KR20220120626A - 연료 전지 발전 시스템 - Google Patents
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Abstract
연료 전지 발전 시스템은, 연료측 전극, 전해질 및 산소측 전극을 포함하는 연료 전지 셀을 각각 포함하는 적어도 하나의 연료 전지 모듈과, 상기 적어도 하나의 연료 전지 모듈에 포함되는 상기 연료측 전극에 연료 가스를 각각 공급하기 위한 적어도 하나의 연료 공급 라인과, 상기 적어도 하나의 연료 전지 모듈에 포함되는 상기 산소측 전극에 산화성 가스를 각각 공급하기 위한 적어도 하나의 산화성 가스 공급 라인과, 상기 적어도 하나의 연료 전지 모듈 중, 상기 연료 가스의 흐름에 있어서의 최하류측에 위치하는 최하류 모듈로부터 배출되는 배출 연료 가스가 흐르는 최하류 배출 연료 가스 라인을 구비하고, 상기 최하류 배출 연료 가스 라인은, 상기 적어도 하나의 연료 전지 모듈 중 어느 것에 포함되는 상기 산소측 전극에 상기 배출 연료 가스를 공급하도록 구성된다.
Description
본 개시는, 연료 전지 발전 시스템에 관한 것이다.
연료 전지로부터 배출되는 배출 연료 가스에는 메탄, 수소 및 일산화탄소 등의 미이용 연료가 포함된다. 이 때문에, 연료 전지로부터의 배출 연료 가스는, 통상, 소정의 미이용 성분의 배기 가스 중 농도가 규정값(규제값 등) 미만으로 저감되도록 처리를 실시하고 나서, 계외로 방출되도록 되어 있다.
특허문헌 1에는, 연료 전지로부터의 배출 연료 가스를 연소기에서 연소시키고 나서 배출하는 것이 기재되어 있다. 특허문헌 1에 기재된 발전 시스템에서는, 연료 전지로부터의 배기 연료가 흐르는 배출 연료 라인에 촉매 연소기가 마련되어 있다. 촉매 연소기에는, 연료 전지로부터의 배기 공기가 공급되도록 되어 있고, 해당 촉매 연소기에서 배기 공기 중의 산소를 산화제로 하여 배기 연료가 연소되고, 이에 의해 생성되는 연소 가스가, 터빈을 경유하여 배출 가스 라인을 통해 배출되도록 되어 있다.
그런데, 연료 전지로부터 배출되는 배출 연료 가스는, 연료 성분의 농도가 비교적 낮다. 이 때문에, 배출 연료 가스를 연소시키는 연소기로서 화염 연소식의 연소기를 사용하는 경우, 안정적으로 배출 연료 가스를 연소시키기 위해 연료원으로부터 추가 연료를 투입하거나, 혹은, 연소기에서의 실화를 피하기 위해, 배출 연료 가스의 상태(예를 들어 유량이나 조성)가 급격하게 변화되지 않도록 연료 전지의 부하 변화 속도를 제한하거나 할 필요가 있는 경우가 있다. 또한, 상술한 연소기로서 촉매 연소기를 사용하는 경우, 촉매 성능을 유지하기 위해 정기적인 교환이 필요해져, 비용 증가의 요인이 될 수 있다.
상술한 사정을 감안하여, 본 발명의 적어도 일 실시 형태는, 비용 증대를 억제하면서 배출 연료 가스를 적절하게 처리 가능한 연료 전지 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 적어도 일 실시 형태에 관한 연료 전지 발전 시스템은,
연료측 전극, 전해질 및 산소측 전극을 포함하는 연료 전지 셀을 각각 포함하는 적어도 하나의 연료 전지 모듈과,
상기 적어도 하나의 연료 전지 모듈에 포함되는 상기 연료측 전극에 연료 가스를 각각 공급하기 위한 적어도 하나의 연료 공급 라인과,
상기 적어도 하나의 연료 전지 모듈에 포함되는 상기 산소측 전극에 산화성 가스를 각각 공급하기 위한 적어도 하나의 산화성 가스 공급 라인과,
상기 적어도 하나의 연료 전지 모듈 중, 상기 연료 가스의 흐름에 있어서의 최하류측에 위치하는 최하류 모듈로부터 배출되는 배출 연료 가스가 흐르는 최하류 배출 연료 가스 라인을 구비하고,
상기 최하류 배출 연료 가스 라인은, 상기 적어도 하나의 연료 전지 모듈 중 어느 것에 포함되는 상기 산소측 전극에 상기 배출 연료 가스를 공급하도록 구성된다.
본 발명의 적어도 일 실시 형태에 따르면, 비용 증대를 억제하면서 배출 연료 가스를 적절하게 처리 가능한 연료 전지 발전 시스템이 제공된다.
도 1은 일 실시 형태에 관한 SOFC 모듈(연료 전지 모듈)의 개략도이다.
도 2는 일 실시 형태에 관한 SOFC 모듈(연료 전지 모듈)을 구성하는 SOFC 카트리지(연료 전지 카트리지)의 개략적인 단면도이다.
도 3은 일 실시 형태에 관한 SOFC 모듈(연료 전지 모듈)을 구성하는 셀 스택의 개략적인 단면도이다.
도 4a는 몇 가지의 실시 형태에 관한 연료 발전 시스템의 개략 구성도이다.
도 4b는 몇 가지의 실시 형태에 관한 연료 발전 시스템의 개략 구성도이다.
도 5는 일 실시 형태에 관한 연료 발전 시스템의 구성을 도시하는 도면이다.
도 6은 일 실시 형태에 관한 연료 발전 시스템의 구성을 도시하는 도면이다.
도 7은 일 실시 형태에 관한 연료 발전 시스템의 구성을 도시하는 도면이다.
도 8은 일 실시 형태에 관한 연료 발전 시스템의 구성을 도시하는 도면이다.
