KR20030036626A

KR20030036626A - 연료전지 발전장치

Info

Publication number: KR20030036626A
Application number: KR10-2003-7000985A
Authority: KR
Inventors: 미야우치신지; 오제키마사타카; 니시무라고이치
Original assignee: 마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤; 마쓰시타 레키 가부시키가이샤
Priority date: 2001-05-23
Filing date: 2002-05-22
Publication date: 2003-05-09
Also published as: CN1463474A; EP2178149A3; EP1396897B1; EP1396897A1; CN1238921C; US7816048B2; US20060246325A1; EP2178149B1; EP2178149A2; EP1396897A4; US7691512B2; US20090176138A1; WO2002095854A1; KR100519130B1; US20030162065A1

Abstract

응축기에 의해 연료전지로부터 배출되는 이용전 배출가스를 응축하여 물을 회수하는 동시에, 응축능력 검지수단에 의해 응축기의 응축능력을 항상 감시하고, 응축능력 보유시에는 제어수단에 의해 열수송매체 순환수단의 출력을 제어하여 연료전지의 배출열을 열이용수단에 축적하며, 또 응축능력 저하시에는 열수송매체 순환수단을 정지시켜 배출열회수를 종료시킨다. 또는, 연료전지, 연료전지가 갖는 열을 갖고 있는 제 1 열매체가 순환하는 냉각배관, 제 1 열매체를 순환시키는 냉각수펌프 및 연료전지의 온도를 검출하는 연료전지 온도검출기를 구비하며, 연료와 산화제의 연료전지로의 공급이 정지한 후에도 연료전지 온도검출기가 검출하는 온도가 소정의 임계값 이하가 될 때까지 냉각수펌프를 동작시킨다.

Description

연료전지 발전장치{FUEL CELL POWER GENERATING DEVICE}

종래의 연료전지를 이용한 발전장치에 대하여 도 9를 이용하여 설명한다.

도 9에서 1은 연료전지이고, 연료처리장치(2)는 천연가스 등의 원료를 수증기 개질하여 수소를 주성분으로 하는 가스를 생성하여 연료전지(1)에 공급한다. 연료처리장치(2)는 개질가스를 생성하는 개질기(3)와, 개질가스에 포함되는 일산화탄소를 물과 반응시켜 이산화탄소와 수소를 생성하기 위한 일산화탄소 변성기(4)를 구비하고 있다. 연료측 가습기(5)에서는 연료전지(1)에 공급하는 연료가스를 가습한다. 6은 공기공급장치이며, 산화제의 공기를 연료전지(1)에 공급한다. 이 때, 산화측 가습기(7)로 공급공기를 가습한다. 또, 발전장치는 연료전지(1)에 물을 보내어 냉각하는 냉각배관(8)과, 냉각배관(8) 내의 물을 순환시키는 펌프(9)를 구비하고 있다.

또, 발전시에는 열교환기(10) 및 순환펌프(11)에 의해 연료전지(1)의 발전에 의한 배출열을 배출열회수배관(12)을 경유하여 온수저장탱크(13)로 회수하도록 접속되어 있었다.

이러한 장치를 이용하여 발전을 행할 때는 연료처리장치(2)에서, 우선 개질기(3)로 천연가스 등의 원료를 수증기 개질하기 위해, 또 일산화탄소 변성기(4)로 개질가스에 포함되는 일산화탄소를 물과 반응시켜 이산화탄소와 수소를 생성하기 위해 물을 필요로 하며, 추가로 연료측 가습기(5)에서는 연료전지(1)에 공급하는 연료가스를 가습하고 산화측 가습기(7)에서는 공급공기를 가습하기 위해 물을 필요로 한다. 이 발전을 위해 필요로 하는 물은 외부로부터 시수(市水) 또는 이온교환수로서 공급하고 있었다.

그러나, 상기 종래의 구성은 연료전지(1)의 연료가스 배관계, 산화제 가스 배관계에서, 시수 등의 일반수를 사용한 경우, 염소이온 등에 의해, 또 배관계통으로부터 용출하는 금속이온 등에 의해 연료처리장치(2)의 개질기(3), 일산화탄소 변성기(4)에 내장된 개질촉매, 변성촉매가 열화하거나, 연료가스, 산화제가스가 이온화하여 전기전도도가 상승하여 연료전지의 발전에 지장을 초래한다는 문제점이 있었다.

또, 연료가스 공급시스템, 산화제가스 공급시스템에서, 시수 등 일반수의 염소이온 등이나 배관계통으로부터의 금속이온 등을 제거하기 위해 이온교환수지 등의 이온제거수단을 구비한 경우, 운전시간에 따라 이온제거능력을 확보하기 위해 이온제거수단의 정기적인 유지보수를 필요로 하며, 정기교환할 필요가 있거나, 정기교환을 감소시키기 위해 큰 이온제거수단을 구비해야 한다는 문제점이 있었다.

또, 종래의 연료전지를 이용한 발전장치에는 다음과 같은 결점이 있었다.

즉, 연료전지(1)의 발전을 종료할 때는 발전원료를 연료생성기(2)로 공급하는 것을 정지하는 것과 동시에, 연료생성기(2)와, 연료전지(1)의 원료가스 및 연료가스의 유통경로로 질소 등의 비활성가스를 보내어 가연가스를 연료전지 발전장치 내로부터 폐기하는 것이 일반적으로 행해진다.

또, 발전정지와 동시에 연료전지(1)는 열을 발생하지 않게 되기 때문에, 냉각수펌프(9) 및 시수펌프(11)도 반송동작을 정지하여, 냉각수나 시수의 순환도 정지된다.

이러한 연료전지 발전장치에서, 발전종료후, 약 700℃의 연료생성기(2) 내로부터 연료가스의 유통경로를 경유해 온 질소 등의 비활성가스는 연료전지(1)를 통과하여 연료전지(1)로부터 외부로 배출된다.

그러나, 이때 연료생성기(2) 및 유통경로에 잔류하고 있는 연료가스는 그 온도를 거의 유지한 채로 비활성가스에 떠밀려지는 형태로 연료전지(1) 내를 통과하여 외부로 배출된다. 따라서, 연료전지(1)의 내부는 이 연료가스가 통과하는 부분만 고온이 되는 것을 생각할 수 있다.

연료전지(1)에 고체고분자형을 이용하는 경우는 전해질에 이용되는 고체고분자막은 습기가 많은 것이 필요하지만, 고온이면서 습기가 없는 비활성가스가 고체고분자막의 근방을 흐르면 고체고분자막이 부분적으로 건조되어버리는 경우가 발생하여 연료전지(1)의 발전효율을 현저하게 저하시키는 원인이 된다.

다음에, 연료전지(1)가 발전을 정지하더라도 연료전지(1) 자신은 잠시동안은 약 70℃ 정도의 온도를 유지하고 있다. 이것은 환경온도에 비하면 높은 온도이기 때문에, 연료전지(1)가 보유하고 있는 열은 냉각수의 순환을 정지한 후에는 외부로방출될 뿐이고, 발전시에 발생한 열을 유효하게 이용하기 위해서는 발전 후에도 연료전지(1)가 보유하고 있는 열을 이용하는 것이 필요하였다.

본 발명은 연료전지를 이용하여 발전 또는 배출열의 회수를 행하는 연료전지 발전장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에서의 연료전지 발전장치의 블록구성도.

도 2는 본 발명의 제 2 실시예에서의 연료전지 발전장치의 블록구성도.

도 3은 본 발명의 제 3 실시예에서의 연료전지 발전장치의 블록구성도.

도 4는 본 발명의 제 4 실시예에서의 연료전지 발전장치의 블록구성도.

도 5는 본 발명의 제 5 실시예에서의 연료전지 발전장치의 블록구성도.

도 6은 본 발명의 하나의 실시예에서의 연료전지 발전장치를 나타내는 구성도.

도 7은 본 발명의 제 6 실시예에서의 연료전지 발전장치의 발전중 및 발전정지 후의 운전형태를 나타내는 플로우차트를 나타내는 도면.

도 8은 본 발명의 제 7 실시예에서의 연료전지 발전장치의 발전중 및 발전정지 후의 운전형태를 나타내는 플로우차트를 나타내는 도면.

도 9는 종래의 연료전지 발전장치의 블록구성도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 연료전지 10 : 열교환수단

11 : 열수송매체 순환수단 13 : 열이용수단

14 : 응축기 15 : 물이용수단

18 : 응축능력 검지수단 19 : 제어수단

32 : 연료생성기 33 : 송풍기(blower)

34 : 냉각배관 35 : 냉각수펌프

36 : 열교환기 37 : 온수저장탱크

38 : 시수(市水)배관 39 : 시수펌프

310 : 연료전지온도 검지기 311 : 시수온도 검지기

100 : 냉각시스템

본 발명은 상기 종래의 문제점을 고려하여, 이온제거수단을 구비하지 않고, 연료전지의 발전에 지장을 생기게 하지 않는 연료전지 발전장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 발전종료 후에 연료전지의 발전효율을 저하시키는 사태를 초래하지 않는 연료전지 발전장치를 얻는 것을 목적으로 한다.

