KR100691959B1 - 연료전지 발전시스템 - Google Patents

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KR100691959B1
KR100691959B1 KR1020057002639A KR20057002639A KR100691959B1 KR 100691959 B1 KR100691959 B1 KR 100691959B1 KR 1020057002639 A KR1020057002639 A KR 1020057002639A KR 20057002639 A KR20057002639 A KR 20057002639A KR 100691959 B1 KR100691959 B1 KR 100691959B1
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노부키 마츠이
마사노부 카와조에
카즈오 요네모토
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다이킨 고교 가부시키가이샤
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Abstract

연료전지 발전시스템(1)은, 탈황기(3), 개질기(5) 및 내부개질식 고체전해질형 연료전지(7) 등으로 구성된다. 연료전지(7)는, 공기극(31), 전해질(33), 연료극(35), 공기실(37), 연료실(39) 및 외부회로 등으로 구성된다. 개질기(5)는 내부개질식 고체전해질형 연료전지(7)의 기동 시에 있어서, 탈황기(3)를 유통시킨 도시가스 및 공기 등을 유통시켜, 도시가스 중의 탄화수소를 부분 산화시킴으로써 CO 및 H2를 함유하는 부분산화가스를 생성하는 것이다. 부분산화가스는 연료실(39)에 공급된다.
연료전지 발전시스템, 고체전해질형 연료전지, 기동시간

Description

연료전지 발전시스템{FUEL CELL POWER GENERATION SYSTEM}
본 발명은 연료전지 발전시스템에 관한 것이다.
종래부터, 고체전해질형 연료전지를 갖는 연료전지 발전시스템이 알려져 있다.
고체전해질형 연료전지는, 전해질, 연료극, 공기극, 연료실, 및 공기실 등으로 구성된다. 전해질의 한쪽 면에는 연료극이 구성되며, 다른 쪽 면에는 공기극이 구성된다. 그리고 전해질을 격벽으로 하여, 연료극 쪽에 연료실이 배치되며, 공기극 쪽에 공기실이 배치된다.
발전을 시킬 때에는, 연료실에 H2 및 CO가 공급되며, 공기실에 공기가 공급된다. 그리고 공기실 내의 산소는 공기극과 전해질의 계면에서 해리되어 산소이온(O2-)으로 되며, 연료극 쪽으로 이동한다. 다음에, O2-는 연료극과 전해질의 계면에서 연료실 내의 H2 및 CO와 반응함으로써, H2O및 CO2가 생성된다. 이 때, O2-로부터 방출된 전자에 의해 발전이 이루어진다.
그런데, O2-가 전해질 중을 연료극을 향해 순조롭게 이동하기 위해서는, 전 해질의 온도가 700℃~1000℃인 것이 바람직하다. 따라서 고체전해질형 연료전지의 작동온도는 700℃~1000℃로 설정된다.
여기서 고체전해질형 연료전지의 작동온도는 700℃~1000℃이므로, 고체전해질형 연료전지를 작동시키기 위해서는, 고체전해질형 연료전지에 외부로부터 열을 가할 필요가 있다. 그래서 고체전해질형 연료전지를 가열하는 버너가 고체전해질형 연료전지의 근방에 설치된다. 그리고 고체전해질형 연료전지의 기동 시에, 버너의 연소 열을 이용하여 고체전해질형 연료전지의 예열이 행해진다.
-해결과제-
그러나 고체전해질형 연료전지의 작동온도가 700℃~1000℃라는 고온이므로, 고체전해질형 연료전지를 기동시키기 위해, 종래는 긴 시간이 필요했다.
본 발명은 이러한 점에 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 고체전해질형 연료전지를 갖는 연료전지 발전시스템에 있어서, 고체전해질형 연료전지 기동시간의 단축화를 도모하는 기술을 제공하는 데 있다.
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제 2 발명은, 원료가스를 유통시키면 상기 원료가스에 함유되는 탄소 수 2 이상의 탄화수소를 물의 존재 하에서 메탄으로 변화시키는 한편, 상기 원료가스와 산소를 함유하는 산소함유가스를 유통시키면 상기 원료가스에 함유되는 탄화수소를 부분산화 시키는 촉매부를 갖는 개질기와, 이 개질기의 하류 쪽에 배치되어, 수소를 함유하는 수소함유가스가 공급되는 연료극과, 산소를 함유하는 산소함유가스가 공급되는 산소극과, 상기 연료극과 상기 산소극 사이에 개재하는 전해질을 포함하는 전지 본체를 가지며, 상기 연료극, 상기 산소극 및 상기 전해질에서 상기 수소함유가스와 상기 산소함유가스를 전극반응 시키는 고체전해질형 연료전지를 구비하는 연료전지 발전시스템을 대상으로 한다. 그리고 상기 개질기의 촉매부에 상기 원료가스 및 산소함유가스를 유통시킴과 함께, 상기 원료가스 및 산소함유가스가 상기 개질기를 유통함으로써 생성된 수소를 함유하는 부분산화가스를 상기 수소함유가스로서 상기 연료극으로 공급하는 기동운전과, 상기 개질기의 촉매부에 상기 원료가스를 유통시킴과 동시에 상기 원료가스가 상기 개질기를 유통함으로써 생성된 메탄을 함유하는 연료가스를 상기 연료극에 공급하는 통상운전을 실행한다.
이로써, 기동운전 시에, 부분산화가스가 연료극에 공급되므로, 부분산화가스가 갖는 열을 이용하여 연료극, 나아가 전해질을 가열할 수 있다. 그리고 전해질의 온도가 소정온도에 달하면, 부분산화가스에 함유되는 수소를 이용함으로써, 연료극, 산소극, 및 전해질에서 전극반응을 일으켜 발전을 개시할 수 있다. 따라서 본 발명에 의하면 고체전해질형 연료전지의 작동시간보다 낮은 소정온도에서 발전을 개시할 수 있다.
또 상기 전극반응에 수반하여 열이 발생한다. 이로써 부분산화가스가 갖는 열과 함께, 상기 전극반응에 수반하는 열을 이용하여 전해질을 가열할 수 있다. 때문에 고체전해질형 연료전지의 온도가 작동온도에 달할 때까지의 시간을 단축화할 수 있다. 따라서 본 발명에 의하면, 고체전해질형 연료전지의 기동시간 단축화를 도모할 수 있다.
또한 통상운전 시에, 개질기가 탄소 수 2 이상의 탄화수소를 메탄으로 변화시키므로, 연료극에 공급되는 연료가스에는 탄소 수 2 이상의 탄화수소는 함유되지 않는다. 이로써, 연료극으로의 물의 공급량이 적을 경우라도, 연료극으로 탄소가 석출될 우려는 적다. 따라서 본 발명에 의하면, 고체전해질형 연료전지의 연료극에서의 탄소 석출을 방지할 수 있다.
또 통상운전 시에, 고체전해질형 연료전지의 연료극에서는, 상기 연료가스를 물의 존재 하에서 수소를 함유하는 개질가스로 변화시킬 수 있다. 따라서 본 발명에 의하면, 상기 개질가스를 수소함유가스로서 이용할 수 있다.
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제 5 발명은, 상기 전극반응의 개시 전에 원료가스 및 산소함유가스를 연소시키는 제 2 연소수단을 구비한다. 또 이 제 2 연소수단에서 상기 원료가스 및 산소함유가스를 연소시킴으로써 생성된 연소가스를 상기 산소극으로 공급하여 상기 산소극을 가열하는 제 2 연소가스 공급수단을 구비한다.
이에 의해, 제 2 연소가스 공급수단이, 전극반응의 개시 전에 연소가스를 산소극으로 공급하므로, 연소가스가 갖는 열을 이용하여 산소극, 나아가 전해질이 가열된다. 이로써, 부분산화가스가 갖는 열 및 상기 전극반응에 수반하는 열과 함께, 연소가스가 갖는 열을 이용하여 전해질을 가열할 수 있다. 때문에 고체전해질형 연료전지의 온도가 작동온도에 달할 때까지의 시간을 더욱 단축화할 수 있다. 따라서 본 발명에 의하면, 고체전해질형 연료전지의 기동시간 단축화를 더욱 도모할 수 있다.
제 6 발명은, 원료가스 및 제 1 산소함유가스를 연소시키는 제 3 연소수단을 구비한다. 또 이 제 3 연소수단에서 상기 원료가스 및 제 1 산소함유가스를 연소시킴으로써 생성된 연소가스와 상기 제 1 산소함유가스와 다른 제 2 산소함유가스를 열교환시키는 제 2 열교환수단을 구비한다. 더불어 이 제 2 열교환수단에 의해 가열된 제 2 산소함유가스를 상기 개질기 및 상기 산소극의 한쪽 또는 쌍방으로 공급하는 산소함유가스 공급수단을 구비한다.
그런데 원료가스 및 산소함유가스를 연소시키면, 원료가스에 함유되는 탄화수소가 연소됨으로써 물 및 그을음이 발생할 경우가 있다. 때문에 연소가스를 연료극 및 산소극에 공급하면, 연소가스에 함유되는 물 및 그을음에 의해 연료극 및 산소극이 열화될 우려가 있다.
여기서, 본 발명에 의하면, 제 2 열교환수단이, 연소가스와 제 2 산소함유가스를 열교환시키며, 또 산소함유가스 공급수단이 개질기 및 산소극의 한쪽 또는 쌍방으로 제 2 산소함유가스를 공급하므로, 연소가스에 함유되는 물 및 그을음이 연료극 및 산소극의 한쪽 또는 쌍방으로 공급되는 일은 없다. 따라서 본 발명에 의하면, 연료극 및 산속극이 물 및 그을음에 의해 열화되는 것을 방지할 수 있다.
