KR20130029087A - 연료 전지 발전 시스템 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20130029087A
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도시바 넨료 덴치 시스템 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 실시형태에 의하면, 연료 전지 발전 시스템은, 연료와 산화제를 사용하여 전기 화학 반응에 의한 발전을 행하는 연료 전지와, 연료, 공기 또는 물이 흐르는 유로를 내부에 구비하고, 상기 유로를 규정하는 내벽이 수지로 형성된 수지 모듈(140)을 구비하고 있다.

Description

연료 전지 발전 시스템 및 그 제조 방법{FUEL CELL POWER GENERATION SYSTEM AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명의 실시형태는, 연료 전지 발전 시스템 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
연료 전지의 하나로서 고체 고분자형 연료 전지(Polymer Electrolyte Fuel Cell : PEFC)가 알려져 있다. 고체 고분자형 연료 전지의 전지셀은, 연료극인 애노드측 전극과, 산화제극인 캐소드측 전극과, 이들 애노드측 전극과 캐소드측 전극에 끼워진 고체 고분자 전해질막을 포함하고 있다. 고체 고분자형 연료 전지는, 상기 전지셀을 세퍼레이터로 협지(挾持)하여 이루어지는 적층물을 복수매 적층하여 구성되어 있다.
차재(車載)용의 고체 고분자형 연료 전지의 경우, 기동성을 중시하기 때문에, 통상, 연료에는 순수소를 사용하고, 산화제에는 공기를 사용한 시스템이 많다.
그런데, 정치(定置)용이나 가정용의 고체 고분자형 연료 전지의 경우, 인프라의 문제로부터 연료에는, 메탄 성분이 많은 도시 가스나 프로판 가스를 사용하는 시스템이 요구된다. 이 경우에는, 연료를 수소로 개질하기 위해서, 연료에 수증기를 혼합하여 수소를 생성시키는 연료 처리기를 사용하는 방법이 일반적이다.
어느 시스템에 있어서도, 애노드 전극측에 공급된 수소가 이온화하여 고체 고분자 전해질막 내를 흐르고, 캐소드 전극측의 산소와 반응하여, 물을 생성함과 함께, 외부에 대하여 전기 에너지가 얻어진다.
그런데, 고체 고분자형 연료 전지는, 전기 에너지를 발생함과 함께, 약 100℃ 이하의 배열이 생긴다. 이것은, 온도가 높은 전지 온도로부터 주위 온도로의 방열분이 열로서 발생하기 때문이다. 한편, 연료를 수소로 개질하기 위한 연료 처리기에 있어서도, 통상, 개질기 등의 개질 반응의 가열에 연소기를 사용하기 때문에, 연소 배기 가스나 연료 처리기 외부로부터의 배열이 생긴다.
이러한 연료 전지가 발전할 때에 발생하는 열을 이용하면, 전기 에너지와의 하이브리드 운전, 즉 코제너레이션 운전이 되기 때문에, 매우 경제적이고 에너지 효율이 높은, 지구 환경에 좋은 운전을 실현할 수 있다.
최근, 이러한 연료 전지 발전 시스템을 가정에 도입하자는 개발이 행해지고 있다. 이미 일본에서는 실용화가 시작되고 있다. 상기 연료 전지 발전 시스템은 이산화탄소의 배출량이 적어, 환경성이나 에너지 절약성의 점에서 뛰어나다. 그 때문에, 지구온난화의 방지를 도모할 수 있는 에너지 시스템으로서 각광을 받고 있다.
이 연료 전지 발전 시스템은 소형이며 설치 면적이 좁을수록, 설치 가능한 장소가 많아지기 때문에, 시장 규모의 확대, 에너지 절약 기기의 보급으로 이어진다. 또한, 시스템이 소형, 경량일수록, 설치를 위한 이동이 용이해지고, 그 상품성은 향상한다.
따라서, 연료 전지 발전 시스템의 보급을 촉진시키기 위해서는, 발전 효율이나 배열 효율의 시스템의 기본 성능의 향상뿐만 아니라, 제조성을 높여서 컴팩트화를 도모할 수 있도록 하는 것이 요구된다.
일본 특개2004-178916호 공보 일본 특개2004-316663호 공보
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 제조성을 높여서 컴팩트화를 실현하는 연료 전지 발전 시스템 및 그 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
실시형태의 연료 전지 발전 시스템은, 연료와 산화제를 사용하여 전기 화학 반응에 의한 발전을 행하는 연료 전지와, 연료, 공기 또는 물이 흐르는 유로를 내부에 구비하고, 상기 유로를 규정하는 내벽이 수지로 형성된 수지 모듈을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
도 1은 제1 실시형태에 관한 연료 전지 발전 시스템의 기기 탑재부의 구성의 일례를 나타내는 평면도.
도 2는 도 1 중에 나타내는 차단 밸브 및 수지 블록 모듈을 포함하는 기기 설치부 주위의 구성의 일례를 나타내는 단면도.
도 3은 기기 설치부 주위의 수지 블록 모듈측의 구조의 일례를 나타내는 사시도.
도 4는 후크(hook)에 의해 차단 밸브를 수지 블록 모듈에 고정시키는 변형예를 나타내는 기기 고정부 주위의 단면도.
도 5는 제2 실시형태의 연료 전지 발전 시스템을 나타내는 개략적인 구성도.
도 6은 동(同) 실시형태의 연료 전지 발전 시스템의 수지 블록 모듈의 구성도.
도 7은 도 6의 수지 블록 모듈의 평면도.
도 8은 도 6의 수지 블록 모듈의 정면도.
도 9는 도 8의 원으로 둘러싼 부분의 확대도.
도 10은 제3 실시형태에 관한 연료 전지 발전 시스템의 블럭도.
도 11은 도 9의 연료 전지 발전 시스템에 사용되는 집적 배관의 설명도.
도 12는 도 11의 집적 배관에 있어서의 유로의 설명도.
도 13은 도 10의 연료 전지 발전 시스템에 사용되는 제6 집적 배관의 구체적인 구성예를 나타내는 설명도.
도 14는 제4 실시형태에 관한 연료 전지 발전 시스템의 블럭도.
도 15는 제5 실시형태에 관한 연료 전지 발전 시스템의 블럭도.
도 16은 제6 실시형태에 관한 연료 전지 발전 시스템의 블럭도.
도 17은 제7 실시형태에 관한 연료 전지 발전 시스템의 블럭도.
도 18은 제8 실시형태에 관한 연료 전지 발전 시스템의 블럭도.
도 19는 제9 실시형태에 관한 연료 전지 발전 시스템의 블럭도.
도 20은 종래에 관한 배관의 구성의 설명도.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명한다.
(제1 실시형태)
도 1은 제1 실시형태에 관한 연료 전지 발전 시스템의 기기 탑재부의 구성의 일례를 나타내는 평면도이다.
본 실시형태의 연료 전지 발전 시스템(1)은, 예를 들면, 가정용 연료 전지 발전 시스템에 적용되는 것이다. 이하의 설명에서는, 가정용 연료 전지 발전 시스템을 예로 들어 설명하지만, 본 실시형태의 연료 전지 발전 시스템(1)은, 가정용 연료 전지 발전 시스템 이외의 연료 전지 발전 시스템에도 적용 가능하다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 연료 전지 발전 시스템(1)은, 내부에 유체(연료, 공기 또는 물)가 흐르는 복수의 유로(배관 등)를 수지로 일체로 성형한 수지 블록 모듈(단순히 「수지 모듈」이라고도 한다)(50)을 구비한다.
이 수지 블록 모듈(50)에는, O링 등의 씰(seal) 부재를 통하여 각종의 기기가 설치된다. 기기로서는 예를 들면 복수의 차단 밸브(10)를 탑재하고 있고, 각 유로는 예를 들면 차단 밸브용 O링(대)(11) 및 차단 밸브용 O링(소)(12)으로 각각 씰되어 있다.
유체는 블로어(도시 생략)를 통하여 접속부(51)로부터 수지 블록 모듈(50)에 공급된다. 연료는 수지 배관부(52)에서 분기 후, 차단 밸브(10)에 들어가고, 각 차단 밸브의 개폐 제어에 의해 흐름이 결정되고, 필요에 따라 접속부(53) 혹은 접속부(54)로부터 수지 블록 모듈(50) 외부의 접속 배관(도시 생략)으로 유도되도록 되어 있다.
도 2는 도 1 중에 나타내는 차단 밸브(10) 및 수지 블록 모듈(50)을 포함하는 기기 설치부 주위의 구성의 일례를 나타내는 단면도이다. 한편, 도 1과 공통되는 요소에는 동일한 부호를 붙여서 있다.
수지로 일체로 성형한 수지 블록 모듈(50)은, 유통부 보스(제1 볼록 구조부)(60)와 복수의 보스(제2 복수의 볼록 구조부)(55)를 포함하고 있다. 차단 밸브(10)는 이들 유통부 보스(60) 및 복수의 보스(55)를 통하여 수지 블록 모듈(50)에 장착된다. 유통부 보스(60)와 차단 밸브(10)의 접촉면에는, 상술의 차단 밸브용 O링(대)(11) 및 차단 밸브용 O링(소)(12)이 배치되어 있고, 이들로 구분된 각 영역에 각각 다른 유체의 도통구가 설치되어 있다.
