KR20070103738A - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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KR20070103738A
KR20070103738A KR1020077016385A KR20077016385A KR20070103738A KR 20070103738 A KR20070103738 A KR 20070103738A KR 1020077016385 A KR1020077016385 A KR 1020077016385A KR 20077016385 A KR20077016385 A KR 20077016385A KR 20070103738 A KR20070103738 A KR 20070103738A
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fuel gas
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데루마루 하라다
아키나리 나카무라
요시카즈 다나카
마사타카 오제키
히데오 오하라
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마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤
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Abstract

연료 가스를 이용하여 발전하는 연료 전지(1)와, 원료 가스를 이용하여 상기 연료 가스를 생성하는 연료 가스 생성부(2)와, 상기 연료 가스를 생성하기 위한 열 에너지를 생성하는 연소부(2a)와, 상기 열 에너지를 생성할 때에 공기를 공급하는 공기 공급부(2b)와, 제어부(101)를 구비하고, 상기 연료 가스가 공급되기 전에 연료 전지(1)의 내부가 상기 원료 가스로 충전되어 있는 연료 전지 시스템(100)으로서, 제어부(101)가, 연료 가스 생성부(2)에서 생성된 상기 연료 가스를 연료 전지(1)에 공급할 때에 공기 공급부(2b)로부터 연소부(2a)로의 공기의 공급량을 증가시키도록 제어한다.
Figure 112007051859201-PCT00001
연료 전지, 연료 가스용 유로, 산화제 가스용 유로, 개질기, 연소 버너, 연소 팬, 블로어, 열 교환기, 저탕 탱크, 펌프, 개폐 밸브, 3방 밸브, 연료 전지 시스템, 제어기

Description

연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은, 수소 및 산소를 이용하여 발전하는 연료 전지 시스템에 관한 것이며, 특히, 가연성 물질의 연소열을 이용하여 원료로부터 수소를 생성해서 이를 발전을 위한 연료로서 이용하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
종래부터, 고효율의 소규모 발전이 가능한 연료 전지 시스템은, 발전시에 발생하는 열 에너지를 이용하기 위한 시스템의 구축이 용이하기 때문에, 높은 에너지 이용 효율을 실현하는 것이 가능한 분산형의 발전 시스템으로서 개발이 진행되고 있다.
연료 전지 시스템은, 그 발전부의 본체로서, 연료 전지를 구비하고 있다. 이 연료 전지는, 연료 가스 및 산화제 가스가 갖는 화학 에너지를, 소정의 전기 화학 반응에 의해, 전기 에너지로 직접 변환한다. 따라서, 연료 전지 시스템에서는, 발전 운전시, 연료 전지를 향해서 연료 가스와 산화제 가스가 각각 공급된다. 그러면, 연료 전지에서는, 그 공급되는 연료 가스 및 산화제 가스가 이용되는 소정의 전기 화학 반응이 진행하여, 전기 에너지가 생성된다. 이 연료 전지에서 생성되는 전기 에너지가, 연료 전지 시스템으로부터 부하를 향해서 공급된다. 여기에서, 연료 전지 시스템은, 통상 개질기(改質器) 및 블로어(blower)를 구비하고 있다. 개질기에서는, 천연 가스 등의 원료와 물이 이용되는 수증기 개질 반응에 의해, 수소를 풍부하게 포함하는 연료 가스가 생성된다. 이 연료 가스가, 발전을 위한 연료로서, 연료 전지에 공급된다. 또한, 수증기 개질 반응은, 개질기가 갖는 개질 촉매가 예를 들면 연소 버너(burner)에 의해 가열되어 진행한다. 또한, 블로어는, 대기 중에서 공기를 흡입한다. 이 공기가, 발전을 위한 산화제 가스로서, 연료 전지에 공급된다.
그런데, 종래의 연료 전지 시스템에서는, 발전 운전을 정지할 때, 개질기로의 천연 가스 등의 원료의 공급이 정지된다. 이에 의해, 개질기로부터 연료 전지로의 연료 가스의 공급이 정지하므로, 연료 전지에 있어서의 전기 화학 반응의 진행이 정지하고, 연료 전지 시스템으로부터 부하로의 전력의 공급이 정지한다. 여기에서, 개질기로의 원료의 공급을 정지한 경우, 그 정지전에 생성된 연료 가스가, 발전 운전의 정지중에 걸쳐 연료 전지의 내부 및 그 주변부에 체류하게 된다. 이 경우, 대기 개방된 연소 버너로부터 자연 대류에 의해 체류하는 연료 가스에 공기가 혼입하면, 연료 가스에 포함되는 수소가 공기에 포함되는 산소에 의해 급격히 산화되어, 그 산화 반응에 따른 반응열에 의해 연료 전지 시스템이 손상될 우려가 있다.
그 때문에, 종래의 연료 전지 시스템에서는, 연료 전지 시스템의 내부에 연료 가스가 체류하는 것을 방지하기 위해서, 발전 운전의 정지시에 질소 가스 등의 불활성 가스를 연료 가스가 체류하는 경로 내에 공급하여, 그 경로로부터 밀려나온 연료 가스를 연소 버너로 연소시키는 구성이 채용되어 있다. 이러한 구성에 의하면, 발전 운전의 정지중에 있어서의 연료 전지의 내부 등에서의 연료 가스의 체류가 방지되어, 연료 가스에 포함되는 수소가 급격히 산화되는 것이 방지되므로, 안전성이 확보된 연료 전지 시스템을 제공하는 것이 가능하게 된다.
그러나, 이 종래의 연료 전지 시스템에서는, 체류하는 연료 가스를 질소 가스 등의 불활성 가스로 치환하기 위해서, 질소 봄베(bombe) 등의 불활성 가스의 공급 수단을 연료 전지 시스템의 내부 혹은 근린에 배설할 필요가 있다. 그 때문에, 연료 전지 시스템이 대형화하여, 연료 전지 시스템을 가정용 정치형 분산 발전 장치 또는 전기 자동차용 전원으로서 이용하는 것이 곤란해지는 경우가 있었다. 또한, 질소 가스 등의 불활성 가스의 공급 수단을 기존의 구성에 부가하여 더 배설할 필요가 있기 때문에, 연료 전지 시스템의 초기 비용이 상승한다고 하는 문제가 있었다. 또한, 이 종래의 연료 전지 시스템에서는, 질소 봄베 등의 불활성 가스의 공급 수단을 정기적으로 교환 혹은 보충할 필요가 있기 때문에, 연료 전지 시스템의 관리 비용이 상승한다고 하는 문제가 있었다.
또한, 이 종래의 연료 전지 시스템에서는, 발전 운전의 개시 직후, 개질기로부터 연료 전지에 일산화탄소를 고농도로 포함하는 연료 가스가 공급된다. 그 이유는, 발전 운전의 개시시에는, 개질기의 운전 온도가 소정의 온도에 도달하고 있지 않기 때문에, 연료 가스 내의 일산화탄소가 충분히 제거되지 않기 때문이다. 그리고, 일산화탄소를 고농도로 포함하는 연료 가스가 예를 들면 고체 고분자 전해 질형 연료 전지에 공급되는 경우, 그 공급되는 일산화탄소에 의해, 고체 고분자 전해질형 연료 전지에 있어서의 연료극의 촉매가 피독(被毒)된다. 이 연료극의 촉매의 피독은, 연료 전지에 있어서 진행하는 전기 화학 반응의 진행을 현저하게 저해한다. 그 때문에, 종래의 연료 전지 시스템에서는, 발전 운전의 정지 및 개시의 회수 에 따라서 연료 전지의 발전 성능이 열화한다고 하는 문제가 있었다.
따라서, 일반 가정이나 전기 자동차 내에 설치하기 쉽고 또한 촉매의 피독이 진행하기 어려운 연료 전지 시스템을 제공하기 위해서, 발전 운전의 개시 직후에는 연료 전지로의 연료 가스의 공급을 정지함과 함께, 발전 운전의 정지 후에는 연료 가스의 원료를 치환 가스로서 연료 전지의 내부에 주입하는 연료 전지 시스템이 제안되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).
