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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-02-07
(54)【発明の名称】バイパス流量調整が可能な燃料電池システム
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04 20160101AFI20240131BHJP
H01M 8/04119 20160101ALI20240131BHJP
H01M 8/0432 20160101ALI20240131BHJP
H01M 8/04746 20160101ALI20240131BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04 N
H01M8/04119
H01M8/0432
H01M8/04746
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023547156
(86)(22)【出願日】2022-03-07
(85)【翻訳文提出日】2023-08-02
(86)【国際出願番号】 KR2022003223
(87)【国際公開番号】W WO2022191557
(87)【国際公開日】2022-09-15
(31)【優先権主張番号】10-2021-0030626
(32)【優先日】2021-03-09
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】518215493
【氏名又は名称】コーロン インダストリーズ インク
(74)【代理人】
【識別番号】100083138
【弁理士】
【氏名又は名称】相田 伸二
(74)【代理人】
【識別番号】100189625
【弁理士】
【氏名又は名称】鄭 元基
(74)【代理人】
【識別番号】100196139
【弁理士】
【氏名又は名称】相田 京子
(74)【代理人】
【識別番号】100199004
【弁理士】
【氏名又は名称】服部 洋
(72)【発明者】
【氏名】オ ヨンソク
(72)【発明者】
【氏名】イ アルム
(72)【発明者】
【氏名】イ ジヨン
(72)【発明者】
【氏名】キム キョンジュ
【テーマコード（参考）】
5H127
【Ｆターム（参考）】
5H127AA06
5H127AC15
5H127BA02
5H127BB02
5H127BB13
5H127BB18
5H127BB34
5H127BB37
5H127DB36
5H127DC32
5H127EE17
(57)【要約】
本発明は、燃料電池スタックから排出される排ガスの温度によって流量を自動に調整できるバイパス流量調整が可能な燃料電池システムに関するものであって、
本発明の実施形態に係るバイパス流量調整が可能な燃料電池システムは、
燃料電池スタックから排出される排ガスの少なくとも一部を膜加湿器に供給する排ガス流入流路と、前記膜加湿器に流入して、水分交換を行った後の排ガスを外部に排出する排ガス排出流路と、前記燃料電池スタックから排出される排ガスの少なくとも一部を、前記膜加湿器を迂回させて前記排ガス排出流路に流動させるバイパス流路と、前記バイパス流路に形成され、前記燃料電池スタックから排出される排ガスの温度によって前記バイパス流路の開度を調整するバイパス流量調整部とを備える。
【選択図】図２
本発明の実施形態に係るバイパス流量調整が可能な燃料電池システムは、
燃料電池スタックから排出される排ガスの少なくとも一部を膜加湿器に供給する排ガス流入流路と、前記膜加湿器に流入して、水分交換を行った後の排ガスを外部に排出する排ガス排出流路と、前記燃料電池スタックから排出される排ガスの少なくとも一部を、前記膜加湿器を迂回させて前記排ガス排出流路に流動させるバイパス流路と、前記バイパス流路に形成され、前記燃料電池スタックから排出される排ガスの温度によって前記バイパス流路の開度を調整するバイパス流量調整部とを備える。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃料電池スタックから排出される排ガスの少なくとも一部を膜加湿器に供給する排ガス流入流路と、前記膜加湿器に流入して、水分交換を行った後の排ガスを外部に排出する排ガス排出流路と、
前記燃料電池スタックから排出される排ガスの少なくとも一部を、前記膜加湿器を迂回させて前記排ガス排出流路に流動させるバイパス流路と、
前記バイパス流路に形成され、前記燃料電池スタックから排出される排ガスの温度によって前記バイパス流路の開度を調整するバイパス流量調整部と、
を備えるバイパス流量調整が可能な燃料電池システム。
【請求項2】
前記バイパス流量調整部は、第１の温度範囲で収縮し、前記第１の温度範囲より大きい第２の温度範囲で膨脹する熱膨張物質を含む請求項１に記載のバイパス流量調整が可能な燃料電池システム。
【請求項3】
前記バイパス流量調整部は、前記バイパス流路の内壁にリング状で形成される請求項１に記載のバイパス流量調整が可能な燃料電池システム。
【請求項4】
前記バイパス流量調整部は、前記バイパス流路の内壁に形成された環状固定溝にリング状で挿入される請求項１に記載のバイパス流量調整が可能な燃料電池システム。
【請求項5】
前記排ガス流入流路と前記バイパス流路とは、同じ方向に形成される請求項１に記載のバイパス流量調整が可能な燃料電池システム。
【請求項6】
前記膜加湿器は、前記排ガス流入流路と連結される排ガス流入口が形成されたミッド－ケースと、前記ミッド－ケースと締め付けられるキャップと、前記ミッド－ケース内に配置され、複数の中空糸膜を収容する加湿モジュールとを備える請求項１～５のいずれか１項に記載のバイパス流量調整が可能な燃料電池システム。
【請求項7】
