KR20140130474A - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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KR20140130474A
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housing
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KR1020147025623A
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사토루 야마모토
야스시 미즈노
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제이엑스 닛코닛세키 에네루기 가부시키가이샤
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Abstract

연료 전지 모듈 내로부터 연료 전지 시스템 외로의 배기 가스의 누설을 억제한다.
SOFC 시스템을 구성하는 간이 기밀 하우징(4)은 연료 전지 모듈(1)과, 배기 가스 처리부(2)와, 열 교환기(3)를 수용하고 있다. SOFC 패키지(7)는 간이 기밀 하우징(4)을 수용하고, 간이 기밀 하우징(4)의 주위에 보조 엔질실(8)을 구획 형성한다. 간이 기밀 하우징(4)에는 흡기 구멍(41)이 형성되어 있다. 간이 기밀 하우징(4) 내에 배치된 블로어(17a)는 캐소드용 공기의 공급 통로(17)을 거쳐, 간이 기밀 하우징(4) 내의 공기를 흡인하여 연료 전지 모듈(1) 내의 연료 전지 셀의 공기극에 공급한다. 블로어(17a)가 간이 기밀 하우징(4) 내의 공기를 흡인함으로써, 간이 기밀 하우징(4)의 내부는 간이 기밀 하우징(4)의 주위(보조 기계실)보다 저압인 상태가 유지된다.

Description

연료 전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지 시스템은 에너지 이용 효율이 높은 발전 시스템으로서 개발이 활발해지고 있다. 그 중에서도 고체 산화물형 연료 전지 시스템(이하, 「SOFC 시스템」이라 한다)은 그 높은 발전 효율로 인하여 CO2 를 적게 배출하는 차세대 정치용 전원으로서 주목받고 있다.
이 시스템은 일반적으로 수소 함유 연료와 공기를 반응시켜 발전하는 연료 전지와, 이 연료 전지를 에워싸고, 그 내부에서 잉여의 수소 함유 연료를 연소시켜 연료 전지를 고온 상태로 유지하는 케이싱을 포함하여 구성된다. 이들이 시스템의 주요부이고, 이들을 통틀어 연료 전지 모듈이라 칭한다.
케이싱 내에서의 연소에 의하여, 고온의 배기 가스가 생성된다.
종래, 연료 전지 모듈에서는 그 케이싱을 관통하는 배관 또는 배선류와의 접속부(연결부)에 관한 처리로서 고온 내성과 기밀성을 가진 개스킷(예를 들면 팽창 흑연제의 개스킷)을 사용하여, 연료 전지 모듈 자체에서 기밀성을 확보해왔다. 이와 같이 하여 기밀성을 확보함으로써, 시스템 운전시의 케이싱의 내부로부터 외부로의 배기 가스의 누설이 억제될 수 있다.
또한, 케이싱 내에 부품류를 조립한 후에 케이싱의 최외측 뚜껑을 밀폐하는 공정에서는 전술한 팽창 흑연제의 개스킷을 사용하거나, 또는 이 뚜껑을 용접하여, 기밀성을 확보해왔다. 이와 같이 하여 기밀성을 확보함으로써, 시스템 운전시의 케이싱의 내부로부터 외부로의 배기 가스의 누설이 억제될 수 있다.
이 배기 가스 누설의 억제에 관한 기술로서는, 특허 문헌 1, 2에 기재된 것을 들 수 있다.
특허 문헌 1에는 흑연으로 만들어지고, 내열성을 가진 개스킷을 사용하여 뚜껑(금속판)의 밀폐를 행하는 것이 기재되어 있다.
특허 문헌 2에는 연료 전지 시스템이 배기 가스용의 흡인 장치를 구비하고, 이 흡인 장치가 케이싱 내의 배기 가스를 흡인하여 열 교환기로 안내하는 것이 기재되어 있다.
특허 문헌 1 : 일본 공개 특허 공보 2008-84590호 특허 문헌 2 : 일본 공개 특허 공보 2008-311005호
그러나, 전술한 바와 같은 용접 처리를 함으로써 연료 전지 모듈의 기밀성을 확보하는 경우에는, 연료 전지 모듈의 제조시에 용접한 부분마다 기밀 검사를 할 필요가 있다. 이 검사에서는 용접한 부분이 많아지면 검사할 부분도 많아지므로, 검사하는 데 수고가 들 우려가 있고, 그러므로 제조 비용의 상승을 초래할 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이 팽창 흑연제의 개스킷을 사용하여, 연료 전지 모듈의 기밀성을 확보하는 경우에는, 팽창 흑연제의 개스킷이 비교적 고가이기 때문에, 제조 비용이 상승하게 된다.
또한, 특허 문헌 2에 기재된 흡인 장치는 배기 가스 중에 포함되는 수증기를 대량으로 흡인할 우려가 있기 때문에, 이 수증기가 흡인 장치의 기계적 수명에 악영향을 미칠 수도 있다. 이 대책으로서 예를 들면 수증기를 줄이기 위한 새로운 장치를 설치하면, 제조 비용의 상승이나 연료 전지 시스템의 과도한 대형화를 초래하게 된다.
본 발명은 이와 같은 실상을 감안하여, 제조 비용의 상승과 연료 전지 시스템의 과도한 대형화를 억제하면서, 연료 전지 모듈 내로부터 시스템 외로의 배기 가스의 누설을 억제하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 연료 전지 시스템에서는, 수소 함유 연료와 공기를 반응시켜 발전하는 연료 전지 및 이 연료 전지를 에워싸고, 그 내부에서 연료 전지에서의 잉여의 수소 함유 연료를 연소시켜 연료 전지를 고온 상태로 유지하는 케이싱을 포함하는 연료 전지 모듈과, 이 연료 전지 모듈을 수용하는 제1 하우징과, 이 제1 하우징 내의 공기를 흡인하여 제1 하우징 내를 부압 상태로 유지하는 흡인 장치를 포함하여 구성된다.
본 발명에 의하면, 흡인 장치는 제1 하우징 내의 공기를 흡인하여 제1 하우징 내를 부압 상태로 유지한다. 이에 의하여, 제1 하우징의 내부는 제1 하우징의 주위보다 저압인 상태가 유지되므로, 연료 전지 모듈로부터 제1 하우징 내에 소량의 배기 가스가 누설되었을 경우에도, 이 소량의 배기 가스가 제1 하우징 외로 유출되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 연료 전지 모듈의 외면과 제1 하우징의 내면과의 사이에는 공기층이 형성되므로, 제1 하우징의 표면 온도는 연료 전지 모듈의 외면 온도보다 저온이 된다. 따라서, 제1 하우징을 관통하는 배관 또는 배선류의 연결 처리에 전술한 팽창 흑연제의 개스킷을 대신하는 것으로서, 이 개스킷보다 염가이고 내열성이 낮은 부재(예를 들면, 고무제의 그로밋)를 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 흡인 장치는 제1 하우징 내의 공기를 흡인한다. 이에 의하여, 흡인 장치는 주로 제1 하우징 내의 비교적 건조한 공기를 흡인하므로, 비교적 양호한 기계적 수명을 얻을 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면, 전술한 연결 처리에 비교적 염가의 부재를 사용할 수 있고, 또한 흡인 장치의 비교적 양호한 기계적 수명을 얻을 수 있으므로, 제조 비용을 억제하면서, 연료 전지 모듈 내로부터 시스템 외로의 배기 가스의 누설을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 흡인 장치는 주로 제1 하우징 내의 비교적 건조한 공기를 흡인하므로, 흡인 장치의 수명 대책으로서 전술한 바와 같은 수증기 저감용의 새로운 장치를 설치할 필요가 없다. 그러므로, 연료 전지 시스템의 과도한 대형화를 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 SOFC 시스템의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 연료 전지 모듈의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 제1 하우징 내의 부압 상태의 판정 방법을 나타내는 플로우차트이다.
도 4는 시스템의 운전 정지 제어의 플로우차트이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 SOFC 시스템의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시 형태에 있어서의 SOFC 시스템의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시 형태에 있어서의 SOFC 시스템의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제5 실시 형태에 있어서의 SOFC 시스템의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 제6 실시 형태에 있어서의 SOFC 시스템의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
이하에 본 발명의 실시의 형태를 도면에 기초하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 SOFC 시스템의 개략 구성을 나타낸다. 도 2는 연료 전지 모듈의 개략 구성을 나타낸다.
