KR20030043703A - 연료전지시스템 - Google Patents

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Abstract

연료전지와, 연료생성기와, 연료생성기로 생성된 연료가스를 연료전지로 공급하는 연료공급배관과, 연료전지에서 소비되지 않은 잔여연료를 연료생성기의 연소기로 도입하는 연료배출배관과, 연료공급배관과 연료배출배관을 접속하는 제 1 바이패스배관과, 발전원료를 연료배출배관으로 공급하는 제 2 바이패스배관과, (1) 연료공급배관과 제 1 바이패스배관과의 접속부에 설치된 가스경로 전환수단(A) 또는 (2) 연료배출배관과 제 1 바이패스배관과의 접속부에 설치된 가스경로 전환수단 (B)을 가지며, 제 2 바이패스배관이, 제 1 바이패스배관과의 접속부보다도 잔여연료의 상류측에서 연료배출배관과 접속하고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템이다.

Description

연료전지시스템{FUEL CELL SYSTEM}
종래의 연료전지시스템에 대하여 도 5를 참조하면서 설명한다.
종래의 연료전지시스템은, 일반적으로, 연료가스와 산화제가스를 사용하여 발전(發電)을 하는 연료전지(1)와, 천연가스와 같은 발전원료(Fs)에 물(W)을 첨가하여 개질(改質)하여, 수소가 풍부한 연료가스를 생성하는 연료생성기(2)와, 공기 등의 산화제(O)를 연료전지(1)로 공급하는 송풍기(blower)(3)와, 연료생성기(2)로 생성된 연료가스를 연료전지(1)로 공급하는 연료공급배관(4)과, 연료전지(1)에서 소비되지 않은 잔여연료를 배출하는 연료배출배관(5)을 가진다.
종래의 연료전지시스템에는, 또한, 연료가스를 연료전지(1)로 공급하지 않고 연료공급배관(4)으로부터 연료배출배관(5)으로 보내는 제 1 바이패스배관(6)과, 연료가스의 유출경로를 연료공급배관(4)측과 제 1 바이패스배관(6)측의 사이에서 전환하는 가스경로 전환수단(7)과, 연료가스를 제 1 바이패스배관(6)으로 공급하는 동안, 연료가스가 연료배출배관(5)으로부터 연료전지(1)로 역류 또는 확산하지 않도록 하는 개폐밸브(8)와, 천연가스, 연료가스 또는 잔여연료를 연소시켜 연료생성기(2)의 온도를 상승시키는 연소기(9)와, 연료생성기(2)에 구비된 촉매의 열화물(劣化物) 등의 불필요한 물질이 연료전지(1)로 유입하지 않도록 포착하는 필터(10)를 가진 것이 고안되어 있다.
연료전지시스템은, 운전할 때 이외에는 안전 상, 가스경로로부터 가연(可燃) 가스를 방출해 둘 필요가 있다. 그래서, 연료전지시스템의 운전 전후에는, 발전원료의 연료생성기(2)로의 공급경로로부터 질소(N)를 유입시켜, 연료생성기(2), 가스경로 전환수단(7), 연료공급배관(4), 제 1 바이패스배관(6), 연료전지(1), 연료배출배관(5), 개폐밸브(8)를 차례로 경유시켜 연소기(9)로부터 배출시키고 있다.
연료전지시스템의 운전을 시작할 때에는, 질소의 공급을 정지하고, 발전원료를 연료생성기(2)로 공급한다. 그러나, 연료생성기(2)가 수소가 풍부한 연료가스를 생성할 수 있는 온도(약 700℃)까지 이르지 않은 동안에는, 발전원료가 연료생성기(2)로부터 가스경로 전환수단(7)에 의해 제 1 바이패스배관(6)을 경유하여 연소기(9)로 도입된 후, 연소기(9)로 연소된다. 연소기(9)로 발전원료가 연소되어, 연료생성기(2)가 700℃ 정도가 된 시점에서 연료생성기(2)에 물이 공급되어, 연료가스의 생성이 시작된다.
연료생성기(2)는, 연료가스에 함유된 일산화탄소를 연료전지(1)의 촉매에 손상을 주지 않는 농도까지 제거하기 위한 일산화탄소 제거장치를 구비한다. 그러나, 연료가스의 생성개시 후, 수 십분 간은 일산화탄소 제거장치의 온도가 안정되지 않기 때문에, 고농도의 일산화탄소가 연료가스 내에 함유되어 있다. 그 동안에는, 연료가스를 연료전지(1)에 공급할 수 없기 때문에, 연료가스는 가스경로 전환수단(7)에 의해 제 1 바이패스배관(6)을 경유하여 연소기(9)로 도입된 후, 연소기(9)로 연소된다. 이 때, 일산화탄소 농도가 높은 연료가스가, 연료배출배관 (5)으로부터 연료전지(1)로 역류하지 않도록 개폐밸브(8)는 닫혀 있다.
연료생성기(2)의 일산화탄소 제거장치의 온도가 안정되어, 연료가스 내에 함유된 일산화탄소농도가 20ppm이하가 된 시점에서, 개폐밸브(8)를 여는 동시에, 가스경로 전환수단(7)에 의해 연료가스를 연료공급배관(4)을 경유시켜 연료전지(1)측으로 도입한다. 동시에 송풍기(3)를 동작시켜 연료전지(1)에 산화제를 공급하고, 연료전지(1)로 발전(發電)을 시작한다.
연료생성기(2)의 온도는, 연료생성기(2)로 공급하는 발전원료의 유량을 조정하여, 연소기(9)로 공급되는 연료가스량을 조정함으로써 약 700℃로 유지된다. 연료생성기(2)의 온도가 낮아진 경우, 발전원료의 공급량을 늘려 연료가스를 증가시켜, 연소기(9)로 공급되는 연료가스를 증가시킨다. 반대로, 연료생성기(2)의 온도가 높아진 경우, 발전원료의 공급량을 줄여 연료생성기(2)로 생성되는 연료가스를 감소시켜, 연소기(9)로 공급되는 연료가스를 감소시킨다.
