JP2015519004A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

本発明は燃料電池システムに関するものであり、燃料電池と改質器を収容するホットボックスと、初期駆動時にホットボックスの温度を反応温度まで加熱するスタートバーナーと、前記スタートバーナーの熱又は排気ガスの熱を利用して吸気される外部空気を加熱して前記燃料電池に供給する第１熱交換部と、前記排気ガスの熱を利用してスチームを発生して供給し、温度が下がった前記排気ガスで燃料電池を冷却させて前記反応温度を維持する第２熱交換部と、を含む。本発明は初期作動時に外部空気を加熱する手段を設け、後に排気ガスを利用して吸気される外部空気を持続的に加熱して供給し、外部空気の流入によるホットボックスの内部温度の変化を防止することで、ホットボックスの温度を反応温度に維持して発電効率が低下することを防止する効果がある。【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関するものであり、より詳しくは、常温の外部空気がホットボックスの内部に直接供給されてホットボックスの温度に影響を及ぼして効率が低下することを防止する燃料電池システムに関するものである。
一般に、人類が使用しているエネルギーのうち殆どは化石燃料から得ている。しかし、このような化石燃料の使用は大気汚染及び酸性雨、地球温暖化など環境に深刻な悪影響を及ぼしており、エネルギー効率も低いなどの問題点がある。
このような化石燃料の使用による問題点を解決するために、最近燃料電池システムが開発されている。このような燃料電池は通常の２次電池とは異なって負極に燃料である水素ガスや炭化水素を供給し、正極には酸素を供給して電気を発生する構造を有する。
即ち、燃料電池は名称は電池であるが実際には電気を発生する発電装置であるといえる。基本的に燃料電気は燃料を燃焼せずに水素と酸素で電気化学的反応を起こし、その反応前後のエネルギーの差を電気エネルギーに変換する方法を使用する。
燃料電池はＮＯＸとＳＯＸなど環境を汚染するガスが発生せず、消音かつ振動がないシステムであって、熱効率が電気発電量と熱回収量を合わせて８０％以上であるクリーンな発電システムである。
このような燃料電池の水素と酸素の反応は発熱反応であり、熱が発生する。一方、燃料電池は電解質としてリン酸を主に使用しており、このようなリン酸型燃料電池の運転温度は約２００℃と知られている。これはリン酸電解質が許容する最大温度であり、燃料電池は反応温度である２００℃で水素と酸素の反応が最も円滑に行われると知られているが、その水素と酸素の発熱反応によって熱が発生することで水素と酸素の反応が円滑にならないため効率が低くなる恐れがある。よって、燃料電池を冷却する冷却構造が必然的に要求されている。
また、燃料電池の他の例として、電解質として低い溶融点を有する炭化リチウムと炭化カリウムの混合物を使用する溶融炭酸塩型燃料電池があり、溶融炭酸塩型燃料電池の運転温度は約６５０℃でそのような運転温度を維持するためのホットボックスが設置される。
このような、燃料電池の効率と密接な関係がある運転温度の維持と発電効率を上げるために、多様な燃料電池システムが提案されている。
例えば、特許文献１には発電原料の効率的な燃焼のために酸素が含有された空気を供給する空気供給装置を含む構成として、ホットボックスを適正な温度まで下げるための外部空気を流入する二重吸気方式を使用している。
詳細には、前記特許文献１には酸素が含有された空気を供給するために一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去器を吸入通路に連結した構成について言及している。
しかし、外部吸気筒、空気吸入口、フィルタを介して供給された空気を空気圧力調節手段を介して燃料処理装置などに直接供給する構成を有しているが、これは常温の空気を直接供給して使用するためホットボックス内部の温度が下がる現象が発生する恐れがある。
このように、ホットボックスの温度が反応温度に比べ低くなると発電効率が下がる問題点があった。
韓国登録特許１０−０７８７２４４号
