KR101929801B1 - 연료 전지 모듈 - Google Patents

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도시바 넨료 덴치 시스템 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 수첨 탈류기에 있어서의 탈류 효율의 향상이 가능한 연료 전지 모듈을 제공하는 것을 과제로 한다.
이러한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 실시형태에 따른 연료 전지 모듈은, 수첨 탈류 촉매에 의해 연료 가스를 탈류하는 수첨 탈류기와, 탈류한 연료 가스를 사용해서 수소 함유 가스를 생성하는 개질기와, 연료 전지 셀을 적층해서 구성되는 셀 스택으로서, 수소 함유 가스와 산소 함유 가스를 사용해서 발전하는 셀 스택과, 셀 스택에서 소비되지 않은 수소 함유 가스 및 산소 함유 가스의 연소로 생긴 배가스를 배출하는 배가스 유로부와, 배가스 유로부와의 열교환에 의해 산소 함유 가스를 예열하는 공기 예열 유로부로서, 수첨 탈류기와 셀 스택 사이에 배치되는 공기 예열 유로부를 구비한다.

Description

연료 전지 모듈{FUEL CELL MODULE}
본 발명의 실시형태는, 연료 전지 모듈에 관한 것이다.
차세대 발전 시스템으로서, 수소 함유 가스와 산소 함유 가스를 사용해서 발전하는 연료 전지 모듈이 알려져 있다. 이 연료 전지 모듈에는, 그 수납 용기 내에 고체 산화물 연료 전지 셀이 수납되어 있다.
또한, 고체 산화물 연료 전지 셀에 공급되는 수소 함유 가스에는, 일반적으로 유통되고 있는 천연 가스나 석유 가스 등의 연료 가스가 사용되고 있다. 이 연료 가스에 포함되는 유황 성분이 개질 촉매나 고체 산화물 연료 전지 셀에 공급되면, 개질 촉매나 고체 산화물 연료 전지 셀을 열화시켜 버린다. 그 때문에, 탈류기(脫硫器)에서 탈류된 연료 가스를, 개질기나 고체 산화물형 연료 전지 셀에 공급하도록 하고 있다. 이 탈류기에는, 상온 탈류 촉매가 일반적으로 사용되고 있다.
탈류기를 소형화하기 위해, 상온 탈류 촉매보다도 체적당 탈류 효율이 높은 수첨(水添) 탈류 촉매가 사용되어 오고 있다. 이 수첨 탈류 촉매를 이용하기 위해서는, 200~400℃의 열원이 필요해진다. 또한, 수첨 탈류 촉매에 물 등의 액체가 들어가면, 액체가 증발할 때에 수첨 탈류 촉매를 열화시켜 탈류 효율을 저하시켜 버릴 우려가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 수첨 탈류기에 있어서의 탈류 효율의 향상이 가능한 연료 전지 모듈을 제공하는 것이다.
본 실시형태에 따른 연료 전지 모듈은, 수첨 탈류 촉매에 의해 연료 가스를 탈류하는 수첨 탈류기와, 상기 탈류한 연료 가스를 사용해서 수소 함유 가스를 생성하는 개질기와, 복수의 연료 전지 셀을 적층해서 구성되는 셀 스택으로서, 상기 수소 함유 가스와 산소 함유 가스를 사용해서 발전하는 셀 스택과, 상기 셀 스택에서 소비되지 않은 상기 수소 함유 가스 및 상기 산소 함유 가스의 연소로 생긴 배가스(exhaust gas)를 배출하는 배가스 유로부와, 상기 배가스 유로부와 인접해 배치되고, 당해 배가스 유로부와의 열교환에 의해 상기 산소 함유 가스를 예열하는 공기 예열 유로부로서, 상기 수첨 탈류기와 상기 셀 스택 사이에 배치되는 공기 예열 유로부를 구비한다.
본 발명에 의해, 수첨 탈류기의 탈류 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1의 (a)는, 제1 실시형태에 따른 연료 전지 모듈의 측면 단면도이고, 도 1의 (b)는, 동(同) 정면 단면도.
도 2는 도 1에서 나타낸 개소(입구, T2, T3, 출구)에서 측정한 온도를 나타내는 표.
도 3의 (a)는, 제2 실시형태에 따른 연료 전지 모듈의 측면 단면도이고, 도 3의 (b)는, 동 정면 단면도.
도 4의 (a)는, 제3 실시형태에 따른 연료 전지 모듈의 측면 단면도이고, 도 4의 (b)는, 동 정면 단면도.
도 5의 (a)는, 제4 실시형태에 따른 연료 전지 모듈의 측면 단면도이고, 도 5의 (b)는, 동 정면 단면도.
도 6의 (a)는, 제5 실시형태에 따른 연료 전지 모듈의 측면 단면도이고, 도 6의 (b)는, 동 정면 단면도.
도 7의 (a)는, 제6 실시형태에 따른 연료 전지 모듈의 측면 단면도이고, 도 7의 (b)는, 동 정면 단면도.
도 8의 (a)는, 제7 실시형태에 따른 연료 전지 모듈의 측면 단면도이고, 도 8의 (b)는, 동 정면 단면도.
도 9의 (a)는, 제8 실시형태에 따른 연료 전지 모듈의 측면 단면도이고, 도 9의 (b)는, 동 정면 단면도.
도 10은 연료 블로어의 구동 제어의 플로우 차트를 나타내는 도면.
도 11의 (a)는, 제9 실시형태에 따른 연료 전지 모듈의 측면 단면도이고, 도 11의 (b)는, 동 정면 단면도.
도 12의 (a)는, 제10 실시형태에 따른 연료 전지 모듈의 측면 단면도이고, 도 12의 (b)는, 동 정면 단면도.
도 13의 (a)는, 제11 실시형태에 따른 연료 전지 모듈의 측면 단면도이고, 도 13의 (b)는, 동 정면 단면도.
이하, 도면을 참조해서, 본 발명의 실시형태에 대해 설명한다. 본 실시형태는, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
(제1 실시형태)
제1 실시형태에 따른 연료 전지 시스템은, 수첨 탈류기와 셀 스택 사이에 공기 예열 유로부를 배치하고, 공기 예열 유로부 내의 산소 함유 가스의 흐름을 조정함으로써, 수첨 탈류기에 공기 예열 유로부로부터 전도하는 열을 균일화하여, 탈류 효율의 향상을 도모한 것이다. 보다 상세하게, 이하에 설명한다.
(구성)
도 1은, 제1 실시형태에 따른 연료 전지 모듈(1)의 구성을 나타내는 개략도이고, 도 1의 (a)는, 연료 전지 모듈(1)의 측면 단면도이고, 또한, 도 1의 (b)는, 연료 전지 모듈(1)의 정면 단면도이다.
이 도 1에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 모듈(1)은, 탄화수소계의 연료를 개질해서 생성된 수소 함유 가스 및 산소 함유 가스를 사용해서 발전을 행한다. 보다 구체적으로는, 연료 전지 모듈(1)은, 수첨 탈류기(100)와, 개질기(200)와, 셀 스택(300)과, 연소부(400)와, 배가스 유로부(500)와, 공기 예열 유로부(600)와, 수납 용기(700)를 구비하고 있다.
수첨 탈류기(100)는, 수첨 탈류 촉매에 의해 연료 가스를 탈류한다. 즉, 수첨 탈류기(100)는, 200~400℃에서 기능하고, 유황 등의 부취제(腐臭劑)를 첨가하고 있는 연료 가스를 탈류하여 유황 성분을 제거하여, 탈류 연료 가스를 생성한다. 보다 상세한 구성은 후술한다.