또 제 2 열교환수단이, 연소가스와 제 2 산소함유가스를 열교환시키므로, 제 2 산소함유가스는 가열된다. 그리고 산소함유가스 공급수단이 개질기 및 산소극의 한쪽 또는 쌍방으로, 가열된 제 2 산소함유가스를 공급한다. 이로써, 부분산화가스가 갖는 열 및 상기 전극반응에 수반하는 열과 함께, 제 2 산소함유가스가 갖는 열을 이용하여 전해질을 가열할 수 있다. 때문에 고체전해질형 연료전지의 온도가 작동온도에 달할 때까지의 시간을 더욱 단축화할 수 있다. 따라서 본 발명에 의하면, 고체전해질형 연료전지의 기동시간 단축화를 더욱 도모할 수 있다.
-발명의 효과-
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제 2 발명에 의하면, 기동운전 시에, 부분산화가스가 연료극에 공급되므로, 부분산화가스가 갖는 열을 이용하여 연료극, 나아가 전해질을 가열할 수 있다. 그리고 전해질의 온도가 소정온도에 달하면, 부분산화가스에 함유되는 수소를 이용함으로써, 연료극, 산소극, 및 전해질에서 전극반응을 일으켜 발전을 개시할 수 있다. 따라서 고체전해질형 연료전지의 작동시간보다 낮은 소정온도에서 발전을 개시할 수 있다.
또 상기 전극반응에 수반하여 열이 발생한다. 이로써 부분산화가스가 갖는 열과 함께, 상기 전극반응에 수반하는 열을 이용하여 전해질을 가열할 수 있다. 따라서 고체전해질형 연료전지의 온도가 작동온도에 달할 때까지의 시간을 단축화할 수 있으므로, 고체전해질형 연료전지의 기동시간 단축화를 도모할 수 있다.
또한 통상운전 시에, 개질기가 탄소 수 2 이상의 탄화수소를 메탄으로 변화시키므로, 연료극에 공급될 연료가스에는 탄소 수 2 이상의 탄화수소는 함유되지 않는다. 이로써, 연료극으로의 물의 공급량이 적을 경우라도, 연료극으로 탄소가 석출될 우려는 적다. 따라서 고체전해질형 연료전지의 연료극에서의 탄소 석출을 방지할 수 있다.
또 통상운전 시에, 고체전해질형 연료전지의 연료극에서는, 상기 연료가스를 물의 존재 하에서 수소를 함유하는 개질가스로 변화시킬 수 있다. 따라서 상기 개질가스를 수소함유가스로서 이용할 수 있다.
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제 5 발명에 의하면, 제 2 연소가스 공급수단이, 전극반응의 개시 전에 연소가스를 산소극으로 공급하므로, 연소가스가 갖는 열을 이용하여 산소극, 나아가 전해질이 가열된다. 이로써, 부분산화가스가 갖는 열 및 상기 전극반응에 수반하는 열과 함께, 연소가스가 갖는 열을 이용하여 전해질을 가열할 수 있다. 따라서 고체전해질형 연료전지의 온도가 작동온도에 달할 때까지의 시간을 더욱 단축화할 수 있으므로, 고체전해질형 연료전지의 기동시간 단축화를 더욱 도모할 수 있다.
제 6 발명에 의하면, 제 2 열교환수단이, 연소가스와 제 2 산소함유가스를 열교환시키며, 또 산소함유가스 공급수단이 개질기 및 산소극의 한쪽 또는 쌍방으로 제 2 산소함유가스를 공급하므로, 연소가스에 함유되는 물 및 그을음이 연료극 및 산소극의 한쪽 또는 쌍방으로 공급되는 일은 없다. 따라서, 연료극 및 산소극이 물 및 그을음에 의해 열화되는 것을 방지할 수 있다.
또 제 2 열교환수단이, 연소가스와 제 2 산소함유가스를 열교환시키므로, 제 2 산소함유가스는 가열된다. 그리고 산소함유가스 공급수단이 개질기 및 산소극의 한쪽 또는 쌍방으로, 가열된 제 2 산소함유가스를 공급한다. 이로써, 부분산화가스가 갖는 열 및 상기 전극반응에 수반하는 열과 함께, 제 2 산소함유가스가 갖는 열을 이용하여 전해질을 가열할 수 있다. 따라서 고체전해질형 연료전지의 온도가 작동온도에 달할 때까지의 시간을 더욱 단축화할 수 있으므로, 고체전해질형 연료전지의 기동시간 단축화를 더욱 도모할 수 있다.
도 1은 실시예에 관한 연료전지 발전시스템의 개략구성도.
도 2는 실시예에 관한 연료전지 발전시스템의 개략구성도.
도 3은 실시예에 관한 연료전지 발전시스템의 개략구성도.
-제 1 실시예-
이하, 본 발명의 실시예를 도면에 기초하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시예에 관한 연료전지 발전시스템(1)은, 탈황기(3), 제 1 기동용 버너(4), 개질기(5), 자기열교환기(6), 내부개질식 고체전해질형 연료전지(7)(이하, 연료전지라 함), 연소기(9), 열교환기(11), 제 1~제 8 유로(13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20), 제 1 및 제 2 전자밸브(21, 22), 그리고 제 1~제 3 송풍기(23, 24, 25) 등을 구비한다. 그리고 본 발명의 제 1 연소수단은 제 1 기동용 버너(4)로 구성되며, 개질기(5)는 프리리포머(pre-reformer)로 구성되고, 고체전해질형 연료전지는 연료전지(7)로 구성되며, 제 1 열교환수단은 자기열교환기(6)로 구성되고, 제 1 연소가스 공급수단은 제 4 유로(16)로 구성되며, 부분산화가스 공급수단은 제 5 유로(17)로 구성된다.
제 1 유로(13)의 한끝(도 1에서 오른쪽 끝)은 탈황기(3)의 입구(3a)로 이어진다.
제 1 송풍기(23)는, 제 1 유로를 통해 도시가스를 탈황기(3)로 송출하는 것이다. 도시가스는, CH4, C2H6, C3H8, 및 C4H10을 함유하는 가스이다.
탈황기(3)는, 유입된 도시가스를 유통시켜, 도시가스 중의 황화물을 흡착하는 것이다. 탈황기(3)의 출구(3b)는, 제 2 유로(14)의 한끝(왼쪽 끝)으로 이어진다.
제 1 기동용 버너(4)는, 후술하는 개질기(5)의 기동 시에 있어서, 탈황기(3)를 흘러나온 도시가스와 공기를 유통시켜, 상기 도시가스 및 공기를 연소시키는 것이다. 개질기(5)의 기동 시란, 개질기(5)의 온도가 400℃에 달할 때까지의 시기를 말한다. 제 1 기동용 버너(4)의 제 1 입구(4a)는 제 2 유로(14)의 다른 끝(오른쪽 끝)으로 이어지며, 제 2 입구(4b)는 제 3 유로(15)의 한끝으로 이어지고, 출구(4c)는 제 4 유로(16)의 한 끝으로 이어진다.
제 4 유로(16)의 다른 끝은 개질기(5)의 입구(5a)로 이어진다.
제 5 유로(17)의 한끝은 개질기(5)의 출구(5b)로 이어지며, 다른 끝은 연료전지(7)의 연료실(39) 입구(39a)로 이어진다.
자기열교환기(6) 내에는, 제 4 유로(16)와 제 5 유로(17)가 평행으로 연장된다. 그리고 자기열교환기(6)는 제 4 유로(16)를 유통하는 가스와, 제 5 유로(17)를 유통하는 가스를 열교환 시킨다.
개질기(5)는 연료전지(7)의 기동 시에 있어서, 탈황기(3)를 유통시킨 도시가스 및 공기 등을 유통시켜, 도시가스 중의 탄화수소를 부분산화시킴으로써, 일산화탄소 및 수소를 함유하는 부분산화가스를 생성하는 것이다. 연료전지(7)의 기동 시란, 연료전지(7)의 온도가 700℃~1000℃에 달할 때까지의 시기를 말한다.
또 개질기(5)는, 연료전지 발전시스템(1)의 통상운전 시에 있어서, 탈황기 (3)를 유통시킨 도시가스와 연료 재순환가스가 혼합된 원료가스를 유통시켜, 원료가스 중의 CH4를 개질하지 않는 한편, 원료가스 중의 탄소 수 2 이상의 탄화수소, 즉, C2H6, C3H8, 및 C4H10 등을 CH4로 개질하는 것이다. 연료전지 발전시스템(1)의 통상운전 시란, 연료전지(7)의 온도가 700℃~1000℃에 달한 후의 시기를 말한다.
개질기(5)는 중공부를 갖는 관을 구비하며, 그 중공부에는 촉매부가 형성된다. 촉매부는 Ru, Rh 등의 귀금속 촉매로 형성된다. 또 촉매부는 가스 중의 황화물을 흡착하는 성질도 갖는다. 여기서 촉매부를 형성하는 귀금속 촉매의 양은, 연료전지(7)를 시동시키고 나서 연료전지(7)의 수명이 다할 때까지 사이에, 탈황기(3)에서 흡착되지 않은 가스 중의 황화물을 흡착하는데 필요한 최저량이다.
