２ 排水路 １２０ 供給手段
１２４ 燃料タンク １２６ 空気供給器
１３０ 再循環手段 １３１ 気体液体分離器
１３３ 再循環管 １３７ 再循環ポンプ
１４０ 検知手段 １５０ 再生手段
１５１ 空気流入管 １５２ 再生用管
１５３ チェックバルブ １５４ 再生用バルブ
１５５ 流入遮断バルブ １５６ 犠牲燃料電池
１５７ 短絡スイッチ １５８ 集水部
１５９ 第２排気部 １６０ 制御手段
１７０ 加湿器 １７２ 第１排気部
１７５ 加湿手段 １７６ 加湿用管
１７７ 加湿制御バルブ １８０ 水貯蔵タンク
１８２ 水位調節管 １８４ 調節バルブ
１９０ ドレイン部 １９２ ドレイン管
１９４ ドレインバルブ
【技術分野】
【０００１】
本発明は開放型燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料（ＬＮＧ、ＬＰＧ、水素、メタノールなど）と酸素の反応により電気を発生させ、同時に副産物として水と熱を発生させるシステムであり、発電効率が高く、環境有害要素を含まない発電装置である。
【０００３】
また、用いられる電解質の種類によって、ポリマー電解質膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）などがある。
【０００４】
このような燃料電池の種類のうち、ＰＥＭＦＣ、ＰＡＦＣ、ＤＭＦＣは、作動温度がそれぞれ８０〜１２０℃、１９０〜２００℃、２５〜９０℃程度と低く、自動車などの輸送用、家庭用及び携帯用の電力源として活用可能性が高い。
【０００５】
よって、これら燃料電池の商用化の早期実現及び拡大のために、燃料電池システム全体の小型化、軽量化、低価格化などに研究の関心が集まっている。
【０００６】
しかし、燃料電池内部では、高電流領域の運転環境において反応物の生成が過剰となり、過量の水分である水滴により触媒層へのガスの供給及び高分子膜へのプロトンの拡散が抑制されるので、燃料電池の性能低下が生じる。
【０００７】
さらに深刻なことに、燃料電池内に存在する単位セル（cell）毎に水分布が均質でないことによる一部のセルの性能低下により、正常な運転が難しくなるという問題が発生する。
【０００８】
このように、燃料電池で発生する過量の水分、すなわちフラッディング（flooding）は、反応効率の低下はもちろん、燃料電池の安定した運転を妨げる重要な因子であるので、前記過量の水分を燃料電池外に排出することが必須である。
【０００９】
よって、韓国登録特許第０５０９８１８号には「燃料電池システムにおいて内部パージを行うための方法及び装置」が開示されている。
【００１０】
このような従来技術を簡単に説明すると、複数のセルの電圧を検知し、フラッディングの発生時にパージバルブと再循環ポンプを制御し、圧力差を用いてスタック内部の水分及びガス混合物をスタック外部に放出（purge）し、水分と分離されたガスをスタックに再供給できるように構成されている。
【００１１】
しかし、このような従来技術には次のような問題がある。
【００１２】
すなわち、燃料電池に供給される燃料の純度は１００％になり得ないので、水分と分離されたガスが燃料電池に再供給されても、結局は燃料電池内部に不純物が蓄積されて発電効率が低下する。
【００１３】
また、燃料電池内部で分離板及び電極を構成している炭素や燃料電池を構成する周辺装置の金属イオン及び粒子などの不純物が蓄積されると、燃料電池の耐久性に徐々に影響を与えるのはもちろんであり、セル内部の漏洩電流を発生させ、燃料電池の寿命短縮や破損の原因となり、莫大な修理費が発生するので、好ましくない。
【００１４】
また、従来技術を用いて燃料電池内部のガスを再循環させて燃料電池に発生した水分を内部から除去しても、閉回路を構成しているので、結局は燃料電池に供給されるガスにより、再び燃料電池内部に不純物が流入するので、燃料電池の性能及び耐久性を低下させることとなる。
【００１５】
一方、内部パージを行わない一般の開放型燃料電池システムにおいては、燃料電池から未反応のまま大気に排出された水素の爆発の危険性があるので、密閉された空間での長期間の稼動に注意を要する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】韓国登録特許第０５０９８１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上記問題を解決するための本発明は、主燃料電池から排出された水素を主燃料電池に再循環させる再循環手段と、主燃料電池の運転中に発生する水分と不純物を除去する再生手段とが備えられる開放型燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１８】
