KR100813245B1 - Electric generating system of fuel cell - Google Patents
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Abstract
시스템의 전기 효율을 향상시킴과 동시에 장치의 전체적인 구성의 간략화 를 도모할 수 있는 연료 전지 시스템을 제공한다. 제공된 연료전지 시스템은, 연료 전지 스택에 적층된 복수 셀의 전부 또는 일부와 열전도성을 가지며 맞물림된 열이동 매체와, 상기 열이동 매체와 열이 통하게 접속하도록 연료 전지 스택에 인접하여 배치되고, 그 열이동 매체를 통해서 공급되는 열을 바탕으로 수증기를 발생시키는 제2 증기 생성기를 구비하는 것을 특징으로 한다. The present invention provides a fuel cell system that can improve the electrical efficiency of the system and at the same time simplify the overall configuration of the apparatus. The provided fuel cell system is disposed adjacent to a fuel cell stack such that the thermally transferable interlocked thermally transfer medium is in thermal communication with all or a portion of the plurality of cells stacked on the fuel cell stack, and the thermally transfer medium is in thermal communication with the thermally transfer medium. And a second steam generator for generating water vapor based on heat supplied through the heat transfer medium.
Description
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 연료 전지 스택의 구성을 나타내는 개략도이고,1 is a schematic view showing a configuration of a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 연료 전지 스택 및 제2 증발 발생기의 개략적인 구성을 나타내는 평면도이고,2 is a plan view showing a schematic configuration of a fuel cell stack and a second evaporation generator according to the first embodiment of the present invention;
도 3은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 열이동 매체를 나타내는 구조도이고,3 is a structural diagram showing a heat transfer medium according to the first embodiment of the present invention,
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 연료 전지 발전 시스템의 다른 태양을 나타내는 확대도와 구성도이고,4 is an enlarged view and configuration diagram showing another aspect of a fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention;
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 정치용 연료 전지 발전 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 블록도이고,4 is a block diagram showing a schematic configuration of a stationary fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention;
도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 정치용 연료 전지 발전 시스템에서 실행되는 기동 조작을 나타내는 흐름도이고,5 is a flowchart showing a startup operation performed in the stationary fuel cell power generation system according to the embodiment of the present invention;
도 6은 본 발명의 실시형태에 따른 정치용 연료 전지 발전 시스템에서 실행되는 기동 조작을 나타내는 흐름도이고,6 is a flowchart showing a startup operation performed in the stationary fuel cell power generation system according to the embodiment of the present invention;
도 7은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 연료 전지 스택의 구성을 나타내는 개략도이며, 종래의 연료 전지 본체의 구성과 정치용 연료 전지 발전 시스템 구성을 나타내는 구성도이고,7 is a schematic view showing the structure of a fuel cell stack according to a second embodiment of the present invention, which is a block diagram showing the structure of a conventional fuel cell main body and a stationary fuel cell power generation system structure;
도 8은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 연료 전지 스택 및 제2 증발 발생기의 개략적인 구성을 나타내는 평면도이고,8 is a plan view showing a schematic configuration of a fuel cell stack and a second evaporation generator according to a second embodiment of the present invention;
도 9는 종래의 연료 전지 스택의 구성을 나타내는 개략도이고, 9 is a schematic view showing the structure of a conventional fuel cell stack,
도 10은 종래의 정치용 연료 전지 발전 시스템 구성을 나타내는 블록도이다.10 is a block diagram showing the structure of a conventional stationary fuel cell power generation system.
*도면의 주요 부분에 대한 부호설명** Description of Signs of Major Parts of Drawings *
1, 50, 90……연료 전지 스택1, 50, 90... … Fuel cell stack
2, 52……고체 고분자 전해질막2, 52... … Solid polymer electrolyte membrane
3, 53……연료 전극3, 53... … Fuel electrode
4, 54……산화제 전극4, 54... … Oxidant electrode
6, 56……연료 가스용 세퍼레이터6, 56... … Separator for fuel gas
8, 58……산화제 가스용 세퍼레이터8, 58... … Separator for oxidant gas
9, 59……연료 전지 셀9, 59... … Fuel cell
11……냉각판11... … Cold plate
20, 70……연료 전지 시스템20, 70... … Fuel cell system
22……순수 탱크22... … Pure tank
23……온수조23... … Water bath
24……개질기24... … Reformer
25……쉬프트 반응기25... … Shift reactor
31……(제1)증기 발생기31... … (First) Steam generator
36……연소부36... … Combustion section
51……제2 증기 발생기51... … Second steam generator
60, 92……열이동 매체60, 92... … Heat transfer medium
61, 91……절연 시트61, 91... … Insulation sheet
72, 77……차단 밸브72, 77... … Shut-off valve
73……바이패스 밸브73... … Bypass valve
74……바이패스 라인74... … Bypass line
일본특허공개 평11-214017호 공보Japanese Patent Laid-Open No. 11-214017
본 발명은 연료 전지 발전 시스템에 관한 것으로, 특히 스택 운전 온도가 100℃ 이상의 중온형 연료 전지 스택에서의 스택 발열 유효 이용을 실현한 연료전지 발전 시스템에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
도 9는 종래의 연료 전지 스택(1)의 구조를 나타낸다. 종래의 연료 전지 스택(1)은 연료 전지 셀(9)이 복수개 적층되고, 소정의 연료전지셀(9) 마다, 또는 연료 전지 셀(9)과 번갈아서 냉각 매체 유로(10)을 갖는 냉각판(11)이 배치되어 구성되어 있다. 9 shows the structure of a conventional
상기 연료전지셀(9)는 시트 모양의 고체 고분자 전해질막(2)과, 이 고체 고분자 전해질막(2)의 양면의 각각에 접합시킨 연료 전극(3) 및 산화제 전극(4), 상 기 전극(3, 4)의 각각에 설치된 연료 가스 유로(5)를 갖는 연료 가스용 세퍼레이터(6) 및 산화제 가스 유로(7)를 갖는 산화제 가스용 세퍼레이터(8)를 구비한다. The
