JP2017527945A - 熱効率が増加した燃料電池モジュール、これを用いた暖房システムおよびその制御方法 - Google Patents

熱効率が増加した燃料電池モジュール、これを用いた暖房システムおよびその制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、熱効率が増加した燃料電池モジュール、これを用いた暖房システムおよびその制御方法を提供する。【解決手段】本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュールを用いた暖房システムは、断熱材の内部面に沿って配置される吸熱水配管内の水または吸熱ガス配管内の燃料の供給を受けて予熱された水または燃料と、外部から供給される空気との電気化学的反応により電気と熱を発生させる燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールの吸熱水配管に流入された水と前記断熱材内部の間の熱交換により加熱された温水が貯蔵される温水タンクと、前記燃料電池モジュールまたは前記温水タンクから供給される温水が暖房に利用される暖房モジュールと、前記燃料電池モジュールの温度が基準設定値を超過、同一、未満、前記暖房モジュールの可動有無により前記燃料電池モジュール、前記温水タンク、および前記暖房モジュールの間の温水流れを制御する温水供給モジュールと、を含むことを特徴とする。【選択図】図５

Description

本発明は、熱効率が増加した燃料電池モジュール、これを用いた暖房システムおよびその制御方法に関し、より詳細には、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＳＯＦＣ）に流入される燃料、空気、および水をすべて予熱して燃料電池の主熱源であるバーナーが排出するガスの温度を従来より低めても安定した運転を可能にし、バーナーに入る燃料を節減して燃料電池の全体的な効率を増加させ、また前記予熱された水を燃料電池の運転温度に応じて適切に暖房に活用することができる熱効率が増加した燃料電池モジュール、これを用いた暖房システムおよびその制御方法に関する。
地球温暖化の問題を解決するために、多様な新再生可能エネルギー（Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ）を活用したＣＯ２節減およびエネルギー効率向上のための技術開発を通じた環境保護が国家的に推進されている。
特に２０１２年から施行された新再生可能エネルギー供給義務化制度（ＲＰＳ）は、一定規模以上の発電事業者に総発電量中の一定量以上を新再生可能エネルギー電力で供給するように義務化する制度であり、燃料電池発電システムの加重値が増加し、普及の活性化が推進されている。
燃料電池とは、燃料が有している化学的エネルギーを電気的エネルギーに変換する装置をいい、燃料電池モジュールとは、一般に天然ガス、メタノール、ガソリンなどの燃料を改質して得られた改質ガス中の水素と空気中の酸素をスタック（ｓｔａｃｋ）の燃料極（ａｎｏｄｅ）と空気極（ｃａｔｈｏｄｅ）で電気化学的反応を起こして電気を生産する発電システムをいう。
この時、各極での反応式と総反応式は、次のとおりである。
燃料極（ａｎｏｄｅ）：Ｈ２（ｇ）→２Ｈ＋＋２ｅ−
空気極（ｃａｔｈｏｄｅ）：１／２Ｏ２（ｇ）＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
総反応式：Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ
燃料電池には、高分子電解質形燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、アルカリ形燃料電池（ＡＦＣ）などがあり、特に固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、運転温度が約７００℃で、他のタイプの燃料電池に比べて非常に高温状態で稼動する。
一方、燃料電池は、大きく空気および燃料と水により運転され、燃料電池の直接的な燃料といえる水素に改質するためには、燃料と水が約３００〜４００℃の温度に予熱されて
改質器に流入されなければならない。
そこで、従来は前記燃料と水を予熱するために燃料電池の主熱源であるバーナーの高温の排気ガスを利用するなど、相当の量の熱エネルギーを使用しなければならなかったところ、このような熱エネルギーを経済的に確保して供給可能なシステムの開発が要求されていた。
燃料電池モジュールで発生するこのような高温の熱を蓄熱して活用するために熱交換器という別途の装置を利用する従来の技術によると、燃料電池モジュールで発生する排気ガスなどの熱媒体を熱交換器に送って暖房水や温水と熱交換するようにする方式が一般的である。
しかし、このような方式による場合、熱媒体を熱交換器に移送する過程や熱交換器で熱交換が起こる過程などで不必要な熱損失が発生するようになり、暖房水や温水を効率的に生成することができないという問題があった。