연료전지(7)는, (La, Ca)MnO3으로 이루어지는 공기극(31), YSZ로 이루어지는 전해질(33), Ni-YSZ로 이루어지는 연료극(35), 공기실(37), 연료실(39), 및 외부회로(도시 생략) 등으로 구성된다. 전해질(33)은, 그 내부를 이온만이 통과할 수 있으며, 가스 및 전자는 통과할 수 없다. 전해질(33)의 한쪽 면(왼쪽 면)에는 연료극(35)이 구성되며, 다른 쪽 면(오른쪽 면)에는 공기극(31)이 구성된다. 그리고 전해질(33)을 격벽으로 하여, 연료극(35) 쪽에 연료실(39)이 형성되며, 공기극(31) 쪽에 공기실(37)이 형성된다. 연료극(35)과 공기극(31)은 외부회로(도시 생략)를 통해 이어진다. 연료전지(7)의 작동온도는 700℃~1000℃다. 그리고 본 발명에서 말하는 산소극은 공기극(31)으로 구성된다.
공기실(37)의 입구(37a)는 제 6 유로(18)의 한끝(상단)으로 이어진다. 그리 고 제 1 전자밸브(21)가 열린 상태일 때에, 공기실(37)에는 공기가 공급된다.
연료실(37)에는 연료전지(7)의 기동 시에 있어서, 개질기(5)를 흘러나온 CO 및 H2를 함유하는 부분산화가스가 공급된다.
또 연료실(37)에는 연료전지 발전시스템(1)의 통상운전 시에 있어서, 개질기(5)를 흘러나온 CH4를 함유하는 연료가스가 공급된다.
연료실(37)의 재순환구(39b)는 제 7 유로(19)를 통해 제 2 유로(14)의 중간부로 이어진다. 그리고 연료실(39)에서 배출된 CO 및 H2를 함유하는 연료 재순환가스는, 제 2 송풍기(24)에 의해 제 2 유로(14)로 송출된다. 제 2 유로로 유입된 연료 재순환가스는, 탈황기(3)를 유통한 도시가스와 혼합된다.
연소기(9)는, 연료전기(7)의 공기실(37) 및 연료실(39)로 이어진다. 그리고 연소기(9)는, 연료실(39)로부터 배출된 CO 및 H2를 함유하는 배기가스 및 공기실(37)로부터 배출된 배기가스를 연소시킨다.
제 8 유로(20)는 연소기(9)에서 연소된 배기가스가 유통하는 유로이며, 그 한끝(왼쪽 끝)이 연소기(9)와 이어지고, 그 다른 끝(오른쪽 끝)이 배기가스의 배출구(도시 생략)로 이어진다.
제 3 송풍기(25)는, 제 3 유로(15)를 통해 공기를, 제 1 기동용 버너(4) 및 연료전지(7) 공기실(37)의 한쪽 또는 양쪽으로 송출하는 것이다.
열교환기(11) 내에는, 제 3 유로(15)와 제 8 유로(20)가 평행으로 연장된다. 그리고 열교환기(11)는, 제 3 유로(15)를 유통하는 공기와, 제 8 유로(20)를 유통 하는 배기가스를 열교환 시킨다.
제 2 전자밸브(22)는, 제 3 유로(15)에 있어서, 제 3 유로(15) 및 제 6 유로(18)의 합류점과 제 1 기동용 버너(4) 사이에 배치된다.
여기서 연료전지 발전시스템(1)의 동작을 설명한다.
(개질기의 기동)
우선, 개질기(5)가 기동된다.
개질기(5)의 기동시에 있어서, 제 1 전자밸브(21)는 닫힌 상태이며, 제 2 전자밸브(22)는 열린 상태이다. 또 제 1 기동용 버너(4)는 가동 중이다.
도시가스는 제 1 유로(13)를 통해 탈황기(3)로 유입된다. 그리고 탈황기(3)로 유입된 도시가스는, 탈황기(3)를 유통함으로써, 함유된 황하물이 제거된다.
다음에, 황화물이 제거된 도시가스는 탈황기(3)를 흘러나와, 제 2 유로(14)를 통해 제 1 기동용 버너(4)로 유입된다.
한편, 공기는 제 3 유로(15)를 통해 열교환기(11)로 유입된다. 열교환기(11)에서, 공기와 연소기(9)에서 연소된 배기가스는 열교환을 한다. 이로써 공기는 가열된다.
가열된 공기는 열교환기(11)로부터 유출되어, 제 3 유로(15)를 통해 제 1 기동용 버너(4)로 유입된다.
그리고 제 1 기동용 버너(4)로 유입된 도시가스 및 공기는, 제 1 기동용 버너(4)에서 연소된다.
제 1 기동용 버너(4)에서 도시가스 및 공기를 연소함으로써 생성된 연소가스 는 제 1 기동용 버너(4)를 흘러나와, 제 4 유로(16)를 통해 자기열교환기(6)로 유입된다. 그리고 자기열교환기(6)에서, 제 4 유로(16)를 흐르는 연소가스와 제 5 유로(17)를 흐르는 연소가스가 열교환을 한다.
자기열교환기(6)를 유통한 연소가스는 개질기(5)로 유입된다. 그리고 연소가스가 개질기(5)를 유통함으로써, 개질기(5)의 촉매부는 예열된다. 개질기(5) 촉매부의 예열은, 촉매부의 온도가 400℃에 달할 때까지 실시된다. 여기서 개질기(5) 촉매부의 예열이 촉매부 온도가 400℃에 달할 때까지 실시되는 이유는, 촉매부의 온도가 400℃에 달하면, 개질기(5)에서, 후술하는 부분산화반응을 개시할 수 있기 때문이다.
개질기(5)를 유통한 연소가스는 개질기(5)를 흘러나와, 제 5 유로(17)를 통해 연료전지(7)의 연료실(39)로 유입된다.
연료실(39)로 유입된 연소가스는 연소기(9) 및 제 8 유로(20)를 통해 배출구에서 배출된다.
(연료전지의 예열)
다음에 연료전지(7)의 예열이 실시된다.
여기서 개질기(5)의 촉매부 온도가 400℃에 달하면, 제 1 기동용 버너(4)의 운전은 정지된다. 또 이 때, 개질기(5)의 기동 시에 닫혀있던 제 1 전자밸브(21)는 열린다.
또한 제 2 유로(14) 및 제 7 유로(19)의 합류점에서, 도시가스는 CO 및 H2를 함유하는 연료 재순환가스와 혼합된다. 도시가스와 연료 재순환가스가 혼합된 원료가스는, 제 2 유로(14)를 통해 정지 중인 제 1 기동용 버너(4)로 유입된다.
한편, 공기는 열교환기(11)를 흘러나와, 제 3 유로(15)를 지나 제 3 유로(15) 및 제 6 유로(18)의 합류점에 달한다. 그리고 상기 합류점에서, 공기는 제 3 유로(15)와 제 6 유로(18)로 분류된다.
제 3 유로(15)로 유입된 공기는, 제 3 유로(15)를 통해 정지 중인 제 1 기동용 버너(4)로 유입된다.
다음에, 제 1 기동용 버너(4)로 유입된 원료가스 및 공기는 제 1 기동용 버너(4)를 흘러나와, 제 4 유로(16)를 통해 자기열교환기(6)로 유입된다. 그리고 자기열교환기(6)에서, 제 4 유로(16)를 흐르는 원료가스와 제 5 유로(17)를 흐르는 부분산화가스는 열교환을 한다. 이로써, 제 4 유로(16)를 흐르는 원료가스는 가열된다.
가열된 원료가스는 개질기(5)로 유입된다. 그리고 원료가스가 개질기(5)의 촉매부를 유통함으로써, 원료가스에 함유되는 탄화수소와 산소가 반응하여 일산화탄소와 수소가 생성되는 부분산화반응이 일어난다.
부분산화반응의 반응식은 다음의 식으로 나타내는 바와 같다. 이 반응은 발열반응이다.
CnH2n+2+n/2O2→nCO+(n+1)H2
즉, 개질기(5)의 촉매부에서는 상기 수학식 1의 반응이 일어나, 탄화수소 및 산소로부터 일산화탄소 및 수소가 생성된다.
또, 상기 수학식 1은, 좌변에서 우변을 향하는 정방향의 반응만이 아니라, 우변에서 좌변을 향하는 역방향의 반응도 동시에 일어나는 것으로 생각된다. 그러나 역방향의 반응에 비해 정방향의 반응이 많으므로, 정방향의 반응이 일어나는 것으로 간주할 수 있다.
그런데 도시가스를 탈황기(3)로 유통시켜도, 도시가스에 함유되는 황화물은, 그 전부가 탈황기(3)에 의해 제거된다고는 한정할 수 없다. 여기서 개질기(5)의 촉매부는 가스 중의 황화물을 흡착하는 성질을 가지므로, 원료가스 중에 잔존하는 황화물은, 개질기(5)를 유통함으로써 제거된다.
다음으로, 개질기(5)를 유통함으로써 생성된 CO 및 H2를 함유하는 부분산화가스는, 제 5 유로(17)를 통해 연료전지(7)의 연료실(39)로 유입된다. 여기서 상기 ①의 반응은 발열반응이므로, 부분산화가스는 열을 갖는다. 따라서 부분산화가스가 연료실(39)을 유통함으로써, 연료극(35), 나아가 전해질(33)은 예열 된다.
한편 제 6 유로(18)로 유입된 공기는, 제 6 유로(18)를 통해 연료전지(7)의 공기실(37)로 유입된다. 그리고 공기가 공기실(37)을 유통함으로써, 공기극(31) 나아가 전해질(33)은 예열 된다.
연료전지(7)의 예열은, 연료전지(7)의 온도가 500℃에 달할 때까지 행해진다. 여기서 연료전지(7)의 온도가 500℃에 달하면, 전해질(33) 중을 이온이 이동하 기가 가능해지므로, 연료전지(7)에서 발전을 개시할 수 있다.
다음에, 연료실(39)에서 배출된 CO 및 H2를 함유하는 연료 재순환가스는, 제 7 유로(19)를 통해 제 2 유로(14)로 유입된다. 그리고 제 2 유로(14) 및 제 7 유로(19)의 합류점에서, 연료 재순환가스는 도시가스와 혼합된다.