수소를 주연료로 하는 연료 가스와 공기 또는 산소 등의 산화제 가스가 고체 고분자 전해질막(2)을 사이에 두고 전기 화학적으로 반응할 때 열이 발생된다. 냉각판(11)은 이 반응열을 배출하고, 연료 전지 셀(9)의 온도를 일정하게 유지하기 위해서 배치되어 있다. 또 냉각판(11)에 공급되는 냉각 매체로는 주로 물이 사용되고 있다. Heat is generated when a fuel gas containing hydrogen as the main fuel and an oxidant gas such as air or oxygen react electrochemically with the solid
이 연료 전지 스택(1)이 탑재된 종래의 연료 전지 발전 시스템(20)의 구성을 도 10에 도시하였다. 연료 전지 스택(1) 내의 냉각판(11)에 공급되는 냉각 매체가 순환 펌프(21) 등의 동력에 의해, 냉각판(11)과 순수(pure water) 탱크(22) 사이를 순환하도록 구성되어 있다. 순수 탱크(22)는 외부의 열이용 기기, 예를 들면, 온수조(貯湯槽)(23)와 열교환함으로써, 냉각판(11)으로부터 배출되어 온도가 높아진 냉각수는 소정 온도로 냉각된 후, 다시 냉각판(11)으로 공급되어 순환되는 시스템 구성으로 되어 있다. The structure of the conventional fuel cell
구체적으로는, 본 발명의 연료전지 시스템은, 외부로부터 원료 가스의 공급을 받아, 원료 가스를 수소가 풍부한 개질 가스로 개질하는 개질기(24)와, 개질 가스 중의 일산화탄소를 저감시켜 연료 가스로 하는 쉬프트 반응기(25) 및 CO 선택 산화부(26)와, 연료 가스와 공기의 공급을 받아서 전기 화학 반응에 의해 발전하는 연료 전지 스택(1)과, 연료 전지 스택(1)의 냉각수와 온수조(23)의 저온수와의 열교환을 행하는 열교환기(27)와, 연료 전지 스택(1)으로부터의 직류 전력의 전압 및 전류를 조정하여 원하는 직류 전력으로 변환하는 DC/DC 컨버터(28)와, 변환된 직류 전력을 전기기기와 동일 위상의 교류 전력으로 변환하여 전기기기로 전력을 공급하는 인버터(29)를 구비한다. Specifically, the fuel cell system of the present invention receives a supply of source gas from the outside, and
또, 순수 탱크(22)에 저장된 순수(pure water)가, 순수 공급 펌프(30)를 통해서 증기 발생기(31)에 공급되고, 또한, 증기 조절 밸브(32)를 통해서 개질기(24)의 입구에 공급되도록 순수탱크(22), 순수공급펌프(30) 및 개질기(24)는 직렬로 배치되어 있다. 개질기(24) 및 쉬프트 반응기(25)에서는, 원료 가스 라인으로부터 승압 펌프(33)와 유황분을 제거하는 탈황기(34)와 조절 밸브(35)를 통해서 공급되는 원료 가스와, 순수 탱크(22)로부터 증기 발생기(31)를 통해서 조절 밸브(32)에 의해 그 유량이 조정되는 수증기에 의한 다음 식(1) 및 식(2)의 수증기 개질 반응 및 쉬프트 반응에 의해 수소가 풍부한 개질 가스가 생성된다. In addition, pure water stored in the
CH4 + H2O --> CO + 3H2 ……(1)CH 4 + H 2 O-> CO + 3H 2 … … (One)
CO + H2O --> CO2 + H2 ……(2)CO + H 2 O-> CO 2 + H 2 … … (2)
개질기(24)에는 이러한 반응에 필요한 열과, 더불어 증기 생성기(31)에서 증기를 생성하기 위해서 필요한 열을 공급하는 연소부(36)가 설치되어 있다. 연소부(36)에는 연료 전지 스택(1)의 애노드측 배출 가스가 공급되며, 따라서 애노드측 배출가스 중 미반응 수소를 연료로서 사용할 수 있도록 되어 있다. The
따라서, 종래의 저온형 고체 고분자형 연료 전지(운전 온도가 100℃이하)를 사용한 발전 시스템(20)에서는, 연료 전지 스택(1)에서 필요로 하는 수소량과, 상 기 연소부(36)를 700℃ 정도의 소정 온도로 유지하기 위해서 필요한 수소량의 총합에 해당하는 원료 가스를 발전 시스템에 공급해야만 했다. Therefore, in the
여기서, 다음 식(3)은 연료 전지 발전 시스템의 발전 효율을 나타낸다. Here, Equation (3) shows the power generation efficiency of the fuel cell power generation system.
ηg=(△GH2×4)/ △HCH4×ηref×Uf×(V/V0)×ηinv ……(3)eta g = (DELTA G H2 x 4) / DELTA H CH4 x ηref x Uf x (V / V 0 ) x ηinv. … (3)
단, △HCH4는 메탄 반응열, △GH2는 수소의 자유 에너지, ηref는 개질 비율(공급한 메탄 중, 개질된 비율), Uf는 연료 이용률(발전에 필요한 이론 수소량과 실제로 연료 전지 스택(50)에 공급하는 수소량의 비율), V는 정격 부하 운전시의 전압, V0는 이론 전압, ηinv는 인버터 효율을 나타낸다. Where ΔH CH4 is the heat of methane reaction, ΔG H2 is the free energy of hydrogen, ηref is the reforming rate (of the methane supplied, the reformed rate), and Uf is the fuel utilization rate The ratio of the amount of hydrogen supplied to 50), V is the voltage at the rated load operation, V 0 is the theoretical voltage, and ηinv is the inverter efficiency.
현재, 일본 내에서 리스 판매되고 있는 저온형 고체 고분자형 연료 전지 발전 시스템의 발전 효율은 약 32%(HHV)이고, 전력의 평균 발전 효율인 약 37%에 비해 낮은 값으로 되어 있는데, 급탕에 사용하는 열회수 효율이 40%를 넘기 때문에, 종합 효율 70%(HHV)을 상회하는 시스템으로 되어 있다. At present, the generation efficiency of the low-temperature solid polymer fuel cell power generation system leased in Japan is about 32% (HHV), which is lower than the average power generation efficiency of about 37%. Since the heat recovery efficiency exceeds 40%, it is a system that exceeds the overall efficiency of 70% (HHV).
따라서, 열주전종(熱主電從)의 코제너레이션(cogeneration) 운전에서 그 우위성을 발휘할 수 있으나, 여름 한철에는 급탕의 수요가 감소하기 때문에, 종합 효율면에서의 우위성이 확립되지 않으며, 상기 저온형 고체 고분자형 연료 전지 발전 시스템의 가동 시간이 단축되므로, 연간 가동 비용의 저감이라는 장점이 축소되는 문제점이 있다. 이로 인해, 고체 고분자형 연료 전지 발전 시스템의 상용화 보급에는 그 발전 효율을, 상기 전력의 평균발전효율과 동등 이상으로 높이는 것이 요구되고 있다. Therefore, it can exert its superiority in cogeneration operation of all kinds of thermoforms, but the demand for hot water supply decreases during the summer season, and thus the superiority in terms of overall efficiency is not established. Since the operating time of the type solid polymer fuel cell power generation system is shortened, there is a problem that the advantage of reducing the annual operating cost is reduced. For this reason, in order to commercialize and spread the polymer electrolyte fuel cell power generation system, it is required to increase the power generation efficiency to be equal to or higher than the average power generation efficiency of the electric power.
이러한 요구에 따라서, 최근에는 시스템에서의 열 유효 이용을 도모하기 위해서, 운전 온도가 100℃ 이상인 중온형(본문에서는, 운전 온도가 100℃ 이하의 연료 전지를 저온형, 운전 온도가 100∼250℃를 중온형이라고 정의함) 고체 고분자형 연료 전지의 연구 개발이 진행되고 있다. 이 중온형 고체 고분자형 연료 전지에서는, 연료 전지 스택의 냉각 매체인 물의 온도도 100℃ 이상이 되어 포화 증기압이 상승하며, 따라서 냉매 배관은 내압 규격이 요구된다. In response to these demands, in order to facilitate effective use of heat in a system in recent years, a medium temperature type having an operating temperature of 100 ° C or higher (in this text, a fuel cell having an operating temperature of 100 ° C or lower is a low temperature type, and an operating temperature of 100 to 250 ° C). Is defined as mid-temperature type). Research and development of a polymer electrolyte fuel cell is underway. In this mesophilic type polymer electrolyte fuel cell, the temperature of water, which is a cooling medium of the fuel cell stack, is also 100 ° C. or higher, so that the saturated vapor pressure is increased. Therefore, the refrigerant pipe requires a pressure resistance standard.