また、固体酸化物形燃料電池の場合、前述のように約７００℃の高温状態を維持してこそ運転が可能であるため、固体酸化物形燃料電池で発生する熱を制御せずに暖房に利用する場合、固体酸化物形燃料電池の運転が不可能になるか、燃料電池モジュールに負担を与えるという問題があった。
本発明は、このような問題点を解消するためになされたものであって、本発明の目的は、燃料電池を利用して発電することにおいて、燃料電池に流入される空気および水を効率的に予熱して燃料電池モジュールの安定した運転を可能にし、バーナーに入る燃料を節減してシステムの全体的な効率を増加させることができる熱効率が増加した燃料電池モジュール、これを用いた暖房システムおよびその制御方法を提供することにある。
また、本発明の目的は、燃料電池で発生する熱を暖房に利用することにおいて、熱の損失を最小化してより経済的に暖房水を供給すると同時に、固体酸化物形燃料電池の適正な運転温度を維持可能にする熱効率が増加した燃料電池モジュール、これを用いた暖房システムおよびその制御方法を提供することにある。
また、本発明の目的は、燃料電池を利用して発電したり燃料電池で発生する熱を暖房に利用することにおいて、燃料電池に流入される空気および水を効率的に予熱して全体的に安定した運転を可能にし、バーナーに入る燃料を節減し、全体的な効率を増加させることができる熱効率が増加した燃料電池モジュール、これを用いた暖房システムおよびその制御方法を提供することにある。
本発明の一実施形態に係る燃料と空気の供給を受けて電気を生成する固体酸化物形燃料電池モジュールは、吸熱水配管または吸熱ガス配管でそれぞれ予熱された水または燃料を加熱してスチーム化するスチーム生成器と、前記スチーム生成器から供給された燃料を改質処理して水素ガスを精製する改質器と、前記改質器で供給される水素ガスと外部から供給される空気との電気化学的反応により電気と熱を発生させる燃料電池スタックと、前記スチーム生成器、改質器、燃料電池スタックの外部を囲むように設置される断熱材と、を含み、前記吸熱水配管または前記吸熱ガス配管は、前記断熱材の内部面に沿って配置され、前記吸熱水配管内の水または前記吸熱ガス配管内の燃料が前記断熱材と熱交換して予熱され、前記スチーム生成器と前記改質器を経て前記燃料電池スタックの発電に利用されることを特徴とする。
本発明の他の側面に係る燃料電池モジュールを用いた暖房システムは、断熱材の内部面に沿って配置される吸熱水配管内の水または吸熱ガス配管内の燃料の供給を受けて予熱された水または燃料と、外部から供給される空気との電気化学的反応により電気と熱を発生させる燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールの吸熱水配管に流入された水と前記断熱材内部の間の熱交換により加熱された温水が貯蔵される温水タンクと、前記燃料電池モジュールまたは前記温水タンクから供給される温水が暖房に利用される暖房モジュールと、前記燃料電池モジュールの温度が基準設定値を超過、同一、未満、前記暖房モジュールの可動有無により前記燃料電池モジュール、前記温水タンク、および前記暖房モジュールの間の温水流れを制御する温水供給モジュールと、を含むことを特徴とする。
本発明のまた他の側面に係る燃料電池モジュールを用いた暖房システムの制御方法は、前記温水供給モジュールが、前記温度センサの温度が設定基準値を超える時には、前記断熱材内部の前記吸熱水配管で供給される温水が前記温水供給配管と前記温水タンクを経て前記暖房モジュールに供給された後、前記第１回収配管と前記第２回収配管を通じて前記吸熱水配管に回収されるように制御し、
前記温水供給モジュールは、前記温度センサの温度が設定基準値と同一である時には、前記断熱材内部の前記吸熱水配管で供給される温水が前記第２温水配給配管を通じて直接前記暖房モジュールに供給された後、前記第１回収配管と前記第２回収配管を通じて前記断熱材内部の吸熱配管に回収されるように制御し、
前記温水供給モジュールは、前記温度センサの温度が設定基準値未満である時には、前記温水タンクで供給される温水が前記第１温水配給配管を通じて前記暖房モジュールに供給された後、前記第１回収配管と前記第３回収配管を通じて前記温水タンクに回収されるように制御し、
前記暖房モジュールを使用しない場合、前記温水供給モジュールは、前記温水タンクに貯蔵された温水の加温のために前記断熱材内部の吸熱配管で供給される温水を前記温水供給配管を経て前記温水タンクに供給した後、前記第３回収配管と前記第２回収配管を通じて前記断熱材内部の吸熱水配管に回収されるように制御することができる。
前記燃料電池モジュールが長時間作動して前記燃料電池モジュールの温度が基準設定値よりも高温である場合、前記燃料電池モジュールと前記温水タンクを連結する前記温水供給配管上にバイパスバルブを開放して前記吸熱水配管により加熱された水を前記燃料電池モジュールまたは前記温水タンクに供給するように制御することができる。
