KR20020084225A - 고체 고분자형 연료 전지 - Google Patents

Abstract

고체 고분자형 연료 전지(6)의 냉각 등에 사용된 처리수를 모으는 물탱크(21)와, 이 처리수를 상기 연료 전지(6)에 공급하는 냉각수 공급 수단과, 상기 연료 전지(6)에 반응 공기를 공급하는 반응 공기 공급 수단과, 전극 반응용의 연료 가스 공급 수단을 갖고, 상기 반응 공기 공급 수단은 반응 공기를 상기 물탱크(21)에 통과시킴으로써 가스에 수분을 첨가하는 구성을 가진 것이다.

Description

고체 고분자형 연료 전지{SOLID POLYMER FUEL CELL}

최근, 연료에 전기 화학 반응을 행하게 하여, 이 전기 화학 반응시에 발생하는 전자의 흐름에 의해 직접 전기 에너지를 취출하고자 하는 연료 전지 발전 시스템이 개발되어 있다. 연료 전지 발전 시스템은, 천연 가스, 도시 가스, 메타놀, 프로판 가스 등의 연료(이하 연료 가스라 칭함)를 갖고 있는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것으로, 연료 전지 본체 및 연료로부터 수소를 생성하는 장치, 연료 전지 본체에서 발전되는 직류 출력을 교류로 변환하는 장치, 연료 전지 본체의 동작이나 수소 발생에 적합한 온도로 반응 공기의 온도를 유지하기 위한 열교환기 등에 의해 구성되어 있다.

이러한 연료 전지 발전 시스템에서는 천연 가스, 도시 가스, 메타놀 등의 연료 가스는 개질기 내부에 충전된 개질 촉매의 작용에 의해 수증기 개질(화학 반응)되고, 수소를 주성분으로 하는 개질 가스가 생성된다. 이 개질 가스는 CO 변성기에 공급되어 이 개질 가스에 포함되는 일산화산소가 이산화산소로 변성되고, 또한 잔류 일산화탄소가 CO 제거기 내에서 소정 농도치 이하로 저감된다. 이와 같이 하여 얻게 된 수소는 연료 전지 본체 내에서 공기 중의 산소와 전기 화학 반응하여 발전을 행한다. 이러한 연료 전지 발전 시스템에서 이용되는 연료 전지로서, 고체 고분자형 연료 전지가 제안되고 있다.

고체 고분자형 연료 전지의 연료 전지 본체는 개질 가스가 공급되는 연료극과, 반응 공기(공기)가 공급되는 공기극과, 연료극과 공기극 사이에 협지된 전해질막(이온 교환막)으로 구성되어 있다. 이와 같이 구성된 고체 고분자형 연료 전지의 연료극측에서는 이온화한 수소가 이온 전해질막(이온 교환막)을 이동할 때에, 물의 분자도 약간씩 전기 침투 효과에 의해 이온 교환막을 통과하므로, 막의 연료극측은 건조되기 쉬워진다. 이를 막기 위해, 개질(수소) 가스에 수분을 포함시켜 전극에 공급하고, 이온 교환막을 젖게 하고 있다.

또한, 막의 공기극측에서는 전기 침투에 의한 물의 침출에다가, 막을 통과해 온 수소 이온과 산소와의 반응에 의해 물이 생성되고, 이 생성물로 인해 전극이 젖어 산소의 확산 저해를 일으켜 발전 성능이 저하되기 쉽다. 이러한 수분은 공기극에 공급하는 전극 반응용의 가스(이하 반응 공기라 함)에 의해 제거할 수 있지만, 다량의 공기의 흐름에 의해 물의 증발량이 증가하여 이온 교환막이 건조되므로, 이를 막기 위해 상기의 공기에도 수분을 부여하여 공기극에 공급함으로써 이온 교환막의 건조를 방지하는 전용 가습기를 연료 전지에 특별히 부설하고 있었다.

이와 같이, 고체 고분자형 연료 전지에서는 사용되는 개질 가스, 반응 공기(공기)의 수분의 관리가 필요하다. 종래는, 이러한 전극 반응용의 가스 공급은 물을 히터로 가열하여 스팀을 만드는 등의 기구를 가진 전용의 외부 가습기와 상당량의 가습용 처리수가 필요하게 되거나, 가습기를 위한 물 회수용의 열교환기나 처리수를 가습기에 차례로 보급해 가는 전용 물 보급 장치도 필요해지는 등의 과제가 있었다.

따라서, 본 발명은 상술한 종래의 기술이 갖는 과제를 해소하여, 연료 전지가 갖고 있는 기존의 기기를 그대로 사용하면서, 전극에서 사용되는 반응용 가스에 간편한 기구로 수분을 부여하여 전극에 공급할 수 있는 고체 고분자형 연료 전지를 제공하는 데 있다.

본 발명은, 고체 고분자형 연료 전지의 공기극에 공급하는 반응 공기(공기)를 가습하는 고체 고분자형 연료 전지에 관한 것이다.

도1은, 본 발명에 의한 고체 고분자형 연료 전지를 구비한 발전 시스템의 제1 실시 형태를 도시한 계통도이다.

도2는 본 발명에 의한 고체 고분자형 연료 전지를 구비한 발전 시스템의 제2 실시 형태를 도시한 계통도이다.

도3은 본 발명에 의한 고체 고분자형 연료 전지를 구비한 발전 시스템의 제3 실시 형태를 도시한 계통도이다.

도4는 본 발명에 의한 고체 고분자형 연료 전지를 구비한 발전 시스템의 제4 실시 형태를 도시한 계통도이다.

도5는 본 발명에 의한 고체 고분자형 연료 전지를 구비한 발전 시스템의 제5 실시 형태를 도시한 계통도이다.

도6은 본 발명에 의한 제3 실시 형태의 고체 고분자형 연료 전지의 처리수의 회수와 보급 장치의 주요부의 구성을 도시한 계통도이다.