도 9는 일 실시 형태에 관한 연료 발전 시스템의 구성을 도시하는 도면이다.
도 10은 일 실시 형태에 관한 연료 발전 시스템의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 일 실시 형태에 관한 SOFC 모듈(연료 전지 모듈)을 구성하는 SOFC 카트리지(연료 전지 카트리지)의 개략적인 단면도이다.
도 3은 일 실시 형태에 관한 SOFC 모듈(연료 전지 모듈)을 구성하는 셀 스택의 개략적인 단면도이다.
도 4a는 몇 가지의 실시 형태에 관한 연료 발전 시스템의 개략 구성도이다.
도 4b는 몇 가지의 실시 형태에 관한 연료 발전 시스템의 개략 구성도이다.
도 5는 일 실시 형태에 관한 연료 발전 시스템의 구성을 도시하는 도면이다.
도 6은 일 실시 형태에 관한 연료 발전 시스템의 구성을 도시하는 도면이다.
도 7은 일 실시 형태에 관한 연료 발전 시스템의 구성을 도시하는 도면이다.
도 8은 일 실시 형태에 관한 연료 발전 시스템의 구성을 도시하는 도면이다.
도 9는 일 실시 형태에 관한 연료 발전 시스템의 구성을 도시하는 도면이다.
도 10은 일 실시 형태에 관한 연료 발전 시스템의 구성을 도시하는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 몇 가지의 실시 형태에 대하여 설명한다. 단, 실시 형태로서 기재되어 있거나 또는 도면에 도시되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대적 배치 등은, 본 발명의 범위를 이것에 한정한다는 취지는 아니며, 단순한 설명예에 지나지 않는다.
이하에 있어서는, 설명의 편의상, 지면을 기준으로 하여 「상」 및 「하」의 표현을 사용하여 설명한 각 구성 요소의 위치 관계는, 각각 연직 상방측, 연직 하방측을 나타내는 것이다. 또한, 본 실시 형태에서는, 상하 방향과 수평 방향에서 마찬가지의 효과가 얻어지는 것은, 지면에 있어서의 상하 방향이 반드시 연직 상하 방향에 한정되지는 않고, 예를 들어 연직 방향에 직교하는 수평 방향에 대응해도 된다.
이하에 있어서, 연료 전지 발전 시스템을 구성하는 연료 전지로서 고체 산화물형 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)를 채용한 실시 형태에 대하여 설명하지만, 몇 가지의 실시 형태에서는, 연료 전지 발전 시스템을 구성하는 연료 전지로서, SOFC 이외의 타입의 연료 전지(예를 들어 용해 탄산염형 연료 전지(Molten-carbonate fuel cells, MCFC) 등)를 채용해도 된다.
(연료 전지 모듈의 구성)
먼저, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 몇 가지의 실시 형태에 관한 연료 전지 발전 시스템을 구성하는 연료 전지 모듈에 대하여 설명한다. 도 1은 일 실시 형태에 관한 SOFC 모듈(연료 전지 모듈)의 개략도이다. 도 2는 일 실시 형태에 관한 SOFC 모듈(연료 전지 모듈)을 구성하는 SOFC 카트리지(연료 전지 카트리지)의 개략적인 단면도이다. 도 3은 일 실시 형태에 관한 SOFC 모듈(연료 전지 모듈)을 구성하는 셀 스택의 개략적인 단면도이다.
SOFC 모듈(연료 전지 모듈)(201)은, 도 1에 도시한 바와 같이, 예를 들어 복수의 SOFC 카트리지(연료 전지 카트리지)(203)와, 이들 복수의 SOFC 카트리지(203)를 수납하는 압력 용기(205)를 구비한다. 또한, 도 1에는 원통형의 SOFC의 셀 스택(101)을 예시하고 있지만, 반드시 이것에 한정할 필요는 없고, 예를 들어 평판형의 셀 스택이어도 된다. 또한, SOFC 모듈(201)은, 연료 가스 공급관(207)과 복수의 연료 가스 공급 지관(207a) 및 연료 가스 배출관(209)과 복수의 연료 가스 배출 지관(209a)을 구비한다. 또한, SOFC 모듈(201)은, 산화성 가스 공급관(도시하지 않음)과 산화성 가스 공급 지관(도시하지 않음) 및 산화성 가스 배출관(도시하지 않음)과 복수의 산화성 가스 배출 지관(도시하지 않음)을 구비한다.
연료 가스 공급관(207)은, 압력 용기(205)의 외부에 마련되며, SOFC 모듈(201)의 발전량에 대응하여 소정 가스 조성과 소정 유량의 연료 가스를 공급하는 연료 가스 공급부에 접속됨과 함께, 복수의 연료 가스 공급 지관(207a)에 접속되어 있다. 이 연료 가스 공급관(207)은, 상술한 연료 가스 공급부로부터 공급되는 소정 유량의 연료 가스를, 복수의 연료 가스 공급 지관(207a)에 분기하여 유도하는 것이다. 또한, 연료 가스 공급 지관(207a)은, 연료 가스 공급관(207)에 접속됨과 함께, 복수의 SOFC 카트리지(203)에 접속되어 있다. 이 연료 가스 공급 지관(207a)은, 연료 가스 공급관(207)으로부터 공급되는 연료 가스를 복수의 SOFC 카트리지(203)에 대략 균등한 유량으로 유도하여, 복수의 SOFC 카트리지(203)의 발전 성능을 대략 균일화시키는 것이다.