本発明の一実施形態に係るガス予熱により熱効率が増加した燃料電池モジュールによると、燃料電池モジュールの主熱源であるバーナーの高温の排気ガスにより燃料電池モジュールの運転に必要な燃料および水を加熱する前に、前記燃料および水を予熱して燃料電池モジュールの安定した運転を可能にし、バーナーに入る燃料を節減してシステムの全体的な効率を増加させる効果がある。
また、本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュールを用いた暖房システムによると、燃料電池モジュールで発生する熱を熱媒体により熱交換器に移送する過程や熱交換器で熱交換が起こる過程などでの不必要な熱損失を防止して燃料電池モジュールで発生する熱を
効率的に暖房に利用する効果がある。
また、本発明の他の実施形態に係る燃料電池モジュールを用いた暖房システムの制御方法によると、固体酸化物形燃料電池モジュールの場合、高温状態を維持してこそ運転が可能であるため、固体酸化物形燃料電池モジュールで発生する熱を制御すると同時に、これによる熱を暖房に効率的に利用可能である。
本発明の一実施形態に係るガス予熱により熱効率が増加した燃料電池モジュールの平面図である。 本発明の一実施形態に係る吸熱水配管を示したガス予熱により熱効率が増加した燃料電池モジュールの正面図である。 本発明の一実施形態に係る吸熱ガス配管を示したガス予熱により熱効率が増加した燃料電池モジュールの正面図である。 本発明の一実施形態に係る吸熱水配管と吸熱ガス配管を一つの管で示したガス予熱により熱効率が増加した燃料電池モジュールの斜視図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュールにおいて断熱材と断熱材内部を通過する吸熱配管を示した平面図である。 図５のＡ−Ａ線に沿って示した部分断面図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュールを用いた暖房システムの作動概要図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュールの温度が設定基準値を超える時の暖房システムの作動状態図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュールの温度が設定基準値と同一である時の暖房システムの作動状態図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュールの温度が設定基準値未満である時の暖房システムの作動状態図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュールを用いた暖房システムの暖房を使用しない時の暖房システムの作動状態図である。 本発明の他の実施形態に係るガス予熱により熱効率が増加した燃料電池の平面図である。
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。本発明は、図面に示された実施形態を参照して説明するが、これは一つの実施形態として説明されるものであり、本発明がこれに限定されるものではない。
図１は、本発明の一実施形態に係るガス予熱により熱効率が増加した燃料電池モジュールの平面図である。
図１を参照すると、本発明の一実施形態に係るガス予熱により熱効率が増加した燃料電池モジュール１００は、内部を電気化学的反応に容易な高温状態に維持する断熱材１１０と、前記断熱材１１０の内部空間に配置され、スチームを生成するスチーム生成器１２０と、前記スチーム生成器１２０から生成されたスチームを受けて燃料を改質処理して水素ガスを精製する燃料改質器１３０と、前記燃料改質器１３０で供給される水素ガスと外部から供給される空気との電池化学的反応により電気と熱を発生させる燃料電池スタック１４０とを含む。
前記断熱材１１０は、燃料電池モジュール１００の内部空間を断熱可能なように前記燃料電池モジュール１００の外部を囲むように設置されてもよい。
前記スチーム生成器１２０は、吸熱水配管Ｐ１および吸熱ガス配管Ｐ２でそれぞれ加熱された水および燃料を高温のバーナーの排気ガスにより加熱してスチームを生成し、前記スチームを改質器１３０に供給するように構成される。
本発明の一実施形態によると、前記吸熱水配管Ｐ１は、前記断熱材１１０内部に前記断熱材１００の面に沿って設置されて前記断熱材１１０と水が熱交換しながら予熱された後、前記スチーム生成器１２０内の高温のバーナーの排気ガスにより加熱されて燃料改質器１３０に流入されるように構成される。
また、前記吸熱ガス配管Ｐ２も同様に、前記断熱材１１０内部に前記断熱材１１０の面に沿って設置されて前記断熱材１１０と熱交換しながら前記燃料改質器１３０に燃料を供給することができるように構成される。
前記吸熱水配管Ｐ１および吸熱ガス配管Ｐ２で前記断熱材１１０と熱交換して予熱された水と燃料が前記スチーム生成器１２０を経て発電に利用される。