본 발명은, 개질 가스 중의 수소와 반응 공기 중의 산소와의 전기 화학 반응에 의해 발전을 행하는 연료 전지 본체와, 상기 연료 전지 본체에 반응 공기를 공급하는 반응 공기 공급부와, 상기 연료 전지 본체에 개질 가스를 공급하는 개질 가스 공급부와, 상기 개질 가스 공급부와 상기 연료 전지 본체 중 적어도 한 쪽에 상기 처리수를 공급하는 처리수 공급부를 가진 고체 고분자형 연료 전지이며, 상기 처리수 공급부는 상기 반응 공기 공급부로부터 공급된 반응 공기를 처리수를 이용하여 가습한 후, 상기 연료 전지 본체로 가습 반응 공기를 공급하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 처리수 공급 수단으로부터의 처리수를 상기 연료 전지 본체로 순환시킴으로써, 상기 연료 전지 본체의 냉각을 행하는 냉각부를 더 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 처리수 공급부는 물을 저장하는 물탱크와, 상기 물탱크의 내부에 기상부가 항상 형성되도록 처리수의 수위를 소정 범위로 유지하는 액면 제어부를 구비하고, 상기 반응 공기 공급부로부터의 반응 공기는 상기 물탱크 속을 통하여 가습되고, 상기 연료 전지 본체로 공급되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 액면 제어부는 처리수의 수위를 검출하는 수위계와, 처리수원으로부터 상기 처리 탱크 내로의 처리수의 공급을 제어하는 전동 밸브로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 처리수 공급부는 처리수를 저장하는 처리수 탱크와, 상기 처리수 탱크 내의 처리수의 온도를 소정 범위로 유지하는 온도 조절 수단을 구비하고, 상기 반응 공기 공급부로부터의 반응 공기가 상기 물탱크 속을 통하여 가습될 때에, 가습의 정도를 설정 온도에 의해 조절하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 온도 조절 수단에 의해 조절되는 처리수의 소정 온도 범위의 상한치가 상기 연료 전지의 작동 온도에 따라서 변동하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 온도 조절 수단에 의해 조절되는 처리수의 소정 온도 범위는, 60 ℃ 내지 80 ℃인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 온도 조절 수단은 전기 히터를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 처리수 공급부로부터의 처리수를 수증기화하고, 상기 수증기를 상기 개질 가스 공급 수단에 공급되는 원연료에 첨가하는 수증기 공급부를 더 갖고, 상기 수증기 공급부는 첨가된 물의 양과 원연료 가스의 양과의 비(S/C비)가, 3 내지 4가 되도록 물의 첨가량을 조절하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 개질 가스 공급부는 개질 가스 중의 일산화탄소 농도를 저감하는 CO 제거기를 갖고 있고, 상기 CO 제거기로부터 나온 개질 가스는 수분을 제거하는 일 없이 상기 연료 전지 본체에 공급되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 수돗물에 소정의 처리를 실시함으로써 저전기 전도도를 갖는 처리수를 생성하고, 생성된 처리수를 상기 처리수 공급부로 공급하는 물 처리 수단을 더 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 연료 전지 본체로부터 배출된 고온 가스가 공급되고, 개질 가스 중의 수소와 반응 공기 중의 산소와의 전기 화학 반응에 의해 상기 연료 전지 본체에서 발생한 열을 회수하는 배열 회수부를 더 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 배열 회수부는 내부에 물을 순환시킴으로써, 상기 연료 전지 본체로부터 배출되는 고온 가스와 열교환을 행하는 열교환기와, 상기 열교환기로부터의 온수를 저탕하는 동시에, 상기 열교환기로 물을 공급하는 저탕 탱크로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 처리수 공급부에 부설되어, 상기 처리수 공급부의 처리수와 상기 저탕 탱크로부터의 물이 섞이지 않도록 순환하면서, 상기 처리수와 상기 물 사이에서 열교환을 행하는 열교환기를 더 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 배열 회수부는 상기 처리수 공급부로부터의 처리수를 내부로 순환시켜, 상기 연료 전지 본체로부터 배출되는 고온 가스와 상기 처리수 사이에서 열교환을 행하게 하여 열회수를 행하는 열교환기로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 연료 전지 본체에 부설되어, 내부에 냉각 냉매가 순환되어 상기 연료 전지 본체 사이에서 열교환을 행함으로써 상기 연료 전지 본체를 냉각하는 냉각부와, 상기 처리수 공급 수단으로부터의 처리수와 상기 냉각부로부터의 상기 냉각 냉매를 서로 섞이지 않도록 순환시키면서 상기 처리수와 상기 냉각 냉매로 열교환을 행하게 함으로써, 상기 연료 전지 본체에서 발생한 열을 상기 처리수 공급부로 회수하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 연료 전지 본체에서 발생한 물을 회수하는 물 회수부를 더 가진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 물 회수부는 상기 연료 전지 본체로부터의 배출 가스와, 내부로 순환시킨 물 사이에서 열교환을 행하게 하여 물을 액화하고, 회수하는 열교환기와, 상기 열교환기에 의해 회수된 물과 수돗물을 일시적으로 저장해 두는 물 보급부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 물 보급부는 수위에 따라서 저수를 상기 처리수 공급부로 공급하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 물 보급부는 수위를 검출하는 수위계와, 상기 수위계의 검출 결과에 따라서 상기 물 보급부로의 수돗물의 공급 및 상기 처리수 공급부로의 저수의 공급을 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 물 보급부의 전방단, 혹은 상기 물 보급부와 상기 처리수 공급부 사이에, 수돗물에 소정의 처리를 실시함으로써 저전기 전도도를 갖는처리수를 생성하고, 생성된 처리수를 상기 물 보급부 혹은 상기 처리수 공급부로 공급하는 물 처리부를 더 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 연료 전지 본체에 부설되어, 내부에 냉각 냉매가 순환되어 상기 연료 전지 본체 사이에서 열교환을 행함으로써 상기 연료 전지 본체를 냉각하는 냉각부와, 상기 처리수 공급 수단으로부터의 처리수와 상기 냉각부로부터의 상기 냉각 냉매를 서로 섞이지 않도록 순환시키면서 상기 처리수와 상기 냉각 냉매로 열교환을 행하게 함으로써, 상기 연료 전지 본체에서 발생한 열을 상기 처리수 공급부로 회수하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 물 보급부와 상기 처리수 공급부 사이에, 상기 물 보급부의 저수를 상기 처리수 공급부로 직접 공급하는 제1 처리수 공급로와, 상기 물 보급부의 저수에 소정의 처리를 실시함으로써 저전기 전도를 갖는 처리수를 생성하는 물 처리 장치를 거쳐서 상기 처리수 공급부로 공급하는 제2 처리수 공급부와, 상기 물 보급부의 저수의 수질을 검출하는 수질 검출부와, 상기 수질 검출부의 검출 결과에 따라서 상기 제1 처리수 공급로와 상기 제2 처리수 공급로 중 어느 하나의 경로를 선택하여 처리수를 상기 처리수 공급부로 공급하는 처리수 경로 절환부를 설치한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 수질 검출부는 물의 전도도계 혹은 수질 센서로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 물 보급부와 상기 처리수 공급부 사이에, 상기 물 보급부의 저수를 상기 처리수 공급부로 직접 공급하는 제1 처리수 공급로와, 상기 물보급부의 저수에 소정의 처리를 실시함으로써 저전기 전도를 갖는 처리수를 생성하는 물 처리 장치를 거쳐서 상기 처리수 공급부로 공급하는 제2 처리수 공급부와, 소정 시간 사이클로 상기 제1 처리수 공급로와 상기 제2 처리수 공급로 중 어느 하나의 경로를 선택하여 처리수를 상기 처리수 공급부로 공급하는 처리수 경로 절환부를 설치한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 물 처리부가 상기 연료 전지를 구비한 발전 시스템으로부터 발생하는 열에 의해 상기 처리수 공급부의 처리수를 가열하는 기구를 더 구비한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 기구는 상기 발전 시스템으로부터 발생하는 열을 이용한 열교환을 통해 상기 처리수 공급부의 처리수의 온도 조절을 행하는 열교환기를 구비한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 처리수 공급부에 부설되어, 상기 처리수 공급부 내의 처리수가 순환되는 열교환기를 더 갖고, 상기 열교환기 내에서의 열교환에 의해 상기 처리수 공급부 내의 처리수의 온도가 조절되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 개질 가스 중의 수소와 반응 공기 중의 산소와의 전기 화학 반응에 의해 발전을 행하는 연료 전지 본체와, 상기 연료 전지 본체에 반응 공기를 공급하는 반응 공기 공급부와, 상기 연료 전지 본체에 개질 가스를 공급하는 개질 가스 공급부와, 상기 개질 가스 공급부와 상기 연료 전지 본체 중 적어도 한 쪽에 처리수를 공급하는 처리수 공급부를 가진 고체 고분자형 연료 전지를 위한 가습 방법이며, 상기 반응 공기 공급부로부터 공급된 반응 공기를 상기 처리수 공급부 내의 저장된 처리수에 통과시킴으로써 가습하고, 그러한 후에 가습 반응 공기를 상기 연료 전지 본체로 공급하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 고체 고분자형 연료 전지의 공기극에서 사용되는 반응 공기를, 상기 연료 전지나 상기 연료 전지를 구비한 발전 시스템의 냉각수로 가습하여 공기극에 공급하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 고체 고분자형 연료 전지에서 사용되는 반응 공기를, 상기 연료 전지를 순환하는 냉각수로 가습하여 상기 고체 고분자형 연료 전지의 공기극에 공급하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서는, 연료 전지나 상기 연료 전지를 구비한 발전 시스템에서 사용되고 있는 냉각수나 전기 전도도가 낮은 처리수를 저장하는 물탱크의 물을 이용하여 연료 전지에서 사용되는 반응 공기에 수분을 부여하고, 이 가스를 전극에 공급하도록 하고 있으므로, 반응 공기를 가습하기 위한 전용 외부 가습기나 이 외부 가습기를 제어하는 특별한 장치가 없어도, 간단하게 반응 공기에 수분을 첨가하여 연료 전지에 공급할 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서는 고체 고분자형 연료 전지의 전극 반응 등에 사용되는 가스 등에 수분을 보급하기 위한 처리수 탱크와, 상기 연료 전지로부터 생기는 물을 일단 저장하여 상기 처리수 탱크에 공급하는 공급 탱크와, 처리수 탱크 또는 공급 탱크에 처리수를 공급하는 처리수 보급 장치를 갖고, 연료 전지나 상기 연료 전지를 구비한 발전 시스템에서 발생하는 물을 공급 탱크에 일단 저장하고, 상기 공급 탱크로부터 처리수 탱크에 물을 공급할 수 있도록 하는 동시에, 이러한 물의 공급 기구에서는 차례로 부족해지는 수량을 처리수 보급 장치에 의해 보충하도록 함으로써, 필요한 양의 처리수의 공급을 행하면서, 물 처리 장치의 사용 시간 등을 줄여 고체 고분자형 연료 전지의 보수를 간이화할 수 있다.

본 발명을 보다 상세하게 서술하기 위해, 첨부한 도면에 따라서 이것을 설명한다. 본 실시 형태에서는, 고체 고분자형 연료 전지[이하의 설명 중, 수소 생성계, 전기 화학 반응계(연료 전지 본체), 냉각계 등을 포함하여 연료 전지라 함]가,가정용 소형 전원용의 발전 시스템(GS) 등에 사용된 예를 중심으로 설명을 한다. 또한, 본 발명에서는 연료 전지 본체에 공급되는 전극 반응용 가스로서, 수소를 함유하는 개질 가스와 산소를 함유한 공기를 이용한 예에 대해 설명하는 편의상, 전극에 공급되는 공기를 특히 반응 공기라 칭하고, 반응 공기를 공급하는 전극을 공기극이라 칭하고 있다. 또한, 본 발명에서는 반드시 전극 반응용 가스를 상술한 것으로 한정되는 것은 아니다.