前記加湿モジュールは、複数の中空糸膜を収容するインナーケースと、前記インナーケース末端に形成されるポッティング部を備える少なくとも１つ以上のカートリッジとを備える請求項６に記載のバイパス流量調整が可能な燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、燃料電池システムに関し、より具体的には、燃料電池スタックから排出される排ガスの温度によってバイパス流量を自動に調整できるバイパス流量調整が可能な燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【0002】
燃料電池とは、水素と酸素を結合させて電気を生産する発電型電池である。燃料電池は、乾電池や蓄電池など、一般化学電池とは異なり、水素と酸素が供給される限り、電気を生産し続けることができ、熱損失がないので、内燃機関より効率が２倍くらい高いという長所がある。
また、水素と酸素の結合により発生する化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換するので、公害物質排出が少ない。したがって、燃料電池は、環境親和的であり、かつ、エネルギー消費増加による資源枯渇に対する心配を減らすことができるという長所がある。
このような燃料電池は、使用される電解質の種類によって、大別して、高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ）、リン酸型燃料電池（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ Ａｃｉｄ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＭＣＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）、及びアルカリ型燃料電池（Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＡＦＣ）などに分類することができる。
これらのそれぞれの燃料電池は、元々同じ原理により作動するが、使用される燃料の種類、運転温度、触媒、電解質などが互いに異なる。この中で、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、他の燃料電池に比べて低温で動作するという点、及び出力密度が大きくて、小型化が可能であるので、小規模据え置き型発電装備だけでなく、輸送システムでも最も有望なものと知られている。
また、水素と酸素の結合により発生する化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換するので、公害物質排出が少ない。したがって、燃料電池は、環境親和的であり、かつ、エネルギー消費増加による資源枯渇に対する心配を減らすことができるという長所がある。
このような燃料電池は、使用される電解質の種類によって、大別して、高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ）、リン酸型燃料電池（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ Ａｃｉｄ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＭＣＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）、及びアルカリ型燃料電池（Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＡＦＣ）などに分類することができる。
これらのそれぞれの燃料電池は、元々同じ原理により作動するが、使用される燃料の種類、運転温度、触媒、電解質などが互いに異なる。この中で、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、他の燃料電池に比べて低温で動作するという点、及び出力密度が大きくて、小型化が可能であるので、小規模据え置き型発電装備だけでなく、輸送システムでも最も有望なものと知られている。
【0003】
高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）の性能を向上させるにあたり、最も重要な要因のうち１つは、膜－電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）の高分子電解質膜（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ＭｅｍｂｒａｎｅまたはＰｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ：ＰＥＭ）に一定量以上の水分を供給することによって含水率を維持させることである。高分子電解質膜が乾燥されれば、発電効率が急激に低下するためである。
高分子電解質膜を加湿する方法では、１）内圧容器に水を満たした後、対象気体を拡散器（ｄｉｆｆｕｓｅｒ）に通過させて水分を供給するバブラ（ｂｕｂｂｌｅｒ）加湿方式、２）燃料電池反応に必要な供給水分量を計算し、ソレノイドバルブを介してガス流動管に直接水分を供給する直接噴射（ｄｉｒｅｃｔ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）方式、及び３）高分子分離膜を利用してガスの流動層に水分を供給する加湿膜方式などがある。
これらの中でも、排ガス中に含まれる水蒸気のみを選択的に透過させる膜を利用して、水蒸気を高分子電解質膜に供給される空気に提供することによって高分子電解質膜を加湿する膜加湿方式が加湿器を軽量化及び小型化できるという点で有利である。