SOFC 시스템은 그 주요부(발전부)를 이루는 연료 전지 모듈(1)과, 배기 가스 처리부(2)와, 열 교환기(3)와, 간이 기밀 하우징(4)과, 파워 컨디셔너(이하,「PCS」라 한다)(5)와, 제어 유닛(6)과, SOFC 패키지(7)를 포함하여 구성된다. 배기 가스 처리부(2)에서는 연료 전지 모듈(1)로부터 배출되는 배기 가스가 정화된다. 열 교환기(3)에서는 배기 가스 처리부(2)에서 정화된 배기 가스의 열을 회수하여 온수를 얻는다. 간이 기밀 하우징(4)은 연료 전지 모듈(1), 배기 가스 처리부(2) 및 열 교환기(3)를 수용한다. 이 때, 간이 기밀 하우징(4)이 본 발명의 제1 하우징에 대응한다. PCS(5)에서는 연료 전지 모듈(1)의 발전 전력을 취출한다. SOFC 패키지(7)는 간이 기밀 하우징(4), PCS(5) 및 제어 유닛(6)을 수용한다. 이 때, SOFC 패키지(7)가 본 발명의 제2 하우징에 대응한다. 또한, SOFC 패키지(7)의 내면과 간이 기밀 하우징(4)의 외면에 의하여 구획 형성되는 실을 보조 기계실(補機室)(8)이라 칭한다. 따라서, 보조 기계실(8) 내에 PCS(5) 및 제어 유닛(6)이 배치되어 있다.
간이 기밀 하우징(4)은 박스 형태이며 금속으로 형성된다.
간이 기밀 하우징(4)에는 그 내부와 외부를 연통하는 2개의 연통 구멍(흡기 구멍(41) 및 배기 구멍(42))이 형성되어 있다. 이 때, 흡기 구멍(41)은 본 발명에 있어서의 간이 기밀 하우징(4)의 흡기부에 대응한다. 흡기 구멍(41)은 간이 기밀 하우징(4) 외의 공기를 간이 기밀 하우징(4) 내로 안내하는 기능을 가진다.
SOFC 패키지(7)는 박스 형태이다.
SOFC 패키지(7)에는 그 내부와 외부를 연통하는 2개의 연통 구멍(흡기 구멍(71) 및 배기 구멍(72))이 형성되어 있다.
흡입관(43)은 그 한쪽 단부가 간이 기밀 하우징(4)의 흡기 구멍(41)에 기밀ㆍ액밀하게 접속되어 있다. 흡입관(43)의 중간부는 SOFC 패키지(7)의 흡기 구멍(71)을 관통한다. 흡입관(43)의 다른 쪽 단부는 SOFC 패키지(7)의 외면으로부터 바깥쪽으로 돌출되어 있다. 바꾸어 말하면, 흡입관(43)은 SOFC 패키지(7)을 관통하여 간이 기밀 하우징(4)의 내부와 SOFC 패키지(7)의 외부를 연통하는 연통관이다. 또한, 흡입관(43)은 외기(外氣)를 간이 기밀 하우징(4) 내로 안내하는 기능을 가진다. 또한, 흡입관(43)은 그 한쪽 단부가 간이 기밀 하우징(4)의 흡기 구멍(41)에 접속되고, 다른 쪽 단부가 SOFC 패키지(7)의 흡기 구멍(71)에 접속되어 있어도 좋다. 이 때, 간이 기밀 하우징(4)에 있어서의 흡입관(43)과의 접속부(연결부)에는 밀봉 부재로서 예를 들면 고무제의 그로밋(G)이 사용된다.
간이 기밀 하우징(4)의 배기 구멍(42)과 SOFC 패키지(7)의 배기 구멍(72)을 관통하도록, 배기관(44)이 설치되어 있다.
배기관(44)은 그 한쪽 단부가 간이 기밀 하우징(4) 내의 열 교환기(3)의 배기구(31)에 접속되어 있다. 배기관(44)의 중간부는 간이 기밀 하우징(4)의 배기 구멍(42)을 기밀ㆍ액밀하게 관통하고, 또한 SOFC 패키지(7)의 배기 구멍(72)을 지나고 있다. 배기관(44)의 다른 쪽 단부는 SOFC 패키지(7)의 외면으로부터 바깥쪽으로 돌출되어 있다. 따라서, 열 교환기(3)는 그 내부(배기 가스 통로)가 배기관(44)을 거쳐, SOFC 패키지(7)의 외부에 연통하고 있다. 또한, 배기관(44)은 그 한쪽 단부가 간이 기밀 하우징(4) 내의 열 교환기(3)의 배기구(31)에 접속되고, 중간부가 간이 기밀 하우징(4)의 배기 구멍(42)을 관통하고, 다른 쪽 단부가 SOFC 패키지(7)의 배기 구멍(72)에 접속되어 있어도 좋다. 이 때, 간이 기밀 하우징(4)에 있어서의 배기관(44)의 관통부(연결부)에는 밀봉 부재로서 예를 들면 고무제의 그로밋(G)이 사용된다.
SOFC 패키지(7)에는 외기를 보조 기계실(8) 내로 안내하는 환기 팬(73)이 설치되어 있다. 또한, SOFC 패키지(7)에는 그 보조 기계실(8) 내의 공기를 배출하기 위한 환기 구멍(74)이 형성되어 있다. 환기 팬(73)을 작동시켜 외기를 SOFC 패키지(7) 내로 안내하면, 이 외기가 보조 기계실(8) 내의 PCS(5)나 보조 기계 등(예를 들면, 후술하는 펌프(15a, 16a) 등)을 냉각하고, 환기 구멍(74)으로부터 외부로 배출된다.
간이 기밀 하우징(4)에는 그 내부 압력과 외부 압력(즉, 보조 기계실(8)의 내부 압력)과의 차압(差壓) ΔP를 검출하는 압력차 검출부로서 차압 센서(4a)가 설치되어 있다. 차압 센서(4a)로부터의 압력차 검출 신호(차압 ΔP에 대응하는 신호)는 도시하지 않는 신호 선을 거쳐, 제어 유닛(6)에 전달된다. 또한, 본 실시 형태에서는 차압 ΔP는 보조 기계실(8)의 내부 압력과 간이 기밀 하우징(4)의 내부 압력과의 차를 의미한다(즉 ΔP=(보조 기계실(8)의 내부 압력)-(간이 기밀 하우징(4)의 내부 압력)). 또한, 본 실시 형태에서는 차압 ΔP를 검출하는 압력차 검출부로서 차압 센서(4a)를 사용하고 있으나, 압력차 검출부의 구성은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 간이 기밀 하우징(4)의 내부 압력을 검출하는 압력 센서와, 보조 기계실(8)의 내부 압력을 검출하는 압력 센서를 각각 설치하고, 이들 압력 센서의 압력 검출 값에 기초하여 차압 ΔP를 산출함으로써, 압력차 검출부로서의 기능을 실현하여도 된다.
간이 기밀 하우징(4) 내의 연료 전지 모듈(1)은, 도 2에 도시하는 바와 같이, 케이싱(10) 내에, 개질기(11)와 연료 전지 스택(12)(복수의 연료 전지 셀(13)의 조립체)과, 오프 가스 연소부(14)를 배치하여 구성된다. 즉, 케이싱(10)은 개질기(11)와 연료 전지 스택(12)과, 오프 가스 연소부(14)를 에워싸고 있다. 이 때, 연료 전지 스택(12) 및 연료 전지 셀(13)은 본 발명의 연료 전지에 대응하는 것이다.
케이싱(10)은 내열성 금속에 의하여 형성된 박스 형태의 외곽 틀 부재이다. 케이싱(10)은 내면에 단열재를 붙여서 구성되어 있는 것이 좋다. 또한, 케이싱(10)은 간이 기밀 하우징(4)으로의 열 전달을 억제할 수 있도록, 간이 기밀 하우징(4)의 내벽으로부터 이격되어 배치된다. 바꾸어 말하면, 케이싱(10)은 간이 기밀 하우징(4)과 연료 전지 모듈(1)의 사이에 공기층이 형성되도록 설치된다. 이 설치의 수법으로서는, 예를 들면 다리부를 개재하여 설치하는 수법, 또는 케이싱(10)과 비교하여 온도가 낮은 열 교환기(3)를 개재하여 설치하는 수법을 들 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, SOFC 패키지(7)의 외부로부터 케이싱(10)의 내부에, 원연료(탄화수소계 연료 등)의 공급 통로(15)가 설치되어 있다.