특히, 냉각수 순환 펌프(21)(도 10)의 내압 규격은 현재 용량이 큰 산업용 펌프로부터 선정이 되기 때문에, 필연적으로 소비 동력 및 사이즈의 증대로 연결되어, 가정용 등을 목적으로 한 소용량(예를 들면, 5kW 이하) 연료 전지 발전 시스템 설계에서, 시스템의 효율면 및 시스템의 사이즈면에서 시스템의 설계가 성립되지 않아 상품화가 어려워지는 문제점이 있었다. In particular, since the internal pressure standard of the cooling water circulation pump 21 (FIG. 10) is selected from an industrial pump with a large capacity, it is inevitably connected to an increase in power consumption and size, so that a small capacity for the purpose of home use (e.g., For example, in the design of a fuel cell power generation system of 5 kW or less, there is a problem that commercialization is difficult because the design of the system is not established in terms of the efficiency of the system and the size of the system.
이 경우, 냉각 라인의 내압 규격을 낮추기 위해서, 고비점 냉매, 예를 들면 실리콘 오일 등을 사용하는 대안도 생각할 수 있으나, 이들 고비점 냉매는 물보다 열전도성이 훨씬 낮기 때문에, 냉각 매체 유량의 증대에 따른 순환 펌프의 동력 증대를 초래할 뿐만 아니라, 코제너레이션을 목적으로 한 연료 전지 발전 시스템의 열회수 면에서도 열효율의 저하를 초래하여, 경쟁력 있는 상품화가 성립되지 않는다는 문제점이 남아 있었다. In this case, in order to lower the internal pressure specification of the cooling line, an alternative to using a high boiling point refrigerant such as silicone oil may be considered. However, since these high boiling point refrigerants have much lower thermal conductivity than water, the flow rate of the cooling medium is increased. In addition to the increase of the power of the circulation pump, the heat recovery in the heat recovery of the fuel cell power generation system for the purpose of cogeneration has also caused a decrease in the thermal efficiency, there is a problem that does not establish a competitive commercialization.
상기 냉각 라인의 내압 규격의 문제점의 해결책으로서, 특허문헌은, 냉각판에 상기 연료 전지 셀의 적층 단면의 면적보다 넓고, 적층 단면으로부터 돌출된 구조의 플레이트형 히트 파이프를 방열 구조로 사용함으로써, 연료 전지 스택의 공기 냉각을 가능하게 하여, 연료 전지 셀을 냉각하기 위한 순환 펌프, 냉각 순환수 배관 등의 설비가 불필요하고, 또 냉각 매체를 순환시키기 위한 펌프 동력, 또한 냉각 매체인 물의 관리 등을 필요로 하지 않아 장치의 소형화 및 저비용화를 달성하고, 발전 중의 효율을 향상시키며, 보수 관리가 용이한 연료 전지를 제공하는 방법을 개시하고 있다. As a solution to the problem of the breakdown voltage standard of the cooling line, the patent document uses a plate-shaped heat pipe having a structure larger than the area of the laminated cross section of the fuel cell in the cooling plate and protruding from the laminated cross section as a heat dissipation structure. By enabling air cooling of the battery stack, it is unnecessary to install a circulation pump for cooling the fuel cell, a cooling circulation water pipe, or the like, and also requires pump power for circulating the cooling medium, and management of water as a cooling medium. The present invention discloses a method for achieving a miniaturization and low cost of an apparatus, improving efficiency during power generation, and providing a fuel cell with easy maintenance.
그러나, 특허문헌에 기재된 방법은 연료 전지 스택의 냉각에 한정된 내용으로 휴대용 연료 전지 등의 용도에서는 효과적인 수단이기는 하지만, 연료 전지 스택의 발열을 효과적으로 이용하는 코제너레이션을 목적으로 한 연료 전지 발전 시스템에 적용하기는 어렵다. However, the method described in the patent literature is limited to the cooling of the fuel cell stack, and although it is an effective means in the use of portable fuel cells and the like, it is applied to a fuel cell power generation system for the purpose of cogeneration which effectively utilizes the heat generation of the fuel cell stack. Is difficult.
본 발명은 이상의 점들을 고려하여 이루어진 것으로, 시스템의 전기 효율을 향상과 동시에, 장치의 전체적인 구성의 간략화 및 보조기기의 저동력화를 도모할 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하고자 하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above points, and it is an object of the present invention to provide a fuel cell system capable of improving the electrical efficiency of the system and at the same time simplifying the overall configuration of the apparatus and reducing the power of the auxiliary equipment.
이러한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에서는 전해질과 그 전해질을 사이에 둔 애노드 및 캐소드로 이루어진 한 쌍의 전극으로 구성된 셀과, 상기 애노드에 수소를 포함하는 연료 가스를 공급·배출하고, 상기 캐소드에 산소를 함유하는 산화제 가스를 공급·배출하는 가스 유로를 갖는 한 쌍의 세퍼레이터가 번갈아 복수개 적층된 연료 전지 스택과, 원료 가스로부터 연료 전지 본체에 공급하는 연료 가스를 생성하는 연료 개질 처리계와, 상기 연료 개질 처리계에서 개질 반응을 일으 키기 위해 필요한 수증기를 공급하는 제1 증기 생성기로 순수(純水)를 공급함과 동시에, 열배출의 효과적인 이용을 하기 위한 순수계를 갖는 연료 전지 발전 시스템에 있어서, 상기 연료 전지 스택에 적층된 복수개의 셀의 전부 또는 일부와 열전도성을 가지며 맞물리는 열이동 매체와, In order to solve this problem, in the present invention, a cell composed of an electrolyte and a pair of electrodes composed of an anode and a cathode interposed therebetween, and a fuel gas containing hydrogen to the anode are supplied and discharged to the cathode. A fuel cell stack in which a pair of separators having a gas flow path for supplying and discharging oxygen-containing oxidant gas are alternately stacked, a fuel reforming system for generating a fuel gas supplied from a source gas to a fuel cell main body, and In a fuel cell power generation system having a pure water system for supplying pure water to a first steam generator for supplying steam required for a reforming reaction in a fuel reforming system, and for effectively utilizing heat emission, Thermally conductive and engaged with all or a portion of the plurality of cells stacked on the fuel cell stack With heat transfer medium,
상기 열이동 매체와 열이 통하게 접속하도록 상기 연료 전지 스택에 인접하여 배치되고, 상기 열이동 매체를 통해서 공급되는 열로 수증기를 발생시키는 제2 증기 생성기를 구비하는 것을 특징으로 한다. And a second steam generator disposed adjacent to the fuel cell stack such that the heat transfer medium is in thermal communication with the heat transfer medium, the second steam generator generating water vapor with heat supplied through the heat transfer medium.
또한, 본 발명에서는, 상기 제1 증기 생성기 및 상기 제2 증기 생성기 사이에 설치된 를 제1 차단 밸브;In addition, the present invention, the first steam generator and the second steam generator is installed between the first shut-off valve;
상기 제2 증기 생성기로부터 상기 연료 개질 처리계의 입구에 연결하는 라인에 배치된 증기 조정 밸브; 및A steam control valve disposed in a line connecting said second steam generator to an inlet of said fuel reforming system; And
상기 제2 증기 생성기 및 순수계 사이의 회수라인에 설치된 제2 차단밸브;를 더 구비하며,And a second shut-off valve installed in a recovery line between the second steam generator and the pure water system.
