KR20120054657A - 연료 전지 장치 - Google Patents

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KR20120054657A
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Abstract

(과제)
내구성을 향상시킬 수 있는 연료 전지 장치를 제공한다.
(해결 수단)
수납 용기(23) 내에 수납된 셀 스택(1)과, 수납 용기(23)의 외측으로부터 수납 용기(23) 내의 연료 전지 셀에 산소 함유 가스를 공급하기 위한 산소 함유 가스 공급부(3)와, 셀 스택(1)에 있어서의 발전량을 조정하기 위한 공급 전력 조정부(9)와, 수납 용기(23)의 외측에 배치되어 연료 전지 셀에 공급되는 산소 함유 가스의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(22)와, 산소 함유 가스 공급부(3) 및 공급 전력 조정부(9) 각각을 제어하기 위한 제어 장치(10)를 구비해서 이루어지는 연료 전지 장치로서, 제어 장치(10)는 온도 센서(22)에서 측정된 산소 함유 가스의 온도가 소정의 온도보다 높을 경우에 산소 함유 가스 공급부(3)에 의해 공급되는 산소 함유 가스량을 증가시키도록 제어한다. 이에 따라, 내구성이 향상된 연료 전지 장치로 할 수 있다.

Description

연료 전지 장치{FUEL CELL DEVICE}
본 발명은 외장 케이스 내에 연료 전지 셀을 수납해서 이루어지는 연료 전지 장치에 관한 것이다.
최근, 차세대 에너지로서 셀 스택을 수납 용기 내에 수납해서 이루어지는 연료 전지 모듈, 이 연료 전지 모듈을 외장 케이스 내에 수납해서 이루어지는 연료 전지 장치가 다양하게 제안되고 있다(예를 들면 특허문헌 1 참조). 셀 스택은 연료가스(수소 함유 가스)와 공기(산소 함유 가스)를 이용하여 전력을 얻을 수 있는 연료 전지 셀을 복수 개 배열해서 구성되어 있다.
이러한 연료 전지 장치에 있어서는, 예를 들면 냉장고 등의 외부 부하가 요구하는 전력량에 의거하여 적당하게 연료 전지 셀에 산소 함유 가스 및 연료가스가 공급되어서 외부 부하가 요구하는 전력량에 대응해서 발전이 행해진다.
일본 특허 공개 2007-59377호 공보
연료 전지 장치의 운전시에 있어서, 연료 전지 셀에 공급되는 공기 등의 산소 함유 가스의 온도 변화에 따라 연료 전지 모듈이나 셀 스택 주위의 온도가 변화되는 경우가 있다. 그 때문에, 연료 전지 장치의 운전시에 있어서 셀 스택의 공기 이용률(Ua)과 전류량(I)의 관계를 일정한 관계로 유지한 운전을 행할 경우에, 셀 스택의 운전 온도가 변동하여 효율이 좋은 운전을 행하는 것이 곤란해질 우려나 셀 스택의 내구성이 저하될 우려가 있다.
본 발명은 내구성을 향상시킬 수 있는 연료 전지 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 연료 전지 장치는 연료가스와 산소 함유 가스로 발전을 행하는 연료 전지 셀을 복수 개 배열해서 이루어지고, 모듈 수납 용기 내에 수납된 셀 스택과, 상기 모듈 수납 용기의 외측으로부터 상기 모듈 수납 용기 내의 상기 연료 전지 셀에 상기 산소 함유 가스를 공급하기 위한 산소 함유 가스 공급부와, 상기 셀 스택에 있어서의 발전량을 조정하기 위한 공급 전력 조정부와, 상기 모듈 수납 용기의 외측에 배치되어 상기 연료 전지 셀에 공급되는 상기 산소 함유 가스의 온도를 측정하기 위한 온도 센서와, 상기 산소 함유 가스 공급부 및 상기 공급 전력 조정부 각각을 제어하기 위한 제어 장치를 구비해서 이루어지는 연료 전지 장치로서,
상기 제어 장치는 상기 온도 센서에서 측정된 상기 산소 함유 가스의 온도가 소정의 온도보다 높을 경우에, 상기 산소 함유 가스 공급부에 의해 공급되는 산소 함유 가스량을 증가시키도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
(발명의 효과)
본 발명의 연료 전지 장치에서는 모듈 수납 용기의 외측으로부터 모듈 수납 용기 내의 연료 전지 셀에 공급되는 산소 함유 가스의 온도가 소정의 온도보다 높을 경우, 제어 장치가 산소 함유 가스 공급부에 의해 공급되는 산소 함유 가스량을 증가시키도록 제어하기 때문에, 셀 스택에 대하여 보다 많은 공기 등의 산소 함유 가스가 공급되어 셀 스택의 온도 상승을 작게 할 수 있다. 그것에 의해, 내구성이 향상된 연료 전지 장치로 할 수 있다.
도 1은 연료 전지 장치를 구비하는 연료 전지 시스템의 일례를 나타내는 구성도이다.
도 2는 연료 전지 장치를 구성하는 연료 전지 모듈의 외관 사시도이다.
도 3은 연료 전지 장치의 일부를 생략해서 나타내는 개략도이다.
도 4는 연료 전지 장치의 일부를 생략해서 나타내는 분해 사시도이다.
도 5는 연료 전지 장치의 운전시에 있어서의 셀 스택의 공기 이용률과, 외부 부하의 요구에 따라서 셀 스택이 발전하는 전류량의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 1은 연료 전지 장치를 구비하는 연료 전지 시스템의 일례를 나타낸 구성 도이고, 도 2는 연료 전지 장치를 구성하는 연료 전지 모듈의 외관 사시도이다. 또한, 이후의 도면에 있어서 동일한 부재에 대해서는 동일한 번호를 붙이는 것으로 한다.
도 1에 나타내는 연료 전지 시스템은 발전을 행하는 발전 유닛과, 열 교환 후의 탕수를 저탕하는 저탕 유닛과, 이들 유닛 사이에 물을 순환시키기 위한 순환 배관으로 구성되어 있고, 발전 유닛이 연료 전지 장치에 상당하고, 이하에 설명하는 각 장치를 외장 케이스 내에 수납함으로써 구성되어 있다. 우선, 연료 전지 장치를 구성하는 각 장치에 대하여 설명한다.