이하, 본 발명의 고체 고분자형 연료 전지의 제1 실시 형태를 도1에 의거하여 설명한다.

도1에서 도시된 바와 같이, 본 실시 형태의 연료 전지를 이용한 발전 시스템(GS)은, 예를 들어 연료 전지 외에 열회수 장치(RD)를 구비하고 있다. 이 열회수 장치(RD)와 연료 전지는 저탕 탱크(50)와, 이온 교환 수지 등을 이용한 물 처리 장치(51)를 구비한 물이나 열 매체의 순환로 등으로 연결되어 있다.

물 처리 장치(51)에는 수돗물이 공급된다. 이 수돗물은 물 처리 장치(51)에서 연료 전지의 절연에 영향을 끼치지 않도록, 예를 들어 낮은 전기 전도도로 처리된 물(본 발명에서는 이것을 처리수라 함)로 개질되어, 후술하는 물탱크(21)에 처리수관(152)을 통해 공급된다.

본 실시 형태의 연료 전지는 탈황기(2), 개질기(3), CO 변성기(4), CO 제거기(5) 등으로 이루어지는 전극 반응용의 개질 가스(이하 개질 가스라 함) 공급 장치와, 연료극, 공기극 및 이들에 협지된 이온 교환막을 구비한 연료 전지 본체(6)와, 공기 펌프(11), 물탱크(21) 등으로 이루어지는 반응 공기(공기) 공급 장치와,물탱크(21), 펌프(48), 냉각부(6c) 등으로 이루어지는 연료 전지 냉각 장치를 갖고 있다.

연료 전지에서 발전된 전력은 DC/DC 컨버터(도시 생략)로 승압되고, 배전 계통 연계 인버터(도시 생략)를 거쳐서 상용 전원에 접속되는, 한편 여기에서, 가정이나 사무소 등의 조명이나 공조기 그 밖의 전기 기기용의 전력으로서 공급된다.

이러한 연료 전지를 이용한 발전 시스템(GS)에서는, 예를 들어 연료 전지에 의한 발전시에 발생하는 열을 이용하여 수돗물로부터 온수를 회수하고, 이 온수를 저탕 탱크(50)에 모아 두어 목욕탕이나 부엌 등에 공급하는 등, 연료 전지에 사용되는 연료가 갖는 에너지의 유효 이용을 도모하고 있다.

상기한 연료 전지의 개질 가스 공급 장치에서는 천연 가스, 도시 가스, 메타놀, LPG, 부탄 등의 원연료 가스가 연료관(1)을 지나서 탈황기(2)에 공급되고, 여기서 원연료 가스로부터 유황 성분이 제거된다. 이 탈황기(2)를 지난 원연료 가스가 승압 펌프(10)로 승압되어 개질기(3)에 공급될 때에, 물탱크(21)로부터 물펌프(22)를 지나서 열교환기(17)에서 가열된 수증기와 합류하여 개질기(3)에 공급된다.

이 개질기(3)에서는 수소, 이산화탄소 및 일산화탄소를 포함하는 개질 가스가 생성된다. 이 개질기(3)를 지난 가스는 CO 변성기(4)에 공급되고, 여기서는 개질 가스에 포함되는 일산화탄소가 이산화탄소로 변성된다. 이 CO 변성기(4)를 지난 가스는 CO 제거기(5)에 공급되고, 여기서는 CO 변성기(4)를 지난 가스 중의 미변성의 일산화탄소가 산화되어 이산화탄소가 된다. CO 제거기(5)를 지나서, 일산화탄소 농도가 10 ppm 이하로 저감된 수소 농도가 높은 가스(개질 가스)가, 고체 고분자형의 연료 전지 본체(6)의 연료극에 공급된다.

이러한 구성의 연료 전지에서는 이 고농도의 개질 가스 중의 수소와, 공기 펌프(11), 물탱크(21) 등을 지나서, 공기극(6k)에 공급된 공기 중의 산소와의 전기 화학 반응에 의해 발전이 행해져, 전기 화학 반응의 열이 발생한다. 연료 전지의 냉각 장치는 이 반응열 등으로 연료 전지 본체(6)가 과열되지 않도록 하기 위해, 연료 전지 본체(6)의 연료극(6a) 및 공기극(6k)에 나란히 설치되어 있고, 냉각부(6c)에 물탱크(21)의 처리수를 냉각수로 하여, 펌프(48)로 순환시키고, 이 냉각수에서, 연료 전지 본체(6) 내의 온도가 발전에 적합한 온도로 유지되도록 제어하고 있다.

개질기(3)에 있어서의 화학 반응은 흡열 반응이므로, 버너(12)에 의해 항상 가열하면서 화학 반응을 행할 필요가 있다. 이 가열 수단으로서 버너(12)가 구비되어 있다. 버너(12)에는 연료관(13)을 거쳐서 원연료 가스가 공급되고, 또한 팬(14)을 거쳐서 연소 공기가 공급되고, 또한 파이프(15)를 거쳐서 연료극(6a)으로부터 배출되는 미반응 수소 가스(오프 가스)가 공급된다. 또, 도1에서는 버너(12)에 공급되는 원연료는 연료관(1)으로부터 직접 공급되어 있지만, 탈황기(2)를 거쳐서 버너(12)에 공급되어도 좋다.

시스템(GS)의 기동시에는, 버너(12)에 연료관(13)을 거쳐서 연료 가스가 공급되는 동시에, 팬(14)을 거쳐서 연소 공기가 공급되어 연소가 행해진다. 기동 후에 연료 전지 본체(6)의 작동이 안정되었을 때에는 연료관(13)으로부터의 연료 가스의 공급이 단절되고, 파이프(15)를 거쳐서 버너(12)에 오프 가스가 연료 가스로서 공급된다.

한편, CO 변성기(4) 및 CO 제거기(5)로 행해지는 화학 반응은 발열 반응이므로, 예를 들어 CO 제거기(5)에서는 시스템 기동시에만 버너(도시하지 않음)를 연소시켜 연소 가스를 발생시키고, 이 때 발생된 연소 가스의 열로 CO 제거기(5)의 온도를 반응 온도까지 승온시킨다. 그 후는 자신의 발열 반응의 열에 의해 반응 온도가 유지된다. 외부로부터는, 필요에 따라서 CO 변성기(4) 및 CO 제거기(5)가 반응 온도 이상으로 승온하지 않도록 냉각 제어된다. 일단, 반응 온도까지 승온한 후는 발열 반응의 열에 의해 반응 온도 이상으로 승온하지 않도록 냉각 제어가 행해진다.

이와 같이 하여 개질기(3), CO 변성기(4), CO 제거기(5) 및 연료 전지 본체(6)에서는 소정의 화학 반응과 발전이 계속되도록 반응 온도가 유지된다.

반응 공기 공급 장치에서는, 펌프(11)에 의해 물탱크(21)로 송출된 반응 공기가 연료 전지 본체(6)의 공기극(6k)으로 공급되기 전에 물탱크(21)에서 가습된다. 부호 29는 이러한 반응 공기를 공기극(6k)에 공급할 때의 보조 펌프이다. 또, 보조 펌프(29)는 생략하는 것도 가능하다.

반응 공기의 가습은, 후술하는 바와 같이 기상부(53)를 형성하고, 또한 수온을 설정 범위로 유지된 물탱크(21) 내의 수중에, 공기 펌프(11)로부터의 공기를 공급하고, 수중에서 거품이 일면서 기상부(53)로 송출함으로써 행해진다. 이와 같이 하여, 연료 전지 본체에 있어서의 반응이 적절하게 유지되도록 수분이 부여된 후의반응 공기가 물탱크(21)로부터 연료 전지 본체(6)의 공기극(6k)에 공급된다.

또, 본 발명에 의한 연료 전지 본체(6)의 연료극(6a)에 공급되는 개질 가스로의 수분의 첨가는 물탱크(21)로부터 펌프(22) 및 열교환기(17)를 지나서 개질기(3)에 공급되는 처리수의 양을 조절함으로써 조정된다. 열교환기(17)에 공급된 처리수는 수증기가 되므로, 예를 들어 개질기(3)에 공급되는 수증기의 양과 원연료 가스의 양의 비(S/C비)를, 종래의 S/C비인 2 내지 3의 값보다도 높은 값, 예를 들어 3 내지 4의 S/C비가 되도록 설정하여 개질기(3)를 나온 개질 가스에 포함되는 수분량을 증대시키는 동시에, C0가 제거된 고농도의 수소 가스로부터 수분을 잃지 않도록, CO 제거기(5)를 나온 개질 가스를 수분을 제외하는 일 없이 직접적으로 연료 전지(6)에 공급하도록 하면(즉, S/C비를 높게 하면), 반응용 연료 가스 가습을 위한 독립된 가습 장치를 특별히 부설하지 않아도 연료 전지 본체의 연료극(6a)에 공급하는 개질 가스에 적절한 수분을 부여할 수 있다.