또, 본 발명은 발전종료 후에도 연료전지가 유지하는 열을 이용할 수 있는 연료전지 발전장치를 얻는 것을 목적으로 한다.

상기 문제점을 해결하기 위해, 제 1 발명은, 연료가스와 산화제가스를 이용하여 발전을 행하는 연료전지와,

그 연료전지로부터 배출되는 이용전 배출가스를 응축하는 응축기와,

그 응축기로부터 배출되는 응축수를 적어도 상기 연료가스 및 상기 산화제가스 중 적어도 한쪽의 가습에 이용하는 물이용수단을 구비한 연료전지 발전장치이다.

제 2 발명은, 상기 연료전지로부터의 발전에 의한 배출열을 열교환에 의해 회수하는 열교환수단과,

그 열교환수단에서 배출열을 회수한 열수송매체를 축적하는 열이용수단과,

상기 열교환수단과 상기 열이용수단과의 사이에서 상기 열수송매체를 순환시키는 순환수단을 구비한 제 1 발명의 연료전지 발전장치이다.

제 3 발명은, 상기 열수송매체가 상기 응축기를 통과하고, 그 응축기에서 상기 열수송매체가 상기 이용전 배출가스의 응축화에 기여하도록 구성되어 있으며, 상기 응축기의 응축능력을 검지하는 응축능력 검지수단과, 그 응축능력 검지수단의 검지신호에 기초하여 상기 순환수단의 출력을 제어하는 제어수단을 구비한 제 2 발명의 연료전지 발전장치이다.

상기 구성에 의해, 응축기에 의해 연료전지로부터 배출되는 이용전 배출가스 중의 수증기를 응축하여 물을 회수하는 동시에, 응축능력 검지수단에 의해 응축기의 응축능력을 항상 감시하고, 응축능력 보유시에는 제어수단에 의해 순환수단의 출력을 제어하여 연료전지의 배출열을 회수하여 열이용수단에 축적한다. 또, 응축능력 저하시에는 순환수단을 정지시켜 배출열회수를 종료시킨다. 이로 인하여, 연료처리장치의 개질기에 의한 수증기개질하기 위한 물, 또 일산화탄소 변성기에 의한 개질가스에 포함되는 일산화탄소를 물과 반응시켜 이산화탄소와 수소를 생성하기 위한 물, 추가로 연료측 가습기에서의 연료전지에 공급하는 연료가스를 가습하는 물, 산화측 가습기에서의 공급공기를 가습하기 위한 물을 응축기에 의한 응축으로 얻어진 회수수(回收水)에 의해 외부로부터 공급하지 않고 자급 가능해진다.

또, 외부로부터 물(시수)을 공급한 경우의 염소이온 등이나 배관계통으로부터의 금속이온 등에 의한 연료처리장치의 개질기, 일산화탄소 변성기에 내장된 개질촉매, 변성촉매의 열화를 피할 수 있다. 또, 연료가스, 산화제가스가 이온화하고전기전도도가 상승하여 연료전지의 발전에 지장을 초래하는 것도 피할 수 있다.

또, 연료가스 공급시스템, 산화제가스 공급시스템에서, 시수 등의 일반수의 염소이온 등을 제거하기 위해 이온교환수지 등의 이온제거수단을 대폭으로 축소, 또는 운전시간에 따른 이온제거능력의 열화를 적게 하는 것에 의한 이온제거수단의 정기적인 유지보수가 줄거나 필요없게 된다.

제 4 발명은, 상기 응축능력 검지수단이 상기 응축기로부터의 응축수의 온도를 검지하는 응축수온도 검지수단인 제 3 발명에 기재된 연료전지 발전장치이다.

제 5 발명은, 상기 열교환수단에서 배출열을 회수한 상기 열수송매체의 온도를 검지하는 매체온도 검지수단을 추가로 구비하며,

상기 제어수단이 상기 매체온도 검지수단에 의해 검지된 상기 열수송매체의 온도를 이용하여 상기 순환수단의 출력을 제어하는 제 4 발명의 연료전지 발전장치이다.

제 6 발명은, 상기 응축능력 검지수단이 상기 응축기에 들어가는 상기 열수송매체의 온도를 검지하는 매체온도 검지수단이거나, 또는 상기 응축기로부터 나온 상기 열수송매체의 온도를 검지하는 매체온도 검지수단인 제 3 발명의 연료전지 발전장치이다.

제 6 발명에서는, 응축기로 들어가는 열수송매체의 입구온도 또는 응축기로부터 나온 열수송매체의 출구온도가 소정의 온도 이하이면 응축능력 보유시로 하고, 제어수단에 의해 순환수단의 출력을 제어하여 연료전지의 배출열을 열이용수단에 축적한다. 또, 입구온도 또는 출구온도가 소정의 온도 이상이면 응축능력 저하시로 하고, 순환수단을 정지시켜 배출열회수를 종료시키는 것이다.

제 7 발명은, 상기 응축능력 검지수단이 상기 열이용수단의 온도를 검지하는 열이용온도 검지수단인 제 3 발명의 연료전지 발전장치이다.

제 7 발명에서는, 열이용온도 검지수단에 의해 검지된 온도가 소정의 온도 이하이면 응축능력 보유시로 하고, 제어수단에 의해 순환수단의 출력을 제어하여 연료전지의 배출열을 열이용수단에 축적한다. 또, 열이용온도 검지수단에 의해 검지된 온도가 소정의 온도 이상이면 응축능력 저하시로 하고, 순환수단을 정지시켜 배출열회수를 종료시키는 것이다.

제 8 발명은, 상기 응축능력 검지수단이 상기 열교환수단에서 배출열을 회수한 상기 열수송매체의 온도를 검지하는 매체온도 검지수단인 제 3 발명의 연료전지 발전장치이다.

제 8 발명에서는, 매체온도 검지수단에 의해 검지된 열수송매체의 온도를 이용함으로써 순환수단의 출력값을 취득하고, 순환수단의 출력값이 소정값 이하이면 응축능력 보유시로 하며, 제어수단에 의해 그대로 순환수단의 출력을 제어하여 연료전지의 배출열을 열이용수단에 축적한다. 또, 순환수단으로의 출력값이 소정값 이상이면 응축능력 저하시로 하고, 제어수단에 의해 순환수단을 정지시켜 배출열회수를 종료시키는 것이다.

제 9 발명은, 상기 응축기에서 응축의 대상이 되는 이용전 배출가스는 산화제가스 및/또는 연료가스인 제 1 발명의 연료전지 발전장치이다.

제 10 발명은, 상기 연료와 상기 산화제의 상기 연료전지로의 공급이 정지된후에도 상기 연료전지의 온도가 소정의 임계값 이하가 될 때까지 냉각동작을 계속 행하는 제 1 발명의 연료전지 발전장치이다.

제 11 발명은, 상기 연료전지 내를 통과하도록 설치된, 상기 연료전지가 갖는 열을 갖고 있는 제 1 열매체가 순환하는 냉각순환시스템과,

상기 냉각순환시스템에서 상기 제 1 열매체를 순환시키는 열매체 순환수단과,

상기 제 1 열매체가 갖는 열을 방열시키기 위한 방열수단과,

상기 연료전지의 온도를 직접적 또는 간접적으로 검출하는 온도검출수단을 추가로 구비하며,

적어도 상기 열매체 순환수단은 상기 연료와 상기 산화제의 상기 연료전지로의 공급이 정지된 후, 상기 온도검출수단이 검출하는 온도가 소정의 임계값 이하가 될 때까지 동작하는 제 1 발명의 연료전지 발전장치이다.

제 12 발명은, 상기 방열수단은 상기 제 1 열매체와 제 2 열매체와의 사이에서 열교환을 행하는 열교환기를 갖고,

상기 열교환기는 상기 연료와 상기 산화제의 상기 연료전지로의 공급이 정지된 후, 상기 온도검출수단이 검출하는 온도가 미리 정해진 임계값 이하가 될 때까지 상기 열교환동작을 행하는 제 11 발명의 연료전지 발전장치이다.

제 13 발명은, 상기 온도검출수단이 검출하는 온도는 상기 제 1 열매체 및 상기 냉각순환시스템 중 어느 하나의 온도인 제 11 발명 또는 제 12 발명의 연료전지 발전장치이다.

제 14 발명은, 상기 온도검출수단이 검출하는 온도는 상기 제 2 열매체의 온도인 제 12 발명의 연료전지 발전장치이다.