また、本発明は、主燃料電池に供給された水素が大気に排出されないように構成された開放型燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の実施形態による開放型燃料電池システムは、水素と空気中の酸素を反応させて電気を発生させる主燃料電池と、前記主燃料電池に水素と空気を供給する供給手段と、前記主燃料電池から排出された水素を主燃料電池に再循環させる再循環手段と、前記主燃料電池を構成する複数のセル（cell）の電圧を検知する検知手段と、前記主燃料電池の一側と選択的に連通して主燃料電池内部の水分及び不純物を除去する再生手段と、前記主燃料電池から排出された空気中の水分を前記主燃料電池に供給する加湿手段と、前記供給手段、前記再循環手段、前記検知手段、前記再生手段、及び前記加湿手段の動作を制御する制御手段とから構成され、前記再生手段は、前記主燃料電池を経由した水素の流動方向を案内する再生用管と、前記再生用管を選択的に遮蔽する再生用バルブと、前記再生用管から提供された水素を内部で空気と反応させて水を生成する犠牲燃料電池と、前記犠牲燃料電池内部に空気流入を案内する空気流入管と、前記犠牲燃料電池で発生した水を集水する集水部とから構成される。
【００２０】
前記再生手段は、前記主燃料電池から未反応のまま排出された水素と空気の流動速度を変化させて前記主燃料電池内部の水分及び不純物を排出する。
【００２１】
前記再循環手段は、前記主燃料電池で生成された水と水素を分離する気体液体分離器と、前記気体液体分離器で水から分離した水素を主燃料電池に案内する再循環管と、前記再循環管内部の水素の流れを強制する再循環ポンプとから構成される。
【００２２】
前記再生用管と前記再循環管は連通する。
【００２３】
前記集水部と前記気体液体分離器は、水を集水する水貯蔵タンク内部と選択的に連通する。
【００２４】
前記犠牲燃料電池は、水素及び空気の供給を受けて発電し、電気の流れを案内する一対の電極が選択的に接続される。
【００２５】
前記犠牲燃料電池は、主燃料電池より小さい発電量を有し、選択的に交換される。
【００２６】
前記犠牲燃料電池の一側には、一対の電極を選択的に短絡する短絡スイッチが備えられ、前記短絡スイッチは、前記再生用バルブの開放時に接続される。
【００２７】
前記供給手段は、水素を保管して選択的に供給する燃料タンクと、前記主燃料電池内部に外部空気の供給を強制する空気供給器とから構成される。
【００２８】
前記再循環管の一側には、前記気体の一方向の流れを遮断するチェックバルブが備えられる。
【００２９】
前記制御手段は、前記複数のセルの各電圧の少なくとも１つが予め設定された電圧より低いと、前記再生用管を開放する。
【００３０】
前記気体液体分離器の一側には、前記気体液体分離器内部に保管された水を選択的に排水して水位を調節するドレイン部が備えられる。
【００３１】
前記加湿手段は、前記主燃料電池に加湿された水素と空気を供給する加湿器内部に気体液体分離器から排出された湿った空気を案内する加湿用管と、前記加湿用管を選択的に遮蔽する加湿制御バルブとから構成される。
【００３２】
前記犠牲燃料電池と前記加湿器の一側には、内部空気を排気する排気部が備えられる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明においては、主燃料電池から排出された水素を主燃料電池に再循環させる再循環手段と、主燃料電池の発電効率が低くなると内部の水分及び不純物を除去する再生手段とが備えられる。
【００３４】
従って、燃料効率が最大化され、再生手段の作用により主燃料電池の発電効率が最大化されるという利点がある。
【００３５】
また、本発明においては、再生手段に備えられた犠牲燃料電池を選択的に交換できるように構成されている。
【００３６】
よって、主燃料電池の発電効率が低下すると、選択的に再生して発電効率を向上させることができるので、主燃料電池の耐久性を向上させることができるという利点がある。
【００３７】