원연료의 공급 통로(15)는 SOFC 패키지(7), 간이 기밀 하우징(4) 및 케이싱(10)의 각각에 미리 형성된 관통공(도시하지 않음)을 통과하는 배관에 의하여 구성되어 있다. 이 배관과 간이 기밀 하우징(4)의 관통부(연결부)에는 밀봉 부재로서 예를 들면 고무제의 그로밋(G)이 사용된다. 또한, 이 배관과 케이싱(10)의 관통부(연결부)에는, 예를 들면 금속관 또는 세라믹관(도시하지 않음)이 사용된다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 보조 기계실(8) 내의 원연료의 공급 통로(15)에는 상류측으로부터 하류측을 향하여 순서대로, 탈황기(18)와, 적정 공급량 제어장치로서의 펌프(15a)가 설치되어 있다. 탈황기(18)에서는 원연료 중의 유황 화합물이 제거된다. 원연료의 공급 통로(15)에 있어서의 펌프(15a)와 간이 기밀 하우징(4)의 사이에는 개질용 공기의 공급 통로(도시하지 않음)가 접속되어 있다. 이 개질용 공기의 공급 통로에는 적정 공급량 제어장치로서의 블로어(도시하지 않음)가 설치되어 있다.
도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 보조 기계실(8) 내의 후술하는 물탱크(34)로부터 케이싱(10) 내에 수증기 개질용의 물(개질수)의 공급 통로(16)가 설치되어 있다. 보조 기계실(8) 내에 있어서의 개질수의 공급 통로(16)에는 적정 공급량 제어장치로서의 펌프(16a)가 설치되어 있다.
개질수의 공급 통로(16)는 간이 기밀 하우징(4) 및 케이싱(10)의 각각에 미리 형성된 관통공(도시하지 않음)을 통과하는 배관에 의하여 구성되어 있다. 이 배관과 간이 기밀 하우징(4)과의 관통부(연결부)에는 밀봉 부재로서, 예를 들면 고무제의 그로밋(G)이 사용된다. 또한, 이 배관과 케이싱(10)과의 관통부(연결부)에는, 예를 들면 금속관 또는 세라믹관(도시하지 않음)이 사용된다.
간이 기밀 하우징(4) 내에는 케이싱(10)의 외부로부터 내부로 캐소드용 공기의 공급 통로(17)가 형성되어 있다. 이 때, 캐소드용 공기의 공급 통로(17)는 그 한쪽 단부(흡입구(17c))가 간이 기밀 하우징(4) 내에 위치한다. 또한, 캐소드용 공기의 공급 통로(17)의 다른 쪽 단부는 연료 전지 셀(13)의 공기극(캐소드)에 임하고 있다. 캐소드용 공기의 공급 통로(17)에는 적정 공급량 제어장치로서 공기 공급 장치인 블로어(17a)가 설치되어 있다. 또한, 캐소드용 공기의 공급 통로(17)에 있어서의 블로어(17a)의 상류측에는 공기 중의 이물을 제거하는 필터(17b)가 설치되어 있다.
캐소드용 공기의 공급 통로(17)는 케이싱(10)에 미리 형성된 관통공(도시하지 않음)을 통과하는 배관에 의하여 구성되어 있다. 이 배관과 케이싱(10)과의 관통부(연결부)에는 예를 들면 금속관 또는 세라믹관(도시하지 않음)이 사용된다.
도 2에 나타내는 개질기(11)는 내열성 금속에 의하여 형성된 케이스 내의 챔버에 개질 촉매를 충전하여 구성되어 있다. 개질기(11)에는 원연료 및 개질수의 공급 통로(15, 16)가 접속되어 있다. 따라서, 개질기(11)는 물을 기화시켜 얻은 수증기의 존재하에서, 원연료를 수증기 개질 반응에 의하여 개질하고, 수소 리치한 연료 가스(개질 가스)를 생성한다. 이 때, 이 개질 가스는 본 발명의 수소 함유 연료에 대응하는 것이다. 또한, 수증기 개질 반응의 대안으로, 부분 산화 반응 또는 자기열 개질 반응 등, 또한 이들 개질 반응의 조합 등, 수소 발생 수법으로서 공지의 수법에 따라 개질 가스를 생성하여도 좋다.
연료 전지 스택(12)은 복수의 고체 산화물형 연료 전지 셀(13)을 직렬 연결로 하여 이루어지는 조립체이다. 각 셀(13)은 고체 산화물 전해질의 양면에 연료극(애노드)와 공기극(캐소드)를 적층하여 구성된다. 연료극에는 개질기(11) 출구로부터의 개질 가스의 공급 통로(19)에 의하여 개질 가스가 공급된다. 공기극에는 캐소드용 공기의 공급 통로(17)에 의하여 공기가 공급된다.
따라서, 각각의 연료 전지 셀(13)에 대하여 공기극에서 아래 (1) 식의 전극 반응이 일어나고, 연료극에서 아래 (2) 식의 전극 반응이 일어나서 발전이 이루어진다.
공기극: 1/2O2+2e- → O2 - (고체 전해질) … (1)
연료극: O2 - (고체 전해질)+H2 → H2O+2e- … (2)
연료 전지 셀(13)에는 그 온도 T를 검출하는 온도 센서(도시하지 않음)가 설치되어 있다. 이 온도 센서로부터의 온도 검출 신호(셀 온도 T에 대응하는 신호)는 도시하지 않는 신호 선을 거쳐, 제어 유닛(6)에 전달된다.
오프 가스 연소부(14)는 케이싱(10) 내에 설치되어 있다. 오프 가스 연소부(14)에서는 연료 전지 스택(12)에서의 잉여의 개질 가스(애노드 오프 가스)를 잉여의 공기의 존재 하에서 연소시킨다. 케이싱(10)은 오프 가스 연소부(14)에서 발생하는 연소열에 의하여, 개질기(11) 및 연료 전지 스택(12)을 고온 상태로 유지한다. 따라서, 케이싱(10) 내부는 연료 전지 스택(12)에서의 발전 및 잉여 개질 가스의 연소에 기인하여, 예컨대 발전 운전 중에 600 내지 1000℃ 정도의 고온이 된다.
케이싱(10)에는 그 내부에서의 연소에 의하여 생성된 고온의 배기 가스를 정화하는 배기 가스 처리부(2)가 접속되어 있다.
배기 가스 처리부(2)는 예를 들면, 금속제의 케이스 내의 챔버에 연소 촉매를 충전하여 구성된다. 배기 가스 처리부(2)에서는 배기 가스 중에 포함되는 일산화탄소나 수소 등의 성분이 연소 촉매에 의하여 정화 처리된다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 배기 가스 처리부(2)에는 배기 가스 처리부(2)로 처리된 후의 배기 가스와 물로 열교환을 실시하는 열 교환기(3)가 접속되어 있다.
열 교환기(3)에서는 연료 전지 모듈(1)의 폐열(연료 전지 스택(12)에서 발생하는 열을 포함하는 배기 가스의 열)을 회수하여 온수를 얻는다.
열 교환기(3)는 도시하지 않은 급탕 유닛(SOFC 패키지(7)와는 별개의 패키지)인 저탕조(貯湯槽)와 열 매체 순환 통로(20)에 의하여 접속되어 있다. 보조 기계실(8) 내의 열 매체 순환 통로(20)에는 적정 공급량 제어장치로서의 펌프(20a)가 설치되어 있다.
열 매체 순환 통로(20)는 간이 기밀 하우징(4)에 미리 형성된 관통공(도시하지 않음)을 지나는 배관에 의하여 구성되어 있다. 이 배관과 간이 기밀 하우징(4)의 관통부(연결부)에는 밀봉 부재로서 예를 들면 고무제의 그로밋(G)이 사용된다.
열 교환기(3) 내의 배기 가스 통로에서는 열 매체 순환 통로(20)와의 열교환에 의하여 배기 가스 중의 수분이 응축한다. 이 때문에, 열 교환기(3) 내의 배기 가스 통로로부터 간이 기밀 하우징(4)의 외부(보조 기계실(8)의 내부)에, 응축수의 회수 통로(32)가 형성되어 있다.
응축수의 회수 통로(32)는 간이 기밀 하우징(4)에 미리 형성된 관통공(도시하지 않음)을 지나는 배관에 의하여 구성되어 있다. 이 배관과 간이 기밀 하우징(4)과의 관통부(연결부)에는 밀봉 부재로서 예를 들면 고무제의 그로밋(G)이 사용된다.
보조 기계실(8) 내의 응축수의 회수 통로(32)에는 회수 물 처리부(33)가 설치되어 있다. 회수 물 처리부(33)는, 예를 들면 이온 교환 수지를 포함하여 구성된다. 또한, 보조 기계실(8) 내의 응축수의 회수 통로(32)의 하류단은 물탱크(34)에 접속되어 있다.
열 교환기(3)에서의 열 교환에 의하여 생성된 응축수는 응축수의 회수 통로(32)를 지나서, 회수 물 처리부(33)에서 처리되어, 물탱크(34)에 저류된다.