이 제안된 연료 전지 시스템은, 탄소 및 수소를 포함하는 화합물을 주성분으로 하는 원료로부터 수소를 풍부하게 포함하는 연료 가스를 생성하는 개질기와, 이 개질기로부터 연료 전지에 연료 가스를 공급하기 위한 연료 가스 공급 경로와, 연료 전지로부터 배출되는 발전에 이용되지 않았던 연료 가스(이하, 오프 가스라고 함)를 개질기의 연소 버너에 공급하는 오프 가스 공급 경로와, 연료 가스 공급 경로와 오프 가스 공급 경로 사이에 마련되어 연료 가스의 공급처를 연료 전지로부터 개질기의 연소 버너로 절환하기 위한 제1 바이패스 경로를 구비하고 있다. 또한, 개질기에 연료 가스를 생성하기 위한 원료를 공급하는 원료 공급부와, 이 원료 공급부로부터 연료 전지에 개질기를 우회하여 원료를 직접 주입하기 위한 제2 바이패스 경로를 구비하고 있다.
이 제안된 연료 전지 시스템에서는, 발전 운전의 개시 직후, 개질기에서 생성된 일산화탄소를 고농도로 포함하는 연료 가스는, 제1 바이패스 경로를 경유하여, 개질기의 연소 버너에 공급된다. 그리고, 이 연소 버너에 있어서, 개질 촉매를 가열하기 위해서 연소된다. 한편, 발전 운전의 개시 후, 개질기에 있어서의 개질 촉매의 온도가 소정의 온도에까지 도달하면, 개질기에서 생성된 연료 가스는, 연료 가스 공급 경로를 거쳐, 연료 전지에 공급된다. 그리고, 이 연료 전지에 있어서, 발전을 위한 연료로서 사용된다. 또한, 연료 전지로부터 배출되는 오프 가스는, 오프 가스 공급 경로를 거쳐, 개질기의 연소 버너에 공급된다. 그리고, 이 연소 버너에 있어서, 개질 촉매를 가열하기 위해서 연소된다.
또한, 이 제안된 연료 전지 시스템에서는, 연료 전지 시스템의 발전 운전의 정지 후, 제2 바이패스 경로를 거쳐, 원료 공급부로부터 연료 전지의 연료 가스용 유로에 원료가 치환 가스로서 주입된다. 이에 의해, 연료 전지 시스템의 발전 운전의 정지중에 걸쳐, 연료 전지의 내부 및 그 주변부가 질소 가스 등의 불활성 가스 대신에 천연 가스 등의 원료에 의해 밀봉된다.
이러한 연료 전지 시스템에 의하면, 발전 운전의 정지 후, 종래부터 배설되어 있는 원료 공급부로부터 연료 전지에 원료를 치환 가스로서 주입하므로, 질소 붐베 등의 불활성 가스의 공급 수단을 연료 전지 시스템의 내부 혹은 근린에 배설할 필요가 해소된다. 따라서, 연료 전지 시스템의 대형화가 방지되므로, 연료 전지 시스템을 가정용 정치형 분산 발전 장치 또는 전기 자동차용 전원으로서 이용하는 것이 가능하게 된다. 또한, 질소 가스 등의 불활성 가스의 공급 수단을 종래의 구성에 부가해서 더 배설할 필요가 없기 때문에, 연료 전지 시스템의 초기 비용을 억제하는 것이 가능하게 된다. 또한, 질소 붐베 등의 불활성 가스의 공급 수단을 정기적으로 교환 등 할 필요가 없기 때문에, 연료 전지 시스템의 관리 비용을 억제하는 것이 가능하게 된다.
또한, 원료 공급부로부터 연료 전지에 주입되는 천연 가스 등의 원료는, 연료 가스에 포함되는 수소와 비교하여 화학적으로 안정적이다. 따라서, 발전 운전의 정지 중에 걸쳐 연료 전지의 내부에 체류하는 천연 가스 등의 원료에 공기가 혼입하여도, 급격한 산화 반응이 진행되는 경우는 없다. 그 때문에, 연료 전지에 천연 가스 등의 원료를 주입함으로써, 산화 반응에 따른 반응열로 연료 전지 시스템이 손상하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 이에 의해, 발전 운전의 정지중의 안전성이 확보된 연료 전지 시스템을 제공하는 것이 가능하게 된다.
또한, 이 제안된 연료 전지 시스템에 의하면, 발전 운전의 개시 직후에 있어서는 일산화탄소를 고농도로 포함하는 연료 가스는 연료 전지에 공급되지 않고, 개질기에 있어서의 개질 촉매의 온도가 소정의 온도에까지 도달하여, 일산화탄소의 농도가 충분히 저감된 연료 가스가 생성되게 된 후, 개질기로부터 연료 전지에 연료 가스가 공급되므로, 고체 고분자 전해질형 연료 전지에 있어서의 연료극의 촉매의 피독이 해소된다. 따라서, 연료 전지에 있어서 진행하는 전기 화학 반응의 진행을 저해하는 요인이 배제되므로, 발전 운전의 정지 및 개시의 회수에 따라 연료 전지의 발전 성능이 열화한다고 하는 문제가 해소된다.
특허 문헌 1: 일본 특허 공개 2003-229149호 공보
그러나, 상기 종래의 제안에서는, 개질기에 있어서의 개질 촉매의 온도가 소정의 온도에까지 도달하고, 개질기로부터 연료 전지로의 연료 가스의 공급을 개시 시작했을 때에는, 발전 운전의 정지 후에 원료 공급부로부터 연료 전지에 주입한 천연 가스 등의 원료가 개질기로부터 공급되는 연료 가스에 의해 연료 전지로부터 밀려나와 개질기의 연소 버너에 소정의 기간에 걸쳐 공급되므로, 그 소정의 기간에 있어서 연소 버너에서는 산소 부족에 의한 불완전 연소가 발생하여, 대기중에 일산화탄소가 배출되고 있었다.
구체적으로 설명하면, 개질기에 있어서의 연소 버너는, 수증기 개질 반응을 진행시키기 위해서, 기본적으로는 오프 가스에 포함되는 수소를 연소한다. 이 때, 수소를 완전 연소시키기 위해서, 수소의 공급량에 따른 양의 공기가, 연소 버너에 인접하는 연소 팬으로부터 공급된다.
한편, 개질기에 있어서의 개질 촉매의 온도가 소정의 온도에까지 도달하고, 개질기로부터 연료 전지로의 연료 가스의 공급이 개시되었을 때에는, 전술한 바와 같이 연소 버너에는 연료 전지로부터 배출된 천연 가스 등의 원료가 소정의 기간에 걸쳐 공급된다. 여기에서, 천연 가스를 완전 연소시키기 위해서는, 수소를 완전 연소시키기 위해서 필요로 되는 양보다도 많은 양의 공기가 필요하게 된다. 그러나, 연소 팬으로부터 연소 버너로의 공기의 공급량은, 전술한 바와 같이 수소를 완전 연소시키기 위한 공급량으로 되어 있다. 그 때문에, 연소 버너에서는, 소정의 기간에 걸쳐 산소 부족이 발생하므로, 천연 가스의 불완전 연소가 진행한다. 이에 의해, 천연 가스 등의 원료가 연소 버너에 공급되는 소정에 기간에 있어서는, 연소 버너는 일산화탄소를 배출한다.
이와 같이, 상기 종래의 제안에서는, 발전 운전을 개시할 때, 개질기로부터 연료 전지로의 연료 가스의 공급을 개시 시작하고 나서 소정의 기간에 걸쳐, 연료 전지 시스템으로부터 대기중에 일산화탄소가 배출되고 있었다. 또한, 일산화탄소는, 인체에 대하여 매우 유독한 것이 알려져 있다. 예를 들면, 일산화탄소는, 혈액중의 헤모글로빈과 결합해서 카르보닐 헤모글로빈을 생성함으로써, 헤모글로빈의 산소 운반 기능을 현저하게 저해한다. 따라서, 연료 전지 시스템이 보급되고, 연료 전지 시스템으로부터 대기중으로 대량의 일산화탄소가 배출되는 경우, 인체로의 악영향이 염려된다.