また、犠牲燃料電池を選択的に交換できるように構成されているので、主燃料電池のメンテナンス及び管理が容易であり、犠牲燃料電池の整備性が向上するという利点がある。
【００３８】
また、従来の燃料電池システムにおいて燃料電池内部の水分を排出するために同時に排出されていた微量の水素を排出しないので、燃料電池システムの室内運転を図ることができ、安全性が向上するという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明による開放型燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明による開放型燃料電池システムの一構成である再循環手段の動作時の水素及び空気の流れ方向を示す使用状態図である。
【図３】本発明による開放型燃料電池システムの一構成である再生手段の動作時の水素及び空気の流れ方向を示す使用状態図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、添付図面を参照して本発明による開放型燃料電池システムの構成について説明する。
【００４１】
図１には、本発明による開放型燃料電池システムの構成図を示す。
【００４２】
同図に示すように、開放型燃料電池システム１００は、燃料である水素（Ｈ２）と空気を供給し、水素（Ｈ２）と酸素（Ｏ２）を反応させて電気を発生させる構成を有する。
【００４３】
このために、前記開放型燃料電池システムは、水素と空気中の酸素を反応させて電気を発生させる主燃料電池１１０と、前記主燃料電池に水素と空気を供給する供給手段１２０と、前記主燃料電池から排出された水素を主燃料電池に再循環させる再循環手段１３０と、前記主燃料電池を構成する複数のセル（cell）の電圧を検知する検知手段１４０と、前記主燃料電池の一側と選択的に連通して主燃料電池内部の水分及び不純物を除去する再生手段１５０と、前記主燃料電池から排出された空気中の水分を前記主燃料電池に供給する加湿手段１７５と、前記供給手段、前記再循環手段、前記検知手段、前記再生手段、及び前記加湿手段の動作を制御する制御手段１６０とから構成されることを特徴とする。
【００４４】
また、開放型燃料電池システム１００は、自動車などの大気に露出した空間で使用される装置に適用可能なシステムであり、水素と空気を供給して発電し、水分と空気を吐出するように構成される。
【００４５】
従って、主燃料電池１１０は、燃料である水素と酸素の供給を受けて電気を発生させることのできるものであれば、様々な燃料電池を適宜採用することができる。
【００４６】
すなわち、供給手段１２０は、主燃料電池１１０に水素と酸素とを含む気体を供給するための構成であり、本発明の一実施形態においては、水素を保管して選択的に供給する燃料タンク１２４と、主燃料電池１１０内部に外部空気を供給する空気供給器１２６とから構成される。
【００４７】
空気供給器１２６は、送風機（air blower）やエアコンプレッサ（air compressor）が採用され、外部空気を吸入して主燃料電池１１０に強く供給する。
【００４８】
このような開放型燃料電池システム１００は、自動車のように外部に開放された状態で使用される装置に設置されて適用される。
【００４９】
よって、空気供給器１２６により供給される空気は、主燃料電池１１０内部に供給されると、酸素のみが反応し、残りは排出される。
【００５０】
燃料タンク１２４と空気供給器１２６は加湿器１７０に連通し、加湿器１７０は主燃料電池１１０内部に連通する。よって、燃料タンク１２４と空気供給器１２６内部の水素及び空気は、加湿器１７０を経由して加湿されてから主燃料電池１１０内部に供給される。
【００５１】
加湿器１７０は、主燃料電池１１０内部に供給される燃料及び空気の反応を促進するための構成であり、空気供給器１２６に連結された加湿器１７０の下側には第１排気部１７２が備えられる。
【００５２】
第１排気部１７２は、加湿手段１７５により加湿器１７０内部に流入した湿った空気が加湿器１７０を経由して外部に吐出されるようにする構成である。
【００５３】
主燃料電池１１０の上側には検知手段１４０が備えられる。検知手段１４０は、主燃料電池１１０を構成する複数のセル（cell）の電圧を検知するための構成である。
【００５４】
すなわち、主燃料電池１１０は、複数のセルを積層して高い電圧を発生するように構成されるが、このような複数のセルは長期間の使用によりセル内で発生した水分の量及び電流密度の変化に応じた異なる電圧を発生するので、セル間のばらつきが生じる。