一方、前記バーナーおよびバーナーの排気ガスが前記スチーム生成器１２０に伝達される配管に関する図示は省略した。また燃料電池が運転されるためには外部の空気が流入されなければならないが、図示を省略した。
このような構成によると、前記断熱材１１０内面に沿う吸熱水配管Ｐ１および吸熱ガス配管Ｐ２を通じて水と燃料が予熱されて前記スチーム生成器１２０に流入されるため、別途の装置を装着して前記水と燃料を加熱する必要がない。
特に前記水と燃料が前記吸熱水配管Ｐ１および吸熱ガス配管Ｐ２を通じて連続的に前記スチーム生成器１２０内に流入されるため、加熱時間および熱交換のための熱源との接触面積を確保して前記水と燃料の連続的、迅速かつ均一な加熱が可能になる。
この時、前記吸熱ガス配管Ｐ２が燃料電池モジュール１００の中心を基準に前記吸熱水配管Ｐ１よりもさらに内部に設置されることが好ましい。
これは前記吸熱ガス配管Ｐ２を通じて流入される燃料が前記吸熱水配管Ｐ１を通じて流入される水よりも比熱が高くて加熱に多くの熱エネルギーを必要とし、燃料の場合は気体状態で前記吸熱ガス配管Ｐ２に流入されるが、水の場合は液体状態で前記吸熱水配管Ｐ１に流入されるため、前記吸熱水配管Ｐ１で水が水蒸気に相変化する時、前記吸熱水配管Ｐ１が受ける圧力が大きくなって燃料電池モジュール全体に負担を与えるおそれがあるためである。
図２および図３は、それぞれ、本発明の一実施形態に係る吸熱水配管および吸熱ガス配管を示したガス予熱により熱効率が増加した燃料電池モジュールの正面図であり、図４は、本発明の一実施形態に係る吸熱水配管と吸熱ガス配管を一つの管で示したガス予熱により熱効率が増加した燃料電池モジュールの斜視図であり、図５は、本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュールにおける断熱材と断熱材内部を通過する吸熱配管を示した平面図であり、図６は、図５のＡ−Ａ線に沿って示した部分断面図である。本発明のその他の構成については図示を省略した。
図２および図３に示すように、前記吸熱ガス配管Ｐ２を前記吸熱水配管Ｐ１よりも前記断熱材１１０内面に沿ってさらに長く複数回屈曲設置してより多くの体積を占めるように設置することが好ましい。
これは前記吸熱ガス配管Ｐ２を通じて流入される燃料が前記吸熱水配管Ｐ１を通じて流入される水よりも比熱が高くて加熱に多くの熱エネルギーを必要とするため、前記断熱材１１０内部に前記吸熱ガス配管Ｐ２を長くすることによって燃料の滞留時間を長くして十分に加熱するためである。
図４に示すように、前記吸熱水配管Ｐ１または前記吸熱ガス配管Ｐ２は、前記断熱材１１０の内面に沿って直線または曲線の形態で設置されてもよいが、前記断熱材１１０と前記吸熱水配管Ｐ１または前記吸熱ガス配管Ｐ２との接触面積を広げて前記断熱材１１０の熱を十分に吸収するようにし、施工上の便宜を高めるために、図示したとおり「Ｓ」字形状に設置することが好ましい。
一方、断熱材１１０は総３個の層で構成されてもよい。
多層で構成される断熱材を設置するために断熱材に熱処理をする場合、各層の断熱材の種類が異なっていれば各層間の断熱材が互いに異なる形態で成形されて使用に適しないため、各層の断熱材は同じ種類の断熱材を使用することが好ましい。前記断熱材１１０の各層の図示は省略した。
前記吸熱水配管Ｐ１または前記吸熱ガス配管Ｐ２が同じ素材の３層で構成された断熱材１１０内に配置される適正位置と関連して前記断熱材１１０の厚さを考慮して実験するために、インファアＨ＆Ｃで製作したＭｏｒｇａｎ ＢＴＵ−Ｂｌｏｃｋ断熱材で実験した。
実験結果、前記燃料電池スタック１４０の温度が７５０℃である時、Ｍｏｒｇａｎ ＢＴＵ−Ｂｌｏｃｋ断熱材からなる断熱材１１０の外部温度が暖房に容易な６０℃になるためには、前記断熱材１１０の総厚さは約１５０ｍｍであることが好ましく、前記断熱材１１０の内部から１４０ｍｍ地点の温度が約１００℃であると示された。
このような実験結果によると、図５に示すように、前記吸熱水配管Ｐ１は、沸点が１気圧で１００℃である水が通過する配管であるため、前記断熱材１１０の内部から１４０ｍｍ地点に設置されることが最も好ましい。
他の種類の断熱材を使用しても種類に関係なしに厚さに応じた温度変化率は一定であるため、前記断熱材１１０の内部から約１４／１５地点に前記吸熱水配管Ｐ１を設置することが好ましい。
つまり、図６に示すように、前記吸熱水配管Ｐ１は、前記断熱材１１０が３層で構成される時、最外層に偏った状態で設置される。
次に、このように構成された本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュールを用いた暖房システムおよびその作動方法について図７乃至図１１を参照して説明する。