또, CO 제거기(5)와 연료 전지 본체(6) 사이의 관로가 짧은 구조인 전지와 같이, 개질 가스의 온도가 CO 제거기(5)를 나오는 가스의 온도와 거의 변하지 않은 고온인 상태에서 연료 전지 본체(6)로 유입하고, 이에 의해 연료 전지 본체(6)가 지나치게 고온이 되어 버려 발전 기능이 저하되거나, 전지의 전극부 등을 손상시킬 우려가 있을 때는, C0 제거기(5)와 연료 전지 본체(6) 사이의 관로(70)에 열교환기(도시하지 않음)를 설치하고, 이 열교환기에 물탱크(21)의 물을 흘리는 등하여 개질 가스와 열교환시켜 개질 가스의 온도 조절을 하도록 하는 것이 바람직하다.

이러한 열교환기를 이용하여, 연료 전지 본체(6)로 유입하는 개질 가스의 온도를, 예를 들어 80 ℃ 이하로 유지하도록 하면, 개질 가스의 습도는 이 온도의 포화 수증기압을 대략 유지한 상태에서 연료 전지 본체(6)에 공급되고, 보다 많은 종류의 구조의 연료 전지에 대해, 열적인 폐해를 수반하지 않고 개질 가스로의 수분 부여(습도 조절)를 실현할 수 있는 것이다.

물탱크(21)에는 연료 전지 본체(6)를 순환하는 냉각수가 수관을 지나서 유입할뿐만 아니라, 후술하는 바와 같이 연료 전지 본체(6)의 연료극(6a) 및 공기극(6k)으로부터 배출되는 물 등도 저장되고, 이러한 물로 연료 전지 본체(6)에 공급되는 반응용 공기를 가습하여 공기극(6k)에 공급하거나, 냉각부(6c)로 순환시켜 연료 전지 본체(6)를 냉각하도록 구성해도 좋다.

또, 이와 같이 하여 물탱크(21)로 복귀하는 물은 반드시 연료 전지 본체(6)로부터의 물에 한정되지 않고, 이러한 연료 전지를 구비한 발전 시스템으로부터 생기게 되는 대부분 처리수에 근접한 물이면, 다시 물탱크(21)로 복귀시켜 반응 공기의 가습용 물로서 재이용하여 공기극에 공급하도록 할 수 있는 것이다.

이로 인해, 물탱크(21)에는 탱크 내의 상부에 항상 공기 부분(기상부)(53)이 형성되도록 처리수의 수위를 유지하는 액면 제어 장치(LC) 및 물탱크(21) 내의 수온을 설정 범위로 유지하는 온도 조절 수단(TC)을 갖고 있다.

액면 제어 장치(LC)는 수위계(54)와 전동 밸브(56)의 제어 장치를 구비하고, 상기한 바와 같이 하여 물탱크(21) 내의 수량을 항상 감시하면서, 반응용 공기가 물탱크(21) 속을 통과할 때에, 적절히 가습되어 연료 전지 본체(6)에 공급되도록하기 위해 물탱크(21) 내에 처리수를 비축하고, 또한 물탱크 상부에 기상부(53)가 형성되도록 처리수량을 제어하는 장치이다. 이 액면 제어 장치(LC)는, 후술하는 온도 조절 수단(TC)과 함께, 연료 전지나 연료 전지를 사용한 발전 장치(GS)의 열교환기에 물을 순환시키는 펌프를 제어함으로써 설정 수위를 유지하고, 이러한 제어에서는 물탱크 내의 설정 수위를 유지할 수 없을 때는 전동 밸브(56)의 개방도를 조절하고, 수도관(52)을 지나서 수도 등으로부터 공급되는 수돗물을 기초로 처리 장치(51)의 이온 교환 장치에서 가공된 처리수를 도입하여 물탱크(21) 내의 수위를 설정 범위로 유지하도록 하고 있다.

또, 도면 부호 55는 물탱크(21) 내에 부착된 수위계(54)에 의한 수위의 검출이 펌프(11)로부터 물탱크(21)에 공급된 공기의 수중 방출 등을 원인으로 하는 수면의 흐트러짐에 의해 불안정해지는 것을 방지하는 소파판(消波坂)이다.

온도 조절 수단(TC)은 연료 전지 본체(6)의 공기극(6k)에 반응 공기를 공급할 때에, 상기 반응 공기를 물탱크(21) 속에 통과시킴으로써, 물탱크(21)에서 적절하게 가습을 행할 수 있도록, 물탱크(21) 내의 처리수의 온도를 그 상한치가 연료 전지의 작동 온도에 따라서 변동하도록 조절하는 장치이다. 예를 들어, 처리수는 60 ℃ 내지 80 ℃ 범위의 온도 범위(설정 온도)로 유지된다. 이 수온 제어는, 필요에 따라서 물탱크(21)에 구비된 전기 히터 등의 가열 장치(63)를 제어하는 등으로 하여 행해진다. 온도 조절 장치(TC)에 의한 수온 제어는, 반응 공기에 다량의 수분을 부여할 필요가 있을 때는 설정 온도를 높게 설정하고, 소량이라도 전지가 작동할 때는 수온을 낮게 한 설정 온도로 하는 등, 연료 전지에 사용되고 있는 전극 구조나 셀 구조에 적합한 수분이 반응 공기에 부여되도록 처리수의 온도가 제어된다.

개질기(3)와 CO 변성기(4) 사이 및 CO 변성기(4)와 CO 제거기(5) 사이에는 각각 열교환기(18, 19)가 접속되고, 각 열교환기(18, 19)에는 물탱크(21)의 처리수가 펌프(23, 24)를 거쳐서 순환됨으로써, 이들 물로 인해 개질기(3), CO 변성기(4)를 지난 가스가 각각 냉각된다.

개질기(3)의 배기계(31)에는 열교환기(17)가 접속되고, 이 열교환기(17)에서 물탱크(21)로부터 공급된 물이 수증기화되고, 이 수증기가 펌프(10)를 통한 원원료 가스와 혼합하여 개질기(3)에 공급된다. 한편, 상기 배기계(31)에는 열교환기(17) 외에, 다른 열교환기(32)가 접속되고, 이 열교환기(32)에는 상기 저탕 탱크(50)의 물이 펌프(33)를 거쳐서 순환하여 배열 회수가 행해진다.

도면 부호 34는 프로세스 가스(PG) 버너이다. 이 PG 버너(34)에서는, 본 연료 전지를 구비한 발전 시스템(GS)의 기동시에 개질기(3), CO 변성기(4), CO 제거기(5)를 지나서 얻게 되는 개질 가스의 조성이 연료 전지 본체(6)의 운전에 적합한 안정된 조성 상태의 가스로서 연료 전지 본체(6)에 공급할 수 있게 되기까지의 동안, 이 가스를 연소시켜 각 반응기의 작동이 안정된 후, 연료 전지 본체(6)로 도입하여 발전을 행한다. 연료 전지 본체(6)에서 발전에 사용할 수 없었던 오프 가스는 당초 PG 버너(34)로 유도하여 연소시키고, 연료 전지 본체(6)의 온도가 안정된 후는 연료 전지 본체(6)로부터의 오프 가스는 파이프(15)를 통해, 개질기(3)의 버너(12)로 도입하여 연소시킨다.

여기서, PG 버너(34)의 제어계에 대해 설명한다.

본 발전 시스템의 기동 후, 각 반응기가 온도적으로 안정될 때까지는 개폐 밸브(91)가 폐쇄되고, 개폐 밸브(36)가 개방된다. 이에 의해, 개질 가스는 관로(35) 및 개폐 밸브(36)를 통하여 PG 버너(34)에 공급된다. 각 반응기가 온도적으로 안정된 경우, 이번에는 연료 전지 본체(6)의 온도가 안정될 때까지 개폐 밸브(91, 39)가 개방되고, 개폐 밸브(36, 92)가 폐쇄되어 개질 가스가 관로(38) 및 개폐 밸브(39)를 통하여 PG 버너(34)에 공급되고, 그곳에서 연소된다. 구체적으로는, 연료 전지 본체(6)의 온도가 규정 온도(예를 들어, 60 ℃) 이상이 되어, 개질기(3), CO 변성기(4), CO 제거기(5) 등이 온도적으로 안정된 경우, 이번에는 연료 전지 본체(6)의 온도가 작동 온도(예를 들어, 70 ℃ 내지 80 ℃) 부근의 온도 영역에서 안정되기까지 개폐 밸브(91, 39)가 개방되고, 개폐 밸브(36, 92)가 폐쇄되어 연료 가스가 관로(38) 및 개폐 밸브(39)를 통하여 PG 버너(34)에 공급되어, 그곳에서 연소된다.