그러나, 상기 종래의 연료전지시스템에 있어서는, 운전개시부터 연료생성기 (2)의 일산화탄소 제거장치의 온도가 안정되어 연료가스를 연료전지(1)로 공급할 때까지의 사이에, 연료전지(1)는 밀폐상태가 된다. 그 때문에, 연료전지내의 압력이 상승하는 경우가 있어, 연료전지가 파손될 가능성이 있다.
또한, 연료가스는 통상 100℃ 정도의 온도로 연료생성기(2)로부터 배출되어 나가기 때문에, 가스경로 전환수단(7)도 100℃ 정도의 내열성이 필요하다. 그러나, 가스경로 전환수단(7)을 내열성이 높은 밸브 등으로 구성하면, 장치 비용이 비싸진다.
또한, 연료생성기(2)의 온도를 조정하기 위해서는 발전원료의 유량을 조정할 필요가 있지만, 유량을 변경하면 연료전지(1)로 공급되는 연료가스의 유량도 변화하기 때문에, 연료전지(1)에서의 안정적인 발전이 방해된다.
덧붙여, 필터(10)에 불필요한 물질이 퇴적해 나가면, 연료전지(1)로 연료가스를 공급하는 데에 방해가 되기 때문에, 필터(10)는 교환가능한 구성을 취할 필요가 있다. 그 때문에 장치의 구성이 복잡해져, 장치 비용이 비싸지는 동시에, 유지보수도 필요하다. 또한, 불필요한 물질이 단시간에 대량으로 필터(10)에 퇴적한 경우, 시스템의 운전이 불가능해진다.
그리고, 종래의 연료전지시스템에 있어서는, 운전의 전후에 가스경로에 질소를 흐르게 할 필요가 있기 때문에, 질소카본이 필요하여, 장치비용이 비싸진다. 또한, 질소의 잔여량이 적은 경우에는, 장치를 운전할 수 없다고 하는 문제가 발생한다.
도 1은, 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 연료전지시스템의 구성을 나타내는 개념도이다.
도 2는, 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 연료전지시스템의 구성을 나타내는 개념도이다.
도 3은, 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 연료전지시스템의 다른 구성을 나타내는 개념도이다.
도 4는, 본 발명의 제 3 실시형태에 관한 연료전지시스템의 구성을 나타내는 개념도이다.
도 5는, 종래의 연료전지시스템의 구성을 나타내는 개념도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 연료전지 2 : 연료생성기
3 : 송풍기 4 : 연료공급배관
5 : 연료배출배관 6 : 제 1 바이패스배관
7, 14 : 가스경로 전환수단 8 : 개폐밸브
9 : 연소기 10 : 필터
11 : 연료측 공기공급수단 12 : 제 2 바이패스배관
13, 15 : 유량조정수단 16 : 치환제 공급수단
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은, 연료 및 산화제로부터 전력을 발생시키는 연료전지와, 발전원료로부터 수소를 함유한 연료가스를 생성하는 연료생성기와, 연료생성기로 생성된 연료가스를 연료전지로 공급하는 연료공급배관과, 연료전지에서 소비되지 않은 잔여연료를 연료생성기의 연소기로 도입하는 연료배출배관과, 연료공급배관과 연료배출배관을 접속하는 제 1 바이패스배관과, 발전원료를 연료배출배관으로 공급하는 제 2 바이패스배관과, 연료공급배관과 제 1 바이패스배관과의 접속부에 설치된 가스경로 전환수단(A)을 가지며, 제 2 바이패스배관이, 제1 바이패스배관과의 접속부보다도 잔여연료의 상류측에서 연료배출배관과 접속하고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템에 관한 것이다.
본 발명은, 또한, 연료 및 산화제로부터 전력을 발생시키는 연료전지와, 발전원료로부터 수소를 함유한 연료가스를 생성하는 연료생성기와, 연료생성기로 생성된 연료가스를 연료전지로 공급하는 연료공급배관과, 연료전지에서 소비되지 않은 잔여연료를 연료생성기의 연소기로 도입하는 연료배출배관과, 연료공급배관과 연료배출배관을 접속하는 제 1 바이패스배관과, 발전원료를 연료배출배관으로 공급하는 제 2 바이패스배관과, 연료배출배관과 제 1 바이패스배관과의 접속부에 설치된 가스경로 전환수단(B)을 가지며, 제 2 바이패스배관이, 제 1 바이패스배관과의 접속부보다도 잔여연료의 상류측에서 연료배출배관과 접속하고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템에 관한 것이다.
상기의 어느 연료전지시스템이나, 제 2 바이패스배관 상에 발전원료의 유량조정수단을 가진 것이 바람직하다.
상기의 어느 연료전지시스템이나, 연료공급배관과 제 1 바이패스배관의 접속부보다도 연료가스의 하류측에서, 또한, 연료전지보다도 상류측에, 필터를 가진 것이 바람직하다.
상기의 어느 연료전지시스템이나, 연료생성기에 공기를 공급하는 연료측 공기공급수단을 가진 것이 바람직하다.
본 발명은, 또한, 연료 및 산화제로부터 전력을 발생시키는 연료전지와, 연료가스를 연료전지로 공급하는 연료공급배관과, 연료전지에서 소비되지 않은 잔여연료를 배출하는 연료배출배관과, 연료공급배관 상에 설치된 필터와, 치환제를 연료배출배관으로부터 도입하여, 연료전지의 연료유통경로를 하류에서 상류를 향하여 상기 필터보다도 연료가스의 상류측까지 유통시키기 위한 치환제 공급수단을 가진 것을 특징으로 하는 연료전지시스템을 포함한다.