도 1에 나타내는 연료 전지 장치는 복수 개의 연료 전지 셀(도시하지 않음)을 배열해서 이루어지는 셀 스택(1), 천연가스 등의 원연료를 공급하기 위한 원연료 공급부(2), 셀 스택(1)을 구성하는 연료 전지 셀에 산소 함유 가스를 공급하기 위한 산소 함유 가스 공급부(3), 원연료와 수증기에 의하여 수증기 개질 반응을 행하는 개질기(4)를 구비하고 있다.
또한, 개질기(4)는 후술하는 물펌프(5)에 의해 공급되는 순수(純水)를 기화하고, 원연료 공급부(2)로부터 공급된 원연료와 수증기를 혼합하기 위한 기화부(도시하지 않음)와, 내부에 개질 촉매를 구비하고 혼합된 원연료와 수증기를 반응시켜서 연료가스를 생성하기 위한 개질부(도시하지 않음)를 구비하고 있다. 그것에 의해, 개질기(4)에서 생성된 연료가스와 산소 함유 가스 공급부(3)에 의해 공급되는 산소 함유 가스로 연료 전지 셀의 발전이 행해진다.
또한, 도 1에 있어서 셀 스택(1)이나 개질기(4)를 모듈 수납 용기 내에 수납함으로써 연료 전지 장치를 구성하는 연료 전지 모듈(이하, 모듈로 약기하는 경우가 있다)이 구성된다. 또한, 도 1에 있어서는 연료 전지 모듈을 구성하는 각 장치류를 이점 쇄선에 의해 둘러싸서 나타내고 있다(도 1에 있어서 M으로 나타내고 있다).
여기에서, 모듈(M)에 대해서 도 2를 이용하여 설명한다. 모듈(M)로서는 이미 알려져 있는 연료 전지 모듈을 사용할 수 있다. 예를 들면, 모듈 수납 용기(이하, 단지 수납 용기라고 하는 경우가 있다)(23) 내에 셀 스택 장치(27)와 개질기(4)를 수납해서 구성되어 있다.
셀 스택 장치(27)는 셀 스택(1)을 구성하는 연료 전지 셀(24)의 하단을 유리 밀봉재 등의 절연성 접합재에 의해 매니폴드(25)에 고정해서 구성되어 있다. 셀 스택(1)은 내부를 가스가 길이 방향을 따라 유통하는 가스 유로를 갖는 기둥 형상의 연료 전지 셀(24)을 세워서 설치시킨 상태로 배열하고, 인접하는 연료 전지 셀(24) 사이에 집전(集電) 부재(도시하지 않음)를 통해서 전기적으로 직렬로 접속해서 구성되어 있다.
개질기(4)는 연료 전지 셀(24)의 상방에 배치되어 있고, 천연가스나 등유 등의 원연료를 개질해서 연료 전지 셀(24)에 공급하는 연료가스를 생성한다. 또한, 개질기(4)에 의해 생성된 연료가스는 가스 유통관(26)을 통해서 매니폴드(25)에 공급되고, 매니폴드(25)를 통해서 연료 전지 셀(24)에 설치된 가스 유로에 공급된다.
셀 스택(1)을 구성하는 연료 전지 셀(24)로서는 각종 연료 전지 셀이 알려져 있지만, 부분 부하 운전(부하 추종 운전)을 행하는 데에 있어서 고체 산화물형 연료 전지 셀로 하는 것이 바람직하다. 또한, 셀 스택(1)을 구성하는 연료 전지 셀(24)을 고체 산화물형 연료 전지 셀로 함으로써 연료 전지 셀(24) 이외에 연료 전지 셀(24)의 동작에 필요한 보조 기계류를 소형화할 수 있어 연료 전지 장치를 소형화할 수 있다.
연료 전지 셀(24)의 형상으로서는 각종 형상의 연료 전지 셀(24)을 사용할 수 있지만 효율적으로 연료 전지 셀(24)의 발전을 행함에 있어서 중공평판형 연료 전지 셀(24)로 할 수 있다. 이러한 중공평판형 연료 전지 셀(24)로서는 내측에 연료극층이 형성되고, 외측에 산소극층이 형성된 연료극 지지 타입의 중공평판형 연료 전지 셀(24)을 사용할 수 있다.
또한, 도 2에 있어서는 수납 용기(23)의 일부(전후의 벽)를 분리하고, 내부에 수납되어 있는 셀 스택 장치(27) 및 개질기(4)를 후방으로 인출한 상태를 나타내고 있다. 여기에서, 도 2에 나타낸 모듈(M)에 있어서는 셀 스택 장치(27)를 수납 용기(23) 내에 슬라이딩해서 수납하는 것이 가능하다. 또한, 셀 스택 장치(27)는 개질기(4)를 포함하는 것으로서도 취급해도 좋다.
또한, 수납 용기(23)의 내부에는 산소 함유 가스 도입 부재(28)가 설치되어 있고, 도 2에 있어서는 매니폴드(25)에 나란히 설치된 셀 스택(1) 사이에 배치되게 되어 있다. 산소 함유 가스 도입 부재(28)는 산소 함유 가스가 연료가스의 흐름에 맞춰서 연료 전지 셀(24)의 측방을 하단부로부터 상단부를 향해서 흐르도록 연료 전지 셀(24)의 하단부에 산소 함유 가스를 공급한다.
연료 전지 셀(24)의 가스 유로로부터 배출되는 연료가스와 산소 함유 가스를 연료 전지 셀(24)의 상단부측에서 연소시킴으로써 연료 전지 셀(24)의 온도를 상승시킬 수 있고, 셀 스택 장치(27)의 기동을 빠르게 할 수 있다. 또한, 연료 전지 셀(24)의 상단부측에서 연료 전지 셀(24)의 가스 유로로부터 배출되는 연료가스와 산소 함유 가스를 연소시킴으로써 연료 전지 셀(24)의 상방에 배치된 개질기(4)를 따뜻하게 할 수 있다. 그것에 의해, 개질기(4)에서 효율적으로 개질 반응을 행할 수 있다.