【００５５】
よって、主燃料電池１１０の運転中も水分の量及び電流密度の変化を測定して事前に診断するために検知手段１４０が備えられる。
【００５６】
検知手段１４０の右側には再循環手段１３０が備えられる。再循環手段１３０は、主燃料電池１１０内部から未反応のまま排出される水素を主燃料電池１１０に再循環させて燃料の利用率を最大化するための構成である。
【００５７】
このために、再循環手段１３０は、主燃料電池１１０内部での酸素と水素の反応により生成された水から未反応の水素を分離する気体液体分離器１３１と、気体液体分離器１３１で水から分離した水素を主燃料電池１１０に案内する再循環管１３３と、再循環管１３３内部の気体の流れを強制する再循環ポンプ１３７とから構成される。
【００５８】
再循環手段１３０は、気体液体分離器１３１内部と加湿器１７０の先端に両端部が連通するように設置されているので、主燃料電池１１０から排出された未反応の水素を再び主燃料電池１１０に再循環させることができる。
【００５９】
再循環管１３３の一側にはチェックバルブ１５３が備えられる。チェックバルブ１５３は、燃料タンク１２４から供給される水素が再循環管１３３に流入しないように遮断する役割を果たすものであり、再循環ポンプ１３７により主燃料電池１１０の前段に供給される再循環ガス（水素）が加湿器１７０内部に流入するように強制する。
【００６０】
また、気体液体分離器１３１の下側にはドレイン部１９０が備えられる。ドレイン部１９０は、主燃料電池１１０から吐出された水が気体液体分離器１３１内部で適正水位以上に増えたときに水貯蔵タンク１８０に水が吐出されるように案内する構成である。
【００６１】
このために、ドレイン部１９０は、気体液体分離器１３１内部と水貯蔵タンク１８０内部が連通するようにするドレイン管１９２と、ドレイン管１９２内部を選択的に遮蔽するドレインバルブ１９４とから構成される。
【００６２】
よって、ドレインバルブ１９４の開閉により気体液体分離器１３１内部の水はドレイン管１９２を介して水貯蔵タンク１８０に流入するので、気体液体分離器１３１内部の水位は一定に維持される。
【００６３】
再循環手段１３０の右側には、本発明の要部構成である再生手段１５０が備えられる。再生手段１５０は、検知手段１４０により検知された主燃料電池１１０の複数のセルの電圧が設定電圧より低いと、再循環管１３３に流入した気体を瞬間的に迂回させることにより、主燃料電池１１０内部の不純物が外部に排出されるようにする構成である。
【００６４】
このために、再生手段１５０は、再循環手段１３０を経由した水素の流動方向を案内する再生用管１５２と、再生用管１５２を選択的に遮蔽する再生用バルブ１５４と、再生用管１５２から提供された水素を空気と内部で反応させて水を生成する犠牲燃料電池１５６と、犠牲燃料電池１５６で発生した水を集水する集水部１５８とから構成される。
【００６５】
再生用管１５２は、再循環管１３３の一側で分岐されて犠牲燃料電池１５６内部に連通するものであり、再生用バルブ１５４の動作により気体の流動を案内する。
【００６６】
よって、犠牲燃料電池１５６は、再生用バルブ１５４の開放時に水素の供給を受けることができる。
【００６７】
犠牲燃料電池１５６は、構成の名称のとおり、内部の水分により主燃料電池１１０の性能が低下した場合や、不純物を排出しようとする場合に選択的に動作するものであり、主燃料電池１１０より小さい発電量を有し、選択的に交換できるように構成される。
【００６８】
すなわち、犠牲燃料電池１５６は、水素及び空気の供給を受けて発電し、電気の流れを案内する一対の電極の一側には短絡スイッチ１５７が備えられて選択的に接続される。また、主燃料電池１１０内部から吐出された気体は短絡スイッチ１５７の接続により犠牲燃料電池１５６内部で消耗して水になり、それ以外の不純物は犠牲燃料電池１５６内部に蓄積される。
【００６９】
また、犠牲燃料電池１５６内では、供給された未反応のガスを電気接続により水に変換すると共に、不純物を吸着及び捕集する。従って、犠牲燃料電池１５６は、主燃料電池１１０の耐久性向上のために供給される反応ガス内の微量の不純物及び密閉型燃料電池システム内の不純物を捕集する機能を果たす。
【００７０】
よって、犠牲燃料電池１５６は、主燃料電池１１０を保護して耐久性を向上させるが、苛酷な環境条件下におかれるので、場合によっては周期的に交換される。