본 발명은 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 발전 운전의 개시 시에 있어서의 일산화 탄소의 배출을 간이한 구성에 의해 효과적으로 억제하는, 생태계로의 악영향이 저감된 환경에 우수한 연료 전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
[과제를 해결하기 위한 수단]
상기 종래의 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 연료 가스와 산화제 가스를 이용하여 발전을 행하는 연료 전지와, 상기 연료 전지로 공급하는 상기 연료 가스를 개질 반응에 의해 원료 가스를 개질해서 생성하는 연료 가스 생성부와, 상기 연료 가스 생성부에서 상기 개질 반응을 진행시키기 위한 열 에너지를 상기 연료 가스 및 상기 원료 가스 중 적어도 어느 하나를 연소해서 생성하는 연소부와, 상기 연소부에 상기 연소를 위한 공기를 공급하는 공기 공급부와, 상기 연료 가스 생성부로부터 상기 연료 전지에 상기 연료 가스를 공급하기 위한 연료 가스 경로와, 상기 연료 전지로부터 상기 연소부에 발전에 이용되지 않았던 잉여의 연료 가스를 공급하기 위한 오프 가스 경로와, 상기 연료 가스 생성부에서 생성된 상기 연료 가스의 공급처가 상기 연료 전지로부터 상기 연소부로 변경되도록 상기 연료 가스 경로와 상기 오프 가스 경로를 접속하기 위한 바이패스 경로와, 상기 연료 가스 생성부에서 생성된 상기 연료 가스의 공급처를 상기 연료 전지와 상기 바이패스 경로 사이에서 절환하기 위한 절환 밸브와, 제어부를 구비하고, 상기 제어부가 상기 절환 밸브를 제어해서 상기 연료 가스 생성부에서 생성된 상기 연료 가스를 상기 바이패스 경로로 바꾸어 상기 연료 전지에 공급하기 전에 상기 연료 전지의 내부가 상기 원료 가스에 의해 충전되어 있는 연료 전지 시스템으로서, 상기 제어부가, 상기 절환 밸브를 제어해서 상기 연료 가스 생성부에서 생성된 상기 연료 가스를 상기 바이패스 경로로 바꾸어 상기 연료 전지에 공급할 때, 상기 공기 공급부로부터 상기 연소부로의 공기의 공급량을 증가시키도록 제어한다.
이러한 구성으로 하면, 연료 가스 생성부에서 생성된 연료 가스를 바이패스 경로로 바꾸어 연료 전지에 공급하기 전에 연료 전지의 내부가 원료 가스에 의해 충전되어 있는 구성의 연료 전지 시스템에 있어서, 공기 공급부로부터 연소부를 향해서 필요 충분한 양의 공기가 공급되므로, 발전 운전의 개시시에 있어서의 연료 전지 시스템으로부터의 일산화탄소의 배출을 억제하는 것이 가능하게 된다.
이 경우, 상기 원료 가스가 탄화 수소 가스이다.
이러한 구성으로 하면, 탄화 수소 가스로서 일반적으로 보급되어 있는 천연 가스나 LPG 등을 원료 가스로서 이용할 수 있으므로, 발전 운전의 개시시에 있어서 일산화탄소의 배출이 억제되는 바람직한 연료 전지 시스템을 용이하게 구성하는 것이 가능하게 된다.
상기의 경우, 상기 연료 전지에 상기 원료 가스를 공급 가능한 원료 공급부를 구비하고, 상기 제어부가, 정지 동작시 또는 기동 동작시에, 상기 원료 공급부로부터 상기 연료 전지에 상기 원료 가스를 공급함으로써 상기 연료 전지의 내부가 상기 원료 가스에 의해 충전되도록 제어한다.
이러한 구성으로 하면, 연료 전지의 내부에 원료 가스를 공급하는 것이 가능한 원료 공급부를 구비하고 있으므로, 연료 전지 시스템의 정지 동작시 또는 기동 동작시에 있어서, 연료 전지의 내부가 원료 가스에 의해 용이하게 충전된다.
또한, 상기의 경우, 상기 제어부가, 상기 연료 가스 생성부가 소정의 운전 조건을 만족할 때까지는 상기 절환 밸브에 의해 상기 연료 가스 생성부에서 생성된 상기 연료 가스가 상기 바이패스 경로를 거쳐 상기 연소부에 공급되도록 제어하고, 상기 소정의 운전 조건을 만족한 경우에는, 상기 절환 밸브에 의해 상기 연료 가스 생성부에서 생성된 상기 연료 가스를 상기 바이패스 경로로 바꾸어 상기 연료 전지에 공급함과 함께, 상기 공기 공급부로부터 상기 연소부로의 공기의 공급량을 증가시키도록 제어한다.
이러한 구성으로 하면, 연료 가스 생성부가 소정의 운전 조건을 만족할 때까지는 일산화탄소를 고농도로 함유하는 연료 가스가 연료 전지에 공급되는 일없이 연소부에 공급되므로, 연료 전지에 있어서의 연료극의 촉매의 피독이 억제된다. 그리고, 연료 가스 생성부가 소정의 운전 조건을 만족한 경우에 연료 가스가 연료 전지에 공급됨과 함께 공기 공급부로부터 연소부로의 공기의 공급량이 증가되므로, 연료 가스 생성부로부터 연료 전지에 연료 가스를 공급할 때에 있어서 연료 전지 시스템으로부터의 일산화탄소의 배출을 억제하는 것이 가능하게 된다.
또한, 상기의 경우, 상기 제어부가, 상기 절환 밸브에 의해 상기 바이패스 경로를 차단해서 상기 연료 가스 생성부로부터 상기 연료 전지에 상기 연료 가스를 공급 가능하게 하기 전에, 상기 공기 공급부로부터 상기 연소부로의 공기의 공급량을 증가시키도록 제어한다.
이러한 구성으로 하면, 연료 가스 생성부로부터 연료 전지에 연료 가스를 공급 가능하게 하기 전에 공기 공급부로부터 연소부로의 공기의 공급량을 미리 증가시키므로, 연료 전지 시스템으로부터의 일산화탄소의 배출을 확실하고 또한 효과적으로 억제하는 것이 가능하게 된다.
또한, 상기의 경우, 상기 제어부가, 상기 공기 공급부로부터 상기 연소부로의 공기의 공급량을 증가시킨 후, 소정 시간의 경과로써 상기 공기 공급부로부터 상기 연소부로의 공기의 공급량을 감소시키도록 제어한다.
이러한 구성으로 하면, 소정 시간의 경과로써 공기 공급부로부터 연소부로의 공기의 공급량을 감소시키므로, 공기 공급부로부터 연소부로의 공기의 공급량의 변화를 바람직하게 제어하는 것이 가능하게 된다.
또한, 상기의 경우, 상기 연소부로부터 배출되는 배기 가스 중의 일산화탄소를 검출하는 CO 검출부를 더 구비하고, 상기 제어부가, 상기 공기 공급부로부터 상기 연소부로의 공기의 공급량을 증가시킨 후, 상기 CO 검출부의 출력값의 소정값 이하로의 저하 또는 상기 CO 검출부의 출력값에 기초하는 상기 일산화탄소의 농도의 소정 농도 이하로의 저하로써 상기 공기 공급부로부터 상기 연소부로서의 공기의 공급량을 감소시키도록 제어한다.
이러한 구성으로 하여도, 공기 공급부로부터 연소부로의 공기의 공급량의 변화를 바람직하게 제어하는 것이 가능하게 된다.
또한, 상기의 경우, 상기 제어부가, 상기 공기 공급부로부터 상기 연소부로의 공기의 공급량을, 1 이상의 단계를 포함하도록 단계적으로, 또는, 연속적으로 증가시키도록 제어한다.
이러한 구성으로 하면, 공기 공급부로부터 연소부로의 공기의 공급량을 이상적으로 증가시킬 수 있으므로, 일산화탄소의 배출량을 효과적으로 억제하는 것이 가능하게 된다.
[발명의 효과]
본 발명의 실시 형태에 따른 연료 전지 시스템에 의하면, 발전 운전의 개시 시에 있어서의 일산화탄소의 배출을 간이한 구성에 의해 효과적으로 억제하는, 생태계로의 악영향이 저감된 환경에 우수한 연료 전지 시스템을 제공하는 것이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 모식적으로 도시하는 블록도,
도 2는 본 발명의 실시 형태 2에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 모식적으로 도시하는 블록도,
도 3은 연소 팬으로부터 연소 버너에 공급하는 공기의 공급량의 변화를 모식적으로 도시하는 모식도로서, 도 3의 (a)는 공기의 공급량을 1단계로 증가시키는 경우를 도시하고 있고, 도 3의 (b)는 공기의 공급량을 단계적으로 증가시키는 경우를 도시하고 있고, 도 3의 (c)는 공기의 공급량을 완만하게 증가시키는 경우를 도시하고 있는 도면,
도 4는 본 발명의 실시 형태 1에 따른 연료 전지 시스템의 동작의 일부를 모식적으로 도시하는 흐름도.
부호의 설명
1 : 연료 전지 1a : 연료 가스용 유로
1b : 산화제 가스용 유로 2 : 개질기
2a : 연소 버너 2b : 연소 팬
3 : 블로어 4 : 열 교환기
5 : 저탕 탱크 6a, 6b : 펌프
7a, 7b ; 개폐 밸브 8 : 3방 밸브
9 : CO 센서 100∼200 : 연료 전지 시스템
101 : 제어기 R1 : 제1 경로
R2 : 제2 경로 R3 : 제3 경로
R4 : 제4 경로 R5 : 제5 경로
A : 제1 연료 가스 경로 B : 제2 연료 가스 경로
이하, 본 발명을 실시하기 위한 가장 바람직한 형태에 대해서, 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.