또한, 도 1에 나타내는 연료 전지 장치에 있어서는 셀 스택(1)을 구성하는 연료 전지 셀의 발전에 의해 생성된 배기 가스와 순환 배관(13)을 흐르는 물로 열 교환을 행하는 열 교환기(6), 열 교환에 의해 생성된 응축수를 정화하기(바람직하게는 순수를 생성하기) 위한 응축수 정화 장치(7), 열 교환기(6)에서 생성된 응축수를 응축수 정화 장치(7)에 공급하기 위한 응축수 공급관(15)이 설치되어 있고, 응축수 정화 장치(7)에 의해 처리된 응축수는 탱크 연결관(16)에 의해 연결된 물탱크(8)에 저수된 후 물펌프(5)에 의해 개질기(4)에 공급된다. 또한, 응축수 정화 장치(7)에 물탱크의 기능을 갖게 함으로써 물탱크(8)를 생략할 수도 있다.
또한, 도 1에 나타내는 연료 전지 장치는 외부 부하의 요구에 따라서 셀 스택(1)의 발전량을 조정함과 아울러 셀 스택(1)에 의해 발전된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하기 위한 공급 전력 조정부(9), 열 교환기(6)의 출구에 설치되어 열 교환기(6)의 출구를 흐르는 물의 수온을 측정하기 위한 출구 수온 센서(11), 수납 용기(23)의 외부에 있고 발전 유닛(외장 케이스 내)의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(22), 제어 장치(10)가 설치되어 있고, 순환 배관(13) 내에서 물을 순환시키는 순환 펌프(12)와 아울러 발전 유닛이 구성되어 있다.
또한, 도 1에 있어서 공급 전력 조정부(9)와 외부 부하의 접속은 생략해서 나타내고 있고, 공급 전력 조정부(9)로서는 파워 컨디셔너를 예시할 수 있다. 그리고, 이들 발전 유닛을 구성하는 각 장치를 외장 케이스 내에 수납함으로써 설치나 운반 등이 용이한 연료 전지 장치로 할 수 있다. 또한, 저탕 유닛은 열 교환 후의 탕수를 저탕하기 위한 저탕 탱크(14)를 구비해서 구성되어 있다.
또한, 셀 스택(1)과 열 교환기(6) 사이에는 셀 스택(1)의 운전에 따라 생성되는 배기 가스를 처리하기 위한 배기가스 처리 장치가 설치되어 있다(도시하지 않음). 또한, 배기가스 처리 장치는 수납 용기 내에 배기가스 처리부를 수납해서 이루어지고, 배기가스 처리부로서는 일반적으로 공지의 연소 촉매를 사용할 수 있다.
한편, 응축수 정화 장치(7)에 공급되는 응축수의 양이 적을 경우나 응축수 처리부에서 처리된 후의 응축수의 순도가 낮을 경우에 있어서는 외부로부터 공급되는 물을 정화해서 개질기(4)에 공급할 수도 있고, 도 1에 있어서는 외부로부터 공급되는 물을 정화하는 수단으로서 각 수처리 장치를 구비하고 있다.
여기에서, 외부로부터 공급되는 물을 개질기(4)에 공급하기 위한 각 수처리 장치로서는 물을 정화하기 위한 활성탄 필터 장치(19), 역침투막 장치(20) 및 이온 교환 수지 장치(21)의 각 장치 중 적어도 이온 교환 수지 장치(21)(바람직하게는 모든 장치)를 구비한다. 그리고, 이온 교환 수지 장치(21)에 의해 생성된 순수는 물탱크(8)에 저수된다. 또한, 도 1에 나타내는 연료 전지 장치에 있어서는 외부로부터 공급되는 물의 양을 조정하기 위한 급수 밸브(18)가 설치되어 있다.
또한, 개질기(4)에 공급하는 물을 순수로 처리하기 위한 각 수처리 장치를 일점 쇄선에 의해 둘러싸서 나타내고 있다[외부수 정화 장치(X)로서 나타내고 있다].
또한, 연료 전지 셀의 발전에 의해 생성된 배기 가스와 물에서의 열 교환에 의해 생성된 응축수만으로 개질기(4)에서의 수증기 개질 반응에 필요한 물을 조달할 수 있을 경우에 있어서는 외부수 정화 장치(X)를 설치하지 않아도 좋다.
여기에서, 도 1에 나타낸 연료 전지 장치의 운전 방법에 대하여 설명한다. 연료 전지 셀의 발전에 사용되는 연료가스를 생성하기 위해서 수증기 개질을 행하는 데에 있어서, 개질기(4)에서 사용되는 주된 순수는 열 교환기(6)에 있어서 연료 전지 셀의 운전에 따라 생성된 배기 가스와 순환 배관(13)을 흐르는 물의 열 교환에 의해 생성되는 응축수가 사용된다.
또한, 순환 배관(13)을 흘러서 배기 가스와의 열 교환에 의해 온도가 상승한 물(즉 더운물)은 저탕 탱크(14)에 저탕된다. 열 교환기(6)에 의해 생성된 응축수는 응축수 공급관(15)을 흘러서 응축수 정화 장치(7)에 공급된다. 응축수 정화 장치(7)에 구비하는 응축수 정화부에 의해 처리된 응축수는 탱크 연결관(16)을 통해서 물탱크(8)에 공급된다. 물탱크(8)에 저수된 물은 물펌프(5)에 의해 개질기(4)에 공급되고, 이 물과 원연료 공급부(2)로부터 공급되는 원연료로 수증기 개질이 행해지고, 생성된 연료가스가 연료 전지 셀에 공급된다. 연료 전지 셀에 있어서는 개질기(4)를 통해서 공급된 연료가스와 산소 함유 가스 공급부(3)로부터 공급되는 산소 함유 가스를 이용하여 발전이 행해지고, 연료 전지 셀에서 발전된 전력이 공급 전력 조정부(9)를 통해서 외부 부하에 공급된다. 이상의 방법에 의해 응축수를 유효하게 이용해서 수 자립 운전을 행할 수 있다.