前記のような問題点を踏まえた本発明が解決しようとする技術的課題は、吸気される外部空気によるホットボックス内部の温度変化を最小化する燃料電池システムを提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、吸気ラインを単一化してシステム構造をより単純化する燃料電池システムを提供することにある。
前記のような課題を解決するための本発明の燃料電池システムは、燃料電池と改質器を収容するホットボックスと、初期駆動時にホットボックスの温度を反応温度まで加熱するスタートバーナーと、前記スタートバーナーの熱又は排気ガスの熱を利用して吸気される外部空気を加熱して前記燃料電池に供給する第１熱交換部と、前記排気ガスの熱を利用してスチームを発生して供給し、温度が下がった前記排気ガスで燃料電池を冷却させて前記反応温度を維持する第２熱交換部と、を含む。
前記改質器は前記スチームと燃料ガスを供給されて水素ガスに改質する改質部と、前記改質部を加熱するバーナーと、を含む。
前記バーナーは前記燃料電池での反応後、未反応の水素及び酸素を反応させる発熱反応によって前記改質部を加熱する。
前記バーナーは主バーナーと補助バーナーで形成され、前記未反応の水素及び酸素が前記主バーナーと前記補助バーナーに順次に供給されるようにして未反応ガスを最小化する。
前記ホットボックスの内部を囲むように設けられると共に前記第１熱交換部に連結され、前記スタートバーナーの熱で前記ホットボックスを反応温度まで加熱すると共に前記第２熱交換部の排気ガスで前記ホットボックスの温度を下げて反応温度を維持する燃焼ガスラインを更に含む。
本発明の燃料電池システムは、初期作動時に外部空気を加熱する手段を設け、後に排気ガスを利用して吸気される外部空気を持続的に加熱して供給し、外部空気の流入によるホットボックスの内部温度の変化を防止することで、ホットボックスの温度を反応温度に維持して発電効率が低下することを防止する効果がある。
また、本発明の燃料電池システムは、排気ガスを利用して原料ガスを改質するためのスチームを発生すると共に燃料電池から発生する熱の増加分を解消し、流入される外部空気を加熱するように構成してシステム構成の効率性を上げ構成を単純化する効果がある。
また、本発明の燃料電池システムは、吸気ラインをと排気ラインをそれぞれ単一化してシステム構成をより単純化する効果がある。
本発明の好ましい実施例による燃料電池システムのブロック構成図である。 本発明の好ましい実施例による燃料電池システムの結合関係を示す構成図である。
図１は、本発明の好ましい実施例による燃料電池システムのブロック構成図である。
図１を参照する。本発明の好ましい実施例による燃料電池システムは、初期動作時にホットボックス３００を加熱するスタートバーナー１００と、前記スタートバーナー１００の熱又は排気ガスで外部空気を加熱してホットボックス３００内に供給する第１熱交換部２００と、前記ホットボックス３００内に位置して原料ガスＮＧを改質する改質器４００と、前記ホットボックス３００内で前記改質器４００で改質された原料ガスを供給されると共に前記第１熱交換部２００を介して加熱された外部空気を供給されて触媒反応を介して発電する燃料電池５００と、前記燃料電池５００で未反応の排気ガスを前記改質器４００を介して供給されてその未反応排気ガスの顕熱を利用して蒸気を発生し、前記原料ガスＮＧと共に前記改質器４００に供給すると共に前記熱交換された未反応排気ガスを前記第１熱交換部２００を介して外気に排出する第２熱交換部６００と、を含んで構成される。
以下、前記のように構成される本発明の好ましい実施例による燃料電池システムの構成と作用をより詳細に説明する。
まず、ホットボックス３００は反応温度を維持するために収容された改質器４００と燃料電池５００を外気と遮断する役割をするもので、初期運転時にも発電効率を上げるためには反応温度まで予熱することが要求される。
このようなホットボックス３００の動作条件を満足するために、初期運転時にはスタートバーナー１００を使用して前記ホットボックス３００の温度を反応温度まで加熱する。前記燃料電池５００での反応温度が７５０℃であると仮定すると、前記スタートバーナー１００によって加熱された空気を前記ホットボックス３００に供給する燃焼ガスライン１００が設けられてそのホットボックス３００の温度を７５０℃まで加熱する。
