KR20100054824A - 연료전지 시스템 - Google Patents

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KR20100054824A
KR20100054824A KR1020107005277A KR20107005277A KR20100054824A KR 20100054824 A KR20100054824 A KR 20100054824A KR 1020107005277 A KR1020107005277 A KR 1020107005277A KR 20107005277 A KR20107005277 A KR 20107005277A KR 20100054824 A KR20100054824 A KR 20100054824A
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준 아키모토
아키히코 후쿠나가
데츠오 오카와
다케시 이부카
마나부 히와타리
슈헤이 사키마
요시히로 호리
시게루 아사이
야스요시 야마구치
가츠미 츠다
요이치 미도리카와
다쿠야 마스야마
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신닛뽄세키유 가부시키가이샤
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Abstract

케이스(6)의 내부공간(S)에 PEFC 스택(4)을 구비하는 연료전지 시스템(1)에 있어서, 내부공간(S)에 배치되어, 상기 내부공간(S)을 가열하는 시즈히터(13)를 구비하고, 시즈히터(13)는 케이스(6)의 내부공간(S)의 바닥면측에 배치되는 동시에, 바닥면과 시즈히터(13)의 사이에 간격이 형성되어 있고, 케이스(6)의 내부공간(S)에는 PEFC 스택(4)을 포함하는 내부기기를 탑재하는 탑재 플레이트(12)가 설치되고, 시즈히터(13)는 탑재 플레이트(12)와 케이스(6)의 내부공간(S)의 바닥면의 상이에 배치되어 있다.

Description

연료전지 시스템{Fuel cell system}
본 발명은 특히, 한냉지방에서 사용되는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
종래의 연료전지 시스템으로서, 수소를 발생시키기 위해서 액상 탄화수소를 개질시키는 개질부나, 산소와 수소의 전기 화학 반응에 의해 발전을 하기 위한 연료전지 스택(stack) 등을 포함하여 구성되는 것이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1).
특허문헌 1 : 일본 공개특허공보 2007-70502호
여기서, 상기한 연료전지 시스템에서는, 개질부에서 액상 탄화수소를 개질시킬 때에는 물과 함께 개질시키고, 또한, 연료전지 스택으로 발전시킬 때에 물이 발생하고, 또, 냉각수를 순환시킴으로써, 발생하는 열을 냉각하였다. 이상과 같이, 연료전지 시스템에는 배관이나 전지 스택 등에 물이 포함되는 것이기 때문에, 기온이 낮은 장소에 설치한 경우, 그 물(특히, 전지 스택 내의 물)이 동결되어 버릴 가능성이 있어, 한냉지방 등에서의 사용에 적합하지 않다는 문제가 있다.
본 발명은 이러한 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것이며, 시스템 내의 기기의 동결을 방지하고, 한냉지방 등에서도 적용 가능하여 안정성이 높은 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템은 케이스의 내부공간에 전지 스택을 구비하는 연료전지 시스템에 있어서, 내부공간에 배치되어, 상기 내부공간을 가열하는 가열 수단을 구비하고, 가열 수단은 케이스의 내부공간의 바닥면측에 배치되는 동시에, 바닥면과 가열 수단의 사이에 간격이 형성되어 있고, 케이스의 내부공간에는 전지 스택을 포함하는 내부기기를 탑재하는 탑재판이 설치되고, 가열 수단은 탑재판과 케이스의 내부공간의 바닥면의 사이에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템이다.