膜加湿方式に使用される選択的透過膜は、モジュールを形成する場合、単位体積当り透過面積が大きい中空糸膜が好ましい。すなわち、中空糸膜を利用して加湿器を製造する場合、接触表面積が広い中空糸膜の高集積化が可能であって、小容量でも燃料電池の加湿が十分になされることができ、低価素材の使用が可能であり、燃料電池において高温で排出される排ガス（ｏｆｆ－ｇａｓ）に含まれた水分と熱を回収し、加湿器を介して再使用できるという利点を有する。
高分子電解質膜を加湿する方法では、１）内圧容器に水を満たした後、対象気体を拡散器（ｄｉｆｆｕｓｅｒ）に通過させて水分を供給するバブラ（ｂｕｂｂｌｅｒ）加湿方式、２）燃料電池反応に必要な供給水分量を計算し、ソレノイドバルブを介してガス流動管に直接水分を供給する直接噴射（ｄｉｒｅｃｔ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）方式、及び３）高分子分離膜を利用してガスの流動層に水分を供給する加湿膜方式などがある。
これらの中でも、排ガス中に含まれる水蒸気のみを選択的に透過させる膜を利用して、水蒸気を高分子電解質膜に供給される空気に提供することによって高分子電解質膜を加湿する膜加湿方式が加湿器を軽量化及び小型化できるという点で有利である。
膜加湿方式に使用される選択的透過膜は、モジュールを形成する場合、単位体積当り透過面積が大きい中空糸膜が好ましい。すなわち、中空糸膜を利用して加湿器を製造する場合、接触表面積が広い中空糸膜の高集積化が可能であって、小容量でも燃料電池の加湿が十分になされることができ、低価素材の使用が可能であり、燃料電池において高温で排出される排ガス（ｏｆｆ－ｇａｓ）に含まれた水分と熱を回収し、加湿器を介して再使用できるという利点を有する。
【0004】
図１は、従来技術に係る燃料電池システムが示された図である。
図１に示されたように、従来技術の燃料電池システムは、ブロワー（Ｂｌｏｗｅｒ、Ｂ）と、膜加湿器１０と、燃料電池スタックＳと、これらを連結する流路Ｐ１～Ｐ５と、調整弁１５とを備える。Ｐ１は、ブロワーＢと膜加湿器１０とを連結する乾燥ガス供給流路であり、Ｐ２は、膜加湿器１０と燃料電池スタックＳとを連結して加湿された乾燥ガスを供給するスタック流路である。Ｐ３は、燃料電池スタックＳから排出される排ガスを膜加湿器１０に供給する排ガス流入流路であり、Ｐ４は、膜加湿器１０に流入して、水分交換を行った後の排ガスを外部に排出する排ガス排出流路である。Ｐ５は、燃料電池スタックＳから排出される排ガスの一部を、膜加湿器１０を迂回させて排ガス排出流路Ｐ４に流動させるバイパス流路である。ここで、「連結」とは、直接的な連結だけでなく、中間に他の部品が介在される間接的な連結を含む。
膜加湿器１０は、ブロワーＢから供給される乾燥ガスと燃料電池スタックＳから排出される湿潤空気（排ガス）との間に水分交換が起こる加湿モジュール１１及び加湿モジュール１１の両端に結合されたキャップ（１２：１２ａ、１２ｂ）を備える。
図１に示されたように、従来技術の燃料電池システムは、ブロワー（Ｂｌｏｗｅｒ、Ｂ）と、膜加湿器１０と、燃料電池スタックＳと、これらを連結する流路Ｐ１～Ｐ５と、調整弁１５とを備える。Ｐ１は、ブロワーＢと膜加湿器１０とを連結する乾燥ガス供給流路であり、Ｐ２は、膜加湿器１０と燃料電池スタックＳとを連結して加湿された乾燥ガスを供給するスタック流路である。Ｐ３は、燃料電池スタックＳから排出される排ガスを膜加湿器１０に供給する排ガス流入流路であり、Ｐ４は、膜加湿器１０に流入して、水分交換を行った後の排ガスを外部に排出する排ガス排出流路である。Ｐ５は、燃料電池スタックＳから排出される排ガスの一部を、膜加湿器１０を迂回させて排ガス排出流路Ｐ４に流動させるバイパス流路である。ここで、「連結」とは、直接的な連結だけでなく、中間に他の部品が介在される間接的な連結を含む。
膜加湿器１０は、ブロワーＢから供給される乾燥ガスと燃料電池スタックＳから排出される湿潤空気（排ガス）との間に水分交換が起こる加湿モジュール１１及び加湿モジュール１１の両端に結合されたキャップ（１２：１２ａ、１２ｂ）を備える。
【0005】
キャップ１２のうち１つ１２ａには、乾燥ガス流入口１３が形成されて、ブロワーＢから供給される乾燥ガスを加湿モジュール１１に供給し、他の１つ１２ｂには、乾燥ガス排出口１４が形成されて、加湿モジュール１１により加湿された空気を燃料電池スタックＳに供給する。
加湿モジュール１１は、排ガス流入口（ｏｆｆ－ｇａｓ ｉｎｌｅｔ）１１ａａと排ガス排出口（ｏｆｆ－ｇａｓ ｏｕｔｌｅｔ）１１ａｂとを有するミッド－ケース（ｍｉｄ－ｃａｓｅ）１１ａ及びミッド－ケース１１ａ内の複数の中空糸膜１１ｂを備える。中空糸膜１１ｂの束の両末端は、ポッティング部１１ｃに固定される。ポッティング部１１ｃは、一般的にキャスティング（ｃａｓｔｉｎｇ）方式によって液状ポリウレタン樹脂のような液状ポリマーを硬化させることにより形成される。
ブロワーＢから供給される乾燥ガスは、中空糸膜１１ｂの中空に沿って流れる。排ガス流入口１１ａａを介してミッド－ケース１１ａ内に流入した排ガスは、中空糸膜１１ｂの外表面と接触した後、排ガス排出口１１ａｂを介してミッド－ケース１１ａから排出される。排ガスが中空糸膜１１ｂの外表面と接触するとき、排ガス内に含有されていた水分が中空糸膜１１ｂを透過することにより、中空糸膜１１ｂの中空に沿って流れていた乾燥ガスを加湿する。
キャップ１２の内部空間は、中空糸膜１１ｂの中空と流体連通するだけであり、ミッド－ケース１１ａの内部空間とは完全に遮断されていなければならない。それとも、圧力差による空気漏れが発生して燃料電池スタックに供給される加湿空気の量が減り、燃料電池の発電効率が低下する。