한편, 응축수의 생성량이 적을 경우나 응축수 정화 장치(7)에 의해 처리된 응축수의 순도가 낮을 경우에 있어서는, 외부로부터 공급되는 물을 사용할 수도 있다.
이 경우에 있어서는, 우선 예를 들면 전자 밸브나 에어 구동 밸브 등의 급수 밸브(18)가 개방되고, 수돗물 등의 외부로부터 공급되는 물이 급수관(17)을 통해서 활성탄 필터(19)에 공급된다. 활성탄 필터(19)에 의해 처리된 물은 이어서 역침투막(20)에 공급된다. 역침투막(20)에 의해 처리된 물은 계속해서 이온 교환 수지 장치(21)에 공급되고, 이온 교환 수지 장치(21)에서 정화된 물이 물탱크(8)에 저수된다. 물탱크(8)에 저수된 정화된 물은 상술한 방법에 의해 연료 전지 셀의 발전에 이용된다.
상술한 바와 같은 구성의 연료 전지 장치에 있어서는, 정격 운전시에 있어서는 제어 장치(10)는 원연료 공급부(2) 및 산소 함유 가스 공급부(3)의 동작을 제어하고, 정격 운전에 필요한 양의 연료 가스량과 산소 함유 가스량을 연료 전지 셀에 공급한다. 그것에 의해, 연료 전지 셀에 있어서 정격의 전력을 발생시키고, 이때 연료 전지 셀에 직류 전류가 흐른다. 또한, 연료 전지 셀의 발전에 의해 생성된 전력은 공급 전력 조정부(9)에 의해 교류 전력으로 변환된 후 외부 부하에 공급된다.
즉, 정격 운전시에 있어서는 도 5에 나타내는 바와 같이 제어 장치(10)는 셀 스택(1)의 공기 이용률(Ua)과 외부 부하의 요구에 따라서 연료 전지 셀이 발전하는 전류량(I)의 관계가 일정한 관계가 되도록, 즉 전류량(I)이 다소 변동해도 공기 이용률(Ua)이 일정하게 되도록 각 장치를 제어한다.
한편, 가정용으로서 연료 전지 장치를 사용할 경우에는 외부 부하의 요구 전력이 변동하기 쉽다. 특히 아침이나 저녁 이후의 시간대에 있어서는 요구 전력이 높아져서 연료 전지 셀에서의 발전량을 높게 하는 것이 바람직하기 때문에 정격 운전이 행하여지는 것에 대하여, 낮이나 밤 등에 있어서는 요구 전력이 낮아져서 연료 전지 셀에서의 발전량을 낮게 하는 것이 바람직하다.
요구 전력이 낮은 시간대에 있어서 연료 전지 장치를 정격 운전시키는 것은 연료 전지 장치에 접속되는 계통 전력에 연료 전지 장치로부터의 전력을 역조(逆潮)시킬 우려가 있다. 따라서, 특히 가정용 연료 전지 장치의 운전에 있어서 외부 부하의 요구 전력에 따른 부분 부하 운전(부하 추종 운전), 바꿔 말하면 외부 부하의 요구 전력에 따라서 발전량을 변동시키는 운전을 행하는 것이 바람직하다.
이러한 부분 부하 운전 중에는 제어 장치(10)는 원연료 공급부(2) 및 산소 함유 가스 공급부(3)의 동작을 제어하고, 외부 부하의 요구 전력에 따른 전력량을 얻기 위해서 필요량의 연료 가스량과 산소 함유 가스량을 연료 전지 셀에 공급한다. 연료 전지 셀의 발전에 의해 생성된 직류 전력은 공급 전력 조정부(9)에 의해 교류 전력으로 변환된 후 외부 부하에 공급된다. 즉, 부분 부하 운전 중에는 셀 스택의 공기 이용률(Ua)과 전류량(I)이 요구 부하에 따라서 변동하게 된다[정격 운전시와 비교하면 공기 이용률(Ua)은 저하된다].
연료 전지 장치의 정격 운전시에 있어서는 셀 스택의 공기 이용률(Ua)과 전류량(I)를 일정한 관계로 유지함으로써 효율이 좋은 운전을 행할 수 있다. 또한, 연료 전지 장치의 부분 부하 운전시에 있어서는 외부 부하의 변동에 따라서 셀 스택의 공기 이용률과 전류량도 변동하지만, 이 경우에 있어서도 셀 스택의 공기 이용률(Ua)과 전류량(I)의 관계를 미리 설정함으로써 효율이 좋은 운전을 행할 수 있다.
여기에서, 연료 전지 장치의 운전에 있어서 연료 전지 셀에 공급되는 산소 함유 가스(공기)의 온도 변화에 따라 연료 전지 모듈이나 셀 스택 주위의 온도가 변화되는 경우가 있다. 그 때문에, 연료 전지 장치의 운전시에 있어서 셀 스택의 공기 이용률(Ua)과 전류량(I)의 관계를 일정한 관계로 유지한 운전을 행할 경우에, 연료 전지 셀의 운전 온도가 변동하여 효율이 좋은 운전을 행하는 것이 곤란해질 우려나 셀 스택의 내구성이 저하될 우려가 있다.
그러므로, 본 실시형태에 있어서는 연료 전지 셀에 공급되는 산소 함유 가스의 온도에 의거하여 셀 스택의 공기 이용률(Ua)과 전류량(I)의 관계를 변동시키고 있다.