제 15 발명은, 연료와 산화제의 공급을 받아 전력을 발생하는 연료전지와,

상기 연료전지 내를 통과하도록 설치된, 상기 연료전지가 갖는 열을 갖고 있는 제 1 열매체가 순환하는 냉각순환시스템과,

상기 제 1 열매체가 갖는 열을 제 2 열매체와 열교환시키기 위한 방열수단과,

상기 제 2 열매체의 온도를 검출하는 온도검출수단을 구비하며,

상기 열매체 순환수단 및 상기 방열수단 중 적어도 한쪽은 상기 연료와 상기 산화제의 상기 연료전지로의 공급이 정지된 후에도 상기 온도검출수단이 검출하는 온도가 소정의 임계값 이하가 될 때까지 동작을 계속 행하는 연료전지 발전장치이다.

이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.

(제 1 실시예)

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에서의 연료전지 발전장치의 구성도이다.

도 1에서, 도 9에 나타낸 종래의 연료전지를 이용한 발전장치와 동일한 기능을 갖는 것에 대해서는 동일부호를 부여하고, 그들 기능의 상세한 내용은 도 9에 준하는 것으로서 설명을 생략한다.

14는 연료전지(1)로부터 배출되는 이용전 배출가스(산화제가스) 중의 수증기를 응축하여 열교환하는 응축기이고, 15는 응축기(14)로부터 배출된 응축수를 연료처리장치(2)의 개질기(3)에서의 수증기 개질을 위해, 또 일산화탄소 변성기(4)에서 개질가스 중의 일산화탄소를 물과 반응시켜 이산화탄소와 수소를 생성하기 위해, 또 연료측 가습기(5)에서 연료전지(1)에 공급하는 연료가스를 가습하고 산화측 가습기(7)에서 공급공기를 가습하기 위한 물이용수단이며, 응축수를 축적하는 응축수탱크(16)와, 응축수를 연료처리장치(2), 연료측 가습기(5) 및 공기측 가습기(7)로 공급하는 응축수 펌프(17)로 구성되어 있다.

18은 응축기(14)의 응축능력을 검지하는 응축능력 검지수단이고, 응축기(14)로부터의 단위시간당 응축수량을 항상 감시하고 있다.

19는 열수송매체 순환수단(이하, 순환펌프(11)라 함)의 출력을 제어하여 열수송매체(순환수)의 순환수량을 제어하고, 열이용수단(이하, 온수저장탱크라 함)(13)으로 배출열회수배관(12)을 통해 연료전지(1)의 배출열을 회수시키면서 응축능력 검지수단(18)의 응축능력 검지신호를 입력하는 제어수단이다.

다음에, 동작, 작용에 대하여 설명한다.

연료전지 발전장치의 운전(발전)시에는 연료전지(1)의 발전에 의한 열을 펌프(9)를 통해 냉각수로서 순환시키고, 열교환수단(10)에 의해 배출열회수배관(12)을 흐르는 열수송매체(온수저장탱크(13)에 저장된 시수의 순환수)로 열반송시킨다.

또, 공기공급장치(6)에 의해 산화제가스는 산화측 가습기(7)에서 가습되어 연료전지(1)에 공급된다. 연료전지(1)에 의한 발전에 기여하지 않은 이용전 가스는 응축기(14)에 의해 열교환수단(10)과 마찬가지로 배출열회수배관(12)을 흐르는 열수송매체(시수의 순환수)와 열교환하는 동시에, 수분이 응축되어 물이용수단(15)의 응축수탱크(16)에 응축수로서 회수된다.

제어수단(19)은 응축능력 검지수단(18)으로부터의 응축능력 검지신호를 입력하고, 응축기(14)의 응축능력이 소정값 이상, 즉 온수저장탱크(13)로의 배출열회수에 의한 고온의 온수량이 적은 경우, 즉 온수저장탱크(13)로부터 응축기(14)로 들어가는 순환수온이 저온일 때에는 순환펌프(11)의 출력을 제어하여 연료전지(1)의 배출열을 배출열회수배관(12)을 통해 회수한다.

배출열회수는 연료전지(1)의 발전시의 동작온도(고분자 전해질형 연료전지의 경우 약 70∼80℃)와 거의 같은 냉각배관(8) 중의 냉각수의 온도, 열용량에 비하여 연료전지(1)로부터 배출되는 이용전 가스 쪽이 노점도 낮고 열용량도 적기 때문에, 온수저장탱크(13)로부터의 순환수의 열교환을 응축기(14), 열교환수단(10)의 순서로 행한다.

다음에, 응축기(14)의 응축능력이 소정값 이하, 즉 온수저장탱크(13)로의 배출열회수에 의한 고온의 온수량이 많아진 경우, 즉, 온수저장탱크(13)의 온수열량이 증가하여 응축기(14)로 들어가는 순환수온이 고온이 되었을 때에는, 제어수단(19)은 응축능력 검지수단(18)으로부터의 응축능력 검지신호가 소정값 이하로 된 것을 입력하고, 응축기(14)의 응축능력 저하에 따르는 응축수 회수량 저하를 확인하여, 순환펌프(11)의 출력을 정지시키고, 연료전지(1)의 발전 및 배출열회수를 정지시킨다.

따라서, 응축기(14)에 의해 연료전지(1)로부터 배출되는 이용전 배출가스를 응축하여 물을 회수하는 동시에, 응축능력 검지수단(18)에 의해 응축기의 응축능력을 항상 감시하고, 응축능력 보유시에는 제어수단(19)에 의해 순환펌프(11)의 출력을 제어하여 연료전지(1)의 배출열을 온수저장탱크(13)에 축적하며, 또 응축능력 저하시에는 순환펌프(11)를 정지시켜 배출열회수를 종료시킨다.

이 때문에, 연료처리장치(2)의 개질기(3)나 일산화탄소 변성기(4)로의 개질·변성을 위한 물, 연료측 가습기(5), 산화측 가습기(7)에서의 공급가스, 공급공기를 가습하기 위해 물을 응축기(14)에 의한 응축으로 얻어진 회수수에 의해 외부로부터 공급하지 않고 자급이 가능해진다.

또, 외부로부터 물(시수)을 공급한 경우의 염소이온 등에 의한 연료처리장치(2)의 개질기(3), 일산화탄소 변성기(4)에 내장된 개질촉매, 변성촉매의 열화를 피할 수 있다. 또, 연료가스, 산화제가스가 이온화하고 전기전도도가 상승하여 연료전지의 발전에 지장을 초래하는 것을 피할 수 있다. 또, 연료가스 공급시스템, 산화제가스 공급시스템에서, 시수 등의 일반수의 염소이온 등을 제거하기 위해 이온교환수지 등의 이온제거수단을 대폭으로 축소, 또는 운전시간에 따른 이온제거능력의 열화를 적게 하는 것에 의한 이온제거수단의 정기적인 유지보수가 줄거나 필요없게 된다. 또, 이와 같이 하기 위해서는 응축수탱크(16)에는 순도가 높은 물을 미리 축적해 둘 필요가 있다.

또, 본 실시예의 연료전지 발전장치에서, 연료전지 운전시, 연료전지(1)와 화학반응 후의 이용전 배출가스온도로서 60∼65℃의 가습배출 가스공기가 얻어지고, 응축기(14)에서 열수송매체로서 물과 열교환한 경우, 열수송매체의 유량이 약 0.8∼1.0L/min일 때 약 15∼20℃의 온도상승이 얻어졌다. 이 응축기(14)에서 열교환한 후, 다시 열교환수단(10)에서 열교환함으로써 냉각수 순환온도(약 70∼80℃) 부근까지 승온할 수 있다. 따라서, 연료전지(1)의 배출열회수효율이 한층 더 향상된다.

또, 상기 실시예에서는 응축기(14)를 연료전지(1)의 이용전 배출가스 중, 산화제가스만을 응축하는 구성으로 하고 있지만, 연료가스의 이용전 배출가스를 응축하는 구성을 부가하는 것에 의해서도 동일한 효과를 갖는 것은 물론이다. 또는, 연료가스만을 대상으로 응축해도 된다.

또, 물이용수단(15)에 이온교환수지를 배치하고, 그 이온교환수지를 이용하여 응축수탱크(16)로부터 연료처리장치(2), 연료측 가습기(5), 산화측 가습기(7)에 공급하는 물의 순도를 높여도 된다. 그 때, 이온교환수지는 예컨대, 응축수펌프(17)의 하류측에 배치할 수 있다. 이와 같이, 이온교환수지를 이용하면 응축수탱크(16)에 시수를 소량 공급할 필요가 생겨, 실제로 시수를 공급하였다고 해도 연료처리장치(2), 연료측 가습기(5), 산화측 가습기(7)에는 순도가 높은 물이공급된다는 효과가 나타난다.

(제 2 실시예)

도 2는 본 발명의 제 2 실시예에서의 연료전지 발전장치의 구성도이다. 도 2에서 도 9에 나타낸 종래의 연료전지 발전장치 및 도 1에 나타낸 제 1 실시예의 연료전지 발전장치와 동일한 기능을 갖는 것에 대해서는 동일부호를 부여하고, 그들 기능의 상세한 내용은 도 9, 도 1에 준하는 것으로서 설명을 생략한다.