이 연료전지 시스템에 따르면, 가열 수단에 의해 케이스의 내부공간을 가열할 수 있기 때문에, 시스템 내의 기기의 동결을 방지하여, 한냉지방 등에서도 적용할 수 있다. 또한, 가열 수단과 바닥면의 사이에 간격이 형성되어 있기 때문에, 시스템 내에서 만약 물이나 연료 등의 누설이 발생하여, 케이스의 바닥면에 고인 경우에도, 단락이나 누전을 방지하여 안전성을 높일 수 있다. 또한, 가열 수단을 케이스의 바닥면측에 배치함으로써, 가열 수단으로부터의 열을, 케이스의 내부공간 전체에 자연 대류시킬 수 있고, 따라서, 가열의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 가열 수단과 전지 스택을 포함하는 내부기기가, 탑재판으로 막히기 때문에, 양자가 직접 접촉하는 것을 방지하고, 안전성을 더욱 높일 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 탑재판에는 복수의 관통 구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 하여도 좋다. 이렇게 하면, 가열 수단으로부터의 열의 자연 대류를 촉진하여, 케이스의 내부공간을 효율적으로 가열할 수 있다. 또한, 탑재판 위에 물 등의 액체가 고이는 것을 막을 수도 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 전지 스택의 주위에 배치되어, 전지 스택의 주위 온도를 검지하는 온도 검지 수단과, 온도 검지 수단으로 검지한 온도에 기초하여, 그 주위 온도를 적어도 물이 동결하는 온도 이상으로 유지하도록, 가열 수단을 제어하는 온도 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하여도 좋다. 이렇게 하면, 시스템 중에서 특히 동결 가능성이 높은 부품인 전지 스택의 주위 온도를 온도 검지 수단에 의해 검지하고, 그 검지에 기초하여 온도 제어 수단으로 가열 수단을 제어함으로써 가열 수단에 의해 케이스의 내부공간을 가열하고, 전지 스택의 주위 온도를, 동결의 우려가 없는 온도 이상으로 유지할 수 있다. 또한, 운전 중에는 시스템 내에서 열이 발생하므로, 전지 스택을 비롯하여, 시스템 내의 부품이 동결할 가능성이 낮고, 운전 중이 아닐 때에 그 부품들이 동결할 가능성이 높아진다. 이 연료전지 시스템에서는 전지 스택의 주위에 온도 검지 수단을 배치하였기 때문에, 시스템의 운전 상황에 민감하게 대응할 수 있다. 따라서, 시스템이 운전 중이 아닌 경우 등, 동결의 가능성이 있을 때에만 가열 수단을 작동시킬 수 있기 때문에, 전력을 불필요하게 소비하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 시스템 내의 기기의 동결을 방지하고, 한냉지방 등에서도 적용 가능하고 안정성이 높은 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 연료전지 시스템을 도시하는 개략 구성도.
도 2는 도 1의 연료전지 시스템의 각 부품의 케이스 내에서의 배치를 도시하는 개략 구성도.
도 3은 도 2에 도시하는 탑재 플레이트의 정면도.
도 4는 도 2에 도시하는 시즈히터(sheath heater)의 정면도.
도 5는 도 4에 도시하는 V-V선에 따른 단면도.
도 6은 제어장치에 있어서의 처리 순서를 도시하는 플로차트.
도 7은 다른 실시형태에 따른 탑재 플레이트의 정면도.
이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 적절한 실시형태에 대해서 상세하게 설명한다. 또, 도면의 설명에 있어서 동일 또는 상당 요소에는 동일 부호를 붙이고, 중복되는 설명은 생략한다.