여기에서, 연료 전지 장치에 있어서 연료 전지 셀에 공급되는 산소 함유 가스는 모듈용 수납 용기(23)의 외부로부터 유입된 산소 함유 가스가 공급된다. 그 때문에, 수납 용기(23)가 수납되는 외장 케이스 외측의 외기 온도에 의거하여 셀 스택의 공기 이용률(Ua)과 전류량(I)의 관계를 변동시키는 것도 가능하다. 한편, 외기 온도를 측정하기 위한 열전대 등을 외장 케이스의 외면에 배치했을 경우에 충격에 의한 파손이 걱정되는 것 이외에, 가옥에 인접해서 연료 전지 장치가 배치되었을 경우에 가옥의 벽이나 연료 전지 장치의 복사열 등의 영향을 받아 측정되는 외기 온도에 오차가 생길 우려가 있다. 이 때문에, 수납 용기(23)의 외부이고 외장 케이스의 내측의 산소 함유 가스의 온도를 측정하고, 이 외장 케이스 내측의 산소 함유 가스의 온도에 의거하여 산소 함유 가스의 공급량을 제어하고, 셀 스택의 공기 이용률(Ua)과 전류량(I)의 관계를 변동시키는 것이 바람직하다.
본 실시형태의 연료 전지 장치에서는 수납 용기(23) 외측의 온도 센서에서 측정된 산소 함유 가스의 온도에 의거하여 공급 전력 조정부(9)에 의해 조정되는 셀 스택(1)의 발전량에 대한, 셀 스택(1)에 있어서의 공기 이용률(Ua)을 변동시키도록 산소 함유 가스 공급부(3)의 동작을 제어한다.
수납 용기(23) 외측에 있어서의 산소 함유 가스의 온도를 측정할 경우에는, 외장 케이스 내에 외장 케이스 내의 온도(외장 케이스 내의 산소 함유 가스의 온도)를 측정하는 온도 센서(22)를 배치함과 아울러, 온도 센서(22)에 의해 측정된 외장 케이스 내의 온도에 의거하여 산소 함유 가스 공급부(3)를 제어하는 경우가 있다. 또는, 외장 케이스 외측에 온도 센서를 배치하고, 외장 케이스 외측의 외기 온도에 의거하여 산소 함유 가스 공급부(3)를 제어하는 경우가 있다.
통상, 외장 케이스 내의 산소 함유 가스가 흡인되어서 연료 전지 셀에 공급되도록 구성되어 있기 때문에, 외장 케이스 외측에 배치된 온도 센서에서 측정된 외기 온도보다 외장 케이스 내에 배치된 온도 센서(22)에서 측정된 산소 함유 가스의 온도가 연료 전지 셀에 공급되는 산소 함유 가스의 온도에 보다 가까워지기 때문에, 외장 케이스 내에 배치된 온도 센서(22)에서 측정된 산소 함유 가스의 온도에 의거하여 산소 함유 가스 공급부(3)를 제어하는 것이 바람직하다. 이하, 수납 용기(23)의 외측이고 외장 케이스의 내측에 온도 센서(22)를 배치하고, 온도 센서(22)에 의해 측정된 외장 케이스 내의 온도에 의해 산소 함유 가스 공급부(3)를 제어하는 경우에 대하여 설명한다.
본 실시형태의 연료 전지 장치에 있어서는, 외장 케이스 내에 외장 케이스 내의 온도(외장 케이스 내의 산소 함유 가스의 온도)를 측정하는 온도 센서(22)를 배치함과 아울러, 온도 센서(22)에 의해 측정된 외장 케이스 내의 온도에 의거하여 공급 전력 조정부(9)에 의해 조정되는 셀 스택(1)의 발전량에 대한 셀 스택(1)에 있어서의 공기 이용률(Ua)을 변동시키도록 산소 함유 가스 공급부(3)의 동작을 제어한다.
도 3은 본 실시형태의 연료 전지 장치를 내부를 구성하는 각 장치를 일부 생략해서 나타내는 개략도이고, 도 4는 본 발명의 연료 전지 장치를 내부를 구성하는 각 장치를 일부 생략해서 나타내는 분해 사시도이다. 또한, 도 3 중에 있어서 파선은 제어 장치(10)에 전송되는 주된 신호 경로, 또는 제어 장치(10)로부터 전송되는 주된 신호 경로를 나타내고 있다. 또한, 화살표는 공기 등의 산소 함유 가스의 흐름을, 파선 화살표는 모듈(M)의 운전에 따라 생성되는 배기 가스의 흐름을 나타내고 있다.
도 3 및 도 4에서 나타내는 연료 전지 장치(29)는 지주(36)와 외장판(30)으로 구성되는 외장 케이스(39) 내를 경계판(31)에 의해 상하로 구획하고, 그 상방측을 상술한 모듈(M)을 수납하는 모듈 수납실(32)로 하고, 하방측을 모듈(M)을 동작시키기 위한 보조 기계류를 수납하는 보조 기계 수납실(33)로서 구성하고 있다. 또한, 도 3에 있어서는 보조 기계 수납실(33) 내에 수납하는 보조 기계류로서 산소 함유 가스 공급부(3), 열 교환기(6), 제어 장치(10)를 나타내고, 도 1에서 나타낸 다른 각 장치는 생략하고, 도 4에 있어서는 도 3에 나타내는 각 장치 중 열 교환기(6)를 더욱 생략해서 나타내고 있다.
도 3 및 도 4에 나타내는 산소 함유 가스 공급부(3)에 있어서는 연료 전지 셀에 공급하는 산소 함유 가스로서 외장 케이스(39) 내의 산소 함유 가스를 사용하고, 외장 케이스(39) 내의 산소 함유 가스를 흡입하기 위한 흡기부(34)와, 흡기부(34)에 의해 흡입한 산소 함유 가스를 연료 전지 셀에 송출하기 위한 배기부(35)를 구비하고 있다. 또한, 흡기부(34)의 일단은 외장 케이스(39) 외측의 외기를 직접 흡기하도록 외장 케이스(39) 외부와 연결되도록 배치되어 있어도 좋다. 이 경우에는, 외기를 직접 연료 전지 셀(24)에 공급하게 된다.
