KR20220054834A - 연료전지 시스템 - Google Patents

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KR20220054834A
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fuel
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구니유키 다카하시
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후지 덴키 가부시키가이샤
미츠비시 파워 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 제어부가 이상 정지된 경우에도 연료극의 산화 열화를 방지할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 연료전지 시스템(1)은, 환원 가스와 산화제 가스의 전기 화학 반응에 의해 발전하는 SOFC(10)와, SOFC로의 환원 가스 및 산화제 가스의 공급을 제어하는 제어부(40)와, 제어부로부터 발신되는 상기 제어부의 정상 신호의 정지나 상기 제어부의 이상 신호를 검지하는 검지부(45)와, 검지부의 검지 결과에 따라, SOFC의 연료극을 환원 상태로 유지하는 유지부(50)를 구비하고 있다. 유지부는, 연료극에 환원 가스로서 수소를 공급하는 수소 공급계(51)를 구비하고 있다.

Description

연료전지 시스템
본 발명은, 연료전지 시스템에 관한 것이다.
최근, 고체 산화물형 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)의 개발이 진행되고 있다. SOFC는, 공기극에서 생성된 산화물 이온이 전해질을 투과하여 연료극으로 이동하고, 연료극에서 산화물 이온이 수소 또는 일산화탄소와 반응함으로써 전기 에너지를 발생하는 발전(發電) 메커니즘이다. SOFC는 현재 알려져 있는 연료전지의 형태 중에서는, 발전의 동작 온도가 가장 높고(예컨대 600℃∼1000℃), 발전 효율이 가장 높다는 특성을 갖는다.
특허문헌 1은, SOFC에 연료가 공급되지 않게 된 상태를 검출하는 검출 수단과, 검출 수단의 검지 결과에 의해 SOFC를 긴급 정지하는 긴급 정지 수단을 구비한 연료전지 시스템을 개시하고 있다. 이러한 연료전지 시스템은 제어 수단을 더 구비하고, 제어 수단은, 검출 수단이 연료를 검출하지 않게 된 것을 조건으로 연료 및 산화제의 공급을 정지하고, 불활성 가스를 SOFC에 공급하는 보호 동작을 실시하고 있다.
특허문헌 2는, SOFC로부터의 배기 연료 가스가 유통하는 배기 연료 가스 라인으로부터 분기되는 벤트 라인과, 벤트 라인에 설치된 차단 밸브 및 오리피스와, SOFC의 계통 차압을 계측하여 제어 장치에 출력하는 계측 수단을 구비한 발전 시스템을 개시하고 있다. 이러한 발전 시스템에서는, 제어 장치에 고장이 발생한 경우, 연료 가스 및 산화성 가스의 공급계 및 배출계를 차단하고, 계측 수단으로 계측하는 차압이 소정값이 되도록 차단 밸브나 오리피스 등을 제어한다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2006-66244호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 공개 제2016-91644호 공보
그러나, 특허문헌 1에 있어서는, 제어 수단이 정지되면, 연료 및 산화제의 공급을 제어할 수 없게 되는 데다, 보호 동작을 실시하는 제어도 할 수 없게 된다. 이 때문에, 연료극을 환원 상태로 유지할 수 없게 되어, 연료극이 산화 열화한다는 문제가 있다.
또한, 특허문헌 2에 있어서는, 계통 차압(연료극과 공기극의 차압)을 유지하는 것에 불과하며, 제어 장치의 고장시에 연료극을 환원 상태로 하고 있지 않으므로, 동 문헌에서도 연료극이 산화 열화한다는 문제가 있다.
본 발명은 이러한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 제어부가 이상 정지된 경우에도 연료극에 있어서의 산화 열화를 방지할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적의 하나로 한다.
본 실시형태의 연료전지 시스템은, 그 일 양태에서는, 환원 가스가 공급되는 연료극과 산화제 가스가 공급되는 공기극 사이에 전해질을 두고 환원 가스와 산화제 가스의 전기 화학 반응에 의해 발전하는 고체 산화물형 연료전지와, 상기 고체 산화물형 연료전지로의 환원 가스 및 산화제 가스의 공급을 제어하는 제어부와, 상기 제어부로부터 발신되는 상기 제어부의 정상 신호의 정지 및/또는 상기 제어부의 이상 신호를 검지하는 검지부와, 상기 검지부의 검지 결과에 따라, 상기 연료극을 환원 상태로 유지하는 유지부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명에 따르면, 제어부가 이상 신호를 발신하거나 정상 신호의 발신을 할 수 없게 되는 것을 조건으로 하여, 유지부에 의해 연료극을 환원 상태로 유지할 수 있다. 이것에 의해, 고온이 되는 연료극이 산화 열화하는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 제1 실시형태의 연료전지 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 2는 연료전지 시스템의 이상 정지시의 동작을 설명하기 위한 타임 차트이다.