탈류 연료 가스관(102)은, 수첨 탈류기(100)로부터 수평으로 연장하며, 그 후 수직 상방향으로 연장하고, 개질기(200)에 연통하고 있다. 이에 의해, 수첨 탈류기(100)는, 탈류 연료 가스관(102)을 통해, 수첨 탈류기(100)에서 생성된 탈류 연료 가스를 개질기(200)에 공급한다. 또한, 탈류 연료 가스관(102)은, 모관력(毛管力)에 의해 물을 폐색할 수 있는 내경을 갖고 있다. 이 내경은, 예를 들면 4.35mm(외경 1/4인치)이다.
보다 구체적으로는, 탈류 연료 가스관(102)의 탈류 연료 가스의 흐름은, 수첨 탈류기(100)로부터 개질기(200)를 향해 항상 수평 또는 수직 상방향을 향해 있다. 즉, 탈류 연료 가스의 흐름이 수직 방향 하향으로 되지 않고, 또한, 모관력에 의해 물을 폐색할 수 있는 가늘기이다. 또한, 이 탈류 연료 가스관(102)에는, 수첨 탈류기(100)에의 탈류 연료 가스의 공급 정지 후에, 물이 공급된다. 이에 의해, 탈류 연료 가스관(102)이 갖는 모관력에 의해, 수첨 탈류기(100)의 출구를 폐색한다.
개질기(200)에는, 수(水)공급관(202)을 통해 물이 공급된다. 이 수공급관(202)은, 탈류 연료 가스관(102)과 합류부(203)에서 합류하고 있다. 개질기(200)는, 수공급관(202)을 통해 공급된 물로부터 수증기를 생성한다. 즉, 개질기(200)는, 400~700℃에서 기능하고, 수공급관(202)을 통해 공급된 물과, 탈류 연료 가스관(102)을 통해 공급된 탈류 연료 가스를 사용해서, 수소 함유 가스를 생성한다. 이 수소 함유 가스는, 개질기(200)와, 셀 스택(300)에 연통하고 있는 수소 가스관(204)을 통해 셀 스택(300)에 공급된다.
개질기(200)의 내부에 구비하는 개질 촉매로서는, 예를 들면 알루미나나 코디에라이트 등의 다공질 담체(擔體)에 Ru, Pt 등의 귀금속이나 Ni, Fe 등의 비금속(卑金屬)을 담지시킨 개질 촉매 등이 사용된다. 개질기(200)의 온도가 충분히 상승하지 않으면, 프로판이나 에탄 등, 탄소 원자가 2 이상(C2 이상)으로 구성되는 가스가 충분히 개질되지 않는다. 이 경우에, 탄소 원자가 2 이상으로 구성되는 가스가 셀 스택(300)에 공급되면, 셀 스택(300)에 탄소 석출이 생겨, 셀 스택(300)이 열화할 우려가 있다.
셀 스택(300)은, 복수의 연료 전지 셀을 적층해서 구성되고, 개질기(200)로부터 공급되는 수소 함유 가스와, 공기 예열 유로부(600)를 통해 공급되는 산소 함유 가스(공기)를 사용해서, 발전을 행한다. 여기에서의 연료 전지 셀은, 도 1의 (b)에 있어서, 앞쪽으로부터 안쪽 깊이 방향을 향해, 즉, 도 1의 (a)의 폭 방향으로, 적층되어 있다.
본 실시형태에 있어서는, 셀 스택(300)의 연료 전지 셀은, 예를 들면 500~1000℃의 고온에서 동작하는 고체 산화물 연료 전지 셀로 구성되어 있다. 이들 복수의 연료 전지 셀의 각각은 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 연료 전지 셀의 각각은, 연료 극과, 산화제 극을 갖는다. 그리고, 이들 복수의 연료 전지 셀은, 화학식 1에서 나타내는 반응에 의해 발전한다. 수소 함유 가스는, 연료 극측의 가스 유로를 흘러, 연료 극 반응을 일으킨다. 산소 함유 가스는, 산화제 극측의 가스 유로를 흘러, 산화제 극 반응을 일으킨다.
(화학식 1)
연료 극 반응 ：H2 ＋ O2- → 2H＋ ＋ 2e-
CO ＋ O2- → CO2 ＋ 2e-
산화제 극 반응 ：O2＋ 4e- → 2O2 -
연소부(400)는, 셀 스택(300)의 상부와 개질기(200) 사이의 공간이다. 연소부(400)는, 셀 스택(300)에서 소비되지 않은 수소 함유 가스 및 산소 함유 가스를 연소하고, 그 배가스를 배가스 유로부(500)에 배출한다. 이 연소열에 의해 개질기(200)는 가열되어, 개질 반응이 진행하는 것이다. 이에 의해, 상술한 셀 스택(300)에서의 탄소 석출이 억제되고 있다.
배가스 유로부(500)는, 연소부(400)에서 생긴 배가스를 연료 모듈의 외부에 배출한다. 즉, 배가스 유로부(500)는, 셀 스택(300)에서 소비되지 않은 수소 함유 가스 및 산소 함유 가스의 연소로 생긴 배가스를 배출한다. 또한, 배가스 유로부(500)와 셀 스택(300)은 셀 상단 이외에서는 접해 있지 않은 것이다.
공기 예열 유로부(600)는, 배가스 유로부(500)와 인접해 배치되고, 배가스 유로부(500)와의 열교환에 의해 셀 스택(300)에 공급하는 산소 함유 가스를 예열한다. 이 공기 예열 유로부(600)는, 수첨 탈류기(100)와 셀 스택(300) 사이에 배치되어 있다. 즉, 공기 예열 유로부(600)는, 수첨 탈류기(100)와 직접 또는 벽면 단열재를 개재해서 접해 있다. 또한, 공기 예열 유로부(600)의 적어도 일부는, 배가스 유로부(500)를 사이에 두고, 셀 스택(300)의 일 측면을 덮고 있다.
보다 구체적으로는, 공기 예열 유로부(600)의 적어도 일부는, 수첨 탈류기(100)의 일 측면을 덮는 평판상(平板狀)의 중공 형상이고, 수첨 탈류기(100)에 전도하는 열분포를 균일화하는 공기 유로를 갖는다. 이 공기 유로에는, 공기 입구관(601)을 통해 산소 함유 가스가 유입한다. 공기 입구관(601)은, 평판상의 중공 형상에 있어서의 중앙부의 하부에 배치되어 있다. 즉, 공기 예열 유로부(600)는, 제1 공기 예열 유로부(600a)와, 제2 공기 예열 유로부(600b)와, 제3 공기 예열 유로부(600c)와, 제4 공기 예열 유로부(600d)와, 제5 공기 예열 유로부(600e)를 갖는다. 즉, 제1 공기 예열 유로부(600a)는, 연료 전지 모듈(1)의 하부로부터 상부까지, 수첨 탈류기(100)와 배가스 유로부(500) 사이를 연장하고, 제2 공기 예열 유로부(600b)는 상부에 배치된다. 그리고, 제3 공기 예열 유로부(600c)는, 상부로부터 되접어 꺾어 셀 스택(300)의 하면까지 연장하고, 제4 공기 예열 유로부(600d)는 하부에 배치되고, 제5 공기 예열 유로부(600e)는, 연료 전지 셀에 있어서의 산화제 극측의 가스 유로에 연통한다. 또한, 공기 예열 유로부(600) 중에서, 제3 공기 예열 유로부(600c)와, 제4 공기 예열 유로부(600d)와, 제5 공기 예열 유로부(600e)는, 배가스 유로부(500)와의 사이에서 열교환을 하고 있지 않다.