시스템 기동 중에 상기 제1 차단 밸브를 열린 상태로 하여, 상기 제1 증기 생성기에서 생성한 증기를 상기 제2 증기 생성기에 공급함으로써, 상기 제2 증기 생성기 내에 체류한 증기의 열을, 상기 열이동 매체를 통해서 상기 연료 전지 스택에 부여하여 승온(昇溫)을 행하고, The heat transfer medium transfers the heat of the steam remaining in the second steam generator by supplying the steam generated by the first steam generator to the second steam generator with the first shut-off valve open during system startup. Imparted to the fuel cell stack through a temperature increase,
상기 연료 전지 스택의 승온을 완료한 후, 시스템 부하 투입시에 상기 증기 조정 밸브를 열린 상태로 하여, 상기 제1 증기 생성기에서 생성한 증기를 상기 제2 증기 생성기를 통해서 상기 연료 개질 처리계로 공급함으로써 시스템 부하 운전으 로 이동하고, After the temperature rise of the fuel cell stack is completed, the steam control valve is opened when a system load is applied, and the steam generated by the first steam generator is supplied to the fuel reforming processing system through the second steam generator. Go to system load operation,
상기 부하 운전이 안정된 후에, 상기 제1 차단 밸브를 닫힌 상태로 함과 동시에, 상기 제2 차단 밸브를 열린 상태로 하여, 상기 제2 증기 생성기의 단독 운전으로 전환하는 것을 특징으로 한다. After the load operation is stabilized, the first shutoff valve is closed and at the same time the second shutoff valve is opened to switch to the independent operation of the second steam generator.
또한 본 발명에서는, 상기 열이동 매체는 상기 연료 전지 스택에 적층된 상기 복수의 셀에 대해서, 소정의 적층 매수마다, 또는 각 상기 셀과 번갈아 각각 삽입되어 있는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 열이동 매체는 플레이트이며, 상기 플레이트 내부에 사행(蛇行) 세관이 배치 또는 형성되고, 상기 세관 은 그 내부에 열수송 매체인 작동액이 봉입된 사행 세관형 히트 파이프 구조인 것을 특징으로 한다. In the present invention, the heat transfer medium is inserted into the plurality of cells stacked on the fuel cell stack every predetermined number of sheets or alternately with each of the cells. In addition, the heat transfer medium is a plate, the meander customs is disposed or formed inside the plate, the customs is characterized in that the meander custom tubular heat pipe structure is filled with the working fluid which is a heat transport medium therein. do.
또한, 상기 열이동 매체는 상기 복수의 셀의 적층 단면의 적어도 한 면 이상의 면에, 전기 절연성의 개재물을 배치하여 접촉 배치되어 있는 것을 특징으로 한다. In addition, the heat transfer medium is characterized in that the electrically insulating inclusions are arranged on and in contact with each other on at least one surface of the stacked sections of the plurality of cells.
본 발명은 특히 중온형 연료 전지 발전 시스템에 있어서, 연료 전지 스택의 냉각 또는 가열용 열이동 매체를 통해서 연료 전지 스택과 제1 증기 발생기를 인접 배치함으로써, 발전 운전 중에는 연료 전지 스택의 발열을 직접 개질기용 증기 발생 열원에 이용하고, 한편, 시스템 기동 중에는 제1 증기 발생기에서 얻은 열을 연료 전지 스택의 가열에 이용하는 것을 특징으로 한다. In particular, in the medium-temperature fuel cell power generation system, the fuel cell stack and the first steam generator are disposed adjacent to each other through a heat transfer medium for cooling or heating the fuel cell stack, thereby directly generating heat from the fuel cell stack during power generation operation. It is used for the steam generation heat source for heat, On the other hand, it is characterized in that the heat obtained from the first steam generator is used for heating the fuel cell stack during system startup.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
(1)제1 실시형태(1) First embodiment
(1-1)연료 전지 스택의 구성(1-1) Structure of Fuel Cell Stack
도 1은 본 발명의 일 실시예를 나타내는 연료 전지 스택(50)의 구조를 도시한 것으로, 그 연료 전지 스택(50)을 제2 증기 발생기(51)에 인접 배치한 구조를 도 2에 도시한다. 이하, 도 1 및 도 2를 이용하여 본 발명의 제1 실시예에 대해서 설명하기로 한다. FIG. 1 illustrates a structure of a
본 발명의 연료 전지 스택(50)은 연료 전지 셀(59)이 복수개 적층되고, 복수의 연료전지셀(59) 마다 연료 전지 셀(59)의 적층 단면으로부터 돌출된 구조의 열이동 매체(60)가 개재된 구성으로 되어 있다. In the
연료전지셀(59)은 시트 모양의 고체 고분자 전해질막(52)과, 이 고체 고분자 전해질막(52)의 주요 양면의 각각에 접합시킨 연료 전극(53) 및 산화제 전극(54), 또 상기 전극(53, 54)의 외측 양면의 각각에 설치된 연료 가스 유로(55)를 갖는 연료 가스용 세퍼레이터(56) 및 산화제 가스 유로(57)을 갖는 산화제 가스용 세퍼레이터(58)를 구비한다. 열이동 매체(60)의 돌출부에는 절연 시트(61)가 덮여 있으며, 제2 증기 생성기(51)와의 접속시 단락을 미연에 방지하도록 되어 있다. The
열이동 매체(60)와 절연 시트(61)를 통한 제2 증기 생성기(51) 사이의 접속은, 열의 이동을 용이하도록 하기 위해서, 제2 증기 생성기(51) 내에 열이동 매체(60)가 핀 구조를 형성하도록 배치된다. 또한, 열이동 매체(60)와 제2 증기 생성기(51)간의 접속은 핀 구조에 한정되는 것은 아니며, 양자간의 열교환이 효과적으로 이루어지는 구성이 바람직하다. 또 연료 전지 스택(50)과 열이동 매체(60), 그리고 제2 증기 생성기(51)의 주위에는, 방열을 방지하기 위한 단열재(62)가 전체를 덮도록 설치되어 있다. The connection between the
여기서, 연료 전지 스택(50)이 정격 부하 운전시의 발열량과, 그 정격 운전시의 개질 반응을 행하기 위해서 필요로 하는 개질 증기의 생성에 필요한 열량의 수지(balance)에 관한 개략적인 계산을 이하에 나타낸다. Here, the rough calculation of the calorific value of the calorific value required for generation of the reformed steam required for the
·가정 조건Home condition
1) 시스템 용량:가정용 1kW급 발전 시스템(그로스 출력 1.3kW)1) System capacity: Household 1kW power generation system (gross output 1.3kW)
2) 연료 전지 정격 성능:0.3A/cm2 부하 전류시, 셀 전압 0.75V/cel1,2) Fuel cell rated performance: 0.3A / cm 2 At load current, cell voltage 0.75V / cel1,
셀 유효 면적100cm2, 셀수 45cel1Cell effective area 100 cm 2 , cell number 45cel1
3) 개질기 성능:개질기 전환 효율 90%, 연료 이용율 Uf=80%, 3) Reformer performance:
스팀/카본 비=3Steam / Carbon Ratio = 3
4) 방열=0(이상 조건)4) Heat dissipation = 0 (above)
이상 1)∼4)의 가정 조건으로 계산한 경우의 열수지는 이하의 표 1에 나타낸 바와 같다. The heat balance in the case of calculating on the assumption conditions of the above 1) -4) is as showing in following Table 1.