차단 밸브(10)측의 차단 밸브 베이스판(14)에 대경(大徑) 홀(13)을 마련함과 함께, 수지 블록 모듈(50)측의 보스(55)에 하부 홀(56)을 마련하고, 고정 나사(40)를 대경 홀(13)을 통해서 하부 홀(56)에 나사 결합함으로써, 차단 밸브(10)가 수지 블록 모듈(50)에 고정된다.
차단 밸브 베이스판(14)과 수지 블록 모듈(50)은, 동일한 재료로 구성되고, 예를 들면 재료로서 PPS(폴리페닐렌설파이드)가 사용된다.
고정 나사(40)로서는, 인서트 부재(금속 인서트 등)가 불필요한 태핑 나사를 사용한다. 이 경우, 예를 들면 논서트(등록상표)라고 불리는 나사를 사용해도 된다. 고정 나사(40)의 개개의 나사산의 각도는, 20°～35°의 범위 내로 하고, 바람직하게는 25°～30°의 범위 내로 한다. 이와 같이 함으로써, 나사가 수지에 크랙을 발생시키지 않고, 적당한 토크로 수지에 날카롭게 깊이 들어가, 차단 밸브(10)를 수지 블록 모듈(50)에 단단히 고정할 수 있다.
고정 나사(40)가 M3 나사인 경우, 대경 홀(13)로서 예를 들면 직경 3.2㎜의 관통 홀, 하부 홀(56)에는 예를 들면 직경 2.5㎜의 홀을 마련한다. 이에 따라, 고정 나사(40) 자체가 하부 홀(56)의 수지에 적당히 나사홈을 파서, 차단 밸브(10)가 수지 블록 모듈(50)에 고정된다.
이와 같이 차단 밸브(10)가 수지 블록 모듈(50)에 고정되는 것에 의해, 수지 블록 모듈(50)측의 유로(57(A)), 유로(58(B))가 차단 밸브(10)측 유로(15(C))와 도통하고, 회로 A-C-B가 형성된다. 또한, 차단 밸브(10) 내부의 기구(도시 생략)에 의해, 흐름이 제어된다.
도 3은 기기 설치부 주위의 수지 블록 모듈(50)측의 구조의 일례를 나타내는 사시도이다.
수지로 일체로 성형한 수지 블록 모듈(50)은, 유통부 보스(제1 볼록 구조부)(60) 및 복수의 보스(제2 복수의 볼록 구조부)(55) 중 적어도 2개를 연결하는 보강판(리브)(59) 혹은 보강판(리브)(61)을 더 포함하도록 구성되어 있어도 된다. 도 3의 예에서는, 인접하는 보스(55)끼리가 보강판(59)으로 연결되고, 또한, 유통부 보스(60)와 보스(55)가 보강판(61)으로 연결되어 있다. 이와 같이 구성하는 것에 의해, 차단 밸브(10)의 수지 블록 모듈(50)과의 접촉면에 있어서의 구부러짐, 왜곡, 휨이 억제되기 때문에, 부재의 손상이나 파손을 막을 수 있다. 또한, 차단 밸브(10)의 설치가 안정되어, 유로 접합부에 있어서의 위치 어긋남이나 유체의 누설 등을 막을 수 있다.
본 실시형태에 의하면, 제조성을 높여서 컴팩트성을 높임과 함께, 신뢰성을 높인 연료 전지 발전 시스템 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
예를 들면, 차단 밸브(10)를 고정할 때에, O링(대) 및 O링(소)이 나사의 체결력에 의해 가압됨으로써 씰성이 확보되고, A-C-B의 회로가 형성됨과 함께, 차단 밸브(10)의 수지 블록 모듈(50)과의 접촉면에서 A-C의 회로와 C-B의 회로가 도통하는 것을 막을 수 있다.
또한, 유로를 흐르는 유체의 온도는, 연료 전지 발전 시스템의 운전 상황에 따라 변화하지만, 이 경우, 기기측과 수지 블록 모듈(50)측에서 나사의 고정부 주위의 재료가 다르면, 선팽창계수의 차이에 의해, 상대 미끄러짐이 발생하여, 장기적으로 느슨함의 원인이 되는 경우가 있다. 이에 대하여, 상술한 바와 같이 동일 재료를 적용함으로써, 상대 미끄러짐이 발생하지 않고, 온도 변화에 의한 경년적인 느슨함의 발생을 막을 수 있다.
또한, 온도 변화 등에 의해 보스에 하중이 가해지면, 근원부 주위에 발생하는 응력이 커지는 경우가 있지만, 상술한 바와 같이 보강판을 적용함으로써, 손상이나 파손을 막을 수 있다. 또한, 성형 시의 수지의 흐름이 향상하기 때문에, 성형 불량에 의한 수지 강도의 저하를 방지할 수 있다.
도 4는 후크에 의해 차단 밸브(10)를 수지 블록 모듈(50)에 고정시키는 변형예를 나타내는 기기 고정부 주위의 단면도이다.
수지로 일체로 성형한 수지 블록 모듈(50)은, 상술의 보스(55)를 포함하고 있지 않고, 대신에, 후크(62)를 포함하고 있다. 즉, 상술의 도 2 및 도 3의 예에서는, 보스(55)나 고정 나사(40)를 사용하여 차단 밸브(10)를 수지 블록 모듈(50)에 고정하는 경우를 예시했지만, 이 도 4의 예에서는, 보스(55)나 고정 나사(40)는 불필요하며, 대신에 후크(62)가 사용된다. 이 후크(62)에 차단 밸브 베이스판(14)을 끼워맞춤으로써, 차단 밸브(10)를 수지 블록 모듈(50)에 고정시킨다.
후크(62)는 도 4의 아래쪽으로의 구속력은 갖지 않지만, 상술의 차단 밸브용 O링(대)(11)이나 차단 밸브용 O링(소)(12)에 의해, 대경 홀(13) 근방에 있어서도 항상 도면 위쪽으로의 상방 가압력이 발생하고 있어, 나사에 의한 고정과 동등한 씰성을 갖고 있다.
이 변형예에 의하면, 고정 나사(40) 등을 사용하지 않기 때문에, 차단 밸브(10) 등의 기기의 설치, 고정 작업이 용이해진다. 또한, 수지 블록 모듈(50)과 기기의 재료가 달라 선팽창계수의 차에 의해 상대 변위가 발생했을 때에도, 후크(62)는 서로의 변위를 구속하지 않고, 또한 나사와는 달리 상대 변위에 의한 느슨함도 발생하지 않는다. 이 때문에, 제조성과 나사 고정부의 장기 신뢰성을 높인 연료 전지 발전 시스템 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
한편, 제1 실시형태에서 설명한 기술은, 후술하는 각 실시형태에도 적용하는 것이 가능하다.
(제2 실시형태)
도 5는 제2 실시형태의 연료 전지 발전 시스템을 나타내는 개략 구성도이다. 한편, 본 명세서에서 개시된 연료 전지 발전 시스템을 구성하는 각 구성 요건은 문맥이 특별히 명확하게 나타내지 않으면, 단수여도 복수여도 상관없다.
본 실시형태의 연료 전지 발전 시스템(101)은, 연료 개질 장치를 패키징 내부에 갖는 고체 고분자형 연료 전지 발전 시스템이며, 예를 들면, 가정용 연료 전지 발전 시스템에 적용되는 것이다. 이하의 설명에서는, 가정용 연료 전지 발전 시스템을 예로 들어 설명하지만, 본 실시형태의 연료 전지 발전 시스템(101)은, 가정용 연료 전지 발전 시스템 이외의 연료 전지 발전 시스템에도 적용 가능하다.
연료 전지 발전 시스템(101)은, 주로, 연료 처리 장치(FPS; Fuel Processing System)와, 전지 본체(CSA; Cell Stack Assembly)(102)로 구성된다.
상기 연료 처리계는, 연료(103), 탈황기(104), 수증기 발생기(105), 개질기(106), CO 시프트 반응기(107), CO 선택 산화기(108), 수증기 분리기(109), 개질용 연소기(110), 개질용수 펌프(111), 배열 열교환기(112a, 112b), 연료 유량계(141), 및 탱크(180)를 구비하고 있다. 개질용 연소기(110)는 개질기(106)에 설치되어 있다. 연료(103)는, 예를 들면, 도시 가스나 프로판 등의 탄화수소계 연료이다.
한편, 전지 본체(102)는, 애노드극(113), 캐소드극(114)을 구비하고 있다. 애노드극(113)과 캐소드극(114)은, 고체 고분자 전해질막을 끼워서 설치된다. 전지 본체(102)는, 연료와 산화제를 사용하여 전기 화학 반응에 의한 발전을 행하는 연료 전지를 포함하고 있다. 또한, 전지 본체(102)에는, 전지 본체(102)를 냉각하기 위한 냉각 유로(170)가 형성되어 있다.