연료 가스 배출 지관(209a)은, 복수의 SOFC 카트리지(203)에 접속됨과 함께, 연료 가스 배출관(209)에 접속되어 있다. 이 연료 가스 배출 지관(209a)은, SOFC 카트리지(203)로부터 배출되는 배출 연료 가스를 연료 가스 배출관(209)으로 유도하는 것이다. 또한, 연료 가스 배출관(209)은, 복수의 연료 가스 배출 지관(209a)에 접속됨과 함께, 일부가 압력 용기(205)의 외부에 배치되어 있다. 이 연료 가스 배출관(209)은, 연료 가스 배출 지관(209a)으로부터 대략 균등한 유량으로 도출되는 배출 연료 가스를 압력 용기(205)의 외부로 유도하는 것이다.
압력 용기(205)는, 내부의 압력이 0.1㎫ 내지 약 3㎫, 내부의 온도가 대기 온도 내지 약 550℃에서 운용되므로, 내력성과 산화성 가스 중에 포함되는 산소 등의 산화제에 대한 내식성을 보유하는 재질이 이용된다. 예를 들어 SUS304 등의 스테인리스계 재료가 적합하다.
여기서, 본 실시 형태에 있어서는, 복수의 SOFC 카트리지(203)가 집합화되어 압력 용기(205)에 수납되는 양태에 대하여 설명하고 있지만, 이것에 한정되지는 않고 예를 들어, SOFC 카트리지(203)가 집합화되지 않고 압력 용기(205) 내에 수납되는 양태로 할 수도 있다.
SOFC 카트리지(203)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 복수의 셀 스택(101)과, 발전실(215)과, 연료 가스 공급 헤더(217)와, 연료 가스 배출 헤더(219)와, 산화성 가스(공기) 공급 헤더(221)와, 산화성 가스 배출 헤더(223)를 구비한다. 또한, SOFC 카트리지(203)는, 상부 관판(225a)과, 하부 관판(225b)과, 상부 단열체(227a)와, 하부 단열체(227b)를 구비한다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는, SOFC 카트리지(203)는, 연료 가스 공급 헤더(217)와 연료 가스 배출 헤더(219)와 산화성 가스 공급 헤더(221)와 산화성 가스 배출 헤더(223)가 도 2와 같이 배치됨으로써, 연료 가스와 산화성 가스가 셀 스택(101)의 내측과 외측을 대향하여 흐르는 구조로 되어 있지만, 반드시 이럴 필요는 없고, 예를 들어 셀 스택(101)의 내측과 외측을 평행하게 흐르거나, 또는 산화성 가스가 셀 스택(101)의 긴 쪽 방향과 직교하는 방향으로 흐르도록 해도 된다.
발전실(215)은, 상부 단열체(227a)와 하부 단열체(227b) 사이에 형성된 영역이다. 이 발전실(215)은, 셀 스택(101)의 연료 전지 셀(105)이 배치된 영역이며, 연료 가스와 산화성 가스를 전기 화학적으로 반응시켜 발전을 행하는 영역이다. 또한, 이 발전실(215)의 셀 스택(101)의 긴 쪽 방향의 중앙부 부근에서의 온도는, 온도 계측부(온도 센서나 열전대 등)에서 감시되며, 연료 전지 모듈(201)의 정상 운전 시에, 약 700℃ 내지 1000℃의 고온 분위기가 된다.
연료 가스 공급 헤더(217)는, SOFC 카트리지(203)의 상부 케이싱(229a)과 상부 관판(225a)으로 둘러싸인 영역이며, 상부 케이싱(229a)의 상부에 마련된 연료 가스 공급 구멍(231a)에 의해, 연료 가스 공급 지관(207a)과 연통되어 있다. 또한, 복수의 셀 스택(101)은, 상부 관판(225a)과 시일 부재(237a)에 의해 접합되어 있고, 연료 가스 공급 헤더(217)는, 연료 가스 공급 지관(207a)으로부터 연료 가스 공급 구멍(231a)을 통해 공급되는 연료 가스를, 복수의 셀 스택(101)의 기체관(103)의 내부에 대략 균일 유량으로 유도하여, 복수의 셀 스택(101)의 발전 성능을 대략 균일화시키는 것이다.
연료 가스 배출 헤더(219)는, SOFC 카트리지(203)의 하부 케이싱(229b)과 하부 관판(225b)으로 둘러싸인 영역이며, 하부 케이싱(229b)에 구비된 연료 가스 배출 구멍(231b)에 의해, 도시하지 않은 연료 가스 배출 지관(209a)과 연통되어 있다. 또한, 복수의 셀 스택(101)은, 하부 관판(225b)과 시일 부재(237b)에 의해 접합되어 있고, 연료 가스 배출 헤더(219)는, 복수의 셀 스택(101)의 기체관(103)의 내부를 통과하여 연료 가스 배출 헤더(219)에 공급되는 배출 연료 가스를 집약하여, 연료 가스 배출 구멍(231b)을 통해 연료 가스 배출 지관(209a)으로 유도하는 것이다.
SOFC 모듈(201)의 발전량에 대응하여 소정 가스 조성과 소정 유량의 산화성 가스를 산화성 가스 공급 지관으로 분기하여, 복수의 SOFC 카트리지(203)로 공급한다. 산화성 가스 공급 헤더(221)는, SOFC 카트리지(203)의 하부 케이싱(229b)과 하부 관판(225b)과 하부 단열체(지지체)(227b)로 둘러싸인 영역이며, 하부 케이싱(229b)의 측면에 마련된 산화성 가스 공급 구멍(233a)에 의해, 도시하지 않은 산화성 가스 공급 지관과 연통되어 있다. 이 산화성 가스 공급 헤더(221)는, 도시하지 않은 산화성 가스 공급 지관으로부터 산화성 가스 공급 구멍(233a)을 통해 공급되는 소정 유량의 산화성 가스를, 후술하는 산화성 가스 공급 간극(235a)을 통해 발전실(215)로 유도하는 것이다.