【００７１】
一方、検知手段１４０、再循環ポンプ１３７、再生用バルブ１５４、短絡スイッチ１５７などは、制御手段１６０により動作が制御される。
【００７２】
すなわち、制御手段１６０は、複数のセルの各電圧の少なくとも１つが予め設定された電圧より低いと、再生手段１５０を動作させ、正常な電圧であれば再循環手段１３０を動作させる。
【００７３】
より詳細には、再循環ポンプ１３７を動作させ、再生用バルブ１５４を閉じ、短絡スイッチ１５７をオフ状態にしたまま、再循環手段１３０を動作させる。
【００７４】
それとは反対に、再生用バルブ１５４を閉じ、再循環ポンプ１３７を停止させた状態を維持して所定時間経過すると、再生用バルブ１５４が再生用管１５２を開放し、短絡スイッチ１５７をオン状態にし、再生手段１５０を動作させる。
【００７５】
それ以外にも、制御手段１６０は、気体液体分離器１３１内部の水位に応じてドレインバルブ１９４を選択的に開放して水位を調節するように構成される。
【００７６】
前述したように、気体液体分離器１３１内部はドレイン管１９２により水貯蔵タンク１８０と選択的に連通し、主燃料電池１１０の一側に備えられた排水路１１２により主燃料電池１１０と水貯蔵タンク１８０内部は連通する。
【００７７】
また、集水部１５８内部も水貯蔵タンク１８０内部に連通する。すなわち、集水部１５８の左側には、集水部１５８内部の水位を調節する水位調節管１８２及び調節バルブ１８４が備えられる。
【００７８】
水位調節管１８２は両端部が集水部１５８と水貯蔵タンク１８０内部にそれぞれ連通するように連結され、調節バルブ１８４は水位調節管１８２内部を選択的に遮蔽する。
【００７９】
よって、調節バルブ１８４を開放するか否かに応じて、集水部１５８内部の水が水貯蔵タンク１８０内部に流入して保管される。
【００８０】
これにより、主燃料電池１１０内部の水、気体液体分離器１３１内部の水、及び集水部１５８内部の水は、全て水貯蔵タンク１８０内部に流入して保管される。
【００８１】
一方、前記主燃料電池内部で空気が流動する流路に連通する気体液体分離器１３１の右側には空気流入管１５１が備えられる。
【００８２】
空気流入管１５１は、気体液体分離器１３１から排出された空気が犠牲燃料電池１５６内部に流入するように案内する構成である。
【００８３】
すなわち、再生用管１５２が犠牲燃料電池１５６内部に水素を供給するように、空気流入管１５１は主燃料電池１１０から未反応のまま排出された酸素を含む空気を犠牲燃料電池１５６に供給し、水素と酸素が反応するようにする構成である。
【００８４】
よって、空気流入管１５１は再生用管１５２と共に選択的に開放されて犠牲燃料電池１５６を用いた主燃料電池１１０の再生を可能にし、このために空気流入管１５１には選択的に開放できるように流入遮断バルブ１５５が備えられる。
【００８５】
犠牲燃料電池１５６の一側には第２排気部１５９が備えられる。第２排気部１５９は、犠牲燃料電池１５６内部から未反応のまま排出される空気を外部に排気するための構成であり、第１排気部１７２と同様の役割を果たす。
【００８６】
すなわち、第１排気部１７２は加湿器１７０内部を経由した空気を外部に吐出する構成であり、第２排気部１５９は犠牲燃料電池１５６内部の空気を排気するための構成である。
【００８７】
よって、第１排気部１７２と第２排気部１５９は選択的に動作させることができ、より具体的には、第１排気部１７２は加湿手段１７５の動作時に排気し、第２排気部１５９は空気流入管１５１の開放時に排気する。
【００８８】
すなわち、加湿手段１７５は、気体液体分離器１３１から排出された湿った空気を加湿器１７０に案内する加湿用管１７６と、加湿用管１７６を選択的に遮蔽する加湿制御バルブ１７７とから構成される。
【００８９】
以下、開放型燃料電池システム１００が動作して電気を生成する過程について、図２の矢印を参照して説明する。
【００９０】
図２には、本発明による開放型燃料電池システムの一構成である再循環手段の動作時の水素及び空気の流れ方向を示す使用状態図を示す。
【００９１】
同図に示すように、開放型燃料電池システム１００が発電するために、供給手段１２０が水素と空気を加湿器１７０に供給する。主燃料電池１１０は、加湿器１７０を通過して加湿された空気と水素の供給を受けて発電する。
【００９２】