(실시 형태 1)
우선, 본 발명의 실시 형태 1에 따른 연료 전지 시스템의 구성에 대해서, 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태 1에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 모식적으로 도시하는 블록도이다. 또한, 도 1에 있어서, 연료 전지 시스템을 구성하는 각 구성 요소 사이의 실선은, 물이나 연료 가스, 산화제 가스, 전기 신호 등이 흐르는 경로를 나타내고 있다. 또한, 그들의 실선 위에 기재되는 화살표는, 물이나 연료 가스 또는 산화제 가스 등의 통상 운전시에 있어서의 유동 방향을 나타내고 있다. 또한, 도 1에서는, 본 발명을 설명하기 위해서 필요로 되는 구성 요소만을 나타내고 있고, 그 이외의 구성 요소에 대해서는 도시를 생략하고 있다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 연료 전지 시스템(100)은, 그 발전부의 본체로서의 연료 전지(1)를 구비하고 있다. 이 연료 전지(1)로서는, 본 실시 형태에서는, 고체 고분자 전해질형 연료 전지를 이용하고 있다. 이 연료 전지(1)는, 후술하는 개질기(2)로부터 배출되어 연료 전지(1)의 연료 가스용 유로(1a)에 공급되는 수소를 풍부하게 포함하는 연료 가스와, 후술하는 블로어(3)에 의해 연료 전지(1)의 산화제 가스용 유로(1b)에 공급되는 산화제 가스(통상, 공기)를 이용하여, 소정의 전력을 출력하기 위해서 발전을 행한다. 환언하면, 연료 전지(1)는, 연료 가스 및 산화제 가스가 갖는 화학 에너지를, 소정의 반응 촉매에 의해 진행하는 소정의 전기 화학 반응에 의해, 전기 에너지로 직접 변환한다. 이러한 에너지 변환에 의해, 연료 전지(1)는, 연료 전지 시스템(100)에 접속되는 부하를 향해서 전기 에너지를 공급한다.
본 실시 형태에서는, 연료 전지(1)의 산화제 가스용 유로(1b)에 공급되는 산화제 가스는, 연료 전지(1)의 내부에서 발전을 위해서 사용한 후의 산화제 가스가 갖는 수분이 이용되어, 미리 소정의 가습 상태로 조정된다. 또한, 산화제 가스의 가습도가 부족한 경우에는, 도 1에서는 특별히 도시하지 않는 저수 탱크에 모여져 있는 물의 일부를 연료 전지(1)의 내부에서 증발시킴으로써, 산화제 가스의 가습도가 적절한 가습도로 조정된다. 또한, 연료 전지(1)의 연료 가스용 유로(1a)에 공급되는 연료 가스는, 전술한 개질기(2)에 있어서, 미리 소정의 가습 상태로 조정된다.
또한, 발전 운전시의, 상기 에너지 변환을 위한 소정의 전기 화학 반응에 의해, 연료 전지(1)가 발열한다. 이 연료 전지(1)에 있어서 발생하는 열은, 연료 전 지(1)의 내부에 형성된 도 1에서는 특별히 도시하지 않는 냉각수용 유로에 공급되는 냉각수에 의해, 축차적으로 회수된다. 이 냉각수에 의해 회수되는 열은, 후술하는 열 교환기(4)에 있어서, 후술하는 저탕 탱크(5)로부터 공급되는 물을 가열하기 위해서 이용된다.
또한, 연료 전지(1)의 내부 구성에 관한 상세한 설명에 대해서는, 연료 전지(1)의 내부 구성과 일반적인 고체 고분자 전해질형 연료 전지의 내부 구성이 마찬가지이기 때문에, 여기에서는 생략한다.
또한, 도 1에 도시하는 바와 같이, 이 연료 전지 시스템(100)은 개질기(2)를 구비하고 있다. 이 개질기(2)는, 천연 가스(메탄이 주성분), LPG 등의 탄화 수소계 성분, 메탄올 등의 알코올, 혹은, 나프타 성분 등에 예시되는 적어도 탄소 및 수소로 구성되는 유기 화합물을 포함하는 원료(원료 가스)와 물이 이용되는 수증기 개질 반응을 주로 진행시켜, 이 수증기 개질 반응에 의해 수소를 풍부하게 포함하는 연료 가스를 생성한다. 이 개질기(2)로의 원료의 공급은, 도 1에서는 특별히 도시하지 않는 원료 공급 장치에 의해 행하여진다. 이 때, 개질기(2)로의 원료의 공급의 단속은, 개폐 밸브(7a)에 의해 행하여진다. 여기에서, 이 개질기(2)는, 도 1에서는 특별히 도시하지 않지만, 수증기 개질 반응을 진행시키기 위한 개질부와, 이 개질부로부터 배출되는 연료 가스 중의 일산화탄소를 저감하기 위한 변성부 및 정화부를 구비하고 있다.
개질부는, 수증기 개질 반응을 진행시키기 위한 도 1에서는 특별히 도시하지 않는 개질 촉매와, 이 개질 촉매를 가열하기 위해서 주로 연료 전지(1)로부터 배출 되는 오프 가스를 연소하는 연소 버너(2a)와, 이 연소 버너(2a)에서의 오프 가스의 연소에 필요로 되는 공기를 대기 중에서 공급하는 연소 팬(2b)을 구비하고 있다. 또한, 변성부는, 개질부로부터 배출되는 연료 가스 중의 일산화탄소 농도를 물과의 반응에 의해 저감하기 위한 변성 촉매를 구비하고 있다. 또한, 정화부는, 변성부로부터 배출되는 연료 가스 중의 일산화탄소 농도를 산화 반응 혹은 메탄화 반응에 의해 더욱 저감하기 위한 CO 제거 촉매를 구비하고 있다. 또한, 이 변성부 및 정화부는, 연료 가스에 포함되는 일산화탄소를 효과적으로 저감하기 위해서, 각각에 있어서 진행하는 화학 반응에 알맞은 온도 조건 아래, 각각 운전된다.
또한, 개질기(2)의 내부에 있어서의 전술한 개질부 및 변성부 및 정화부 이외의 구성에 관한 상세한 설명에 대해서는, 개질기(2)의 내부 구성과 일반적인 개질기의 내부 구성이 마찬가지이기 때문에, 여기에서는 생략한다.
또한, 도 1에 도시하는 바와 같이, 이 연료 전지 시스템(100)은 블로어(3)를 구비하고 있다. 이 블로어(3)는 대기 중에서 공기를 흡입함으로써, 연료 전지(1)의 산화제 가스용 유로(1b)에 산화제 가스로서의 공기를 공급한다. 이 블로어(3)로서는, 시로코(sirocco) 팬 등이 바람직하게 이용된다.
또한, 도 1에 도시하는 바와 같이, 이 연료 전지 시스템(100)은 열 교환기(4)를 구비하고 있다. 이 열 교환기(4)는, 연료 전지(1)의 도 1에서는 특별히 도시하지 않는 냉각수용 유로로부터 펌프(6a)의 동작에 의해 배출되는 온도 상승한 냉각수과, 급탕 등의 목적을 위해서 후술하는 저탕 탱크(5)로부터 펌프(6b)에 의해 공급되는 물 사이에서 열을 교환한다. 이 열 교환기(4)에 있어서 열이 교환되어 냉각된 냉각수는, 펌프(6a)의 동작에 의해, 연료 전지(1)의 냉각수용 유로를 향해서 다시 공급된다.
또한, 도 1에 도시하는 바와 같이, 이 연료 전지 시스템(100)은, 저탕 탱크(5)를 구비하고 있다. 이 저탕 탱크(5)는, 열 교환기(4)에 있어서 가열된 물을 모은다. 여기에서, 저탕 탱크(5)에 모이는 물은, 펌프(6b)의 동작에 의해, 열 교환기(4)를 거쳐 순환된다. 이 때, 저탕 탱크(5)로부터 공급되는 물은, 열 교환기(4)에 있어서, 연료 전지(1)로부터 펌프(6a)의 동작에 의해 배출되는 온도 상승한 냉각수의 열에 의해 가열된다. 이 열 교환기(4)에서 가열된 물이, 저탕 탱크(5)에 모인다. 그리고, 저탕 탱크(5)에 모이는 가열된 물은, 필요에 따라서, 급탕 등을 위해서 이용된다.