또 연료실(39)에서 배출된 CO 및 H2를 함유하는 배기가스 및 공기실(37)에서 배출된 배기가스는 연소기(9)로 유입된다. 그리고 연소기(9)에서 배기가스는 연소된다.
상기 연소의 반응식은, 다음의 식으로 나타내는 바와 같다.
CO+1/2O2→CO2
H2+1/2O2→H2O
연소된 배기가스는, 제 8 유로(20)를 통해 열교환기(11)로 유입되어, 제 3 유로(15)를 유통하는 공기와 열교환을 한다.
열교환기(11)를 유통한 배기가스는, 제 8 유로(20)를 통해 배출구에서 배출된다.
(발전 개시)
다음으로, 연료전지(7)를 계속 예열하면서, 발전이 개시된다. 여기서, 본 발명에서 말하는 기동운전은, 연료전지(7)의 예열 시 및 발전개시 시의 운전에 대응 한다.
여기서, 연료전지(7)의 온도가 500℃에 달했을 때, 제 1 기동용 버너(4)의 운전은 정지된 채이다. 또 이 때, 제 1 및 제 2 전자밸브(21, 22)는 열린 상태인 채이다.
개질기(5)를 유통함으로써 생성된 CO 및 H2를 함유하는 부분산화가스는, 제 5 유로(17)를 통해 연료전지(7)의 연료실(39)로 유입된다.
한편, 공기는 제 3 및 제 6 유로(15, 18)를 통해 연료전지(7)의 공기실(37)로 유입된다.
다음에, 연료전지(7)의 동작을 상세하게 설명하기로 한다.
우선, 공기실(37) 내의 산소가 공기극(31)과 전해질(33)의 계면에서 해리되어 산소이온으로 되는 반응이 일어난다.
상기 반응의 반응식은, 다음의 식으로 나타내는 바와 같다.
1/2O2+2e-→O2-
산소이온은 전해질(33)을 통해 연료극(35) 쪽으로 이동한다.
그리고 연료극(35)과 전해질(33)의 계면에서, 산소이온과 연료실(39) 내의 부분산화가스에 함유되는 일산화탄소 및 수소가 반응하여 이산화탄소 및 수증기가 생성되는 반응이 일어난다.
상기 반응의 반응식은, 다음의 식으로 나타내는 바와 같다.
CO+O2-→CO2+2e-
H2+O2-→H2O+2e-
이 때, O2-에서 방출된 전자가 연료극(35)으로부터 외부회로로 흘러들어간다. 그리고 외부회로에서 전기 에너지가 인출되어, 발전이 이루어진다.
또 전자는 외부회로로부터 공기극(31)으로 흘러들어가, 상기 수학식 4에 나타내는 바와 같이, 공기극(31)과 전해질(33)의 계면에서 공기실(37) 내 산소와 반응하여 산소이온으로 된다.
또한 상술한 부분산화가스 및 공기가 갖는 열과 함께, 발전 시에 발생하는 열을 이용하여 연료전지(7)의 예열이 실시된다. 이 연료전지(7)의 예열은, 연료전지(7)의 온도가 700℃~1000℃(작동온도)에 달할 때까지 행해진다. 여기서 연료전지(7)의 온도가 700℃~1000℃에 달하면, 전해질(33) 중을 이온이 순조롭게 이동 가능하므로, 후술하는 연료전지 발전시스템의 통상운전을 개시할 수 있다.
다음에, 연료실(39)에서 배출된 CO2, H2O, CO 및 H2를 함유하는 연료 재순환가스는, 제 7 유로(19)를 통해 제 2 유로(14)로 유입된다. 그리고 제 2 유로(14) 및 제 7 유로(19)의 합류점에서, 연료 재순환가스는 도시가스와 혼합된다.
(연료전지 발전시스템의 통상운전)
다음으로, 연료전지 발전시스템(1)의 통상운전이 실행된다.
연료전지(7)의 온도가 700℃~1000℃에 달했을 때, 제 1 기동용 버너(4)의 운전은 정지된 채이다. 또 이 때, 제 1 전자밸브(21)는 열린 상태인 채인 한편, 제 2 전자밸브(22)는 닫힌다.
도시가스와 연료 재순환가스가 혼합된 원료가스는, 제 2 및 제 4 유로(14, 16)를 통해 개질기(5)로 유입된다.
다음에, 개질기(5)의 동작을 상세하게 설명한다.
개질기(5)의 촉매부에서는, 촉매부를 원료가스가 유통함으로써, 탄소 수 2 이상의 탄화수소와 수소가 반응하여 메탄이 생성되는 메탄화 반응이 활발하게 일어나는 한편, 탄소 수 2 이상의 탄화수소와 수증기가 반응하여 수소와 일산화탄소가 생성되는 수증기개질 반응이 약간 일어난다. 또 메탄화 반응은 개질기(5)의 촉매부 전체에 걸쳐 일어나며, 수증기개질 반응은 주로 개질기(5)의 입구(5a) 쪽 촉매부에서 일어난다.
메탄화 반응의 반응식은, 다음의 식으로 나타내는 바와 같다. 이 반응은 발열반응이다.
CnH2n+2+(n-1)H2→nCH4
여기서 메탄화 반응에 이용되는 H2는, 수증기개질 반응에서 생성되는 H2 및 연료 재순환가스에 함유되는 H2이다.
수증기개질 반응의 반응식은, 다음의 식에 나타내는 바와 같다. 이 반응은 흡열반응이다.
CnH2n+2+nH2O→nCO+(2n+1)H2
즉, 개질기(5)의 촉매부에서는, 상기 수학식 7 및 수학식 8의 각 반응이 일어나, 2 이상의 탄화수소로부터 메탄, 일산화탄소 및 수소가 생성된다.
개질기(5)를 유통함으로써 생성된 CH4 및 H2O를 함유하는 연료가스는, 제 5 유로(17)를 통해 연료전기(7)의 연료실(39)로 유입된다.
한편 공기는, 제 3 및 제 6 유로(15, 18)를 통해 연료전지(7)의 공기실(37)로 유입된다.
다음에, 연료전지(7)의 동작을 설명하기로 한다.
연료실(39)에서는, 연료극(35)에 함유되는 Ni의 촉매작용으로써, 메탄과 수증기가 반응하여 일산화탄소와 수소가 생성되는 수증기개질 반응이 일어난다.
수증기개질 반응의 반응식은 다음의 식에 나타내는 바와 같다. 이 반응은 흡열반응이다.
CH4+H2O→CO+3H2
이하, 연료전지(7)에서, 상술한 바와 마찬가지의 전극반응이 일어남으로써 발전이 행해진다.
본 실시예에서는, 연료전지(7)의 기동 시에, 부분산화가스가 제 4 유로(16)를 통해 연료실(39)에 공급되므로, 부분산화가스가 갖는 열을 이용하여 연료극(35), 나아가 전해질(33)을 예열 할 수 있다. 그리고 전해질(33)의 온도가 500℃에 달하면, 부분산화가스에 함유되는 CO 및 H2를 이용함으로써, 연료전지(7)에서 전극반응을 일으켜 발전을 개시할 수 있다. 따라서 연료전지(7)의 작동온도보다 낮은 500℃에서 발전을 개시할 수 있다.
또 상기 전극반응에 수반하여 열이 발생한다. 따라서 부분산화가스가 갖는 열과 함께, 상기 전극반응에 수반하는 열을 이용하여 전해질(33)을 예열 할 수 있다. 때문에 연료전지(7)의 온도가 작동온도에 달할 때까지의 시간을 단축화 할 수 있다. 따라서 연료전지(7)의 기동시간 단축화를 도모할 수 있다.
또 연료전지(7)의 기동 시에, 자기열교환기(6)가, 개질기(5)로 유입시키기 전의 원료가스 및 공기와, 개질기(5)로부터 배출된 부분산화가스를 열교환 시키므로, 부분산화가스가 갖는 열에 의해 원료가스 및 공기가 가열된다. 따라서 원료가스 및 공기가 개질기(5)의 촉매부를 냉각시키는 것을 방지할 수 있다. 따라서 개질기(5)에서, 상기 부분산화반응을 활발하게 일으킬 수 있다.
또 개질기(5)의 기동 시에, 제 1 기동용 버너(4)에서 배출된 연소가스가 제 4 유로(16)를 통해 개질기(5)로 공급되므로, 연소가스가 갖는 열에 의해 개질기(5)가 예열 된다. 이로써 개질기(5)의 온도를 400℃로 할 수 있으므로, 개질기(5)에서 부분산화반응을 개시할 수 있다. 따라서 본 실시예에 의하면, 개질기(5)를 기동시 킬 수 있다.
또 연료전지 발전시스템(1)의 통상운전 시에 있어서, 개질기(5)는 원료가스 중의 탄소 수 2 이상의 탄화수소, 즉, C2H6, C3H8, 및 C4H10 등을 CH4로 개질하므로, 연료실(39)에 공급될 연료가스에는 탄소 수 2 이상의 탄화수소는 함유되지 않는다. 따라서 연료가스에 함유되는 탄화수소는 CH4로 점유되므로, 연료실(39)로의 물 공급량이 적을 경우라도, 연료실(39) 내로 탄소가 석출될 우려는 적다. 따라서 연료전지 발전시스템(1)의 통상운전 시에 있어서, 연료전지(7)의 연료실(39) 내에서의 탄소 석출을 방지할 수 있다.