산화성 가스 배출 헤더(223)는, SOFC 카트리지(203)의 상부 케이싱(229a)과 상부 관판(225a)과 상부 단열체(지지체)(227a)로 둘러싸인 영역이며, 상부 케이싱(229a)의 측면에 마련된 산화성 가스 배출 구멍(233b)에 의해, 도시하지 않은 산화성 가스 배출 지관과 연통되어 있다. 이 산화성 가스 배출 헤더(223)는, 발전실(215)로부터, 후술하는 산화성 가스 배출 간극(235b)을 통해 산화성 가스 배출 헤더(223)에 공급되는 배출 산화성 가스를, 산화성 가스 배출 구멍(233b)을 통해 도시하지 않은 산화성 가스 배출 지관으로 유도하는 것이다.
상부 관판(225a)은, 상부 케이싱(229a)의 천장판과 상부 단열체(227a) 사이에, 상부 관판(225a)과 상부 케이싱(229a)의 천장판과 상부 단열체(227a)가 대략 평행하게 되도록, 상부 케이싱(229a)의 측판에 고정되어 있다. 또한 상부 관판(225a)은, SOFC 카트리지(203)에 구비되는 셀 스택(101)의 개수에 대응한 복수의 구멍을 갖고, 해당 구멍에는 셀 스택(101)이 각각 삽입되어 있다. 이 상부 관판(225a)은, 복수의 셀 스택(101)의 한쪽의 단부를 시일 부재(237a) 및 접착 부재 중 어느 한쪽 또는 양쪽을 통해 기밀하게 지지함과 함께, 연료 가스 공급 헤더(217)와 산화성 가스 배출 헤더(223)를 격리하는 것이다.
상부 단열체(227a)는, 상부 케이싱(229a)의 하단부에, 상부 단열체(227a)와 상부 케이싱(229a)의 천장판과 상부 관판(225a)이 대략 평행하게 되도록 배치되며, 상부 케이싱(229a)의 측판에 고정되어 있다. 또한, 상부 단열체(227a)에는, SOFC 카트리지(203)에 구비되는 셀 스택(101)의 개수에 대응하여, 복수의 구멍이 마련되어 있다. 이 구멍의 직경은 셀 스택(101)의 외경보다도 크게 설정되어 있다. 상부 단열체(227a)는, 이 구멍의 내면과, 상부 단열체(227a)에 삽입 관통된 셀 스택(101)의 외면 사이에 형성된 산화성 가스 배출 간극(235b)을 구비한다.
이 상부 단열체(227a)는, 발전실(215)과 산화성 가스 배출 헤더(223)를 칸막 이하는 것이며, 상부 관판(225a)의 주위의 분위기가 고온화되어 강도 저하나 산화성 가스 중에 포함되는 산화제에 의한 부식이 증가되는 것을 억제한다. 상부 관판(225a) 등은 인코넬 등의 고온 내구성이 있는 금속 재료로 이루어지지만, 상부 관판(225a) 등이 발전실(215) 내의 고온에 노출되어 상부 관판(225a) 등 내의 온도차가 커짐으로써 열변형되는 것을 방지하는 것이다. 또한, 상부 단열체(227a)는, 발전실(215)을 통과하여 고온에 노출된 배출 산화성 가스를, 산화성 가스 배출 간극(235b)을 통과시켜 산화성 가스 배출 헤더(223)로 유도하는 것이다.
본 실시 형태에 따르면, 상술한 SOFC 카트리지(203)의 구조에 의해, 연료 가스와 산화성 가스가 셀 스택(101)의 내측과 외측을 대향하여 흐르는 것으로 되어 있다. 이것에 의해, 배출 산화성 가스는, 기체관(103)의 내부를 통해 발전실(215)에 공급되는 연료 가스와의 사이에서 열교환이 이루어져, 금속 재료를 포함하는 상부 관판(225a) 등이 좌굴 등의 변형을 하지 않는 온도로 냉각되어 산화성 가스 배출 헤더(223)에 공급된다. 또한, 연료 가스는, 발전실(215)로부터 배출되는 배출 산화성 가스와의 열교환에 의해 승온되어, 발전실(215)에 공급된다. 그 결과, 히터 등을 사용하지 않고 발전에 적합한 온도로 예열 승온된 연료 가스를 발전실(215)에 공급할 수 있다.
하부 관판(225b)은, 하부 케이싱(229b)의 저판과 하부 단열체(227b) 사이에, 하부 관판(225b)과 하부 케이싱(229b)의 저판과 하부 단열체(227b)가 대략 평행하게 되도록 하부 케이싱(229b)의 측판에 고정되어 있다. 또한 하부 관판(225b)은, SOFC 카트리지(203)에 구비되는 셀 스택(101)의 개수에 대응한 복수의 구멍을 갖고, 해당 구멍에는 셀 스택(101)이 각각 삽입되어 있다. 이 하부 관판(225b)은, 복수의 셀 스택(101)의 다른 쪽의 단부를 시일 부재(237b) 및 접착 부재 중 어느 한쪽 또는 양쪽을 통해 기밀하게 지지함과 함께, 연료 가스 배출 헤더(219)와 산화성 가스 공급 헤더(221)를 격리하는 것이다.
하부 단열체(227b)는, 하부 케이싱(229b)의 상단부에, 하부 단열체(227b)와 하부 케이싱(229b)의 저판과 하부 관판(225b)이 대략 평행하게 되도록 배치되며, 하부 케이싱(229b)의 측판에 고정되어 있다. 또한, 하부 단열체(227b)에는, SOFC 카트리지(203)에 구비되는 셀 스택(101)의 개수에 대응하여, 복수의 구멍이 마련되어 있다. 이 구멍의 직경은 셀 스택(101)의 외경보다도 크게 설정되어 있다. 하부 단열체(227b)는, 이 구멍의 내면과, 하부 단열체(227b)에 삽입 관통된 셀 스택(101)의 외면 사이에 형성된 산화성 가스 공급 간극(235a)을 구비한다.