온도 센서(22)는 연료 전지 셀(24)에 공급되는 산소 함유 가스의 온도이고, 연료 전지 셀(24)에 가장 가까운 산소 함유 가스의 온도를 측정하는 것이 바람직하다. 그 때문에, 온도 센서(22)는 산소 함유 가스 공급부(3)에 있어서의 흡기부(34) 내 또는 배기부(35) 내에 배치하는 것이 바람직하고, 도 3 및 도 4에 나타내는 연료 전지 장치(29)에 있어서는 온도 센서(22)를 산소 함유 가스 공급부(3)에 있어서의 흡기부(34) 내에 배치한 예를 나타내고 있다. 그것에 의해, 연료 전지 셀(24)에 공급되는 산소 함유 가스의 온도를 보다 정확하게 측정할 수 있다. 또한, 온도 센서(22)는 흡기부(34) 내와 배기부(35) 내의 양쪽에 배치하는 것도 가능하다.
본 실시형태의 연료 전지 장치(29)에 있어서는 온도 센서(22)에 의해 측정된 외장 케이스 내[바람직하게는, 흡기부(34) 또는 배기부(35)]의 온도에 의거하여 공급 전력 조정부(9)에 의해 조정되는 셀 스택(1)의 발전량에 대한 셀 스택(1)에 있어서의 공기 이용률(Ua)을 변동시키도록 산소 함유 가스 공급부(3)의 동작을 제어한다. 이하에, 산소 함유 가스 공급부(3)의 제어에 대하여 설명한다.
도 5는 본 실시형태의 연료 전지 장치의 운전 중에 있어서의 셀 스택(1)의 공기 이용률(Ua)과 전류량(I)의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다.
도면 중에 있어서, 실선(A)은 연료 전지 셀(24)에 공급되는 산소 함유 가스의 온도[수납 용기(23)와 외장 케이스(39) 사이의 산소 함유 가스의 온도, 이하 단지 외장 케이스 내의 온도라고 하는 경우가 있다]가 소정의 온도 범위 내일 경우의 셀 스택(1)의 공기 이용률(Ua)과 전류량(I)의 관계를 나타내는 그래프이고, 일점 쇄선(B)은 연료 전지 셀(24)에 공급되는 산소 함유 가스의 온도[외장 케이스(39) 내의 온도]가 소정의 온도보다 높을 경우의 셀 스택(1)의 공기 이용률(Ua)과 전류량(I)의 관계를 나타내는 그래프이고, 이점 쇄선(C)은 외장 케이스(39) 내의 온도가 소정의 온도보다 낮을 경우의 셀 스택(1)의 공기 이용률(Ua)과 전류량(I)의 관계를 나타내는 그래프이다. 또한, 각각의 그래프에 있어서 공기 이용률(Ua)과 전류량(I)의 관계가 일정하게 되어 있는 영역(좌단부)은 셀 스택(1)에 최저 유량의 산소 함유 가스를 공급하는 범위이다.
연료 전지 장치의 운전시에 있어서, 부분 부하 운전시나 정격 운전시에 있어서 셀 스택(1)의 발전 효율, 셀 스택(1)의 온도, 모듈(M) 내의 온도 등에 의거하여 가장 효율적인 운전을 행하는 것이 바람직하기 때문에 셀 스택(1)의 공기 이용률(Ua)과 전류량(I)의 최선의 관계식을 미리 설정하는 것이 바람직하다. 이 관계식의 일례를 그래프A로서 나타낸다. 또한, 그래프A에 있어서는 온도가 소정의 온도 범위 내에서 일정, 예를 들면 외장 케이스(39) 내의 온도가 15?25℃의 범위 내에서 일정하게 한 상태의 그래프를 나타내고 있다.
연료 전지 셀에 공급되는 산소 함유 가스의 온도가 고온이나 저온일 경우에 있어서는, 연료 전지 셀(24)에 공급되는 산소 함유 가스의 온도의 변화에 따라 모듈(M)이나 셀 스택(1) 주위의 온도가 변화되는 경우가 있다. 그 때문에, 연료 전지 장치의 운전시에 있어서 셀 스택(1)의 공기 이용률(Ua)과 전류량(I)의 관계를 일정한 관계식으로 유지한 운전(그래프A만의 운전)을 행하면, 셀 스택(1)의 운전 온도가 변동하여 효율이 좋은 운전을 행하는 것이 곤란해질 우려나 셀 스택(1)의 내구성이 저하될 우려가 있다.
그러므로, 본 실시형태의 연료 전지 장치에 있어서는 제어 장치(10)는 온도 센서(22)에 의해 측정된 외장 케이스(39) 내의 산소 함유 가스의 온도에 의거하여 공급 전력 조정부(9)에 의해 조정되는 셀 스택(1)의 발전량에 대한 셀 스택(1)에 있어서의 공기 이용률(Ua)을 변동시키도록 산소 함유 가스 공급부(3)를 제어한다. 그것에 의해, 연료 전지 셀에 공급되는 산소 함유 가스의 온도의 영향을 작게 할 수 있어 셀 스택(1)의 발전 효율이나 내구성을 향상시킬 수 있다.
구체적으로는, 외장 케이스(39) 내의 산소 함유 가스의 온도가 소정의 온도보다 높을 경우(예를 들면 25℃보다 고온일 경우)에는 셀 스택(1)의 온도가 상승하여 내구성이 저하될 우려가 있다. 그 때문에, 이 경우에 있어서는 제어 장치(10)는 연료 전지 셀(24)에 공급되는 산소 함유 가스의 온도가 소정의 온도 범위 내일 경우에 있어서 미리 설정된, 공급 전력 조정부(9)에 의해 조정되는 셀 스택(1)의 발전량에 대한 셀 스택(1)에 있어서의 공기 이용률에 대하여 셀 스택(1)에 있어서의 공기 이용률이 감소하도록 산소 함유 가스 공급부(3)를 제어하는 것이 바람직하다. 도 5에 있어서는 이 상태를 그래프B로서 나타내고 있다.