실시예 1
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 연료전지 시스템을 도시하는 개략 구성도이고, 도 2는 도 1의 연료전지 시스템의 각 부품의 케이스 내에서의 배치를 도시하는 개략 구성도이다. 연료전지 시스템은 수소 제조용 원료를 사용하여 발전을 행하는 것이며, 예를 들면 가정용 전력 공급원으로서 채용된다. 여기에서는 수소 제조용 원료로서는 수증기 개질 반응에 의해 수소를 포함하는 개질 가스를 얻을 수 있는 물질이면 사용할 수 있다. 예를 들면, 탄화수소류, 알코올류, 에테르류 등 분자 중에 탄소와 수소를 가지는 화합물을 사용할 수 있다. 공업용 또는 민생용으로 입수할 수 있는 수소 제조용 원료의 바람직한 예로서, 메탄올, 에탄올, 디메틸에테르, 메탄, 도시가스, LPG(액화 석유가스)를 들 수 있고, 또 석유에서 얻어지는 가솔린, 나프타, 등유, 경유 등의 탄화수소유를 들 수 있다. 그 중에서도 액체연료이면 바람직하고, 특히 등유는 공업용으로서도 민생용으로서도 입수가 용이하며, 그 취급도 용이하기 때문에 바람직하다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 연료전지 시스템(1)은 탈황기(2), 연료처리 시스템(3; FPS), 고체 고분자형 연료전지(PEFC) 스택(4), 인버터(5), 및 이들을 수용하는 케이스(6)를 구비하고 있다.
탈황기(2)는 외부로부터 도입된 수소 제조용 원료를 탈황하는 것이다. 이 탈황기(2)에는 히터(도시하지 않음)가 설치되어 있고, 이것에 의해, 탈황기(2)는 예를 들면 수소 제조용 원료를 130℃ 내지 140℃까지 가열하도록 되어 있다.
FPS(3)는 수소 제조용 원료를 개질하여 개질 가스를 생성하기 위한 것이고, 개질기(8), 버너(9), CO 변성기(10) 및 선택 산화기(15)를 가지고 있다. 개질기(8)는 탈황기(2)로부터 탈황된 수소 제조용 원료를 공급하는 동시에, 외부로부터 수증기(물)가 공급된다. 그리고, 탈황된 수소 제조용 원료와 수증기(물)를 개질 촉매로 수증기 개질 반응시켜, 수소를 함유하는 개질 가스를 생성한다.
버너(9)는 개질기(8)의 개질 촉매를 가열하는 것으로, 수증기 개질 반응에 필요한 열량을 공급한다. 또, 버너(9)의 연료로서, 장치의 기동시에는 탈황기(2)로부터의 수소 제조용 원료를 사용하고, 운전 중에는 PEFC 스택(4)으로부터의 오프 가스를 사용하는 것이 바람직하다.
CO 변성기(10)는 개질기(8)에서 생성된 개질 가스에 포함되는 일산화탄소 농도(CO)를 저감하기 위해서, 일산화탄소를 물과 반응시켜, 수소 시프트 반응에 의해 수소와 이산화탄소로 전환하기 위한 것이다. 또한, 선택 산화기(15)는 CO 변성기(10)에서 처리된 개질 가스의 일산화탄소 농도를 더욱 저감시키기 위해서, 개질 가스 중의 일산화탄소를 선택적으로 산화함으로써 이산화탄소로 바꾸는 것이다.
PEFC 스택(4; 전지 스택)은 복수의 전지 셀(도시생략)이 쌓여 구성되어 있고, FPS(3)에서 얻어진 개질 가스를 사용하여 발전해서 직류(DC) 전류를 출력한다. 전지 셀은 애노드와, 캐소드와, 애노드 및 캐소드간에 배치된 고체 고분자인 전해질을 가지고 있고, 애노드에 개질 가스를 도입시키는 동시에, 캐소드에 공기를 도입시킴으로써, 각 전지 셀에 있어서 전기 화학적인 발전 반응이 행하여지게 된다.