도 3은 제2 실시형태의 연료전지 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 4는 제3 실시형태의 연료전지 시스템을 나타낸 블록도이다.
[제1 실시형태]
도 1을 참조하여, 제1 실시형태의 연료전지 시스템에 대해서 상세히 설명한다. 도 1은 제1 실시형태의 연료전지 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템(1)은, 고체 산화물형 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)(10)를 갖고 있다. SOFC(10)는, 복수의 셀을 적층 또는 집합체로서 구성한 셀 스택을 갖고 있다. 각 셀은 공기극과 연료극 사이에 전해질(모두 도시하지 않음)을 둔 기본 구성을 갖고 있고, 각 셀 사이에는 세퍼레이터가 개재되어 있다. 셀 스택의 각 셀은 전기적으로 직렬로 접속되어 있다. SOFC(10)는, 공기극에서 생성된 산화물 이온이 전해질을 투과하여 연료극으로 이동하고, 연료극에서 산화물 이온이 수소 또는 일산화탄소와 반응함으로써 전기 에너지를 발생하는 발전 메커니즘이다.
SOFC(10)는, 연료극에 연료 가스(환원 가스)를 공급하는 애노드 가스 유로(연료 가스 유로, 환원 가스 유로)(11)와, 공기극에 산화제 가스를 공급하는 캐소드 가스 유로(산화제 가스 유로)(12)를 갖고 있다. 연료 가스로는, 도시 가스(메탄 가스), 천연 가스, 소화 가스 등의 바이오 가스 등의 탄화수소계 연료를 포함하는 기체가 이용된다. 산화제 가스로는, 대기중의 공기를 예시할 수 있다.
연료전지 시스템(1)은, 애노드 가스 유로(11)의 입구부에 접속되는 애노드 가스 공급로(21)와, 캐소드 가스 유로(12)의 입구부에 접속되는 캐소드 가스 공급로(22)를 구비하고 있다. SOFC(10)의 발전시에는, 애노드 가스 유로(11)에 애노드 가스 공급로(21)를 통해 연료 가스가 공급되고, 상기 연료 가스가 애노드 가스 유로(11)를 흐른다. 또한, 캐소드 가스 유로(12)에는, 캐소드 가스 공급로(22)를 통해 산화제 가스가 공급되고, 상기 산화제 가스가 캐소드 가스 유로(12)를 흐른다. 애노드 가스 유로(11)에 공급된 연료 가스(환원 가스)와, 캐소드 가스 유로(12)에 공급된 산화제 가스가 전기 화학 반응을 일으킴으로써, 직류 전류가 발생한다[SOFC(10)가 발전함]. SOFC(10)가 발생한 직류 전류는, 인버터(도시 생략)에 의해 교류 전류로 변환된다(DC/AC 변환됨).
캐소드 가스 공급로(22)에는, 반응 공기 블로어(24)가 설치되어 있다. 캐소드 가스 공급로(22)는, 반응 공기 블로어(24)에 의해 대기중의 공기를 산화제 가스로서 흡입하여 캐소드 가스 유로(12)에 공급한다.
연료전지 시스템(1)은, 애노드 가스 유로(11)의 출구부에 접속되는 애노드 가스 배출로(26)와, 캐소드 가스 유로(12)의 출구부에 접속되는 캐소드 가스 배출로(27)를 구비하고 있다. 또한, 연료전지 시스템(1)은, 애노드 가스 배출로(26) 및 캐소드 가스 배출로(27)에 접속되는 연소기(28)를 구비하고 있다. 애노드 가스 배출로(26)는, 애노드 가스 유로(11)의 출구부로부터의 배출 가스를 연소기(28)로 배출하고, 캐소드 가스 배출로(27)는, 캐소드 가스 유로(12)의 출구부로부터의 배출 가스를 연소기(28)로 배출한다. 연소기(28)는, SOFC(10)로부터 배출된 배출 가스를 연소함으로써 상기 배출 가스 중의 불순물을 제거한 후에 배기한다.
연료전지 시스템(1)은, 애노드 가스 배출로(26)로부터 분기되는 재순환로(31)를 구비하고 있다. 재순환로(31)는, 애노드 가스 유로(11)의 출구부로부터의 배출 가스를 애노드 가스 배출로(26)로부터 애노드 가스 공급로(21)로 재순환시킨다. 재순환로(31)에는, 재순환로(31) 내로 배출 가스를 송출하는 재순환 블로어(32)가 설치되어 있다. 여기서, 재순환로(31) 및 재순환 블로어(32)에 의해, 배출 가스를 애노드 가스 공급로(21)로 재순환시키는 재순환계(30)가 구성된다.