図７に示すように、本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュールを用いた暖房システムは、吸熱システムである燃料電池モジュール１００と、前記燃料電池モジュール１００の吸熱水配管Ｐ１に流入された水と前記断熱材１１０の間の熱交換により加熱された温水が貯蔵される温水タンク２００と、前記燃料電池モジュール１００または温水タンク２００から供給される温水が使用される暖房モジュール３００と、前記燃料電池モジュール１００の温度が基準設定値超過、未満、同一、または前記暖房モジュール３００の作動有無により前記燃料電池モジュール１００または前記温水タンク２００を連動させて前記温水を前記燃料電池モジュール１００または前記暖房モジュール３００に利用するか否かを制御する温水供給モジュールと、を含む。
前記温水供給モジュールは、前記吸熱水配管Ｐ１と前記断熱材１１０の間の熱交換により加熱された温水を前記温水タンク２００に供給する温水供給配管Ｐ３と、前記温水タンク２００に貯蔵された温水を暖房モジュール３００に配給する第１温水配給配管Ｐ４と、前記断熱材１１０と熱交換した温水を前記温水タンク２００を経ずに直接暖房モジュール３００に配給する第２温水配給配管Ｐ５と、前記暖房モジュール３００で熱交換した温水を前記断熱材１１０内部または前記温水タンク２００に回収するための第１回収配管Ｐ６と、前記第１回収配管Ｐ６と連結されて前記第１回収配管Ｐ６で排出した温水を前記断熱材１１０内部の前記吸熱水配管Ｐ１に流入させるための第２回収配管Ｐ７と、前記第１回収配管Ｐ６および前記第２回収配管Ｐ７と連結され、前記第１配管Ｐ６で排出した温水を前記温水タンク２００に回収させたり前記温水タンク２００の水を前記第２回収配管Ｐ７を通じて前記吸熱水配管Ｐ１に回収させるための第３回収配管Ｐ８とを含むことができる。
また、前記温水供給モジュールは、前記温水供給配管Ｐ３に設置され、前記温水供給配管Ｐ３と前記第２温水配給配管Ｐ５の連結地点を基準に温水タンク２００側に設置される第１バルブＶ２と、第２温水配給配管Ｐ５に設置される第２バルブＶ３と、第１回収配管Ｐ６に設置される第３バルブＶ４と、第２回収配管Ｐ７に設置される第４バルブＶ５と、燃料電池モジュール１００内部に設置される温度センサー１５０と、前記温水供給配管Ｐ３に設置され、前記温水供給配管Ｐ３と前記第２温水配給配管Ｐ５の連結地点を基準に前記燃料電池モジュール１００側に設置される温水供給ポンプ３１０と、第１温水配給配管Ｐ４に設置される温水配給ポンプ３２０と、第３回収配管Ｐ８に設置される両方向ポンプ３３０とを含み、前記温度センサー１５０が前記燃料電池モジュール１００の温度を測定するようにして前記燃料電池モジュール１００の温度が設定基準値を超過するか、同一であるか、設定基準値未満、または暖房を使用しない場合にこれらをそれぞれ作動させて温水を制御することができる。
このような構成によって、前記燃料電池モジュール１００の温度センサー１５０の温度が設定基準値を超える時には、前記断熱材１１０内部の吸熱水配管Ｐ１で供給される温水が前記温水供給配管Ｐ３と前記温水タンク２００を経て暖房モジュール３００に供給された後、前記第１回収配管Ｐ６と前記第２回収配管Ｐ７を通じて前記断熱材１１０内部の吸熱水配管Ｐ１に回収されるように制御される。
また、前記燃料電池モジュール１００の温度センサー１５０の温度が設定基準値と同一である時には、前記断熱材１１０内部の吸熱水配管Ｐ１で供給される温水が前記第２温水配給配管Ｐ５を通じて直接前記暖房モジュール３００に供給された後、前記第１回収配管Ｐ６と前記第２回収配管Ｐ７を通じて前記断熱材１１０内部の吸熱水配管Ｐ１に回収されるように制御される。
前記燃料電池モジュール１００の温度センサー１５０の温度が設定基準値未満である時には、前記温水タンク２００で供給される温水が前記第１温水配給配管Ｐ４を通じて前記暖房モジュール３００に供給された後、前記第１回収配管Ｐ６と前記第３回収配管Ｐ８を通じて前記温水タンク２００に回収されるように制御される。
もちろん、前記の場合とは異なり、暖房を使用しない場合には、前記温水タンク２００に貯蔵された温水の加温のために前記断熱材１１０内部の前記吸熱水配管Ｐ１で供給される温水を前記温水供給配管Ｐ３を経て前記温水タンク２００に供給されるようにした後、前記第３回収配管Ｐ８と前記第２回収配管Ｐ７を通じて前記断熱材１１０内部の前記吸熱水配管Ｐ１に回収されるように制御される。
一方、本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュールを用いた暖房システムは、燃料電池スタック１４０で発生する高温のガスを温水タンク２００を経て再び燃料電池モジュール１００内のバーナーで利用可能なようにガス配管Ｐ９をさらに含むことができる。
これによると、前記燃料電池スタック１４０で発生する高温のガスを温水タンク２００に貯蔵された温水を加温するのに利用してより高温の温水を得ることができる。
また、前記ガス配管Ｐ９は、前記温水タンク２００内の温水との接触面積を広げるために前記温水タンク２００内でコイル形状に捻って設置することが好ましい。ただし、これに限定されず、前記接触面積を広げるための多様な形状で製作されてもよい。