이와 같이, 산소 함유 가스인 공기는, 연료 전지 모듈(1)의 하부에서 셀 스택(300)의 적층 방향 중앙 부근에 위치하는 공기 입구관(601)에 공급된다. 이 공기는, 셀 스택(300) 주위의 공기 예열 유로부(600)를 흘러, 배가스 유로부(500)와의 열교환에 의해 가열된다. 가열된 공기는 셀 스택(300)의 하부로부터 셀 스택(300)에 공급된다.
수납 용기(700)는, 수첨 탈류기(100)와, 개질기(200)와, 셀 스택(300)과, 연소부(400)와, 배가스 유로부(500)와, 공기 예열 유로부(600)를 수납하고 있다. 이 수납 용기(700)는, 외측 단열재(702)를 포함하여 구성되어 있다.
다음으로, 도 1의 (a)에 의거하여, 수첨 탈류기(100)의 상세한 구성을 설명한다. 이, 도 1의 (a)에 나타내는 바와 같이, 수첨 탈류기(100)에는, 연료 가스관(104)을 통해 연료 블로어(106)가 연통되어 있다.
연료 블로어(106)는, 연료 가스관(104)을 통해 유황을 포함하는 탄화수소계의 연료 가스와 수소를 수첨 탈류기(100)에 공급한다. 연료 가스관(104)은, 연료 블로어(106)로부터 수첨 탈류기(100)에 연료 가스를 공급하기까지, 수납 용기(700)에 있어서의 외측 단열재(702)의 내부를 통과한다. 이에 의해, 연료 가스는, 연료 전지 모듈(1)로부터 수열(受熱)해서 예열된다.
연료 가스관(104)을 통해 공급되는 연료 가스는, 천연 가스가 원료인 도시가스(CNG), 액화석유가스(LPG) 등의 탄화수소가 주성분인 가스이다. 도시가스(CNG)의 조성은, 예를 들면, 메탄 88％, C2H6 에탄 7％, C3H8 프로판 4％, C4H10 부탄 1％이다. 연료 가스관(104)은, 도시가스 라인, LPG 라인, 수소 라인 등에 접속되어 있다.
수첨 탈류기(100)는, 펀칭 메탈(108)에 의해 칸막이되고, 수첨 탈류 촉매가 충전되어 있지 않은 개소가 상부와 하부에 설치되어 있다. 펀칭 메탈(108)에 의해 칸막이되어 있는 개소는, 3개의 촉매실(110, 112, 114)로 나눠지고, 수첨 탈류 촉매가 각각 충전되어 있다. 또한, 3개의 촉매실(110, 112, 114)에 있어서의 경계의 각각에 칸막이판(116, 118)이 설치되어 있다. 이에 의해, 수첨 탈류 촉매가 충전되어 있지 않은 개소를 연료 가스가 바이패스하지 않고, 연료 가스가 3개의 촉매실(110, 112, 114)을 순서대로 사행(蛇行)해서 통과하도록 구성되어 있다.
또한, 3개의 촉매실(110, 112, 114)을 순서대로 사행해서 통과한 연료 가스는, 탈류 연료 가스관(102)에 유출된다. 또한, 입구, T2, T3, 출구에서 나타낸 개소에 온도계인 열전대를 설치하여, 입구, T2, T3, 출구의 온도를 계측한다.
수첨 탈류기(100)는, 마이크로썸이나 WDS 등의 고성능 단열재로 구성된 외측 단열재(702)와 접해 있다.
(작용)
셀 스택(300)은 500~1000℃에서 발전하기 때문에, 그 배가스는 연소부(400)에서는 500~1000℃가 된다. 또한, 셀 스택(300) 단부의 열 배출과 셀 스택(300)의 발열에 의해 셀 스택(300)의 적층 방향의 중앙 부근이 가장 고온이 된다. 이 셀 스택(300)의 측면을 따라 설치된 배가스 유로부(500)를 흐르는 배가스의 열과, 공기 예열 유로부(600)를 흐르는 산소 함유 가스의 열이 열교환을 한다. 이 때문에, 공기 예열 유로부(600)는, 셀 스택(300)의 온도 분포를 반영하여, 공기 예열 유로에 전도되는 온도 분포도 셀 스택(300)의 적층 방향 중앙 부근이 가장 고온이 된다.
공기 예열 유로부(600)의 공기 입구관(601)이 셀 스택(300)의 적층 방향 중앙 부근에 설치되어 있기 때문에, 셀 스택(300)의 적층 방향 중앙부를 따라 흐르는 산소 함유 가스의 양이, 셀 스택(300)의 단부를 따라 흐르는 산소 함유 가스의 양보다도 많아진다. 이에 의해, 비교적 저온의 산소 함유 가스의 흐름이 셀 스택(300)의 적층 방향 중앙에 집중한다. 이 때문에, 공기 예열 유로부(600)의 온도 분포가 균일화되고, 수첨 탈류기(100)에의 열전도 분포도 균일화한다.
또한, 상술한 바와 같이, 그 배가스는 500~1000℃로 고온이고, 배가스 유로부(500) 내에 수첨 탈류기(100)를 설치하면, 수첨 탈류 촉매가 적절히 탈류할 수 있는 온도로 유지하는 것은 곤란하다.
(효과)
이상과 같이, 제1 실시형태에 따른 연료 전지 모듈(1)은, 공기 예열 유로부(600)의 공기 입구관(601)을 셀 스택(300)에 있어서의 적층 방향의 중앙 부근에 설치하는 것으로 했다. 이 때문에, 비교적 저온의 산소 함유 가스의 흐름이 셀 스택(300)의 적층 방향 중앙에 집중하고, 공기 예열 유로부(600)의 온도 분포가 균일화된다. 이에 의해, 공기 예열 유로부(600)로부터 수첨 탈류기(100)에의 열전도 분포도 균일화하여, 수첨 탈류기(100) 내의 수첨 탈류 촉매의 온도 범위를 적절히 유지할 수 있다.
또한, 수첨 탈류기(100)의 상부와 하부를 펀칭 메탈(108)로 칸막이하는 것으로 했다. 이에 의해, 연료 가스의 압손(壓損)이 작고, 연료 가스가 유동하기 쉬워지므로, 연료 가스의 흐름이 균일화되고 나서, 각각의 촉매실(110, 112, 114)에 흘러 들어가고, 각각의 수첨 탈류 촉매로부터 균일하게 연료 가스가 배출된다. 이에 의해, 수첨 탈류기(100) 내를 흐르는 연료 가스의 탈류를 효과적으로 행할 수 있음과 함께, 수첨 탈류기(100) 내의 온도 분포도 균일화할 수 있다.
도 2는, 도 1에서 나타낸 개소(입구, T2, T3, 출구)에서 측정한 온도를 나타내는 표이다. 이 도 2에 있어서의 HM22의 란에 나타내는 바와 같이, 수첨 탈류기(100) 내의 온도가 200~400℃로 유지되어 있다. 또한, 이하에서 설명하는 제2~제7 실시형태에 있어서의 수첨 탈류기(100) 내의 온도 측정도, 도 1에서 나타낸 개소(입구, T2, T3, 출구)에서 측정되어 있다. 도 2는 동일한 연료 유량, 공기 유량, 물 유량, 경과 시간, 수첨 탈류기의 측정점에 있어서의 시험 결과의 일람이다.
또한, 외측 단열재(702) 1매를 사이에 둔 곳에 수첨 탈류기(100)가 설치되어 있기 때문에, 수첨 탈류기(100)에의 액세스가 간이하고, 메인터넌스를 용이하게 할 수 있다.