加湿モジュール１１は、排ガス流入口（ｏｆｆ－ｇａｓ ｉｎｌｅｔ）１１ａａと排ガス排出口（ｏｆｆ－ｇａｓ ｏｕｔｌｅｔ）１１ａｂとを有するミッド－ケース（ｍｉｄ－ｃａｓｅ）１１ａ及びミッド－ケース１１ａ内の複数の中空糸膜１１ｂを備える。中空糸膜１１ｂの束の両末端は、ポッティング部１１ｃに固定される。ポッティング部１１ｃは、一般的にキャスティング（ｃａｓｔｉｎｇ）方式によって液状ポリウレタン樹脂のような液状ポリマーを硬化させることにより形成される。
ブロワーＢから供給される乾燥ガスは、中空糸膜１１ｂの中空に沿って流れる。排ガス流入口１１ａａを介してミッド－ケース１１ａ内に流入した排ガスは、中空糸膜１１ｂの外表面と接触した後、排ガス排出口１１ａｂを介してミッド－ケース１１ａから排出される。排ガスが中空糸膜１１ｂの外表面と接触するとき、排ガス内に含有されていた水分が中空糸膜１１ｂを透過することにより、中空糸膜１１ｂの中空に沿って流れていた乾燥ガスを加湿する。
キャップ１２の内部空間は、中空糸膜１１ｂの中空と流体連通するだけであり、ミッド－ケース１１ａの内部空間とは完全に遮断されていなければならない。それとも、圧力差による空気漏れが発生して燃料電池スタックに供給される加湿空気の量が減り、燃料電池の発電効率が低下する。
【0006】
一方、システムの出力値制御、外部排気ガスの汚染度調整などの必要に応じて、燃料電池スタックＳから排出されて膜加湿器１０に供給される排ガスの一部は、バイパス流路Ｐ５を介して膜加湿器１０を迂回し、排ガス排出流路Ｐ４と合流して外部に排出される。
このとき、バイパス流路Ｐ５を介して迂回するバイパス流量は、バイパス流路Ｐ５上に設けられた調整弁１５により調整される。調整弁１５は、制御機（図示せず）の制御によって開閉程度が決定され得る。このような調整弁１５は、回動開閉されるバルブプレートと、ユーザの操作または制御機の信号に応じてバルブプレートの開閉角度を調整する調整口などを備えなければならないので、部品数が多くなり、費用が上昇し、燃料電池システムが複雑になるという短所がある。
このとき、バイパス流路Ｐ５を介して迂回するバイパス流量は、バイパス流路Ｐ５上に設けられた調整弁１５により調整される。調整弁１５は、制御機（図示せず）の制御によって開閉程度が決定され得る。このような調整弁１５は、回動開閉されるバルブプレートと、ユーザの操作または制御機の信号に応じてバルブプレートの開閉角度を調整する調整口などを備えなければならないので、部品数が多くなり、費用が上昇し、燃料電池システムが複雑になるという短所がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、燃料電池スタックから排出される排ガスの温度によってバイパス流量を自動に調整できるバイパス流量調整が可能な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】
【0008】
本発明の実施形態に係るバイパス流量調整が可能な燃料電池システムは、
燃料電池スタックから排出される排ガスの少なくとも一部を膜加湿器に供給する排ガス流入流路と、前記膜加湿器に流入して、水分交換を行った後の排ガスを外部に排出する排ガス排出流路と、前記燃料電池スタックから排出される排ガスの少なくとも一部を前記膜加湿器を迂回させて前記排ガス排出流路に流動させるバイパス流路と、前記バイパス流路に形成され、前記燃料電池スタックから排出される排ガスの温度によって前記バイパス流路の開度を調整するバイパス流量調整部とを備える。
本発明の実施形態に係るバイパス流量調整が可能な燃料電池システムにおいて、前記バイパス流量調整部は、第１の温度範囲で収縮し、前記第１の温度範囲より大きい第２の温度範囲で膨脹する熱膨張物質を含むことができる。
本発明の実施形態に係るバイパス流量調整が可能な燃料電池システムにおいて、前記バイパス流量調整部は、前記バイパス流路の内壁にリング状で形成されることができる。
本発明の実施形態に係るバイパス流量調整が可能な燃料電池システムにおいて、前記バイパス流量調整部は、前記バイパス流路の内壁に形成された環状固定溝にリング状で挿入されることができる。
本発明の実施形態に係るバイパス流量調整が可能な燃料電池システムにおいて、前記排ガス流入流路と前記バイパス流路とは、同じ方向に形成されることができる。
燃料電池スタックから排出される排ガスの少なくとも一部を膜加湿器に供給する排ガス流入流路と、前記膜加湿器に流入して、水分交換を行った後の排ガスを外部に排出する排ガス排出流路と、前記燃料電池スタックから排出される排ガスの少なくとも一部を前記膜加湿器を迂回させて前記排ガス排出流路に流動させるバイパス流路と、前記バイパス流路に形成され、前記燃料電池スタックから排出される排ガスの温度によって前記バイパス流路の開度を調整するバイパス流量調整部とを備える。
本発明の実施形態に係るバイパス流量調整が可能な燃料電池システムにおいて、前記バイパス流量調整部は、第１の温度範囲で収縮し、前記第１の温度範囲より大きい第２の温度範囲で膨脹する熱膨張物質を含むことができる。
本発明の実施形態に係るバイパス流量調整が可能な燃料電池システムにおいて、前記バイパス流量調整部は、前記バイパス流路の内壁にリング状で形成されることができる。
本発明の実施形態に係るバイパス流量調整が可能な燃料電池システムにおいて、前記バイパス流量調整部は、前記バイパス流路の内壁に形成された環状固定溝にリング状で挿入されることができる。
本発明の実施形態に係るバイパス流量調整が可能な燃料電池システムにおいて、前記排ガス流入流路と前記バイパス流路とは、同じ方向に形成されることができる。
【0009】
本発明の実施形態に係るバイパス流量調整が可能な燃料電池システムにおいて、前記膜加湿器は、前記排ガス流入流路と連結される排ガス流入口が形成されたミッド－ケースと、前記ミッド－ケースと締め付けられるキャップと、前記ミッド－ケース内に配置され、複数の中空糸膜を収容する加湿モジュールとを備えることができる。