이 하부 단열체(227b)는, 발전실(215)과 산화성 가스 공급 헤더(221)를 칸막 이하는 것이며, 하부 관판(225b)의 주위의 분위기가 고온화되어 강도 저하나 산화성 가스 중에 포함되는 산화제에 의한 부식이 증가되는 것을 억제한다. 하부 관판(225b) 등은 인코넬 등의 고온 내구성이 있는 금속 재료로 이루어지지만, 하부 관판(225b) 등이 고온에 노출되어 하부 관판(225b) 등 내의 온도차가 커짐으로써 열변형되는 것을 방지하는 것이다. 또한, 하부 단열체(227b)는, 산화성 가스 공급 헤더(221)에 공급되는 산화성 가스를, 산화성 가스 공급 간극(235a)을 통과시켜 발전실(215)로 유도하는 것이다.
본 실시 형태에 따르면, 상술한 SOFC 카트리지(203)의 구조에 의해, 연료 가스와 산화성 가스가 셀 스택(101)의 내측과 외측을 대향하여 흐르는 것으로 되어 있다. 이것에 의해, 기체관(103)의 내부를 통해 발전실(215)을 통과한 배출 연료 가스는, 발전실(215)에 공급되는 산화성 가스와의 사이에서 열교환이 이루어져, 금속 재료를 포함하는 하부 관판(225b) 등이 좌굴 등의 변형을 하지 않는 온도로 냉각되어 연료 가스 배출 헤더(219)에 공급된다. 또한, 산화성 가스는 배출 연료 가스와의 열교환에 의해 승온되어, 발전실(215)에 공급된다. 그 결과, 히터 등을 사용하지 않고 발전에 필요한 온도로 승온된 산화성 가스를 발전실(215)에 공급할 수 있다.
발전실(215)에서 발전된 직류 전력은, 복수의 연료 전지 셀(105)에 마련한 Ni/YSZ 등으로 이루어지는 리드막(115)에 의해 셀 스택(101)의 단부 부근까지 도출된 후에, SOFC 카트리지(203)의 집전봉(도시하지 않음)에 집전판(도시하지 않음)을 통해 집전되어, 각 SOFC 카트리지(203)의 외부로 취출된다. 상기 집전봉에 의해 SOFC 카트리지(203)의 외부로 도출된 직류 전력은, 각 SOFC 카트리지(203)의 발전 전력이 소정의 직렬수 및 병렬수로 서로 접속되어, SOFC 모듈(201)의 외부로 도출되어, 도시하지 않은 파워 컨디셔너 등의 전력 변환 장치(인버터 등)에 의해 소정의 교류 전력으로 변환되어, 전력 공급처(예를 들어, 부하 설비나 전력 계통)로 공급된다.
도 3에 도시한 바와 같이, 셀 스택(101)은, 일례로서 원통 형상의 기체관(103)과, 기체관(103)의 외주면에 복수 형성된 연료 전지 셀(105)과, 인접하는 연료 전지 셀(105) 사이에 형성된 인터커넥터(107)를 구비한다. 연료 전지 셀(105)은, 연료측 전극(109)과 고체 전해질막(전해질)(111)과 산소측 전극(113)이 적층되어 형성되어 있다. 또한, 셀 스택(101)은, 기체관(103)의 외주면에 형성된 복수의 연료 전지 셀(105) 중, 기체관(103)의 축 방향에 있어서 가장 단부의 일단에 형성된 연료 전지 셀(105)의 산소측 전극(113)에, 인터커넥터(107)를 통해 전기적으로 접속된 리드막(115)을 구비하고, 가장 단부의 타단에 형성된 연료 전지 셀(105)의 연료측 전극(109)에 전기적으로 접속된 리드막(115)을 구비한다.
기체관(103)은, 다공질 재료로 이루어지며, 예를 들어 CaO 안정화 ZrO2(CSZ), CSZ와 산화니켈(NiO)의 혼합물(CSZ+NiO), 또는 Y2O3 안정화 ZrO2(YSZ), 또는 MgAl2O4 등이 주성분으로 된다. 이 기체관(103)은, 연료 전지 셀(105)과 인터커넥터(107)와 리드막(115)을 지지함과 함께, 기체관(103)의 내주면에 공급되는 연료 가스를 기체관(103)의 세공을 통해 기체관(103)의 외주면에 형성되는 연료측 전극(109)에 확산시키는 것이다.
연료측 전극(109)은, Ni와 지르코니아계 전해질 재료의 복합재의 산화물로 구성되고, 예를 들어 Ni/YSZ가 사용된다. 연료측 전극(109)의 두께는 50㎛ 내지 250㎛이며, 연료측 전극(109)은 슬러리를 스크린 인쇄하여 형성되어도 된다. 이 경우, 연료측 전극(109)은, 연료측 전극(109)의 성분인 Ni가 연료 가스에 대하여 촉매 작용을 구비한다. 이 촉매 작용은, 기체관(103)을 통해 공급된 연료 가스, 예를 들어 메탄(CH4)과 수증기의 혼합 가스를 반응시켜, 수소(H2)와 일산화탄소(CO)로 개질하는 것이다. 또한, 연료측 전극(109)은, 개질에 의해 얻어지는 수소(H2) 및 일산화탄소(CO)와, 고체 전해질막(111)을 통해 공급되는 산소 이온(O2-)을 고체 전해질막(111)과의 계면 부근에 있어서 전기 화학적으로 반응시켜 물(H2O) 및 이산화탄소(CO2)를 생성하는 것이다. 또한, 연료 전지 셀(105)은, 이때, 산소 이온으로부터 방출되는 전자에 의해 발전한다.