次に、主燃料電池１１０で反応していない水素は気体液体分離器１３１を通過して再循環管１３３に沿って流動し、未反応の湿った空気は気体液体分離器１３１を通過して加湿器１７０内部に流入し、空気に湿気が加えられて第１排気部１７２から外部に排気される。
【００９３】
ここで、再生用バルブ１５４は、再生用管１５２を遮蔽して気体の流入が遮られるようにし、流入遮断バルブ１５５は空気流入管１５１を遮蔽して空気の流入を遮断し、検知手段１４０は主燃料電池１１０を構成する複数のセルの電圧を続けて測定する。また、短絡スイッチ１５７はオフになっている。
【００９４】
よって、このような再循環手段１３０の作用により、水素のリサイクル率は最大化される。
【００９５】
以下、検知手段１４０により検知された複数のセルの各電圧の少なくとも１つが予め設定された電圧より低いため、再生手段１５０が動作する場合の気体の流れについて、図３を参照して説明する。
【００９６】
図３には、本発明による開放型燃料電池システムの一構成である再生手段の動作時の水素及び空気の流れ方向を示す使用状態図を示す。
【００９７】
同図に示すように、主燃料電池１１０の発電効率が低くなると、再生手段１５０が動作して主燃料電池１１０の発電効率及び耐久性を向上させることができる。
【００９８】
このために、制御手段１６０は、再生用バルブ１５４を開放して圧力差により主燃料電池１１０内部の水分を気体液体分離器１３１から排出させると共に、犠牲燃料電池１５６に未反応の水素及び不純物を供給する。
【００９９】
ここで、短絡スイッチ１５７をオンにし、犠牲燃料電池１５６内で水素／酸素を反応させることにより水に変換させる。
【０１００】
よって、犠牲燃料電池１５６は発電し、犠牲燃料電池１５６内部で水を生成する。
【０１０１】
犠牲燃料電池１５６内部で生成された水は、集水部１５８に流入して保管され、調節バルブ１８４の選択的開放により水貯蔵タンク１８０に流入可能になる。
【０１０２】
次に、犠牲燃料電池１５６で反応していない空気は、第２排気部１５９から外部に排気される。
【０１０３】
このような作用によれば、主燃料電池１１０内部の水、不純物などが犠牲燃料電池１５６内部に溜まることにより、主燃料電池１１０内部には不純物が減少し、結果的に耐久性が向上する。
【０１０４】
また、犠牲燃料電池１５６は、水素を全て反応させて水を生成するので、外部に水素を排出しなくなる。
【０１０５】
このような本発明の範囲は前述した実施形態に限定されるものではなく、前述した技術範囲内であれば当業者には本発明に基づいた様々な変形が可能であろう。
【０１０６】
例えば、本発明の実施形態においては主燃料電池内部の構成を詳しく図示していないが、主燃料電池の発熱量を低減して発電効率を向上させるための冷却水回路を追加して構成できることは明らかである。
【符号の説明】
【０１０７】
１００ 開放型燃料電池システム １１０ 主燃料電池
１１２ 排水路 １２０ 供給手段
１２４ 燃料タンク １２６ 空気供給器
１３０ 再循環手段 １３１ 気体液体分離器
１３３ 再循環管 １３７ 再循環ポンプ
１４０ 検知手段 １５０ 再生手段
１５１ 空気流入管 １５２ 再生用管
１５３ チェックバルブ １５４ 再生用バルブ
１５５ 流入遮断バルブ １５６ 犠牲燃料電池
１５７ 短絡スイッチ １５８ 集水部
１５９ 第２排気部 １６０ 制御手段
１７０ 加湿器 １７２ 第１排気部
１７５ 加湿手段 １７６ 加湿用管
１７７ 加湿制御バルブ １８０ 水貯蔵タンク
１８２ 水位調節管 １８４ 調節バルブ
１９０ ドレイン部 １９２ ドレイン管
１９４ ドレインバルブ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と空気中の酸素を反応させて電気を発生させる主燃料電池と、前記主燃料電池に水素と空気を供給する供給手段と、前記主燃料電池から排出された水素を主燃料電池に再循環させる再循環手段と、前記主燃料電池を構成する複数のセル（cell）の電圧を検知する検知手段と、前記主燃料電池の一側と選択的に連通して主燃料電池内部の水分及び不純物を除去する再生手段と、前記主燃料電池から排出された空気中の水分を前記主燃料電池に供給する加湿手段と、前記供給手段、前記再循環手段、前記検知手段、前記再生手段、及び前記加湿手段の動作を制御する制御手段とから構成され、
前記再生手段は、
前記主燃料電池を経由した水素の流動方向を案内する再生用管と、