(제2 실시형태)
제2 실시형태에 따른 연료 전지 모듈은, 수첨 탈류기와 공기 예열 유로 사이에 저성능 벽면 단열재를 설치하는 점에서 제1 실시형태와 상위(相違)하다. 이하에, 제1 실시형태와의 상위점을 설명한다.
(구성)
도 3은, 제2 실시형태에 따른 연료 전지 모듈(1)의 구성을 나타내는 개략도이다. 도 3의 (a)는, 연료 전지 모듈(1)의 측면 단면도이다. 또한, 도 3의 (b)는, 연료 전지 모듈(1)의 정면 단면도이다. 제1 실시형태와 동등한 구성에는, 동일한 번호를 부여하고 설명을 생략한다. 제1 실시형태에서는, 수첨 탈류기(100)와 공기 예열 유로부(600)는 직접 접해 있었지만, 본 실시형태에서는, 수첨 탈류기(100)와 공기 예열 유로부(600) 사이에 저성능 벽면 단열재(802)를 배치하는 점에서 상위하다.
이 도 3의 (a), (b)에 나타내는 바와 같이, 수첨 탈류기(100)의 위와 아래에 고성능 벽면 단열재(800)는 설치되고, 저성능 벽면 단열재(802)는, 수첨 탈류기(100)와 공기 예열 유로 사이에 설치된다. 고성능 벽면 단열재(800)의 단열 성능은, 수납 용기(700)의 외측 단열재(702)와 동등하다. 저성능 벽면 단열재(802)의 단열 성능은, 수납 용기(700)의 외측 단열재(702)보다도 낮고, 고성능 벽면 단열재(800)보다도 낮다. 저성능 벽면 단열재(802)는, 예를 들면 신닛폰서멀세라믹스제의 Superwool Plus나 니치야스제 TOMBO 등의 블랭킷 형태 단열재이다. 또한, 저성능 벽면 단열재(802)는, 공기 예열 유로부(600)로부터 수첨 탈류기(100)에 전도하는 열을 저감한다. 또한, 저성능 벽면 단열재(802)의 두께분만큼 외측 단열재(702)의 두께를 얇게 하고 있다. 이에 의해, 연료 전지 모듈(1) 전체의 외형 치수를 동일하게 하고 있다.
(작용)
수첨 탈류기(100)는 저성능 벽면 단열재(802)를 개재해서 공기 예열 유로부(600)와 접하기 때문에, 수열량이 저감된다. 또한, 수첨 탈류기(100)의 상부 및 하부에는, 고성능 벽면 단열재(800)가 배치되기 때문에, 공기 예열 유로부(600)로부터 수첨 탈류기(100)에의 전도열량이 저감된다.
(효과)
이상과 같이, 제2 실시형태에 따른 연료 전지 모듈(1)은, 저성능 벽면 단열재(802)를 수첨 탈류기(100)와 공기 예열 유로부(600) 사이에 배치하는 것으로 했다. 이에 의해, 수첨 탈류기(100)의 수열량을 저하할 수 있어, 수첨 탈류기(100) 내의 온도를 보다 저하할 수 있다. 또한, 수첨 탈류기(100)의 상부 및 하부에 고성능 벽면 단열재(800)를 배치하는 것으로 했다. 이에 의해, 공기 예열 유로부(600)로부터 수첨 탈류기(100)에의 전도열량을 보다 저하할 수 있다.
도 2의 HM25의 란에 나타내는 바와 같이 수첨 탈류기(100)의 최고 온도가 335℃까지 저하하며, 수첨 탈류 촉매가 보다 효율적으로 탈류하는 200~320℃의 온도에 근접시킬 수 있다.
(제3 실시형태)
제3 실시형태에 따른 연료 전지 모듈은, 공기 예열 유로부가 사행 유로를 구비하는 점에서 제2 실시형태와 상위하다. 이하에, 제2 실시형태와의 상위점을 설명한다.
(구성)
도 4는, 제3 실시형태에 따른 연료 전지 모듈(1)의 구성을 나타내는 개략도이고, 도 4의 (a)는, 연료 전지 모듈(1)의 측면 단면도이고, 또한, 도 4의 (b)는, 연료 전지 모듈(1)의 정면 단면도이다. 제2 실시형태와 동등한 구성에는, 동일한 번호를 부여하고 설명을 생략한다.
이 도 4의 (a), (b)에 나타내는 바와 같이, 공기 예열 유로부(600)는, 제1 유로판(602)과, 제2 유로판(604)과, 제1 칸막이부(606)와, 제2 칸막이부(608)와, 제3 칸막이부(610)를 적어도 갖는다.
제1 유로판(602)은, 판상재로 구성되어 있다. 마찬가지로, 제2 유로판(604)은, 판상재로 구성되어 있다. 제1 유로판(602)과 제2 유로판(604)은 평행하다. 칸막이부(606, 608, 610)는, 제1 유로판(602)과 제2 유로판(604)과의 극간을 채우는 두께의 판으로 구성되어 있다. 또한, 칸막이부(606, 608, 610)는, 환봉(還奉)을 스폿 용접이나 플러그 용접, 전체 둘레 용접에 의해, 2매의 유로판의 극간을 채우도록 고정해도 된다. 혹은, 2매의 유로판(602, 604)을 양쪽 또는 한쪽을 프레스 가공하여 굽히고 접촉면을 형성하고, 또한 스폿 용접이나 플러그 용접, 전체 둘레 용접에 의해 고정해도 된다. 프레스 가공을 행할 경우에는, 용접하지 않아도 사행 유로를 형성 가능하다.
도 4의 (a)에 나타내는 바와 같이, 칸막이부(606, 608, 610)의 한쪽의 단부와 공기 예열 유로부(600)의 측벽의 간격과, 다른 쪽의 단부와 공기 예열 유로부(600)의 측벽의 간격을 상이하게 하고 있다. 또한, 칸막이부(606, 608, 610)의 단부와 공기 예열 유로부(600)의 측벽의 간격이 넓은 쪽의 위치를, 칸막이부(606, 608, 610) 각각에서 번갈아 바꾸고 있다. 이에 의해, 화살표로 나타내는 바와 같이, 공기가 좌우로 사행하여 흐르는 사행 유로가 형성되어 있다. 또한, 사행 유로의 양 사이드의 공간에 의해, 압손이 소정 값을 넘지 않도록 조정되어 있다.
(작용)
사행 유로를 따라 공기가 흐르기 때문에, 비교적 저온인 공기가 수첨 탈류기(100)의 측면 전체를 따라 흘러, 수첨 탈류기(100)의 온도가 전체적으로 저하한다.
(효과)
이상과 같이, 제3 실시형태에 따른 연료 전지 모듈(1)은, 공기 예열 유로부(600) 내에 사행 유로를 형성하는 것으로 했다. 이에 의해, 수첨 탈류기(100)의 측면 전체를 따라 공기를 흘리기 때문에, 수첨 탈류기(100)의 전체의 온도를 보다 균일하게 저하할 수 있다. 도 2의 HM41a의 란에 나타내는 바와 같이, 수첨 탈류 촉매가 보다 효율적으로 탈류할 수 있는 200~320℃의 온도로 유지할 수 있다.
(제4 실시형태)
제4 실시형태에 따른 연료 전지 모듈은, 수첨 탈류기와 공기 예열 유로부 사이에 설치하는 단열재의 단열 성능이 공기 예열 유로부의 온도 분포에 의거하여 변경되어 있는 점에서 제3 실시형태와 상위하다. 이하에, 제3 실시형태와의 상위점을 설명한다.