また、前記燃料電池モジュール１００と前記温水タンク２００との間のガス配管Ｐ９に凝縮器３４０を設置して、前記ガス配管Ｐ９内の水蒸気を含む高温のガスが前記温水タンク２００内で冷却されて前記高温のガスに含まれている水蒸気が水に相変化する場合、前記水を前記高温のガスに含まれている他の気体と分離して排出することができる。
このように、前記高温のガスで水蒸気を分離する理由は、前記高温のガスが燃料電池モジュール１００内部のバーナーに入って燃料を燃焼させるのに使用される場合、前記高温のガスに水蒸気があればバーナーの温度増加が制限され、特にバーナーを触媒バーナーで使用する場合、水蒸気が触媒に深刻な損傷を与えるおそれがあるためである。
つまり、本発明の一実施形態によると、前記凝縮器３４０が前記温水タンク２００の内部を経て前記燃料電池モジュール１００のバーナーに連結される前のガス配管Ｐ９に設置されて回収される高温のガスで水蒸気が除去されてバーナーの燃焼に適した燃料を供給することができる。
図８に示すように、本発明の一実施形態に係る暖房システムの温度センサー１５０の温度が設定基準値を超える時には、前記燃料電池モジュール１００の断熱材１１０内部の吸熱水配管Ｐ１で供給される温水が温水供給配管Ｐ３と温水タンク２００を経て暖房モジュール３００に供給された後、第１回収配管Ｐ６と第２回収配管Ｐ７を通じて前記断熱材１１０内部の吸熱水配管Ｐ１に回収される。
この場合には、前記燃料電池モジュール１００の温度が比較的に高温であるため、これによる熱を前記温水タンク２００に伝達して前記燃料電池モジュール１００を冷ますだけでなく、前記温水タンク２００に貯蔵すると同時に暖房モジュール３００に送って暖房に利用するためである。
図９に示すように、本発明の一実施形態に係る暖房システムの温度センサー１５０の温度が設定基準値と同一である時には、前記燃料電池モジュール１００の断熱材１１０内部の吸熱水配管Ｐ１で供給される温水を前記温水供給配管Ｐ３から分岐される前記第２温水配給配管Ｐ５に設置される第２バルブＶ３を開放して前記第２温水配給配管Ｐ５を通じて直接暖房モジュール３００に供給した後、前記第１回収配管Ｐ６と前記第２回収配管Ｐ７を通じて前記断熱材１１０内部の吸熱配管Ｐ１に回収することができる。
これは前記燃料電池モジュール１００の熱を前記温水タンク２００に貯蔵することなく、直ちに暖房に利用して暖房モジュール３００の温度を上げ、これを回収して前記燃料電池モジュール１００で利用するためである。
図１０に示すように、本発明の一実施形態に係る暖房システムの温度センサー１５０の温度が設定基準値未満である時には、前記燃料電池モジュール１００の熱を利用せずに、前記温水タンク２００で前記第１温水配給配管Ｐ４に設置された温水配給ポンプ３２０を稼動させて温水を前記暖房モジュール３００に供給し、前記第１回収配管Ｐ６と第３回収配管Ｐ８を通じて前記温水タンク２００に回収することができる。
これは前記燃料電池モジュール１００の熱を暖房モジュール３００に使用しないことによって前記燃料電池モジュール１００を円滑に運転して電気を発生させると同時に前記温水タンク２００に貯蔵された熱だけを利用して前記温水タンク２００の熱を低める効果がある。
図１１に示すように、本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュールを用いた暖房システムが暖房に利用されない時には、前記温水タンク２００に貯蔵された温水の加温のために前記断熱材１１０内部の吸熱水配管Ｐ１で供給される温水が前記温水供給ポンプ３１０の作動により前記温水供給配管Ｐ３を経て開放された前記第１バルブＶ２を通じて前記温水タンク２００に供給された後、前記両方向ポンプ３３０の作動により前記第３回収配管Ｐ８と前記第２回収配管Ｐ７を通じて前記断熱材１１０内部の吸熱水配管Ｐ１に回収される。
これは暖房を使用しない間に前記燃料電池モジュール１００で発生する熱を前記温水タンク２００に貯蔵して以降の暖房に備えるためである。
一方、図７乃至図１１には示していないが、前記燃料電池モジュール１００の運転により発生した電気の量と暖房に利用される熱の適切な調和のために余分の電気を貯蔵可能な蓄電器が設置されてもよい。
次に、図１２を参照して本発明の他の実施形態に係る燃料電池モジュールを簡単に説明する。
図１２に示すように、本発明の他の実施形態に係る燃料電池モジュール１００は、バイパスバルブＶ１を前記燃料電池モジュール１００と前記温水タンク２００を連結する前記温水供給配管Ｐ３上に配置して暖房システムの運転状態に応じて前記吸熱水配管Ｐ１により加熱された水を燃料電池モジュール１００または前記温水タンク２００に供給することができる。
例えば、前記燃料電池モジュール１００が長時間稼動して前記燃料電池モジュール１００の温度が正常値よりも高温である時には、多くの熱エネルギーが発生するようになるため、これによって加熱された水を前記燃料電池モジュール１００および前記温水タンク２００のすべてに供給することができる。
本発明は、多様な異なる形態に実現することができ、以上で説明した実施形態に限定されない。
１００…燃料電池モジュール