-제 2 실시예-
본 실시예에 관한 연료전지 발전시스템(1)은, 발전개시 전에 연소가스가 공기실에 공급되는 것이다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 본 실시예에 관한 연료전지 발전시스템(1)은, 탈황기(3), 제 2 기동용 버너(8), 개질기(5), 연료전지(7), 연소기(9), 열교환기(11), 제 9~제 19 유로(43, 45, 47, 49, 51, 53, 55, 57, 59, 61, 62), 제 3~제 6 전자밸브(63, 65, 67, 69), 절환밸브(71) 및 제 1~제 3 송풍기(23, 24, 25) 등을 구비한다. 그리고 본 발명의 제 2 연소수단은 제 2 기동용 버너(8)로 구성되며, 제 2 연소가스 공급수단은 제 16 및 제 17 유로(57, 59)로 구성된다.
제 9 유로(43)의 한끝(도 2에서 오른쪽 끝)은 탈황기(3)의 입구(3a)로 이어 진다.
제 10 유로(45)의 한끝(왼쪽 끝)은 탈황기(3)의 출구(3b)로 이어지며, 다른 끝(오른쪽 끝)은 개질기(5)의 입구(5a)로 이어진다.
제 11 유로(43)의 한끝은, 제 10 유로(45)에서, 탈황기(3)의 출구(3a)와 제 3 전자밸브(63) 사이로 이어진다. 제 11 유로(47)의 다른 끝은 제 2 기동용 버너(8)의 제 1 입구(8a)로 이어진다.
제 12 유로(49)의 한끝은 제 2 기동용 버너(8)의 제 2 입구(8b)로 이어진다.
제 13 유로(51)의 한끝은 연료실(39)의 재순환구(39b)로 이어진다. 제 13 유로(51)의 다른 끝은, 제 10 유로(45)에서, 제 10 유로(45) 및 제 14 유로(53)의 합류점과 제 3 전자밸브(63) 사이로 이어진다.
제 14 유로(53)의 한끝(아래쪽 끝)은 제 16 유로(57)의 중간부로 이어진다. 제 14 유로(53)의 다른 끝(위쪽 끝)은, 제 10 유로(45)에서, 제 10 유로(45) 및 제 13 유로(51)의 합류점과, 제 10 유로(45) 및 제 15 유로(55)의 합류점 사이로 이어진다.
제 15 유로(55)의 한끝은, 제 12 유로(49)에 있어서, 열교환기(11)와 절환밸브(71) 사이로 이어진다. 제 15 유로(55)의 다른 끝은, 제 10 유로(45)에서, 제 10 유로(45) 및 제 14 유로(53)의 합류점과 개질기(5)의 입구(5a) 사이로 이어진다.
제 16 유로(57)의 한끝(왼쪽 끝)은 제 2 기동용 버너(8)의 출구(8c)로 이어지며, 다른 끝(오른쪽 끝)은 제 17 유로(59)의 중간부로 이어진다.
제 17 유로(59)의 한끝(아래쪽 끝)은 절환밸브(71)로 이어지며, 다른 끝(위 쪽 끝)은 공기실(37)의 입구(37a)로 이어진다.
제 18 유로(61)의 한끝(왼쪽 끝)은 연소기(9)로 이어지며, 다른 끝(오른쪽 끝)은 배기가스의 배출구(도시 생략)로 이어진다.
제 19 유로(62)의 한끝(왼쪽 끝)은 개질기(5)의 출구(5b)로 이어지며, 다른 끝(오른쪽 끝)은 연료전지(7)의 연료실(39) 입구(39a)로 이어진다.
열교환기(11) 내에는, 제 12 유로(49)와 제 18 유로(61)가 병행 연장된다.
제 4 전자밸브(65)는 제 11 유로(47)의 중간부에 배치되며, 제 5 전자밸브(67)는 제 14 유로(53)의 중간부에 배치되고, 제 6 전자밸브(69)는 제 15 유로(55)의 중간부에 배치된다.
절환밸브(71)는, 제 12 및 제 17 유로(49, 59) 중 어느 한쪽으로, 제 12 유로(49)를 유통하는 공기가 흐르도록 구성된 것이다.
여기서, 연료전지 발전시스템(1)의 동작을 설명한다.
(개질기의 기동 및 공기극의 예열)
우선, 개질기(5)의 기동 및 공기극(31)의 예열이 실시된다.
여기서, 개질기(5)의 기동 및 공기극(31)의 예열 시에 있어서, 제 4 및 제 5 전자밸브(65, 67)는 열린 상태이며, 제 3 및 제 6 전자밸브(63, 69)는 닫힌 상태이다. 절환밸브(71)는 제 12 유로(49)로 공기가 흐르도록 절환된다. 또 제 2 기동용 버너(8)는 가동 중이다.
황화물이 제거된 도시가스는 탈황기(3)를 흘러나와, 제 10 및 제 11 유로(45, 47)를 통해 제 2 기동용 버너(8)로 유입된다.
한편, 공기는 제 12 유로(49)를 통해 열교환기(11)로 유입된다. 열교환기(11)에서, 공기와, 연소기(9)로 연소된 배기가스가 열교환 된다. 이로써, 공기는 가열된다.
가열된 공기는, 제 12 유로(49)를 통해 제 2 기동용 버너(8)로 유입된다.
그리고 제 2 기동용 버너(8)로 유입된 도시가스 및 공기는, 제 2 기동용 버너(8)에서 연소된다.
제 2 기동용 버너(8)에서 도시가스 및 공기를 연소시킴으로써 생성된 연소가스는 제 2 기동용 버너(8)를 흘러나와, 제 16 유로(57)를 통해 제 14 유로(53) 및 제 16 유로(57)의 합류점에 달한다. 그리고 상기 합류점에서, 연소가스는 제 14 유로(53)와 제 16 유로(57)로 분류된다.
제 14 유로(53)로 유입된 연소가스는, 제 14 및 제 10 유로(53, 45)를 통해 개질기(5)로 유입된다. 그리고 연소가스가 개질기(5)를 유통함으로써, 개질기(5)의 촉매부는 예열 된다. 개질기(5)의 촉매부 예열은, 촉매부의 온도가 400℃에 달할 때까지 실시된다
개질기(5)를 유통한 연소가스는 개질기(5)를 흘러나와, 제 5 유로(17)를 통해 연료실(39)로 유입된다.
한편, 제 16 유로(57)로 유입된 연소가스는, 제 16 및 제 17 유로(57, 59)를 통해 공기실(37)로 유입된다. 그리고 연소가스가 공기실(37)을 유통함으로써, 공기극(31), 나아가 전해질(33)은 예열 된다.
공기실(37) 및 연소실(39)을 유통한 연소가스는 연소기(9)로 유입된다.
(연료전지의 예열)
다음으로 연료전지(7)의 예열이 실시된다.
여기서 개질기(5)의 촉매부 온도가 400℃에 달하면, 제 3, 제 4 및 제 6 전자밸브(63, 65, 69)는 열린 상태로 되며, 제 5 전자밸브(67)는 닫힌 상태로 된다. 또 이 때, 제 2 기동용 버너(8)는 가동되며, 절환밸브(71)는 제 12 유로(49)로 공기가 흐르도록 절환된다.
우선, 탈황기(3)를 흘러나온 도시가스는, 제 10 유로(45)를 통해 제 10 유로(45) 및 제 11 유로(47)의 합류점에 달한다. 그리고 상기 합류점에서, 도시가스는 제 10 유로(45)와 제 11 유로(47)로 분류된다.
제 10 유로(45)로 유입된 도시가스는, 제 10 유로(45)를 통해 제 10 유로(45) 및 제 13 유로(51)의 합류점에 달한다. 그리고 상기 합류점에서, 도시가스는 연료 재순환가스와 혼합된다.
도시가스와 연료 재순환가스가 혼합된 원료가스는, 제 10 유로(45)를 통해 제 10 유로(45) 및 제 15 유로(55)의 합류점에 달한다. 그리고 상기 합류점에서, 원료가스는 제 15 유로(55)를 유통한 공기와 혼합된다.
원료가스 및 공기는 제 10 유로(45)를 통해 개질기(5)로 유입된다. 그리고 원료가스 및 공기가 개질기(5)의 촉매부를 유통함으로써, 상술한 부분산화반응이 일어난다.
개질기(5)를 유통함으로써 생성된 CO 및 H2를 함유하는 부분산화가스는, 제 19 유로(62)를 통해 연료전지(7)의 연료실(39)로 유입된다. 그리고 부분산화가스가 연료실(39)을 유통함으로써, 연료극(35), 나아가 전해질(33)은 예열된다.
한편, 제 11 유로(47)로 유입된 도시가스는, 제 11 유로(47)를 통해 제 2 기동용 버너(8)로 유입된다.
또 공기는 제 12 유로(49)를 통해 제 12 유로(49) 및 제 15 유로(55)의 합류점에 달한다. 그리고 상기 합류점에서, 공기는 제 12 유로(49) 및 제 15 유로(55)로 분류된다.
제 12 유로(49)로 유입된 공기는, 제 12 유로(49)를 통해 제 2 기동용 버너(8)로 유입된다.
제 2 기동용 버너(8)에서 도시가스 및 공기를 연소시킴으로써 생성된 연소가스는, 제 2 기동용 버너(8)를 흘러나와, 제 16 및 제 17 유로(57, 59)를 통해 공기실(37)로 유입된다. 그리고 연소가스가 공기실(39)을 유통함으로써, 공기극(35), 나아가 전해질(33)은 예열 된다.
연료전지(7)의 예열은, 연료전지(7)의 온도가 500℃에 달할 때까지 행해진다.
(발전개시)
다음으로, 연료전지(7)의 예열을 계속하면서, 발전이 개시된다.