상기 치환제 공급수단을 가진 연료전지시스템은, 발전원료로부터 수소를 함유한 연료가스를 생성하는 연료생성기와, 연료공급배관과 연료배출배관을 접속하는 제 1 바이패스배관을 가지며, 치환제 공급수단은, 제 1 바이패스배관과 연료배출배관의 접속부보다도 잔여연료의 상류측에 설치되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 상기 치환제 공급수단을 가진 연료전지시스템은, (1) 연료공급배관과 제 1 바이패스배관과의 접속부에 설치된 가스경로 전환수단(A) 또는 (2) 연료배출배관과 제 1 바이패스배관과의 접속부에 설치된 가스경로 전환수단(B)을 가진 것이 바람직하다.
[실시예]
<제 1 실시형태>
도 1은, 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 연료전지시스템의 구성을 나타내는 개념도이다. 도 5에 나타낸 종래의 시스템과 같은 구성요소에는, 동일한 번호를 부여하고 있다.
본 발명의 제 1 실시형태에 관한 연료전지시스템은, 연료전지(1)와, 연료생성기(2)와, 산소를 함유한 산화제를 연료전지(1)로 공급하는 송풍기(3)와, 연료생성기(2)로 생성한 연료가스를 연료전지(1)로 공급하는 연료공급배관(4)과, 연료전지(1)에서 소비되지 않은 잔여연료를 배출하는 연료배출배관(5)과, 연료가스를 연료전지(1)로 공급하지 않고 연료공급배관(4)으로부터 연료배출배관(5)으로 보내는 제 1 바이패스배관(6)과, 연료공급배관과 제 1 바이패스배관과의 접속부에 설치된 가스경로 전환수단(7)과, 연료생성기(2)가 배출하는 발전원료, 연료가스 또는 연료전지(1)로부터 배출된 잔여연료를 연소시켜 연료생성기(2)의 온도를 상승시키는 연소기(9)를 가진다.
연료생성기(2)에는, 소정의 촉매로 이루어지는 일산화탄소 제거장치가 설치되어 있다. 또한, 가스경로 전환수단(7)은, 연료생성기(2)로부터 보내지는 가스의 유출경로를 연료공급배관(4)측과, 제 1 바이패스배관(6)측의 사이에서 전환하는 기능을 가진다. 연료공급배관(4)과 제 1 바이패스배관(6)의 접속부 근방에서, 연료공급배관(4)과 제 1 바이패스배관(6)의 각각에 개폐밸브를 설치함으로써, 가스경로 전환수단을 구성할 수 있다. 2개의 개폐밸브의 어느 쪽이든 한 쪽을 열고, 다른 쪽을 닫는 것에 의해, 가스를 연료공급배관(4)과 제 1 바이패스배관(6)의 어느 쪽이든 한쪽으로 도입할 수 있다. 또한, 이 경우, 2개의 개폐밸브의 양쪽을 여는 것에 의해, 가스를 연료공급배관(4)과 제 1 바이패스배관(6)의 양쪽으로 동시에 도입할 수도 있다.
이 연료전지시스템은, 또한, 발전원료를 연료생성기(2)로 보내주기 위한 공급경로에 공기를 도입하는 연료측 공기공급수단(11)과, 발전원료를 연료배출배관 (5)으로 공급하는 제 2 바이패스배관(12)을 가지며, 제 2 바이패스배관 상에는 제 2 바이패스배관을 흐르는 발전원료의 유량을 조정하는 유량조정수단(13)을 가진다.
연료공급배관(4)에는, 연료생성기(2)에 구비되는 촉매의 열화물(劣化物) 등의 불필요한 물질이 연료전지(1)로 유입하지 않도록, 불필요한 물질을 포착하기 위한 필터를, 가스경로 전환수단(7)보다도 연료가스의 하류측 또 연료전지(1)보다도 연료가스의 상류측에 설치하는 것이 바람직하다.
연료전지시스템의 운전을 시작할 때에는, 우선, 연료측 공기공급수단(11)을 작동시켜, 발전원료 대신에 공기를 연료생성기(2)에 보내준다. 그리고, 연료생성기(2)로부터, 가스경로 전환수단(7), 연료공급배관(4), 연료전지(1), 연료배출배관 (5)을 경유시킨 공기를, 연소기(9)로부터 배출한다. 따라서, 연료전지시스템의 운전 전에 가스경로에 질소를 유통시킬 필요는 없다.
이어서, 가스경로 전환수단(7)을 제 1 바이패스배관(6)측으로 전환하여, 연료생성기(2)로부터, 가스경로 전환수단(7), 제 1 바이패스배관(6), 연료배출배관 (5)을 경유시킨 공기를 연소기(9)로부터 배출한다.
공기를 연료전지시스템에 유통시키는 순서는, 상술한 것과 반대여도 상관없다. 또한, 연료공급배관(4)과 제 1 바이패스배관(6)의 각각에 설치한 개폐밸브로 이루어지는 가스경로 전환수단(7)을 사용할 경우, 공기를 연료공급배관(4)과 제 1 바이패스배관(6)의 양쪽에 동시에 유통시킬 수도 있다.
그 후, 연료측 공기공급수단(11)으로부터 연료생성기(2)로 공기를 공급하는 것을 정지하고, 천연가스 등의 발전원료를 연료생성기(2)로 도입한다. 이 때 가스경로 전환수단(7)에 의해, 발전원료를 제 1 바이패스배관(6)에 도입하고, 연료배출배관(5)을 경유시켜 연소기(9)로 공급한다. 또한, 유량조정수단(13)을 열어, 제 2 바이패스배관(12)으로부터도, 연료배출배관(5)을 경로(經路)시켜 발전원료를 연소기(9)로 공급한다. 그리고, 연소기(9)로 공급된 발전원료를 연소시켜 연료생성기 (2)의 온도를 상승시키기 시작한다.