또한, 도 1에 도시하는 바와 같이, 이 연료 전지 시스템(100)에서는, 개질기(2)에서 생성된 연료 가스를 연료 전지(1)의 연료 가스용 유로(1a)에 공급하기 위한 제1 경로 R1 및 제4 경로 R4의 접속부에, 3방 밸브(8)가 배설되어 있다. 또한, 연료 전지(1)의 연료 가스용 유로(1a)로부터 배출되는 오프 가스를 개질기(2)의 연소 버너(2a)에 공급하기 위한 제5 경로 R5의 도중에, 개폐 밸브(7b)가 배설되어 있다. 또한, 3방 밸브(8)와 제5 경로 R5 및 제3 경로 R3의 접속부 사이에, 개질기(2)에서 생성된 연료 가스를 연료 전지(1)에 공급하지 않고 연소 버너(2a)에 직접 공급하기 위한 제2 경로 R2(바이패스 경로)이 배설되어 있다. 그리고, 도 1에 도시하는 바와 같이, 제1 경로 R1과 제2 경로 R2와 제3 경로 R3에 의해, 제1 연료 가스 경로 A가 구성되어 있다. 또한, 도 1에 도시하는 바와 같이, 제1 경로 R1 과 제4 경로 R4와 연료 가스용 유로(1a)와 제5 경로 R5와 제3 경로 R3에 의해, 제2 연료 가스 경로 B가 구성되어 있다. 즉, 본 실시 형태에 따른 연료 전지 시스템(100)은, 개폐 밸브(7b) 및 3방 밸브(8)를 조작함으로써, 개질기(2)로부터 배출되는 연료 가스를 필요에 따라서 연료 전지(1)에 공급하는 일없이 연소 버너(2a)에 직접 공급하는 것이 가능하게 구성되어 있다. 여기에서, 본 실시 형태에서는, 제1 경로 R1과 제4 경로 R4에 의해, 개질기(2)로부터 생성된 연료 가스를 연료 전지(1)의 연료 가스용 유로(1a)에 공급하기 위한 연료 가스 경로가 구성되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 제5 경로 R5와 제3 경로 R3에 의해, 연료 전지(1)의 연료 가스용 유로(1a)로부터 배출되는 오프 가스를 개질기(2)의 연소 버너(2a)에 공급하기 위한 오프 가스 경로가 구성되어 있다.
또한, 이 연료 전지 시스템(100)은, 제어기(101)를 구비하고 있다. 이 제어기(101)는, 연료 전지 시스템(100)을 구성하는 각 구성 요소의 동작을 적절히 제어한다. 여기에서, 이 제어기(101)는, 예를 들면, 도 1에서는 특별히 도시하지 않지만, 기억부, 시간 측정부, 중앙 연산 처리 장치(CPU) 등을 구비하고 있다. 또한, 연료 전지 시스템(100)의 각 구성 요소의 동작에 따른 프로그램은 미리 제어기(101)의 기억부에 기억되어 있고, 이 기억부에 기억되어 있는 프로그램에 기초하여, 제어기(101)가 연료 전지 시스템(100)의 동작을 적절히 제어한다.
다음으로, 본 발명의 실시 형태 1에 따른 연료 전지 시스템(100)의 동작에 대해서, 도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 여기에서, 이하의 설명에서는, 연료 전지 시스템(100)의 정지 동작시 또는 기동 동작시에 있어서, 연료 전지(1)의 연료 가스용 유로(1a) 및 그 주변부에 치환 가스로서의 적어도 탄소 및 수소로 구성되는 유기 화합물을 포함하는 원료 가스(본 실시 형태에서는, 탄화 수소 가스인 천연 가스)가 미리 충전되어 있는 것으로 한다. 이 연료 전지(1) 등으로의 원료 가스의 충전은, 도 1에서는 특별히 도시하지 않는 원료 공급 장치로부터 연료 전지(1) 등을 향해서 원료 가스가 공급됨으로써 행하여진다. 또한, 본 실시 형태에서는, 「기동 동작시」란 「제어기(101)로부터 기동 지령이 출력되고 나서 연료 전지(1)의 도 1에서는 특별히 도시하지 않는 발전 제어부에 의해 전류가 연료 전지(1)로부터 추출될 때까지」를 말하며, 「정지 동작시」란 「제어기(101)로부터 정지 지령이 출력되고 나서 연료 전지 시스템(100) 전체의 동작이 완전히 정지할 때까지」를 말한다.
연료 전지 시스템(100)은, 제어기(101)의 제어에 의해 이하의 동작을 실행한다.
우선, 도 1에 도시하는 연료 전지 시스템(100)의 발전 운전을 개시할 때에는, 연료 전지(1)의 발전 운전에 있어서 필요로 되는 수소를 풍부하게 포함하는 연료 가스를 생성하기 위해서, 개질기(2)를 작동시킨다. 구체적으로는, 수소를 생성하기 위한 원료로 되는 천연 가스를, 도 1에서는 특별히 도시하지 않는 원료 공급 장치로부터 개질기(2)의 개질부에 공급한다. 또한, 수증기 개질 반응을 진행시키기 위한 수증기를 생성하기 위해서, 수도 등의 인프라 스트럭쳐(infras tructure)로부터 개질기(2)의 개질부에 물을 공급한다. 또한, 개질기(2)의 개질부에 있어서 수증기 개질 반응을 진행시키기 위해서, 개질부에 마련되어 있는 개질 촉매를 연소 버너(2a)에 의해 가열한다.
연료 전지 시스템(100)의 발전 운전의 개시 당초에는, 개질기(2)의 개질부에 있어서의 개질 촉매의 온도는, 연소 버너(2a)에 의해 가열되어 완만하게 온도 상승하기 때문에, 소정의 온도에까지 도달하고 있지 않다. 그 때문에, 개질부에 있어서의 수증기 개질 반응이 바람직하게 진행하지 않으므로, 개질기(2)로부터 배출되는 연료 가스에는, 대량의 일산화탄소가 포함되어 있다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 연료 전지 시스템(100)의 발전 운전의 개시시, 개질기(2)의 개질부에 있어서의 개질 촉매의 온도가 소정의 온도에 도달하고 또한 양질의 연료 가스를 생성 가능해질 때까지(소정의 운전 조건을 만족할 때까지)는, 제어기(101)에 의해 3방 밸브(8)가 제어되어 제1 경로 R1과 제2 경로 R2가 접속됨과 함께, 개폐 밸브(7b)가 닫힌 상태로 되어, 제1 경로 R1 및 제2 경로 R2 및 제3 경로 R3에 의해 제1 연료 가스 경로 A가 구성된다. 그리고, 이 제1 연료 가스 경로 A에, 개질기(2)에서 생성된 일산화탄소를 고농도로 포함하는 연료 가스가 공급된다. 이에 의해, 연소 버너(2a)에, 제1 연료 가스 경로 A를 거쳐, 일산화탄소를 고농도로 포함하는 연료 가스가 공급된다. 그러면, 연소 버너(2a)는, 그 공급되는 일산화탄소를 고농도로 포함하는 연료 가스를 연소하고, 개질기(2)의 개질부에 있어서의 개질 촉매를 가열한다. 그리고, 개질 촉매의 온도가, 소정의 온도에까지 가열된다. 또한, 연소 버너(2a)에 있어서 연소된 연료 가스는, 배기 연소 가스로서 연료 전지 시스템(100)의 외부에 배출된다.
또한, 이 때, 연소 버너(2a)에 있어서 일산화탄소를 고농도로 포함하는 연료 가스를 연소시키기 위해서, 연소 팬(2b)에 의해 연소 버너(2a)에 공기가 공급된다. 이 연소 팬(2b)에 의한 연소 버너(2a)로의 공기의 공급량은, 원료 공급 장치로부터 개질기(2)에 공급되는 천연 가스 등의 원료의 공급량에 따라서, 적절히 설정된다.
구체적으로 설명하면, 연료 전지 시스템(100)의 발전 운전의 개시 후, 개질기(2)에서는, 이론적으로는, 화학식 1에 나타내는 화학 반응에 의해 천연 가스로부터 수소가 생성된다. 여기에서, 원료 공급 장치로부터 개질기(2)에 공급되는 천연 가스의 공급량을 Q(L/분)으로 하면, 화학식 1에 나타내는 화학 반응에 의하면, 개질기(2)로부터 배출되는 수소의 배출량은 4Q(L/분)으로 된다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 개질기(2)로부터 배출되어 제1 연료 가스 경로 A를 거쳐 4Q(L/분)의 비율로 연소 버너(2a)에 공급되는 수소를 완전 연소시키기 위해서, 연소 팬(2b)으로부터 연소 버너(2a)에, 화학식 2에 나타내는 연소 반응을 진행시키기 위해서, 2Q(L/분)의 비율로 산소를 공급한다. 이 때, 제어기(101)는, 연소 버너(2a)로의 산소의 공급량이 2Q(L/분)으로 되도록, 연소 팬(2b)의 회전수를 제어한다.