여기서, 연료전지(7)의 온도가 500℃에 달했을 때, 제 2 기동용 버너(8)의 운전은 정지된다. 또 이 때, 제 3 및 제 6 전자밸브(63, 69)는 열린 상태로 되며, 제 4 및 제 5 전자밸브(65, 67)는 닫힌 상태로 된다. 그리고 절환밸브(71)는, 제 17 유로(59)로 공기가 흐르도록 절환된다.
도시가스와 연료 재순환가스가 혼합된 원료가스는, 제 10 유로(45)를 통해 제 10 유로(45) 및 제 15 유로(55)의 합류점에 달한다. 그리고 상기 합류점에서, 원료가스는 제 15 유로(55)를 유통한 공기와 혼합된다.
원료가스 및 공기는 제 10 유로(45)를 통해 개질기(5)로 유입된다. 그리고 원료가스 및 공기가 개질기(5)의 촉매부를 유통함으로써, 부분산화반응이 일어난다.
개질기(5)를 유통함으로써 생성된 CO 및 H2를 함유하는 부분산화가스는, 제 19 유로(62)를 통해 연료실(39)로 유입된다.
한편, 공기는 제 12 및 제 17 유로(49, 59)를 통해 공기실(37)로 유입된다.
이하, 연료전지(7)에서 상술한 바와 마찬가지의 전극반응이 일어남으로써, 발전이 이루어진다.
또 상술한 부분산화가스 및 공기가 갖는 열과 함께, 발전 시에 발생하는 열을 이용하여 연료전지(7)의 예열이 실시된다. 이 연료전지(7)의 예열은, 연료전지(7)의 온도가 700℃~1000℃에 달할 때까지 실시된다.
여기서, 본 발명에서 말하는 전극반응의 개시는, 발전개시 시에 대응한다.
(연료전지 발전시스템의 통상운전)
다음으로, 연료전지 발전시스템(1)의 통상운전이 실행된다.
여기서 연료전지(7)의 온도가 700℃~1000℃에 달했을 때, 제 2 기동용 버너 (8)의 운전은 정지된 채이다. 또 이 때, 제 3 전자밸브(63)는 열린 상태로 되며, 제 4, 제 5 및 제 6 전자밸브(65, 67, 69)는 닫힌 상태로 된다. 그리고 절환밸브(71)는, 제 17 유로(59)로 공기가 흐르도록 절환된다.
도시가스와 연료 재순환가스가 혼합된 원료가스는, 제 10 유로(45)를 통해 개질기(5)로 유입된다. 그리고 개질기(5)에서, 상술한 바와 마찬가지의 메탄화반응 등이 일어난다.
개질기(5)를 유통함으로써 생성된 CH4 및 H2O를 함유하는 연료가스는, 제 19 유로(62)를 통해 연료실(39)로 유입된다.
한편, 공기는 제 12 및 제 17 유로(49, 59)를 통해 공기실(37)로 유입된다.
이하, 연료전지(7)에서 상술한 바와 마찬가지의 수증기개질 반응 및 전극반응이 일어남으로써, 발전이 이루어진다.
본 실시예에서는, 발전개시 전에, 연소가스가 제 16 및 제 17 유로(57, 59)를 통해 공기실(37)에 공급되므로, 연소가스가 갖는 열을 이용하여 공기극(31), 나아가 전해질(33)이 가열된다. 이로써 부분산화가스가 갖는 열 및 상기 전극반응에 수반하는 열과 함께, 연소가스가 갖는 열을 이용하여 전해질(33)을 가열할 수 있다. 때문에 연료전지(7)의 온도가 작동온도에 달할 때까지의 시간을 더욱 단축화할 수 있다. 따라서 연료전지(7)의 기동시간 단축화를 더욱 도모할 수 있다.
-제 3 실시예-
본 실시예에 관한 연료전지 발전시스템(1)은, 연료전지 기동 시에, 연소가스와 열교환된 공기가 개질기 및 공기실에 공급되는 것이다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 본 실시예에 관한 연료전지 발전시스템(1)은, 탈황기(3), 제 3 기동용 버너(12), 개질기(5), 연료전지(7), 연소기(9), 제 1 및 제 2 열교환기(93, 95), 제 20~제 29 유로(73, 75, 77, 79, 81, 83, 85, 87, 89, 91), 제 7~제 10 전자밸브(97, 99, 101, 103) 및 제 1~제 3 송풍기(23, 24, 25) 등을 구비한다. 그리고 본 발명의 제 3 연소수단은 제 3 기동용 버너(12)로 구성되며, 산소함유가스 공급수단은 제 21, 제 25 및 제 27 유로(75, 83, 87)로 구성되며, 제 2 열교환수단은 제 1 열교환기(93)로 구성된다.
제 20 유로(73)의 한끝(도 3에서 오른쪽 끝)은 탈황기(3)의 입구(3a)로 이어진다.
제 21 유로(75)의 한끝(왼쪽 끝)은 탈황기(3)의 출구(3b)로 이어지며, 다른 끝(오른쪽 끝)은 개질기(5)의 입구(5a)로 이어진다.
제 22 유로(77)의 한끝은, 제 21 유로(75)에 있어서, 탈황기(3)의 출구(3b)와 제 7 전자밸브(97) 사이로 이어진다. 제 22 유로(77)의 다른 끝은 제 3 기동용 버너(12)의 제 1 입구(12a)로 이어진다.
제 23 유로(79)의 한끝은 제 3 기동용 버너(12)의 제 2 입구(12b)로 이어진다.
제 24 유로(81)의 한끝은 연료실(39)의 재순환구(39b)로 이어진다. 제 24 유로(81)의 다른 끝은, 제 21 유로(75)에 있어서, 제 21 유로(75) 및 제 25 유로(83) 의 합류점과 제 7 전자밸브(97) 사이로 이어진다.
제 25 유로(83)의 한끝은, 제 23 유로(79)에 있어서, 제 2 열교환기(95)와 제 10 전자밸브(103) 사이로 이어진다. 제 25 유로(83)의 다른 끝은, 제 10 유로(45)에 있어서, 제 21 유로(75) 및 제 24 유로(81)의 합류점과 개질기(5)의 입구(5a) 사이로 이어진다.
제 26 유로(85)의 한끝(왼쪽 끝)은 개질기(5)의 출구(5b)로 이어지며, 다른 끝(오른쪽 끝)은 연료실(39)의 입구(39a)로 이어진다.
제 27 유로(87)의 한끝은, 제 25 유로(83)에 있어서, 제 9 전자밸브(101)와 제 1 열교환기(93) 사이로 이어진다. 제 27 유로(87)의 다른 끝은, 공기실(37)의 입구(37a)로 이어진다.
제 28 유로(89)의 한끝은 제 3 기동용 버너(12)의 출구(12c)로 이어지며, 다른 끝은 연소가스의 배출구(도시 생략)로 이어진다.
제 29 유로(91)의 한끝(왼쪽 끝)은 연소기(9)로 이어지며, 다른 끝(오른쪽 끝)은 배기가스의 배출구(도시 생략)로 이어진다.
제 1 열교환기(93) 내에는, 제 25 유로(83)와 제 28 유로(89)가 병행 연장된다.
제 2 열교환기(95) 내에는, 제 23 유로(79)와 제 29 유로(91)가 병행 연장된다.
제 8 전자밸브(99)는 제 22 유로(47)의 중간부에 배치된다. 제 9 전자밸브(101)는, 제 25 유로에 있어서, 제 25 유로(83) 및 제 27 유로(87)의 합류점과, 제 25 유로(83) 및 제 21 유로(75)의 합류점 사이에 배치된다.
여기서, 연료전지 발전시스템(1)의 동작을 설명한다.
(개질기의 기동 및 공기극의 예열)
우선, 개질기(5)의 기동 및 공기극(31)의 예열이 실시된다.
개질기(5)의 기동 및 공기극(31)의 예열 시에 있어서, 제 8, 제 9 및 제 10 전자밸브(99, 101, 103)는 열린 상태이며, 제 7 전자밸브(97)는 닫힌 상태이다. 또 제 3 기동용 버너(12)는 가동 중이다.
황화물이 제거된 도시가스는 탈황기(3)를 흘러나와, 제 21 및 제 22 유로(75, 77)를 통해 제 3 기동용 버너(12)로 유입된다.
한편, 공기는 제 23 유로(79)를 통해 제 2 열교환기(95)로 유입된다. 그리고 제 2 열교환기(95)에서, 공기와 연소기(9)로 연소된 배기가스는 열교환 한다. 이로써, 공기는 가열된다.
가열된 공기는, 제 23 유로(79)를 통해 제 23 유로(79) 및 제 25 유로(83)의 합류점에 달한다. 그리고 상기 합류점에서, 공기는 제 23 유로(79)와 제 25 유로(83)로 분류된다.
제 23 유로(79)로 유입된 공기는, 제 23 유로(79)를 통해 제 3 기동용 버너(12)로 유입된다.
한편, 제 25 유로(25)로 유입된 공기는, 제 25 유로(83)를 통해 제 1 열교환기(93)로 유입된다.
제 3 기동용 버너(12)로 유입된 도시가스 및 공기는, 제 3 기동용 버너(12) 에서 연소된다.
제 3 기동용 버너(12)에서 도시가스 및 공기를 연소함으로써 생성된 연소가스는 제 3 기동용 버너(12)를 흘러나와, 제 28 유로(89)를 통해 제 1 열교환기(93)로 유입된다. 그리고 제 1 열교환기(93)에서, 제 25 유로(83)를 흐르는 공기와 제 28 유로(89)를 흐르는 연소가스는 열교환을 한다. 이로써 공기는 가열된다.