20은 열교환수단(10)에 접속된 배출열회수배관(12)의 출구측의 열수송매체의 온도를 검지하는 배출열회수온도 검출수단이고, 온수저장탱크(13)로의 배출열회수온도를 제어수단(19)으로 출력하도록 접속되어 있다.

다음에, 동작, 작용에 대하여 설명한다.

연료전지 발전장치의 운전(발전)시에는 연료전지(1)의 발전에 의한 열을 펌프(9)를 통해 냉각수로서 순환시키고, 열교환수단(10)에 의해 배출열회수배관(12)을 흐르는 열수송매체(온수저장탱크(13)에 저장된 시수의 순환수)로 열을 반송시킨다.

또, 공기공급장치(6)에 의해, 산화제가스는 산화측 가습기(7)에서 가습되어 연료전지(1)에 공급된다. 연료전지(1)에 의한 발전에 기여하지 않은 이용전 가스는 응축기(14)에 의해 열교환수단(10)과 마찬가지로 배출열회수배관(12)을 흐르는 열수송매체(시수의 순환수)와 열교환하는 동시에, 수분이 응축되어 물이용수단(15)의 응축수탱크(16)에 응축수로서 회수된다.

제어수단(19)은 응축능력 검지수단(18)으로부터의 응축능력 검지신호를 입력하고, 응축기(14)의 응축능력이 소정값 이상, 즉 온수저장탱크(13)로의 배출열회수에 의한 고온의 온수량이 적은 경우, 즉 온수저장탱크(13)로부터 응축기(14)로 들어가는 순환수온이 저온시에는, 배출열회수온도 검출수단(20)에 의한 배출열회수온도가 소정의 온도(고분자 전해질형 연료전지의 경우 약 60∼80℃)가 되도록 순환펌프(11)의 출력을 제어하여 연료전지(1)의 배출열을 배출열회수배관(12)을 통해 회수한다. 즉, 온수저장탱크(13)의 상층부로부터 소정의 온수저장온도(약 60∼80℃)에서 적층형상으로 온수저장된다.

배출열회수는 연료전지(1) 발전시의 동작온도(고분자 전해질형 연료전지의 경우 약 70∼80℃)와 거의 같은 냉각배관(8) 중의 냉각수의 온도, 열용량에 비하여 연료전지(1)로부터 배출되는 이용전 가스 쪽이 노점도 낮고 열용량도 적기 때문에, 온수저장탱크(13)로부터의 순환수의 열교환을 응축기(14), 열교환수단(10)의 순서로 행한다.

다음에, 응축기(14)의 응축능력이 소정값 이하, 즉 온수저장탱크(13)로의 배출열회수에 의한 고온의 온수량이 많아진 경우, 즉, 온수저장탱크(13)의 온수저장량이 100%에 가깝고 응축기(14)로 들어가는 순환수온이 고온이 되었을 때에는, 제어수단(19)은 응축능력 검지수단(18)으로부터의 응축능력 검지신호가 소정값 이하로 된 것을 입력하고, 즉, 온수저장탱크(13)로의 배출열회수에 의한 온수저장이 만료에 가까워진 것과, 응축기(14)의 응축능력 저하에 따르는 응축수 회수량 저하를 확인하여 순환펌프(11)의 출력을 정지시키고, 연료전지(1)의 발전 및 배출열회수를 정지시킨다.

따라서, 응축기(14)에 의해 연료전지(1)로부터 배출되는 이용전 배출가스를 응축하여 물을 회수하는 동시에, 응축능력 검지수단(18)에 의해 응축기(14)의 응축능력을 항상 감시하고, 응축능력 보유시에는 제어수단(19)에 의해 순환펌프(11)의 출력을 제어하여 연료전지(1)의 배출열을 온수저장탱크(13)에 축적하며, 또 응축능력 저하시에는 순환펌프(11)를 정지시켜 배출열회수를 종료시킨다.

이 때문에, 연료처리장치(2)의 개질기(3)나 일산화탄소 변성기(4)로의 개질·변성을 위한 물, 연료측 가습기(5), 산화측 가습기(7)에서의 공급가스, 공급공기를 가습하기 위한 물을 응축기(14)에 의한 응축으로 얻어진 회수수에 의해 외부로부터 공급하지 않고 자급이 가능해진다.

또, 외부로부터 물(시수)을 공급한 경우의 염소이온 등이나 배관계통으로부터 용출되는 금속이온 등에 의한 연료처리장치(2)의 개질기(3), 일산화탄소 변성기(4)에 내장된 개질촉매, 변성촉매의 열화를 피할 수 있다. 또, 연료가스, 산화제가스가 이온화하여 전기전도도가 상승하여 연료전지의 발전에 지장을 초래하는 것을 피할 수 있다. 또, 연료가스 공급시스템, 산화제가스 공급시스템에서, 시수 등의 일반수의 염소이온 등을 제거하기 위해 이온교환수지 등의 이온제거수단을 대폭으로 축소, 또는 운전시간에 따른 이온제거능력의 열화를 적게 하는 것에 의한 이온제거수단의 정기적인 유지보수가 줄거나 필요없게 된다. 또, 이와 같이 하기 위해서는, 응축수탱크(16)에는 순도가 높은 물을 미리 축적해 둘 필요가 있다.

또, 배출열회수온도 검지수단(20)에 의해 배출열회수온도를 소정의 온도가 되도록 제어수단(19)에 의해 순환펌프(11)의 출력을 제어하므로, 온수저장탱크(13)로의 온수저장이 상층부로부터 적층형상으로 행해지기 때문에, 온수공급배관구를 온수저장탱크(13)의 상부로부터 인출하는 통상의 온수공급배관구성에 있어서, 온수저장온도를 항상 고온(60∼80℃)으로 확보하면서 온수저장탱크(13) 전량을 모두 사용한 경우에도 온수저장탱크(13) 전체를 균일하게 온수저장하는 방식에 비하여, 단시간의 발전으로 필요최소한의 온수저장량을 확보할 수 있다.

또, 본 실시예의 연료전지 발전장치에서, 연료전지 운전시, 연료전지(1)와 화학반응 후의 이용전 배출가스온도로서 60∼65℃의 가습배출가스공기가 얻어지고, 응축기(14)에서 열수송매체로서 물과 열교환한 경우, 열수송매체의 유량이 약 0.8∼1.0L/min일 때 약 15∼20℃의 온도상승이 얻어졌다. 이 응축기(14)에서 열교환한 후, 열교환수단(10)에서 추가로 열교환함으로써, 냉각수 순환온도(약 70∼80℃) 부근까지 승온할 수 있다. 따라서, 연료전지(1)의 배출열회수효율이 한층 더 향상된다.

또, 상기 실시예에서는 응축기(14)를 연료전지(1)의 이용전 배출가스 중, 산화제가스만을 응축하는 구성으로 하고 있지만, 연료가스의 이용전 배출가스를 응축하는 구성을 부가함으로써도 동일한 효과를 갖는 것은 물론이다. 또는, 연료가스만을 대상으로 응축해도 된다.

(제 3 실시예)

도 3은 본 발명의 제 3 실시예에서의 연료전지 발전장치의 구성도이다.

도 3에서, 도 9에 나타낸 종래의 연료전지 발전장치 및 도 1에 나타낸 제 1 실시예의 연료전지 발전장치와 동일한 기능을 갖는 것에 대해서는 동일부호를 부여하고, 그들 기능의 상세한 내용은 도 9, 도 1에 준하는 것으로서 설명을 생략한다.

21은 응축기(14)의 응축능력을 검지하는 응축능력 검지수단이고, 응축기(14)로의 열수송매체의 입구온도를 검지하는 응축기온도 검지수단으로서의 서미스터이다.

다음에 동작, 작용에 대하여 설명한다.

제어수단(19)은 응축기온도 검지수단(21)으로부터의 응축능력 검지신호(열수송매체의 응축기 입구온도)를 입력하고, 배기가스측의 온도(60℃∼65℃)에 비해 충분히 낮을 때, 즉 온수저장탱크(13)로의 배출열회수에 의한 고온의 온수량이 적은 경우에는 응축기(14)의 응축 능력이 소정값 이상이라고 판단하고, 순환펌프(11)의 출력을 제어하여 연료전지(1)의 배출열을 배출열회수배관(12)을 통해 회수한다.

다음에, 응축기(14)의 응축능력이 소정값 이하, 즉 온수저장탱크(13)로의 배출열회수에 의한 고온의 온수량이 많아진 경우에는 응축기온도 검지수단(21)의 응축능력 검지신호(열수송매체의 응축기 입구온도)가 소정값 이상이 되고, 응축기(14)의 응축능력 저하에 따르는 응축수 회수량 저하를 확인하여 순환펌프(11)의 출력을 정지시키고, 연료전지(1)의 발전 및 배출열회수를 정지시킨다.