연료생성기(2)가 700℃ 정도가 된 시점에서 물을 연료생성기(2)로 공급하면, 연료가스의 생성이 시작된다. 연료생성기(2)의 일산화탄소 제거장치의 온도가 안정되어, 연료가스에 함유된 일산화탄소 농도가 20ppm 정도가 된 시점에서, 가스경로 전환수단(7)을 연료공급배관(4)측으로 전환하여, 연료가스를 연료전지(1)로 공급한다. 이 때, 유량조정수단(13)이 완전히 닫혀진다. 동시에 송풍기(3)를 작동시켜 연료전지(1)에 산소를 함유한 산화제를 공급하여, 연료전지(1)에서 발전을 시작한다.
그런데, 이 연료전지시스템에서는, 연료생성기(2)의 온도는, 유량조정수단 (13)으로 제 2 바이패스배관(12)을 흐르는 발전원료의 유량을 조정하여, 연소기(9)로 공급되는 가스량을 조정함으로써 약 700℃로 유지할 수 있다. 즉, 연료생성기 (2)의 온도가 낮아진 경우에는, 유량조정수단(13)에 의해, 제 2 바이패스배관(12)을 흐르는 발전원료를 늘려, 연소기(9)의 연소량을 증가시킬 수 있다. 반대로, 연료생성기(2)의 온도가 높아진 경우에는, 유량조정수단(13)에 의해, 제 2 바이패스배관(12)을 흐르는 발전원료를 줄여, 연소기(9)의 연소량을 감소시킬 수 있다. 따라서, 연료생성기(2)에 도입하는 발전원료의 양은, 연료전지(1)의 발전을 안정적으로 행하는 데에 필요한 연료가스의 양에 맞추어 조정할 수가 있다.
이와 같이, 연료전지시스템의 운전개시로부터 연료생성기(2)의 일산화탄소 제거장치의 온도가 안정될 때까지의 사이에는, 유량조정수단(13)을 열고, 제 2 바이패스배관(12), 연료배출배관(5)과 같은 경로로 가스를 흐르게 함으로써, 연료전지(1)가 밀봉상태가 되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 연료전지(1)내의 압력이 상승하여 연료전지(1)가 파손하는 일은 없다.
연료전지시스템을 정지할 때에는, 연료생성기(2)에의 발전원료의 공급을 정지하고, 물만을 연료생성기(2)로 공급하여, 연료생성기(2)의 남은 열로 수증기를 발생시킨다. 그리고, 연료생성기(2)로부터, 가스경로 전환수단(7), 연료공급배관 (4), 연료전지(1), 연료배출배관(5)을 경유시킨 수증기를 연소기(9)로부터 배출한 다.
다음에, 가스경로 전환수단(7)을 제 1 바이패스배관(6)측으로 전환하여, 가스경로 전환수단(7), 제 1 바이패스배관(6), 연료배출배관(5)을 경유시킨 수증기를 연소기(9)로부터 배출한다.
수증기를 연료전지시스템에 유통시키는 순서는, 상술한 것과 반대여도 상관없다. 또한, 연료공급배관(4)과 제 1 바이패스배관(6)의 각각에 설치한 개폐밸브로 이루어지는 가스경로 전환수단(7)을 사용할 경우, 수증기를 연료공급배관(4)과 제 1 바이패스배관(6)의 양쪽에 동시에 유통시킬 수도 있다.
여기서, 수증기는 뒤따라 시스템 내에 보내지는 공기가 시스템 내에 잔존하는 수소와 급격히 반응하는 것을 방지하는 역할을 수행한다.
이어서, 연료생성기(2)에의 물의 공급을 정지하고, 연료측 공기공급수단(11)을 사용하여 연료전지시스템 내에 공기를 유통시킨다. 따라서, 연료전지시스템의 운전 후에도, 가스경로에 질소를 유통시킬 필요는 없다. 공기를 연료전지시스템에유통시키는 방법은, 상술한 시스템운전을 시작할 때와 같다.
이상과 같이, 본 실시형태의 연료전지시스템은, 압력상승에 의한 연료전지 (1)의 파손이 일어나지 않고, 그 운전 전후에 가스경로에 질소를 유통시킬 필요도 없다. 따라서, 신뢰성이 높고, 또한, 질소 봄베(bomb)를 필요로 하지 않는 저비용의 연료전지시스템이 실현이 가능하다. 또한, 질소의 잔여량이 적은 경우에는 장치를 운전할 수 없다고 하는 문제도 발생하지 않는다.
또, 상술한 바에 있어서는, 연료생성기(2)의 일산화탄소 제거부의 온도가 안정화하여, 연료가스에 함유되는 일산화탄소 농도가 20ppm 정도가 된 시점에서, 유량조정수단(13)을 완전히 닫고 있다. 그러나, 계속해서 유량조정수단(13)을 열고, 제 2 바이패스배관(12), 연료배출배관(5)을 경유시켜, 가스를 연소기(9)로 계속 공급하여도, 동일한 효과를 얻을 수 있다.
<제 2 실시형태>
도 2는, 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 연료전지시스템의 구성을 나타내는 개념도이다. 도 1에 나타낸 시스템과 같은 구성요소에는, 동일한 번호를 부여하고 있다.
본 발명의 제 2 실시형태에 관한 연료전지시스템은, 연료전지(1)와, 연료생성기(2)와, 산화제로서의 공기를 연료전지(1)로 공급하는 송풍기(3)와, 연료생성기 (2)로 생성된 연료가스를 연료전지(1)로 공급하는 연료공급배관(4)과, 연료전지(1)에서 소비되지 않은 잔여연료를 배출하는 연료배출배관(5)과, 연료가스를 연료전지 (1)로 공급하지 않고 연료공급배관(4)으로부터 연료배출배관(5)으로 보내는 제 1바이패스배관(6)과, 제 1 바이패스배관(6)으로부터 보내져오는 천연가스, 연료가스 또는 연료전지(1)로부터 배출된 잔여연료를 연소시키는 연료생성기(2)의 온도를 상승시키는 연소기(9)를 가진다.