연료전지 시스템(1)은, 상기 연료전지 시스템(1)의 각 구성 요소를 통괄적으로 구동 제어하는 제어부(40)를 갖고 있다. 보다 구체적으로, 제어부(40)는, 도시 생략한 애노드 가스 공급로(21)의 조절 밸브, 반응 공기 블로어(24), 재순환 블로어(32)에 접속되어 있고, SOFC(10)의 운전시에 이들 각 구성 요소의 구동 제어, 온오프 제어 또는 개폐 제어를 실행한다. 제어부(40)에 있어서의 상기 조정 밸브, 반응 공기 블로어(24) 등의 제어에 의해, 연료 가스(환원 가스) 및 산화제 가스의 공급이 제어된다. 제어부(40)는, 예컨대, PC(Personal Computer) 또는 PLC(Programmable Logic Controller)로 구성된다.
연료전지 시스템(1)에 있어서는, 발전 중의 예측치 못한 사태에 의해, 제어부(40)에 대한 전력 공급이 차단되거나, 제어부(40) 자체가 고장나거나 하여, 제어부(40)가 이상 정지하는 경우를 상정할 필요가 있다. 이 경우에는, 고온 상태의 SOFC(10)에 있어서, 공기극에서 생성되어 전해질을 투과하는 산화물 이온으로 연료극이 산화되어 열화의 원인이 된다. 그래서, 본 실시형태의 연료전지 시스템(1)은, 제어부(40)가 이상 정지했을 경우에도, 연료극을 환원 상태로 하여 산화 열화하는 것을 억제하기 위해 이하에 설명하는 구성을 구비하고 있다.
본 실시형태의 연료전지 시스템(1)은, 제어부(40)가 신호 송신부(41)를 갖고 있고, 또한, 이러한 신호 송신부(41)가 송신하는 신호를 검지하는 검지부(45)와, 검지부(45)의 검지 결과에 따라 작동하는 유지부(50)를 갖고 있다. 또한, 연료전지 시스템(1)은, 애노드 가스 배출로(26)에 있어서의 재순환로(31)의 분기점의 하류측에 설치된 전자 밸브(46)를 구비하고 있다. 여기서, 제어부(40), 검지부(45), 유지부(50) 및 전자 밸브(46)는, 도시 생략한 무정전 전원 장치(UPS: Uninterruptible Power Supply)를 통해 전력 공급되어 있고, 연료전지 시스템(1) 전체에 대한 전력 공급이 정지된 경우에도, 소정 시간의 작동이 확보된다.
신호 송신부(41)는, 제어부(40) 자체 혹은 공급 전력의 차단 등의 외적 요인에 의해, 전술한 각 구성 요소를 정상으로 제어할 수 없는 이상이 발생한 경우와, 그렇지 않은 정상인 경우에 검지부(45)로의 신호의 송신을 전환하는 기능을 구비하고 있다. 예컨대, 정상인 경우에만, 단속적 혹은 연속적으로 정상 신호를 검지부(45)에 송신하거나, 이상이 발생한 경우에만 이상 신호를 검지부(45)에 송신하거나 하는 구성이 채용된다.
검지부(45)는, 신호 송신부(41)로부터 송신된 정상 신호나 이상 신호를 수신하는 기능을 구비하고 있다. 또한, 검지부(45)는, 정상 신호의 송신이 정지된 상태나, 이상 신호의 송신을 검지하는 기능을 구비하고, 이러한 검지를 조건으로 유지부(50) 및 전자 밸브(46)를 작동하는 작동 신호를 송신하거나, 유지부(50) 및 전자 밸브(46)로의 통전을 차단하거나 하는 기능을 구비하고 있다.
유지부(50)는, 애노드 가스 공급로(21)에 환원 가스로서 수소 가스를 공급하는 수소 공급계(51)를 구비하고 있다. 수소 공급계(51)에서는, 수소 가스를 충전한 수소 가스 봄베나, 연료전지 시스템(1)을 설치한 시설 등에 있어서의 수소 공급 계통을 수소 가스의 공급원으로 하는 것을 예시할 수 있다. 수소 공급계(51)는, 수소 가스의 공급로에 있어서, 수소 가스의 공급을 허용 또는 정지하기 위한 전자 밸브를 구비하고 있다. 이 전자 밸브는, 예컨대, 통전 상태에서는 닫힘 상태가 되어 수소 가스의 공급을 정지하고, 통전되지 않는 상태에서는 열림 상태가 되어 수소 가스의 공급을 허용한다. 따라서, 검지부(45)로부터의 작동 신호의 송신에 의해 통전을 차단하거나, 검지부(45)로부터 통전을 차단하거나 함으로써, 애노드 가스 공급로(21)에 수소 가스의 공급을 시작할 수 있다.