이상, 표 1의 결과로부터 방열이나 과도 응답을 고려하더라도, 스택의 발열량으로 개질 증기 생성 열량을 충분히 공급할 수 있다. As described above, even in consideration of heat dissipation and transient response from the results in Table 1, the amount of heat generated by the reformed steam can be sufficiently supplied by the heat generation amount of the stack.
이상에서 설명한 실시예의 연료 전지 발전 시스템의 정격 운전에 의하면, 운전 온도가 100℃ 이상인 중온형 연료 전지 스택(50)의 발열을 인접하는 제2 증기 생성기(51)로 이동시켜, 개질 반응에 필요한 증기 생성에 사용할 수 있기 때문에, 종래의 저온형(운전 온도 70∼80℃) 고체 고분자형 연료 전지 발전 시스템에서 실시하던 연료 개질 처리계 내에 설치한 제1 증기 생성기(31)(도 10)로 개질 증기 생성에 필요 상당의 열을 부여할 필요가 없어져, 연료 전지 발전 시스템에 투입하는 원료 가스를 감소시킬 수 있다. 결과적으로, 보다 높은 연료 이용율의 운전이 가능해지므로, 연료 전지 발전 시스템의 높은 전기 효율화를 달성할 수 있다. According to the rated operation of the fuel cell power generation system of the above-described embodiment, the heat generated by the medium temperature
(1-2)열이동 매체의 상세 구성(1-2) Detailed structure of the heat transfer medium
다음에, 본 발명에서 사용하고 있는 열이동 매체(60)에 대해서, 도 3의 (A) 및 (B)를 이용하여 설명하기로 한다. 열이동 매체(60)는 플레이트형 히트 파이프 구조를 가지고 있으며, 도전성을 갖는 금속 플레이트 내에 루프형 사행 세관(65)이 배치 또는 형성되고, 그 세관 내에 열수송 매체인 작동액이 봉입되어 있다. 도전성을 갖는 플레이트에는 알루미늄, 스테인레스, 구리 등의 도전성, 가공성이 우수한 금속 또는 카본 재질이 사용된다. 특히, 본 발명의 열이동 매체(60)에 도전성이 요구되는 이유는, 상기 열이동 매체(60)를 사이에 둔 연료 전지 셀(59) 사이를 전기적으로 직렬로 접속시키기 때문이다. Next, the
작동액은, 본 발명의 연료 전지 스택(50)의 운전 온도의 범위에 적응한 HFC134a(대체 클로로플루오로카본) 또는 부탄(Bu)계 작동액 등이 사용되며, 상기 루프형 사행 세관(65) 내에 봉입되어 있다. 플레이트형 히트 파이프 구조를 갖는 열이동 매체(60)의 특징은, 적용 자세에 의한 큰 열수송 능력의 변화가 없기 때문에, 열이동 매체(60)의 양단에서 수열부와 방열부의 교환이 가능해진다. 따라서, 연료 전지 스택(50)과 제2 증기 생성기(51) 사이에서 양방향으로 열의 출입을 실현할 수 있다. 시판되고 있는 플레이트형 히트 파이프 구조를 갖는 열이동 매체(60)의 성능의 일 예를 이하에 나타낸다. As the working liquid, HFC134a (alternate chlorofluorocarbon) or butane (Bu) -based working liquid or the like adapted to the operating temperature range of the
AL-EX 히트 레인 플레이트 TM(티엑스 히트로닉스 주식회사 제품)AL-EX heat lane plate TM (product made by TEX Hitronics)
성능 단면부 유로 단위 면적당 열수송량〔W/cm2〕Performance Heat Transport per Area of Flow Section [W / cm 2 ]
품명:HLB50-200 작동액:부탄An article name: HLB50-200 working fluid: Butane
(※)수직 수평이란 길이 방향(L)을 향해 두께(T)를 저변으로 한 모습을 말한다. (※) Vertical horizontal means the state which made thickness T the base side toward the longitudinal direction (L).
표 1에 나타낸 1kW급 연료 전지 스택의 발열량 0.89kW에 대해서, 표 2에 나타낸 열이동 매체(60)의 일례의 열수송량 성능으로 연료 전지 스택(50)의 구성(예를 들면, 열이동 매체 삽입시의 접촉 면적 100cm2로 계산)을 검토하면, 연료 전지 스택(5O) 내의 온도 분포 저감화를 고려하더라도, 예를 들면 9장(단위 셀 5장에 한 장마다 삽입)의 열이동 매체(60)를 삽입하면, 운용상 문제없이 연료 전지 발전 시스템 내에서의 소정의 열수지(heat balance)를 실현할 수 있다. With respect to the heat generation amount 0.89 kW of the 1 kW class fuel cell stack shown in Table 1, the configuration of the fuel cell stack 50 (for example, the heat transfer medium is inserted) in the heat transfer capacity performance of one example of the
이상, 설명한 실시예의 열이동 매체(60)를 사용하면, 열이동 매체(60)는 플레이트형 히트 파이프 구조를 가지므로, 연료 전지 스택(50)의 발열은 상기 열이동 매체(60) 내부의 작동액으로 열전달이 되고, 그 작동액은 고온 고압의 증기기포가 되어, 저온의 제2 증기 생성기(51)측으로의 작동액의 순환 현상, 또는 진동 현상에 의해 제2 증기 생성기(51)로 신속하게 열전달할 수 있다. As described above, when the
이로써, 운전 온도가 100℃ 이상인 중온형 연료 전지 발전 시스템에서도, 종래의 열이동 매체로서 물을 사용하던 경우에 필요했던 내압 규격의 순환 펌프, 냉각 순환수 배관 등의 설비를 필요로 하지 않으며, 연료 전지 스택(50)의 발열을 신속하고 효율적으로 제2 증기 생성기(51)로 이동시켜 증기의 생성이 가능해진다. As a result, even in a medium temperature fuel cell power generation system having an operating temperature of 100 ° C. or more, no equipment such as a circulation pressure pump or a cooling circulation water pipe of a pressure resistance standard required when water is used as a conventional heat transfer medium is required. The heat of the
(1-3)연료 전지 발전 시스템의 구성(1-3) Configuration of fuel cell power generation system
다음에, 본 발명의 연료 전지 발전 시스템의 구성에 대해서 설명하기로 한다. 도 10과의 대응 부분에 동일 부호를 붙인 도 4는, 본 발명의 일 실시예인 연료 전지 발전 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 구성도이다. 실시예의 연료 전지 발전 시스템(70)은, 도시한 바와 같이, 외부로부터 원료 가스의 공급을 받아서, 원료 가스를 수소가 풍부한 개질 가스로 개질하는 개질기(24)와, 개질 가스 중의 일산화탄소를 저감시켜 연료 가스로 하는 쉬프트 반응기(25)와, 연료 가스와 공기의 공급을 받아서 전기 화학 반응에 의해 발전하는 연료 전지 스택(50)과, 연료 전지 스택(50)의 냉각수와 온수조(23)의 저온수와의 열교환을 행하는 열교환기(71)와, 연료 전지 스택(50)으로부터의 직류 전력의 전압 및 전류를 조정하여 원하는 직류 전력으로 변환하는 DC/DC 컨버터(28)와, 변환된 직류 전력을 전기기기와 동일 위상의 교류 전력으로 변환하여 전기기기로 전력을 공급하는 인버터(29)를 구비한다. Next, the configuration of the fuel cell power generation system of the present invention will be described. 4 is a block diagram showing a schematic configuration of a fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention. The fuel cell