물탱크(34)에 저류된 물은 전술한 펌프(16a)에 의하여 흡인되어, 개질수의 공급 통로(16)를 지나서, 개질기(11)에 공급된다.
PCS(5)는 연료 전지 모듈(1)의 연료 전지 스택(12)에서 발생한 직류 전력을 취출하는 것이다. 또한, PCS(5)는 인버터를 구비하여 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고, 도시하지 않은 가정내 부하(전기 기기)에 공급한다. 또한, 연료 전지 스택(12)의 발전 전력이 가정내 부하의 수요 전력에 못 미치는 경우에는, 부족분으로서, 도시하지 않는 계통 전원으로부터의 계통 전력이 가정내 부하에 공급된다.
제어 유닛(6)은 연료 전지 스택(12)의 발전 전력이나, 열교환에 사용하는 열 매체를 순환시키기 위한 펌프(20a)의 운전 등을 제어하는 것이다. 제어 유닛(6)은 마이크로컴퓨터에 의하여 구성된다. 이 마이크로컴퓨터는 CPU, ROM, RAM 및 입출력 인터페이스 등을 구비하고 있다.
제어 유닛(6)에 의한 발전 전력의 제어는 펌프(15a, 16a) 등을 거쳐 개질기(11)에의 원연료, 개질수, 개질용 공기의 공급량을 제어하고, 연료 전지 스택(12)으로의 개질 가스(애노드 가스)의 공급량을 제어함으로써, 또한, 블로어(17a)를 거쳐 연료 전지 스택(12)으로의 공기(캐소드 가스)의 공급량을 제어함으로써 행하여진다.
따라서, 제어 유닛(6)은 가정 내 부하의 수요 전력에 따라서, 정격 최대 발전 전력의 범위 내에서, 연료 전지 스택(12)의 발전 전력 목표 값을 설정하고, 이것에 따라서(발전 전력 목표 값을 얻도록), 연료, 물 및 공기의 공급량을 제어함으로써, 연료 전지 스택(12)의 발전 전력을 제어한다.
제어 유닛(6)은 또한 PCS(5)를 제어한다. 구체적으로는, 연료 전지 스택(12)의 발전 전력 목표 값에 기초하여, 연료 전지 스택(12)으로부터 취출하는 전류를 설정ㆍ제어한다. 더 상세하게는, 연료 전지 스택(12)의 발전 전력 목표 값을 연료 전지 스택(12)의 출력 전압(순간 값)으로 나누어, 전류 목표 값을 설정하고, 이 전류 목표 값에 따라서, 연료 전지 스택(12)으로부터 취출하는 전류를 제어한다.
블로어(17a)의 운전시에는, 블로어(17a)가 캐소드용 공기의 공급 통로(17)를 통하여, 간이 기밀 하우징(4) 내의 공기를 흡인하여 연료 전지 모듈(1) 내의 연료 전지 스택(12)(연료 전지 셀(13)의 공기극)에 공급한다. 이에 의하여, 간이 기밀 하우징(4)의 내부는 간이 기밀 하우징(4)의 주위(보조 기계실(8))보다 저압 상태가 유지된다. 즉, 블로어(17a)는 본 발명의 흡인 장치로서 기능하고, 간이 기밀 하우징(4)의 내부를 부압 상태에 유지하는 것이 가능하다. 따라서, 연료 전지 모듈(1)로부터 간이 기밀 하우징(4) 내에 소량의 배기 가스가 누설되었을 경우에도, 이 소량의 배기 가스가 흡기 구멍(41)을 통하여, 또한, 그로밋(G)과 배관부와의 사이의 틈을 통하여, 간이 기밀 하우징(4) 외(보조 기계실(8))로 유출되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 간이 기밀 하우징(4) 내에 누설된 소량의 배기 가스는 블로어(17a)에 의하여 공기와 함께 흡인되어, 연료 전지 모듈(1) 내로 안내되고, 또한 배기 가스 처리부(2)에서, 배기 가스 중의 일산화탄소나 수소 등의 성분이 정화 처리된다. 따라서, 간이 기밀 하우징(4) 내에 누설된 소량의 배기 가스 중의 일산화탄소나 수소 등의 성분이 배기관(44)으로부터 SOFC 패키지(7) 외로 배출되는 것을 억제할 수 있다.
본 실시 형태에서는 이 SOFC 패키지(7) 외로의 배기 가스 성분의 배출을 더욱 확실하게 억제하기 위하여, 간이 기밀 하우징(4) 내의 부압 상태를 감시하고, 그 부압 상태에 따라서 시스템의 운전을 제어한다. 이 때, 제어 유닛(6)은 본 발명의 제어부로서 기능하여, 차압 센서(4a)에서 검출된 차압 ΔP에 기초하여 SOFC 시스템의 운전을 제어한다.
도 3은 제어 유닛(6)에서 실행되는 간이 기밀 하우징(4) 내의 부압 상태의 판정 플로우이다.
도 3에 나타내는 부압 상태 판정 플로우는 시스템 운전시에 소정 시간마다 실행된다.
스텝 S1에서는 전술한 차압 센서(4a)에 의하여 검출된 차압 ΔP와 제1 소정 차압 P1를 비교한다. 이 때, 제1 소정 차압 P1이란, 간이 기밀 하우징(4) 내의 부압 상태가 정상적인지 아닌지를 판정하기 위한 역치이며, 미리 설정되어 있다.
ΔP＞P1의 경우에는 간이 기밀 하우징(4) 내의 부압 상태가 정상적으로 유지되고 있다고 판정하여 스텝 S2로 진행되어, 시스템의 통상 운전을 계속한다. 구체적으로는, 전술한 바와 같이, 가정내 부하의 수요 전력에 따라서, 연료 전지 스택(12)의 발전 전력의 제어와 PCS(5)의 제어를 행한다.
한편, ΔP≤P1인 경우에는 간이 기밀 하우징(4) 내의 부압 상태가 이상이라고 판정하여 스텝 S3으로 진행된다.
스텝 S3에서는 전술한 차압 센서(4a)에 의하여 검출된 차압 ΔP와 제2 소정 차압 P2를 비교한다. 이 때, 제2 소정 차압 P2란, 간이 기밀 하우징(4) 내의 부압 상태의 이상이 경미한 것인지 아닌지를 판정하기 위한 역치이며, 미리 설정되어 있다. 또한, 제1 소정 차압 P1와 제2 소정 차압 P2에 대하여는, 0＜P2＜P1의 관계를 만족하도록 미리 설정되어 있다.
ΔP＞P2의 경우에는 간이 기밀 하우징(4) 내의 부압 상태에 이상이 있지만 경미하다고 판정하여 스텝 S4로 진행되어, 시스템의 운전 출력을 저하시킨다. 구체적으로는, 전술한 연료 전지 스택(12)의 발전 전력 목표 값을 소정량 저하, 또는 그 최대값을 제한시키고, 연료 전지 스택(12)의 발전 전력의 제어와 PCS(5)의 제어를 실시한다.
한편, ΔP≤P2인 경우에는 간이 기밀 하우징(4) 내의 부압 상태의 이상이 경미한 것은 아니라고 판정하여 스텝 S5로 진행된다.
또한, 스텝 S4에서 시스템의 운전 출력을 저하하고나서 ΔP＞P2 상태가 일정 시간 이상 계속되는 경우에는 간이 기밀 하우징(4) 내의 부압 상태의 이상이 경미한 것은 아니라고 판정하여 스텝 S5로 진행되도록 하여도 좋다.
스텝 S5에서는 도 4에 도시하는 시스템의 운전 정지 제어를 실시한다.
도 4는 제어 유닛(6)에서 실행되는 시스템의 운전 정지 제어 플로우이다.
스텝 S11에서는 시스템의 비상 정지 요구가 있는지 아닌지를 판정한다. 이 때, 비상 정지란, 통상의 운전 정지 제어의 적어도 일부의 순서를 생략하는 정지 제어를 실시하여 운전을 정지시키는 것을 의미한다. 비상 정지는 예를 들면, 블로어(17a)의 긴급 운전 정지 시에 요구된다.