고체 고분자형 연료 전지 발전 시스템의 발전 원리를 간단히 설명한다.
연료에 도시 가스를 사용할 경우, 도시 가스로부터 수소 가스로의 개질은, 상기 연료 처리계에서 행해진다. 연료(103)인 도시 가스는 탈황기(104)를 통과한다. 이때, 탈황기(104)의 내부에서, 예를 들면, 활성탄이나 제올라이트 흡착 등에 의해, 도시 가스 중의 황분이 제거된다. 탈황기(104)를 통과한 도시 가스는 개질기(6)를 통과한다.
한편, 탱크(180)로부터 필터(130)를 통하여 개질용수 펌프(111)에 의해 공급된 순수는, 수증기 발생기(105)에서 가열되어 가스화한다. 수증기 발생기(105)로부터 수증기 분리기(109)로 보내진 기체로부터 수증기만이 추출되고, 수증기 유량 조절 밸브(127)를 통과하여, 탈황 완료의 연료 가스에 합류한다. 수증기 분리기(109)에서 분리된 액체의 물은, 밸브(183)를 통하여 탱크(180)에 보내진다. 개질기(106)의 배기는, 수증기 발생기(105)로 보내져 물을 가열한 후, 탱크(180)에 병설된 배열 열교환기(112a)로 보내져, 그 후 배기된다.
개질기(106)에서는 촉매에 의해 도시 가스와 수증기의 반응으로부터 수소가 생성되지만, 동시에 CO의 생성도 행해진다. 이 수증기 개질은 흡열 반응 때문에, 개질기(106)에는 개질용 연소기(110)가 포함되어 있다. 즉, 개질용 연소기(110)에 의해 개질기(106)의 내부는 가열되고 있고, 흡열 반응인 수증기 개질 반응이 유지되고 있다.
고체 고분자형 연료 전지는, 전지 본체(102)의 전해질막 및 촉매층으로 구성되는 MEA(Membrane Electrode Assembly)에서의 CO 피독이 문제가 되기 때문에, CO는 CO2로 산화시킬 필요가 있다. 이 때문에, CO 시프트 반응기(107)에서는 H2O에 의한 시프트 반응을 진행시킬 필요가 있다. 또한, CO 선택 산화용 공기 블로어(118)의 공기 공급에 의해, CO 선택 산화기(108)에서는, 촉매에 의해 CO 피독이 발생하지 않을 정도로, 산화 반응을 진행할 필요가 있다.
또한, 간단화를 위해 도시하지 않았지만, 개질기(106)를 포함한 이들의 촉매 반응 온도는 각각 다르고, 개질기(106)의 수백도부터 CO 선택 산화기(108)의 백 수십도로, 개질 가스의 상류와 하류의 온도차가 크기 때문에, 하류측 온도를 내리기 위한 열교환기를 설치해도 상관없다.
다음에, 각 촉매에서의 주된 프로세스 반응을 이하에 나타낸다.
메탄 성분이 주체인 도시 가스 개질의 경우, 수증기 개질 반응은 (1)식, CO 시프트 반응은 (2)식, CO 선택 산화 반응은 (3)식과 같이 된다.
CH4+2H2O→CO2+4H2 …(1)
CO+H2O→CO2+H2 …(2)
2CO+O2→2CO2 …(3)
CO 선택 산화기(108)를 통과한 개질 가스는, 주로 수소, 탄산가스 및 남은 수증기 등을 포함하고 있다. 이들 가스는 애노드극(113)으로 보내진다.
애노드극(113)으로 보내진 수소 가스는, MEA의 촉매층을 거쳐 프로톤 H+가 전해질막을 통과하고, 캐소드극용 공기 블로어(115)에 의해 캐소드극(114)을 통과하는 공기 중의 산소 및 전자와 결부되어서 물이 생성된다.
따라서, 애노드극(113)은 -극, 캐소드극(114)는 +극이 되고, 전위를 가져서 직류 전압을 발전한다. 이 전위 간에 전기 부하가 접속되면, 본 시스템은 전원으로서의 기능을 갖게 된다.
발전에 사용되지 않고 남은 애노드극(113)의 출구 가스는, 수증기 발생기(105) 및 개질기(106)의 가열용 연료 가스로서 사용된다. 또한, 캐소드극(114)의 출구 중의 수증기 및 연소 배기 가스 중의 수증기는, 배열 열교환기(112a)에 의해 수분을 회수하고, 시스템에서의 수(水) 자립을 도모한다.
한편, 전지 본체(102)의 배열은 냉각 유로(170)를 통과하는 전지 냉각수 펌프(129)의 순환 라인에 배치된 배열 열교환기(112b)에 의해 열회수된다.
온수 순환 펌프(133)의 운전에 의해, 배열 열교환기(112a 및 112b)에서 열교환하여 데워진 온수는, 축열 장치(136) 내의 저탕조(138)에 축열되고, 급탕이나 목욕의 온수로서 사용된다. 저탕조(138)에는, 필요에 따라 수도관(184)을 통하여 수돗물이 공급된다.
저탕조(138)의 열이 사용되지 않고, 탱크(180)의 하부까지 고온의 온수가 저장된 상태에서는, 연료 전지 발전 시스템(101)으로 되돌아가는 순환수 온도가 상승한다. 그 경우, 온수가 사용될 때까지 시스템의 운전을 정지하거나, 혹은, 방열기(137)를 통해서 대기에 방열하도록 한다.
이어서, 본 실시형태의 연료 전지 발전 시스템의 기동 시의 운전 방법에 대하여 설명한다.
운전 기동의 지령이 시작되면, 연소 공기 전환 밸브(125)가 열린 상태에서 연소용 공기 블로어(126)가 기동하고, 개질기(106) 내의 연소실을 공기 퍼지한다. 이 경우, 연소용 공기는 연소용 공기 블로어(126)로부터, 기동 연료의 예혼합 공기로서 뿐만 아니라, 확산 공기로서도 연소실 내에 공급된다. 공기 퍼지가 완료하면, 기동 연료의 착화를 위한 예를 들면 점화 플러그로부터의 불꽃을 연소실 내에서 발생시킨다.
메인 연료 차단 밸브(122)를 닫고, 탈기용 차단 밸브(123)를 연 상태에서, 연료 입구 차단 밸브(120) 및 기동용 연료 차단 밸브(121)를 열면, 연료 입구 차단 밸브(120) 및 기동용 연료 차단 밸브(121)를 통과한 기동 연료가, 연료 승압 블로어(131)에 의해 승압되고, 연소실 내에서 착화됨으로써, 화염이 형성된다. 탈황기(104)로부터 연료 승압 블로어(131)로 보내지는 연료의 유량은, 연료 유량계(141)에서 계측된다.
연소실 내에서 사용되는 버너는, 기동용과 발전용을 겸한 일체형 버너이다. 메탄 주체의 기동 연료는 발전 시의 오프 가스 연료인 수소 주체의 연료보다 연소 속도가 늦고, 불어서 꺼지기가 쉽다. 그 때문에 본 실시형태에서는, 예혼합 연소시켜서 연소성을 향상시킨다.
연소가 계속하고, 연소 가스의 가열에 의해 개질기(106)나, 도시는 하고 있지 않지만 전기 히터 등으로 가열된 CO 시프트 반응기(107), CO 선택 산화기(108), 수증기 분리기(109) 등이 소정의 온도가 되면, 개질용수 펌프(111)에 의해 수증기 분리기(109)에 공급된 개질수는 거기서 증기가 되고, 수증기 유량 조절 밸브(127)가 열려, 연료 개질 라인에 공급된 후, 동시에 메인 연료 차단 밸브(122)가 열려서 공급되는 연료와 함께, 연료 처리계 내에 공급되어 개질 반응이 시작된다. 이 타이밍에서, 기동용 연료 차단 밸브(121), 탈기용 차단 밸브(123) 및 연소 공기 전환 밸브(125)는 닫는다.
개질 반응이 시작된 후, CO 선택 산화용 공기 블로어(118)의 공기로 산화되어, CO 선택 산화기(108)의 출구로부터 나온 개질 가스는 주로 수소, 탄산가스, 수증기 등의 성분으로 이루어지고, 전지 본체(102)의 애노드극(113)에 공급된다.
애노드극(113)의 출구로부터 나오는 오프 가스는, 오프 가스 역지(逆止) 밸브(124)를 통과한 후, 개질용 연소기(110)에 공급된다. 개질용 연소기(110)에 공급된 오프 가스 연료는 착화하여, 메인 연료용 공기와 안정된 확산 연소를 개시한다.
그 후, 캐소드극용 공기 블로어(115)로부터 전지 본체(102)의 캐소드극(114)에 공기가 공급되고, 인버터(도시 생략)가 기동하면, 연료 전지 발전 시스템(101)의 발전이 개시한다. 발전에 기여하지 않은 채 남은 애노드극(113)의 출구로부터 나오는 오프 가스는 개질용 연소기(110)에 계속 공급된다.