前記再生用管を選択的に遮蔽する再生用バルブと、
前記再生用管から提供された水素を内部で空気と反応させて水を生成する犠牲燃料電池と、
前記犠牲燃料電池内部に空気流入を案内する空気流入管と、
前記犠牲燃料電池で発生した水を集水する集水部とから構成されることを特徴とする開放型燃料電池システム。
【請求項２】
前記再生手段は、
前記主燃料電池から未反応のまま排出された水素と空気の流動速度を変化させて前記主燃料電池内部の水分及び不純物を排出することを特徴とする請求項１に記載の開放型燃料電池システム。
【請求項３】
前記再循環手段は、
前記主燃料電池で生成された水と水素を分離する気体液体分離器と、
前記気体液体分離器で水から分離した水素を主燃料電池に案内する再循環管と、
前記再循環管内部の水素の流れを強制する再循環ポンプとから構成されることを特徴とする請求項１に記載の開放型燃料電池システム。
【請求項４】
前記再生用管と前記再循環管は連通することを特徴とする請求項３に記載の開放型燃料電池システム。
【請求項５】
前記集水部と前記気体液体分離器は、
水を集水する水貯蔵タンク内部と選択的に連通することを特徴とする請求項３に記載の開放型燃料電池システム。
【請求項６】
前記犠牲燃料電池は、
水素及び空気の供給を受けて発電し、電気の流れを案内する一対の電極が選択的に接続されることを特徴とする請求項１に記載の開放型燃料電池システム。
【請求項７】
前記犠牲燃料電池は、主燃料電池より小さい発電量を有し、選択的に交換されることを特徴とする請求項６に記載の開放型燃料電池システム。
【請求項８】
前記犠牲燃料電池の一側には、一対の電極を選択的に短絡する短絡スイッチが備えられ、前記短絡スイッチは、前記再生用バルブの開放時に接続されることを特徴とする請求項６に記載の開放型燃料電池システム。
【請求項９】
前記供給手段は、
水素を保管して選択的に供給する燃料タンクと、
前記主燃料電池内部に外部空気の供給を強制する空気供給器とから構成されることを特徴とする請求項２に記載の開放型燃料電池システム。
【請求項１０】
前記再循環管の一側には、
前記気体の一方向の流れを遮断するチェックバルブが備えられることを特徴とする請求項３に記載の開放型燃料電池システム。
【請求項１１】
前記制御手段は、
前記複数のセルの各電圧の少なくとも１つが予め設定された電圧より低いと、前記再生用管を開放することを特徴とする請求項３に記載の開放型燃料電池システム。
【請求項１２】
前記気体液体分離器の一側には、
前記気体液体分離器内部に保管された水を選択的に排水して水位を調節するドレイン部が備えられることを特徴とする請求項３に記載の開放型燃料電池システム。
【請求項１３】
前記加湿手段は、
前記主燃料電池に加湿された水素と空気を供給する加湿器内部に気体液体分離器から排出された湿った空気を案内する加湿用管と、
前記加湿用管を選択的に遮蔽する加湿制御バルブとから構成されることを特徴とする請求項３に記載の開放型燃料電池システム。
【請求項１４】
前記犠牲燃料電池と前記加湿器の一側には、内部空気を排気する排気部が備えられることを特徴とする請求項１３に記載の開放型燃料電池システム。
【請求項１】
水素と空気中の酸素を反応させて電気を発生させる主燃料電池と、前記主燃料電池に水素と空気を供給する供給手段と、前記主燃料電池から排出された水素を主燃料電池に再循環させる再循環手段と、前記主燃料電池を構成する複数のセル（cell）の電圧を検知する検知手段と、前記主燃料電池の一側と選択的に連通して主燃料電池内部の水分及び不純物を除去する再生手段と、前記主燃料電池から排出された空気中の水分を前記主燃料電池に供給する加湿手段と、前記供給手段、前記再循環手段、前記検知手段、前記再生手段、及び前記加湿手段の動作を制御する制御手段とから構成され、
前記再生手段は、
前記主燃料電池を経由した水素の流動方向を案内する再生用管と、
前記再生用管を選択的に遮蔽する再生用バルブと、
前記再生用管から提供された水素を内部で空気と反応させて水を生成する犠牲燃料電池と、
前記犠牲燃料電池内部に空気流入を案内する空気流入管と、
前記犠牲燃料電池で発生した水を集水する集水部とから構成されることを特徴とする開放型燃料電池システム。
【請求項２】
前記再生手段は、
前記主燃料電池から未反応のまま排出された水素と空気の流動速度を変化させて前記主燃料電池内部の水分及び不純物を排出することを特徴とする請求項１に記載の開放型燃料電池システム。