本発明の実施形態に係るバイパス流量調整が可能な燃料電池システムにおいて、前記加湿モジュールは、複数の中空糸膜を収容するインナーケースと、前記インナーケース末端に形成されるポッティング部を備える少なくとも１つ以上のカートリッジとを備えることができる。
その他、本発明の様々な側面による実現例等の具体的な事項は、以下の詳細な説明に含まれている。
本発明の実施形態に係るバイパス流量調整が可能な燃料電池システムにおいて、前記加湿モジュールは、複数の中空糸膜を収容するインナーケースと、前記インナーケース末端に形成されるポッティング部を備える少なくとも１つ以上のカートリッジとを備えることができる。
その他、本発明の様々な側面による実現例等の具体的な事項は、以下の詳細な説明に含まれている。
【発明の効果】
【0010】
本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおいて、バイパス流量調整部は、バルブなどの追加的な部品がなくても、燃料電池スタックから排出される排ガスの温度によってバイパス流路の開度を自動に調整できるようになる。したがって、全体的なシステムの部品数が減り、サイズを小型化することができ、製造費用を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】従来技術に係る燃料電池システムが示された図である。
【図2】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムが示された図である。
【図3】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムのバイパス流量調整部が拡大図示された図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
本発明は、様々な変換を加えることができ、種々の実施形態を有することができるところ、特定実施形態を例示し、詳細な説明に詳細に説明しようとする。しかし、これは、本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変換、均等物ないし代替物を含むことと理解されなければならない。
本発明において使用した用語は、単に特定の実施形態を説明するために使用されたものであって、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は、文脈上明白に異なるように意味しない限り、複数の表現を含む。本明細書において、「含む」または「有する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部品、またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであり、１つまたはそれ以上の他の特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部品、またはこれらを組み合わせたものの存在または付加可能性を予め排除しないことと理解されるべきである。以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る燃料電池システムを説明する。
図２は、本発明の一実施形態に係るバイパス流量調整が可能な燃料電池システム（以下、「燃料電池システム」）が示された図である。
図２に示されたように、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムは、ブロワーＢと、膜加湿器１００と、燃料電池スタックＳと、これらを連結する流路Ｐ１～Ｐ５と、バイパス流量調整部（１５０、図３参照）とを備えることができる。
Ｐ１は、ブロワーＢと膜加湿器１００とを連結する乾燥ガス供給流路であり、Ｐ２は、膜加湿器１００と燃料電池スタックＳとを連結して加湿された乾燥ガスを供給するスタック流路である。Ｐ３は、燃料電池スタックＳから排出される排ガスを膜加湿器１００に供給する排ガス流入流路であり、Ｐ４は、膜加湿器１００に流入して、水分交換を行った後の排ガスを外部に排出する排ガス排出流路である。Ｐ５は、燃料電池スタックＳから排出される排ガスの一部を、膜加湿器１００を迂回させて排ガス排出流路Ｐ４に流動させるバイパス流路である。ここで、「連結」とは、直接的な連結だけでなく、中間に他の部品が介在される間接的な連結を含む。
本発明において使用した用語は、単に特定の実施形態を説明するために使用されたものであって、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は、文脈上明白に異なるように意味しない限り、複数の表現を含む。本明細書において、「含む」または「有する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部品、またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであり、１つまたはそれ以上の他の特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部品、またはこれらを組み合わせたものの存在または付加可能性を予め排除しないことと理解されるべきである。以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る燃料電池システムを説明する。
図２は、本発明の一実施形態に係るバイパス流量調整が可能な燃料電池システム（以下、「燃料電池システム」）が示された図である。
図２に示されたように、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムは、ブロワーＢと、膜加湿器１００と、燃料電池スタックＳと、これらを連結する流路Ｐ１～Ｐ５と、バイパス流量調整部（１５０、図３参照）とを備えることができる。