본 실시형태의 연료 전지 발전 시스템(101)은, 수지 블록 모듈을 구비하고 있다. 이 수지 블록 모듈은 내부에 유체(연료, 공기 또는 물)가 흐르는 유로를 구비하고 있다. 이 유로를 규정하는 내벽은 수지로 형성되어 있다. 이러한 수지 블록 모듈은, 예를 들면, 수지 성형을 사용하여 형성된다.
본 실시형태에서는, 도 5에 있어서 파선으로 둘러싸인 부분을 수지 블록 모듈(수지 모듈)(140)로 하고 있다. 도 6에 수지 블록 모듈(140)의 보다 구체적인 구성도를 나타낸다. 도 7에 도 6의 수지 블록 모듈(140)의 평면도(설치 시의 정면도)를 나타낸다. 또한, 도 8에 도 6의 수지 블록 모듈(140)의 정면도를 나타낸다.
본 실시형태의 수지 블록 모듈(140)은, 기동용 연료 차단 밸브(전자 밸브)(121), 메인 연료 차단 밸브(전자 밸브)(122) 및 연료 유량계(141)를 탑재(설치)하고 있다. 수지 블록 모듈(140)에 탑재하는 기기는, 전자 밸브(121, 122) 및 연료 유량계(141)에는 한정되지 않고, 예를 들면, 전자 밸브, 유량계 및 오리피스를 포함하는 복수의 기기 중 적어도 하나를 탑재(설치)하는 구성이면 된다. 마찬가지로, 본 실시형태에서는 전자 밸브(121, 122) 및 유량계(141)는 O링을 통하여 탑재(설치)하는 구성으로 하지만, 이것에는 한정되지 않고, 예를 들면, O링을 통하여 탑재(설치)하는 기기는, 전자 밸브, 유량계 및 오리피스를 포함하는 복수의 기기 중 적어도 하나로 하는 구성이면 된다.
또한, 수지 블록 모듈(140)은, 도 6～도 8에 나타내는 바와 같이, 수지로 형성된 수지 배관부(유로체)(149, 150, 154)를 구비하고, 또한, 도 7에 나타내는 바와 같이, 수지 배관부(유로체)(150, 154)를 씰하기 위한 연료 유량계용 O링(142), 차단 밸브용 O링(대)(143) 및 차단 밸브용 O링(소)(144)을 구비하고 있다. 각 O링을 통하여 수지 블록 모듈(140)과 각 기기(121, 122, 141)는 도시하지 않은 나사에 의해 고정된다.
또한, 수지 블록 모듈(140)의 외부에는, 도 7에 나타내는 바와 같이, 예를 들면, 중계 커넥터 기판(자(子)기판)(145)이나, 열교, 공기 필터의 타 기기를 고정시키는 복수의 지지부(146)가 있다.
중계 커넥터 기판(145)이란, 회전기 등의 전력을 필요로 하는 기기의 배선, 예를 들면, 연료 승압 블로어(131)용의 전력 및 제어 신호의 중계선을 연결하기 위한 기판을 의미하고 있다.
한편, 수지 블록 모듈(140)의 패키징 내부로의 설치는 예를 들면 각부(脚部)(147)에 나사 고정하지만 이것에 한정되지는 않는다.
연료 입구 차단 밸브(120)가 열려, 탈황기(104)를 통과한 연료는, 연료 유량계 입구 접속부(148)로부터 수지 블록 모듈(140)의 내부로 공급된다. 한편, 연료 입구 차단 밸브(120)는 실제로는 2연의 차단 밸브이지만, 도면에서는 간략화하여 하나의 밸브로서 나타내고 있다.
연료는 연료 유량계(141)를 통과한 후, 수지 배관부(150)에 들어가고, 그리고, 연료는 수지 배관부(150)와 비교해서 단면적이 큰 버퍼 탱크부(버퍼부)(151)를 거쳐 버퍼 탱크 출구 접속부(출구 접속부)(152)로부터 일단 수지 블록 모듈(140)의 외부로 나온다.
연료는 연료 승압 블로어(131)를 통하여, 연료 차단 밸브 입구 접속부(입구 접속부)(153)로부터 다시 수지 블록 모듈(140)의 내부로 공급된다.
각 연료는 수지 배관부(154)에서 분기 후, 기동용 연료 차단 밸브(121), 메인 연료 차단 밸브(122)에 들어가고, 각 차단 밸브의 개폐 제어에 의해 흐름이 결정되고, 기동 시는 기동용 연료 차단 밸브 출구 접속부(출구 접속부)(155), 정상 시는 메인 연료 차단 밸브 출구 접속부(출구 접속부)(156)로부터 수지 블록 모듈(140) 외부의 접속 배관(도시 생략)으로 유도된다.
여기서, 수지 블록 모듈(140)의 각 외부 배관 접속부인, 연료 유량계 입구 접속부(148), 버퍼 탱크 출구 접속부(152), 연료 차단 밸브 입구 접속부(153), 기동용 연료 차단 밸브 출구 접속부(155) 및 메인 연료 차단 밸브 출구 접속부(156)는, 모두 암컷형의 퀵 패스너 이음새(퀵 패스너 구조)로 되어 있고, 상대편의 수컷형 이음새와 O링 씰되어서 외부의 접속 배관과 연결된다. 퀵 패스너 이음새란, SUS 스프링판의 특성을 살린 파이프 이음새 금구이다.
단, 본 실시형태와 같이 반드시 수지 블록 모듈측을 암컷 구조로 할 필요는 없고, 상대편 이음새의 형편에 맞춰서 일부 또는 전부가 수컷형이어도 상관없다.
수지 블록 모듈(140)의 덮개 용착부는, 버퍼 탱크 용착 덮개(157), 기동용 연료 차단 밸브 용착 덮개(158), 메인 연료용 차단 밸브 용착 덮개(159), 수지 배관부 덮개(도시 생략)를 구비하고 있다. 버퍼 탱크 용착 덮개(157)는 측면으로부터의 진동 용착에 의해 형성되고, 기동용 연료 차단 밸브 용착 덮개(158)와 메인 연료용 차단 밸브 용착 덮개(159)는 표면으로부터의 진동 용착에 의해 형성되고, 수지 배관부 덮개는 이면으로부터의 진동 용착에 의해 형성된다. 즉, 일 실시형태의 연료 전지 발전 시스템의 제조 방법은, 연료와 산화제를 사용하여 전기 화학 반응에 의한 발전을 행하는 연료 전지와, 연료, 공기 또는 물이 흐르는 유로를 내부에 구비하고, 상기 유로를 규정하는 내벽이 수지로 형성된 수지 모듈을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템에 있어서, 상기 수지 모듈과 용착 부재를 진동 용착에 의해 용착시키는 것을 특징으로 한다.
기동용 연료 차단 밸브(121)는 O링(143, 144)을 통하여 도시하지 않은 나사에 의해 기동용 연료 차단 밸브 용착 덮개(158)에 고정된다. 마찬가지로, 메인 연료 차단 밸브(122)는 O링(143, 144)을 통하여 도시하지 않은 나사에 의해 메인 연료용 차단 밸브 용착 덮개(159)에 고정된다.
도 9는 도 7의 원으로 둘러싼 부분 A의 확대도이다. 도 9에 있어서, 참조번호 161은 수지 블록 모듈(140)과 용착 덮개(158/159)의 용착면을 나타내고 있다. 용착면(161)은, 용착 덮개(158/159)측의 진동에 의한 마찰열에 의해 용착 덮개(158/159)가 수지 블록 모듈(140)에 용착함으로써(진동 용착에 의해) 형성된다. 이때의 진동 용착에 의해 마모분이 발생한다. 도 9에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 경우, 용착면(161)의 인접부에, 마모분을 봉입하는 마모분 봉지부로서의, 블록 내측 폐입부(공간)(162)와 블록 외측 폐입부(공간)(163)가 설치되어 있다. 그 때문에, 진동 용착에 의해 발생한 마모분은 폐입부(162, 163)의 내부에 포획되고 봉지된다. 이에 따라, 유로 내부에의 마모분의 유출을 충분히 억제할 수 있게 된다.
한편, 블록 외측에서의 마모분의 발생은 상기 리스크(유로 내부에의 마모분의 유출)가 없기 때문에, 블록 외측 폐입부(163)는 생략하는 것이 가능하다.
또한, 본 실시형태에 있어서는 연료 입구부를 대상으로 한 1대의 수지 블록 모듈의 예를 나타냈지만, 공기계나 수계의 배관에 있어서도 응용 가능하며, 1대의 시스템이 복수의 같은 수지 블록 모듈로 구성되어 있어도 상관없다.
본 실시형태에 의하면, 종래의 가정용 연료 전지 발전 시스템에 비해 이하의 효과가 얻어진다.
연료 전지 발전 시스템의 내부에, 복수 유로(배관)를 집합시킨 수지 블록 모듈을 적어도 1대 이상 배치함으로써(서브 어셈블리화함으로써), 시스템 전체를 경량, 컴팩트화할 수 있다. 예를 들면, 금속 배관 등을 구비한 종래 시스템에 비해 2할 정도 사이즈를 작게 할 수 있다. 이에 따라, 연료 전지 발전 시스템의 설치성이 향상하고, CO2가 삭감되어 지구 환경에 좋은 연료 전지 발전 시스템의 보급 확대로 이어진다.