가열된 공기는, 제 25 유로(83)를 통해 제 25 유로(83) 및 제 27 유로(87)의 합류점에 달한다. 그리고 상기 합류점에서, 공기는 제 25 유로(83)와 제 27 유로(87)로 분류된다.
제 25 유로(83)로 유입된 공기는, 제 25 및 제 21 유로(83, 75)를 통해 개질기(5)로 유입된다. 그리고 공기가 개질기(5)를 유통함으로써, 개질기(5)의 촉매부는 예열된다. 개질기(5) 촉매부의 예열은, 촉매부의 온도가 400℃에 달할 때까지 실시된다.
개질기(5)를 유통한 공기는 개질기(5)를 흘러나와, 제 26 유로(85)를 통해 연료실(39)로 유입된다.
한편, 제 27 유로(87)로 유입된 공기는, 제 27 유로(87)를 통해 공기실(37)로 유입된다. 그리고 공기가 공기실(37)을 유통함으로써, 공기극(31), 나아가 전해질(33)은 예열된다.
공기실(37) 및 연료실(39)에서 배출된 공기는, 연소기(9) 및 제 29 유로(91)를 통해 배출구에서 배출된다.
한편, 연소가스는 제 1 열교환기(93)로부터 유출되어, 제 28 유로(89)를 통 해 배출구에서 배출된다.
(연료전지의 예열)
다음으로 연료전지(7)의 예열이 실시된다.
여기서 개질기(5)의 촉매부 온도가 400℃에 달하면, 모든 전자밸브(97, 99, 101, 103)는 열린 상태로 된다. 또 제 3 기동용 버너(12)는 계속 가동된다.
탈황기(3)를 흘러나온 도시가스는, 제 21 유로(75)를 통해 제 21 유로(75) 및 제 22 유로(77)의 합류점에 달한다. 그리고 상기 합류점에서, 도시가스는 제 21 유로(75)와 제 22 유로(7)로 분류된다.
제 21 유로(75)로 유입된 도시가스는, 제 21 유로(75)를 통해 제 21 유로(75) 및 제 24 유로(81)의 합류점에 달한다. 그리고 상기 합류점에서, 도시가스는 연료 재순환가스와 혼합된다.
도시가스와 연료 재순환가스가 혼합된 원료가스는, 제 21 유로(75)를 통해 제 21 유로(75) 및 제 25 유로(83)의 합류점에 달한다. 그리고 상기 합류점에서, 원료가스와 제 25 유로(83)를 유통한 공기가 혼합된다.
혼합된 원료가스 및 공기는 제 21 유로(75)를 통해 개질기(5)로 유입된다. 그리고 원료가스 및 공기가 개질기(5)의 촉매부를 유통함으로써, 상술한 부분산화반응이 일어난다.
개질기(5)를 유통함으로써 생성된 CO 및 H2를 함유하는 부분산화가스는, 제 26 유로(85)를 통해 연료실(39)로 유입된다. 그리고 부분산화가스가 연료실(39)을 유통함으로써, 연료극(35), 나아가 전해질(33)이 예열된다.
한편, 제 27 유로(87)로 유입된 공기는, 제 27 유로(87)를 통해 공기실(37)로 유입된다. 그리고 공기가 공기실(37)을 유통함으로써, 공기극(31), 나아가 전해질(33)은 예열 된다.
연료전지(7)의 예열은, 연료전지(7)의 온도가 500℃에 달할 때까지 행해진다.
(발전개시)
다음으로, 연료전지(7)의 예열을 계속하면서, 발전이 개시된다.
여기서, 연료전지(7)의 온도가 500℃에 달했을 때, 제 3 기동용 버너(12)의 운전은 정지된다. 또 이 때, 제 7 및 제 9 전자밸브(97, 101)는 열린 상태로 되며, 제 8 및 제 10 전자밸브(99, 103)는 닫힌 상태로 된다.
혼합된 원료가스 및 공기는 제 21 유로(75)를 통해 개질기(5)로 유입된다. 그리고 원료가스 및 공기가 개질기(5)의 촉매부를 유통함으로써, 상술한 부분산화반응이 일어난다.
개질기(5)를 유통함으로써 생성된 CO 및 H2를 함유하는 부분산화가스는, 제 26 유로(85)를 통해 연료전지(7)의 연료실(39)로 유입된다.
한편, 제 27 유로(87)로 유입된 공기는, 제 27 유로(87)를 통해 공기실(37)로 유입된다.
이하, 연료전지(7)에서, 상술한 바와 마찬가지의 전극반응이 일어남으로써, 발전이 이루어진다.
또 상술한 부분산화가스 및 공기가 갖는 열과 함께, 발전 시에 발생하는 열을 이용하여 연료전지(7)의 예열이 실시된다. 이 연료전지(7)의 예열은, 연료전지(7)의 온도가 700℃~1000℃에 달할 때까지 실시된다.
(연료전지 발전시스템의 통상운전)
다음으로, 연료전지 발전시스템(1)의 통상운전이 실행된다.
연료전지(7)의 온도가 700℃~1000℃에 달했을 때, 제 3 기동용 버너(12)의 운전은 정지된 채이다. 또 이 때, 제 7 전자밸브(97)는 열린 상태로 되며, 제 8, 제 9 및 제 10 전자밸브(99, 101, 103)는 닫힌 상태로 된다.
도시가스와 연료 재순환가스가 혼합된 원료가스는, 제 21 유로(75)를 통해 개질기(5)로 유입된다. 그리고 개질기(5)에서, 상술한 바와 마찬가지의 메탄화반응 등이 일어난다.
개질기(5)를 유통함으로써 생성된 CH4 및 H2O를 함유하는 연료가스는, 제 19 유로(62)를 통해 연료실(39)로 유입된다.
한편, 공기는 제 23 및 제 27 유로(79, 87)를 통해 공기실(37)로 유입된다.
이하, 연료전지(7)에서 상술한 바와 마찬가지의 수증기개질 반응 및 전극반응이 일어남으로써, 발전이 이루어진다.
그런데 원료가스 및 공기를 연소시키면, 원료가스에 함유되는 탄화수소가 연소함으로써 물 및 그을음이 발생할 경우가 있다. 때문에 상기 연소가스가 연료실 (39) 및 공기실(37)에 공급되면, 연소가스에 함유되는 물 및 그을음에 의해 연료극(35) 및 공기극(31)이 열화될 우려가 있다.
본 실시예에서는, 제 1 열교환기(93)가, 제 28 유로(89)를 유통하는 연소가스와 제 25 유로(83)를 유통하는 공기를 열교환시키며, 또 제 1 열교환기(93)에 의해 가열된 공기가, 개질기(5)의 기동 및 연료전지(7)의 기동 시에 제 25 및 제 21 유로(83, 75)를 통해 개질기(5)로 공급됨과 동시에, 가열된 공기가, 제 25 및 제 27 유로(83, 87)를 통해 공기실(37)에 공급된다. 때문에 연소가스에 함유되는 물 및 그을음이 연료극(35) 및 공기극(31)에 공급되는 일은 없다. 따라서 연료극(35) 및 공기극(31)이 물 및 그을음에 의해 열화되는 것을 방지할 수 있다.
또 제 1 열교환기(93)에 의해 가열된 공기가, 개질기(5)의 기동 및 연료전지(7)의 기동 시에, 제 25 및 제 21 유로(83, 75)를 통해 개질기(5)로 공급됨과 동시에, 가열된 공기가 제 25 및 제 27 유로(83, 87)를 통해 공기실(37)에 공급된다. 따라서 부분산화가스가 갖는 열 및 상기 전극반응에 수반하는 열과 함께, 제 1 열교환기(93)에 의해 가열된 공기가 갖는 열을 이용하여 전해질(33)을 가열할 수 있다. 때문에 연료전지(7)의 온도가 작동온도에 달할 때까지의 시간을 더욱 단축화할 수 있다. 따라서 연료전지(7)의 기동시간 단축화를 더욱 도모할 수 있다.
그리고 본 실시예에서는, 제 1 열교환기(93)에 의해 가열된 공기가 개질기(5) 및 공기실(37) 쌍방에 공급되지만, 개질기(5) 및 공기실(37)의 적어도 한쪽에 공급되면 된다.
-그 밖의 실시예-
상기 각 실시예에서는, 개질기(5)의 촉매부로서 Ru, Rh 등의 귀금속 촉매가 이용되지만, Ni계 촉매를 이용해도 된다.
상기 각 실시예에서는, 원료가스로서 도시가스가 이용되지만, 원료가스는 천연가스, 메탄올, 나프사 및 일산화탄소를 함유하는 석탄가스 등이라도 된다.
상기 각 실시예에서, 연료전지는 내부개질식 고체전해질형 연료전지(7)로 구성되지만, 연료전지 내에서 상술한 수증기개질 반응을 일으키지 않는 고체전해질형 연료전지라도 된다.
이상과 같이, 본 발명에 관한 연료전지 발전시스템은, 고체전해질형 연료전지를 갖는 것에 유용하며, 특히 고체전해질형 연료전지의 기동시간 단축화를 도모하는 경우에 적합하다.