인버터(5)는 출력된 DC 전류를 교류(AC) 전류로 변환한다. 케이스(6)는 그 내부에 탈황기(2), FPS(3), SOFC 스택(4) 및 인버터(5)를 모듈화하여 수용한다. 이 케이스(6)는 베이스(6b)에 뚜껑(6a)을 씌움으로써 구성되고, 내부공간(S)을 가진다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 케이스(6)의 내부공간(S)에는 탑재 플레이트(12; 탑재판)가 베이스(6b)의 상면(6c; 저면)을 전체적으로 덮도록 깔려 있고, 그 탑재 플레이트(12) 위에, FPS(3), PEFC 스택(4), 제어장치(11; 온도 제어 수단), 및 기타, 연료전지 시스템(1)의 보기(補機), 열교환기, 배관 등의 내부기기가 탑재되어 있다. 또한, 탑재 플레이트(12)는 베이스(6b)상에서 래그(leg;12a)에 의해 지지되어, 베이스(6b)로부터 이격되어 있고, 소위 이중 바닥 구조로 되어 있다. 그리고, 탑재 플레이트(12)와 베이스(6b)의 사이에, 케이스(6)의 내부공간(S)을 가열하기 위한 시즈히터(13; 가열 수단)가 배치되어 있다. 탑재 플레이트(12)의 가장자리부와 케이스(6)의 뚜껑(6a)의 사이에는 틈이 형성되어 있어, 탑재 플레이트(12)로부터 뚜껑(6a)을 통해서 외부로 열이 전달되는 것을 막고 있다. 또한, 이 틈을 통하여, 시즈히터(13)로부터의 열이 위쪽으로 자연 대류에 의해 흐르도록 되어 있다.
PEFC 스택(4)은 제어장치(11) 위쪽에 배치되어 있고, 단열재(4a)를 개재하여 온도 센서(14; 온도 검지 수단)가 장착되어 있다. 이 온도 센서(14)에 의해, PEFC 스택(4)의 주위 온도가 검지된다.
제어장치(11)는 케이스(6)의 내부공간(S)의 온도를 검지하여 시즈히터(13)를 제어하는 온도 제어 기능을 구비하고 있다. 이 온도 제어 기능은 구체적으로는 바이메탈식 서모스탯에 의해 실현되어 있으면, 가격면에서 바람직하다. 또, 제어장치(11)는 온도 제어와 함께, 연료전지 시스템(1) 전체를 제어하는 기능도 가지고 있다.
탑재 플레이트(12)는 도 3에 도시하는 바와 같이, 직사각형의 판재이며, 복수의 동 직경의 관통 구멍(12b)이 규칙적으로 배열되어 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 아래쪽에 배치된 시즈히터(13)로부터의 열이, 관통 구멍(12b)을 통과하여 위쪽으로 자연 대류하는 것이 가능해지기 때문에, 효율적으로 내부공간(S)을 가열할 수 있다. 또한, 탑재 플레이트(12) 위에 물 등의 액체가 고이는 것을 막을 수도 있다.
시즈히터(13)는 도 4에 도시하는 바와 같이, 1개의 전열선을 베이스(6b)상에서 구석까지 둘러치고, 고정구(16)로 고정함으로써 구성되어 있다. 수소 제조용 원료가 되는 등유의 발화 온도나 시스템 중의 전자부품의 내열 온도 등을 고려하여, 시즈히터(13)의 발열시의 주위 온도는 양생(養生)이 실시된 상태로 50 내지 100℃, 바람직하게는 60℃ 정도가 되도록 한다. 또한, 도 5에 도시하는 바와 같이, 시즈히터(13)는 고정구(16a, 16b)로 상하 방향에서 끼워짐으로써 고정되고, 래그부(17)로 지지됨으로써, 베이스(6b)와의 사이에 간격(18)이 형성되어 있다.
다음에, 제어장치(11)에 있어서의 제어 방법에 대해서, 도 6을 참조하여 설명한다.