CH4+2H2O→CO2+4H2
4H2+2O2→4H2O
즉, 본 실시 형태에서는, 연소 팬(2b)에 의한 연소 버너(2a)로의 공기의 공급량을, 개질기(2)에 있어서 이론적으로 생성되는 수소의 생성량, 즉, 원료 공급 장치로부터 개질기(2)의 개질부로의 천연 가스의 공급량을 기준으로 하여 설정한다. 이에 의해, 연소 버너(2a)에 있어서, 일산화탄소를 고농도로 포함하는 연료 가스가 연소된다. 그리고, 이 연소 버너(2a)에 있어서 발생하는 열에 의해, 개질기(2)에 있어서의 개질부의 개질 촉매가 가열된다.
그 이후의 동작에 대해서, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해서, 도 4를 참조하면서 상세히 설명한다.
도 4는, 본 발명의 실시 형태 1에 따른 연료 전지 시스템의 동작의 일부를 모식적으로 도시하는 플로우차트이다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 연소 버너(2a)에 있어서의 일산화탄소를 고농도로 포함하는 연료 가스의 연소에 의해 발생하는 열로 개질기(2)에 있어서의 개질부의 개질 촉매의 온도가 상승하면, 그 개질 촉매의 온도가 수증기 개질 반응에 적합한 소정의 온도에까지 도달했는지의 여부가, 제어기(101)에 의해 판정된다(단계 S1). 여기에서, 개질 촉매의 온도는, 예를 들면, 개질 촉매에 매설된 온도 센서에 의해 검출된다. 이 온도 센서의 출력 신호는, 제어기(101)에 입력된다. 그리고, 제어기(101)에 있어서 출력 신호의 해석이 행하여짐으로써, 개질 촉매의 온도가 인식된다. 또한, 개질 촉매의 온도가 소정의 온도에까지 도달하고 있지 않다고 판정된 경우(단계 S1에서 NO), 개질 촉매의 온도가 소정의 온도에까지 도달했다고 판정될 때까지, 연소 버너(2a)에 의한 개질 촉매의 가열이 계속된다.
한편, 단계 S1에 있어서, 개질 촉매의 온도가 소정의 온도에까지 도달했다고 제어기(101)가 판정하면(단계 S1에서 YES), 제어기(101)는 연소 팬(2b)의 풍량을 증가시키도록 제어한다(단계 S2).
구체적으로 설명하면, 후술하는 단계 S3의 이후에 연료 전지(1)의 연료 가스용 유로(1a) 등으로부터 배출되어 연소 버너(2a)에 공급되는 천연 가스의 공급량은, 개질기(2)로부터 연료 가스용 유로(1a)를 향해서 공급되는 연료 가스의 공급량과 거의 동일하다. 예를 들면, 전술한 화확식 1에 의하면, 개질기(2)에 공급되는 천연 가스의 공급량이 Q(L/분)인 경우, 개질기(2)로부터는 Q(L/분)의 이산화탄소와 4Q(L/분)의 수소가 배출된다. 따라서, 연료 전지(1)의 연료 가스용 유로(1a) 등으로부터 연소 버너(2a)로는, 5Q(L/분)의 비율로 천연 가스가 공급된다.
그런데, 화학식 3에 나타내는 바와 같이, 5Q(L/분)의 비율로 공급되는 천연 가스를 완전 연소하고, 천연 가스를 이산화탄소 및 물로 변환하기 위해서는, 연소 버너(2a)를 향해서 10Q(L/분)의 비율로 산소를 공급할 필요가 있다. 그러나, 전술한 바와 같이, 연료 전지 시스템(100)의 발전 운전의 개시시에는, 연소 버너(2a)로의 산소의 공급량은, 개질기(2)로의 천연 가스의 공급량에 따라서, 2Q(L/분)으로 되어 있다. 그 때문에, 연소 버너(2a)에서는, 공급되는 천연 가스의 불완전 연소가 진행한다. 그리고, 이 불완전 연소에 의해, 연료 전지 시스템(100)으로부터 일산화탄소가 배출된다.
5CH4+10O2→5CO2+10H2O
따라서, 본 실시 형태에서는, 연료 전지(1)의 연료 가스용 유로(1a) 등으로 부터 배출되어 연소 버너(2a)에 공급되는 천연 가스를 완전 연소시키기 위해서, 단계 S3으로서 나타내는 개폐 밸브(7b) 및 3방 밸브(8)의 제어에 의한 제2 연료 가스 경로 B의 구성 전에, 단계 S2로서 연소 팬(2b)으로부터 연소 버너(2a)로의 공기의 공급량을 증가시킨다. 여기에서, 이 연소 팬(2b)으로부터 연소 버너(2a)를 향한 공기의 공급량의 증가량은, 본 실시 형태에서는, 화확식 3에 기초하여 약 5배로 하고 있다. 이에 의해, 연소 팬(2b)으로부터 연소 버너(2a)로의 산소의 공급량이 10Q(L/분)으로 되므로, 연소 버너(2a)에서는 5Q(L/분)의 비율로 공급되는 천연 가스가 거의 완전히 연소되어, 연료 전지 시스템(100)의 외부로의 일산화탄소의 배출이 억제되게 된다.
여기에서, 연소 팬(2b)으로부터 연소 버너(2a)로의 공기의 공급량의 증가 형태는, 어떠한 증가 형태로 하여도 된다.
도 3은, 연소 팬(2b)으로부터 연소 버너(2a)에 공급하는 공기의 공급량의 변화를 모식적으로 도시하는 모식도이다. 또한, 도 3의 (a) 내지 도 3의 (c)에 있어서, 세로축은 연소 팬(2b)의 풍량을 나타내고 있고, 가로축은 경과 시간을 나타내고 있다.
도 3에 도시하는 바와 같이, 단계 S2에 있어서는, 연소 팬(2b)으로부터 연소 버너(2a)로의 공기의 공급량의 증가를, 예를 들면, 도 3의 (a)에 도시하는 곡선 a 와 같이 1단계로 증가시켜도 되며, 또한, 도 3의 (b)의 곡선 b와 같이 단계적으로 증가시켜도 된다. 또한, 도 3의 (c)에 도시하는 곡선 c와 같이 완만하게 증가시켜도 된다. 이러한 도 3의 (a) 내지 도 3의 (c) 중 어느 하나의 증가 형태에 의해서 도, 연소 버너(2a)에 있어서의 천연 가스의 불완전 연소를 효과적으로 억제하는 것이 가능하게 된다.
그런데, 단계 S2에 있어서 연소 팬(2b)의 풍량이 증가된 후, 제어기(101)는, 3방 밸브(8) 및 개폐 밸브(7b)를 제어하고, 제1 경로 R1과 제4 경로 R4와 연료 가스용 유로(1a)와 제5 경로 R5와 제3 경로 R3에 의해 제2 연료 가스 경로 B를 구성한다(단계 S3). 이 때, 개질부에 있어서의 개질 촉매의 온도는 수증기 개질 반응을 바람직하게 진행시키는 것이 가능한 소정의 온도에까지 도달하고 있으므로, 개질기(2)로부터는 일산화탄소가 충분히 저감된 연료 가스가 배출된다. 그리고, 개질기(2)에서 생성된 일산화탄소가 충분히 저감된 연료 가스가, 제1 경로 R1 및 제4 경로 R4를 거쳐, 연료 전지(1)의 연료 가스용 유로(1a) 등에 공급된다. 그러면, 개질기(2)로부터 연료 전지(1)의 연료 가스용 유로(1a) 등에 연료 가스가 공급됨으로써, 미리 연료 전지(1)의 연료 가스용 유로(1a) 및 그 주변부에 주입되어 있는 천연 가스가 밀려나온다. 이 천연 가스는, 제5 경로 R5 및 제3 경로 R3을 거쳐, 연소 버너(2a)에 공급된다.