유지부(50)는, 불활성 가스 공급계(52)를 더 구비하고 있다. 불활성 가스로는, 본 실시형태에서는 질소 가스를 채용하였으나, 이산화탄소나 수증기 등을 채용하는 것을 예시할 수 있다. 불활성 가스 공급계(52)에서는, 질소 가스를 충전한 질소 가스 봄베나, 연료전지 시스템(1)을 설치한 시설 등에 있어서의 질소 공급 계통을 질소 가스의 공급원으로 하는 것을 예시할 수 있다. 불활성 가스 공급계(52)에 있어서의 질소 가스의 공급로는, 수소 가스의 공급로에 합류하거나, 수소 가스의 공급로와는 독립적으로 애노드 가스 공급로(21)에 접속하거나 하는 것을 예시할 수 있다. 불활성 가스 공급계(52)는, 질소 가스의 공급로에 있어서, 질소 가스의 공급을 허용 또는 정지하기 위한 전자 밸브가 설치되어 있다. 이 전자 밸브는, 예컨대, 통전 상태에서는 닫힘 상태가 되어 질소 가스의 공급을 정지하고, 통전되지 않는 상태에서는 열림 상태가 되어 질소 가스의 공급을 허용한다. 따라서, 검지부(45)로부터의 작동 신호의 송신에 의해 통전을 차단하거나, 검지부(45)로부터 통전을 차단하거나 함으로써, 애노드 가스 공급로(21)에 질소 가스의 공급을 시작할 수 있다.
전자 밸브(46)는, 예컨대, 통전 상태에서는 열림 상태가 되어 애노드 가스 배출로(26)로부터 연소기(28)로 연료 가스가 배출되는 것을 허용하고, 통전되지 않는 상태에서는 닫힘 상태가 되어 연료 가스의 배출을 정지한다. 따라서, 검지부(45)로부터의 작동 신호의 송신에 의해 통전을 차단하거나, 검지부(45)로부터 통전을 차단하거나 함으로써, 애노드 가스 배출로(26) 및 재순환로(31)에 연료 가스를 가둘 수 있다. 또한, 전자 밸브(46)는, 타이머 등을 구비하여 통전 차단으로부터 소정 시간 경과 후에 닫힘 상태에서 열림 상태가 되거나, 후술하는 수소 가스의 잔압(殘壓)에 의해 닫힘 상태에서 열림 상태가 되거나 하는 기능을 구비하고 있다.
도 2는 제1 실시형태에 따른 연료전지 시스템의 이상 정지시의 작동을 설명하기 위한 타임 차트이다. 이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 연료전지 시스템(1)의 이상 정지시의 작동에 대해서 상세히 설명한다.
여기서는, 이상 정지로서, 예측치 못한 사태에 의해 연료전지 시스템(1) 전체에 대한 전력 공급이 정지되고, 제어부(40)로의 전력 공급도 정지된 경우에 대해서 설명한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 유지부(50)의 공급 계통으로서 제1 라인 및 제2 라인이 있고, 본 실시형태에서는, 제1 라인을 수소 공급계(51), 제2 라인을 불활성 가스 공급계(52)로 한다.
이상 정지 직전 즉 정상 운전시에 있어서, SOFC(10)는, 예컨대 600℃∼1000℃로 높은 동작 온도로 설정된다. 이 상태에서, 제어부(40)로의 전력 공급이 정지되면, SOFC(10)의 온도가 서서히 저하되지만 잠시동안은 고온 상태가 된다.
또한, 제어부(40)로의 전력 공급이 정지되면, 신호 송신부(41)로부터의 정상 신호 송신의 정지, 혹은, 이상 신호의 송신을 검지부(45)에서 검지한다. 이러한 검지를 조건으로, 검지부(45)는, 유지부(50) 및 전자 밸브(46)에 대하여 작동 신호를 송신하거나, 유지부(50) 및 전자 밸브(46)로의 통전을 차단하거나 한다. 이것에 의해, 유지부(50)에서는, 제1 라인이 되는 수소 공급계(51)에서 수소 가스, 제2 라인이 되는 불활성 가스 공급계(52)에서 질소 가스의 공급을 시작하고, 전자 밸브(46)는 열림 상태에서 닫힘 상태가 된다.
수소 공급계(51)(제1 라인)로부터 수소 가스, 불활성 가스 공급계(52)(제2 라인)로부터 질소 가스가 애노드 가스 공급로(21)를 거쳐 공급됨으로써, 소정 농도의 수소 가스(환원 가스)가 되어 SOFC(10)의 애노드 가스 유로(11)에 공급된다. 이것에 의해, SOFC(10)에 있어서의 연료극(애노드)에서의 환원 상태가 유지되어, 연료극이 산화 반응하여 열화하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 전자 밸브(46)가 닫힘 상태가 됨으로써, 수소 공급계(51) 및 불활성 가스 공급계(52)로부터 공급한 소정 농도의 수소 가스가 애노드 가스 배출로(26)로부터 배출되는 것을 규제할 수 있고, 이것에 의해서도 연료극의 환원 상태 유지에 기여할 수 있다. 또한, 온도 저하에 따라 애노드 가스 유로(11)에서 가스가 수축되지만, 전자 밸브(46)가 닫힘으로써, 계 밖으로부터 애노드 가스 배출로(26)를 통해 애노드 가스 유로(11)로 공기 등이 유입되는 것을 규제할 수 있고, 이것에 의해서도, 연료극의 산화 열화를 방지할 수 있다.