비상 정지 요구가 있다고 판정된 경우에는 스텝 S12로 진행하여, 시스템의 비상 정지 제어를 실시한다. 비상 정지 제어에서는, 예를 들면 전류 소인(sweep)의 정지, 개질기(11)에의 원연료 및 개질수의 공급 정지, 연료 전지 스택(12)에의 캐소드용 공기의 공급 정지 등을 즉시 그리고 일제히 실시하고, 시스템을 정지시킨다. 또한, 이 비상 정지 제어시에는 개질기(11)에의 원연료의 공급이 즉시 정지됨으로써, 개질 가스의 생성이 바로 정지된다. 또한, 전술한 일제 정지에 의하여, 연료 전지 모듈(1) 내의 온도가 신속하게 저하되기 시작하기 때문에, 이에 따라서, 연료 전지 모듈(1) 내의 기체의 체적이 감소한다. 그러므로, 연료 전지 모듈(1)의 주변 공기(간이 기밀 하우징(4) 내의 공기)는 연료 전지 모듈(1) 내에 흡인되는 방향으로 이동하게 된다. 따라서, 연료 전지 모듈(1) 내에 잔류하고 있는 기체(예를 들면, 개질 가스나 애노드 오프 가스 등)가 캐소드용 공기의 공급 통로(17)를 역류하여 간이 기밀 하우징(4)으로 유출되는 것을 억제할 수 있다.
한편, 스텝 S11에서 비상 정지 요구가 없다고 판정되었을 경우에는 스텝 S13으로 진행하여, 통상의 운전 정지 제어를 개시한다.
스텝 S13에서는 바로 전류 소인을 정지한다. 구체적으로는, PCS(5)에 대하여 전류 소인 정지를 지시한다. 연료 전지 스택(12)은 가정내 부하로부터 분리된다. 발전 정지에 의하여, 연료 전지 셀(13) 자체의 발열이 정지하게 된다.
또한, 스텝 S13에서는 개질기(11)에의 원연료 및 개질수의 공급량과, 연료 전지 스택(12)에의 캐소드용 공기의 공급량을 감소시킨다.
스텝 S14에서는 전술한 온도 센서에 의하여 검출되는 셀 온도(T)와, 소정 온도(Ts)를 비교한다. 이 때, 소정 온도(Ts)란, 연료의 공급을 정지하여도(환원 분위기가 아니게 되어도) 연료 전지 셀(13)의 셀 지지체(도시하지 않음) 등의 산화에 의한 열 열화를 억제 가능하게 되는 온도이며, 미리 설정되어 있다.
T＞Ts의 경우에는 소정 시간 경과 후에 스텝 S14로 돌아오고, 셀 온도 T의 검출과, 셀 온도(T)와 소정 온도(Ts)의 비교를 계속하여, T=Ts가 된 시점에서 스텝 S15로 진행된다.
스텝 S15에서는 개질기(11)에의 원연료 및 개질수의 공급 정지를 실시한다.
이 후에도, 셀 온도(T)를 감시하고, 실온에 이르면, 연료 전지 스택(12)으로의 캐소드용 공기의 공급 정지를 행하여(스텝 S16), 시스템을 정지시킨다.
그런데, 특허 문헌 1에는 케이싱의 뚜껑에 개스킷 냉각용의 냉각관을 설치하는 것이 기재되어 있다. 이와 같이 냉각관을 사용하여 개스킷의 냉각을 실시하면, 연료 전지의 근방에 저온역이 형성될 우려가 있고, 그 결과, 연료 전지의 열 균형이 무너질 수도 있다.
이 점과 관련하여, 본 실시 형태에 따르면, 연료 전지 스택(12)의 근방에 저온역이 형성되는 경우는 없다. 그러므로, 연료 전지 스택(12)의 열 균형을 비교적 양호하게 유지할 수 있다.
본 실시 형태에 의하면, SOFC 시스템(연료 전지 시스템)은 개질 가스(수소 함유 연료)와 공기를 반응시켜 발전하는 연료 전지 스택(12)(연료 전지)과, 이 연료 전지 스택(12)을 에워싸고, 그 내부에서 연료 전지 스택(12)에서의 잉여의 개질 가스를 연소시켜 연료 전지 스택(12)을 고온 상태로 유지하는 케이싱(10)을 포함하는 연료 전지 모듈(1)과, 이 연료 전지 모듈(1)을 수용하는 간이 기밀 하우징(4)(제1 하우징)과 간이 기밀 하우징(4) 내의 공기를 흡인하여 간이 기밀 하우징(4) 내를 부압 상태로 유지하는 블로어(17a)(공기 공급 장치, 흡인 장치)를 포함하여 구성된다. 이에 의하여, 간이 기밀 하우징(4)의 내부는 간이 기밀 하우징(4)의 주위(보조 기계실(8))보다 저압 상태가 유지되므로, 연료 전지 모듈(1)로부터 간이 기밀 하우징(4) 내로 소량의 배기 가스가 누설되었을 경우에도, 이 소량의 배기 가스가 간이 기밀 하우징(4) 외(보조 기계실(8))로 유출되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 연료 전지 스택(12)의 발전 성능에 영향을 미치지 않는 범위 내에서, 연료 전지 모듈(1)의 기밀성을 완화할 수 있다. 또한, 간이 기밀 하우징(4)의 내부가 간이 기밀 하우징(4)의 주위(보조 기계실(8))보다 저압 상태로 유지되는 범위 내에서, 간이 기밀 하우징(4)의 기밀성을 완화할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 의하면, 연료 전지 모듈(1)의 외면과 간이 기밀 하우징(4)의 내면과의 사이에는 공기층이 형성되므로, 간이 기밀 하우징(4)의 표면 온도는 연료 전지 모듈(1)의 외면 온도보다 저온이 된다. 따라서, 간이 기밀 하우징(4)을 관통하는 배관 또는 배선류의 연결 처리에, 전술한 팽창 흑연제의 개스킷의 대신으로서, 이 개스킷보다 염가이고 내열성이 낮은 부재(예를 들면, 고무제의 그로밋(G))을 사용할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 의하면, 블로어(17a)는 간이 기밀 하우징(4) 내의 공기를 흡인한다. 이에 의하여, 블로어(17a)는 주로, 블로어(17a) 내의 비교적 건조 한 공기를 흡인하므로, 특허 문헌 2에 기재된 흡인 장치에 비하여, 비교적 양호한 블로어(17a)의 기계적 수명을 얻을 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 의하면, SOFC 시스템은 연료 전지 모듈(1)로부터 배출되는 배기 가스를 정화하는 배기 가스 처리부(2)를 추가로 포함하여 구성되고, 간이 기밀 하우징(4)은 배기 가스 처리부(2)를 추가로 수용한다. 이에 의하여, 연료 전지 모듈(1)로부터의 배기 가스 중에 포함되는 일산화탄소나 수소 등의 성분이 간이 기밀 하우징(4) 내에서 정화 처리되므로, 이들 성분의 간이 기밀 하우징(4) 외(보조 기계실(8))로의 유출을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 의하면, 블로어(17a)는 간이 기밀 하우징(4) 내로부터 흡인한 공기를 연료 전지 모듈(1)에 공급하는 공기 공급 장치이다. 이에 의하여, 연료 전지 모듈(1)로부터 간이 기밀 하우징(4) 내로 소량의 배기 가스가 누설되었을 경우에도, 이 소량의 배기 가스가 간이 기밀 하우징(4) 내의 공기와 함께 연료 전지 모듈(1) 내로 안내된다. 즉, 간이 기밀 하우징(4)을 부압 상태로 유지하면서 배기 가스를 간이 기밀 하우징(4) 외 그리고 보조 기계실(8) 외로 안전하게 배출하기 위한 배관 등의 설비를 별도로 설치할 필요가 없기 때문에, 시스템의 과도한 대형화를 초래하지 않고, 배기 가스가 간이 기밀 하우징(4) 외(보조 기계실(8))에 유출되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 의하면, 블로어(17a)는 간이 기밀 하우징(4) 내로부터 흡인한 공기를 케이싱(10) 내의 연료 전지 셀(13)의 공기극에 공급하는 공기 공급 장치이다. 이에 의하여, 간이 기밀 하우징(4)을 부압 상태로 유지하기 위한 전용 블로어를 설치할 필요가 없기 때문에, 시스템의 과도한 대형화를 초래하지 않고, 캐소드용 공기 공급용의 블로어(17a)를 사용하여 간이 기밀 하우징(4) 내를 부압 상태로 유지할 수 있으므로, 시스템을 비교적 간소한 구성으로 할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 의하면, SOFC 시스템은 간이 기밀 하우징(4)을 수용하는 SOFC 패키지(7)(제2 하우징)를 추가로 포함하여 구성된다. 이에 의하여, 간이 기밀 하우징(4)의 주위에 보조 기계실(8)을 구획 형성할 수 있으므로, 보조 기계류를 보조 기계실(8) 내에 집약할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 의하면, SOFC 시스템은 SOFC 패키지(7)를 관통하여 간이 기밀 하우징(4) 내와 SOFC 패키지(7) 외를 연통하는 흡입관(43)(연통관)을 추가로 포함하여 구성되고, 블로어(17a)는 간이 기밀 하우징(4) 내에 배치된다. 