또한, 수지 블록 모듈의 외부 배관과의 접속 구조를 O링 씰에 의한 퀵 패스너 이음새 구조로 함으로써, 수지 블록의 제조성뿐만 아니라 시스템 전체의 제조성이 향상한다.
이 수지 블록 모듈을 실현시키기 위한 기술로서, 수지 재료에 PPS(폴리페닐렌설파이드)를 채용하고, 본체와 덮개부의 용착을 진동 용착할 경우, PPS는 난연성, 비용출성, 내열 온도가 각각 높기 때문에, 연료 라인에의 적용뿐만 아니라, 다른 배관계로의 응용도 충분히 가능하다. 예를 들면, 비용출성을 갖음으로써, 유로 내를 흐르는 물에 수지 성분이 녹는다는 오염을 방지할 수 있고, 물의 배관계로의 응용이 용이해진다. 또한, 투명성이 낮은 PPS를 사용하면, 저투광성의 수지 블록 모듈을 실현할 수 있다. 이에 따라, 수지 블록 모듈의 유로를 흐르는 유체(예를 들면 연료)는 빛의 영향을 받지 않는다.
진동 용착 시에 과제가 되는 생성 마모분의 처리는, 용착면에 인접하는 폐입부에 마모분을 포획할 수 있기 때문에, 블록 내부의 수지 배관부로의 마모분 유출 리스크를 회피할 수 있다.
또한, 진동 용착은 용착면을 임의로 넓게 할 수 있으므로, 다른 예를 들면 초음파 용착 방법 등에 비하여 배관으로서의 내압 강도를 높일 수 있다.
본 실시형태의 수지 블록 모듈(140)의 경우, 연료의 유로 중에 연료 승압 블로어(131)가 개재되어 있다. 연료 승압 블로어(131)는 맥동을 일으킨다. 이 맥동은 연료 유량계(141)의 지시값에 오차를 주는 원인이 된다. 이러한 연료 유량계(141)의 지시값의 오차는, 수지 블록 모듈(140)의 내부에 설치한 버퍼 탱크부(151)에 의해 충분히 작게 할 수 있다.
또한, 종래 기술의 경우, 지시값의 오차의 문제를 해소하기 위해서, 연료 전지 발전 시스템과는 별도로 두는 버퍼 탱크가 필요했지만, 본 실시형태의 경우, 상기와 같이, 버퍼 탱크부(151)는 수지 블록 모듈(140)의 내부에 설치되어 있기 때문에, 별도로 두는 버퍼 탱크는 불필요해지고, 비용 상승을 억제할 수 있다.
수지 블록 모듈(140)의 외부에는, 열교환기 등의 외부 기기를 지지(설치)하기 위한 복수의 지지부(146)가 있어, 그것에 의해, 중계 커넥터 기판(145)을 설치, 고정할 수 있기 때문에, 시스템의 패키징 집적도를 높일 수 있다.
따라서, 본 실시형태의 구성에 의하면, 큰 폭으로 제조성과 컴팩트성을 높인 연료 전지 발전 시스템의 설치가 가능해지고, 공간 절약, 에너지 절약으로 경제성이 큰, 이니셜 코스트를 극력(極力) 억제한 가정용 연료 전지 발전 시스템을 제공할 수 있게 된다.
그런데, 도시 가스 등 탄화수소계 연료로부터 수소를 얻어서 발전을 행하는 연료 전지 발전 시스템에서는, 수소를 얻기 위한 화학 반응 처리를 위해 많은 기기, 계기가 필요하게 된다. 또한, 그것에 수반하여, 그들을 연결하는 다수의 배관이 존재한다.
현재, 패키지 사이즈가 큰 것은, 기기 및 계기 자신의 사이즈나 수량에 의한 것은 물론, 다수의 배관이 존재하는 것도 한가지 원인이다. 또한, 시스템 가격이 내려가지 않는 것은, 배관점수가 많은 것, 및 그들의 조립을 위해 많은 비용이 드는 것에 있다.
도 20(A), (B)는 종래 기술에 의한 배관의 구성을 나타내고, 도 20(A)는 평면도, 도 20(B)는 도 20(A)의 측면도를 나타낸다.
흐름으로서는, 도 20의 좌측으로부터 들어간 유체는 배관(201)에서 분기되어, 차단 밸브(202a, 202b)의 라인으로 각각 흐르게 되어 있다. 여기서, 배관(201)의 재료로서 금속을 사용할 경우, 배관(201)에는 각각 이음새(203)가 용접으로 부착된다. 또한, 분기를 행하기 위해서 배관끼리에서 용접이 행해지고, 혹은 기기의 설치 위치에 맞추기 위해서 배관의 굽힘 가공이 행해진다.
그러한 배관끼리의 용접, 굽힘 가공에는, 용접을 행하기 위한 배관 길이가 필요해지고, 또한, 배관을 구부리기 위해서는 배관 직경에 따른 굽힘 R이 필요하다. 이에 따라, 배관을 위해 많은 공간이 필요하게 되어 있다. 또한, 배관을 제작하기 위한 용접공수, 부품수가 많아지는 것에 의한 부품비의 증가, 및 그들을 조립하는 조립비가 많이 들게 되어버리는 상황이다.
그래서, 이하의 제3～제9 실시형태에서는 배관을 위한 공간을 큰 폭으로 삭감 가능한 연료 전지 발전 시스템의 예에 대하여 설명한다.
(제3 실시형태)
제3 실시형태에 관한 연료 전지 발전 시스템 대하여, 도 10, 도 11(A), (B), 도 12(A), (B) 및 도 13을 참조하여 설명한다. 여기서, 도 10은 제3 실시형태에 관한 연료 전지 발전 시스템의 전체의 블럭도를 나타낸다. 도 11은 집적 배관의 설명도이며, 도 11(A)는 평면도, 도 11(B)는 측면도를 나타낸다. 도 12는 집적 배관의 유로의 구성도이며, 도 12(A)는 평면도, 도 12(B)는 측면도를 나타낸다. 도 13은 제6 집적 배관의 구체적인 구성예를 나타낸다.
상기 연료 전지 발전 시스템은 연료 전지 본체(211)와 개질 장치(212)를 구비하고 있다. 연료 전지 본체(211)는 애노드극(211a)과 캐소드극(211b)과 전해질막(도시 생략)과, 연료 전지 본체(211)의 발전에 의한 발열을 억제하기 위한 냉각층(211c)을 구비하고 있다. 애노드극(211a)에는 수소가 풍부한 가스를, 또한 캐소드극(211b)에는 공기를 공급함으로써 전기 에너지를 발생한다. 또한, 애노드극(211a)에는 미량의 공기가 개질 가스와 함께 공급된다.
상기 개질 장치(212)는 애노드극(211a)에서 필요한 수소가 풍부한 가스를 도시 가스 등의 원연료로부터 생성하는 개질부(212a)와, 개질부(212a)에서 화학 반응을 위해 필요한 열을 만들기 위한 버너부(212b)를 구비하고 있다. 개질 장치(212)는 도시 가스 등의 원연료 중에 포함되는 황 등의 부취제(腐臭劑)를 제거하기 위해 탈황제(도시 생략)를 구비하고, 동 탈황제에는 개질부(212a)에서 생성된 수소 가스의 일부가 리사이클 가스로서 공급된다.
개질부(212a)는 일반적으로는 수증기 개질 등에 의한 개질 반응과 일산화탄소 변성 반응 및 일산화탄소 선택 반응이 행해진다. 각각의 화학 반응식은 다음과 같다. 한편, 선택 산화 반응을 위해 개질부(212a)에 공기가 공급된다.
개질 반응 : CH4+2H2O→4H2+CO2, CH4+H2O→3H2+CO
변성 반응 : CO+H2O→H2+CO2
선택 산화 반응 : CO+(1/2)O2→CO2
상기 연료 전지 발전 시스템은 연료 전지 본체(211) 및 개질 장치(212) 외, 열교환기(213), 저탕조(214), 냉각수 탱크(215), 냉각수 펌프(216), 개질수 펌프(217), 이온 교환 수지층(218), 캐소드 공기 블로어(219), 선택 산화 블로어(220), 버너 공기 블로어(221), 원연료 블로어(222), 및 연료 전지 발전 시스템의 각 기기를 연결하는 제1～제9 집적 배관(2231, 2232, 2233, 2234, 2235, 2236, 2237, 2238, 2239)을 구비하고 있다.
캐소드극(211b)으로부터의 배기 및 버너부(212b)로부터의 배기는 열교환기(213)에서 열교환되고, 그 열은 저탕조(214)에 축적되고, 급탕, 난방 등에 이용된다. 또한, 열교환기(213)에서 열교환이 행해진 캐소드극(211b)으로부터의 배기 및 버너부(212b)로부터의 배기는, 연료 전지 패키지(224)의 외부로 배출된다. 연료 전지 본체(211)의 냉각층(211c)에는, 냉각수 펌프(216)로부터 냉각수가 순환된다. 냉각수 탱크(215)는 열교환기(213)와 배관으로 연통되어, 열교환기(213)에서 발생한 응축수가 축적된다.