연료생성기(2)에는, 소정의 촉매로 이루어지는 일산화탄소제거장치가 설치되어 있다. 또한, 연료공급배관(4)상에는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 연료공급배관과 제 1 바이패스배관과의 접속부보다도 연료가스의 하류측에서, 또한, 연료전지보다도 상류측에, 연료생성기(2)로부터의 불필요물질이 연료전지(1)로 유입하지 않도록 불필요물질을 포착하기 위한 필터(10)를 설치할 수도 있다.
이 연료전지시스템은, 또한, 연료배출배관(5)과 제 1 바이패스배관(6)과의 접속부에 설치된 가스경로 전환수단(14)과, 발전원료의 연료생성기(2)에의 공급경로로 공기를 보내주는 연료측 공기공급수단(11)과, 발전원료를 연료배출배관(5)으로 공급하는 제 2 바이패스배관(12)과, 제 2 바이패스배관을 흐르는 발전원료의 유량을 조정하는 유량조정수단(15)을 가진다.
가스경로 전환수단(14)은, 연료생성기(2)로부터 보내지는 가스의 유출경로를 연료공급배관(4)측과, 제 1 바이패스배관(6)측의 사이에서 전환하는 기능을 가진다. 예를 들면, 연료배출배관(5)과 제 1 바이패스배관(6)의 접속부 근방에서, 연료배출배관(5)과 제 1 바이패스배관(6)의 각각에 개폐밸브를 설치함으로써, 가스경로 전환수단(14)을 구성할 수 있다. 2개의 개폐밸브 중의 어느 한쪽을 열고, 다른 쪽을 닫는 것에 의해, 가스를 연료공급배관(4)과 제 1 바이패스배관(6)의 어느 한쪽으로 도입할 수가 있다. 또한, 2개의 개폐밸브의 양쪽을 여는 것에 의해, 가스를 연료공급배관(4)과 제 1 바이패스배관(6)의 양쪽에 동시에 도입할 수가 있다.
연료전지시스템을 운전할 때에는, 우선, 연료측 공기공급수단(11)을 작동시켜, 발전원료 대신에 공기를 연료생성기(2)로 보내준다. 그리고, 연료생성기(2)로부터, 연료공급배관(4), 연료전지(1), 가스경로 전환수단(14), 연료배출배관(5)을 경유시킨 공기를, 연소기(9)로부터 배출한다. 따라서, 연료전지시스템의 운전 전에 가스경로에 질소를 유통시킬 필요는 없다.
이어서, 가스경로 전환수단(14)을 제 1 바이패스배관(6)측으로 전환하여, 연료생성기(2)로부터, 제 1 바이패스배관(6), 가스경로 전환수단(14), 연료배출배관 (5)을 경유시킨 공기를, 연소기(9)로부터 배출한다.
공기를 연료전지시스템에 유통시키는 순서는, 상술한 것과 반대여도 상관없다. 또한, 연료배출배관(5)과 제 1 바이패스배관(6)의 각각에 설치한 개폐밸브로 이루어지는 가스경로 전환수단(14)을 사용할 경우, 공기를 연료공급배관(4)과 제 1 바이패스배관(6)의 양쪽에 동시에 유통시킬 수도 있다.
이어서, 연료측 공기공급수단(11)으로부터 연료생성기(2)로 공기를 공급하는 것을 정지하고, 천연가스 등의 발전원료를 연료생성기(2)로 도입한다. 이 때 발전원료는, 제 1 바이패스배관(6), 연료경로전환수단(14)을 경유하여 연소기(9)로 공급된다. 한편, 제 2 바이패스배관(12)으로부터, 연료배출배관(5), 연료전지(1), 연료공급배관(4), 제 1 바이패스배관(6), 연료경로전환수단(14)을 경유시킨 발전원료를, 연소기(9)로 공급하여, 연소기(9)로써 발전원료를 연소시켜 연료생성기(2)의 온도를 상승시키기 시작한다.
연료생성기(2)가 700℃ 정도가 된 시점에서 물을 연료생성기(2)로 공급하면, 연료가스의 생성이 시작된다. 연료생성기(2)의 일산화탄소제거장치의 온도가 안정되어, 연료가스에 함유된 일산화탄소 농도가 20ppm 정도가 된 시점에서, 가스경로 전환수단(14)에 의해, 연료공급배관(4)측으로 가스경로를 전환하여, 연료가스를 연료전지(1)로 공급한다. 한편, 제 2 바이패스배관(12)으로부터, 연료배출배관(5), 연료경로전환수단(14)을 경유시킨 발전원료를 연소기(9)로 공급한다. 동시에 송풍기(3)를 작동시켜 연료전지(1)에 산소를 함유한 산화제를 공급하여, 연료전지(1)에서 발전을 시작한다.
이와 같이 연료전지시스템의 운전개시로부터 연료생성기(2)의 일산화탄소제거장치의 온도가 안정할 때까지의 동안에는, 제 2 바이패스배관(12)으로부터, 연료배출배관(5), 연료전지(1), 연료공급배관(4), 제 1 바이패스배관(6), 하류측 연료경로전환수단(14)의 순서로 발전원료를 유통시킴으로써, 연료전지(1)가 밀봉상태가 되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 연료전지(1)내의 압력이 상승하여 연료전지 (1)가 파손하는 일은 없다.
또한, 연료전지(1)를 일정한 온도로 운전하기 위한 냉각수단에 의해, 연료전지(1)로 공급되는 가스보다도, 연료전지(1)로부터 배출되는 가스쪽이, 온도가 낮게 되어 있다. 따라서, 가스경로 전환수단(14)을 연료전지(1)보다도 하류측에 설치함으로써, 가스경로 전환수단(14)을 경유하는 가스의 온도를 낮게 억제하는 것이 가능해져, 밸브 등의 내열온도를 비교적 낮게 억제할 수 있고, 장치 비용을 낮게 억제할 수 있다.