고체 산화물형 연료 전지의 연료측 전극(109)에 공급하여 이용할 수 있는 연료 가스로서는, 수소(H2) 및 일산화탄소(CO), 메탄(CH4) 등의 탄화수소계 가스, 도시 가스, 천연 가스 이외에, 석유, 메탄올, 및 석탄 등의 탄소 함유 원료를 가스화 설비에 의해 제조한 가스화 가스 등을 들 수 있다.
고체 전해질막(111)은, 가스를 통과시키기 어려운 기밀성과, 고온에서 높은 산소 이온 도전성을 구비하는 YSZ가 주로 사용된다. 이 고체 전해질막(111)은, 산소측 전극에서 생성되는 산소 이온(O2-)을 연료측 전극으로 이동시키는 것이다. 연료측 전극(109)의 표면 상에 위치하는 고체 전해질막(111)의 막 두께는 10㎛ 내지 100㎛이며 고체 전해질막(111)은 슬러리를 스크린 인쇄하여 형성되어도 된다.
산소측 전극(113)은, 예를 들어 LaSrMnO3계 산화물, 또는 LaCoO3계 산화물로 구성되고, 산소측 전극(113)은 슬러리를 스크린 인쇄 또는 디스펜서를 사용하여 도포된다. 이 산소측 전극(113)은, 고체 전해질막(111)과의 계면 부근에 있어서, 공급되는 공기 등의 산화성 가스 중의 산소를 해리시켜 산소 이온(O2-)을 생성하는 것이다.
산소측 전극(113)은 2층 구성으로 할 수도 있다. 이 경우, 고체 전해질막(111)측의 산소측 전극층(산소측 전극 중간층)은 높은 이온 도전성을 나타내고, 촉매 활성이 우수한 재료로 구성된다. 산소측 전극 중간층 상의 산소측 전극층(산소측 전극 도전층)은, Sr 및 Ca 도프 LaMnO3로 표시되는 페로브스카이트형 산화물로 구성되어도 된다. 이렇게 함으로써, 발전 성능을 보다 향상시킬 수 있다.
산화성 가스란, 산소를 대략 15％ 내지 30％ 포함하는 가스이며, 대표적으로는 공기가 적합하지만, 공기 이외에도 연소 배기 가스와 공기의 혼합 가스나, 산소와 공기의 혼합 가스 등이 사용 가능하다.
인터커넥터(107)는, SrTiO3계 등의 M1- xLxTiO3(M은 알칼리 토류 금속 원소, L은 란타노이드 원소)로 표시되는 도전성 페로브스카이트형 산화물로 구성되고, 슬러리를 스크린 인쇄한다. 인터커넥터(107)는, 연료 가스와 산화성 가스가 혼합되지 않도록 치밀한 막으로 되어 있다. 또한, 인터커넥터(107)는, 산화 분위기와 환원 분위기의 양쪽 분위기 하에서 안정된 내구성과 전기 도전성을 구비한다. 이 인터커넥터(107)는, 인접하는 연료 전지 셀(105)에 있어서, 한쪽의 연료 전지 셀(105)의 산소측 전극(113)과 다른 쪽의 연료 전지 셀(105)의 연료측 전극(109)을 전기적으로 접속하고, 인접하는 연료 전지 셀(105)끼리를 직렬로 접속하는 것이다.
리드막(115)은, 전자 전도성을 구비하는 것, 및 셀 스택(101)을 구성하는 다른 재료와의 열팽창 계수가 가까운 것이 필요하기 때문에, Ni/YSZ 등의 Ni와 지르코니아계 전해질 재료의 복합재나 SrTiO3계 등의 M1-xLxTiO3(M은 알칼리 토류 금속 원소, L은 란타노이드 원소)로 구성되어 있다. 이 리드막(115)은, 인터커넥터(107)에 의해 직렬로 접속되는 복수의 연료 전지 셀(105)에서 발전된 직류 전력을 셀 스택(101)의 단부 부근까지 도출하는 것이다.
몇 가지의 실시 형태에서는, 상술한 바와 같이 연료측 전극 또는 산소측 전극과 기체관을 제각각 마련하는 것이 아니라, 연료측 전극 또는 산소측 전극을 두껍게 형성하여 기체관을 겸용하도록 해도 된다. 또한, 본 실시 형태에서의 기체관은 원통 형상을 사용한 것으로 설명하지만, 기체관은 통형이면 되고, 반드시 단면이 원형에 한정되지는 않고, 예를 들어 타원 형상이어도 된다. 원통의 둘레 측면을 수직으로 압궤한 편평 원통(Flat tubular) 등의 셀 스택이어도 된다.
(연료 전지 발전 시스템의 구성)
다음에, 도 4a 내지 도 10을 참조하여, 몇 가지의 실시 형태에 관한 연료 전지 발전 시스템(이하, 「발전 시스템」 이라고도 함)에 대하여 설명한다. 도 4a 및 도 4b는, 몇 가지의 실시 형태에 관한 연료 발전 시스템의 개략 구성도이다. 도 5 내지 도 10은, 각각, 일 실시 형태에 관한 연료 발전 시스템의 구성을 도시하는 도면이다.
도 4a 및 도 4b에 도시한 바와 같이, 일 실시계 형태에 관한 발전 시스템(연료 전지 발전 시스템)(1)은, 적어도 하나의 연료 전지 모듈(201)(도 1 참조)을 포함하는 연료 전지부(10)와, 연료 전지부(10)에 연료 가스를 공급하기 위한 연료 공급 라인(20)과, 연료 전지부(10)에 산화성 가스(예를 들어 공기)를 공급하기 위한 산화성 가스 공급 라인(40)과, 연료 전지부(10)로부터의 배출 연료 가스가 흐르는 배출 연료 가스 라인(22)과, 연료 전지부(10)로부터의 배출 산화성 가스가 흐르는 배출 산화성 가스 라인(42)을 구비한다.