この際、図１では説明の便宜上、前記燃焼ガスライン１１０がホットボックス３００を上下貫通して通るように図示しているが、実際には燃焼ガスライン１１０がホットボックス３００の内部に巻かれている構造である。
図２は、本発明の好ましい実施例による燃料電池システムの結合関係を示す構成図である。
図２を参照する。前記燃焼ガスライン１１０はホットボックス３００の内側で前記燃料電池５００の外側面から所定間隔離隔されて多数回囲んでいる構造であることが分かる。
前記図２はスタートバーナー１００、ホットボックス３００、改質器４００及び燃料電池５００を図示しており、第１及び第２熱交換部２００，６００の構成は省略している。
ホットボックス３００の内側に設けられた改質器４００と燃料電池５００は互いに上下配置された構造であり、このような構造によって装置の大きさを減らすことができる。
前記のようにスタートバーナー１００によってホットボックス３００が反応温度まで加熱された状態で前記スタートバーナー１００は運転が停止される。
前記燃料ガスライン１１０は第１熱交換部２００に連結されており、その第１熱交換部２００からホットボックス３００に供給される外部空気を熱交換を介して加熱する役割をする。
これは、常温の外部空気が流入されれば前記ホットボックス３００の内部温度が下がり、前記外部空気を加熱して供給することでホットボックス３００の内部温度の変化を最小化することができる。
よって、反応効率の低下、即ち、発電効率の低下を防止することができ、全体的なシステムの温度変化を容易に予測して正確な温度範囲内で動作するように設計することが容易になる。
前記加熱された外部空気は酸素を含んでおり、その酸素を含んで加熱された外部空気は前記ホットボックス３００の内部に吸気されて燃料電池５００の両極５１０に供給される。
前記燃料電池５００の負極５２０には水素が供給されて水素と酸素の反応によって発電する。このように、負極５２０に水素を供給するために改質器４００を使用する。
前記改質器４００は改質部４２０と主バーナー４１０及び補助バーナー４３０で構成されており、改質部４２０では原料ガスＮＧと第２熱交換部６００のスチームを供給されて改質して水素ガスを燃料電池５００の方に供給する。
前記改質器４００は必要に応じて一酸化炭素を酸化させて除去する機能を含む。前記改質器４００の改質部４２０で起こる改質反応は吸熱反応であり、このような改質反応を持続するためには持続的な熱の供給が必要である。
このように熱を供給するために主バーナー４１０と補助バーナー４３０で改質部４２０を加熱する。
前記主バーナー４１０と補助バーナー４３０は触媒バーナーであり、燃料電池５００から排出される未反応ガスで水素と酸素を反応させる発熱反応によって発生する８００乃至９００℃の熱で前記改質部４２０を加熱して改質反応を起こす。
このように改質された原料ガスＮＧは上述したように前記燃料電池５００の負極５２０に供給される。
前記燃料電池５００の負極５２０に水素が供給され、正極５１０に酸素が供給されて電気的反応を起こして発電する。このような酸素と水素の反応は発熱反応であり、よって燃料電池５００及びホットボックス３００の内部温度が上昇する。
このようなホットボックス３００の内部温度及び燃料電池５００の温度上昇は更に燃料電池５００の発電効率を低下する原因となるためそれを反応温度まで冷却させて維持する必要があるが、このような冷却過程は後により詳細に説明する。
前記燃料電池５００内で酸素と水素が反応して発電し、その反応とは関係のない他のガス又は未反応の酸素と水素及びその酸素と水素が混合された水蒸気は前記正極５１０と負極５２０の他側である連結管５３０を介して排出される。
前記排気ガスが排出される連結管５３０は主バーナー４１０と補助バーナー４３０に順次に連結されており、主バーナー４１０と補助バーナー４３０に前記未反応の酸素と水素が順次に供給されて酸素と水素が反応する発熱反応が起こる。
このとき発生する熱は上述したように８００乃至９００℃になり、前記改質部４２０に供給して原料ガスＮＧとスチームの混合ガスを水素ガスに改質させる。
前記改質部４２０を加熱するバーナーを主バーナー４１０と補助バーナー４３０に分離構成することは、排気ガスの酸素と水素を段階的に反応させて未反応ガスの排出を最小化するためである。
次に、前記補助バーナー４３０から排出される排気ガスは前記ホットボックス３００の外部に排気管４４０を介して排出される。