상기 제1～제9 집적 배관(2231～2239)의 구성은 하기와 같다.
제1 집적 배관(2231)은 개질 장치(212)의 개질부(212a) 및 버너부(212b)에 원연료를 공급하는 제1 유로(2251)와, 개질 장치(212)로부터 배출되는 개질 가스가 유통하는 제2 유로(2252)를 구비하고 있다. 제2 집적 배관(2232)은 연료 전지 본체(211)의 캐소드극(211b)에 공기를 공급하는 제3 유로(2253)와, 개질 장치(212)의 개질부(212a)에 공기를 공급하는 제4 유로(2254)와, 개질 장치(212)의 버너(212b)에 공기를 공급하는 제5 유로(2255)를 구비하고 있다.
제3 집적 배관(2233)은 버너부(212b)에 원연료와 공기를 공급하는 제6 유로(2256)와, 상기 연료 전지 본체(211)의 애노드극(211a)으로부터 배출되는 애노드 오프 가스가 유통하는 제7 유로(2257)를 구비하고 있다. 제4 집적 배관(2234)은 연료 전지 본체(211)의 캐소드극(211b)에 공기를 공급하는 제8 유로(2258)와, 연료 전지 본체(211)의 캐소드극(211b)으로부터 배출되는 캐소드 오프 가스가 유통하는 제9 유로(2259)를 구비하고 있다. 제5 집적 배관(2235)은 연료 전지 본체(211)에 개질 가스와 공기가 유통하는 제10 유로(22510)와, 애노드극(211a)으로부터의 애노드 오프 가스가 유통하는 제11 유로(22511)를 구비하고 있다.
제6 집적 배관(2236)은 개질 장치(212)로부터 배출되는 개질 가스가 유통하는 제12 유로(22512)와, 개질부(212a) 및 애노드극(211a)에 공급하는 공기가 유통하는 제13 유로(22513)를 구비하고 있다. 제6 집적 배관(2236)은, 도 13에 나타내는 바와 같이, 차단 밸브(226a, 226b), 오리피스(227a, 227b, 227c), 버퍼 탱크(228) 및 유량계(229)를 구비하고 있다. 제12 유로(22512)는 도중에 분기하고, 한쪽의 분기관(230)에 공급된 개질 가스는 차단 밸브(226a), 오리피스(227a)를 거쳐 제1 집적 배관(2231)으로 배출되도록 되어 있다. 제2 집적 배관(2232)으로부터 선택 산화 블로어(220)에 의해 제6 집적 배관(2236)에 공급된 공기는, 버퍼 탱크(228), 오리피스(227b), 유량계(229), 차단 밸브(226b)를 거친 후에 개질 장치(212)의 개질부(212a)에 공급됨과 함께, 차단 밸브(226b)를 거친 후에 오리피스(227c)를 거쳐 제5 집적 배관(2235)에 공급된다.
제7 집적 배관(2237)은 개질 장치(212)에 냉각수를 공급하는 제14 유로(22514)를 구비하고 있다. 제8 집적 배관(2238)은 연료 전지 본체(211)의 냉각층(211c)에 냉각수를 공급하는 제15 유로(22515)를 구비하고 있다. 제9 집적 배관(2239)은 연료 전지 본체(211)의 냉각층(211c)과 개질 장치(212)의 개질부(212a)에 냉각수를 공급하는 제16 유로(22516)와, 상기 연료 전지 본체로부터 배출된 냉각수가 유통하는 제17 유로(22517)를 구비하고 있다.
상기 집적 배관, 예를 들면 제1 집적 배관(2231)은, 도 11(A), (B)에 나타내는 바와 같이, 상부에 차단 밸브(226a, 226b)가 장착되어 있다. 집적 배관, 예를 들면 제1 집적 배관(2231)은, 도 12(A), (B)에 나타내는 바와 같이, 사각형상의 블록 부분(227)의 내부에 유체의 유로가 구성되어 있다. 한편, 도 12(B) 중의 화살표 X는 차단 밸브(226a)로의 유체의 입출구가 된다.
도 12와 같은 집적 배관의 블록 부분은, 비금속계 재료를 사용하여 금형 성형으로 행하는 것이 제조 비용의 점에서 유효하다. 비금속계 재료로서는, 예를 들면 폴리프로필렌이나 폴리설파이드가 기능성, 성형성, 유통성 및 비용의 점에서 유효하다. 또한, 유로의 형성 수단으로서는, 예를 들면, 일반적인 성형 기술인 슬라이드 공법이나 덮개 구조를 채용함과 함께 진동 용착, 초음파 용착이 사용된다.
제3 실시형태에 의하면, 제1～제9 집적 배관(2231～2239)을 각 부재의 접속에 사용한 구성이므로, 배관을 위한 공간을 큰 폭으로 삭감할 수 있다. 구체적으로는, 종래의 배관(도 20)의 가로 방향의 길이 L1을 1이라고 했을 때, 집적 배관을 채용함으로써, 도 11의 집적 배관(2231)의 길이 L2를 0.6의 길이까지 삭감할 수 있다. 또한, 부품점수도 종래 3개의 배관이 필요했던 것이, 제3 실시형태에서는 1개의 배관으로 구성할 수 있다. 한편, 도 11에서는 집적 배관을 간략화하여 나타내고 있지만, 실제의 연료 전지 발전 시스템에서는 보다 복잡한 구성으로 되어 있다. 예를 들면, 상술한 도 13의 제6 집적 배관(2236)과 같이, 집적 배관에 부가되는 기능이 많을수록, 집적 배관의 효과는 높다. 이와 같이, 제3 실시형태에 의하면, 배관을 위한 공간을 큰 폭으로 삭감할 수 있으므로, 저비용화가 가능해진다. 또한, 종래와 같이, 배관을 기기와 접합하기 위한 이음새의 용접, 배관끼리의 용접, 및 배관의 굽힘 가공 등의 작업을 생략할 수 있으므로, 작업성을 향상할 수 있다.
(제4 실시형태)
제4 실시형태에 관한 연료 전지 발전 시스템에 대해서, 도 14를 참조하여 설명한다. 단, 도 10～도 13과 같은 부재는 같은 부호를 붙여서 설명을 생략한다.
제4 실시형태에 관한 연료 전지 발전 시스템은, 도 10의 연료 전지 발전 시스템에 대하여, 제6 집적 배관과 제7 집적 배관을 사용하는 대신에, 제6 집적 배관과 제7 집적 배관의 기능을 겸비한 제10 집적 배관(241)이 구비하는 것을 특징으로 한다. 즉, 제10 집적 배관(241)은, 개질 장치(212)의 개질부(212a)로부터 배출되는 개질 가스가 유통하는 제1 유로(2411)와, 개질부(212a) 및 애노드극(211a)에 공급하는 공기가 유통하는 제2 유로(2412)와, 개질부(212a)에 냉각수를 공급하는 제3 유로(2413)를 구비하고 있다.
제4 실시형태에 의하면, 제3 실시형태에 비해, 집적 배관을 1개 더 삭감할 수 있으므로, 배관을 위한 공간을 한층 더 삭감할 수 있다.
(제5 실시형태)
제5 실시형태에 관한 연료 전지 발전 시스템에 대해서, 도 15를 참조하여 설명한다. 단, 도 10～도 14와 같은 부재는 같은 부호를 붙여서 설명을 생략한다.
제5 실시형태에 관한 연료 전지 발전 시스템은, 도 14의 연료 전지 발전 시스템에 대하여, 제8 집적 배관을 사용하는 대신에, 제8 집적 배관의 기능을 상기 제4 집적 배관(2234)과 상기 제5 집적 배관(2235)을 구비하는 것을 특징으로 한다. 즉, 제4 집적 배관(2234)은, 연료 전지 본체(211)의 캐소드극(211b)에 공기를 공급하는 제8 유로(2258)와, 연료 전지 본체(211)의 캐소드극(211b)으로부터 배출되는 캐소드 오프 가스가 유통하는 제9 유로(2259) 외에, 연료 전지 본체(211)의 냉각층(211c)에 공급하는 냉각수가 유통하는 유로(242)를 구비하고 있다. 제5 집적 배관(2235)은, 연료 전지 본체(211)에 개질 가스와 공기가 유통하는 제10 유로(22510)와, 애노드극(211a)으로부터의 애노드 오프 가스가 유통하는 제11 유로(22511) 외에, 냉각수가 유통하는 유로(243)를 구비하고 있다.
제5 실시형태에 의하면, 제4 실시형태에 비해, 집적 배관을 1개 더 삭감할 수 있으므로, 배관을 위한 공간을 한층 더 삭감할 수 있다.