몇 가지의 실시 형태에서는, 산화성 가스 공급 라인(40)에, 연료 전지부(10)에 공급되는 산화성 가스를 승압하기 위한 승압기(예를 들어 도 4b에 도시한 압축기(50))가 마련되어, 승압기에서 승압된 산화성 가스가 연료 전지 모듈(201)의 산소측 전극(113)에 공급되도록 되어 있다. 상술한 승압기는, 예를 들어 압축기 또는 블로워여도 된다.
몇 가지의 실시 형태에서는, 배출 산화성 가스 라인(42)에, 배출 산화성 가스에 의해 구동되도록 구성된 터빈(52)이 마련된다. 도 4b에 도시한 바와 같이, 압축기(50)와 터빈(52)은, 회전 샤프트(54)를 통해 접속되어, 터빈(52)에 의해 압축기(50)가 회전 구동되도록 되어 있어도 된다. 혹은, 터빈(52)에는, 해당 터빈(52)에 의해 구동되도록 구성된 발전기가 접속되어 있어도 된다.
도 5 내지 도 10에 도시한 바와 같이, 연료 전지부(10)는, 적어도 하나의 연료 전지 모듈(201)을 포함한다. 이미 설명한 바와 같이, 연료 전지 모듈(201)은, 1 이상의 연료 전지 카트리지(203)를 구비하고 있고, 연료 전지 카트리지(203)는, 복수의 연료 전지 셀(105)을 각각 포함하는 복수의 셀 스택(101)에 의해 구성되어 있다(도 1 및 도 2 참조). 연료 전지 셀(105)의 각각은, 연료측 전극(109), 전해질(111) 및 산소측 전극(113)을 포함한다(도 3 참조).
도 5 및 도 6에 도시한 예시적인 실시 형태에서는, 연료 전지부(10)는, 1개의 연료 전지 모듈(201), 즉 제1 연료 전지 모듈(201A)을 포함한다. 도 7 내지 도 10에 도시한 예시적인 실시 형태에서는, 연료 전지부(10)는, 2개의 연료 전지 모듈(201), 즉, 제1 연료 전지 모듈(201A) 및 제2 연료 전지 모듈(201B)을 포함한다.
도 5 내지 도 10에 도시한 바와 같이, 연료 공급 라인(20)은, 연료 전지 모듈(201)의 각각에 포함되는 연료측 전극(109)(즉, 연료 전지 모듈(201)을 구성하는 연료 전지 셀(105)의 연료측 전극(109))에 연료 가스를 공급하도록 구성된다.
도 5 및 도 6에 도시한 예시적인 실시 형태에서는, 연료 공급 라인(20)은, 제1 연료 전지 모듈(201A)의 연료측 전극(109)에 연료 가스를 공급하기 위한 제1 연료 공급 라인(20a)을 포함한다.
도 7 내지 도 10에 도시한 예시적인 실시 형태에서는, 연료 공급 라인(20)은, 제1 연료 전지 모듈(201A)의 연료측 전극(109)에 연료 가스를 공급하기 위한 제1 연료 공급 라인(20a)과, 제2 연료 전지 모듈(201B)의 연료측 전극(109)에 연료 가스를 공급하기 위한 제2 연료 공급 라인(20b)을 포함한다. 또한, 복수의 연료 전지 모듈(201A, 201B)은, 연료 가스의 흐름에 있어서 직렬로 배열된다. 즉, 2개의 연료 전지 모듈(201A, 201B) 중, 연료 가스 흐름의 상류측에 위치하는 제1 연료 전지 모듈(201A)의 연료측 전극(109)에는 제1 연료 공급 라인(20a)을 통해 연료 가스가 공급된다. 또한, 연료 가스 흐름의 하류측에 위치하는 제2 연료 전지 모듈(201B)의 연료측 전극(109)에는, 제1 연료 전지 모듈(201A)로부터의 배출 연료 가스가, 제2 연료 공급 라인(20b)을 통해 공급된다.
또한, 상술한 제1 연료 공급 라인(20a) 및 제2 연료 공급 라인(20b)은, 각각, 각 연료 전지 모듈(201)에 있어서의 연료 가스 공급관(207) 및 연료 가스 공급 지관(207a)(도 1 참조)에 대응한다.
연료 전지부(10)에 포함되는 연료 전지 모듈(201) 중, 연료 가스의 흐름에 있어서의 최하류측에 위치하는 연료 전지 모듈(201)은, 최하류 모듈(14)이다. 즉, 도 5 및 도 6에 도시한 실시 형태에 있어서의 연료 전지 모듈(201)은 최하류 모듈(14)이다. 또한, 도 7 내지 도 10에 도시한 실시 형태에 있어서의 제2 연료 전지 모듈(201B)은 최하류 모듈(14)이다. 또한, 도 7 내지 도 10에 도시한 실시 형태에 있어서, 연료 가스의 흐름에 있어서 제2 연료 전지 모듈(201B)보다도 상류측에 위치하는 제1 연료 전지 모듈(201A)은, 상류측 모듈(16)이다.
연료 전지 모듈(201)로부터의 배출 연료 가스는, 배출 연료 가스 라인[22(22a, 22b)]을 통해 배출된다.
도 5 내지 도 6에 도시한 예시적인 실시 형태에서는, 제1 연료 전지 모듈(201A)로부터의 배출 연료 가스는, 제1 배출 연료 가스 라인(22a)을 통해 배출된다. 제1 배출 연료 가스 라인(22a)은, 최하류 모듈(14)(제1 연료 전지 모듈(201A))로부터 배출되는 배출 연료 가스가 흐르는 최하류 배출 연료 가스 라인(21)이다.