１１０…断熱材
１２０…スチーム生成器
１３０…燃料改質器
１４０…燃料電池スタック
２００…温水タンク
３００…暖房モジュール
３１０…温水供給ポンプ
３２０…温水配給ポンプ
３３０…両方向ポンプ
３４０…凝縮器
Ｐ１…吸熱水配管
Ｐ２…吸熱ガス配管
Ｐ３…温水供給配管
Ｐ４…第１温水配給配管
Ｐ５…第２温水配給配管
Ｐ６…第１回収配管
Ｐ７…第２回収配管
Ｐ８…第３回収配管
Ｐ９…ガス配管
Ｖ１…バイパスバルブ
Ｖ２…第１バルブ
Ｖ３…第２バルブ
Ｖ４…第３バルブ
Ｖ５…第４バルブ

Claims (18)

  1. 燃料と空気の供給を受けて電気を生成する固体酸化物形燃料電池モジュールにおいて、
    吸熱水配管または吸熱ガス配管でそれぞれ予熱された水または燃料を加熱してスチーム化するスチーム生成器と、
    前記スチーム生成器から供給された燃料を改質処理して水素ガスを精製する改質器と、
    前記改質器で供給される水素ガスと外部から供給される空気との電気化学的反応により電気と熱を発生させる燃料電池スタックと、
    前記スチーム生成器、改質器、燃料電池スタックの外部を囲むように設置される断熱材と、を含み、
    前記吸熱水配管または前記吸熱ガス配管は、前記断熱材の内部面に沿って配置され、前記吸熱水配管内の水または前記吸熱ガス配管内の燃料が前記断熱材と熱交換して予熱され、前記スチーム生成器と前記改質器を経て前記燃料電池スタックの発電に利用されることを特徴とする燃料電池モジュール。
  2. 前記吸熱水配管または前記吸熱ガス配管が前記断熱材の側面に沿って「Ｓ」字形状に設置されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池モジュール。
  3. 前記吸熱ガス配管が前記吸熱水配管よりもさらに内部に設置されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池モジュール。
  4. 前記吸熱ガス配管が前記吸熱水配管よりも前記断熱材内部でさらに長いか、またはさらに体積が増加するように設置されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池モジュール。
  5. 前記吸熱水配管は、前記断熱材が同一材料の多層構造からなる場合、最外層に配置されることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池モジュール。
  6. 断熱材の内部面に沿って配置される吸熱水配管内の水または吸熱ガス配管内の燃料の供給を受けて予熱された水または燃料と、外部から供給される空気との電気化学的反応により電気と熱を発生させる燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールの吸熱水配管に流入された水と前記断熱材内部の間の熱交換により加熱された温水が貯蔵される温水タンクと、前記燃料電池モジュールまたは前記温水タンクから供給される温水が暖房に利用される暖房モジュールと、前記燃料電池モジュールの温度が基準設定値を超過、同一、未満、前記暖房モジュールの可動有無により前記燃料電池モジュール、前記温水タンク、および前記暖房モジュールの間の温水流れを制御する温水供給モジュールと、を含むことを特徴とする燃料電池モジュールを用いた暖房システム。
  7. 前記燃料電池モジュールで発生する高温のガスを前記温水タンクを通過して再び前記燃料電池モジュールに回収するためのガス配管をさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池モジュールを用いた暖房システム。
  8. 前記温水供給モジュールは、前記断熱材内部で熱交換して温水に変化した水を前記温水タンクに供給する温水供給配管と、前記温水タンクに貯蔵された温水を前記暖房モジュールに配給する第１温水配給配管と、前記断熱材の内部で熱交換した温水を前記温水タンクを経ずに直接前記暖房モジュールに配給する第２温水配給配管と、前記暖房モジュールで熱交換した水を前記断熱材内部または前記温水タンクに回収するための第１回収配管と、前記第１回収配管と連結され、前記第１回収配管で排出された水を前記断熱材内部の前記吸熱水配管に流入させるための第２回収配管と、前記第１回収配管および前記第２回収配管と連結され、前記第１回収配管で排出された水を前記温水タンクに回収させたり前記温水タンクの水を前記第２回収配管を通じて前記吸熱水配管に回収させるための第３回収配管と、を含むことを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池モジュールを用いた暖房システム。