연소 버너(2a)에서는, 연료 전지(1)의 연료 가스용 유로(1a) 등으로부터 밀어나온 천연 가스가, 연소 팬(2b)으로부터 공급되는 공기가 이용되어 연소된다. 이 때, 전술한 바와 같이 천연 가스를 완전 연소시키기 위해서 필요한 양의 산소가 연소 팬(2b)에 의해 공급되어 있으므로, 연소 버너(2a)에서는 천연 가스가 완전 연소된다. 이에 의해, 연료 전지 시스템(100)의 외부로의 일산화탄소의 배출이 억제된다.
연소 팬(2b)으로부터 연소 버너(2a)로의 공기의 공급량을 증가시킨 후, 연료 전지(1)의 연료 가스용 유로(1a) 등으로부터 천연 가스의 전량이 배출되고, 또한 연소 버너(2a)에 있어서 그 전량의 천연 가스가 연소되는 소정의 시간이 경과했다고 제어기(101)의 시간 측정부가 판정하면(단계 S4에서 YES), 연소 팬(2b)으로부터 연소 버너(2a)로의 공기의 공급량이 감소된다(단계 S5). 구체적으로는, 예를 들면, 연소 팬(2b)으로부터 연소 버너(2a)로의 산소의 공급량을 10Q(L/분)으로부터 2Q(L/분)으로 하도록 증가 전의 공기 공급량으로 되돌리기 위해서, 제어기(101)가 연소 팬(2b)의 회전수를 제어한다. 또한, 이 단계 S5 이후, 연소 버너(2a)는, 연료 전지(1)의 연료 가스용 유로(1a)로부터 배출되는 오프 가스를 연소한다. 이에 의해, 개질기(2)의 개질부에 있어서의 개질 촉매의 온도가, 수증기 개질 반응을 진행시키기 위한 소정의 온도로 유지된다.
또한, 상기 단계 S3 이후, 개질기(2)로부터 연료 전지(1)에 연료 가스가 공급되면, 연료 전지(1)는 이하와 같이 발전 동작을 개시한다.
즉, 개질기(2)로부터 연료 전지(1)의 연료 가스용 유로(1a)에 일산화탄소의 농도가 충분히 저감된 연료 가스가 공급됨과 함께, 블로어(3)로부터 연료 전지(1)의 산화제 가스용 유로(1b)에 공기가 공급되면, 연료 전지(1)에서는, 그 애노드(anode)측 및 캐소드(cathode)측에 공급되는 연료 가스 및 공기가 이용되어, 소정의 전력을 출력하기 위해서 발전이 행하여진다. 또한, 발전에 이용되지 않았던 오프 가스는, 연료 전지(1)의 연료 가스용 유로(1a)로부터 배출된 후, 제5 경로 R5 및 제3 경로 R3을 거쳐 연소 버너(2a)에 공급된다. 그리고, 이 연소 버너(2a)에 있어서, 수증기 개질 반응을 진행시키기 위해서 연소된다. 또한, 연료 전지(1)의 산화제 가스용 유로(1b)로부터 배출되는 배기 공기는, 연료 전지 시스템(100)의 외부에 배출된다.
또한, 이 발전 운전시, 연료 전지(1)는, 발전을 위한 전기 화학 반응에 의해 발열한다. 이 연료 전지(1)에서 발생하는 열은, 냉각수가 펌프(6a)에 의해 연료 전지(1)의 내부에 형성되어 있는 도 1에서는 특별히 도시하지 않는 냉각수용 유로에 순환됨으로써, 축차적으로 회수된다. 그리고, 이 펌프(6a)에 의해 순환되는 냉각수에 의해 회수된 열은, 열 교환기(4)에 있어서, 저탕 탱크(5)로부터 펌프(6b)에 의해 순환되는 물의 가열을 위해서 이용된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 연료 전지(1)의 연료 가스용 유로(1a) 및 그 주변부에 미리 천연 가스가 충전되어 있는 형태에 대해서 설명했지만, 이러한 형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 연료 전지(1)의 연료 가스용 유로(1a) 등에 미리 LPG 등의 탄화 수소 가스가 충전되어 있어도 된다. 이와 같이, 본 발명에서는, 연료 전지(1)의 내부에 충전되는 탄화 수소 가스의 종류에 따라서, 소정의 기간, 연소 팬(2b)으로부터 연소 버너(2a)로의 산소의 공급량을 증가시키는 점을 특징 사항으로 하고 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 제2 연료 가스 경로 B를 구성하기 전에 연소 팬(2b)으로부터 연소 버너(2a)로의 공기의 공급량을 증가시키는 형태에 대해서 설명했지만, 이러한 형태에 한정되는 것은 아니며, 제2 연료 가스 경로 B를 구성한 후에 연소 팬(2b)으로부터 연소 버너(2a)로의 공기의 공급량을 증가시키는 형태로 하여도 된다. 이러한 구성으로 하여도, 본 실시 형태와 마찬가지의 효과를 얻는 것이 가능하다. 단, 이 경우에는, 연료 전지(1) 등으로부터 밀려나온 천연 가스가 제5 경로 R5 및 제3 경로 R3을 거쳐 연소 버너(2a)에 공급되기 전에, 연소 팬(2b)으로부터 연소 버너(2a)로의 공기의 공급량을 증가시킨다.
또한, 본 실시 형태에서는, 도 4에 도시하는 단계 S1에 있어서 개질 촉매의 온도를 검지하는 형태에 대해서 설명했지만, 이러한 형태에 한정되는 것은 아니며, 개질기(2)를 구성하는 개질부 및 변성부 및 정화부 중 적어도 어느 하나의 구성 요소의 운전 온도를 검지하는 형태로 하여도 된다. 이러한 구성으로 하여도, 본 실시 형태와 마찬가지의 효과를 얻는 것이 가능하다.
또한, 본 실시 형태에서는, 연료 전지 시스템(1O0)이 고체 고분자 전해질형 연료 전지를 연료 전지(1)로서 구비하는 형태에 대해서 설명하고 있지만, 이와 같은 형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 연료 전지 시스템(100)이 인산형 연료 전지나 알카리형 연료 전지 등을 연료 전지(1)로서 구비하는 형태로 하여도 된다. 이러한 구성으로 하여도, 본 실시 형태와 마찬가지의 효과를 얻는 것이 가능하다.
(실시 형태 2)
도 2는, 본 발명의 실시의 형태 2에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 모식적으로 도시하는 블록도이다. 또한, 도 2에 있어서도, 연료 전지 시스템을 구성하는 각 구성 요소 사이의 실선은 물이나 연료 가스 또는 산화제 가스 등이 흐르는 경로를 나타내고 있고, 그들의 실선 위에 기재되는 화살표는, 물이나 연료 가스 또는 산화제 가스 등의 통상 운전시에 있어서의 유동 방향을 나타내고 있다. 또한, 도 2에 있어서도, 본 발명을 설명하기 위해서 필요한 구성 요소만을 도시하고 있고, 그 이외의 구성 요소에 대해서는 도시를 생략하고 있다. 또한, 도 2에 있어서, 실시 형태 1에서 나타낸 연료 전지 시스템(100)의 구성 요소와 동일한 구성 요소에 대해서는, 동일한 부호를 붙이고 있다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 연료 전지 시스템(200)은, 실시 형태 1에서 나타낸 연료 전지 시스템(100)의 구성과 거의 동일한 구성을 구비하고 있다. 그러나, 본 실시 형태에 따른 연료 전지 시스템(200)의 구성은, CO 센서(9)를 구비하고 있는 점에서, 실시 형태 1에서 나타내는 연료 전지 시스템(100)의 구성과는 서로 다르다. 또한, 그 밖의 점에 대해서는, 실시 형태 1에서 나타내는 연료 전지 시스템(100)의 구성과 마찬가지이다.