또한, 순수 탱크(22)에 저장된 순수가 순수 공급 펌프(30)를 통해서 제1 증기 생성기(31)로 공급되고, 또 차단 밸브(72)를 통해서 제2 증기 생성기(51)에 공급되며, 최종적으로 증기 조절 밸브(32)를 통해서 개질기(24)의 입구에 공급되도록 배치되어 있다. 또 순수 공급 펌프(30)의 하류에서 배관이 분기되고, 바이패스 밸브(73)를 배치한 후, 차단 밸브(72)의 하류로 연결되는 제1 증기 생성기(31)의 바이패스 라인(74)이 설치되어 있다. 또 제2 증기 생성기(51)에는 그 제2 증기 생성기(51) 내의 액위(液位) 및 압력을 측정하는 액위계(75)와 압력계(76)가 배치되어 있으며, 그 신호들을 받아서 소정의 액위 및 압력으로 제어되도록 차단 밸브(77)를 배치한 순수 탱크(22)로의 회수 라인(78)이 설치되어 있다. In addition, the pure water stored in the
개질기(24) 및 쉬프트 반응기(25)에서는, 원료 가스 라인으로부터 승압 펌프(33)와 유황분을 제거하는 탈황기(34)와 조절 밸브(35)를 통해서 공급되는 원료 가스와, 순수 탱크(22)로부터 제1 증기 생성기(31) 및 제2 증기 발생기(51)를 통해서 조절 밸브(32)에 의해 그 유량이 조정되는 수증기에 의한 상기 식(1) 및 식(2)의 수증기 개질 반응 및 쉬프트 반응에 의해 수소가 풍부한 개질 가스를 생성하도록 구성되어 있다. 개질기(24)에는, 이러한 반응에 필요한 열을 공급하는 연소부(36)가 설치되어 있으며, 그 연소부(36)에는 연료 전지 스택(50)의 애노드측의 배출 가스가 공급되고, 애노드 오프 가스 중의 미반응 수소를 연료로서 사용할 수 있도록 되어 있다. In the
연료 전지 스택(50)은, 쉬프트 반응기(25)로부터의 연료 가스 중의 수소와, 공기 블로어(79)로부터의 공기 중의 산소에 의한 전기 화학 반응에 의해 발전한다. 상술한 바와 같이 연료 전지 스택(50)과 제2 증기 생성기(51) 사이에는 열이동 매체(60)를 배치함으로써, 양자간의 열이동을 효율적으로 행할 수 있는 구성으로 되어 있다. The
여기서, 예를 들면, 1kW급 연료 전지 발전 시스템의 열수지를 나타내는 표 1에 의하면, (정격 운전시 1kW급 스택의 발열량)>(정격 운전시 개질 증기 생성에 필요한 열량) ……(4)Here, for example, according to Table 1 showing the heat resin of the 1 kW class fuel cell power generation system, (heat value of the 1 kW class stack during rated operation)> (heat amount required for generating reformed steam during rated operation). … (4)
의 관계가 성립되므로, 상기 식(4)의 차이분의 열량을 순수 탱크(22)로 되돌리도록, 순수 공급 펌프(30)의 토출 유량과 제2 증기 생성기(51) 내의 압력을 검지하여 동작하는 회수 라인(78)에 배치된 차단 밸브(77)를 제어함으로써, 순수 탱크(22)로 연료 전지 스택(50)의 발열의 일부를 이동시킬 수 있도록 구성되어 있다. 또한, 이 순수 탱크(22)에는 열교환기(71)가 설치되어 있으며, 연료 전지 스택(50)의 발열의 일부를 받아서 승온 된 순수와의 열교환에 의해, 온수조(23)로부터 펌프(80)에 의해 공급되는 저온수가 승온되어 온수조(23)에 저장되도록 구성되어 있다. Since the relationship between is established, the discharge flow rate of the pure
이상에서 설명한 본 실시예의 고체 고분자형 연료 전지 발전 시스템(70)에 의하면, 100℃이상에서 운전되는 연료 전지 스택(50)의 발열량을, 열이동 매체(60)를 통해서 제2 증기 생성기(51)로 효율적으로 전달할 수 있게 되므로, 제2 증기 생성기(51)에서 정격 발전 운전시에 필요한 개질 증기의 약 2배의 증기(시스템 밖으로의 방열분은 “0"이라고 가정)를 생성할 수 있다. According to the polymer electrolyte fuel cell
본 실시예의 연료 전지 발전 시스템(70)이, 정격 운전시에는 차단 밸브(72)가 닫히고, 차단 밸브(73)가 열리기 때문에, 순수 펌프(30)로부터 공급되는 순수는 제1 증기 생성기(31)를 바이패스하여 직접 제2 증기 생성기(51)로 공급된다. 이로써, 정격 운전 중에는 연료 전지 스택(50)의 발열만을 이용한 제2 증기 생성기(51)의 단독 운전이 되기 때문에, 종래의 저온형 고체 고분자형 연료 전지 발전 시스템(20)(도 10)에서 실시되던 애노드 오프 가스 중의 미반응 수소의 연소열을 이용한 제1 증기 생성기(31)에 의한 개질 증기의 생성을 중지할 수 있다. 이 결과, 제1 증기 생성기(31)에서 증기 생성에 사용되는 열량분의 원료 가스 투입량을 감소시킬 수 있으므로 발전 효율을 상승시킬 수 있다.(상기 식(3)에서의 연료 이용율(Uf)을 높임으로써, 발전 효율이 상승된다)In the fuel cell
(1-4)연료 전지 발전 시스템의 기동 조작(1-4) Startup operation of fuel cell power generation system
다음에, 본 발명의 연료 전지 발전 시스템(70)의 기동시의 조작에 대해서 설명하기로 한다. 도 5 및 도 6은 본 발명에서 실행되는 기동 조작의 일 예를 나타내는 흐름도이다. Next, operation at the start of the fuel cell
연료 전지 발전 시스템(70)의 기동 지령이 실행되면, 공기 블로어(79)가 가동되어 연소부(36)로 공기를 공급한다. 그 후, 원료 가스 라인의 승압 펌프(33)가 가동되고, 탈황기(34)를 통과한 원료 가스가 배관(도시 생략)을 통해서 연소부(36)에 공급된다. 다음에, 연소부(36)에 배치된 버너(36A)를 점화시킴으로써, 공급된 공기와 원료 가스는 연소부(36) 안을 가열하고, 개질기(24) 및 인접하는 쉬프트 반응기(25)와 제1 증기 생성기(31)의 승온을 행한다. When the start command of the fuel cell
연소부(36)가, 제1 증기 생성기(31)에서 충분히 증기 생성 가능한 소정의 온도까지 승온되면, 순수 공급 펌프(30)를 가동시키고, 순수 탱크(22)로부터 제1 증기 생성기(31)까지 순수를 공급한다. 이 때, 차단 밸브(72)는 열린 상태이므로, 제1 증기 생성기(31)에서 생성된 증기는 직렬로 접속된 제2 증기 생성기(51)에 공급된다. When the
제2 증기 발생기(51)에 공급된 증기는, 열이동 매체(60)를 통해서 연료 전지 스택(50)에 열을 부여함으로써 연료 전지 스택(50)의 승온 조작이 실시된다. 제2 증기 생성기(51) 내에서는, 공급된 증기는 연료 전지 스택(50)에 열을 부여한 후 응축되어 그 응축 액위가 상승하는데, 액위계(75)가 검출하여 소정의 액위를 초과한 경우에는 차단 밸브(77)가 열리며, 응축수를 회수 라인(78)을 통과하여 순수 탱크(22)로 회수도록 조작함으로써, 제2 증기 생성기(51)의 액위를 제어한다. The steam supplied to the
또 연료 전지 스택(50)이 소정의 운전 온도, 예를 들면 150℃에 도달한 경우에는, 그 온도에 상당하는 증기압을 압력계(76)가 검출하여 차단 밸브(77)가 열리며, 증기를 회수 라인(78)을 통과하여 순수 탱크(22)로 방출하도록 조작함으로써, 제2 증기 생성기(51) 및 연료 전지 스택(50)의 온도를 소정 온도로 제어한다. 이상의 개질기(24) 및 연료 전지 스택(50)의 승온 조작을 실시하여 양자가 소정의 온도에 도달한 경우에는, 연료 가스 도입 모드로 이동한다. When the