따라서, 응축기(14)에 의해 연료전지(1)로부터 배출되는 이용전 배출가스를 응축하여 물을 회수하는 동시에, 응축기온도 검지수단(21)에 의해 응축기(14)의 응축능력을 항상 감시하고, 응축능력 보유시에는 제어수단(19)에 의해 순환펌프(11)의 출력을 제어하여 연료전지(1)의 배출열을 온수저장탱크(13)에 축적하며, 또 응축능력 저하시에는 순환펌프(11)를 정지시켜 배출열회수를 종료시킨다.

이 때문에, 제 1 실시예와 동일한 작용, 효과를 얻을 수 있다.

또, 제 2 실시예에 응용하면 제 2 실시예와 동일한 작용, 효과를 얻을 수 있다.

또, 응축기온도 검지수단을 응축기(14)의 입구에 하나의 서미스터를 부가하는 간단한 구성으로 실현할 수 있으므로, 연료전지 발전장치의 소형화, 합리화가 가능하다.

또, 상기 실시예에서는 응축기(14)의 응축능력을 검지하는 응축기온도 검지수단을 응축기(14)로의 열수송매체의 입구온도를 검지하는 구성으로 하고 있지만, 응축기(14)의 열수송매체의 출구온도를 검지하는 구성으로 해도 동일한 효과를 거두는 것은 물론이다.

(제 4 실시예)

도 4는 본 발명의 제 4 실시예에서의 연료전지 발전장치의 구성도이다.

도 4에서, 도 9에 나타낸 종래의 연료전지 발전장치 및 도 1에 나타낸 제 1 실시예의 연료전지 발전장치와 동일한 기능을 갖는 것에 대해서는 동일부호를 부여하고, 그들 기능의 상세한 내용은 도 9, 도 1에 준하는 것으로서 설명을 생략한다.

22, 23, 24는 응축기(14)의 응축능력을 검지하는 응축능력 검지수단이고, 온수저장탱크(13)의 배출열회수에 의한 축열온도분포를 파악하기 위해 설치된 복수의 열이용온도 검지수단으로서의 서미스터이다.

다음에 동작, 작용에 대하여 설명한다.

또, 공기공급장치(6)에 의해 산화제가스는 산화측 가습기(7)에서 가습되어 연료전지(1)에 공급된다. 연료전지(1)에 의한 발전에 기여하지 않은 이용전 가스는 응축기(14)에 의해 열교환수단(10)과 마찬가지로 배출열회수배관(12)을 흐르는 열수송매체(시수의 순환수)와 열교환하는 동시에 수분이 응축되어 물이용수단(15)의 응축수탱크(16)에 응축수로서 회수된다.

제어수단(19)은 열이용온도 검지수단(22, 23, 24)으로부터의 축열온도분포 검지신호를 입력하고, 응축기(14)의 응축능력이 소정값 이상, 즉 온수저장탱크(13)로의 배출열회수에 의한 고온의 온수량이 적은 경우(열이용온도 검지수단(22, 23, 24) 중, 배출열회수배관(12)의 순환수 흡입측에 가까운 열이용온도 검지수단(24)의 검지온도가 소정값 이하)에는 순환펌프(11)의 출력을 제어하여 연료전지(1)의 배출열을 배출열회수배관(12)을 통해 회수한다.

다음에, 응축기(14)의 응축능력이 소정값 이하, 즉 온수저장탱크(13)로의 배출열회수에 의한 고온의 온수량이 많아진 경우(열이용온도 검지수단(22, 23, 24) 중, 배출열회수배관(12)의 순환수 흡입측에 가까운 열이용온도 검지수단(24)의 검지온도가 소정값 이상)에는 배출열회수배관(12)의 순환수의 온도상승에 따르는 응축기(14)의 응축능력 저하(응축수 회수량 저하)를 예측하여 순환펌프(11)의 출력을 정지시키고, 연료전지(1)의 발전 및 배출열회수를 정지시킨다.

따라서, 응축기(14)에 의해 연료전지(1)로부터 배출되는 이용전 배출가스를 응축하여 물을 회수하는 동시에, 열이용온도 검지수단(22, 23, 24)에 의해 응축기(14)의 응축능력을 항상 감시하고, 응축능력 보유시에는 제어수단(19)에 의해 순환펌프(11)의 출력을 제어하여 연료전지(1)의 배출열을 온수저장탱크(13)에 축적하며, 또 응축능력 저하시에는 순환펌프(11)를 정지시켜 배출열회수를 종료시킨다.

또, 제 2 실시예에 응용하면, 제 2 실시예와 동일한 작용, 효과를 얻을 수 있다.

또, 응축기온도 검지수단을 열이용수단(온수저장탱크)의 축열온도분포를 파악하는 열이용온도 검지수단으로서의 서미스터와 겸용할 수 있으므로, 연료전지 발전장치의 소형화, 합리화가 가능하다.

(제 5 실시예)

도 5는 본 발명의 제 5 실시예에서의 연료전지 발전장치의 구성도이다.

도 5에서, 도 9에 나타낸 종래의 연료전지 발전장치 및 도 2에 나타낸 제 2 실시예의 연료전지 발전장치와 동일한 기능을 갖는 것에 대해서는 동일부호를 부여하고, 그들 기능의 상세한 내용은 도 9, 도 2에 준하는 것으로서 설명을 생략한다.

응축능력 검지수단의 구성은 제어수단(19)이 열교환수단(10)에 접속된 배출열회수배관(12)의 출구측의 열수송매체의 온도를 검지하는 배출열회수온도 검출수단(20)으로부터의 배출열회수온도를 입력하고, 배출열회수온도가 소정의 온도(60∼80℃)가 되도록 순환펌프(11)의 출력을 제어하도록 되어 있기 때문에, 순환펌프(11)로의 출력값과 배출열회수배관(12) 중 순환펌프(11)의 흡입측의 순환수온도가 상관관계를 갖는 것을 이용하여 응축능력을 검지하는 구성으로 하고 있다. 즉, 응축능력이 높은 경우는 응축기(14)의 배기가스측의 온도보다 응축기(14)의 열수송매체측의 온도 쪽이 충분히 낮게 냉각되는 경우이기 때문에, 상기 배출열회수온도를 소정의 온도(60∼80℃)로 유지하기 위해서는 순환펌프(11)가 천천히 돌게 된다. 반대로, 응축능력이 낮은 경우는 응축기(14)의 배기가스측의 온도보다 응축기(14)의 열수송매체측의 온도 쪽이 충분히 낮지 않아 고온인 경우이기 때문에, 상기 배출열회수온도를 소정의 온도(60∼80℃)로 유지하기 위해서는 순환펌프(11)는 빠르게 돌게 된다.

따라서, 순환펌프(11)로의 회전속도지령을 보면 응축능력을 알 수 있게 된다.

다음에 동작, 작용에 대하여 설명한다.

제어수단(19)은 배출열회수배관(12)의 출구측의 열수송매체의 온도를 검지하는 배출열회수온도 검출수단(20)으로부터의 배출열회수온도를 입력하고, 응축기(14)의 응축능력이 소정값 이상, 즉 온수저장탱크(13)로의 배출열회수에 의한 고온의 온수량이 적은 경우, 즉 항상 배출열회수온도가 소정의 온도(60∼80℃)가 되도록 출력하는 순환펌프(11)의 출력값이 소정값 이하인 경우에는 순환펌프(11)의 출력을 제어하여 연료전지(1)의 배출열을 배출열회수배관(12)을 통해 회수한다.

다음에, 응축기(14)의 응축능력이 소정값 이하, 즉 온수저장탱크(13)로의 배출열회수에 의한 고온의 온수량이 많아진 경우, 즉 항상 배출열회수온도가 소정의 온도(60∼80℃)가 되도록 출력하는 순환펌프(11)의 출력값이 소정값 이상인 경우에는 배출열회수배관(12)의 순환수 온도상승에 따르는 응축기(14)의 응축능력 저하(응축수 회수량 저하)를 예측하여, 순환펌프(11)의 출력을 정지시키고, 연료전지(1)의 발전 및 배출열회수를 정지시킨다.

따라서, 응축기(14)에 의해 연료전지(1)로부터 배출되는 이용전 배출가스를 응축하여 물을 회수하는 동시에, 배출열회수온도 검출수단(20)으로부터의 배출열회수온도를 입력하고, 순환펌프(11)의 출력을 제어하는 제어수단(19)에 의해 응축기(14)의 응축능력을 항상 감시하며, 응축능력 보유시에는 제어수단(19)에 의해 순환펌프(11)의 출력을 제어하여 연료전지(1)의 배출열을 온수저장탱크(13)에 축적하고, 또 응축능력 저하시에는 순환펌프(11)를 정지시켜 배출열회수를 종료시킨다.

이 때문에, 제 2 실시예와 동일한 작용, 효과를 얻을 수 있다.