  9. 前記温水供給モジュールは、前記温水供給配管に設置され、前記温水供給配管と前記第２温水配給配管の連結地点を基準に前記温水タンク側に設置される第１バルブと、前記第２温水配給配管に設置される第２バルブと、前記第１回収配管に設置される第３バルブと、前記第２回収配管に設置される第４バルブと、前記温水供給配管に設置され、前記温水供給配管と前記第２温水配給配管の連結地点を基準に前記燃料電池モジュール側に設置される温水供給ポンプと、前記第１温水配給配管に設置される温水配給ポンプと、前記第３回収配管に設置される両方向ポンプと、を含み、前記温水供給モジュールは、前記燃料電池モジュールの内部に設置される温度センサーにより測定される温度に応じて制御されることを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池モジュールを用いた暖房システム。
  10. 前記燃料電池モジュールで発生する高温のガスを前記温水タンクを通過して再び前記燃料電池モジュールに回収するためのガス配管をさらに含むことを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池モジュールを用いた暖房システム。
  11. 前記ガス配管は、前記温水タンクの内部でコイル形状に捻っていることを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池モジュールを用いた暖房システム。
  12. 前記ガス配管と前記燃料電池モジュールとの間に前記高温のガスから水を分離して排出するように凝縮器をさらに含むことを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池モジュールを用いた暖房システム。
  13. 前記燃料電池モジュールと前記温水タンクを連結する前記温水供給配管上にバイパスバルブを含み、前記吸熱水配管により加熱された水を前記燃料電池モジュールまたは前記温水タンクに供給することを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池モジュールを用いた暖房システム。
  14. 断熱材の内部面に沿って配置される吸熱水配管内の水または吸熱ガス配管内の燃料の供給を受けて予熱された水または燃料と、外部から供給される空気との電気化学的反応により電気と熱を発生させる燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールの吸熱水配管に流入された水と前記断熱材内部の間の熱交換により加熱された温水が貯蔵される温水タンクと、前記燃料電池モジュールまたは前記温水タンクから供給される温水が暖房に利用される暖房モジュールと、前記燃料電池モジュールの温度が基準設定値を超過、同一、未満、前記暖房モジュールの可動有無により前記燃料電池モジュール、前記温水タンク、および前記暖房モジュールの間の温水流れを制御する温水供給モジュールと、を含む燃料電池モジュールを用いた暖房システムの制御方法において、
    前記温度供給モジュールは、前記温度センサの温度が設定基準値を超える時には、前記断熱材内部の前記吸熱水配管で供給される温水が前記温水供給配管と前記温水タンクを経て前記暖房モジュールに供給された後、前記第１回収配管と前記第２回収配管を通じて前記吸熱水配管に回収されるように制御することを特徴とする燃料電池モジュールを用いた暖房システムの制御方法。
  15. 前記温度供給モジュールは、前記温度センサの温度が設定基準値と同一である時には、前記断熱材内部の前記吸熱水配管で供給される温水が前記第２温水配給配管を通じて直接前記暖房モジュールに供給された後、前記第１回収配管と前記第２回収配管を通じて前記断熱材内部の吸熱配管に回収されるように制御することを特徴とする、請求項１４に記載の燃料電池モジュールを用いた暖房システムの制御方法。
  16. 前記温水供給モジュールは、前記温度センサの温度が設定基準値未満である時には、前記温水タンクで供給される温水が前記第１温水配給配管を通じて前記暖房モジュールに供給された後、前記第１回収配管と前記第３回収配管を通じて前記温水タンクに回収されるように制御することを特徴とする、請求項１４に記載の燃料電池モジュールを用いた暖房システムの制御方法。
  17. 前記暖房モジュールを使用しない場合、前記温水供給モジュールは、前記温水タンクに貯蔵された温水の加温のために前記断熱材内部の吸熱配管で供給される温水を前記温水供給配管を経て前記温水タンクに供給した後、前記第３回収配管と前記第２回収配管を通じて前記断熱材内部の吸熱水配管に回収されるように制御することを特徴とする、請求項１４に記載の燃料電池モジュールを用いた暖房システムの制御方法。
  18. 前記燃料電池モジュールが長時間作動して前記燃料電池モジュールの温度が基準設定値よりも高温である場合、前記燃料電池モジュールと前記温水タンクを連結する前記温水供給配管上にバイパスバルブを開放して前記吸熱水配管により加熱された水を前記燃料電池モジュールまたは前記温水タンクに供給することを特徴とする、請求項１４に記載の燃料電池モジュールを用いた暖房システムの制御方法。
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