전술한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 연료 전지 시스템(200)은, CO 센서(9)를 구비하고 있다. 이 CO 센서(9)는, 연소 버너(2a)로부터 배출되는 배기 연소 가스 중 일산화탄소의 농도 변화를 전기 신호의 변화로서 제어기(101)에 출력한다. 제어기(101)는, CO 센서(9)로부터 출력되는 전기 신호를 해석함으로써, 예를 들면, 배기 연소 가스에 포함되는 일산화탄소의 농도 변화를 인식한다. 그리고, 본 실시 형태에서는, 도 4의 단계 S4에서 나타낸 「소정의 시간」 대신에, 연소 버너(2a)로부터 배출되는 배기 연소 가스 중 일산화탄소의 농도가 「소정의 임계치 농도」 이하로 된 것이 제어기(101)에 의해 확인된 경우에, 연소 팬(2b)의 풍량을 감소시킨다. 구체적으로 설명하면, 연소 버너(2a)에 있어서, 연료 전지(1)의 연료 가스용 유로(1a) 및 그 주변부에 충전되어 있던 천연 가스가 연소되는 경우, 화학식 3에 나타내는 바와 같이 이산화탄소 및 물이 주된 생성물로서 생성되는 한편으로, 불완전 연소에 의해 미량의 일산화탄소가 발생하는 경우가 있다. 따라서, 본 실시 형태에서는, CO 센서(9)에 의해 검출되는 배기 연소 가스 중 일산화탄소의 농도가, 예를 들면, 100ppm으로부터 소정의 임계치 농도로서의 30ppm 이하로 되었을 때, 도 4의 단계 S5로서 연소 팬(2b)의 풍량을 감소시키는 것으로 하고 있다. 이러한 구성에 의하면, 배기 연소 가스 중에 포함되는 일산화탄소의 농도가 소정의 임계치 농도 이하로 되어, 치환 가스로서의 천연 가스의 연소가 완전히 종료한 것이 확인된 후, 연소 팬(2b)의 풍량을 감소할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따른 연료 전지 시스템(200)에서는, CO 센서(9)가 연소 버너(2a)로부터 배출되는 배기 연소 가스 중 일산화탄소의 농도 변화를 전기 신호의 변화로서 제어기(101)에 출력하는 경우, 제어기(101)가, CO 센서(9)로부터 출력되는 전기 신호의 출력값(예를 들면, 전압값)을 인식한다. 그리고, 도 4의 단계 S4에서 나타낸 「소정의 시간」 대신에, 연소 버너(2a)로부터 배출되는 배기 연소 가스 중 일산화탄소의 농도에 대응하는 CO 센서(9)로부터의 출력값이 「소정의 출력값」 이하로 된 것이 제어기(101)에 의해 확인된 경우에, 연소 팬(2b)의 풍량을 감소시킨다. 이와 같은 구성으로 하면, 제어기(101)에 있어서 연소 버너(2a)로부터 배출되는 배기 연소 가스 중 일산화탄소의 농도를 연산할 필요가 없어지므로, 제어기(101)의 기억부에 미리 기억시키는 프로그램을 간략화할 수 있다.
또한, 그 밖의 점에 대해서는, 실시 형태 1의 경우와 마찬가지이다.
이상, 본 발명에 의하면, 치환 가스로서의 천연 가스를 연소 버너(2a)에서 연소할 때, 연소 버너(2a)로의 산소의 공급량을 증가시키므로, 천연 가스를 연소할 때의 일산화탄소의 발생을 억제할 수 있다. 이에 의해, 발전 운전의 개시시에 있어서의 일산화탄소의 배출을 간이한 구성에 의해 효과적으로 억제하는, 생태계로의 악영향이 저감된 환경에 우수한 연료 전지 시스템을 제공하는 것이 가능하게 된다.
또한, 연소 팬(2b)의 풍량을 감소시킬 것인지의 여부의 판단 기준에 관해서는, 실시 형태 1에서는 「소정의 시간」을 판단 기준으로 하고 있고, 실시의 형태 2에서는 「소정의 임계치 농도」 또는 「소정의 출력값」을 판단 기준으로 하고 있지만, 어느 하나의 판단 기준만을 이용할 필요는 없고, 이들의 양쪽을 판단 기준으로 하여 이용하는 형태로 하여도 된다. 즉, 도 4에 있어서, 단계 S4로서 소정의 시간이 경과한 것이 제어기(101)에 의해 인식되고, 또한 CO 센서(9)에 의해 검출되는 일산화탄소의 농도가 소정의 임계치 농도 이하(또는, CO 센서(9)의 출력값이 소정의 출력값 이하)로 된 경우에, 도 4의 단계 S5로 진행하는 형태로 하여도 된다. 이러한 구성으로 하여도, 실시 형태 1 및 2의 경우와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 연료 전지 시스템은, 발전 운전의 개시시에 있어서의 일산화탄소의 배출을 간이한 구성에 의해 효과적으로 억제하는, 생태계로의 악영향이 저감된 환경에 우수한 연료 전지 시스템으로서 산업상 이용하는 것이 가 능하다.

Claims (8)

  1. 연료 가스와 산화제 가스를 이용하여 발전을 행하는 연료 전지와,
    상기 연료 전지로 공급하는 상기 연료 가스를 개질 반응에 의해 원료 가스를 개질해서 생성하는 연료 가스 생성부와,
    상기 연료 가스 생성부에서 상기 개질 반응을 진행시키기 위한 열 에너지를 상기 연료 가스 및 상기 원료 가스 중 적어도 어느 하나를 연소해서 생성하는 연소부와,
    상기 연소부에 상기 연소를 위한 공기를 공급하는 공기 공급부와,
    상기 연료 가스 생성부로부터 상기 연료 전지에 상기 연료 가스를 공급하기 위한 연료 가스 경로와,
    상기 연료 전지로부터 상기 연소부에 발전에 이용되지 않았던 잉여의 연료 가스를 공급하기 위한 오프 가스 경로와,
    상기 연료 가스 생성부에서 생성된 상기 연료 가스의 공급처가 상기 연료 전지로부터 상기 연소부로 변경되도록 상기 연료 가스 경로와 상기 오프 가스 경로를 접속하기 위한 바이패스 경로와,
    상기 연료 가스 생성부에서 생성된 상기 연료 가스의 공급처를 상기 연료 전지와 상기 바이패스 경로 사이에서 절환하기 위한 절환 밸브와,
    제어부를 구비하고,
    상기 제어부가 상기 절환 밸브를 제어해서 상기 연료 가스 생성부에서 생성 된 상기 연료 가스를 상기 바이패스 경로로 바꾸어서 상기 연료 전지에 공급하기 전에 상기 연료 전지의 내부가 상기 원료 가스에 의해 충전되어 있는 연료 전지 시스템에 있어서,
    상기 제어부가, 상기 절환 밸브를 제어해서 상기 연료 가스 생성부에서 생성된 상기 연료 가스를 상기 바이패스 경로로 바꾸어 상기 연료 전지에 공급할 때, 상기 공기 공급부로부터 상기 연소부로의 공기의 공급량을 증가시키도록 제어하는
    연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 원료 가스가 탄화 수소 가스인
    연료 전지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지에 상기 원료 가스를 공급 가능한 원료 공급부를 구비하고,
    상기 제어부가, 정지 동작시 또는 기동 동작시에, 상기 원료 공급부로부터 상기 연료 전지에 상기 원료 가스를 공급함으로써 상기 연료 전지의 내부가 상기 원료 가스에 의해 충전되도록 제어하는
    연료 전지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부가, 상기 연료 가스 생성부가 소정의 운전 조건을 만족할 때까지는 상기 절환 밸브에 의해 상기 연료 가스 생성부에서 생성된 상기 연료 가스가 상기 바이패스 경로를 거쳐 상기 연소부에 공급되도록 제어하고,
    상기 소정의 운전 조건을 만족한 경우에는, 상기 절환 밸브에 의해 상기 연료 가스 생성부에서 생성된 상기 연료 가스를 상기 바이패스 경로로 바꾸어 상기 연료 전지에 공급하는 동시에, 상기 공기 공급부로부터 상기 연소부로의 공기의 공급량을 증가시키도록 제어하는
    연료 전지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부가, 상기 절환 밸브에 의해 상기 바이패스 경로를 차단해서 상기 연료 가스 생성부로부터 상기 연료 전지에 상기 연료 가스를 공급 가능하게 하기 전에, 상기 공기 공급부로부터 상기 연소부로의 공기의 공급량을 증가시키도록 제어하는
    연료 전지 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부가, 상기 공기 공급부로부터 상기 연소부로의 공기의 공급량을 증가시킨 후, 소정 시간의 경과로써 상기 공기 공급부로부터 상기 연소부로의 공기의 공급량을 감소시키도록 제어하는
    연료 전지 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 연소부로부터 배출되는 배기 가스 중 일산화탄소를 검출하는 CO 검출부를 더 구비하고,
    상기 제어부가, 상기 공기 공급부로부터 상기 연소부로의 공기의 공급량을 증가시킨 후, 상기 CO 검출부의 출력값의 소정값 이하로의 저하 또는 상기 CO 검출부의 출력값에 기초하는 상기 일산화탄소의 농도의 소정 농도 이하로의 저하로써 상기 공기 공급부로부터 상기 연소부로의 공기의 공급량을 감소시키도록 제어하는
    연료 전지 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부가, 상기 공기 공급부로부터 상기 연소부로의 공기의 공급량을, 1 이상의 단계를 포함하도록 단계적으로, 또는 연속적으로 증가시키도록 제어하는
    연료 전지 시스템.
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