前記排気管４４０を介して排出される排気ガスは前記主バーナー４１０と補助バーナー４３０で加熱されたものであって反応温度に近い温度であり、この排気ガスは第２熱交換部６００に供給されて外部から供給される水と熱交換される。
この際、第２熱交換部６００で排気ガスと熱交換された水はスチーム状態に相転換され、上述したように前記原料ガスＮＧと混合されて改質部４２０に供給される。
また、前記第２熱交換部６００で前記水に熱を奪われた排気ガスは前記燃焼ガスライン１１０に供給されて更にホットボックス３００の内部に供給される。前記ホットボックス３００の内部に供給された排気ガスは第２熱交換部６００で温度が低くなった状態であり、前記燃料電池５００の発熱反応によって発生したホットボックス３００の内部温度の上昇分を冷却させてホットボックス３００の温度を反応温度まで下げる。
よって、そのホットボックス３００の内部温度は反応温度を持続的に維持し、燃料電池５００の水素と酸素の反応が円滑に行われて発電効率が低下することを防止する。
前記ホットボックス３００を通った前記排気ガスは更に第１熱交換部２００に供給される。前記ホットボックス３００を通りながら前記排気ガスは更に加熱された状態になり、第１熱交換部２００から流入される外部空気と熱交換されてその外部空気を加熱する。
よって、上述したように外部空気を加熱してホットボックス３００の内部に供給することで常温の外部空気が供給されてホットボックス３００の内部温度が変化されることを防止する。
前記外部空気と熱交換された排気ガスは外部に排気される。
このように本発明は供給される外部空気を加熱して常温の外部空気が供給される際に発生するホットボックス３００の内部温度の変化が発生しないようにすることで、発電効率の低下を防止するだけでなく燃料電池５００の発熱反応による温度の上昇分を排気ガスを使用して冷却させる。
本発明は前記実施例に限られず、本発明の技術的要旨を逸脱しない範囲内で多様に修正、変形されて実施可能であることは本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者にとって自明である。
１００ スタートバーナー
１１０ 燃焼ガスライン
２００ 第１熱交換部
３００ ホットボックス
４００ 改質器
４１０ 主バーナー
４２０ 改質部
４３０ 補助バーナー
４４０ 排気管
５００ 燃料電池
５１０ 正極
５２０ 負極
５３０ 連結管
６００ 第２熱交換部

Claims (5)

  1. 燃料電池と改質器を収容するホットボックスと、
    初期駆動時にホットボックスの温度を反応温度まで加熱するスタートバーナーと、
    前記スタートバーナーの熱又は排気ガスの熱を利用して吸気される外部空気を加熱して前記燃料電池に供給する第１熱交換部と、
    前記排気ガスの熱を利用してスチームを発生して供給し、温度が下がった前記排気ガスで燃料電池を冷却させて前記反応温度を維持する第２熱交換部と、を含む、
    燃料電池システム。
  2. 前記改質器は、前記スチームと燃料ガスを供給されて水素ガスに改質する改質部と、前記改質部を加熱するバーナーと、を含む請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記バーナーは、前記燃料電池での反応後、未反応の水素及び酸素を反応させる発熱反応によって前記改質部を加熱することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記バーナーは、主バーナーと補助バーナーで形成され、前記未反応の水素及び酸素が前記主バーナーと前記補助バーナーに順次に供給されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 前記ホットボックスの内部を囲むように設けられると共に前記第１熱交換部に連結され、前記スタートバーナーの熱で前記ホットボックスを反応温度まで加熱すると共に前記第２熱交換部の排気ガスで前記ホットボックスの温度を下げて反応温度を維持する燃焼ガスラインを更に含む請求項１に記載の燃料電池システム。
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