연료 전지(6)의 온도가 작동 온도로 안정되고, 연속하여 발전이 행해지는 상태가 되었을 때에 개폐 밸브(91, 92)가 개방되고, 개폐 밸브(36, 39)가 폐쇄되어 연료 전지 본체(6)에서 발전이 행해진다. 연료 전지 본체(6)에 있어서 반응하지 않았던 오프 가스는 관로(15)를 지나서 버너(12)에 공급되고 여기서 연소된다.

PG 버너(34)의 배기계(45)에는 열교환기(46)가 접속되고, 이 열교환기(46)에는 펌프(47)를 거쳐서, 저탕 탱크(50)의 물이 순환되어 열회수가 행해진다.

저탕 탱크(50)에는 수도관(61)을 지나서 수돗물이 공급된다. 이 저탕탱크(50)에 공급된 수돗물은 연료 전지 발전 시스템(고체 고분자형 연료 전지를 이용한 발전 시스템)(GS)의 배열을 회수하여 소정 온도까지 승온되고, 이 승온된 온수는 온수 공급관(62)을 통하여 외부로 급탕된다.

도2는, 본 발명에 의한 고체 고분자형 연료 전지를 이용한 발전 시스템의 제2 실시 형태를 도시한 도면이다.

본 실시 형태는, 연료 전지 본체(6)의 공기극(6k)으로부터 배출되는 반응 공기로부터의 열회수 장치[열교환기(27)]와, 물탱크(21)와 저탕 탱크(50) 사이에 서로 열 교환을 할 수 있는 열교환기(41)를 갖고 있는 점에서 도1에 도시한 제1 실시 형태와 다르다. 다른 구성은 도1과 마찬가지이므로, 이들에 대해서는 동일한 도면 부호나 기호를 부여하여 그 설명을 생략한다.

도2의 실시 형태에 의한 배열 회수는 열교환기(18, 19, 27, 32, 41, 46) 및 펌프(23, 24, 28, 33, 42, 43, 47) 등을 갖고, 물탱크(21)의 처리수나 저탕 탱크(50) 내의 온수를 이들의 펌프를 거쳐서 상기한 열교환기로 순환시킴으로써 열회수가 행해진다.

도면 부호 27은 연료 전지 본체(6)의 반응 공기 배기계(26)에 설치된 배열 회수용의 열교환기이다. 상기 열교환기(27)에는 펌프(28)에 의해, 저탕 탱크(50)로부터의 수돗물이 순환되고 있고, 공기극(6k)으로부터 배출되는 70 내지 80 ℃의 가스로부터 열을 회수하여, 저탕 탱크(50)에 저장되는 동시에 연료 전지 본체(6)로부터 배출되는 가스를 냉각하고 있다.

도면 부호 41은 물탱크(21)에 부설된 열교환기이며, 상기 열교환기에는펌프(42)에 의해 물탱크(21)의 처리수가 순환되는 한편, 이 처리수와 섞이지 않도록 하여 펌프(43)에 의해 저탕 탱크(50)로부터의 수돗물이 순환되고 있고, 저탕 탱크의 수돗물은 열교환기(41)를 통해 물탱크(21)의 처리수와 적절하게, 열 교환을 행할 수 있도록 되어 있다. 이 열교환기(41)에 의한 열교환을 거쳐서, 물탱크(21)의 처리수의 온도를 조절할 수 있다. 이 경우, 도1에서 도시되어 있는 온도 조절 수단(TC)을 생략하는 것도 가능하다.

도2의 실시 형태에 있어서는, 전극에 공급하는 반응 공기의 가습을 위해서도 물탱크(21)를 사용하고 있으므로, 물탱크(21)를 통하여 공기극(6k)에 공급되는 공기의 가습이 적절하게 유지되도록, 물탱크 내의 수온을 설정 온도의 범위로 유지하는 것이 우선되고, 물탱크(21) 내의 온도가 지나치게 높아진 때에는 펌프(42)를 구동하여 저탕 탱크(50)로 열의 이동을 가능하도록, 펌프(42)나 펌프(43) 등을 제어하도록 하고 있다.

도3은, 본 발명에 의한 고체 고분자형 연료 전지를 이용한 발전 시스템의 제3 실시 형태를 도시한 도면이다.

도3의 실시 형태에 있어서는, 연료 전지 본체(6)의 공기극(6k)으로부터의 배출 가스의 열회수 장치가 구비되고, 연료 전지 본체(6)의 냉각에 냉매나 유기 용매 등의 냉각 매체를 사용할 수 있도록 한 점이 도1에 도시한 실시 형태와 다르다. 그 밖의 구성은 도1과 마찬가지인 구성이므로, 이들에 대해서는 동일한 도면 부호나 기호를 부여하여 그 설명을 생략한다.

도3의 실시 형태에 의한 열회수 장치는 열교환기(18, 19, 32, 46, 58, 64)및 펌프(23, 24, 33, 47, 59, 66) 등을 갖고, 물탱크(21)의 처리수나 저탕 탱크(50) 내의 온수를 이들 펌프를 거쳐서 열교환기로 순환시킴으로써 열회수가 행해진다.

도면 부호 58은 연료 전지 본체(6)의 냉각부(6c)에 부설된 열교환기이며, 상기 열교환기(58)에는, 예를 들어 에틸렌 글리콜 등의 유기 냉각 매체가 펌프(57)에 의해 순환되어 냉각부(6c)를 순환하여 연료 전지 본체 내를 냉각하고 있다. 또한, 열교환기(58)에는 이 유기 냉각 매체와 섞이지 않도록 하여 물탱크(21)의 처리수가 펌프(59)에 의해 순환되어, 연료 전지 냉각부(6c)의 열이 물탱크(21)로 회수되도록 되어 있다.

이러한 유기 냉각 매체를 연료 전지의 냉각에 사용함으로써, 전지의 전극을 효율 좋게 냉각하여 전지의 작동 온도를 발전 효율이 좋은 상태로 유지할 수 있고, 더불어 전극에 공급하는 가스(공기)의 가습을 위해 사용되고 있는 물탱크(21)의 물의 온도를 설정 온도의 범위로 유지하도록 온도 조절 장치(TC)에서 제어하도록 하고 있다.

도면 부호 64는 연료 전지 본체(6)의 공기극(6k)으로부터 배출되는 배기 가스로부터 열을 회수하기 위한 열교환기이며, 상기 열교환기(64)에는 펌프(66)에 의해 물탱크(21)로부터의 처리수가 파이프(65)를 지나서 순환되고, 이 배기 가스 중의 열을 물탱크(21)로 회수하도록 되어 있다.

도4는, 본 발명의 고체 고분자형 연료 전지를 이용한 발전 시스템의 제4 실시 형태를 도시한 것이다. 도4의 실시 형태에 있어서는, 도1에서 도시되는 제1 실시 형태와 동일 부분에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고 있다. 또, 동일 부분에 대해서는 중복 설명을 피하고, 다른 부분만 설명한다.

이하에 설명하는 본 발명의 실시 형태에서는, 상술한 제1 내지 제3 실시 형태의 고체 고분자형 연료 전지에 있어서, 연료 전지 본체의 연료극 및 공기극에서 발생한 물을 이용하는 기구가 더 구비된 구성을 특징으로 하는 것이다.

도4에서 도시되는 제4 실시 형태의 연료 전지에서는, 처리수 탱크(21)에는 펌프(23, 24, 48)에 의해 열교환기(18, 19)를 지나서 복귀하는 물이나 연료 전지 본체의 냉각부(6c)를 순환하는 냉각수가 수관(73)을 지나서 유입하는 한편, 처리수 탱크(21)에 물을 공급하는 처리수 보급 장치(68)가 접속되어 있다. 처리수 보급 장치(68)는 전동 밸브(56)와 공급 탱크(67) 및 펌프(74) 등으로 구성되어 있다.

공급 탱크(67)는 수돗물 보급 장치(69) 및 연료 전지 본체(6)로부터 생기는 물을 일단 저장하여 처리수 탱크(21)에 물을 공급할 수 있도록 한 탱크이다.

연료 전지 본체(6)로부터 생기는 물에는, 예를 들어 연료 전지 본체(6)의 공기극(6k)으로부 배출된 수증기를 포함하는 가스를 열교환기(71)로 유도하고, 이 열교환기 내부를 펌프(72)에 의해 저탕 탱크(50)와의 사이를 순환하는 물로 냉각함으로써 얻게 된 드레인수나 연료극(6a)으로부터 배출된 가스에 포함되어 있었던 수분이 회수된다.