Ｐ１は、ブロワーＢと膜加湿器１００とを連結する乾燥ガス供給流路であり、Ｐ２は、膜加湿器１００と燃料電池スタックＳとを連結して加湿された乾燥ガスを供給するスタック流路である。Ｐ３は、燃料電池スタックＳから排出される排ガスを膜加湿器１００に供給する排ガス流入流路であり、Ｐ４は、膜加湿器１００に流入して、水分交換を行った後の排ガスを外部に排出する排ガス排出流路である。Ｐ５は、燃料電池スタックＳから排出される排ガスの一部を、膜加湿器１００を迂回させて排ガス排出流路Ｐ４に流動させるバイパス流路である。ここで、「連結」とは、直接的な連結だけでなく、中間に他の部品が介在される間接的な連結を含む。
【0013】
ブロワーＢは、大気中の空気を収集して膜加湿器１００に供給する。燃料電池スタックＳの出力サイズによってブロワーＢの出力サイズが決定され得る。選択によって、ブロワーＢの前端には、微細ほこりを除去するフィルタ（図示せず）が設けられ得るし、ブロワーＢと膜加湿器１００との間には、膜加湿器１００に供給される乾燥ガスを冷却させるクーラ（図示せず）が設けられ得る。
膜加湿器１００は、乾燥ガスを加湿して燃料電池スタックＳに供給する。膜加湿器１００は、ブロワーＢから供給される乾燥ガスを燃料電池スタックＳから排出される排ガス内の水分で加湿する加湿モジュール１１０を備える。加湿モジュール１１０の両末端の各々は、キャップ（１２０：１２０ａ、１２０ｂ）と結合される。加湿モジュール１１０とキャップ１２０とは、分離形成されることができ、一体型で形成されることもできる。
キャップ１２０のうち１つ１２０ａには、乾燥ガス流入口１３０が形成されて、ブロワーＢから供給される乾燥ガスを加湿モジュール１１０に供給し、他の１つ１２０ｂには、乾燥ガス排出口１４０が形成されて、加湿モジュール１１０により加湿された空気を燃料電池スタックＳに供給する。
乾燥ガス流入口１３０は、ブロワーＢと膜加湿器１０とを連結する乾燥ガス供給流路Ｐ１と連結されることができる。乾燥ガス排出口１４０は、膜加湿器１０と燃料電池スタックＳとを連結するスタック流路Ｐ２と連結されることができる。
加湿モジュール１１０は、ブロワーＢから供給される乾燥ガスと排ガスとの間の水分交換が起こる装置であって、排ガス流入口（ｏｆｆ－ｇａｓ ｉｎｌｅｔ）１１１ａと排ガス排出口（ｏｆｆ－ｇａｓ ｏｕｔｌｅｔ）１１１ｂとを有するミッド－ケース（ｍｉｄ－ｃａｓｅ）１１１及びミッド－ケース１１１内の複数の中空糸膜１１２を備える。中空糸膜１１２の束の両末端は、ポッティング部１１３に固定される。
膜加湿器１００は、乾燥ガスを加湿して燃料電池スタックＳに供給する。膜加湿器１００は、ブロワーＢから供給される乾燥ガスを燃料電池スタックＳから排出される排ガス内の水分で加湿する加湿モジュール１１０を備える。加湿モジュール１１０の両末端の各々は、キャップ（１２０：１２０ａ、１２０ｂ）と結合される。加湿モジュール１１０とキャップ１２０とは、分離形成されることができ、一体型で形成されることもできる。
キャップ１２０のうち１つ１２０ａには、乾燥ガス流入口１３０が形成されて、ブロワーＢから供給される乾燥ガスを加湿モジュール１１０に供給し、他の１つ１２０ｂには、乾燥ガス排出口１４０が形成されて、加湿モジュール１１０により加湿された空気を燃料電池スタックＳに供給する。
乾燥ガス流入口１３０は、ブロワーＢと膜加湿器１０とを連結する乾燥ガス供給流路Ｐ１と連結されることができる。乾燥ガス排出口１４０は、膜加湿器１０と燃料電池スタックＳとを連結するスタック流路Ｐ２と連結されることができる。
加湿モジュール１１０は、ブロワーＢから供給される乾燥ガスと排ガスとの間の水分交換が起こる装置であって、排ガス流入口（ｏｆｆ－ｇａｓ ｉｎｌｅｔ）１１１ａと排ガス排出口（ｏｆｆ－ｇａｓ ｏｕｔｌｅｔ）１１１ｂとを有するミッド－ケース（ｍｉｄ－ｃａｓｅ）１１１及びミッド－ケース１１１内の複数の中空糸膜１１２を備える。中空糸膜１１２の束の両末端は、ポッティング部１１３に固定される。
【0014】
または、加湿モジュール１１０は、複数の中空糸膜１１２及びこれらを互いに固定させるポッティング部１１３を備える少なくとも１つのカートリッジを備えることができ、この場合、中空糸膜１１２及びポッティング部１１３は、別のカートリッジ用ケース（インナーケース）内に形成されることができる。この場合、中空糸膜１１２は、インナーケース内に収容され、ポッティング部１１３は、インナーケース末端に形成されることができる。加湿モジュール１１０がカートリッジを備える場合、カートリッジの両側末端とミッド－ケース１１１との間には、カートリッジ固定のための樹脂層が形成されるか、または機械的な組立を介して気密結合するガスケット組立体をさらに備えることができる。
ミッド－ケース１１１とキャップ１２０とは、各々独立的に硬質プラスチックや金属で形成されることができ、円形または多角形の幅方向断面を有することができる。円形は、楕円形を含み、多角形は、丸い角（ｒｏｕｎｄｅｄ ｃｏｒｎｅｒ）を有する多角形を含む。例えば、硬質プラスチックは、ポリカーボネート、ポリアミド（ＰＡ）、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）などであることができる。
中空糸膜１１２は、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、スルホン化ポリスルホン樹脂、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）樹脂、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエステルイミド樹脂、または、これらのうち、少なくとも２つ以上の混合物で形成された高分子膜を含むことができ、ポッティング部１１３は、ディップポッティング、遠心ポッティングなどのキャスティング方式によって液状ポリウレタン樹脂のような液状樹脂を硬化させることにより形成されることができる。