또, 유량조정수단(15)에는, 개폐동작만을 하는 바이패스 개폐밸브를 사용할 수도 있지만, 제 2 바이패스배관(12)을 흐르는 가스량의 자유로운 증감을 가능하게 하는 유량조정밸브를 사용하는 것이 바람직하다.
연료전지시스템을 정지할 때에는, 연료생성기(2)의 발전원료의 공급을 정지하고, 물만을 연료생성기(2)로 공급하여, 연료생성기(2)의 남은 열로 수증기를 발생시킨다. 그리고, 제 1 바이패스배관(6), 가스경로 전환수단(14)을 경유시킨 수증기를 연소기(9)로부터 배출한다.
또한, 천연가스를 유량조정수단(15)을 사용하여 제 2 바이패스배관(12), 연료배출배관(5), 연료전지(1), 연료공급배관(4), 제 1 바이패스배관(6), 연료경로전환수단(14)과 같은 경로로 연소기(9)로 공급하여, 연소기(9)로써 천연가스를 연소시킨다.
이어서, 연료생성기(2)로의 물의 공급을 정지하여, 연료측 공기공급수단(11)을 작동시켜 공기를 연료생성기(2)에 보내준다. 그리고, 연료생성기(2)로부터 연료공급배관(4), 제 1 바이패스배관(6), 연료전지(1), 연료배출배관(5)을 경유시켜 연소기(9)로부터 공기를 배출한다. 따라서, 연료전지시스템의 운전 후에도, 가스의 유통경로에 질소를 유통시킬 필요는 없다.
이상과 같이, 본 실시형태의 연료전지시스템은, 압력상승에 의한 연료전지 (1)의 파손이 일어나지 않고, 그 운전 전후에 질소를 유통시킬 필요도 없다. 따라서, 신뢰성이 높고, 또한, 질소봄베를 필요로 하지 않는 저비용의 연료전지시스템의 실현이 가능하다. 또한, 질소의 잔여량이 적은 경우에는 장치를 운전할 수 없다고 하는 문제도 발생하지 않는다.
또한, 본 실시형태의 연료전지시스템은, 유량조정수단(15)을 갖기 때문에, 제 2 바이패스배관(12)으로부터, 연료배출배관(5), 가스경로 전환수단(14)을 경유하여 연소기(9)로 공급되는 발전원료의 유량을 조정할 수 있다. 따라서, 연료생성기(2)의 온도를 조정하기 위해서, 연료생성기(2)로 공급하는 발전원료의 양을 변동시킬 필요가 없고, 연료전지(1)로 공급되는 연료가스의 양은 안정적으로 유지된다.
덧붙여, 본 실시형태의 연료전지시스템은, 그 운전 전후에, 제 2 바이패스배관(12)으로부터, 연료배출배관(5), 연료전지(1), 연료공급배관(4), 제 1 바이패스배관(6), 가스경로 전환수단(14)의 순서로 발전원료나 공기를 유통시킬 수 있다. 따라서, 본 실시형태의 연료전지시스템이, 도 3에 나타낸 바와 같이, 연료공급배관 (4)상에서, 연료공급배관과 제 1 바이패스배관의 접속부와, 연료전지와의 사이에 필터(10)를 가진 경우, 이하의 효과를 얻을 수 있다. 즉, 필터(10)에는 연료전지 (1)의 발전(發電) 시와는 반대로 가스가 흐르기 때문에, 필터(10)에 퇴적한 불필요 물질은, 연료공급배관(4), 제 1 바이패스배관(6), 가스경로 전환수단(14)을 거쳐 연소기(9)로 연소되거나, 외부로 배출된다. 따라서, 필터(10)는, 교환가능한 구성을 취할 필요가 없어, 장치의 구성을 간단하게 할 수 있고, 유지보수도 용이해진다. 결과적으로, 저비용으로 안정적으로 발전을 계속하는 것이 가능한 시스템을 실현할 수 있다.
제 1 실시형태 및 제 2 실시형태에서는, 공기를 연료생성기(2)로 공급하기 위해서, 연료생성기(2)에 구비되어 있는 일산화탄소 제거장치는, 산화분위기에 내성(耐性)을 가진 촉매로 구성한다. 이러한 촉매로는, 예를 들면 귀금속계의 촉매를 들 수 있다.
<제 3 실시형태>
도 4는, 본 발명의 제 3 실시형태에 관한 연료전지시스템의 구성을 나타내는 개념도이다. 도 1 ∼ 도 3에 나타낸 시스템과 같은 구성요소에는, 동일한 번호를 부여하고 있다.
본 발명의 제 3 실시형태에 관한 연료전지시스템은, 연료전지(1)와, 연료생성기(2)와, 산화제로서의 공기를 연료전지(1)로 공급하는 송풍기(3)와, 연료생성기 (2)로 생성된 연료가스를 연료전지(1)로 공급하는 연료공급배관(4)과, 연료전지(1)에서 소비되지 않은 잔여연료를 배출하는 연료배출배관(5)과, 연료가스를 연료전지 (1)로 공급하지 않고 연료공급배관(4)으로부터 연료배출배관(5)으로 보내는 제 1 바이패스배관(6)과, 제 1 바이패스배관(6)으로부터 보내져오는 천연가스, 연료가스 또는 연료전지(1)로부터 배출된 잔여연료를 연소시켜 연료생성기(2)의 온도를 상승시키는 연소기(9)와, 연료생성기(2)로부터의 불필요한 물질이 연료전지(1)로 유입하지 않도록 포착하기 위한 필터(10)를 가진다.
연료생성기(2)에는, 소정의 촉매로 이루어지는 일산화탄소 제거장치가 설치되어 있다. 또한, 필터(10)는, 연료공급배관(4)상의, 연료공급배관과 제 1 바이패스배관의 접속부보다도 연료가스의 하류측에서, 또한, 연료전지보다도 상류측에 설치되어 있다.