(제6 실시형태)
제6 실시형태에 관한 연료 전지 발전 시스템에 대해서, 도 16을 참조하여 설명한다. 단, 도 10～도 15와 같은 부재는 같은 부호를 붙여서 설명을 생략한다.
제6 실시형태에 관한 연료 전지 발전 시스템은, 도 15의 연료 전지 발전 시스템에 대하여, 제1 집적 배관과 제3 집적 배관을 사용하는 대신에, 제1 집적 배관과 제3 집적 배관의 기능을 겸비한 제11 집적 배관(244)을 구비하는 것을 특징으로 한다.
즉, 제11 집적 배관(244)은, 개질 장치(212)의 개질부(212a) 및 버너부(212b)에 공급하는 원연료를 공급하는 제1 유로(2251)와, 개질 장치(212)로부터 배출되는 개질 가스가 유통하는 제2 유로(2252)와, 버너부(212b)에 원연료와 공기를 공급하는 제6 유로(2256)와, 연료 전지 본체(211)의 애노드극(211a)으로부터 배출되는 애노드 오프 가스가 유통하는 제7 유로(2257)를 구비하고 있다.
제6 실시형태에 의하면, 제5 실시형태에 비해, 집적 배관을 1개 더 삭감할 수 있으므로, 배관을 위한 공간을 한층 더 삭감할 수 있다.
(제7 실시형태)
제7 실시형태에 관한 연료 전지 발전 시스템에 대해서, 도 17을 참조하여 설명한다. 단, 도 10～도 16과 같은 부재는 같은 부호를 붙여서 설명을 생략한다.
제7 실시형태에 관한 연료 전지 발전 시스템은, 도 16의 연료 전지 발전 시스템에 대하여, 제4 집적 배관과 제5 집적 배관을 사용하는 대신에, 제4 집적 배관(2234)과 상기 제5 집적 배관(2235)의 기능을 구비한 제12 집적 배관(245)을 구비하는 것을 특징으로 한다. 또한, 제12 집적 배관(245)은, 도 10의 연료 전지 발전 시스템에 대하여, 제4, 제5, 제8 집적 배관의 기능을 갖고 있다.
즉, 제12 집적 배관(245)은, 연료 전지 본체(211)의 캐소드극(211b)에 공기를 공급하는 제8 유로(2258)와, 연료 전지 본체(211)의 캐소드극(211b)으로부터 배출되는 캐소드 오프 가스가 유통하는 제9 유로(2259)와, 연료 전지 본체(211)에 개질 가스와 공기가 유통하는 제10 유로(22510)와, 애노드극(211a)으로부터의 애노드 오프 가스가 유통하는 제11 유로(22511)와, 연료 전지 본체(211)의 냉각층(211c)에 냉각수를 공급하는 제15 유로(22515)를 구비하고 있다.
제7 실시형태에 의하면, 제6 실시형태에 비해, 집적 배관을 1개 더 삭감할 수 있으므로, 배관을 위한 공간을 한층 더 삭감할 수 있다.
(제8 실시형태)
제8 실시형태에 관한 연료 전지 발전 시스템에 대해서, 도 18을 참조하여 설명한다. 단, 도 10～도 17과 같은 부재는 같은 부호를 붙여서 설명을 생략한다.
제8 실시형태에 관한 연료 전지 발전 시스템은, 도 16의 연료 전지 발전 시스템에 대하여, 제2 집적 배관과 제11 집적 배관을 사용하는 대신에, 제2 집적 배관과 제11 집적 배관의 기능을 겸비한 제13 집적 배관(246)을 구비하는 것을 특징으로 한다. 또한, 제13 집적 배관(245)은, 도 10의 연료 전지 발전 시스템에 대하여, 제1, 제2, 제3 집적 배관의 기능을 갖고 있다.
즉, 제13 집적 배관(246)은, 개질 장치(212)의 개질부(212a) 및 버너부(212b)에 공급하는 원연료를 공급하는 제1 유로(2251)와, 개질 장치(212)로부터 배출되는 개질 가스가 유통하는 제2 유로(2252)와, 연료 전지 본체(211)의 캐소드극(211b)에 공기를 공급하는 제3 유로(2253)와, 개질 장치(212)에 공기를 공급하는 제4 유로(2254)와, 개질 장치(212)의 버너(212b)에 원연료와 공기를 공급하는 제5 유로(2255)와, 버너부(212b)에 원연료와 공기를 공급하는 제6 유로(2256)와, 연료 전지 본체(211)의 애노드극(211a)으로부터 배출되는 애노드 오프 가스가 유통하는 제7 유로(2257)를 구비하고 있다.
제8 실시형태에 의하면, 제7 실시형태에 비해, 집적 배관을 1개 더 삭감할 수 있으므로, 배관을 위한 공간을 한층 더 삭감할 수 있다.
[0121]
(제9 실시형태)
제9 실시형태에 관한 연료 전지 발전 시스템에 대해서, 도 19를 참조하여 설명한다. 단, 도 10과 같은 부재는 같은 부호를 붙여서 설명을 생략한다. 본 연료 전지 발전 시스템은, 개질 장치를 사용하지 않고 예를 들면 순수소를 원연료로서 사용하는 타입이다.
제9 실시형태에 관한 연료 전지 발전 시스템은, 제14～제16 집적 배관(251, 252, 253)을 구비하고 있다. 제14 집적 배관(251)은, 연료 전지 본체(211)에 원연료를 공급하는 제18 유로(22518)를 구비하고 있다. 제18 유로(22518)에는, 원연료의 압력을 감시하는 센서(254)와, 원연료의 공급을 차단하는 밸브(255a, 255b)가 개장(介裝)되어 있다.
제15 집적 배관(252)은, 연료 전지 본체(211)의 캐소드극(211b)에 공기를 공급하는 제19 유로(22519)와, 캐소드극(211b)으로부터 배출되는 공기가 유통하는 제20 유로(22520)와, 캐소드극(211b)을 바이패스하는 공기가 유통하는 제21 유로(바이패스 유로)(22521)를 구비하고 있다. 캐소드 전극(211b)의 전후의 제19 유로(22519), 제20 유로(22520)에는, 각각 연료 전지 본체(211)의 기동 시에 공기의 흐름을 차단하는 밸브(255c, 255d)가 개장되어 있다. 제19 유로(22519)에는, 공기 블로어(256)로부터 공기가 공급된다. 제21 유로(22521)에는, 발전 시에 공기의 흐름을 차단하는 밸브(255e)와, 기동 시에 캐소드극(211b)을 바이패스한 공기를 가열하기 위한 히터(257)가 개장되어 있다. 제16 집적 배관(253)은, 연료 전지 본체(211)에 유통하는 냉각수의 제22 유로(22522)를 구비하고 있는 것 외에, 냉각수 펌프(216)에 공급하는 냉각수, 냉각수 펌프(216)로부터 배출되는 냉각수, 및 냉각수 펌프(216)의 마중물이 유통하는 유로를 구비하고 있다.
상기 제15·제16 집적 배관(252, 253) 사이에는, 촉매 연소기(258), 열교환기(259, 260), 냉각수 탱크(215)가 배치되어 있다. 촉매 연소기(258)는, 애노드극(211a)으로부터 배출되는 미반응 가스와, 캐소드 전극(211b)으로부터 배출되는 미반응 가스의 연소 처리를 행한다. 촉매 연소기(258)로부터의 배기는 열교환기(259, 260)에서 열교환이 행해지고, 그 열은 저탕조(214)에 축적되고, 급탕, 난방 등에 이용된다. 열교환기(260)로부터 배출되는 가스는, 연료 패키지(224)의 외부로 배출됨과 함께, 응축한 물은 냉각수 탱크(215)에 축적된다. 냉각수 펌프(216)의 입구에는, 냉각수 펌프(216)의 기동 시에 냉각수 탱크(215)로부터 마중물을 도입하는 유로가 형성되어 있다.
제9 실시형태에 의하면, 제14～제16 집적 배관(251, 252, 253)을 채용함으로써, 배관을 위한 공간을 큰 폭으로 삭감할 수 있다.
이상에서 설명한 제3～제9 실시형태에 의하면, 배관을 위한 공간을 큰 폭으로 삭감할 수 있다.
한편, 상기 제3～제9 실시형태에 개시되어 있는 복수의 구성 요소의 적절한 조합에 의해 각종의 발명을 형성할 수 있다. 예를 들면, 제3 실시형태에서 설명한 바와 같이, 집적 배관을 채용하는 것의 효과는 집적 배관에 부가되는 기능이 많을수록 유효하게 된다. 따라서, 제8 실시형태에서 나타낸 4개의 집적 배관을 채용하는 것이 이상적이지만, 기기의 형상이나 메인터넌스성 등을 고려하여 집적 배관의 수는 선택된다. 또한, 하나의 집적 배관에 유통되는 유체의 종류는, 상기 실시형태에서 나타낸 것뿐만 아니라, 다양한 조합에 대하여 행하는 것이 가능하다. 예를 들면, 배열 회수 계통 등에 대해서도 집적 배관화가 가능한 것은 말할 필요도 없다.