물 공급 탱크(67)로 회수되는 물은, 반드시 연료 전지 본체(6)로부터의 물에 한정되지 않고, 이러한 연료 전지를 구비한 발전 시스템(GS)으로부터 생기게 되는 드레인수라도 좋고, 어느 쪽의 물도, 일단 공급 탱크(67)로 들어가 처리수탱크(21)에 공급하도록 한 것이다.

수돗물 보급 장치(69)는 전동 밸브(76)를 갖는 수도관(52)을 통해 수원(수돗물)(78)에 접속되어 있고, 상술한 연료 전지 본체(6) 등으로부터 공급 탱크(67)로 유입하는 수량보다도 공급 탱크(67)로부터 처리수 탱크(21)로 공급되는 수량 쪽이 많은 등, 공급 탱크(67)의 수량이 감소하여 수위가 저하된 것을 수위계(79)가 검지하였을 때에, 액면 제어 장치(77)가 전동 밸브(76)를 개방하고, 수원(78)의 수압을 이용하여 수도관(52) 및 물 처리 장치(51)를 지나서 공급 탱크(67)에 수돗물을 보급하고, 처리수 탱크(21)에 물을 공급하는 데 지장이 없는 수량을 유지하는 장치이다.

본 실시 형태에서는, 액면 제어 장치(LC)는 수위계(54)와 전동 밸브(56)의 제어 장치를 구비하여 물탱크(21) 내의 수량을 항상 감시하면서, 반응 공기가 물탱크(21) 속을 통과할 때에, 적절하게 가습되어 연료 전지(6)에 공급되도록 하기 위해, 탱크(21) 내에 처리수를 비축하고, 또한 탱크의 상부에 기상부(53)가 형성되도록 처리 수량을 제어하고, 물탱크(21) 내의 설정 수위를 유지할 수 없을 때는 펌프(74)의 운전을 개시하고, 전동 밸브(56)의 개방도를 조절하여 공급 탱크(67)로부터 처리수를 도입하여, 물탱크(21) 내의 수위를 설정 범위로 유지하도록 하고 있다.

도5는, 본 발명에 의한 고체 고분자형 연료 전지를 이용한 발전 시스템의 제5 실시 형태를 도시한 도면이다.

도5 실시 형태에 있어서는, 연료 전지 본체(6)의 냉각에 냉매나 유기 용매등의 냉각 매체를 사용할 수 있도록 한 점 및 공급 탱크(67)와 처리수 탱크(21) 사이에 물 처리 장치(51)를 배치한 점이 도4에 도시한 실시 형태와 다르다. 그 밖의 구성은 도1과 같은 구성이므로, 그들에 대해서는 동일한 도면 부호나 기호를 부여하여 그 설명을 생략한다.

도5의 실시 형태에 의한 처리수 보급 장치(68)를 가진 고체 고분자형 연료 전지(6)에 있어서, 부호 58은 연료 전지 본체(6)의 냉각부(6c)에 부설된 열교환기이며, 상기 열교환기(58)에는, 예를 들어 에틸렌 글리콜 등의 유기 냉각 매체가 펌프(57)에 의해 순환되어 냉각부(6c)를 순환하여 연료 전지 내를 냉각하고 있다.

또한, 열교환기(58)에는 이 유기 냉각 매체와 섞이지 않도록 하여 처리수 탱크(21)의 처리수가 펌프(59)에 의해 순환되고, 연료 전지의 냉각부(6c)의 열이 처리수 탱크(21)로 회수되도록 되어 있다.

이러한 유기 냉각 매체를 연료 전지의 냉각에 사용함으로써, 전지의 전극을 효율 좋게 냉각하여 전지의 작동 온도를 발전 효율이 좋은 상태로 유지할 수 있다.

도면 부호 71은 연료 전지 본체의 공기극(6k)으로부터 배출되는 가스로부터 열 및 물을 회수하기 위한 열교환기이다. 열교환기(71)에는 펌프(72)에 의해 저탕 탱크(50)의 물이 순환되고, 순환수에 의해 얻게 된 열은 저탕 탱크(50)에 저장되는 한편, 차게 한 배기 가스로부터 응축하여 나온 드레인수는 파이프(170)를 지나서 공급 탱크(67)로 회수되도록 되어 있다.

도5의 실시 형태에 있어서의 처리수 보급 장치(68)에 있어서는, 물 처리 장치(51)가 공급 탱크(67)와 처리수 탱크(21) 사이, 특히 펌프(74)와 전동 밸브(56)사이에 배치되어 있으므로, 액면 제어 장치(LC)가 처리수 탱크(21) 내의 수량 부족을 수위계(54)에 의해 검지하여 전동 밸브(56)를 개방하고, 펌프(74)의 구동을 개시하면, 공급 탱크(67)로부터 보급되는 물 모두가 물 처리 장치(51)에서 반드시 수질이 개선되어, 그 후에 처리수 탱크(21)에 공급된다.

도5의 실시 형태의 전지에 사용되고 있는 처리수 보급 장치(68)에서는, 연료 전지의 운전에 의해 다량의 물이 손실되지 않고, 전지로부터 충분히 물이 회수되고, 또한 회수된 물은 거의 오염되어 있지 않은 구조의 연료 전지라는 전제로, 처리수 탱크(21)에 공급되는 보급수를 모두 물 처리 장치(51)에 통수하도록 한 것이며, 가장 간단한 구조의 물 회수와 보급을 하는 처리수 보급 장치를 구성하고 있다.

또, 연료 전지(6)의 운전에 수반하여 연료 전지계 혹은 발전 시스템계로부터의 물이나 회수 드레인 수량이 감소했을 때는, 도4의 실시 형태와 같이 공급 탱크(67)의 액면 제어 장치(77)가 전동 밸브(76)를 제어하여 수원(78)으로부터 수돗물을 공급 탱크(67)에 보급하고, 이를 드레인수와 함께 처리수 탱크(21)에 공급하여 전지계 등의 물 부족을 보충한다..

도6은, 본 발명에 의한 고체 고분자형 연료 전지를 이용한 발전 시스템의 제6 실시 형태의 물 회수와 공급의 주요부를 도시한 도면이다.

도6의 실시 형태에 있어서는, 연료 전지 등에서 생긴 물을 파이프(170)를 통해 일단 저장하는 공급 탱크를 설치하고, 이 공급 탱크(67)로부터 처리수 탱크(21)에 공급되는 물의 수질이 저하되었을 때만, 물 처리 장치(51)에 통수하도록 한 점이 도4 및 도5에 도시한 실시 형태와 다르다. 그 밖의 구성은 도4 및 도5와 같은 구성이므로, 그들에 대해서는 동일한 도면 부호나 기호를 부여하여 그 설명을 생략한다.

도6의 실시 형태에 의한 처리수 보급 장치(68)를 가진 고체 고분자형 연료 전지에 있어서, 부호 80은 공급 탱크의 물 출구관(81)에 부착된 수질 센서, 부호 82는 전동 밸브(56)를 바이패스하여 설치된 물 처리 장치(82)측으로의 통수를 제어하는 전동 밸브, 부호 83은 처리수 탱크(21)측의 급수관(84)으로부터 물 처리 장치(51)측으로의 물의 역류를 막는 역지 밸브이며, 처리수 탱크(21)의 액면 제어 장치(LC)는 수위계(54) 및 수질 센서(80)로부터의 신호를 받아, 연료 전지 등에서 필요로 되고 있는 수량의 물을 공급 탱크(67)로부터 공급하도록 펌프(74) 및 전동 밸브(56, 82)의 작동 제어를 하는 것이다.

도6의 실시 형태에 있어서는, 공급 탱크(67)로부터 처리수 탱크(21)에 보급되는 물의 수질이 연료 전지의 운전 등에 지장이 없는 수질일 때는, 액면 제어 장치(LC)는 수위계(54)로부터의 신호를 받아 펌프(74) 및 전동 밸브(56)를 작동시켜, 물 처리 장치(51)를 바이패스하여 필요로 되고 있는 수량의 물을 공급 탱크(67)로부터 탱크(21)에 공급한다.

반대로, 보급되는 물의 수질이 연료 전지의 운전 등에 영향을 끼칠 가능성이 있는 수질이 되었을 때는, 액면 제어 장치(LC)는 수위계(54)로부터의 신호를 받아 펌프(74) 및 전동 밸브(82)를 작동[전동 밸브(56)는 폐지]시켜, 물 처리 장치(51)로 물 처리를 한 후에 필요로 되고 있는 수량의 물을 처리수 탱크(21)에 공급하도록 기기를 제어한다.