【請求項３】
前記再循環手段は、
前記主燃料電池で生成された水と水素を分離する気体液体分離器と、
前記気体液体分離器で水から分離した水素を主燃料電池に案内する再循環管と、
前記再循環管内部の水素の流れを強制する再循環ポンプとから構成されることを特徴とする請求項１に記載の開放型燃料電池システム。
【請求項４】
前記再生用管と前記再循環管は連通することを特徴とする請求項３に記載の開放型燃料電池システム。
【請求項５】
前記集水部と前記気体液体分離器は、
水を集水する水貯蔵タンク内部と選択的に連通することを特徴とする請求項３に記載の開放型燃料電池システム。
【請求項６】
前記犠牲燃料電池は、
水素及び空気の供給を受けて発電し、電気の流れを案内する一対の電極が選択的に接続されることを特徴とする請求項１に記載の開放型燃料電池システム。
【請求項７】
前記犠牲燃料電池は、主燃料電池より小さい発電量を有し、選択的に交換されることを特徴とする請求項６に記載の開放型燃料電池システム。
【請求項８】
前記犠牲燃料電池の一側には、一対の電極を選択的に短絡する短絡スイッチが備えられ、前記短絡スイッチは、前記再生用バルブの開放時に接続されることを特徴とする請求項６に記載の開放型燃料電池システム。
【請求項９】
前記供給手段は、
水素を保管して選択的に供給する燃料タンクと、
前記主燃料電池内部に外部空気の供給を強制する空気供給器とから構成されることを特徴とする請求項２に記載の開放型燃料電池システム。
【請求項１０】
前記再循環管の一側には、
前記気体の一方向の流れを遮断するチェックバルブが備えられることを特徴とする請求項３に記載の開放型燃料電池システム。
【請求項１１】
前記制御手段は、
前記複数のセルの各電圧の少なくとも１つが予め設定された電圧より低いと、前記再生用管を開放することを特徴とする請求項３に記載の開放型燃料電池システム。
【請求項１２】
前記気体液体分離器の一側には、
前記気体液体分離器内部に保管された水を選択的に排水して水位を調節するドレイン部が備えられることを特徴とする請求項３に記載の開放型燃料電池システム。
【請求項１３】
前記加湿手段は、
前記主燃料電池に加湿された水素と空気を供給する加湿器内部に気体液体分離器から排出された湿った空気を案内する加湿用管と、
前記加湿用管を選択的に遮蔽する加湿制御バルブとから構成されることを特徴とする請求項３に記載の開放型燃料電池システム。
【請求項１４】
前記犠牲燃料電池と前記加湿器の一側には、内部空気を排気する排気部が備えられることを特徴とする請求項１３に記載の開放型燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公表番号】特表２０１２−５２８４４８（Ｐ２０１２−５２８４４８Ａ）
【公表日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５１２９３７（Ｐ２０１２−５１２９３７）
【出願日】平成２１年１０月２０日（２００９．１０．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＫＲ２００９／００６０６５
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１３７７７５
【国際公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【出願人】（５０８３１２４５２）コリア インスティチュート オブ マシナリー アンド マテリアルズ (4)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月２０日（２００９．１０．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＫＲ２００９／００６０６５
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１３７７７５
【国際公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【出願人】（５０８３１２４５２）コリア インスティチュート オブ マシナリー アンド マテリアルズ (4)
【Ｆターム（参考）】
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