우선, 온도 센서(14)로 PEFC 스택(4)의 주위 온도를 검지한다(S100). 이 때, 연료전지 시스템(1)이 운전 상태인 경우 등, 시스템 내의 각 부품으로부터의 발열에 의해 내부공간(S)의 온도가 5℃ 이상이라고 검지되었을 때에는 시즈히터(13)의 ON-OFF를 바꾸지 않고, 계속해서 주위 온도를 검지한다. 한편, 연료전지 시스템(1)이 운전 휴지 상태인 경우 등에 내부공간(S)의 온도가 내려가, 온도 센서(14)가 PEFC 스택(4)의 주위 온도는 5℃ 이하인 것을 검지하면(S105), 제어장치(11)는 시즈히터(13)를 ON으로 하고(S110), 내부공간(S)을 가열시킨다. 그리고, 다시 온도를 검지하여(S115), 시즈히터(13)로부터의 발열에 의해 내부공간(S)의 온도가 올라가, 온도 센서(14)로, PEFC 스택(4)의 주위 온도가 10℃ 이상이 되어 있는 것을 검지하면(S120), 제어장치(11)는 시즈히터(13)를 OFF로 하고(S125), 발열을 중지시킨다. 한편, S120에서, 주위 온도가 10℃를 초과하지 않았다고 검지한 경우에는 시즈히터(13)를 ON으로 한 상태를 유지한다. 이러한 제어를 행한 경우는 PEFC 스택(4)의 주위 온도가 5℃부터 10℃일 때에는 시즈히터(13)가 ON인지 OFF인지에 관계없이, 현상의 상태가 유지되도록 되어 있고, 이렇게 온도에 히스테리시스를 형성함으로써, 시즈히터(13)의 불필요한 ON, OFF의 반복을 저감하였다. 또, 시즈히터(13)를 5℃ 이상에서 ON으로 하는 것은 PEFC 스택(4)의 주위 온도를 적어도 물이 동결하는 온도 이상으로 유지하기 위해서이다.
이상에 의해, 시스템 중에서 특히 동결할 가능성이 높은 부품인 PEFC 스택(4)의 주위 온도를 온도 센서(14)에 의해 검지하고, 그 검지에 기초하여 제어장치(11)로 시즈히터(13)를 제어함으로써 케이스(6)의 내부공간(S)을 가열하고, PEFC 스택(4)의 주위 온도를, 동결의 우려가 없는 온도 이상으로 유지할 수 있다. 이것에 의해, 시스템 내의 부품으로, 적어도, 동결할 가능성이 높은 PEFC 스택(4)의 동결을 방지하고, 한냉지방 등에서도 적용 가능하게 할 수 있다.
또, 운전 중에는 시스템 내에서 열이 발생하므로, PEFC 스택(4)을 비롯하여, 시스템 내의 부품이 동결할 가능성이 낮고, 운전 중이 아닐 때에 이들의 부품이 동결할 가능성이 높아진다. 특히, PEFC 스택(4)은 다른 부품보다도 동결의 가능성이 높고, 또, 동결된 경우에 성능에도 영향이 있기 때문에, PEFC 스택(4)의 동결을 방지할 필요성이 있다. 그러나, 온도 센서(14)의 배치 장소에 따라서는 시스템의 운전 중 등의 PEFC 스택(4)의 동결의 우려가 없을 때까지 시즈히터(13)를 작동시키는 경우도 있어, 전력의 낭비가 생길 가능성이 있다. 여기에서, 이 연료전지 시스템(1)에서는 PEFC 스택(4)의 주위에 온도 센서를 배치하고 있기 때문에, 시스템의 운전 상황에 민감하게 대응할 수 있는 구성으로 하고 있다. 따라서, 시스템이 운전 중이 아닌 경우 등, 동결의 가능성이 있을 때에만 시즈히터(13)를 작동시킬 수 있기 때문에, 전력을 낭비로 소비하는 것을 방지할 수 있다.
또, 시스템 내에서 만일에 물이나 액체계의 수소 제조용 원료 등의 누설이 발생하여, 케이스(6)의 베이스(6b) 위에 고인 경우에도, 시즈히터(13)와 베이스(6b)의 사이에 간격(18)을 형성함으로써, 단락이나 누전을 방지해 안전성을 높일 수 있다. 또한, 시즈히터(13)를 내부공간(S)의 하부에 배치함으로써, 시즈히터(13)로부터의 열을, 케이스(6)의 내부공간(S) 전체에 자연 대류시킬 수 있고, 따라서, 가열의 효율을 향상시킬 수 있다.