이상 상세히 설명한 바와 같이, 상술의 각 실시형태에 의하면, 제조성을 높여서 컴팩트화를 실현할 수 있다.
본 발명의 몇 개의 실시형태를 설명했지만, 이들의 실시형태는, 예로서 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이들 실시형태는, 그 외의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하며, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 각종의 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이들 실시형태나 그 변형은, 발명의 범위나 요지에 포함됨과 함께, 특허청구범위에 기재된 발명과 그 균등의 범위에 포함된다.

Claims (19)

  1. 연료와 산화제를 사용하여 전기 화학 반응에 의한 발전을 행하는 연료 전지(102)와,
    연료, 공기 또는 물이 흐르는 복수의 유로를 내부에 구비하고, 상기 유로를 규정하는 내벽이 수지로 형성된 수지 모듈(50 또는 140)
    을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수지 모듈(140)은, 상기 유로의 입구 및 출구에 설치된 입구 접속부(148, 153) 및 출구 접속부(152, 155, 156)를 구비하고 있으며, 상기 입구 접속부(148, 153) 및 상기 출구 접속부(152, 155, 156)는, 퀵 패스너 구조인 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 수지 모듈(140)의 내부는, 상기 유로보다도 단면적이 크고, 상기 유로에 연결된 버퍼부(151)를 더 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수지 모듈(140)은, O링(143, 144)을 통하여 기기를 설치하는 구조인 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수지 모듈(140)은, 진동 용착 시에 발생한 마모분을 봉입하는 마모분 봉지부(162, 163)를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수지 모듈(140)의 수지 재료는, 폴리페닐렌설파이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
  7. 연료와 산화제를 사용하여 전기 화학 반응에 의한 발전을 행하는 연료 전지(102)와,
    연료, 공기 또는 물이 흐르는 유로를 내부에 구비하고, 상기 유로를 규정하는 내벽이 수지로 형성된 수지 모듈(140)
    을 구비하여 이루어지는 연료 전지 발전 시스템의 제조 방법에 있어서,
    상기 수지 모듈(140)과 용착 부재를 진동 용착에 의해 용착시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템의 제조 방법.
  8. 상기 수지 모듈(50)은, 복수의 유로를 수지로 일체로 성형한 것이며,
    상기 수지 모듈(50)에 씰(seal) 부재(11, 12)를 통하여 설치되는 기기를 더 구비하고,
    상기 수지 모듈(50) 및 상기 기기(10)의 한쪽에 관통 홀(13), 다른 쪽에 상기 관통 홀(13)보다 직경이 작은 소경(小經) 홀(56)이 마련되며, 상기 관통 홀(13)과 상기 소경 홀(56)에 고정 나사(40)가 나사결합 고정되고,
    상기 고정 나사(40)로서, 인서트 부재가 불필요한 태핑 나사가 사용되고, 당해 나사의 개개의 나사산의 각도가 20°～35°의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 수지 모듈(50)은,
    상기 씰 부재(11, 12)가 배치되는 장소에 위치하는 제1 볼록 구조부(60)와,
    상기 고정 나사(40)가 나사결합 고정되는 복수의 장소에 위치하는 제2 복수의 볼록 구조부(55)와,
    상기 제1 볼록 구조부(60) 및 상기 제2 복수의 볼록 구조부(55) 중 적어도 2개를 연결하는 리브
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 수지 모듈(50)과 상대하는 위치에 있어서의 상기 기기(10)의 재료는, 상기 수지 모듈(50)의 재료와 같은 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
  11. 제8항 내지 제10중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수지 모듈(50)과 상기 기기(10)의 설치면에, 복수의 씰 부재(11, 12)가 배치되고, 이들 씰 부재(11, 12)로 구분된 각 영역에 각각 유체의 도통구가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
  12. 제1항에 기재된 연료 전지 발전 시스템의 제조 방법에 있어서,
    복수의 유로를 수지로 일체로 성형하여 상기 수지 모듈(50)을 형성하고,
    상기 수지 모듈(50)에 기기(10)를 씰 부재(11, 12)를 통하여 설치하고,
    상기 수지 모듈(50) 및 상기 기기(10)의 한쪽에 관통 홀(13), 다른 쪽에 상기 관통 홀(13)보다 직경이 작은 소경 홀(56)을 마련하고, 상기 관통 홀(13)과 상기 소경 홀(56)에 고정 나사(40)를 나사결합 고정하고,
    상기 고정 나사(40)로서, 인서트 부재가 불필요한 태핑 나사를 사용하고, 당해 나사의 개개의 나사산의 각도가 20°～35°의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템의 제조 방법.
  13. 수소가 풍부한 가스와 산소를 반응시켜서 직류 전력을 만드는 연료 전지 본체(211)와, 상기 수소가 풍부한 가스를 생성하는, 버너를 구비한 개질 장치(212)를 구비하는 연료 전지 발전 시스템에 있어서,
    상기 개질 장치(212)에 원연료를 공급하는 제1 유로와, 상기 개질 장치(212)로부터 배출되는 개질 가스가 유통하는 제2 유로를 구비하는 제1 집적 배관(2231)과,
    상기 연료 전지 본체(211)에 공기를 공급하는 제3 유로와, 상기 개질 장치(212)에 공기를 공급하는 제4 유로와, 상기 개질 장치(212)의 버너에 공기를 공급하는 제5 유로를 구비한 제2 집적 배관(2232)과,
    상기 버너에 원연료와 공기를 공급하는 제6 유로와, 상기 연료 전지 본체(211)로부터 배출되는 애노드 오프 가스가 유통하는 제7 유로를 구비한 제3 집적 배관(2233)과,
    상기 연료 전지 본체(211)에 공기를 공급하는 제8 유로와, 상기 연료 전지 본체(211)로부터 배출되는 캐소드 오프 가스가 유통하는 제9 유로를 구비한 제4 집적 배관(2234)과,
    상기 연료 전지 본체(211)에 개질 가스와 공기를 공급하는 제10 유로와, 상기 애노드 오프 가스가 유통하는 제11 유로를 구비한 제5 집적 배관(2235)과,
    상기 개질 장치(212)로부터 배출되는 개질 가스가 유통하는 제12 유로와, 상기 연료 전지 본체(211)에 공기를 공급하는 제13 유로를 구비한 제6 집적 배관(2236)과,
    상기 개질 장치(212)에 냉각수를 공급하는 제14 유로를 구비한 제7 집적 배관(2237)과,
    상기 연료 전지 본체(211)에 냉각수를 공급하는 제15 유로를 구비한 제8 집적 배관(2238)과,
    상기 연료 전지 본체(211)와 상기 개질 장치(212)에 냉각수를 공급하는 제16 유로와, 상기 연료 전지 본체(211)로부터 배출된 냉각수가 유통하는 제17 유로를 구비한 제9 집적 배관(2239) 중, 모든 제1～제9 집적 배관, 또는 어느 하나의 집적 배관을 구비하고, 각 집적 배관은 비금속계 재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1～제5 집적 배관과, 상기 제8·제9 집적 배관과, 상기 제6 집적 배관과 상기 제7 집적 배관의 기능을 갖는 제10의 집적 배관(241) 중, 모든 상기 집적 배관, 또는 어느 하나의 집적 배관을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제1～제7, 제9 집적 배관 중, 모든 상기 집적 배관, 또는 어느 하나의 집적 배관을 구비하고, 상기 제8 집적 배관의 기능을 상기 제4 집적 배관과 상기 제5 집적 배관이 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 제2, 제4～제9 집적 배관과, 상기 제1·제3 집적 배관의 기능을 갖는 제11 집적 배관(244) 중, 모든 상기 집적 배관, 또는 어느 하나의 집적 배관을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 제1～제3, 제6, 제7, 제9 집적 배관과, 상기 제4, 제5, 제8 집적 배관의 기능을 갖는 제12 집적 배관(245) 중, 모든 상기 집적 배관, 또는 어느 하나의 집적 배관을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 제4～제9 집적 배관과, 상기 제1, 제2, 제3 집적 배관의 기능을 구비한 제13 집적 배관(246) 중, 모든 상기 집적 배관, 또는 어느 하나의 집적 배관을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
  19. 수소가 풍부한 가스와 산소를 반응시켜서 직류 전력을 만드는 연료 전지 본체(211)를 구비하는 연료 전지 발전 시스템에 있어서,
    상기 연료 전지 본체(211)에 원연료를 공급하는 제18 유로를 구비한 제14 집적 배관(251)과,
    상기 연료 전지 본체(211)에 공기를 공급하는 제19 유로와, 상기 연료 전지 본체(211)로부터 배출되는 공기가 유통하는 제20 유로와, 상기 연료 전지 본체(211)에 바이패스하는 공기가 유통하는 제21 유로를 구비한 제15 집적 배관(252)과,
    상기 연료 전지 본체(211)에 유통하는 냉각수의 제22 유로를 구비한 제16 집적 배관(253) 중, 모든 제14～16 집적 배관, 또는, 어느 하나의 집적 배관을 구비하고, 각 집적 배관은 비금속계 재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템.
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