전자 밸브(46)가 닫힘으로써, 애노드 가스 유로(11)를 거친 수소 가스가 재순환로(31)로 유입된다. 다시 말하면, 재순환로(31)가 수소 가스의 버퍼로서 기능하여 축적하게 된다. 또한, 이상 정지시에는 재순환로(31)도 고온 상태가 유지되기 때문에, SOFC(10)에서 발생한 물을 개질수로 하는 증발 열원으로서 이용할 수 있다.
연료극에서 산화 반응이 행해지지 않게 되는 온도 T1(300℃ 내지 500℃, 예컨대 400℃)까지, SOFC(10)의 온도가 저하되면, 수소 공급계(51)(제1 라인)로부터의 수소 가스의 공급을 정지한다. 이 정지 타이밍은, 이러한 온도 T1까지의 SOFC(10)의 냉각 시간을 미리 구해 두고, 그 냉각 시간에 대한 수소 공급계(51)의 공급원에서의 수소 가스의 용량이나, 수소 가스의 공급량을 조정하는 밸브의 개도를 미리 조정함으로써 설정 가능해진다.
또한, 이 타이밍에서는, 수소 가스의 공급이 정지되어 상기 수소 가스의 잔압이 저하되거나, 전자 밸브(46)의 타이머의 작동에 의해 전자 밸브(46)가 닫힘 상태에서 열림 상태가 된다. 또한, 동일한 타이밍에 있어서, 불활성 가스 공급계(52)(제2 라인)로부터의 질소 가스의 공급이 계속된 상태로 한다. 다시 말하면, 불활성 가스 공급계(52)는, 수소 공급계(51)로부터의 수소 가스의 공급이 정지된 후, 연료극에 불활성 가스로서 질소 가스를 공급하기 때문에, 연료극의 수소 가스를 불활성 가스 퍼지할 수 있다. 이러한 불활성 가스 퍼지에 의해, 열림 상태의 전자 밸브(46) 및 애노드 가스 배출로(26)를 통해 수소 가스를 계 밖으로 배출할 수 있어, 안전을 확보할 수 있고, 안전성에 관한 규격을 준수할 수 있다.
그리고, SOFC(10)의 온도가 저하되어 소정 온도 T2까지 도달하고, 연료극에서의 불활성 가스 퍼지가 완료되는 타이밍에, 불활성 가스 공급계(52)(제2 라인)로부터의 질소 가스의 공급을 정지한다. 이 정지 타이밍은, 불활성 가스 퍼지가 완료되는 시간을 미리 구해 두고, 그 시간에 대한 불활성 가스 공급계(52)의 공급원에서의 질소 가스의 용량이나, 질소 가스의 공급량을 조정하는 밸브의 개도를 미리 조정함으로써 설정 가능해진다. 이상에 의해, 제어부(40)의 이상 정지 후의 작동이 완료된다.
또한, 상기에서는, 제어부(40)가 이상 정지된 경우에 대해서 설명하였으나, 전술한 무정전 전원 장치가 이상 정지된 경우에도, 동일한 작동을 실시하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 제어부(40)뿐만 아니라 무정전 전원 장치의 고장 등에 있어서도, SOFC(10)의 연료극이 산화 열화하는 것을 방지할 수 있다.
이상과 같이, 제1 실시형태의 상기 연료전지 시스템(1)에서는, 제어부(40)가 이상 정지된 경우에도, 유지부(50)의 수소 공급계(51)에 의해 환원 가스로서 수소 가스를 SOFC(10)에 공급할 수 있다. 이것에 의해, SOFC(10)의 연료극을 환원 상태로 유지할 수 있어, 고온의 연료극이 산화 열화하는 것을 방지할 수 있다.
다음에, 본 발명의 상기 이외의 실시형태에 대해서 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 설명하는 실시형태보다 전에 기재된 실시형태와 동일하거나 혹은 동등한 구성 부분에 대해서는 동일 부호를 이용하는 경우가 있고, 설명을 생략하거나 혹은 간략하게 하는 경우가 있다.
[제2 실시형태]
다음에, 본 발명의 제2 실시형태에 대해서 도 3을 참조하여 설명한다. 도 3은 제2 실시형태의 연료전지 시스템을 나타낸 블록도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 실시형태에서는, 제1 실시형태에 대하여, 유지부(60)의 구성을 변경하고 있다.