이 수질의 판단은, 물의 전도도계(도시하지 않음)나 수질 센서(80)에 의해 공급 탱크(67)로부터의 급수마다 검정을 해도 좋지만, 기기의 구조를 간단히 하는 경우에는 전도도계 등의 센서 대신에, 연료 전지(6)의 운전 시간이나 다른 제어 데이터를 기초로, 수질의 개선 처리가 필요하다고 예상되는 시간 사이클을 결정하고, 그 시간마다 운전 시간을 결정하여 전동 밸브(82)를 개방하고, 물 처리 장치(51)에 통수하도록 해도 좋다.

본 실시 형태의 고체 고분자형 연료 전지에서는, 전지에서 생기는 드레인수 등은 그대로 공기 가습 및 연료 가스의 개질이나 전지의 냉각용으로서 재공급해도 그대로 쓸 수 있을 정도의 수질이라는 전제하에 공급 탱크(67)로부터 처리수 탱크(21)에 공급하고, 몇 회이든 이러한 공급 순환을 하고 있는 중에 물 처리가 필요하게 되었을 때에 물 처리 장치(51)에 통수하고, 그 후에 처리수 탱크(21)에 공급하는 것이다.

따라서, 고체 고분자형 연료 전지에 사용되는 물 처리 장치의 사용 빈도나 이온 교환 수지로의 통수 시간을 가능한 한 줄여, 그 수명을 길게 하여 이온 교환 수지 등의 교환 시간이나 고체 고분자형 연료 전지의 보수 시간을 적게 할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 관한 고체 고분자형 연료 전지에 있어서는, 연료 전지나 이 연료 전지를 구비한 발전 시스템 등의 냉각에 사용되는 냉각수를 저장하고 있던 물탱크에 온도 조절 장치나 액면 제어 장치를 부가하고, 이러한 물탱크 내에반응 공기를 통과시키도록 구성함으로써, 반응 공기 가습용으로서 독립된 전용 가습기를 별도로 설치하지 않아도, 반응 공기에 수분을 부여하여 연료 전지의 전극에 공급할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에서는 가스의 가습을 위한 처리수의 보급 제어나 처리수의 회수 장치도, 종래의 이러한 종류의 물탱크 장치가 갖고 있던 냉각이나 열회수를 위한 물순환 장치나 물 회수 장치를 거의 그대로 사용할 수 있고, 수증기를 만들기 위한 기수 분리 장치와 달리, 반응 공기의 가습을 간편하게 행할 수 있는 가습 장치를 구비한 고체 고분자형 연료 전지를 제공할 수 있다.

또한, 이상과 같은 구성의 고체 고분자형 연료 전지나 상기 전지를 구비한 발전 시스템에서는, 발전과 열이용의 코제네레이션 시스템의 형태를 취하기 쉬우므로, 발전 단독의 효과뿐만 아니라, 이 시스템에 공급되는 연료의 에너지의 고도한 유효 활용을 도모할 수 있고, 높은 총합 열효율을 얻을 수 있으므로, 원연료의 소비량이 감속하여, 이산화탄소의 배출량이 저감된다.

특히, 저탕 탱크나 물탱크와 같이 열을 저장하는 기능을 가진 탱크가 적절하게 각 탱크의 열을 서로 교환할 수 있도록 구성되어 있을 때는, 연료 전지를 구비한 발전 시스템에서 발생하는 열에 의해 물탱크의 물을 가열하는 기구를 구성시킬 수도 있고, 연료 전지를 구비한 시스템계의 열을 물탱크의 가열에도 이용하거나, 물탱크의 열이 남을 때는 이 열을 저탕 탱크에 부여하는 등, 시스템 전체의 열을 유효하게 활용하면서, 연료 전지 본체의 전극에 공급하는 반응용 가스의 간편한 가습을 실현할 수 있다.

또한, 본 발명의 고체 고분자형 연료 전지에 있어서는, 연료 전지 본체에서 생기는 물의 회수와 이 물을 연료 전지에 재차 사용하는 장치가 회수된 물의 수질을 감안하면서 적절하게, 물 처리를 하면서 연료 전지에 공급하도록 하고 있으므로, 이온 교환 수지 등의 물 처리 장치의 사용을 최소 필요한도에서 멈출 수 있다.

또한, 연료 전지에서 발생하는 물을 가능한 한 재이용하여 연료 전지에 있어서의 물 처리를 간이화하여, 보수의 수고 등을 적게 한 고체 고분자형 연료 전지를 제공할 수 있다.

또, 이상과 같은 구성의 고체 고분자형 연료 전지나 상기 전지를 구비한 발전 시스템에서는 연료 전지의 보수가 간략화되므로, 발전과 열이용의 코제네레이션 시스템의 형태를 취하기 쉽고, 연료 전지 단독의 발전 효율뿐만 아니라, 이 시스템에서 사용되는 물의 유효한 재이용 및 공급되는 연료의 에너지의 유효 활용에 연결시킨 고체 고분자형 연료 전지를 제공할 수 있다.

또, 이상의 실시 형태에 있어서는 어느 것이나, 물탱크(21)로부터의 처리수의 모두가, 개질기(3), 연료 전지 본체의 공기극(6k)으로의 반응 공기의 가습용물, 냉각부(6c)로의 냉각수로서 직접적으로 공급하고, 사용되는 구성으로서 설명을 하였지만, 처리수의 공급은 연료 전지 본체의 일부(예를 들어 연료극 또는 공기극) 또는 개질기만으로의 공급이라도 좋으며, 도3, 도5의 실시 형태에 도시된 열교환기(58)로의 냉각수의 공급과 같이, 간접적으로 공급되는 구조라도 좋은 것은 물론이다.

이상과 같이, 본 발명은 고체 고분자형 연료 전지에 사용되고 있는 처리수의 물탱크에 액면 제어 장치 등의 기기를 조립하여 가습 기구를 구비시킴으로써, 반응 공기를 가습하도록 하였으므로, 반응 공기 가습을 위한 전용 가습기를 특별히 부설하고 있지 않은 연료 전지 및 이를 이용한 발전 시스템에 이용하는 데 적합하다. 또한, 연료 전지에 이용되고 있는 처리수를 비축하는 물탱크와 연료 전지나 연료 전지를 구비한 발전 시스템 전체를 유기적으로 결합함으로써, 연료 전지의 열을 유효하게 활용하여 물탱크의 수온을 가습에 적합한 온도로 유지하는 등, 가습을 위한 에너지 소비를 가능한 한 줄여 연료 전지나 이 조합의 발전 계통 전체의 에너지 효율을 높이면서, 연료 전지의 전극에 공급하는 반응 공기 등의 가스에 간편하게 수분을 첨가할 수 있다.

Claims (31)

1. 개질 가스 중의 수소와 반응 공기 중의 산소의 전기 화학 반응에 의해 발전을 행하는 연료 전지 본체와, 상기 연료 전지 본체에 반응 공기를 공급하는 반응 공기 공급부와, 상기 연료 전지 본체에 개질 가스를 공급하는 개질 가스 공급부와, 상기 개질 가스 공급부와 상기 연료 전지 본체 중 적어도 한 쪽에 상기 처리수를 공급하는 처리수 공급부를 가진 고체 고분자형 연료 전지이며,