이에 의하여, SOFC 패키지(7)의 외부의 공기를 흡입관(43)을 거쳐 원활하게 간이 기밀 하우징(4) 내로 안내할 수 있으므로, 간이 기밀 하우징(4) 내에서의 블로어(17a)의 과도한 발열을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 의하면, SOFC 시스템은 간이 기밀 하우징(4)의 내부 압력과 외부 압력과의 차(차압 ΔP)를 검출하는 차압 센서(4a)(압력차 검출부)와, 이 차압 센서(4a)에서 검출된 차압 ΔP에 기초하여 SOFC 시스템의 운전을 제어하는 제어 유닛(6)(제어부)을 추가로 포함하여 구성된다. 이에 의하여, 예를 들면, 블로어(17a)의 운전시에, 필터(17b)의 막힘이나 블로어(17a)의 고장 등에 의하여 간이 기밀 하우징(4) 내의 부압이 저하하기 시작하였을 때에(즉, 간이 기밀 하우징(4)의 내부 압력이 보조 기계실(8)의 내부 압력에 가까워지기 시작하였을 때에), 신속하게 간이 기밀 하우징(4) 내의 부압 상태의 변화를 파악하고, 그것에 따라 시스템의 운전 제어를 실시할 수 있으므로, 간이 기밀 하우징(4) 내로부터 보조 기계실(8) 내로의 배기 가스의 누설을 억제하면서, 시스템의 보다 안전한 운전 제어를 실시할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 의하면, 차압 ΔP＞제1 소정 차압 P1의 경우에는 가정내 부하의 수요 전력에 따라서, 연료 전지 스택(12)의 발전 전력 목표 값을 설정하고, 이 목표 값을 얻도록 연료 전지 스택(12)의 발전 전력의 제어를 실시한다(도 3의 스텝 S2 참조). 한편, 제2 소정 차압 P2＜차압 ΔP≤제1 소정 차압 P1인 경우에는, 예컨대 연료 전지 스택(12)의 발전 전력 목표 값을 소정량 저하시키고, 이 저하시킨 새로운 목표 값을 얻도록 연료 전지 스택(12)의 발전 전력의 제어를 실시한다(도 3의 스텝 S4 참조). 즉, 본 실시 형태에 의하면, 제어 유닛(6)은 차압 ΔP가 작아질수록, SOFC 시스템의 운전 출력을 저하시킨다. 이에 의하여, 간이 기밀 하우징(4) 내의 부압 저하시에 연료 전지 모듈(1) 내에서의 배기 가스의 발생량을 감소시킬 수 있기 때문에, 연료 전지 모듈(1)로부터 간이 기밀 하우징(4) 내로의 배기 가스의 누설을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 의하면, 제어 유닛(6)은 차압 ΔP가 제2 소정 차압 P2이하(소정의 역치 이하)로 저하하면, SOFC 시스템의 운전을 정지시킨다(도 3의 스텝 S5 및 도 4 참조). 이에 의하여, 간이 기밀 하우징(4) 내의 부압이 큰 폭으로 저하된 경우에는 시스템의 운전 정지 제어를 즉시 개시할 수 있기 때문에, 간이 기밀 하우징(4) 내로부터 보조 기계실(8) 내로의 배기 가스의 누설을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 흡입관(43)과 배기관(44)이 별개의 부재로 구성되어 있으나, 흡입관 및 배기관의 구성은 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 외관과 내관으로 이루어지는 이중관 구조의 관상 부재에 의하여 흡입관과 배기관을 일체적으로 구성하여도 좋다. 이 경우에는 이중관 구조의 관상 부재는 그 외관과 내관과의 사이의 공간을 흡기 통로로 하고, 내관 내의 공간을 배기 통로로 함으로써, 배기 가스의 열이 관상 부재(외관)의 외표면에 직접적으로 전달되는 것을 억제할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 SOFC 시스템의 개략 구성을 나타낸다.
도 1에 나타낸 제1 실시 형태와 다른 점에 대하여 설명한다.
본 실시 형태에서는 간이 기밀 하우징(4)의 내부로부터 배기 가스 처리부(2)로, 공기 흡인 통로(51)가 설치되어 있다. 이 때, 공기 흡인 통로(51)는 그 한쪽 단부(흡입구)가, 간이 기밀 하우징(4) 내에 위치한다. 또한, 공기 흡인 통로(51)의 다른 쪽 단부는 배기 가스 처리부(2)에 접속되어 있다. 공기 흡인 통로(51)에는 적정 공급량 제어장치로서 공기 공급 장치인 블로어(51a)가 설치되어 있다.
블로어(51a)의 운전시에는, 블로어(51a)가 공기 흡인 통로(51)를 거쳐, 간이 기밀 하우징(4) 내의 공기를 흡인하여 배기 가스 처리부(2)에 공급한다. 이에 의하여, 간이 기밀 하우징(4)의 내부는 간이 기밀 하우징(4)의 주위(보조 기계실(8))보다 저압 상태가 유지된다. 즉, 블로어(51a)는 본 발명의 흡인 장치로서 기능하고, 간이 기밀 하우징(4)의 내부를 부압 상태로 유지하는 것이 가능하다. 따라서, 연료 전지 모듈(1)로부터 간이 기밀 하우징(4) 내에 소량의 배기 가스가 누설된 경우에도, 이 소량의 배기 가스가 흡기 구멍(41)을 통하여, 또한, 그로밋(G)과 배관부와의 사이의 틈을 통하여, 간이 기밀 하우징(4) 외(보조 기계실(8))로 유출되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 간이 기밀 하우징(4) 내에 누설된 소량의 배기 가스는 블로어(51a)에 의하여 공기와 함께 흡인되어 배기 가스 처리부(2)에 안내되고, 배기 가스 중의 일산화탄소나 수소 등의 성분이 정화 처리된다. 따라서, 간이 기밀 하우징(4) 내에 누설된 소량의 배기 가스 중의 일산화탄소나 수소 등의 성분이 배기관(44)으로부터 SOFC 패키지(7) 외로 배출되는 것을 억제할 수 있다.
본 실시 형태에서는 블로어(17a)와 블로어(51a)를 병용함으로써, 간이 기밀 하우징(4) 내의 부압을 강화하는 것이 가능하다. 또한, 블로어(51a)는 블로어(17a)의 운전 정지 시에도 운전 가능하다. 이 때문에, 블로어(17a)의 운전 정지 시에, 블로어(51a)에 의하여 간이 기밀 하우징(4)의 내부를 부압 상태로 유지하는 것이 가능하다.
특히 본 실시 형태에 의하면, 블로어(51a)는 간이 기밀 하우징(4) 내로부터 흡인한 공기를 배기 가스 처리부(2)에 공급하는 공기 공급 장치이다. 이에 의하여, 연료 전지 모듈(1)로부터 간이 기밀 하우징(4) 내에 소량의 배기 가스가 누설되었을 경우에도, 이 소량의 배기 가스가 간이 기밀 하우징(4) 내의 공기와 함께 배기 가스 처리부(2) 내로 안내되므로, 배기 가스가 간이 기밀 하우징(4) 외(보조 기계실(8))로 유출되는 것을 억제하는 동시에, 간이 기밀 하우징(4) 내에 누설된 소량의 배기 가스를 더 효과적으로 정화할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제3 실시 형태에 있어서의 SOFC 시스템의 개략 구성을 나타낸다.
도 1에 나타낸 제1 실시 형태와 다른 점에 대하여 설명한다.
본 실시 형태에서는 흡기 구멍(41, 71) 및 흡입관(43)이 블로어(17a)의 근방에 설치되어 있다. 또한, SOFC 패키지(7)의 외부로부터 흡입관(43)을 거쳐 간이 기밀 하우징(4)의 내부로 유입된 공기가 블로어(17a) 및 필터(17b)의 근방을 지나, 캐소드용 공기의 공급 통로(17)의 한쪽 단부(흡입구(17c))에 유입하도록, 캐소드용 공기의 공급 통로(17), 블로어(17a) 및 필터(17b)가 배치되어 있다.
특히 본 실시 형태에 의하면, SOFC 패키지(7)의 외부로부터 흡입관(43)을 통하여 간이 기밀 하우징(4) 내로 직접적으로 유입된 공기가 블로어(17a) 및 필터(17b)의 근방을 통과하여, 캐소드용 공기의 공급 통로(17)의 흡입구(17c)(즉, 블로어(17a)의 흡입구)로 안내된다. 이에 의하여, SOFC 패키지(7)의 외부로부터의 공기가 블로어(17a) 및 필터(17b)를 냉각한 후에 캐소드용 공기의 공급 통로(17)에 유입되므로, 캐소드용 공기를 블로어(17a) 및 필터(17b)의 냉각에 사용할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제4 실시 형태에 있어서의 SOFC 시스템의 개략 구성을 나타낸다.