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 원료가스를 유통시키면 상기 원료가스에 함유되는 탄소 수 2 이상의 탄화수소를 물의 존재 하에서 메탄으로 변화시키는 한편, 산소를 함유하는 산소함유가스와 상기 원료가스를 유통시키면 상기 원료가스에 함유되는 탄화수소를 부분산화시키는 촉매부를 갖는 개질기(5)와,
    이 개질기(5)의 하류 쪽에 배치되어, 수소를 함유하는 수소함유가스가 공급되는 연료극(35)과, 산소를 함유하는 산소함유가스가 공급되는 산소극(31)과, 상기 연료극(35)과 상기 산소극(31) 사이에 개재하는 전해질(33)을 포함하는 전지 본체를 가지며, 상기 연료극(35), 상기 산소극(31) 및 상기 전해질(33)에서 상기 수소함유가스와 상기 산소함유가스를 전극반응 시키는 고체전해질형 연료전지(7)를 구비하는 연료전지 발전시스템이며,
    상기 개질기(5)의 촉매부에 상기 원료가스 및 산소함유가스를 유통시킴과 함께, 상기 원료가스 및 산소함유가스가 상기 개질기(5)를 유통함으로써 생성된 수소를 함유하는 부분산화가스를 상기 수소함유가스로서 상기 연료극(35)에 공급하는 기동운전과,
    상기 개질기(5)의 촉매부에 상기 원료가스를 유통시킴과 동시에 상기 원료가스가 상기 개질기(5)를 유통함으로써 생성된 메탄을 함유하는 연료가스를 상기 연료극(35)에 공급하는 통상운전을 실행하는 연료전지 발전시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 전극반응의 개시 전에 원료가스 및 산소함유가스를 연소시키는 제 2 연소수단(8)과,
    이 제 2 연소수단(8)에서 상기 원료가스 및 산소함유가스를 연소시킴으로써 생성된 연소가스를 상기 산소극(31)으로 공급하여 상기 산소극(31)을 가열하는 제 2 연소가스 공급수단(57, 59)을 구비하는 연료전지 발전시스템.
  6. 제 2 항에 있어서,
    원료가스 및 제 1 산소함유가스를 연소시키는 제 3 연소수단(12)과,
    이 제 3 연소수단(12)에서 상기 원료가스 및 제 1 산소함유가스를 연소시킴으로써 생성된 연소가스와 상기 제 1 산소함유가스와 다른 제 2 산소함유가스를 열교환시키는 제 2 열교환수단(93)과,
    이 제 2 열교환수단(93)에 의해 가열된 제 2 산소함유가스를 상기 개질기(5) 및 상기 산소극(31)의 한쪽 또는 쌍방으로 공급하는 산소함유가스 공급수단(75, 83, 87)을 구비하는 연료전지 발전시스템.
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Families Citing this family (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4461705B2 (ja) * 2003-05-01 2010-05-12 三菱マテリアル株式会社 固体酸化物形燃料電池の運転方法
JP4579560B2 (ja) * 2003-06-30 2010-11-10 川崎重工業株式会社 燃料電池・常圧タービン・ハイブリッドシステム
JP4502614B2 (ja) * 2003-09-17 2010-07-14 大阪瓦斯株式会社 燃料電池システム
JP4745618B2 (ja) * 2004-03-30 2011-08-10 京セラ株式会社 燃料電池構造体の運転方法
JP2005293951A (ja) * 2004-03-31 2005-10-20 Sumitomo Precision Prod Co Ltd 燃料電池及びその運転方法
JP4750374B2 (ja) * 2004-04-30 2011-08-17 京セラ株式会社 燃料電池構造体の運転方法
ATE463851T1 (de) 2004-06-04 2010-04-15 Haldor Topsoe As Kraftstoffverarbeitungsmethode und -system
ATE443353T1 (de) * 2005-03-16 2009-10-15 Truma Geraetetechnik Gmbh & Co Reformer-brennstoffzellen-system mit externem brenner
US8202638B2 (en) 2005-09-27 2012-06-19 Haldor Topsoe A/S Fuel processing method and system
JP5154030B2 (ja) * 2006-05-18 2013-02-27 本田技研工業株式会社 燃料電池システム及びその運転方法
WO2007148699A1 (ja) * 2006-06-20 2007-12-27 Panasonic Corporation 水素生成装置および燃料電池システム並びにこれらの運転方法
JP2010517226A (ja) * 2007-01-22 2010-05-20 ロールス−ロイス・フューエル・セル・システムズ（ユーエス）インコーポレーテッド 多段燃焼器及び燃料電池システムを始動するための方法
JP5416347B2 (ja) 2007-10-12 2014-02-12 株式会社日立製作所 固体酸化物形燃料電池発電システムおよびその起動方法
DE102009006159A1 (de) * 2009-01-26 2010-07-29 Staxera Gmbh Steuerung/Regelung einer Temperatur einer Brennstoffzelle
JP5348401B2 (ja) * 2009-03-31 2013-11-20 Ｔｏｔｏ株式会社 燃料電池システム
JP5240574B2 (ja) * 2009-03-31 2013-07-17 Ｔｏｔｏ株式会社 燃料電池システム
DE102009037145B4 (de) 2009-08-06 2015-08-27 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Hochtemperaturbrennstoffzellensystem mit einem Startbrenner
US9083020B2 (en) * 2009-09-04 2015-07-14 Lg Fuel Cell Systems Inc. Reducing gas generators and methods for generating reducing gas
US9178235B2 (en) 2009-09-04 2015-11-03 Lg Fuel Cell Systems, Inc. Reducing gas generators and methods for generating a reducing gas
WO2013178430A1 (en) * 2012-05-29 2013-12-05 Topsøe Fuel Cell A/S Pre-reforming of sulfur-containing fuels to produce syngas for use in fuel cell systems
JP6549600B2 (ja) * 2013-11-06 2019-07-24 ワット・フューエル・セル・コーポレイションＷａｔｔ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｃｏｒｐ． 液体燃料ｃｐｏｘ改質器と燃料セルの統合システム、及び電気を生成する方法
JP6026691B1 (ja) * 2016-03-29 2016-11-16 東京瓦斯株式会社 燃料電池システム
JP6050907B1 (ja) * 2016-03-29 2016-12-21 東京瓦斯株式会社 燃料電池システム
RU170262U1 (ru) * 2016-10-25 2017-04-19 Фонд поддержки научной, научно-технической и инновационной деятельности "Энергия без границ" Модуль батареи твердооксидных топливных элементов с прериформером
US10693158B2 (en) * 2017-10-26 2020-06-23 Lg Electronics, Inc. Methods of operating fuel cell systems with in-block reforming
US10680261B2 (en) 2017-10-26 2020-06-09 Lg Electronics, Inc. Fuel cell systems with in-block reforming
KR102372946B1 (ko) * 2021-01-07 2022-03-10 주식회사 인지니어스 고체산화물 연료전지 발전시스템
US20230116672A1 (en) * 2021-10-12 2023-04-13 Saudi Arabian Oil Company Solid oxide fuel cell systems and methods of operating solid oxide fuel cell systems

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1999006138A1 (en) * 1997-08-01 1999-02-11 Exxon Research And Engineering Company Co2-selective membrane process and system for reforming a fuel to hydrogen for a fuel cell
JP2001155747A (ja) * 1999-11-26 2001-06-08 Daikin Ind Ltd 燃料電池システム
JP2002025588A (ja) * 2000-07-07 2002-01-25 Osaka Gas Co Ltd 燃料電池発電装置

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5998471A (ja) * 1982-11-26 1984-06-06 Agency Of Ind Science & Technol 溶融炭酸塩型燃料電池装置
US4781241A (en) * 1987-08-27 1988-11-01 International Fuel Cells Corporation Heat exchanger for fuel cell power plant reformer
JPH01124962A (ja) * 1987-11-10 1989-05-17 Fuji Electric Co Ltd アルカリ電解質型燃料電池装置
JPH0589899A (ja) * 1991-09-27 1993-04-09 Hitachi Ltd 内部改質型溶融炭酸塩燃料電池及びその運転方法
JPH1167256A (ja) * 1997-08-27 1999-03-09 Sanyo Electric Co Ltd 燃料電池システム
JPH11126627A (ja) * 1997-10-24 1999-05-11 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 部分酸化により燃料改質する燃料電池発電装置
JPH11199201A (ja) * 1998-01-09 1999-07-27 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 部分酸化改質器
JPH11273701A (ja) * 1998-03-23 1999-10-08 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 燃料電池発電装置
US6120923A (en) * 1998-12-23 2000-09-19 International Fuel Cells, Llc Steam producing hydrocarbon fueled power plant employing a PEM fuel cell
DE19910387A1 (de) * 1999-03-09 2000-09-21 Siemens Ag Brennstoffzellenbatterie mit Heizung und verbesserter Kaltstartperformance und Verfahren zum Kaltstarten einer Brennstoffzellenbatterie
AUPQ223499A0 (en) * 1999-08-16 1999-09-09 Ceramic Fuel Cells Limited Fuel cell system
JP2002012401A (ja) * 2000-06-23 2002-01-15 Norio Miura 膜反応装置及びガス合成システム
US6551732B1 (en) * 2000-09-18 2003-04-22 Air Products And Chemicals, Inc. Use of fuel cell cathode effluent in a fuel reformer to produce hydrogen for the fuel cell anode
JP2002117887A (ja) * 2000-10-11 2002-04-19 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 固体高分子型燃料電池
JP3874334B2 (ja) * 2000-10-13 2007-01-31 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
JP4964368B2 (ja) * 2001-01-17 2012-06-27 本田技研工業株式会社 燃料電池用燃料ガス生成装置
US7588849B2 (en) * 2002-06-24 2009-09-15 Delphi Technologies, Inc. Solid-oxide fuel cell system having tempering of fuel cell stacks by exhaust gas

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1999006138A1 (en) * 1997-08-01 1999-02-11 Exxon Research And Engineering Company Co2-selective membrane process and system for reforming a fuel to hydrogen for a fuel cell
JP2001155747A (ja) * 1999-11-26 2001-06-08 Daikin Ind Ltd 燃料電池システム
JP2002025588A (ja) * 2000-07-07 2002-01-25 Osaka Gas Co Ltd 燃料電池発電装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
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Publication number Publication date
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