   상기 처리수 공급부는 상기 반응 공기 공급부로부터 공급된 반응 공기를 처리수를 이용하여 가습한 후, 상기 연료 전지 본체로 가습 반응 공기를 공급하는 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지.
2. 제1항에 있어서, 상기 처리수 공급 수단으로부터의 처리수를 상기 연료 전지 본체에 순환시킴으로써, 상기 연료 전지 본체의 냉각을 행하는 냉각부를 더 갖는 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지.
3. 제1항에 있어서, 상기 처리수 공급부는 물을 저장하는 물탱크와, 상기 물탱크 내부에 기상부가 항상 형성되도록 처리수의 수위를 소정 범위로 유지하는 파면 제어부를 구비하고, 상기 반응 공기 공급부로부터의 반응 공기는 상기 물탱크 속을 통해서 가습되고, 상기 연료 전지 본체로 공급되는 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지.
4. 제3항에 있어서, 상기 액면 제어부는 처리수의 수위를 검출하는 수위계와, 처리수원으로부터 상기 처리 탱크 내로의 처리수의 공급을 제어하는 전동 밸브로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지.
5. 제1항에 있어서, 상기 처리수 공급부는 처리수를 저장하는 처리수 탱크와, 상기 처리수 탱크 내의 처리수의 온도를 소정 범위로 유지하는 온도 조절 수단을 구비하고, 상기 반응 공기 공급부로부터의 반응 공기가 상기 물탱크 속을 통해서 가습될 때에, 가습 정도를 설정 온도에 의해 조절하는 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지.
6. 제5항에 있어서, 상기 온도 조절 수단에 의해 조절되는 처리수의 소정 온도 범위의 상한치가, 상기 연료 전지의 작동 온도에 따라서 변동하는 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지.
7. 제6항에 있어서, 상기 온도 조절 수단에 의해 조절되는 처리수의 소정 온도 범위는, 60 ℃ 내지 80 ℃인 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지.
8. 제5항에 있어서, 상기 온도 조절 수단은 전기 히터를 갖는 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지.
9. 제1항에 있어서, 상기 처리수 공급부로부터의 처리수를 수증기화하여, 상기 수증기를 상기 개질 가스 공급 수단에 공급되는 원연료에 첨가하는 수증기 공급부를 더 갖고, 상기 수증기 공급부는 첨가된 물의 양과 원연료 가스의 양의 비(S/C비)가, 3 내지 4가 되도록 물의 첨가량을 조절하는 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지.
10. 제1항에 있어서, 상기 개질 가스 공급부는 개질 가스 중의 일산화탄소 농도를 저감하는 CO 제거기를 갖고 있고, 상기 CO 제거기로부터 나온 개질 가스는 수분을 제거하는 일 없이 상기 연료 전지 본체에 공급되는 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지.
11. 제1항에 있어서, 수돗물에 소정의 처리를 실시함으로써 저전기 전도도를 갖는 처리수를 생성하고, 생성된 처리수를 상기 처리수 공급부로 공급하는 물 처리 수단을 더 갖는 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지.
12. 제1항에 있어서, 상기 연료 전지 본체로부터 배출된 고온 가스가 공급되고, 개질 가스 중의 수소와 반응 공기 중의 산소와의 전기 화학 반응에 의해 상기 연료 전지 본체에서 발생한 열을 회수하는 배열 회수부를 더 갖는 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지.
13. 제12항에 있어서, 상기 배열 회수부는 내부에 물을 순환시킴으로써, 상기 연료 전지 본체로부터 배출되는 고온 가스와 열교환을 행하는 열교환기와, 상기 열교환기로부터의 온수를 저탕하는 동시에, 상기 열교환기로 물을 공급하는 저탕 탱크로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지.
14. 제13항에 있어서, 상기 처리수 공급부에 부설되어, 상기 처리수 공급부의 처리수와 상기 저탕 탱크로부터의 물이 섞이지 않도록 순환하면서, 상기 처리수와 상기 물 사이에서 열교환을 행하는 열교환기를 더 갖는 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지.
15. 제12항에 있어서, 상기 배열 회수부는 상기 처리수 공급부로부터의 처리수를 내부로 순환시키고, 상기 연료 전지 본체로부터 배출되는 고온 가스와 상기 처리수 사이에서 열교환을 행하게 하여 열회수를 행하는 열교환기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지.
16. 제1항에 있어서, 상기 연료 전지 본체에 부설되고, 내부에 냉각 냉매가 순환되어 상기 연료 전지 본체 사이에서 열교환을 행함으로써 상기 연료 전지 본체를 냉각하는 냉각부와, 상기 처리수 공급 수단으로부터의 처리수와 상기 냉각부로부터의 상기 냉각 냉매를 서로 섞이지 않도록 순환시키면서 상기 처리수와 상기 냉각냉매로 열교환을 행하게 함으로써, 상기 연료 전지 본체에서 발생한 열을 상기 처리수 공급부로 회수하는 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지.
17. 제1항에 있어서, 상기 연료 전지 본체에서 발생한 물을 회수하는 물 회수부를 더 가진 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지.
18. 제17항에 있어서, 상기 물 회수부는 상기 연료 전지 본체로부터의 배출 가스와, 내부로 순환시킨 물 사이에서 열교환을 행하게 하여 물을 액화하고, 회수하는 열교환기와, 상기 열교환기에 의해 회수된 물과 수돗물을 일시적으로 저장해 두는 물 보급부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지.
19. 제18항에 있어서, 상기 물 보급부는 수위에 따라서 저수를 상기 처리수 공급부로 공급하는 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지.
20. 제19항에 있어서, 상기 물 보급부는 수위를 검출하는 수위계와, 상기 수위계의 검출 결과에 따라서 상기 물 보급부로의 수돗물의 공급 및 상기 처리수 공급부로의 저수의 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지.
21. 제18항에 있어서, 상기 물 보급부의 전방단, 혹은 상기 물 보급부와 상기 처리수 공급부 사이에, 수돗물에 소정의 처리를 실시함으로써 저전기 전도도를 갖는처리수를 생성하고, 생성된 처리수를 상기 물 보급부 혹은 상기 처리수 공급부로 공급하는 물 처리부를 더 갖는 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지.
22. 제17항에 있어서, 상기 연료 전지 본체에 부설되어, 내부에 냉각 냉매가 순환되어 상기 연료 전지 본체 사이에서 열교환을 행함으로써 상기 연료 전지 본체를 냉각하는 냉각부와, 상기 처리수 공급 수단으로부터의 처리수와 상기 냉각부로부터의 상기 냉각 냉매를 서로 섞이지 않도록 순환시키면서 상기 처리수와 상기 냉각 냉매로 열교환을 행하게 함으로써, 상기 연료 전지 본체에서 발생한 열을 상기 처리수 공급부로 회수하는 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지.
23. 제18항에 있어서, 상기 물 보급부와 상기 처리수 공급부 사이에, 상기 물 보급부의 저수를 상기 처리수 공급부로 직접 공급하는 제1 처리수 공급로와, 상기 물 보급부의 저수에 소정의 처리를 실시함으로써 저전기 전도를 갖는 처리수를 생성하는 물 처리 장치를 거쳐서 상기 처리수 공급부로 공급하는 제2 처리수 공급부와, 상기 물 보급부 저수의 수질을 검출하는 수질 검출부와, 상기 수질 검출부의 검출 결과에 따라서 상기 제1 처리수 공급로와 상기 제2 처리수 공급로 중 하나의 경로를 선택하여 처리수를 상기 처리수 공급부로 공급하는 처리수 경로 절환부를 설치한 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지.
24. 제23항에 있어서, 상기 수질 검출부는 물의 전도도계 혹은 수질 센서로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지.
25. 제18항에 있어서, 상기 물 보급부와 상기 처리수 공급부 사이에, 상기 물 보급부의 저수를 상기 처리수 공급부로 직접 공급하는 제1 처리수 공급로와, 상기 물 보급부의 저수에 소정의 처리를 실시함으로써 저전기 전도를 갖는 처리수를 생성하는 물 처리 장치를 거쳐서 상기 처리수 공급부로 공급하는 제2 처리수 공급부와, 소정 시간 사이클로 상기 제1 처리수 공급로와 상기 제2 처리수 공급로 중 하나의 경로를 선택하여 처리수를 상기 처리수 공급부로 공급하는 처리수 경로 절환부를 설치한 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지.
26. 제1항에 있어서, 상기 물 처리부가 상기 연료 전지를 구비한 발전 시스템으로부터 발생하는 열에 의해 상기 처리수 공급부의 처리수를 가열하는 기구를 더 구비한 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지.
27. 제26항에 있어서, 상기 기구는 상기 발전 시스템으로부터 발생하는 열을 이용한 열교환을 통해 상기 처리수 공급부의 처리수의 온도 조절을 행하는 열교환기를 구비한 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지.
28. 제1항에 있어서, 상기 처리수 공급부에 부설되어, 상기 처리수 공급부 내의 처리수가 순환되는 열교환기를 더 갖고, 상기 열교환기 내에서의 열교환에 의해 상기 처리수 공급부 내의 처리수의 온도가 조절되는 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지.
29. 개질 가스 중의 수소와 반응 공기 중의 산소의 전기 화학 반응에 의해 발전을 행하는 연료 전지 본체와, 상기 연료 전지 본체에 반응 공기를 공급하는 반응 공기 공급부와, 상기 연료 전지 본체에 개질 가스를 공급하는 개질 가스 공급부와, 상기 개질 가스 공급부와 상기 연료 전지 본체 중 적어도 한 쪽에 처리수를 공급하는 처리수 공급부를 가진 고체 고분자형 연료 전지를 위한 가습 방법이며,

    상기 반응 공기 공급부로부터 공급된 반응 공기를 상기 처리수 공급부 내의 저장된 처리수에 통과시킴으로써 가습하고, 그러한 후에 가습 반응 공기를 상기 연료 전지 본체로 공급하는 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지를 위한 가습 방법.
30. 고체 고분자형 연료 전지의 공기극에서 사용되는 반응 공기를, 상기 연료 전지나 상기 연료 전지를 구비한 발전 시스템의 냉각수로 가습하여 공기극에 공급하는 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지의 가습 방법.
31. 고체 고분자형 연료 전지에서 사용되는 반응 공기를, 상기 연료 전지를 순환하는 냉각수로 가습하여 상기 고체 고분자형 연료 전지의 공기극에 공급하는 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지의 가습 방법.