ミッド－ケース１１１とキャップ１２０とは、各々独立的に硬質プラスチックや金属で形成されることができ、円形または多角形の幅方向断面を有することができる。円形は、楕円形を含み、多角形は、丸い角（ｒｏｕｎｄｅｄ ｃｏｒｎｅｒ）を有する多角形を含む。例えば、硬質プラスチックは、ポリカーボネート、ポリアミド（ＰＡ）、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）などであることができる。
中空糸膜１１２は、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、スルホン化ポリスルホン樹脂、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）樹脂、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエステルイミド樹脂、または、これらのうち、少なくとも２つ以上の混合物で形成された高分子膜を含むことができ、ポッティング部１１３は、ディップポッティング、遠心ポッティングなどのキャスティング方式によって液状ポリウレタン樹脂のような液状樹脂を硬化させることにより形成されることができる。
【0015】
ブロワーＢから供給される乾燥ガスは、中空糸膜１１２の中空に沿って流れる。排ガス流入口１１１ａを介してミッド－ケース１１１内に流入した排ガスは、中空糸膜１１２の外表面と接触した後、排ガス排出口１１１ｂを介してミッド－ケース１１１から排出される。排ガスが中空糸膜１１２の外表面と接触するとき、排ガス内に含有されていた水分が中空糸膜１１２を透過することによって中空糸膜１１２の中空に沿って流れていた乾燥ガスを加湿する。
一方、燃料電池スタックＳから排出されて膜加湿器１０に供給される排ガスの一部は、燃料電池スタックＳから排出される排ガスの温度によってバイパス流路Ｐ５の開度を調整するバイパス流量調整部１５０により流量が調整され得る。バイパス流量調整部１５０は、別の追加的な部品がなくても、排ガスの温度によって自動に開閉程度が調整され得る。したがって、全体的なシステムの部品数が減り、サイズを小型化でき、製造費用を低減できる。このようなバイパス流量調整部１５０について図３を参照して詳細に説明する。
図３は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムのバイパス流量調整部１５０が示された図であって、図２の「Ａ」部分が拡大図示された図である。
図３に示されたように、バイパス流量調整部１５０は、バイパス流路Ｐ５に形成されて、燃料電池スタックＳから排出される排ガスの温度によってバイパス流路Ｐ５の開度を調整できる。バイパス流路Ｐ５は、排ガス流入流路Ｐ３と連結形成されることができる。また、排ガス流入流路Ｐ３は、排ガス流入口１１１ａと連結形成されることができる。排ガス流入流路Ｐ３と排ガス流入口１１１ａとは、所定の角度、例えば、直角をなして形成されることができる。
バイパス流量調整部１５０は、バイパス流路Ｐ５の内壁に形成されることができる。バイパス流量調整部１５０は、バイパス流路Ｐ５の内壁にリング状で形成されることができる。または、バイパス流路Ｐ５の内壁に環状固定溝１５１が形成され、バイパス流量調整部１５０は、リング状で形成されて、環状固定溝１５１に挿入固定されることができる。
一方、燃料電池スタックＳから排出されて膜加湿器１０に供給される排ガスの一部は、燃料電池スタックＳから排出される排ガスの温度によってバイパス流路Ｐ５の開度を調整するバイパス流量調整部１５０により流量が調整され得る。バイパス流量調整部１５０は、別の追加的な部品がなくても、排ガスの温度によって自動に開閉程度が調整され得る。したがって、全体的なシステムの部品数が減り、サイズを小型化でき、製造費用を低減できる。このようなバイパス流量調整部１５０について図３を参照して詳細に説明する。
図３は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムのバイパス流量調整部１５０が示された図であって、図２の「Ａ」部分が拡大図示された図である。
図３に示されたように、バイパス流量調整部１５０は、バイパス流路Ｐ５に形成されて、燃料電池スタックＳから排出される排ガスの温度によってバイパス流路Ｐ５の開度を調整できる。バイパス流路Ｐ５は、排ガス流入流路Ｐ３と連結形成されることができる。また、排ガス流入流路Ｐ３は、排ガス流入口１１１ａと連結形成されることができる。排ガス流入流路Ｐ３と排ガス流入口１１１ａとは、所定の角度、例えば、直角をなして形成されることができる。
バイパス流量調整部１５０は、バイパス流路Ｐ５の内壁に形成されることができる。バイパス流量調整部１５０は、バイパス流路Ｐ５の内壁にリング状で形成されることができる。または、バイパス流路Ｐ５の内壁に環状固定溝１５１が形成され、バイパス流量調整部１５０は、リング状で形成されて、環状固定溝１５１に挿入固定されることができる。
【0016】
バイパス流量調整部１５０は、排ガスの温度によって熱膨張する物質からなることができる。バイパス流量調整部１５０は、第１の温度範囲で収縮し、第１の温度範囲より大きい第２の温度範囲で膨脹する熱膨張物質を含むことができる。すなわち、バイパス流量調整部１５０は、低温では収縮し、高温では膨脹する熱膨張物質を含むことができる。
排ガス流入流路Ｐ３とバイパス流路Ｐ５とは、同じ方向に形成されることが好ましい。排ガス流入流路Ｐ３とバイパス流路Ｐ５とが同じ方向に形成される場合、バイパス流量調整部１５０が排ガスの流れ方向と対面するようになるので、温度による収縮／膨脹が効果的に行われ得る。