또한, 공기 이용률이 감소하도록 제어한다는 것은, 도 5의 그래프를 이용하여 설명하면 연료 전지 셀(24)에 공급되는 산소 함유 가스의 온도[외장 케이스(39) 내의 온도]가 소정의 온도 범위 내(예를 들면 15?25℃)일 경우에 있어서의 셀 스택(1)의 임의의 발전량(I)에 있어서의 공기 이용률(Ua)에 대하여(그래프A로 나타내어진다) 공기 이용률이 감소하고 있는 것을 의미한다. 또한, 연료 전지 셀(24)에 공급되는 산소 함유 가스의 소정의 온도 범위란 상기한 바와 같이, 예를 들면 15?25℃로 할 수 있는 것 이외에, 예를 들면 20℃라는 일점의 온도로 할 수도 있다. 또한, 소정의 온도 범위는 온도 센서(22)가 배치된 장소에 의거하여 적당하게 설정할 수 있다.
그것에 의해, 외장 케이스(39) 내의 온도가 소정의 온도보다 높을 경우에 셀 스택(1)에 대하여 보다 많은 산소 함유 가스가 공급되어 셀 스택(1)의 온도 상승을 작게 할 수 있다. 그것에 의해, 내구성이 향상된 연료 전지 장치로 할 수 있다.
한편, 외장 케이스(39) 내의 온도가 소정의 온도보다 낮을 경우(예를 들면 15℃보다 저온일 경우)에는 셀 스택(1)의 온도가 저하되어 셀 스택(1)의 발전 성능이 저하될 우려가 있다.
그러므로, 이 경우에 있어서는 제어 장치(10)는 외장 케이스(39) 내의 온도가 소정의 온도 범위(예를 들면 15?25℃) 내일 경우에 있어서 미리 설정된, 공급 전력 조정부(9)에 의해 조정되는 셀 스택(1)의 발전량에 대한 셀 스택(1)에 있어서의 공기 이용률에 대하여 셀 스택(1)에 있어서의 공기 이용률이 증가하도록 산소 함유 가스 공급부(3)를 제어하는 것이 바람직하다. 도 5에 있어서는 이 상태를 그래프C로서 나타내고 있다.
또한, 공기 이용률이 증가하도록 제어한다는 것은 도 5의 그래프를 이용하여 설명하면 외장 케이스(39) 내의 온도가 소정의 온도 범위(예를 들면 15?25℃) 내일 경우에 있어서의 셀 스택(1)의 임의의 발전량(I)에 있어서의 공기 이용률(Ua)에 대하여(그래프A로 나타내어진다) 공기 이용률이 증가하고 있는 것을 의미한다.
그것에 의해, 외장 케이스(39) 내의 온도가 소정의 온도보다 낮을 경우에 셀 스택(1)에 대하여 보다 적은 산소 함유 가스가 공급되어 셀 스택(1)의 온도 저하를 작게 할 수 있다.
또한, 외장 케이스(39) 내의 온도가 소정의 온도보다 낮을 경우(저온일 경우)에는 발전 성능의 저하에 따라 셀 스택(1)의 전압이 저하되고, 외부 부하의 요구에 대응하기 위해 전력량이 증가하여 보다 큰 전류가 흐름으로써 셀 스택(1)의 내구성이 저하될 우려도 있다.
그러나, 외장 케이스(39) 내의 온도가 소정의 온도보다 낮을 경우에 셀 스택(1)에 있어서의 공기 이용률이 증가하도록 산소 함유 가스 공급부(3)를 제어함으로써 셀 스택(1)의 온도 저하를 억제할 수 있다. 그것에 의해, 발전 효율이나 내구성이 향상된 연료 전지 장치로 할 수 있다.
또한, 셀 스택(1)에 있어서의 전류량(I)과 공기 이용률(Ua)의 관계식은 셀 스택(1)의 정격 발전량이나, 모듈(M)의 용적 등에 의거하여 적당하게 설정할 수 있다.
또한, 셀 스택(1)의 공기 이용률(Ua)과 전류량(I)의 관계는 상술한 일정한 관계에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 부분 부하 운전시나 정격 운전시에 연료 전지 셀(24)에 공급되는 산소 함유 가스의 온도가 소정의 온도 범위 내로부터 소정의 온도 범위보다 높은 상태 또는 소정의 온도 범위보다 낮은 상태로 변화되었을 경우나, 소정의 온도 범위보다 높은 상태 또는 소정의 온도 범위보다 낮은 상태로부터 소정의 온도 범위 내로 변화되었을 경우에 있어서는, 그 온도 변화에 따라 공기 이용률(Ua)과 전류량(I)의 관계를 변경하는 것도 가능하다.
예를 들면, 제어 장치(10)는 연료 전지 셀(24)에 공급되는 산소 함유 가스의 온도가 소정의 온도 범위 내에 있을 경우에는 그래프A로 나타내어지는 관계식이 되도록 산소 함유 가스 공급부(3)를 제어하고, 부분 부하 운전 중이나 정격 운전 중에 외장 케이스(39) 내의 온도가 소정의 온도보다 높아졌을 경우에는 제어 장치(10)는 그래프B로 나타내어지는 관계식이 되도록 산소 함유 가스 공급부(3)를 제어할 수도 있다.
마찬가지로, 제어 장치(10)는 외장 케이스(39) 내의 온도가 소정의 온도 범위 내에 있을 경우에는 그래프A로 나타내어지는 관계식이 되도록 산소 함유 가스 공급부(3)를 제어하고, 부분 부하 운전 중에 외장 케이스(39) 내의 온도가 소정의 온도보다 낮아졌을 경우에는 제어 장치(10)는 그래프C로 나타내어지는 관계식이 되도록 산소 함유 가스 공급부(3)를 제어할 수도 있다.
또한, 외장 케이스(39) 내의 온도에 의거하여 제어 장치(10)는 그래프B나 그래프C로 나타내어지는 관계식으로부터 그래프A로 나타내어지는 관계식이 되도록 산소 함유 가스 공급부(3)를 제어하는 것 이외에, 이 관계식을 변경하는 제어를 반복해서 행하는 것도 가능하다. 즉, 바꿔 말하면 셀 스택(1)에 있어서의 공기 이용률(Ua)은 셀 스택(1)에 있어서의 발전량(I)과 온도(t)의 2변수 함수f(i,t)로 할 수 있다. 그 때문에, 예를 들면 외장 케이스(39) 내의 온도가 소정의 온도보다 높을 경우에 있어서 적당하게 셀 스택(1)의 공기 이용률(Ua)과 전류량(I)의 관계식을 변경할 수 있고, 또한 외장 케이스(39) 내의 온도가 소정 온도보다 낮을 경우에 있어서도 적당하게 셀 스택(1)의 공기 이용률(Ua)과 전류량(I)의 관계식을 변경할 수 있다.