이 연료전지시스템은, 또한, 연료배출배관(5)과 제 1 바이패스배관(6)의 접속부에 설치된 가스경로 전환수단(14)과, 연료배출배관(5)으로부터 치환제를 연료전지(1)를 통과시켜 필터(10)보다도 연료가스의 상류측까지 유통시키기 위한 치환제 공급수단(16)을 가진다.
가스경로 전환수단(14)의 구성은, 제 2 실시형태와 같다. 치환제로서는 질소가스 등을 사용할 수 있다.
연료전지시스템은, 운전할 때 이외에는 안전상, 가스경로로부터 가연가스를 방출해 둘 필요가 있기 때문에, 연료전지시스템의 운전 전후에 연료생성기(2)에의 발전원료의 공급경로로부터 질소를 유입시킨다. 그리고, 연료생성기(2)로부터, 제 1 바이패스배관(6), 가스경로 전환수단(14)을 경유시킨 질소를 연소기(9)로부터 배출한다. 동시에 치환제 공급수단(16)으로부터, 연료배출배관(5), 연료전지(1), 연료공급배관(4), 가스경로 전환수단(14)을 경유시킨 질소 등의 치환제를 연소기(9)로부터 배출한다.
연료전지시스템의 운전을 시작할 때에는, 우선, 질소를 연료생성기(2)로 공급하는 것을 정지하고, 발전원료를 연료생성기(2)로 공급한다. 그리고, 제 1 바이패스배관(6), 가스경로 전환수단(14)을 경유한 발전원료를 연소기(9)로 공급하여, 연소기(9)로 연소시켜 연료생성기(2)의 온도를 상승시키기 시작한다. 이 때, 치환제 공급수단(16)으로부터, 연료배출배관(5), 연료전지(1), 연료공급배관(4), 가스경로 전환수단(14)을 경유시켜 연소기(9)로 공급하고 있는 치환제는 정지하지 않는다. 따라서, 연료생성기(2)로부터 배출되는 발전원료는, 필터(10)를 통하여 연료전지(1)에 도달하는 일없이, 제 1 바이패스배관(6)으로 도입된다.
이와 같이 연료전지시스템의 운전개시로부터 연료생성기(2)의 일산화탄소제거장치의 온도가 안정할 때까지의 사이에는, 치환제 공급수단(16)으로부터, 연료배출배관(5), 연료전지(1), 필터(10), 연료공급배관(4), 제 1 바이패스배관(6), 가스경로 전환수단(14)을 경유시켜 연소기(9)까지 치환제를 유통시킴으로써, 연료전지 (1)가 밀봉상태가 되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 연료전지(1)내의 압력이 상승하여 연료전지(1)가 파손하는 일은 없다.
또한, 연료전지(1)를 일정한 온도로 운전하기 위한 냉각수단에 의해, 연료전지(1)로 공급되는 가스보다도, 연료전지(1)로부터 배출되는 가스쪽이 온도가 낮게 되어 있다. 따라서, 가스경로 전환수단(14)을 연료전지(1)보다도 하류측에 설치함으로써, 가스경로 전환수단(14)을 경유하는 가스의 온도를 낮게 억제하는 것이 가능해지고, 밸브 등의 내열온도를 비교적 낮게 억제할 수 있고, 장치 비용을 낮게 억제할 수 있다.
연료생성기(2)가 700℃ 정도가 된 시점에서 물을 연료생성기(2)로 공급하면, 연료가스의 생성이 시작된다. 연료생성기(2)의 일산화탄소제거장치의 온도가 안정되어, 연료가스 내에 함유되는 일산화탄소농도가 20ppm 정도가 된 시점에서, 가스경로 전환수단(14)에 의해, 연료공급배관(4)측으로 가스경로를 전환하여, 연료공급배관(4)으로부터 필터(10)를 경유시킨 연료가스를 연료전지(1)로 공급한다. 동시에 연료배출배관(5)에의 질소의 공급을 정지한다. 또한, 송풍기(3)를 작동시켜 연료전지(1)에 산소를 포함하는 산화제를 공급하여, 연료전지(1)에서 발전을 시작한다.
연료생성기(2)의 온도는, 연료생성기(2)로 공급하는 발전원료의 유량을 조정하여 연소기(9)로 공급되는 연료가스의 양을 조정함으로써 약 700℃로 유지할 수 있다. 즉, 연료생성기(2)의 온도가 낮아진 경우에는, 발전원료의 공급량을 늘려, 연료생성기(2)로 생성되는 연료가스를 증가시켜, 연소기(9)로의 연료가스의 공급을 늘려 연소량을 증가시킬 수 있다. 반대로, 연료생성기(2)의 온도가 높아진 경우에는, 발전원료의 공급량을 줄여, 연료생성기(2)로 생성되는 연료가스를 감소시켜, 연소기(9)로의 연료가스의 공급을 줄여 연소량을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태의 연료전지시스템은, 그 운전 전후에, 치환제 공급수단(16)으로부터, 연료배출배관(5), 연료전지(1), 필터(10), 연료공급배관 (4), 제 1 바이패스배관(6), 가스경로 전환수단(14)의 순서로 치환제를 유통시킬 수 있다. 이 때, 필터(10)로는 연료전지(1)의 발전 시와는 반대로 가스가 흐르기 때문에, 필터(10)에 퇴적한 불필요물질은, 연료공급배관(4), 제 1 바이패스배관 (6), 가스경로 전환수단(14)을 지나 연소기(9)로 연소되거나, 외부로 배출된다. 따라서, 필터(10)는, 교환가능한 구성을 취할 필요가 없고, 장치의 구성을 간단하게 할 수 있어, 유지보수도 용이해진다. 결과적으로, 저비용으로 안정적으로 발전을 계속하는 것이 가능한 시스템을 실현할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 의하면, 장치 비용을 낮게 억제하는 동시에, 안정적인 발전이 가능한 연료전지시스템을 제공할 수가 있다.