또, 응축기온도 검지수단(20)은 제어수단(19)이 배출열회수배관(12)의 출구측의 열수송매체의 온도를 검지하는 배출열회수온도 검출수단으로부터의 배출열회수온도를 입력하고, 배출열회수온도가 소정의 온도(60∼80℃)가 되도록 순환펌프(11)의 출력을 제어하는 것을 이용하여, 순환펌프로의 출력값과 배출열회수배관 중, 순환펌프의 흡입측의 순환수 온도가 상관관계가 되기 때문에 제어수단(19)을 응축기온도 검지수단과 겸용할 수 있으므로, 연료전지 발전장치를 한층 소형화, 합리화할 수 있다.

다음에, 본 발명의 다른 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.

(제 6 실시예)

도 6은 본 발명의 제 6 실시예에 의한 연료전지 발전장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 6에 나타내는 바와 같이, 본 실시예의 연료전지 발전장치는 연료가스와 산화제를 이용하여 발전을 행하는 연료전지(1), 천연가스 등의 발전원료에 물을 첨가하고 개질하여 수소가 풍부한 연료가스를 생성하는 연료생성기(32), 산화제로서의 공기를 연료전지(1)에 공급하는 송풍기(blower)(33), 연료전지(1)가 발생하는 열을 외부로 인출하는 제 1 열매체로서 냉각수를 연료전지(1)로 유통시키는 냉각배관(34), 냉각배관(34)에 위치하여 냉각수를 반송하는 냉각수펌프(35), 제 1 열매체로서의 냉각수의 열을 제 2 열매체로서의 시수에 전달하는 열교환기(36), 시수를 저장하는 온수저장탱크(37), 열교환기(36)와 온수저장탱크(37)를 접속하는 시수배관(38) 및 시수를 반송하는 시수펌프(39)를 구비하고 있다.

또, 도 7은 본 발명의 제 6 실시예에서의 연료전지 발전장치의 발전중 및 발전정지 후의 냉각수펌프(35)와 시수펌프(39)의 운전형태를 나타내는 플로우차트이다.

이상과 같은 구성을 갖는 본 실시예에 의한 연료전지 발전장치의 동작을 이하에 설명한다.

연료전지(1)는 연료생성기(32)에 의해 생성된 수소가 풍부한 연료가스와 송풍기(33)가 공급하는 공기로부터 전력 및 열을 발생시킨다.

연료생성기(32)는 천연가스 등의 발전원료에 물을 첨가하여 수소가 풍부한 연료가스를 생성하기 때문에, 천연가스 등을 연소시키는 버너(도시생략)에 의해 고온(약 700℃)으로 유지되어 있다.

연료전지(1)에서 발생한 열은 냉각배관(34) 내를 흐르는 냉각수에 의해 외부로 반송된다. 냉각수의 유량은 냉각수가 연료전지(1)로부터 유출하는 곳에 설치된 연료전지 온도검지기(10)가 검지하는 냉각수의 온도 Tf가 목표온도 Tr1(약 70℃)과 일치하는 냉각수펌프(35)의 반송능력을 조절한다. 여기서, 온도를 연료전지(1)의 온도는 연료전지(1)로부터 유출하는 온도와 거의 같다고 생각되므로, 연료전지 온도검지기(10)가 검지하는 온도를 연료전지(1)의 온도로 간주해도 된다.

냉각수가 얻은 열은 열교환기(36)를 통해 시수배관(38) 내를 흐르는 시수로 전달된다. 시수의 유량은 시수가 열교환기(36)로부터 유출하는 곳에 설치된 시수온도 검지기(311)가 검지하는 시수의 온도 Tw가 목표온도 Tr2(약 60℃)와 일치하도록 시수펌프(39)의 반송능력을 조절한다.

다음에, 연료전지(1)의 발전을 종료할 때에는 원료가스 및 물을 연료생성기(32)로 공급하는 것을 정지하는 동시에, 연료생성기(32)로부터 연료전지(1)로의 원료가스 및 연료가스의 유통경로와 연료전지(1) 내에서의 원료 가스 및 연료가스의 유통경로 모두에 질소 등의 비활성가스를 보내어 연료생성기, 유통경로 및 연료전지(1) 내에 잔류하는 가연가스를 연료전지 발전장치 내에서 배출한다.

더욱 자세하게는, 도 7의 플로우차트를 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

우선, 발전 중 연료전지 온도검지기(310)는 연료전지(1)의 온도에 상당하는 연료전지(1)로부터 유출되는 냉각수의 온도 Tf를 검지한다(001).

검지한 온도 Tf가 미리 정한 목표온도 Tr1보다 높은 경우에는 냉각수펌프(35)의 냉각수 반송능력을 크게 하고, 반대로, 검지한 온도 Tf가 목표온도 Tr1보다 낮은 경우에는 냉각수펌프(35)의 냉각수 반송능력을 작게 한다(002). 여기서, 냉각수펌프(35)의 냉각수 반송능력을 결정하기 위해서는 일반적으로 이용되는 PID 컨트롤러를 이용하여 냉각수의 온도 Tf가 목표온도 Tr1과 일치하도록 냉각수펌프(35)의 냉각수 반송동력을 연산하여 냉각수펌프(35)를 운전하면 된다.

계속해서, 시수온도 검지기(311)는 열교환기(36)로부터 유출되는 시수의 온도 Tw를 검지한다(003).

검지한 온도 Tw가 미리 정한 목표온도 Tr2보다 높은 경우에는 시수펌프(39)의 시수반송능력을 크게 하고, 반대로, 검지한 온도 Tw가 목표온도 Tr2보다 낮은 경우에는 시수펌프(39)의 시수반송능력을 작게 한다(004). 여기서, 시수펌프(39)의 시수반송능력을 결정하기 위해서는 일반적으로 이용되는 PID 컨트롤러를 이용하여 시수의 온도 Tw가 목표온도 Tr2와 일치하도록 시수펌프(39)의 시수반송동력을 연산하여 시수펌프(39)를 운전하면 된다.

다음에, 연료전지 발전장치가 발전정지되어 있는지의 여부를 도시하지 않은 시스템의 컨트롤러가 판단하여(005), 계속 발전 중이면 다시 처리 002로 돌아가고, 상기 흐름에 기초하는 운전을 반복한다.

한편, 연료전지(1)의 발전이 정지되는 경우는 연료발생기(32)로부터의 연료가스의 공급 및 송풍기(33)로부터의 공기의 공급은 정지되고, 연료생성기(32) 및 연료전지(1)로의 비활성가스의 도입이 시작되지만, 연료전지 온도검지기(310)는 냉각수의 온도 Tf와 미리 정한 임계온도 Te1(약 60℃)을 비교하여(006), 냉각수의 온도 Tf가 임계온도 Te1(약 60℃)보다 높은 경우에는 처리 002로 돌아가고, 상기 흐름에 기초하는 운전을 반복한다.

냉각수의 온도 Tf가 임계온도 Te1(약 60℃)보다 낮아진 경우에는 냉각수펌프(35)와 시수펌프(39)의 운전을 정지한다.

이상과 같이, 본 실시예에서는 연료전지(1)가 발하는 열을 외부로 반송하기 위한 냉각수펌프(35)와 시수펌프(39)는 연료전지(1)가 발전정지하더라도 계속 운전하기 때문에, 연료생성기(32)와 연료전지(1)의 원료가스 및 연료가스의 유통경로로 질소 등의 비활성가스를 연료전지(1)로 보내더라도 비활성가스 및 비활성가스에 의해 반송되는 고열의 잔류연료가스가 보유하고 있는 열은 냉각수를 통해 외부로 배출되기 때문에, 연료전지(1)가 부분적으로도 고온이 되는 일은 없다. 그 때문에, 연료전지(1)에 고체고분자형을 이용하고 있어도 고체고분자막이 부분적으로 건조되는 경우가 발생하지 않아, 연료전지(1)의 발전효율을 현저하게 저하시키는 경우는 발생하지 않는다.

또, 연료전지 발전장치의 발전을 정지하는 시점에서, 냉각수펌프(35)와 시수펌프(39)는 연료전지(1)가 발전정지하더라도 계속 운전하여, 냉각수의 온도 Tf가 임계온도 Te1보다 낮아진 시점에서 정지하도록 함으로써, 연료전지(1)의 발전시에발생하고 있던 열을 효율적으로 회수할 수 있게 된다.

또, 냉각수의 온도 Tf가 임계온도 Te1보다 낮은 경우에는 냉각수펌프(35)와 시수펌프(39)를 정지하기 때문에, 온수저장하고 있는 시수의 온도를 필요 이상으로 저하시키지 않아 이용가치가 높은 온도로 시수를 유지시킬 수 있다.

(제 7 실시예)

다음에, 본 발명의 제 7 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.

본 실시예도 제 6 실시예와 동일한 구성을 갖기 때문에, 설명에는 도 6을 이용하고, 상세한 설명은 본 발명의 제 6 실시예에서의 연료전지 발전장치에 준하는 것으로 한다.