또, 시즈히터(13)와 PEFC 스택(4)이 탑재 플레이트(12)로 막히기 때문에, 양자가 직접 접촉하는 것을 방지하여, 안전성을 더욱 높일 수 있다. 또한, 탑재 플레이트(12)의 하부에 시즈히터(13)를 배치함으로써, 공간의 유효 이용을 도모할 수 있고, 장치의 컴팩트화를 도모할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태에 한정되는 것은 아니다.
예를 들면, 온도 센서(14)는 PEFC 스택(4)의 주위이면 어디에 배치되어도 좋다.
또, 탑재 플레이트(12)는 복수의 관통 구멍(12b)이 형성되어 있는 것을 적용하였지만, 도 7에 도시하는 바와 같은 탑재 플레이트(22)이어도 좋고, 다시 말해, 탑재 플레이트(22)를 플레이트(22a) 및 플레이트(22b)로 분할하고, 또, 지지하는 부품 배치에 맞추어 관통 구멍(22c)을 형성하는 구성으로 한 것이라도 좋다. 이것에 의해, 플레이트(22a, 22b) 사이의 틈(22d) 및 관통 구멍(22c)으로부터, 부품 배치에 맞추어 효율적으로 열을 통과시킬 수 있다.
또, 스택은 PEFC 스택에 한하지 않고, 알칼리 전해질형, 인산형, 용융 탄산염형 또는 고체 산화물형 등의 다른 형식의 스택이어도 좋다.
또, 시즈히터(13)를 ON-OFF하는 온도를 5℃-10℃로 하였지만, 이것에 한하지 않고, PEFC 스택(4)의 주위 온도를 물이 동결되지 않는 온도로 유지할 수 있으면 좋고, 다른 임계값 T1, T2로 하여도 좋다.
또, 가열 수단으로서 시즈히터를 사용하였지만, 이것에 한정되지 않고, 카트리지 히터, 튜브 히터, 호스 히터, 세라믹 히터, 플레이트 히터(스페이스 히터) 등을 사용해도 좋다.
산업상 이용 가능성
시스템 내의 기기의 동결을 방지하고, 한냉지방 등에서도 적용 가능하여 안정성이 높은 연료전지 시스템에 적용할 수 있다.
1 : 연료전지 시스템
4 : PEFC 스택(전지 스택)
6 : 케이스
6a : 뚜껑
6c : 상면(바닥면)
11 : 제어장치(온도 제어 수단)
12, 22 : 탑재 플레이트(탑재판)
13 : 시즈히터(가열 수단)
14 : 온도 센서(온도 검지 수단)
18 : 간격
S : 내부공간

Claims (3)

  1. 케이스의 내부공간에 전지 스택을 구비하는 연료전지 시스템에 있어서,
    상기 내부공간에 배치되어, 상기 내부공간을 가열하는 가열 수단을 구비하고,
    상기 가열 수단은 상기 케이스의 상기 내부공간의 바닥면측에 배치되는 동시에, 상기 바닥면과 상기 가열 수단의 사이에 간격이 형성되어 있고,
    상기 케이스의 상기 내부공간에는 상기 전지 스택을 포함하는 내부기기를 탑재하는 탑재판이 형성되고,
    상기 가열 수단은 상기 탑재판과 상기 케이스의 상기 내부공간의 바닥면의 사이에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 탑재판에는 복수의 관통 구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 전지 스택의 주위에 배치되어, 상기 전지 스택의 주위 온도를 검지하는 온도 검지 수단과,
    상기 온도 검지 수단으로 검지한 온도에 기초하여, 상기 주위 온도를 적어도 물이 동결하는 온도 이상으로 유지하도록, 상기 가열 수단을 제어하는 온도 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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