(구성)
도 5는, 제4 실시형태에 따른 연료 전지 모듈(1)의 구성을 나타내는 개략도이고, 도 5의 (a)는, 연료 전지 모듈(1)의 측면 단면도이고, 또한, 도 5의 (b)는, 연료 전지 모듈(1)의 정면 단면도이다. 제1 실시형태와 동등한 구성에는, 동일한 번호를 부여하고 설명을 생략한다.
이 도 5의 (a), (b)에 나타내는 바와 같이, 수첨 탈류기(100)와 공기 예열 유로부(600) 사이에 배치되는 벽면 단열재는, 저성능 벽면 단열재(802)와 고성능 벽면 단열재(804)를 갖고 있다. 고성능 벽면 단열재(804)는, 수첨 탈류기(100)의 중류, 하류에 대응하는 위치에 배치되어 있다.
(작용)
수첨 탈류기(100)의 중류, 하류에 대응하는 공기 예열 유로부(600)의 위치는, 다른 위치보다도 고온이고, 또한, 수첨 탈류기의 중류, 하류를 유동하는 가스도 충분히 높은 온도이다. 이와 같이, 공기 예열 유로부(600) 내의 보다 고온으로 되는 위치에 대응시켜서, 고성능 벽면 단열재(804)를 배치하므로, 공기 예열 유로부(600)로부터 수첨 탈류기(100)에 전도하는 열을 보다 균일화한다.
(효과)
제4 실시형태에 따른 연료 전지 모듈(1)은, 수첨 탈류기(100)와 공기 예열 유로부(600) 사이에 설치하는 단열재의 단열 성능을 공기 예열 유로부(600)의 온도 분포에 의거하여 변경하는 것으로 했다. 이에 의해, 수첨 탈류기(100)의 고온부(중류, 하류역)에서의 수열량이 보다 적어진다. 이 때문에, 수첨 탈류기(100)의 고온부에 있어서의 온도를 보다 저하시킴과 함께, 수첨 탈류기(100)의 온도 분포를 전체적으로 균일화할 수 있다. 도 2의 HM41b의 란에 나타내는 바와 같이, 수첨 탈류 촉매가 보다 효율적으로 탈류할 수 있는 200~320℃의 온도로 유지할 수 있다.
(제5 실시형태)
제5 실시형태에 따른 연료 전지 모듈은, 공기 예열 유로부에 있어서의 사행 유로의 중앙부에 공기가 흐르는 공간을 형성한 점에서 제4 실시형태와 상위하다. 이하에, 제4 실시형태와의 상위점을 설명한다.
(구성)
도 6은, 제5 실시형태에 따른 연료 전지 모듈(1)의 구성을 나타내는 개략도이고, 도 6의 (a)는, 연료 전지 모듈(1)의 측면 단면도이고, 또한, 도 6의 (b)는, 연료 전지 모듈(1)의 정면 단면도이다. 제5 실시형태와 동등한 구성에는, 동일한 번호를 부여하고 설명을 생략한다.
이 도 6의 (a)에 나타내는 바와 같이, 상측 2개의 칸막이부(612, 614)의 중앙부(616, 618)에 공기가 흐르는 공간을 설치한 점에서 제5 실시형태와 상위하다.
(작용)
상측 2개의 칸막이부(612, 614)의 중앙부(616, 618)에 공간을 설치했으므로, 셀 스택(300)의 적층 방향 중앙 부근을 따라 공기가 보다 집중하여 흐른다.
(효과)
이상과 같이, 제5 실시형태에 따른 연료 전지 모듈(1)은, 공기 예열 유로부(600)에 있어서의 사행 유로의 중앙부(616, 618)에 공기가 흐르는 공간을 형성하는 것으로 했다. 이에 의해, 셀 스택(300) 적층 방향 중앙 부근에 공기가 보다 집중하여 흐르기 때문에, 수첨 탈류기(100)의 중류부의 온도가 보다 저하함과 함께 수첨 탈류기(100)의 온도 분포가 보다 균일화한다. 도 2의 HM49의 란에 나타내는 바와 같이, 수첨 탈류 촉매가 보다 효과적으로 탈류할 수 있는 200~320℃의 온도로 유지할 수 있다.
(제6 실시형태)
제6 실시형태에 따른 연료 전지 모듈은, 수첨 탈류기와 공기 예열 유로부 사이에 설치하는 단열재에 동판도 설치하는 점에서 제5 실시형태와 상위하다. 이하에, 제5 실시형태와의 상위점을 설명한다.
(구성)
도 7은, 제6 실시형태에 따른 연료 전지 모듈(1)의 구성을 나타내는 개략도이고, 도 7의 (a)는, 연료 전지 모듈(1)의 측면 단면도이고, 또한, 도 7의 (b)는, 연료 전지 모듈(1)의 정면 단면도이다. 제5 실시형태와 동등한 구성에는, 동일한 번호를 부여하고 설명을 생략한다.
이 도 7의 (a), (b)에 나타내는 바와 같이, 셀 스택(300)측의 저성능 벽면 단열재(802) 상에 동판(806)을 설치하고 있다. 즉, 셀 스택(300)측의 벽면 단열재(802)와 수첨 탈류기(100) 사이에 동판(806)을 설치하고 있다. 여기에서는, 저성능 벽면 단열재(802)에 겹쳐 동판(806)을 배치하고 있다. 또한, 고성능 벽면 단열재(804)에도 동판(806)을 겹쳐 배치해도 된다. 또한, 본 실시형태에 있어서의 동판(806)이 고열전도 부재에 대응한다.
(작용)
수첨 탈류기(100)는 동판(806)에도 접해 있다. 동판(806)은 열전도가 좋기 때문에, 수첨 탈류기(100)의 고온부로부터 저온부에 열을 전하는 작용을 갖는다.
(효과)
이상과 같이, 제6 실시형태에 따른 연료 전지 모듈(1)은, 저성능 벽면 단열재(802)와 수첨 탈류기(100) 사이에 동판(806)을 설치하는 것으로 했다. 이에 의해, 동판(806)이 수첨 탈류기(100)의 고온부로부터 저온부에 열을 전하기 때문에, 수첨 탈류기(100)의 온도 분포를 보다 균일화할 수 있다. 도 2의 HM50의 란에 나타내는 바와 같이 수첨 탈류 촉매가 효과적으로 탈류할 수 있는 200~320℃의 온도로 유지할 수 있다.
(제7 실시형태)
제7 실시형태에 따른 연료 전지 모듈은, 공기 예열 유로부에 있어서의 사행 유로를 형성하는 칸막이부를 하나로 한 점에서 제6 실시형태와 상위하다. 이하에, 제6 실시형태와의 상위점을 설명한다.
(구성)
도 8은, 제7 실시형태에 따른 연료 전지 모듈(1)의 구성을 나타내는 개략도이고, 도 8의 (a)는, 연료 전지 모듈(1)의 측면 단면도이고, 또한, 도 8의 (b)는, 연료 전지 모듈(1)의 정면 단면도이다. 제6 실시형태와 동등한 구성에는, 동일한 번호를 부여하고 설명을 생략한다.
이 도 8의 (a), (b)에 나타내는 바와 같이, 칸막이부(620)는, 중앙부(622)에 공기가 흐르는 공간을 형성하고 있다. 이 중앙부(622)에 공기가 흐르는 공간은, 공기 입구관(601)의 연직 상방에 형성되어 있다. 또한, 칸막이부(620)의 양 단부와 공기 예열 유로부(600)의 측벽과의 간격은, 양 단부에서 동일하게 되어 있다.