제2 실시형태의 유지부(60)는, 애노드 가스 공급로(21)에 연료 가스(탄화수소계 연료)를 공급하는 연료 공급계(61)를 구비하고 있다. 연료 공급계(61)는, 메탄 가스 등의 연료 가스를 충전한 가스 봄베를 공급원으로 하는 것을 예시할 수 있다. 연료 공급계(61)는, 그 공급로에 있어서, 연료 가스의 공급을 허용 또는 정지하기 위한 전자 밸브를 구비하고, 이러한 전자 밸브는, 전술한 수소 공급계(51)의 전자 밸브와 동일하게 작동한다.
유지부(60)는, 애노드 가스 공급로(21)에 설치된 증발기(62)에 물을 공급하는 물 공급계(63)를 구비하고 있다. 물 공급계(63)는, 순수를 저류하는 탱크를 물의 공급원으로 하는 것을 예시할 수 있다. 물 공급계(63)에 있어서도, 그 공급로에 있어서, 물의 공급을 허용 또는 정지하기 위한 전자 밸브를 구비하고, 이러한 전자 밸브는, 전술한 수소 공급계(51)의 전자 밸브와 동일하게 작동한다.
유지부(60)는, 개질부(64)를 더 구비하고 있다. 개질부(64)는, 연료 공급계(61)로부터 공급된 연료 가스를 증발기(62)에 의해 생성된 수증기를 이용하여 환원 가스로 개질하는 기능을 구비하고 있다. 개질부(64)는, 애노드 가스 유로(11)를 통해 연료극에 환원 가스를 공급한다. 개질부(64)는, 증발기(62)보다 하류측의 애노드 가스 공급로(21)에 설치한 경우를 나타내었으나, SOFC(10) 내부에 설치하여도 좋다.
유지부(60)는, 제1 실시형태와 동일한 불활성 가스 공급계(52)를 더 구비하고 있다.
계속해서, 도 2 및 도 3을 참조하여, 제2 실시형태에 있어서의 연료전지 시스템(1)의 이상 정지시의 작동에 대해서 설명한다. 이하의 설명에서는, 도 2의 제1 라인을 연료 공급계(61) 및 물 공급계(63), 제2 라인을 불활성 가스 공급계(52)로 한다. 전자 밸브(46)의 작동 및 기능은, 제1 실시형태와 동일하므로 설명을 생략한다.
제어부(40)로의 전력 공급이 정지되면, 검지부(45)를 통해 유지부(60)에 있어서, 제1 라인이 되는 연료 공급계(61) 및 물 공급계(63)에서 연료 가스 및 물의 공급을 시작한다. 이 공급에 의해, 전술한 바와 같이 개질부(64)에서 환원 가스로 개질하고, 제2 라인이 되는 불활성 가스 공급계(52)에서 질소 가스의 공급도 시작하기 때문에, 애노드 가스 유로(11)에 소정 농도의 환원 가스가 공급된다. 이것에 의해, SOFC(10)에 있어서의 연료극(애노드)에서의 환원 상태가 유지되어, 연료극이 산화 반응하여 열화하는 것을 방지할 수 있다.
SOFC(10)가 온도 T1까지 저하되면, 연료 공급계(61) 및 물 공급계(63)(제1 라인)로부터의 연료 가스 및 물의 공급을 정지한다. 이 타이밍에서는, 불활성 가스 공급계(52)(제2 라인)로부터의 질소 가스의 공급이 계속된 상태가 되어, 질소 가스에 의해 연료극의 환원 가스를 불활성 가스 퍼지할 수 있다. 그리고, SOFC(10)의 온도가 저하되어 소정 온도 T2까지 도달하고, 연료극에서의 불활성 가스 퍼지가 완료되는 타이밍에, 불활성 가스 공급계(52)로부터의 질소 가스의 공급을 정지한다. 이상에 의해, 제어부(40)의 이상 정지 후의 작동이 완료된다.
제2 실시형태에서는, 상기한 이상 정지시의 작동과는 별도의 작동을 실시할 수 있다. 이러한 별도의 작동에서는, 도 2의 제1 라인을 연료 공급계(61), 제2 라인을 물 공급계(63)로 한다.
제어부(40)로의 전력 공급이 정지되면, 유지부(50)에 있어서, 제1 라인이 되는 연료 공급계(61)에서 연료 가스, 제2 라인이 되는 물 공급계(63)에서 물의 공급을 시작한다. 이 공급에 의해, 증발기(62)에서 수증기를 생성하고, 연료 가스를 개질부(64)에서 환원 가스로 개질하여, 애노드 가스 유로(11)에 소정 농도의 환원 가스가 공급된다. 이것에 의해, SOFC(10)에 있어서의 연료극에서의 환원 상태가 유지된다.