즉, 본 발명의 연료전지시스템은, 연료공급배관과 연료배출배관을 접속하는제 1 바이패스배관과, 발전원료를 연료배출배관으로 공급하는 제 2 바이패스배관을 가지며, 제 2 바이패스배관이, 제 1 바이패스배관보다도 잔여연료의 상류측에서 연료배출배관과 접속하고 있기 때문에, 항상 연료배출배관(5)에 발전원료를 유통시킬 수 있어, 연료전지가 밀폐상태가 되는 일이 없으므로, 연료전지내의 압력이 상승하여 연료전지가 파손하는 일이 없다.
또한, 본 발명의 연료전지시스템이, 연료배출배관 상에 가스경로 전환수단을 가진 경우, 가스경로 전환수단을 흐르는 가스의 온도를 낮게 억제하는 것이 가능해져, 가스경로 전환수단을 밸브 등으로 구성하는 경우라도, 그 내열온도를 낮게 억제할 수 있기 때문에, 장치비용이 낮아진다.
또한, 본 발명의 연료전지시스템이, 제 2 바이패스배관 상에 발전원료의 유량조정수단을 가진 경우, 발전에 필요한 양의 연료가스의 연료전지에의 공급이 유지되어, 연료전지의 안정된 운전이 가능해진다.
또한, 본 발명의 연료전지시스템이, 연료공급배관상의, 연료공급배관과 제 1 바이패스배관과의 접속부보다도 연료가스의 하류측에, 필터를 가진 경우, 연료전지의 운전 전후에, 연료가스의 흐름과는 역방향으로 가스를 유통시켜 필터에 퇴적한 불필요물질을 연소기로 연소시키거나 외부로 배출할 수 있으므로, 필터는 교환가능할 필요가 없고, 장치구조가 간단해져, 장치 비용을 낮게 억제할 수 있다. 또한, 유지보수도 용이해진다.
또한, 본 발명의 연료전지시스템이, 연료생성기로 공기를 공급하는 연료측 공기공급수단을 가진 경우, 연료전지시스템의 운전 전후에 연료가스경로에 질소를유통시킬 필요가 없어져, 질소봄베가 불필요해지고, 장치비용이 낮게 억제된다. 또한, 질소의 잔여량이 적은 경우에는 시스템을 운전할 수 없다고 하는 문제가 발생하지 않는다.
또한, 본 발명의 연료전지시스템은, 연료공급배관 상에 설치된 필터와, 연료배출배관 상에 설치된 치환제를 연료전지를 통과시켜 필터보다도 연료가스의 상류측까지 유통시키기 위한 치환제 공급수단을 가졌기 때문에, 연료전지의 운전전후에 있어, 연료가스의 흐름과는 역방향으로 치환제를 유통시켜 필터에 퇴적한 불필요물질을 연소기로 연소시키거나 외부로 배출할 수가 있다. 그 때문에, 필터는 교환가능할 필요가 없고, 장치구조가 간단해져, 장치 비용이 낮게 억제된다. 또한, 유지보수도 용이해진다.

Claims (8)

  1. 연료 및 산화제로부터 전력을 발생시키는 연료전지와, 발전원료로부터 수소를 함유한 연료가스를 생성하는 연료생성기와, 상기 연료생성기로 생성된 연료가스를 상기 연료전지로 공급하는 연료공급배관과, 상기 연료전지에서 소비되지 않은 잔여연료를 상기 연료생성기의 연소기로 도입하는 연료배출배관과, 상기 연료공급배관과 상기 연료배출배관을 접속하는 제 1 바이패스배관과, 상기 발전원료를 상기 연료배출배관으로 공급하는 제 2 바이패스배관과, 상기 연료공급배관과 제 1 바이패스배관과의 접속부에 설치된 가스경로 전환수단(A)을 가지며,
    제 2 바이패스배관이, 제 1 바이패스배관과의 접속부보다도 상기 잔여연료의 상류측에서, 상기 연료배출배관과 접속하고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 제 2 바이패스배관 상에 상기 발전원료의 유량조정수단을 가진 연료전지시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 연료공급배관과 제 1 바이패스배관과의 접속부보다도 연료가스의 하류측에서, 또한, 연료전지보다도 상류측에, 필터가 설치되어 있는 연료전지시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 연료생성기로 공기를 공급하는 연료측 공기공급수단을 가진 연료전지시스템.
  5. 연료 및 산화제로부터 전력을 발생시키는 연료전지와, 발전원료로부터 수소를 함유한 연료가스를 생성하는 연료생성기와, 상기 연료생성기로 생성된 연료가스를 상기 연료전지로 공급하는 연료공급배관과, 상기 연료전지에서 소비되지 않은 잔여연료를 상기 연료생성기의 연소기로 도입하는 연료배출배관과, 상기 연료공급배관과 상기 연료배출배관을 접속하는 제 1 바이패스배관과, 상기 발전원료를 상기 연료배출배관으로 공급하는 제 2 바이패스배관과, 상기 연료배출배관과 제 1 바이패스배관과의 접속부에 설치된 가스경로 전환수단(B)을 가지며,
    제 2 바이패스배관이, 제 1 바이패스배관과의 접속부보다도 상기 잔여연료의 상류측에서, 상기 연료배출배관과 접속하고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 제 2 바이패스배관 상에 상기 발전원료의 유량조정수단을 가진 연료전지시스템.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 연료공급배관과 제 1 바이패스배관과의 접속부보다도 연료가스의 하류측에서, 또한, 연료전지보다도 상류측에, 필터가 설치되어 있는 연료전지시스템.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 연료생성기로 공기를 공급하는 연료측 공기공급수단을 가진 연료전지시스템.
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