(작용)
공기의 흐름은 사행하지 않고, 셀 스택(300) 적층 방향 중앙에 보다 집중한 것에 의해 고속으로 흐르므로, 공기 예열 유로부(600)를 흐르는 공기의 승온이 억제된다.
(효과)
제7 실시형태에 따른 연료 전지 모듈(1)은, 칸막이부(620)의 중앙부(622)에 공간을 마련함과 함께 좌우 대칭으로 하는 것으로 했다. 이에 의해, 공기의 흐름은 사행하지 않고, 배가스와의 열교환이 억제되어, 공기의 온도 상승이 억제되므로, 수첨 탈류기(100)의 온도가 전체적으로 저하한다. 도 2의 HM54의 란에 나타내는 바와 같이, 수첨 탈류 촉매가 보다 효과적으로 탈류할 수 있는 200~320℃의 온도로 유지할 수 있다.
(제8 실시형태)
제8 실시형태에 따른 연료 전지 모듈은, 탈류 연료 가스관에 제1 오리피스와, 제1 필터를 배치한 점에서 제6 실시형태와 상위하다. 이하에, 제6 실시형태와의 상위점을 설명한다.
(구성)
도 9는, 제8 실시형태에 따른 연료 전지 모듈(1)의 구성을 나타내는 개략도이고, 도 9의 (a)는, 연료 전지 모듈(1)의 측면 단면도이고, 또한, 도 9의 (b)는, 연료 전지 모듈(1)의 정면 단면도이다. 제6 실시형태와 동등한 구성에는, 동일한 번호를 부여하고 설명을 생략한다.
이 도 9의 (a), (b)에 나타내는 바와 같이, 탈류 연료 가스관(102)에 제1 오리피스(120)와, 제1 필터(122)가 배치되어 있다. 제1 오리피스(120)는, 스로틀 요소이고, 탈류 연료 가스관(102) 내의 흐름을 조정하여, 탈류 연료 가스관(102) 내를 저압으로 한다. 또한, 본 실시형태에 있어서는, 제1 오리피스(120)가 제1 스로틀 요소에 대응한다.
제1 필터(122)는, 철망이나 블랭킷 단열재 등으로 구성되어 있다. 제1 필터(122)는, 수첨 탈류기(100)의 출구와 제1 오리피스(120) 사이에 배치되어 있다. 제어부(900)는, 연료 블로어(106)의 구동을 제어한다.
(작용)
제1 오리피스(120)는, 탈류 연료 가스관(102) 내의 흐름을 억제함으로써, 연료 블로어(106)에 의한 연료 가스의 맥동을 저감한다. 또한, 연료 전지 모듈(1)의 발전이 정지하면, 산소 함유 가스가 셀 스택(300) 및 개질기(200)를 통과해서, 수첨 탈류기(100)에 확산해 온다. 이들 산소 함유 가스는, 연소부(400)에 잔존하는 산소 함유 가스, 및 공기 예열 유로부(600)를 통해 연료 전지 모듈(1)에 들어오는 산소 함유 가스이다. 이 경우, 제1 오리피스(120)가, 수첨 탈류기(100)에의 산소의 확산을 저해한다. 이에 의해, 수첨 탈류기(100)에의 산소 함유 가스의 혼입이 억제된다. 또한, 수첨 탈류기(100)는, 수소로 환원된 상태에서 이용된다. 이 때문에, 발전 정지할 때마다 산소가 많이 혼입하면, 수첨 탈류 촉매의 열화로 이어진다.
제1 필터(122)는, 탈류한 연료 가스의 흐름과 함께 유출하는 수첨 탈류 촉매의 가루를 흡수한다. 이에 의해, 수첨 탈류 촉매의 가루에 의한 제1 오리피스(120)의 폐색이 억제된다.
도 10에 의거하여, 발전 정지 후에 있어서의 연료 블로어(106)의 구동 제어 에 대해 설명한다. 도 10은, 연료 블로어(106)의 구동 제어의 플로우 차트를 나타내는 도면이다. 이 도 10에 나타내는 바와 같이, 우선, 제어부(900)는, 발전의 정지 후에, 연료 블로어(106)의 구동을 정지한다(스텝 S10). 이에 의해, 수첨 탈류기(100)에의 연료 가스의 공급이 정지된다.
다음으로, 제어부(900)는, 재료 가스의 공급 정지로부터 소정 시간이 경과했는지의 여부를 판정한다(스텝 S12). 소정 시간이 경과했을 경우(스텝 S12：YES), 제어부(900)는, 연료 블로어(106)의 구동을 재개하여, 연료 가스를 수첨 탈류기(100)에 공급한다(스텝 S14). 1회의 공급량은, 예를 들면 수첨 탈류기(100)와 개질기(200)의 용적분이다. 1회당 공급량이 지나치게 많으면, 상온에서 수첨 탈류기(100)가 탈류하기 때문에 수첨 탈류 촉매의 소모가 커진다.
다음으로, 연소부(400)에 공기를 공급하고(스텝 S16), 처리를 종료한다. 이에 의해, 연료 가스가 연료 전지 모듈(1) 내에 충만하지 않도록 한다.
(효과)
이상과 같이, 제8 실시형태에 따른 연료 전지 모듈(1)은, 탈류 연료 가스관(102)에 제1 오리피스(120)를 배치하는 것으로 했다. 이에 의해, 수첨 탈류기(100)에 산소 함유 가스가 혼입하기 어렵게 되어, 수첨 탈류 촉매의 열화를 억제할 수 있다. 제1 오리피스(120)는, 탈류 연료 가스관(102) 내의 흐름을 억제함으로써, 연료 블로어(106)에 의한 연료 가스의 맥동을 저감한다. 또한, 탈류 연료 가스관(102)에 있어서, 수첨 탈류기(100)의 출구와 제1 오리피스(120) 사이에 제1 필터(122)를 배치하는 것으로 했다. 이에 의해, 수첨 탈류 촉매의 가루가 제1 오리피스(120)를 폐색하는 것을 억제할 수 있다.
수첨 탈류기(100)에의 연료 가스의 공급을 정지하고, 수첨 탈류기(100)에 산소가 확산해서 도달할 때까지의 일정 시간이 지나고 나서, 연료 가스를 수첨 탈류기(100)에 공급하는 것으로 했다. 이에 의해, 수첨 탈류기(100)로부터 개질기(200)까지 연료 가스로 충만 가능하다. 이것을 반복함에 의해, 발전 정지 중에 수첨 탈류기(100)에 산소 함유 가스가 들어가는 것이 억제되어, 수첨 탈류기(100)의 열화를 억제할 수 있다.
(제9 실시형태)
제9 실시형태에 따른 연료 전지 모듈(1)은, 개질기에의 수공급관에 수칸막이판을 설치한 점에서 제8 실시형태와 상위하다. 이하에, 제8 실시형태와의 상위점을 설명한다.
(구성)
도 11은, 제9 실시형태에 따른 연료 전지 모듈(1)의 구성을 나타내는 개략도이고, 도 11의 (a)는, 연료 전지 모듈(1)의 측면 단면도이고, 또한, 도 11의 (b)는, 연료 전지 모듈(1)의 정면 단면도이다. 제8 실시형태와 동등한 구성에는, 동일한 번호를 부여하고 설명을 생략한다.