SOFC(10)가 온도 T1까지 저하되면, 연료 공급계(61)(제1 라인)로부터의 연료 가스의 공급을 정지한다. 이 타이밍에서는, 물 공급계(63)(제2 라인)로부터의 물(수증기)의 공급이 계속된 상태가 되어, 수증기에 의해 연료극을 수증기 퍼지할 수 있다. 그리고, SOFC(10)의 온도가 저하되어 소정 온도 T2까지 도달하고, 연료극에서의 수증기 퍼지가 완료되는 타이밍에, 물 공급계(63)로부터의 물의 공급을 정지하고, 제어부(40)의 이상 정지 후의 작동이 완료된다. 또한, 본 실시형태에 있어서, 불활성 가스 공급계(52)를 가지며, 제어부(40)로의 전력 공급이 정지되면 불활성 가스 공급계(52)로부터의 불활성 가스 공급을 시작하여, 수증기 퍼지 완료 후에도 불활성 가스의 공급을 계속하고, 불활성 가스 퍼지의 완료 후에 불활성 가스의 공급을 정지하고, 제어부(40)의 이상 정지 후의 작동을 완료하여도 좋다.
이상과 같이, 제2 실시형태의 상기 연료전지 시스템(1)에서는, 제1 실시형태와 마찬가지로, SOFC(10)의 연료극을 환원 상태로 유지하여 연료극이 산화 열화하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 수소 가스를 공급하기 위한 수소 가스 봄베 등을 준비할 필요가 없어지므로, 설비 부담을 경감할 수 있다.
또한, 개질부(64)을 SOFC(10) 내부에 설치한 경우에는, 연료 공급계(61)로부터의 연료 가스의 개질에 의한 흡열 반응으로 SOFC(10)를 냉각시킬 수 있고, 이것에 의해서도 연료극의 산화 열화를 방지할 수 있다.
[제3 실시형태]
다음에, 본 발명의 제2 실시형태에 대해서 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4는, 제3 실시형태의 연료전지 시스템을 나타낸 블록도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제3 실시형태에서는, 제1 실시형태에 대하여, 유지부(70)의 구성을 변경하고 있다.
제3 실시형태의 유지부(70)는, 애노드 가스 공급로(21)에 암모니아수를 공급하는 암모니아 공급계(71)를 구비하고 있다. 암모니아 공급계(71)는, 암모니아수를 저류하는 탱크를 공급원으로 하는 것을 예시할 수 있다. 암모니아 공급계(71)는, 그 공급로에 있어서, 연료 가스의 공급을 허용 또는 정지하기 위한 전자 밸브를 구비하고, 이러한 전자 밸브는, 전술한 수소 공급계(51)의 전자 밸브와 동일하게 작동한다. 또한, 암모니아 공급계(71)는, 암모니아수 중의 암모니아를 기화시킴과 더불어, 개질하기 위해 물을 증발시키기 위한 암모니아수 증발부(도시하지 않음)도 갖고 있다.
유지부(70)는, 애노드 가스 공급로(21)에 설치된 개질부(74)를 더 구비하고 있다. 개질부(74)는, 암모니아 공급계(71)로부터 공급된 암모니아수 및 수증기에 의해 수소 가스(환원 가스)와 질소 가스(불활성 가스)로 개질하는 기능을 구비하고 있다. 개질부(74)는, 애노드 가스 유로(11)를 통해 연료극에 수소 가스와 질소 가스를 공급한다. 개질부(74)는, 애노드 가스 공급로(21)에 설치한 경우를 나타내었지만, SOFC(10) 내부에 설치하여도 좋다.
유지부(70)는, 제1 실시형태와 동일한 불활성 가스 공급계(52)를 더 구비하고 있다.
계속해서, 도 2 및 도 4를 참조하여, 제3 실시형태에 있어서의 연료전지 시스템(1)의 이상 정지시의 작동에 대해서 설명한다. 이하의 설명에서는, 도 2의 제1 라인을 암모니아 공급계(71), 제2 라인을 불활성 가스 공급계(52)로 한다. 전자 밸브(46)의 작동 및 기능은, 제1 실시형태와 동일하므로 설명을 생략한다.
제어부(40)로의 전력 공급이 정지되면, 검지부(45)를 통해 유지부(70)에 있어서, 제1 라인이 되는 암모니아 공급계(71)에서 암모니아수 및 수증기의 공급을 시작한다. 이 공급에 의해, 전술한 바와 같이 개질부(74)에서 수소 가스(환원 가스)와 질소 가스(불활성 가스)로 개질하여, 제2 라인이 되는 불활성 가스 공급계(52)에서 질소 가스의 공급도 시작하기 때문에, 애노드 가스 유로(11)에 소정 농도의 수소 가스가 공급된다. 이것에 의해, SOFC(10)에 있어서의 연료극(애노드)에서의 환원 상태가 유지되어, 연료극이 산화 반응하여 열화하는 것을 방지할 수 있다.