제2 증기 생성기(51) 내에 체류하는 증기는, 증기 조절 밸브(32)를 열린 상태로 함으로써 개질기(24)로 공급된다. 그 후, 탈황기(34)의 하류에 배치한 조절 밸브(35)를 열린 상태로 함으로써 원료 가스를 개질기(24)로 공급한다. 이 결과, 개질기(24), 쉬프트 반응기(25)에서는 각각, 식(1)에 나타낸 수증기 개질 반응, 식(2)에 나타낸 쉬프트 반응이 일어남으로써, 연료 전지 스택(50)의 애노드에는 수소가 풍부한 연료 가스가 공급된다. 그 후, 조절 밸브(81)를 열어 공기를 연료 전지 스택(50)의 캐소드에 공급함으로써, 연료 전지 스택(50)은 발전 운전 대기 상태로 이동하여 전기기기로의 부하 투입이 실행된다. Steam remaining in the
다음에, 정격 운전 상당의 수소가 풍부한 연료 가스 및 공기가 공급된 단계에서 부하 증대가 실시되어 정격 부하 운전으로 이동한다. 정격 부하 운전에 도달한 후, 제1 증기 생성기(31)의 하류에 배치한 차단 밸브(72)를 차단함과 동시에, 제1 증기 생성기(31)를 바이패스하는 바이패스 라인(74)에 배치한 차단 밸브(73)를 열린 상태로 함으로써, 순수 탱크(22)의 순수가 직접 제2 증기 생성기(51)에 공급된다. 이 결과, 순수 탱크(22)로부터 공급된 순수는 열이동 매체(60)를 통해서 이동해 온 연료 전지 스택(50)의 발열에 의해, 제2 증기 생성기(51) 내에서 증기로 변환되어, 개질기(24)로 공급되는 개질 증기로서 사용된다. 따라서, 정격 부하 모드에서는, 제2 증기 생성기(51)의 단독 운전에 의해 개질기(24)로의 개질 증기 공급이 계속된다. Next, the load increase is performed at the stage where the hydrogen-rich fuel gas and air equivalent to the rated operation are supplied, and the process moves to the rated load operation. After reaching the rated load operation, the
이상에서 설명한 본 실시예의 고체 고분자형 연료 전지 발전 시스템(70)의 기동 조작 방법에 의하면, 시스템 기동 중에는 개질기(24)의 연소부(36)에서 발생하는 연소열의 일부를 얻고, 제1 증기 생성기(31)에서 생성한 증기를 이용하여, 제2 증기 생성기(51)에 배치한 열이동 매체(60)를 통해서 열전달함으로써 연료 전지 스택(50)의 승온 조작을 행하며, 또한 부하 투입 및 정격 부하 이행의 과도 상태 중에는, 여전히 연료 전지 스택(50)으로부터 제2 증기 생성기(51)로의 열이동량이 불충분하기 때문에, 제2 증기 생성기(51) 단독으로의 개질 증기 공급은 실현할 수 없는 상태이므로, 상기 제1 증기 생성기(31)로부터 계속해서 생성되는 증기를 개질기(24)로 개질 증기로서 공급할 수 있도록 제어된다. According to the start-up operation method of the polymer electrolyte fuel cell
그 결과, 운전 온도가 100℃이상인 중온형 연료 전지 스택(50)에서도, 종래의 열이동 매체로서 물을 사용하던 경우에 필요했던 내압 규격의 순환 펌프, 냉각 순환수 배관 등의 설비를 필요로 하지 않으며, 신속하고 효율적으로 연료 전지 스택(50)의 승온 조작을 완료할 수 있다. As a result, even in the medium-temperature
(2)제2 실시형태(2) Second Embodiment
(2-1)연료 전지 스택의 구성(2-1) Structure of Fuel Cell Stack
도 7 및 도 8에 본 발명의 제2 실시형태인 연료 전지 스택(90)의 구성을 도시한다. 도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명에서는, 평평한 형상의 고체 고분자 전해질막과, 이 고체 고분자 전해질막의 양면의 각각에 접합시킨 연료 전극 및 산화제 전극, 또한 그 외측 양면의 각각에 연료 가스 유로를 갖는 연료 가스용 세퍼레이터 및 산화제 가스 유로를 갖는 산화제 가스용 세퍼레이터로 이루어진 연료 전지 셀이 복수개 적층되고, 적층 단면이 평평한 형상의 연료 전지 스택(90)이 구성된다. 7 and 8 show the configuration of the
상기 연료 전지 스택(90)의 적층 단면의 장변에 해당하는 2개의 적층 측면에는, 절연 시트(91)를 매개로 플레이트 모양의 열이동 매체(92)가 한 장, 또는 복수장 병렬 배치되고, 그 열이동 매체(92)의 일단은 상기 연료 전지 스택(90)의 적층 측면보다 돌출되며, 도 8에 도시한 바와 같이 제2 증기 생성기(51)를 끼워넣는 형상으로 배치된다. On the two stacking side surfaces corresponding to the long sides of the stacking cross sections of the
상기 열이동 매체(92)와, 절연 시트(91)를 매개로 한 연료 전지 스택(90)과의 접속, 및 제2 증기 생성기(51)와의 접속은, 접촉 열저항을 작게 하여 열의 이동을 용이하게 하기 위해서 소정의 접촉면압으로 배치되어 있다. 또 연료 전지 스택(90)과 열이동 매체(92), 제2 증기 생성기(51)의 주위에는 방열을 방지하기 위한 단열재(도시 생략)가 배치되어 있다. The connection between the
본 실시예의 연료 전지 발전 스택(90)에서는, 발전 운전 중에 연료 전지 셀에서 발생한 열은 인접하는 세퍼레이터에서 열전도 되어, 적층 측면에 접촉되어 있는 열이동 매체(92)로 이동한다. 이 경우, 연료 전지 스택(90)의 발열은, 평평한 형상을 갖는 세퍼레이터의 장변측의 에지부(edge부) 단면을 통과하게 되므로, 열이동에 적합하도록 세퍼레이터의 두께와 평평한 형상(종횡비)을 설계하면 냉각 설계를 달성할 수 있다. In the fuel cell
예를 들면, 1kW급 연료 전지 스택(90)의 세퍼레이터 두께 3mm, 장변 길이 30cm, 매수 50장이라고 가정한 경우, 상기 연료 전지 스택(90)의 장변측 적층 측면의 2면의 합계 면적은 900cm2가 된다. 연료 전지 스택(90)과 열이동 매체(92) 사이의 열저항에 따른 열전도 손실을 고려하더라도, 표 2에 일례로서 나타낸 성능을 갖는 열이동 매체(92)를 채용하면, 1kW급 연료 전지 스택(90)의 발열량 0.89kW(표 1 참조)을 제2 증기 생성기(51)로 이동시켜 개질 반응에 필요한 증기 생성에 사용할 수 있다. For example, assuming that the separator thickness of the 1 kW
이상, 설명한 실시예의 연료 전지 스택의 구성에 의하면, 열이동 매체(92)가 연료 전지 스택(90)의 적층 단면의 외부에 배치되어 있기 때문에, 적층 단면 내에 배치한 경우에 필요한 가스 실(gas seal) 구조나, 적층된 각 연료 전지 셀로 배출하기 위해서 배치되는 매니홀드 구조를 필요로 하지 않기 때문에, 열이동 매체(92)의 구조의 간소화에 따른 저비용화, 및 연료 전지 스택(90)을 제작하는 경우에 시간을 단축할 수 있는 이점을 얻을 수 있다. 또한, 열이동 매체(92)가 연료 전지 스택(90)의 적층 단면의 외부에 배치되어 있기 때문에, 열이동 매체(92)가 도전성을 갖는 재료에 제약될 필요가 없으며, 만약, 비도전성 재료를 사용한 경우에는 절연 시트(91)를 생략할 수도 있다. As described above, according to the configuration of the fuel cell stack of the embodiment described above, since the