도 1에 나타낸 제1 실시 형태와 다른 점에 대하여 설명한다.
본 실시 형태에서는 SOFC 패키지(7)에 흡기 구멍(71)이 형성되어 있지 않다. 또한, 흡입관(43)의 대신으로서 흡입관(43')이 설치되어 있다. 흡입관(43')은 그 한쪽 단부가 간이 기밀 하우징(4)의 흡기 구멍(41)에 기밀ㆍ액밀하게 접속되어 있다. 또한, 흡입관(43')의 다른 쪽 단부는 보조 기계실(8) 내에 위치하고 있다. 또한, 흡입관(43')을 생략하고, 흡기 구멍(41)으로부터 직접 보조 기계실(8) 내의 공기를 간이 기밀 하우징(4) 내로 유입시켜도 좋다.
본 실시 형태에서는 캐소드용 공기의 공급 통로(17)의 중간부와, 블로어(17a)와 필터(17b)가 보조 기계실(8) 내에 배치되어 있다. 이 때문에, 캐소드용 공기의 공급 통로(17)는 그 필터(17b)보다 상류측의 부분과 블로어(17a)보다 하류측의 부분이 각각 간이 기밀 하우징(4)에 미리 형성된 관통공(도시하지 않음)을 통과하는 배관에 의하여 구성되어 있다. 이 배관들과 간이 기밀 하우징(4)들과의 관통부(연결부)에는 각각 밀봉 부재로서 예를 들면 고무제의 그로밋(G)이 사용된다. 이 때, 캐소드용 공기의 공급 통로(17)을 구성하는 배관 중에서, 한쪽 단부(흡입구(17c))가 간이 기밀 하우징(4) 내에 위치하고, 중간부가 간이 기밀 하우징(4)을 관통하고 필터(17b)를 거쳐, 다른 쪽 단부가 블로어(17a)의 흡입측에 접속하는 배관을 흡인관이라고 칭한다. 이 흡인관은 간이 기밀 하우징(4) 내의 공기를 보조 기계실(8) 내의 블로어(17a)로 안내하는 기능을 가진다. 또한, 캐소드용 공기의 공급 통로(17)을 구성하는 배관 중에서, 한쪽 단부가 블로어(17a)의 토출측에 접속하고, 중간부가 간이 기밀 하우징(4) 및 케이싱(10)을 관통하고, 다른 쪽 단부가 연료 전지 셀(13)의 공기극에 임하는 배관을 공기 공급관이라 칭한다. 이 공기 공급관은 블로어(17a)로부터 토출된 공기를 연료 전지 셀(13)의 공기극으로 안내하는 기능을 가진다. 또한, 이 공기 공급관은 그 중간부가 간이 기밀 하우징(4) 및 케이싱(10)을 관통하고, 다른 쪽 단부가 연료 전지 셀(13)의 공기극에 임하는 대신에, 중간부가 간이 기밀 하우징(4)을 관통하고, 다른 쪽 단부가 배기 가스 처리부(2)에 접속되어도 좋다.
본 실시 형태에서는 열 교환기(3)가 보조 기계실(8) 내에 배치되어 있다. 또한, 배기 가스 통로(61)가 설치되어 있다. 배기 가스 통로(61)는 그 양단이 배기 가스 처리부(2)와 열 교환기(3)에 접속되어 있다. 배기 가스 통로(61)는 간이 기밀 하우징(4)에 미리 형성된 관통공(도시하지 않음)을 지나는 배관에 의하여 구성되어 있다. 이 배관과 간이 기밀 하우징(4)과의 관통부(연결부)에는 밀봉 부재로서 고온용 개스킷(H)가 사용된다.
배기관(44)은 그 한쪽 단부가 보조 기계실(8) 내의 열 교환기(3)의 배기구(31)에 접속되어 있다. 배기관(44)의 중간부는 SOFC 패키지(7)의 배기 구멍(72)을 지나고 있다. 배기관(44)의 다른 쪽 단부는 SOFC 패키지(7)의 외면으로부터 바깥쪽으로 돌출되어 있다. 또한, 배기관(44)은 그 한쪽 단부가 간이 기밀 하우징(4) 내의 열 교환기(3)의 배기구(31)에 접속되고, 다른 쪽 단부가 SOFC 패키지(7)의 배기 구멍(72)에 접속되어 있어도 된다.
특히 본 실시 형태에 의하면, 흡입관(43')은 그 한쪽 단부가 간이 기밀 하우징(4)의 흡기 구멍(41)에 접속되고, 다른 쪽 단부가 보조 기계실(8) 내에 위치하고 있다. 이에 의하여, 연료 전지 셀(13)의 공기극에 공기를 공급하기 위하여, 보조 기계류의 발열에 의하여 따뜻해진 보조 기계실(8) 내의 공기가 우선적으로 간이 기밀 하우징(4)으로 들어간다. 그 결과, 환기 팬(73)에 의한 보조 기계실(8) 내로의 외기의 혼입이 촉진되어 보조 기계실(8) 내의 온도 상승이 억제되므로, 보조 기계류의 동작 안정화 및 장수명화를 실현할 수 있다. 또한, SOFC 패키지(7)에 흡기 구멍(71)을 관통 형성할 필요가 없기 때문에, SOFC 패키지(7)의 가공 공정을 줄일 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 의하면, 블로어(17a) 및 필터(17b)가 보조 기계실(8) 내(즉, 간이 기밀 하우징(4) 외)에 배치되어 있다. 이 때, 보조 기계실(8) 내에는 간이 기밀 하우징(4) 내에 비하여 저온이다. 따라서, 블로어(17a) 및 필터(17b)가 간이 기밀 하우징(4) 내에 배치되어 있는 경우에 비하여, 블로어(17a) 및 필터(17b)를 양호하게 냉각할 수 있으므로, 열 열화를 억제할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제5 실시 형태에 있어서의 SOFC 시스템의 개략 구성을 나타낸다.
도 1에 나타낸 제1 실시 형태와 다른 점에 대하여 설명한다.
본 실시 형태에서는 SOFC 패키지(7)에 흡기 구멍(71)이 형성되어 있지 않다. 또한, 흡입관(43)이 생략되어 있다. 이들에 의하여, 본 실시 형태에서는 블로어(17a)의 운전시에, 보조 기계실(8) 내의 공기가 흡기 구멍(41)으로부터 직접적으로 간이 기밀 하우징(4) 내에 유입한다. 따라서, 본 실시 형태에서는 연료 전지 셀(13)의 공기극에 공기를 공급하기 위하여, 보조 기계류의 발열에 의하여 따뜻하게 데워진 보조 기계실(8) 내의 공기가 우선적으로 간이 기밀 하우징(4)에 들어간다. 그 결과, 환기 팬(73)에 의한 보조 기계실(8) 내로의 외기의 혼입이 촉진되고 보조 기계실(8) 내의 온도 상승이 억제되므로, 보조 기계류의 동작 안정화 및 장수명화를 실현할 수 있다. 또한, SOFC 패키지(7)에 흡기 구멍(71)을 관통 형성할 필요가 없기 때문에, SOFC 패키지(7)의 가공 공정을 줄일 수 있다.
도 9는 본 발명의 제6 실시 형태에 있어서의 SOFC 시스템의 개략 구성을 나타낸다.
도 1에 나타낸 제1 실시 형태와 다른 점에 대하여 설명한다.
본 실시 형태에서는 열 매체 순환 통로(20) 중에서, 간이 기밀 하우징(4) 내이고, 열 교환기(3)의 입구보다 하류측의 부분에, 열 교환기(80)가 설치되어 있다. 또한, 도 9에 나타내는 열 매체 순환 통로(20)의 위치 R1와 위치 R2는 도시하지 않는 배관에 의하여 접속되어 있다.
열 교환기(80)는 캐소드용 공기의 공급 통로(17) 중에서, 흡입구(17c)와 필터(17b)의 사이에 위치하고 있다.
열 교환기(80)는 열 교환기(3)에 유입하기 전의 열 매체(즉, 배기 가스로부터의 열을 회수하기 전의 열 매체)와, 필터(17b)를 통과하기 전의 캐소드용 공기로 열교환을 실시한다. 이 열교환에 의하여 캐소드용 공기가 냉각되고, 이 결과, 캐소드용 공기의 온도가 열 매체의 온도에 가까운 온도가 된다. 즉, 열 교환기(80)가 본 발명의 냉각 장치로서 기능하고 캐소드용 공기를 냉각한다. 이에 의하여, 연료 전지 모듈(1)이나 배기 가스 처리부(2)로부터의 방열량이 크고, 간이 기밀 하우징(4) 내부의 공기 온도가 높은 경우에 있어서도, 캐소드용 공기가 필터(17b) 및 블로어(17a)의 내열 온도를 초과하는 것을 억제할 수 있다.