또, 도 8은 본 발명의 제 7 실시예에서의 연료전지 발전장치의 발전중 및 발전정지 후의 냉각수펌프(35)와 시수펌프(39)의 운전형태를 나타내는 플로우차트이다.

우선, 연료전지 온도검지기(310)는 연료전지(1)의 온도에 상당하는 연료전지(1)로부터 유출되는 냉각수의 온도 Tf를 검지한다(001).

검지한 온도 Tf가 미리 정한 목표온도 Tr1보다 높은 경우에는 냉각수펌프(35)의 냉각수 반송능력을 크게 하고, 반대로, 검지한 온도 Tf가 목표온도 Tr1보다 낮은 경우에는 냉각수펌프(35)의 냉각수 반송능력을 작게 한다(002). 여기서, 냉각수펌프(35)의 냉각수 반송능력을 결정하기 위해서는, 일반적으로 이용되는 PID 컨트롤러를 이용하여 냉각수의 온도 Tf가 목표온도 Tr1과 일치하도록 냉각수펌프(35)의 냉각수 반송동력을 연산하여 냉각수펌프(35)를 운전하면 된다.

계속해서, 시수온도 검지기(311)는 열교환기(36)로부터 유출되는 시수의 온도 Tw를 검지한다(003). 검지한 온도 Tw가 미리 정한 목표온도 Tr2보다 높은 경우에는 시수펌프(39)의 시수반송능력을 크게 하고, 반대로, 검지한 온도 Tw가 목표온도 Tr2보다 낮은 경우에는 시수펌프(39)의 시수반송능력을 작게 한다(004). 여기서, 시수펌프(39)의 시수반송능력을 결정하기 위해서는, 일반적으로 이용되는 PID 컨트롤러를 이용하여 시수의 온도 Tw가 목표온도 Tr2와 일치하도록 시수펌프(39)의 시수반송동력을 연산하여 시수펌프(39)를 운전하면 된다.

그리고, 연료전지 발전장치가 발전정지되어 있는지의 여부를 도시하지 않은 시스템의 컨트롤러가 판단하여(005), 계속 발전 중이면 다시 처리 002로 돌아가고, 상기 흐름에 기초하는 운전을 반복한다.

한편, 연료전지(1)의 발전이 정지된 경우에는, 시수의 온도 Tw와 미리 정한 임계온도 Te2(약 55℃)를 비교하여(006), 시수의 온도 Tw가 임계온도 Te2(약 55℃)보다 높은 경우에는 처리 002로 돌아가고, 상기 흐름에 기초하는 운전을 반복한다.

시수의 온도 Tw가 임계온도 Te2(약 55℃)보다 낮아진 경우에는 냉각수펌프(35)와 시수펌프(39)의 운전을 정지한다.

이상과 같이, 본 실시예에서는 연료전지 발전장치의 발전을 정지하는 시점에서, 연료전지(1)가 발하는 열을 외부로 반송하기 위한 냉각수펌프(35)와 시수펌프(39)는 연료전지(1)가 발전정지하더라도 계속 운전하고, 시수의 온도 Tw가임계온도 Te2보다 낮아진 시점에서 정지하도록 함으로써, 연료전지(1)의 발전시에 발생하고, 발전정지 후에 연료전지(1) 내에 유지되어 있던 열도 효율적으로 회수할 수 있게 된다.

또, 시수의 온도 Tw가 임계온도 Te2보다 낮은 경우에는 냉각수펌프(35)와 시수펌프(39)를 정지하기 때문에, 온수저장하고 있는 시수의 온도를 필요 이상으로 저하시키지 않아 이용가치가 높은 온도로 시수를 유지시킬 수 있다.

또, 냉각수펌프(35)와 시수펌프(39)를 정지하는 타이밍을 열을 실제로 이용하는 시수의 온도로 정하기 때문에, 정확한 온수저장온도의 관리가 가능해진다.

또, 제 6 실시예와 마찬가지로, 발전정지에 있어서 연료생성기(32)와 연료전지(1)의 원료가스 및 연료가스의 유통경로로 질소 등의 비활성가스를 연료전지(1)로 보내더라도, 비활성가스 및 비활성가스에 의해 반송되는 고열의 잔류연료가스가 보유하고 있는 열은 냉각수를 통해 외부로 배출되기 때문에, 연료전지(1)가 부분적이라도 고온이 되는 경우는 없다. 그 때문에, 연료전지(1)에 고체고분자형을 이용하고 있더라도 고체고분자막이 부분적으로 건조되어버리는 경우가 발생하지 않아, 연료전지(1)의 발전효율을 현저히 저하시키는 경우는 발생하지 않는다.

또, 본 발명의 제 6 실시예, 제 7 실시예에서, 연료전지(1)의 목표온도 Tr1을 70℃, 시수의 목표온도 Tr2를 60℃로 하고 있지만, 목표온도 Tr1은 연료전지(1)의 발전이 효율적으로 행해지는 온도로 설정되어야 하며 70℃로 한정되는 것은 아니고, 목표온도 Tr2도 시수를 온수저장탱크(7)에 저장하는 온도로서 바람직한 온도로 설정되어야 하며 60℃로 한정되는 것은 아니다.

또, 본 발명의 제 6 실시예에서, 냉각수펌프(35)와 시수펌프(39)의 운전을 정지하는 임계온도 Te1을 60℃로 하였지만, 시수를 온수저장탱크(7)에 저장하는 온도로서 바람직한 온도로 열교환기(36)에서의 손실을 생각하여 몇도 높게 설정되어야 하며 60℃로 한정되는 것은 아니다.

또, 본 발명의 제 7 실시예에서, 냉각수펌프(35)와 시수펌프(39)의 운전을 정지하는 임계온도 Te2를 55℃로 하였지만, 시수를 온수저장탱크(7)에 저장하는 온도로서 바람직한 온도로 설정되어야 하며 55℃로 한정되는 것은 아니다.

또, 상기 각 제 6 실시예, 제 7 실시예에서, 연료전지(1)는 본 발명의 연료전지의 일례이고, 냉각배관(34)은 본 발명의 냉각순환시스템의 일례이다. 또, 냉각수펌프(35)는 본 발명의 열매체 순환수단의 일례이고, 열교환기(36) 및 시수펌프(39)는 본 발명의 방열수단 또는 열교환기의 일례이며, 연료전지 온도검출기(310) 및 시수온도 검지기(311)는 본 발명의 온도검출수단의 일례이다. 또, 냉각배관(34) 내를 반송되는 냉각수는 본 발명의 제 1 열매체의 일례이고, 시수배관(38) 내를 반송되는 시수는 본 발명의 제 2 열매체의 일례이다.

또, 본 발명은 상기의 제 6 실시예, 제 7 실시예의 구성에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 온도검출수단은 연료전지(1)의 온도를 직접 측정하여, 그 온도를 얻도록 해도 된다. 또, 열교환기(36)의 온도를 측정하도록 해도 되고, 시수배관(38)의 온도를 측정하도록 해도 된다. 즉, 본 발명의 온도검출수단은 연료전지의 온도를 직접적 또는 간접적으로 검출할 수 있거나, 또는 본 발명의 제 2 열매체의 온도를 검출할 수 있으면 되고, 그 측정부위에 따라 한정되는 것은 아니다.

또, 본 발명의 제 1 열매체는 냉각수(H₂O)로 한정할 필요는 없고, 그 밖에 부동액 등, 절연성이고 연료전지의 열을 충분히 담지할 수 있는 매체이면 된다.

또, 본 발명의 방열수단은 온수저장층(7) 및 시수배관(38)을 생략하고, 열교환기(36)가 공기 중에 열을 방출하는 구성이어도 된다. 이 경우, 열매체 순환수단에 대응하는 펌프(35)만이 소정의 임계값이 될 때까지 동작하게 된다. 또, 방열수단이 열매체의 순환 등, 방열을 위한 동작을 행하는 등의 구성이라도 열매체 순환수단만이 연료전지로의 연료 및 산화제의 공급정지 후에도 동작하는 것이어도 된다.

또, 본 발명의 연료전지의 냉각방법에서의 냉각시스템(도 6의 100 참조)은 본 발명의 연료전지 발전장치에서의 적어도 냉각순환시스템과, 열매체 순환수단과, 방열수단으로 구성되는 것이다.

이상과 같은 본 발명은, 연료전지(1)의 발전정지후, 냉각수의 온도 Tr이 임계온도 Te1(약 60℃)보다 낮아질 때까지, 또는 시수의 온도 Tw가 임계온도 Te2(약 55℃)보다 낮아질 때까지, 냉각수펌프(35)와 시수펌프(39)의 운전을 계속함으로써, 발전 중에 연료전지(1)가 발생한 열을 효율적으로 회수하는 것이 가능해진다. 냉각수 또는 시수의 온도가 임계온도보다 낮아졌을 때에 냉각수펌프(35)와 시수펌프(39)를 정지하기 때문에, 온수저장하고 있는 시수의 온도를 필요 이상으로 저하시키지 않아, 이용가치가 높은 온도로 시수를 유지시키는 것이 가능하다.