이러한 온도 센서(22)에 의해 측정된 외장 케이스(39) 내의 온도에 의거하여 공급 전력 조정부(9)에 의해 조정되는 셀 스택(1)의 발전량에 대한, 셀 스택(1)에 있어서의 공기 이용률(Ua)을 변동시키는 운전은 특히 연료 전지 장치가 정격 운전을 행하고 있을 경우에 유용하므로 적어도 정격 운전시에 행하는 것이 바람직하다.
연료 전지 장치가 정격 운전을 행하고 있을 경우에, 외장 케이스(39) 내의 온도가 높을 경우에는 셀 스택(1)의 내구성이 저하될 우려가 있고, 반대로 외장 케이스(39) 내의 온도가 낮을 경우에는 셀 스택(1)의 발전 효율이 저하될 우려가 있다. 그 때문에, 연료 전지 장치가 정격 운전을 행하고 있는 동안에 있어서 제어 장치(10)가 온도 센서(22)에 의한 외장 케이스(39) 내의 온도에 의거하여 공급 전력 조정부(9)에 의해 조정되는 셀 스택(1)의 발전량에 대한 셀 스택(1)에 있어서의 공기 이용률(Ua)을 변동시킴으로써 셀 스택(1)의 내구성 및 발전 효율을 향상시킬 수 있고, 발전 효율이나 내구성이 향상된 연료 전지 장치로 할 수 있다.
또한, 도 5에 나타내는 바와 같이 부분 부하 운전시에 있어서도 제어 장치(10)가 케이스 내 온도 센서(22)에 의해 측정된 외장 케이스(39) 내의 온도에 의거하여 공급 전력 조정부(9)에 의해 조정되는 셀 스택(1)의 발전량에 대한 셀 스택(1)에 있어서의 공기 이용률(Ua)을 변동시킴으로써 셀 스택(1)의 온도 저하를 유효하게 억제할 수 있고, 발전 효율이나 내구성이 향상된 연료 전지 장치로 할 수 있다.
또한, 상기 형태에서는 외장 케이스 내의 온도가 15?25℃일 경우, 15℃보다 낮을 경우, 25℃보다 높을 경우의 3가지로 구분하여 셀 스택(1)의 공기 이용률(Ua)과 전류량(I)의 관계식을 변경했지만, 온도에 대해서는 임의의 온도로 설정할 수 있고, 또한 외장 케이스 내의 온도를 4가지 이상으로 구분하고, 각각의 온도에 대응한 관계식에 의거하여 산소 함유 가스 공급부를 제어할 수도 있다. 이 경우에는, 보다 발전 효율 및 내구성을 향상시킬 수 있다.
1 : 셀 스택 3 : 산소 함유 가스 공급부
9 : 공급 전력 조정부(파워 컨디셔너) 10 : 제어 장치
22 : 온도 센서 23 : 모듈 수납 용기
24 : 연료 전지 셀 28 : 흡기부
29 : 배기부 39 : 외장 케이스
M : 연료 전지 모듈

Claims (8)

  1. 연료가스와 산소 함유 가스로 발전을 행하는 연료 전지 셀을 복수 개 배열해서 이루어지고, 모듈 수납 용기 내에 수납된 셀 스택과, 상기 모듈 수납 용기의 외측으로부터 상기 모듈 수납 용기 내의 상기 연료 전지 셀에 상기 산소 함유 가스를 공급하기 위한 산소 함유 가스 공급부와, 상기 셀 스택에 있어서의 발전량을 조정하기 위한 공급 전력 조정부와, 상기 모듈 수납 용기의 외측에 배치되어 상기 연료 전지 셀에 공급되는 상기 산소 함유 가스의 온도를 측정하기 위한 온도 센서와, 상기 산소 함유 가스 공급부 및 상기 공급 전력 조정부 각각을 제어하기 위한 제어 장치를 구비해서 이루어지는 연료 전지 장치로서:
    상기 제어 장치는 상기 온도 센서에서 측정된 상기 산소 함유 가스의 온도가 소정의 온도보다 높을 경우에 상기 산소 함유 가스 공급부에 의해 공급되는 산소 함유 가스량을 증가시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 장치는 상기 온도 센서에서 측정된 상기 산소 함유 가스의 온도가 소정의 온도보다 낮을 경우에 상기 산소 함유 가스 공급부에 의해 공급되는 산소 함유 가스량을 감소시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 장치에는 전류량과 산소 이용률의 관계식이 상기 온도 센서에서 측정되는 온도의 범위에 대응해서 복수 개 기억되어 있고, 상기 온도 센서에서 측정된 온도에 대응한 상기 관계식이 선택되어 상기 산소 함유 가스량이 제어되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    외장 케이스 내에 상기 모듈 수납 용기와, 상기 산소 함유 가스 공급부와, 상기 공급 전력 조정부와, 상기 제어 장치가 수납되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 상기 외장 케이스의 외측에 배치되어 있고, 상기 온도 센서에 의해 측정된 외기 온도에 의거하여 상기 산소 함유 가스 공급부가 제어되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 상기 외장 케이스의 내측에 배치되어 있고, 상기 온도 센서에 의해 측정된 상기 외장 케이스 내의 온도에 의거하여 상기 산소 함유 가스 공급부가 제어되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산소 함유 가스 공급부는 산소 함유 가스를 흡입하는 흡기부와, 그 흡기부에 의해 흡입한 산소 함유 가스를 상기 연료 전지 셀에 송출하는 배기부를 구비하고 있고, 상기 온도 센서는 상기 흡기부 또는 상기 배기부에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치는 상기 연료 전지 장치의 정격 운전 중에 있어서 상기 산소 함유 가스 공급부를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
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