특히 본 실시 형태에 의하면, SOFC 시스템(연료 전지 시스템)은 블로어(17a)(흡인 장치)에 의하여 흡인되는 간이 기밀 하우징(4) 내(제1 하우징 내)의 공기를 냉각하는 열 교환기(80)(냉각 장치)를 추가로 포함하여 구성된다. 이에 의하여, 캐소드용 공기가 필터(17b) 및 블로어(17a)의 내열 온도를 초과하는 것을 억제할 수 있으므로, 필터(17b) 및 블로어(17a)의 장수명화를 실현할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 열 교환기(80)(냉각 장치)에서 열 매체에 의하여 캐소드용 공기를 냉각하는 예를 설명하였지만, 캐소드용 공기를 냉각하는 수법은 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 전술한 바와 같이 열 매체 순환 통로(20)에 열 교환기(80)을 설치하는 것에 추가하여, 또는 이를 대신하여, 개질수의 공급 통로(16) 중 간이 기밀 하우징(4) 내에 위치하는 부분에 열 교환기(80)를 설치하여도 좋다. 이 경우에는 열 교환기(80)가 캐소드용 공기와 개질수로 열교환을 실시함으로써, 캐소드용 공기를 냉각하는 것이 가능하다.
또한, 전술한 제1, 제2, 제5 및 제6 실시 형태에서는 블로어(17a) 및 필터(17b)를 간이 기밀 하우징(4) 내에 배치하고 있다. 그러나, 이 실시 형태들에 있어서, 전술한 제4 실시 형태와 마찬가지로, 블로어(17a) 및 필터(17b)를 간이 기밀 하우징(4) 외에 배치하고, 전술한 흡인관 및 공기 공급관에 의하여 캐소드용 공기의 공급 통로(17)를 구성하여도 좋다.
또한, 전술한 제1 내지 제3 및 제6 실시 형태에 있어서, 흡입관(43)의 대신으로서 전술한 제4 실시 형태와 마찬가지로, 한쪽 단부가 간이 기밀 하우징(4)의 흡기 구멍(41)에 기밀ㆍ액밀하게 접속되고, 다른 쪽 단부가 보조 기계실(8) 내에 위치하는 흡입관(43')을 설치하여도 좋다.
또한, 전술한 제2 및 제3 실시 형태에 있어서, SOFC 패키지(7)에 흡기 구멍(71)을 설치하지 않고, 또한, 흡입관(43)을 생략하고, 이들에 의하여, 블로어(17a)의 운전시에, 보조 기계실(8) 내의 공기가 흡기 구멍(41)으로부터 직접적으로 간이 기밀 하우징(4) 내에 유입하도록 하여도 좋다.
또한, 전술한 제6 실시 형태에서는 열 교환기(80)에서 캐소드용 공기를 냉각하고 있으나, 이 공기 냉각 수법을, 전술한 제2 내지 제5 실시 형태에 적용하여, 캐소드용 공기를 냉각하여도 된다.
또한, 전술한 제1 내지 제6 실시 형태에서는 연료 전지 셀(13)의 연료극에 공급되는 수소 함유 연료로서, 개질기(11)에서 생성되는 수소 리치한 연료 가스(개질 가스)를 사용하여 설명하였지만, 수소 함유 연료는 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 수소 함유 연료로서 순수소를 사용하는 것이 가능하다. 이 경우에는 도 1, 도 5 내지 도 9에 도시한 탈황기(18)와, 도 2에 도시한 개질기(11)를 생략하고, 순수소가 SOFC 패키지(7)의 외부로부터 원연료의 공급 통로(15)를 지나 연료 전지 셀(13)의 연료극에 직접적으로 공급되도록 SOFC 시스템을 구축하면 좋다.
또한, 전술한 제1 내지 제6 실시 형태에서는, 간이 기밀 하우징(4) 외의 공기를 간이 기밀 하우징(4) 내로 안내하는 흡기부로서 흡기 구멍(41)을 예시하였지만, 간이 기밀 하우징(4)의 흡기부의 구성은 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 복수의 판상 부재를 조립하여 상자 형태의 간이 기밀 하우징(4)을 구성하는 경우에는 판상 부재 사이에 형성되는 틈 등이 간이 기밀 하우징(4)의 흡기부에 대응하고, 간이 기밀 하우징(4) 외의 공기를 간이 기밀 하우징(4) 내로 안내할 수 있다.
또한, 도시한 실시 형태는 어디까지나 본 발명을 예시하는 것이고, 본 발명은 설명한 실시 형태에 의하여 직접적으로 개시되는 것에 추가하여 특허 청구의 범위 내에서 당업자에 의하여 이루어지는 각종의 개량ㆍ변경을 포함하는 것임은 말할 필요도 없다.
1　연료 전지 모듈
2　배기 가스 처리부
3　열 교환기
4　간이 기밀 하우징 (제1 하우징)
4a　차압 센서 (압력차 검출부)
5　파워 컨디셔너 (PCS)
6　제어 유닛 (제어부)
7　SOFC 패키지 (제2 하우징)
8　보조 기계실
10　케이싱
11　개질기
12　연료 전지 스택
13　연료 전지 셀
14　오프 가스 연소부
15　원연료의 공급 통로
15a　펌프
16　수증기 개질용의 물 (개질수)의 공급 통로
16a　펌프
17　캐소드용 공기의 공급 통로
17a　블로어 (공기 공급 장치, 흡인 장치)
17b　필터
17c　흡입구
18　탈황기
19　개질 가스의 공급 통로
20　열 매체 순환 통로
20a　펌프
31　배기구
32　응축수의 회수 통로
33　회수 물 처리부
34　물탱크
41　흡기 구멍
42　배기 구멍
43　흡입관 (연통관)
43'　흡입관
44　배기관
51　공기 흡인 통로
51a　블로어 (공기 공급 장치, 흡인 장치)
61　배기 가스 통로
71　흡기 구멍
72　배기 구멍
73　환기 팬
74　환기 구멍
80　열 교환기 (냉각 장치)
G　그로밋
H　개스킷

Claims (10)

  1. 수소 함유 연료와 공기를 반응시켜 발전하는 연료 전지 및 이 연료 전지를 에워싸고, 그 내부에서 상기 연료 전지에서의 잉여의 수소 함유 연료를 연소시켜 상기 연료 전지를 고온 상태로 유지하는 케이싱을 포함하는 연료 전지 모듈과,
    이 연료 전지 모듈을 수용하는 제1 하우징과,
    이 제1 하우징 내의 공기를 흡인하여 상기 제1 하우징 내를 부압 상태로 유지하는 흡인 장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연료 전지 모듈로부터 배출되는 배기 가스를 정화하는 배기 가스 처리부를 추가로 포함하여 구성되고,
    상기 제1 하우징은 상기 배기 가스 처리부를 추가로 수용하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 흡인 장치는 상기 제1 하우징 내로부터 흡인한 공기를 상기 연료 전지 모듈과 상기 배기 가스 처리부와의 적어도 어느 한쪽에 공급하는 공기 공급 장치인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 하우징 및 상기 흡인 장치를 수용하는 제2 하우징을 추가로 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 흡인 장치에 의하여 흡인되는 상기 제1 하우징 내의 공기를 냉각하는 냉각 장치를 추가로 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 하우징의 내부 압력과 외부 압력과의 차를 검출하는 압력차 검출부와, 이 압력차 검출부에서 검출된 압력차에 기초하여 상기 연료 전지 시스템의 운전을 제어하는 제어부를 추가로 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제어부는 상기 압력차가 작아질수록, 상기 연료 전지 시스템의 운전 출력을 저하시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제어부는 상기 압력차가 소정의 역치 이하로 저하하면, 상기 연료 전지 시스템의 운전을 정지시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  9. 제4항에 있어서, 상기 제2 하우징을 관통하여 상기 제1 하우징 내와 상기 제2 하우징 외를 연통하는 연결관을 추가로 포함하여 구성되고, 상기 흡인 장치는 상기 제1 하우징 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 흡인 장치는 상기 제1 하우징 외에 배치되고,
    상기 제1 하우징을 관통하여 상기 제1 하우징 내의 공기를 상기 흡인 장치로 안내하는 흡인관을 추가로 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
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