排ガス流入流路Ｐ３を介して流動する排ガスは、排ガス流入口１１１ａとバイパス流路Ｐ５とに分配される。このとき、バイパス流路Ｐ５に流れる排ガスの大小によって、排ガス流入口１１１ａを介して膜加湿器１００に供給される排ガスの大小が決定される。また、バイパス流路Ｐ５に流動する排ガスの流量は、バイパス流量調整部１５０により決定される。これについて、図４及び図５を参照して説明する。
図４は、低出力環境でバイパス流量調整部１５０の動作状態が示された図である。燃料電池スタックＳの出力がおおよそ４０ｋＷ未満である場合、低出力環境といえる。低出力環境では、燃料電池スタックＳから相対的に低温の排ガスが供給される。ここで、低温は、略５０℃未満の第１の温度範囲であることができる。
排ガス流入流路Ｐ３とバイパス流路Ｐ５とは、同じ方向に形成されることが好ましい。排ガス流入流路Ｐ３とバイパス流路Ｐ５とが同じ方向に形成される場合、バイパス流量調整部１５０が排ガスの流れ方向と対面するようになるので、温度による収縮／膨脹が効果的に行われ得る。
排ガス流入流路Ｐ３を介して流動する排ガスは、排ガス流入口１１１ａとバイパス流路Ｐ５とに分配される。このとき、バイパス流路Ｐ５に流れる排ガスの大小によって、排ガス流入口１１１ａを介して膜加湿器１００に供給される排ガスの大小が決定される。また、バイパス流路Ｐ５に流動する排ガスの流量は、バイパス流量調整部１５０により決定される。これについて、図４及び図５を参照して説明する。
図４は、低出力環境でバイパス流量調整部１５０の動作状態が示された図である。燃料電池スタックＳの出力がおおよそ４０ｋＷ未満である場合、低出力環境といえる。低出力環境では、燃料電池スタックＳから相対的に低温の排ガスが供給される。ここで、低温は、略５０℃未満の第１の温度範囲であることができる。
【0017】
排ガスが低温であるので、バイパス流量調整部１５０は、相対的に収縮して、バイパス流路Ｐ５の開度直径がＬ１になる。したがって、バイパス流路Ｐ５には、高出力環境に比べて相対的に多い排ガスが流れるようになり、膜加湿器１００には、相対的に少ない量の低温排ガスが供給される。
図５は、高出力環境でバイパス流量調整部１５０の動作状態が示された図である。燃料電池スタックＳの出力がおおよそ４０ｋＷ以上である場合、高出力環境といえる。高出力環境では、燃料電池スタックＳから相対的に高温の排ガスが供給される。ここで、高温は、略５０～１５０℃範囲であって、第１の温度範囲より大きい第２の温度範囲であることができる。
排ガスが高温であるので、バイパス流量調整部１５０は、膨脹してバイパス流路Ｐ５の開度直径がＬ１より小さいＬ２になる。したがって、バイパス流路Ｐ５には、低出力環境に比べて相対的に少ない排ガスが流れるようになり、膜加湿器１００には、相対的に多い量の高温排ガスが供給される。
上記のような本発明の一実施形態に係る燃料電池システムにおいて、バイパス流量調整部１５０は、バルブなどの追加的な部品がなくても、燃料電池スタックＳから排出される排ガスの温度によってバイパス流路Ｐ５の開度を自動に調整できるようになる。したがって、全体的なシステムの部品数が減り、サイズを小型化することができ、製造費用を低減できる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、当該技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された本発明の思想から逸脱しない範囲内で、構成要素の付加、変更、削除、または追加などによって本発明を様々に修正及び変更させ得るであろうし、これも本発明の権利範囲内に含まれるといえるであろう。
図５は、高出力環境でバイパス流量調整部１５０の動作状態が示された図である。燃料電池スタックＳの出力がおおよそ４０ｋＷ以上である場合、高出力環境といえる。高出力環境では、燃料電池スタックＳから相対的に高温の排ガスが供給される。ここで、高温は、略５０～１５０℃範囲であって、第１の温度範囲より大きい第２の温度範囲であることができる。
排ガスが高温であるので、バイパス流量調整部１５０は、膨脹してバイパス流路Ｐ５の開度直径がＬ１より小さいＬ２になる。したがって、バイパス流路Ｐ５には、低出力環境に比べて相対的に少ない排ガスが流れるようになり、膜加湿器１００には、相対的に多い量の高温排ガスが供給される。
上記のような本発明の一実施形態に係る燃料電池システムにおいて、バイパス流量調整部１５０は、バルブなどの追加的な部品がなくても、燃料電池スタックＳから排出される排ガスの温度によってバイパス流路Ｐ５の開度を自動に調整できるようになる。したがって、全体的なシステムの部品数が減り、サイズを小型化することができ、製造費用を低減できる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、当該技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された本発明の思想から逸脱しない範囲内で、構成要素の付加、変更、削除、または追加などによって本発明を様々に修正及び変更させ得るであろうし、これも本発明の権利範囲内に含まれるといえるであろう。
【符号の説明】
【0018】
１００：燃料電池膜加湿器 １１０：加湿モジュール
１１１ａ：排ガス流入口 １１１ｂ：排ガス排出口
１２０：キャップ １５０：バイパス流量調整部
Ｂ：ブロワー Ｓ：燃料電池スタック
Ｐ１：乾燥ガス供給流路 Ｐ２：スタック流路
Ｐ３：排ガス流入流路 Ｐ４：排ガス排出流路
Ｐ５：バイパス流路
１１１ａ：排ガス流入口 １１１ｂ：排ガス排出口
１２０：キャップ １５０：バイパス流量調整部
Ｂ：ブロワー Ｓ：燃料電池スタック
Ｐ１：乾燥ガス供給流路 Ｐ２：スタック流路
Ｐ３：排ガス流入流路 Ｐ４：排ガス排出流路
Ｐ５：バイパス流路
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【国際調査報告】