본 발명은 스택 운전 온도가 100℃ 이상인 중온형 연료 전지 스택에서의 스택 발열 유효 이용을 실현하는 연료 전지 시스템에 적용할 수 있다. INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to a fuel cell system that realizes effective stack heat generation in a medium temperature fuel cell stack having a stack operation temperature of 100 ° C or higher.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료 전지 발전 시스템에 의하면, 운전 온도가 100℃ 이상인 중온형 연료 전지 스택의 발열을 인접하는 제2 증기 생성기로 이동시켜 개질 반응에 필요한 증기 생성에 사용할 수 있기 때문에, 종래의 저온형(운전 온도 70∼80℃) 고체 고분자형 연료 전지 발전 시스템에서 실시하던, 연료 개질 처리계 내에 설치한 제1 증기 생성기로 개질 증기 생성에 필요 상당의 열을 부여할 필요가 없어져, 연료 전지 발전 시스템에 투입하는 원료 가스를 저감시킬 수 있다. 결과적으로, 보다 높은 연료 이용율의 운전이 가능해지므로, 연료 전지 발전 시스템의 높은 전기 효율화를 달성할 수 있다. As described above, according to the fuel cell power generation system according to the present invention, since the heat generated in the middle temperature type fuel cell stack having an operating temperature of 100 ° C. or more can be moved to an adjacent second steam generator, it can be used to generate steam necessary for the reforming reaction. The first steam generator installed in the fuel reforming system, which is used in the conventional low-temperature (operating
또한, 연료 전지 스택의 발열을 상기 제2 증기 생성기로 이동시키는 열이동 매체는 열전도성이 우수한 플레이트형 히트 파이프이므로, 종래의 열이동 매체로서 물을 사용하던 경우에 필요했던 내압 규격의 순환 펌프, 냉각 순환수 배관 등의 설비를 생략할 수 있으므로, 장치의 소형화, 저비용화, 그리고, 보조기기의 저동력화를 달성할 수 있다. In addition, since the heat transfer medium for moving the heat generation of the fuel cell stack to the second steam generator is a plate-type heat pipe having excellent thermal conductivity, a circulation pump having a pressure resistance standard required when water is used as a conventional heat transfer medium, Since equipment such as a cooling circulating water pipe can be omitted, it is possible to reduce the size of the device, reduce the cost, and reduce the power of the auxiliary equipment.
또한, 본 발명에 따른 연료 전지 발전 시스템의 기동 방법에 의하면, 시스템 기동 중에는 개질기의 연소부에서 발생하는 연소열의 일부를 얻고, 제1 증기 생성기에서 생성한 증기를 이용하여, 제2 증기 생성기에 배치한 열이동 매체를 통해서 열전달함으로써 연료 전지 스택의 승온 조작을 행하며, 부하 투입 및 정격 부하 이동의 과도(過渡) 상태 중에는, 여전히 연료 전지 스택으로부터 제2 증기 생성기로의 열이동량이 불충분하므로, 제2 증기 생성기 단독으로의 개질 증기 공급은 실현할 수 없는 상태이며, 상기 제1 증기 생성기로부터 생성되는 증기를 계속해서 개질기에 개질 증기로서 공급할 수 있도록 제어하기 때문에, 운전 온도가 100℃ 이상인 중온형 연료 전지 스택에서도, 종래의 열이동 매체로서 물을 사용하던 경우에 필요했던 내압 규격의 순환 펌프, 냉각 순환수 배관 등의 설비를 필요로 하지 않으며, 신속하고 효율적으로 연료 전지 스택의 승온 조작을 완료하고, 원활하게 정격 운전까지의 과도 상태도 완료할 수 있다. Further, according to the method of starting the fuel cell power generation system according to the present invention, during the system startup, a part of the combustion heat generated in the combustion section of the reformer is obtained, and the steam generated in the first steam generator is used to be placed in the second steam generator. The heat transfer operation of the fuel cell stack is carried out by heat transfer through one heat transfer medium, and the heat transfer amount from the fuel cell stack to the second steam generator is still insufficient during the transient state of the load input and the rated load movement. The reformed steam supply to the steam generator alone is not feasible, and since the steam generated from the first steam generator is controlled to continue to be supplied as reformed steam to the reformer, a medium temperature fuel cell stack having an operating temperature of 100 ° C or higher. Even in the case of using water as a conventional heat transfer medium, the circulation of the pressure resistance standard required There is no need for equipment such as a pump or cooling circulation water pipe, and the temperature increase operation of the fuel cell stack can be completed quickly and efficiently, and the transient state until the rated operation can be smoothly completed.
이상의 사항으로부터, 중온형 연료 전지 스택의 발열을 이용하여 개질 증기를 생성함으로써, 연료 전지 발전 시스템의 전기 효율을 향상시킴과 동시에, 종래의 연료 전지 스택 냉각수 순환 라인을 생략했기 때문에, 장치의 저비용화, 보조기기의 동력 감소를 도모하는 연료 전지 발전 시스템을 제공할 수 있다. From the above, the reformed steam is generated by using the heat generated in the medium temperature fuel cell stack to improve the electrical efficiency of the fuel cell power generation system and to omit the conventional fuel cell stack cooling water circulation line, thereby reducing the cost of the apparatus. In addition, it is possible to provide a fuel cell power generation system for reducing power of auxiliary equipment.
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