이 도 11의 (a), (b)에 나타내는 바와 같이, 수칸막이판(1000)은, 탈류 연료 가스관(102)과 수공급관(202)과의 합류부(203)보다도 개질기(200)측의 수공급관(202)에 배치되어 있다. 또한, 수칸막이판(1000)의 상부에는 구멍부가 형성되고, 하부에는 구멍부가 형성되어 있지 않다.
(작용)
연료 가스의 공급을 정지하고 나서 일정 시간 지나고 나서, 액체의 물을 수공급관(202)으로부터 공급한다. 이에 의해, 개질기(200)에의 물의 유입을 방지함과 함께, 탈류 연료 가스관(102)의 수평 부분에 물을 공급한다. 이에 의해, 탈류 연료 가스관(102) 및 제1 오리피스(120)의 각각은, 물에의 모관력에 의해 폐색한다. 또한, 물의 공급은, 도 10에 나타낸 일정량의 공기 공급 후에 행해도 된다.
(효과)
이상과 같이, 제9 실시형태에 따른 연료 전지 모듈(1)은, 탈류 연료 가스관(102)과 수공급관(202)과의 합류부(203)보다도 개질기(200)측의 수공급관(202)에 수칸막이판(1000)을 배치하는 것으로 했다. 이에 의해, 액체의 물이 수칸막이판(1000)보다도 개질기(200)측에 흐르는 것이 억제되기 때문에, 효율적으로 탈류 연료 가스관(102)에 물을 모을 수 있다. 이 때문에, 수첨 탈류기(100)의 출구를 밀봉할 수 있어, 수첨 탈류 촉매의 산화를 방지할 수 있다.
또한, 수칸막이판(1000)을 이용하지 않아도, 개질기(200)가 수공급관(202)의 흐름 방향을 향해 아래로 경사져 있는 것이 없으면, 개질기(200)측으로 물이 흐르는 것은 억제된다. 개질기(200)의 기울기에는, 제조 편차가 있으므로, 수칸막이판(1000)에 의해, 개질기(200)의 기울기의 제조 편차를 허용하기 쉬워져, 제조의 수율을 향상시킬 수 있다.
(제10 실시형태)
제10 실시형태에 따른 연료 전지 모듈은, 수소 가스관으로부터 분기해서 수첨 탈류기에 수소 함유 가스를 공급하는 리사이클관을 설치한 점에서 제9 실시형태와 상위하다. 이하에, 제9 실시형태와의 상위점을 설명한다.
(구성)
도 12는, 제10 실시형태에 따른 연료 전지 모듈(1)의 구성을 나타내는 개략도이고, 도 12의 (a)는, 연료 전지 모듈(1)의 측면 단면도이고, 또한, 도 12의 (b)는, 연료 전지 모듈(1)의 정면 단면도이다. 제9 실시형태와 동등한 구성에는, 동일한 번호를 부여하고 설명을 생략한다.
이 도 12의 (a), (b)에 나타내는 바와 같이, 리사이클관(1100)은, 수소 가스관(204)으로부터 분기해서 연료 가스관(104)에 연통하고 있다. 개질기(200)는, 리사이클관(1100)을 통해, 수소 함유 가스의 일부를 수첨 탈류기(100)에 공급한다. 또한, 리사이클관(1100)은, 합류부(1102)에서 연료 가스관(104)에 합류한다.
또한, 리사이클관(1100)에는, 드레인 트랩(1104)과, 폐지(閉止) 밸브(1106)와, 제2 오리피스(1108)와, 제2 필터(1110)가 배치되어 있다.
드레인 트랩(1104)은, 응축수(凝縮水)를 배수한다. 드레인 트랩(1104)은, 제2 오리피스(1108)보다도 상류에 배치된다. 폐지 밸브(1106)는, 리사이클관(1100)을 폐지한다. 제2 오리피스(1108)는, 합류부(1102)보다도 상류측에 배치되고, 리사이클관(1100) 내의 흐름의 변동을 억제한다. 제2 필터(1110)는, 제2 오리피스(1108)보다도 상류측에 배치되고, 철망이나 블랭킷 단열재 등으로 구성된다.
연료 가스관(104)에는, 제3 오리피스(1112)와, 제3 필터(1114)가 배치되어 있다. 제3 오리피스(1112)는, 연료 가스관(104)에 있어서 합류부(1102)보다도 상류측에 배치되어 있다. 제3 필터(1114)는, 연료 가스관(104)에 있어서, 제3 오리피스(1112)보다도 상류측에 배치되어 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 제2 오리피스(1108)가 제2 스로틀 요소에 대응하고, 제3 오리피스(1112)가 제3 스로틀 요소에 대응한다.
(작용)
리사이클관(1100)을 통해 개질기(200)에서 생성한 수소 함유 가스를 수첨 탈류기(100)에 공급한다. 이 때문에, 수소를 외부로부터 공급하지 않고, 일반적인 도시가스나 석유액화가스 LPG를 발전에 이용할 수 있다.
개질기(200)에서는 물을 사용해서 개질하기 때문에, 수소 함유 가스에는 여분의 수증기가 포함되어 있다. 이 때문에, 냉각되면 개질기(200)로부터 응축수가 유출한다. 드레인 트랩(1104)은, 개질기(200)로부터 유출하는 응축수를 배출할 수 있다. 이 경우, 수소 함유 가스는 배출되지 않는다.
폐지 밸브(1106)는, 수소가 충분히 생성하지 못하는 기동 승온 직후 등에 폐지한다. 제2 오리피스(1108)는, 수소 함유 가스를 연료 블로어(106)가 지나치게 흡인하지 않도록 조절한다. 제2 필터(1110)는 드레인 트랩(1104)에서 배출하지 못한 응축수가 제2 오리피스(1108)를 폐색하는 것을 억제한다.
제3 오리피스(1112)는, 연료 블로어(106)가 흡인하는 연료 가스의 양을 조절한다. 제3 필터(1114)는 도시가스나 LPG에 포함되는 증기의 응축수가 제3 오리피스(1112)를 폐색하는 것을 억제한다.
(효과)
이상과 같이, 제10 실시형태에 따른 연료 전지 모듈(1)은, 수소 가스관(204)으로부터 분기해서 수첨 탈류기(100)에 수소 함유 가스를 공급하는 리사이클관(1100)을 설치하는 것으로 했다. 이에 의해, 수소를 외부로부터 공급하지 않고, 일반적인 도시가스나 석유액화가스 LPG를 발전에 이용할 수 있다.
또한, 리사이클관(1100)에 제2 오리피스(1108)를 배치하고, 연료 가스관(104)에 제3 오리피스(1112)를 배치하는 것으로 했다. 이에 의해, 리사이클관(1100) 및 연료 가스관(104) 각각의 압손을 조정 가능하다. 이 때문에, 리사이클관(1100) 및 연료 가스관(104) 각각으로부터 공급되는 연료 가스와 수소 함유 가스의 비율을 조정할 수 있다.
또한, 폐지 밸브(1106)를 폐지함에 의해, 셀 스택(300)에 공급되는 수소 함유 가스의 양을 조정할 수 있다. 이에 의해, 수소가 충분히 생성되지 못하는 기동 직후 등에 셀 스택(300)에 공급되는 수소 함유 가스의 양을 증가시켜, 연소부(400)에 공급하는 기동 승온 시간을 짧게 할 수 있다.
(제11 실시형태)
제11 실시형태에 따른 연료 전지 모듈은, 수첨 탈류기를 가열하는 히터를 구비하는 점에서 제1 실시형태와 상위하다. 이하에, 제1 실시형태와의 상위점을 설명한다.