SOFC(10)가 온도 T1까지 저하되면, 암모니아 공급계(71)(제1 라인)로부터의 암모니아수 및 수증기의 공급을 정지한다. 이 타이밍에서는, 불활성 가스 공급계(52)(제2 라인)로부터의 질소 가스의 공급이 계속된 상태가 되어, 질소 가스에 의해 연료극을 불활성 가스 퍼지할 수 있다. 그리고, SOFC(10)의 온도가 저하되어 소정 온도 T2까지 도달하고, 연료극에서의 불활성 가스 퍼지가 완료되는 타이밍에, 불활성 가스 공급계(52)로부터의 질소 가스의 공급을 정지한다. 이상에 의해, 제어부(40)의 이상 정지 후의 작동이 완료된다.
또한, 제3 실시형태에서는, 불활성 가스 공급계(52)(제2 라인)를 생략하고, 상기한 이상 정지시의 작동에 대하여 질소 가스를 공급하지 않는 구성으로 하여도 좋다.
이상과 같이, 제3 실시형태의 상기 연료전지 시스템(1)에서는, 제1 실시형태와 마찬가지로, SOFC(10)의 연료극을 환원 상태로 유지하여 연료극이 산화 열화하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 수소 가스나 연료 가스를 공급하기 위한 가스 봄베 등을 준비할 필요가 없어지므로, 설비에서의 공간 절약화를 도모할 수 있다.
상기 각 실시형태에서는, 재순환로(31)를 마련한 구성으로 하였지만, 재순환로(31)를 생략하고 애노드 가스 배출로(26)의 배출 가스를 연소기(28)로 배출하여도 좋다. 또한, 재순환로(31)에 대해서 열원으로 하는 것을 설명하였으나, 연료전지 시스템(1) 내에 있어서의 재순환로(31)와는 상이한 지점의 고온부를 열원으로서 이용하여도 좋다.
또한, 본 발명의 각 실시형태를 설명하였으나, 본 발명의 다른 실시형태로서, 상기 각 실시형태를 전체적 또는 부분적으로 조합한 것이어도 좋다.
또한, 본 발명의 실시형태는 상기한 각 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 변경, 치환, 변형되어도 좋다. 나아가서는, 기술의 진보 또는 파생되는 다른 기술에 의해, 본 발명의 기술적 사상을 다른 방법으로 실현할 수 있으면, 그 방법을 이용하여 실시되어도 좋다. 따라서, 특허청구범위는, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에 포함될 수 있는 모든 실시양태를 커버하고 있다.
본 발명의 연료전지 시스템은, 가정용, 업무용, 그 밖의 모든 산업 분야의 연료전지 시스템에 적용하기 적합하다.
본 출원은, 2019년 12월 25일 출원한 일본 특허 출원 제2019-234464호에 기초한다. 이 내용은 전부 여기에 포함시킨다.

Claims (7)

  1. 환원 가스가 공급되는 연료극과 산화제 가스가 공급되는 공기극 사이에 전해질을 두고 환원 가스와 산화제 가스의 전기 화학 반응에 의해 발전하는 고체 산화물형 연료전지와,
    상기 고체 산화물형 연료전지로의 환원 가스 및 산화제 가스의 공급을 제어하는 제어부와,
    상기 제어부로부터 발신되는 상기 제어부의 정상 신호의 정지 및/또는 상기 제어부의 이상 신호를 검지하는 검지부와,
    상기 검지부의 검지 결과에 따라, 상기 연료극을 환원 상태로 유지하는 유지부
    를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유지부는, 상기 연료극에 환원 가스로서 수소를 공급하는 수소 공급계를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유지부는, 탄화수소계 연료를 공급하는 연료 공급계와, 물을 공급하기 위한 물 공급계와, 상기 연료 공급계로부터 공급된 탄화수소계 연료와 상기 물 공급계로부터 공급된 물을 개질하여 상기 연료극에 환원 가스를 공급하는 개질부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유지부는, 상기 연료극에 환원 가스를 공급하기 위한 암모니아 공급계를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료극에 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 공급계
    를 가지며,
    상기 불활성 가스 공급계는, 상기 유지부로부터의 환원 가스의 공급 정지 후에 상기 연료극을 불활성 가스 퍼지하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고체 산화물형 연료전지로부터 배출된 배출 가스를, 상기 연료극에 환원 가스를 공급하는 공급로로 재순환시키는 재순환계
    를 구비하고, 상기 재순환계로 상기 유지부로부터 환원 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료극으로부터의 배출로에 배출 가스를 계 밖으로 배출하는 밸브를 구비하고,
    상기 밸브는, 상기 제어부의 정상 신호의 정지 및/또는 상기 제어부의 이상 신호에 따라 닫힘 상태로 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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