또, 발전정지 후에 원료가스, 연료가스경로를 통과해 온 비활성가스에 의한연료전지(1)의 온도상승을 초래하지 않기 때문에, 연료전지(1)에 고체고분자형을 이용하고 있어도 고체고분자막이 부분적으로 건조되어 버리는 경우가 발생하지 않아, 연료전지(1)의 발전효율을 현저하게 저하시키는 경우는 발생하지 않고, 신뢰성이 높은 연료전지 발전장치의 제공이 가능해진다.

이상의 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 이온제거수단을 구비하지 않고, 연료전지의 발전에 지장을 초래하지 않는 연료전지 발전장치를 제공할 수 있다.

다시 설명하면, 본 발명의 연료전지 발전장치에 의하면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

응축기의 응축능력을 항상 감시하고, 응축능력 보유시에 연료전지의 배출열을 열이용수단에 축적하는 구성으로 하고 있기 때문에, 연료처리장치의 개질기나 일산화탄소 변성기로의 개질·변성을 위한 물, 연료측 가습기, 산화측 가습기에서의 공급가스, 공급공기를 가습하기 때문에 물을 응축기에 의한 응축으로 얻어진 회수수에 의해 외부로부터 공급하지 않고 자급이 가능해진다.

또, 외부로부터 물(시수)을 공급한 경우의 염소이온 등이나 배관계통으로부터 용출하는 금속이온 등에 의한 연료처리장치의 개질기, 일산화탄소 변성기에 내장된 개질촉매, 변성촉매의 열화를 피할 수 있다.

또, 연료가스, 산화제가스가 이온화하고 전기전도도가 상승하여 연료전지의 발전에 지장을 초래하는 것을 피할 수 있다.

또, 연료가스 공급시스템, 산화제가스 공급시스템에서, 시수 등의 일반수의 염소이온 등을 제거하기 때문에 이온교환수지 등의 이온제거수단을 대폭으로 축소 또는 운전시간에 따른 이온제거능력의 열화를 적게 하는 것에 의한 이온제거수단의 정기적인 유지보수가 줄거나 필요없게 된다.

또, 배출열회수온도 검지수단에 의해 배출열회수온도를 소정의 온도가 되도록 제어수단에 의해 순환펌프의 출력을 제어하므로, 온수저장탱크로의 온수저장이 상층부로부터 적층형상으로 행해지기 때문에, 온수공급배관구를 온수저장탱크의 상부로부터 인출하는 통상의 온수공급배관구성에서, 온수저장온도를 항상 고온(60∼80℃)으로 확보할 수 있고, 또한 온수저장탱크 전량(全量)을 모두 사용한 경우에도 단시간의 발전으로 필요최소한의 온수저장량을 확보할 수 있다. 따라서, 탱크 전량의 물을 일률적으로 승온시키는 경우에 비하여, 단시간에 이용가능온도의 온수가 얻어져 더욱 편리해진다.

또, 본 발명은 발전종료 후에 연료전지의 발전효율을 저하시키는 경우를 초래하지 않는 연료전지 발전장치를 제공할 수 있다.

또, 연료전지에서 발생한 열을 효율적으로 외부로 인출하여, 유효한 형태로 열을 이용하는 연료전지 발전장치를 제공할 수 있다.

Claims

연료가스와 산화제가스를 이용하여 발전을 행하는 연료전지와,

그 연료전지로부터 배출되는 이용전 배출가스의 적어도 일부를 응축하는 응축기와,

그 응축기로부터 배출되는 응축수를 적어도 상기 연료가스 및 상기 산화제가스 중 적어도 한쪽의 가습에 이용하는 물이용수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전장치.
제 1항에 있어서,

상기 연료전지로부터의 발전에 의한 배출열을 열교환에 의해 회수하는 열교환수단과,

그 열교환수단에서 배출열을 회수한 열수송매체를 축적하는 열이용수단과,

상기 열교환수단과 상기 열이용수단과의 사이에서 상기 열수송매체를 순환시키는 순환수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전장치.
제 2항에 있어서,

상기 열수송매체가 상기 응축기를 통과하고, 그 응축기에서 상기 열수송매체가 상기 이용전 배출가스의 응축화에 기여하도록 구성되어 있으며, 상기 응축기의 응축능력을 검지하는 응축능력 검지수단과, 그 응축능력 검지수단의 검지신호에 기초하여 상기 순환수단의 출력을 제어하는 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전장치.
제 3항에 있어서,

상기 응축능력 검지수단이 상기 응축기로부터의 응축수의 온도를 검지하는 응축수온도 검지수단인 것을 특징으로 하는 연료전지 발전장치.
제 4항에 있어서,

상기 열교환수단에서 배출열을 회수한 상기 열수송매체의 온도를 검지하는 매체온도 검지수단을 추가로 구비하며,

상기 제어수단이 상기 매체온도 검지수단에 의해 검지된 상기 열수송매체의 온도를 이용하여 상기 순환수단의 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전장치.
제 3항에 있어서,

상기 응축능력 검지수단이 상기 응축기에 들어가는 상기 열수송매체의 온도를 검지하는 매체온도 검지수단이거나, 또는 상기 응축기로부터 나온 상기 열수송매체의 온도를 검지하는 매체온도 검지수단인 것을 특징으로 하는 연료전지 발전장치.
제 3항에 있어서,

상기 응축능력 검지수단이 상기 열이용수단의 온도를 검지하는 열이용온도 검지수단인 것을 특징으로 하는 연료전지 발전장치.
제 3항에 있어서,

상기 응축능력 검지수단이 상기 열교환수단에서 배출열을 회수한 상기 열수송매체의 온도를 검지하는 매체온도 검지수단인 것을 특징으로 하는 연료전지 발전장치.
제 1항에 있어서,

상기 응축기에서 응축의 대상이 되는 이용전 배출가스는 산화제가스 및 연료가스 중 적어도 한쪽인 것을 특징으로 하는 연료전지 발전장치.
제 1항에 있어서,

상기 연료와 상기 산화제의 상기 연료전지로의 공급이 정지된 후에도 상기 연료전지의 온도가 소정의 임계값 이하가 될 때까지 냉각동작을 계속 행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전장치.
제 1항에 있어서.

상기 연료전지 내를 통과하도록 설치된, 상기 연료전지가 갖는 열을 갖고 있는 제 1 열매체가 순환하는 냉각순환시스템과,

상기 냉각순환시스템에서 상기 제 1 열매체를 순환시키는 열매체 순환수단과,

상기 제 1 열매체가 갖는 열을 방열시키기 위한 방열수단과,

상기 연료전지의 온도를 직접적 또는 간접적으로 검출하는 온도검출수단을 추가로 구비하며,

적어도 상기 열매체 순환수단은 상기 연료와 상기 산화제의 상기 연료전지로의 공급이 정지된 후, 상기 온도검출수단이 검출하는 온도가 소정의 임계값 이하가 될 때까지 동작하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전장치.
제 11항에 있어서,

상기 방열수단은 상기 제 1 열매체와 제 2 열매체와의 사이에서 열교환을 행하는 열교환기를 갖고,

상기 열교환기는 상기 연료와 상기 산화제의 상기 연료전지로의 공급이 정지된 후, 상기 온도검출수단이 검출하는 온도가 미리 정해진 임계값 이하가 될 때까지 상기 열교환동작을 행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전장치.
제 11항 또는 제 12항에 있어서,

상기 온도검출수단이 검출하는 온도는 상기 제 1 열매체 및 상기 냉각순환시스템 중 어느 하나의 온도인 것을 특징으로 하는 연료전지 발전장치.
제 12항에 있어서,

상기 온도검출수단이 검출하는 온도는 상기 제 2 열매체의 온도인 것을 특징으로 하는 연료전지 발전장치.
연료와 산화제의 공급을 받아 전력을 발생하는 연료전지와,

상기 연료전지 내를 통과하도록 설치된, 상기 연료전지가 갖는 열을 갖고 있는 제 1 열매체가 순환하는 냉각순환시스템과,

상기 냉각순환시스템에서 상기 제 1 열매체를 순환시키는 열매체 순환수단과,

상기 제 1 열매체가 갖는 열을 제 2 열매체와 열교환시키기 위한 방열수단과,

상기 제 2 열매체의 온도를 검출하는 온도검출수단을 구비하며,

상기 열매체 순환수단 및 상기 방열수단 중 적어도 한쪽은 상기 연료와 상기 산화제의 상기 연료전지로의 공급이 정지된 후에도 상기 온도검출수단이 검출하는 온도가 소정의 임계값 이하가 될 때까지 동작을 계속 행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전장치.