(구성)
도 13은, 제11 실시형태에 따른 연료 전지 모듈(1)의 구성을 나타내는 개략도이고, 도 13의 (a)는, 연료 전지 모듈(1)의 측면 단면도이고, 또한, 도 13의 (b)는, 연료 전지 모듈(1)의 정면 단면도이다. 제1 실시형태와 동등한 구성에는, 동일한 번호를 부여하고 설명을 생략한다. 또한, 수첨 탈류기(100)의 촉매실(110, 112, 114)의 구성은, 히터(1116)의 설명을 위해, 기재를 생략하고 있다. 예를 들면, 히터(1116)는 수첨 탈류기가 저온으로 되기 쉬운 수첨 탈류기(100)나 공기 예열 유로부(600)의 상류에 면하도록 배치된다.
이 도 13의 (a), (b)에 나타내는 바와 같이, 히터(1116)는, 수첨 탈류기(100)를 가열한다. 이 히터(1116)는 수첨 탈류기(100)에 접해 배치된다. 이 경우, 고성능 벽면 단열재(800), 저성능 벽면 단열재(802), 및 동판(806)을 배치하지 않아도 된다.
(작용)
히터(1116)는, 수첨 탈류기(100)의 내부에 설치한 열전대의 온도(예를 들면 도 1에서 나타낸 열전대로 측정)에 의거하여, 제어부(900)에 의해 제어된다. 이에 의해, 수첨 탈류기(100)의 내부 온도를 계측하면서, 수첨 탈류기(100)의 온도를 조정 가능하다.
(효과)
제11 실시형태에 따른 연료 전지 모듈(1)은 수첨 탈류기(100)를 가열하는 히터(1116)를 구비하는 것으로 했다. 이에 의해, 수첨 탈류기(100)의 온도가 상승하도록 히터(1116)로 가열할 수 있어, 수첨 탈류 촉매 내부의 온도 조정을 할 수 있다. 이 때문에, 최적으로 탈류할 수 있는 200~320℃의 온도에 근접시킬 수 있다. 또한, 운전 초기에서도 효율적으로 연료 전지 모듈(1)에서의 발전이 가능하다.
이상, 본 발명의 몇 가지 실시형태를 설명했지만, 이들 실시형태는, 예로서 제시한 것이고, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이들 신규한 실시형태는, 그 외의 다양한 형태로 실시하는 것이 가능하고, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 다양한 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이들 실시형태나 그 변형예는, 발명의 범위나 요지에 포함됨과 함께, 특허의 청구범위에 기재된 발명과 그 균등한 범위에 포함된다.
1：연료 전지 모듈, 100：수첨 탈류기, 102：탈류 연료 가스관, 120：제1 오리피스, 122：제1 필터, 200：개질기, 202：수공급관, 300：셀 스택, 500：배가스 유로부, 600：공기 예열 유로부, 601：공기 입구관, 700：수납 용기, 800：고성능 벽면 단열재, 802：저성능 벽면 단열재, 804：고성능 벽면 단열재, 806：동판, 1000：수칸막이판, 1100：리사이클관, 1102：합류부, 1104：드레인 트랩, 1108：제2 오리피스, 1110：제2 필터, 1112：제3 오리피스, 1114：제3 필터, 1116：히터

Claims (12)

  1. 수첨(水添) 탈류(脫硫) 촉매에 의해 연료 가스를 탈류하는 수첨 탈류기와,
    상기 탈류한 연료 가스를 사용해서 수소 함유 가스를 생성하는 개질기와,
    복수의 연료 전지 셀을 적층해서 구성되는 셀 스택으로서, 상기 수소 함유 가스와 산소 함유 가스를 사용해서 발전하는 셀 스택과,
    상기 셀 스택에서 소비되지 않은 상기 수소 함유 가스 및 상기 산소 함유 가스의 연소로 생긴 배가스(exhaust gas)를 배출하는 배가스 유로부와,
    상기 배가스 유로부와 인접해 배치되고, 당해 배가스 유로부와의 열교환에 의해 상기 산소 함유 가스를 예열하는 공기 예열 유로부로서, 상기 수첨 탈류기와 상기 셀 스택 사이에 배치되고, 상기 수첨 탈류기와 직접 또는 벽면 단열재를 개재해서 접하는 공기 예열 유로부를 구비하고,
    상기 공기 예열 유로부의 적어도 일부는, 상기 배가스 유로부를 개재해서 상기 셀 스택의 일 측면을 덮는 평판상(平板狀)의 중공 형상이고, 상기 수첨 탈류기에 전도하는 열분포를 균일화시키고, 상기 셀 스택의 적층 방향 중앙부를 따라 흐르는 상기 산소 함유 가스의 양이, 상기 셀 스택의 단부를 따라 흐르는 상기 산소 함유 가스의 양보다도 많아지는 유로를 갖는, 연료 전지 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공기 예열 유로부는, 상기 평판상의 중공 형상에 있어서의 중앙부의 하부에 외부로부터 상기 산소 함유 가스가 유입하는 입구부를 갖고, 상부를 향해 사행(蛇行)하는 유로를 갖는, 연료 전지 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수첨 탈류기와 상기 개질기를 연통하는 탈류 연료 가스관에 배치되는 제1 스로틀 요소와,
    상기 탈류 연료 가스관의 상기 제1 스로틀 요소와 상기 수첨 탈류기 사이에 배치되는 제1 필터를 더 구비하는, 연료 전지 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수첨 탈류기는, 상기 수첨 탈류 촉매가 충전되어 있지 않은 개소로부터 상기 연료 가스가 공급 또는 배출되는, 연료 전지 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 개질기에 물을 공급하는 수(水)공급관과,
    상기 수첨 탈류기와 상기 개질기 사이를 연통하는 탈류 연료 가스관으로서, 상기 수공급관과 개질기 내부에서 합류하는 탈류 연료 가스관
    을 더 구비하고,
    상기 탈류 연료 가스관은, 모관력(毛管力)에 의해 물을 폐색할 수 있는 가늘기이고, 상기 수첨 탈류기에의 상기 연료 가스의 공급 정지 후에, 상기 수공급관으로부터 물이 공급되는, 연료 전지 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상부에 구멍부를 갖는 수(水)칸막이판으로서, 상기 개질기 내부의 상류에 배치되는 수칸막이판을 더 구비하는, 연료 전지 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수첨 탈류기에의 상기 연료 가스의 공급 정지로부터 소정 시간이 지나고 나서, 소정 양의 상기 연료 가스를 상기 수첨 탈류기에 공급하는, 연료 전지 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 수첨 탈류기에 상기 연료 가스를 공급하는 연료 가스관과,
    상기 개질기가 생성한 상기 수소 함유 가스의 일부를 수첨 탈류기에 공급하는 리사이클관으로서, 상기 연료 가스관에 합류부에서 합류하는 리사이클관과,
    상기 리사이클관 내의 응축수를 배출하는 드레인 트랩과,
    상기 리사이클관의 상기 개질기보다도 하류측에 배치되는 제2 스로틀 요소와,
    상기 리사이클관의 상기 제2 스로틀 요소보다도 상류측에 배치되는 제2 필터와,
    상기 합류부보다도 상류측에 있어서의 상기 연료 가스관에 배치되는 제3 스로틀 요소와,
    상기 제3 스로틀 요소보다도 상류측에 있어서의 상기 연료 가스관에 배치되는 제3 필터를 구비하는, 연료 전지 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 공기 예열 유로부와 상기 수첨 탈류기 사이에 배치된 히터를 더 구비하고,
    상기 수첨 탈류기 내의 적어도 1개 이상의 온도계에 의거하여 상기 히터의 온도가 조정되는, 연료 전지 모듈.
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