도 7 내지 도 10에 도시한 예시적인 실시 형태에서는, 제1 연료 전지 모듈(201A)로부터의 배출 연료 가스는 제1 배출 연료 가스 라인(22a)을 통해 배출되고, 제2 연료 전지 모듈(201B)로부터의 배출 연료 가스는 제2 배출 연료 가스 라인(22b)을 통해 배출된다. 제2 배출 연료 가스 라인(22b)은, 최하류 모듈(14)(제2 연료 전지 모듈(201B))로부터 배출되는 배출 연료 가스가 흐르는 최하류 배출 연료 가스 라인(21)이다.
또한, 상술한 제1 배출 연료 가스 라인(22a) 및 제2 배출 연료 가스 라인(22b)은, 각각, 각 연료 전지 모듈(201)에 있어서의 연료 가스 배출관(209) 및 연료 가스 배출 지관(209a)(도 1 참조)에 대응한다.
도 5 내지 도 10에 도시한 바와 같이, 산화성 가스 공급 라인(40)은, 연료 전지 모듈(201)의 각각에 포함되는 산소측 전극(113)(즉, 연료 전지 모듈(201)을 구성하는 연료 전지 셀(105)의 산소측 전극(113))에 산화성 가스를 공급하도록 구성된다.
도 5 및 도 6에 도시한 예시적인 실시 형태에서는, 산화성 가스 공급 라인(40)은, 제1 연료 전지 모듈(201A)의 산소측 전극(113)에 산화성 가스를 공급하기 위한 제1 산화성 가스 공급 라인(40a)을 포함한다.
도 7 내지 도 10에 도시한 예시적인 실시 형태에서는, 산화성 가스 공급 라인(40)은, 제1 연료 전지 모듈(201A)의 산소측 전극(113)에 산화성 가스를 공급하기 위한 제1 산화성 가스 공급 라인(40a)과, 제2 연료 전지 모듈(201B)의 산소측 전극(113)에 산화성 가스를 공급하기 위한 제2 산화성 가스 공급 라인(40b)을 포함한다. 제1 산화성 가스 공급 라인(40a)과 제2 산화성 가스 공급 라인(40b)은, 제1 연료 전지 모듈(201A)보다도 상류측의 위치에서 서로로부터 분기되어 있다.
또한, 상술한 제1 산화성 가스 공급 라인(40a) 및 제2 산화성 가스 공급 라인(40b)은, 각각, 각 연료 전지 모듈(201)에 있어서의 산화성 가스 공급관 및 산화성 가스 공급 지관(도 1에 있어서 도시하지 않음)에 대응한다.
연료 전지 모듈(201)로부터의 배출 산화성 가스는, 배출 산화성 가스 라인[42(42a, 42b)]을 통해 배출된다.
도 5 내지 도 6에 도시한 예시적인 실시 형태에서는, 제1 연료 전지 모듈(201A)로부터의 배출 산화성 가스는, 제1 배출 산화성 가스 라인(42a)을 통해 배출된다.
도 7 내지 도 10에 도시한 예시적인 실시 형태에서는, 제1 연료 전지 모듈(201A)로부터의 배출 산화성 가스는 제1 배출 산화성 가스 라인(42a)을 통해 배출되고, 제2 연료 전지 모듈(201B)로부터의 배출 산화성 가스는 제2 배출 산화성 가스 라인(42b)을 통해 배출된다. 도 7 내지 도 10에 도시한 바와 같이, 제1 배출 산화성 가스 라인(42a)과 제2 배출 산화성 가스 라인(42b)이 접속되어, 복수의 연료 전지 모듈(201)로부터의 배출 산화성 가스가 합류하여 배출되도록 되어 있어도 된다.
또한, 상술한 제1 배출 산화성 가스 라인(42a) 및 제2 배출 산화성 가스 라인(42b)은, 각각, 각 연료 전지 모듈(201)에 있어서의 산화성 가스 배출관 및 산화성 가스 배출 지관(도 1에 있어서 도시하지 않음)에 대응한다.
몇 가지의 실시 형태에서는, 발전 시스템(1)은, 어느 것의 연료 전지 모듈(201)로부터 배출되는 배출 연료 가스를, 해당 연료 전지 모듈(201)에 대응하는 연료 공급 라인(20)에 재순환시키기 위한 재순환 라인(24)과, 재순환 라인(24)에 마련된 재순환 블로워(23)를 포함한다.
도 5 내지 도 10에 도시한 예시적인 실시 형태에서는, 재순환 라인(24)은, 제1 연료 전지 모듈(201A)로부터 제1 배출 연료 가스 라인(22a)을 통해 배출된 배출 연료 가스를, 제1 연료 공급 라인(20a)에 재순환시키도록 구성되어 있다. 제1 배출 연료 가스 라인(22a)의 일부는, 재순환 라인(24)의 일부를 구성하고, 재순환 블로워(23)는, 재순환 라인(24)을 구성하는 제1 배출 연료 가스 라인(22a)의 부위에 마련되어 있다.
몇 가지의 실시 형태에서는, 최하류 배출 연료 가스 라인(21)은, 연료 전지부(10)에 포함되는 연료 전지 모듈(201) 중 어느 것에 포함되는 산소측 전극(113)에, 최하류 모듈(14)로부터의 배출 연료 가스를 공급하도록 구성된다. 최하류 배출 연료 가스 라인(21)은, 상술한 어느 것의 연료 전지 모듈(201)에 대응하는 산화성 가스 공급 라인(40)에 접속되어, 산화성 가스 공급 라인(40)을 통해 해당 연료 전지 모듈(201)의 산소측 전극(113)에 배출 연료 가스를 공급하도록 되어 있어도 된다. 즉, 산화성 가스 공급 라인(40)으로부터 연료 전지 모듈(201)의 산소측 전극(113)에 공급되는 산화성 가스에, 최하류 배출 연료 가스 라인(21)으로부터의 배출 연료 가스를 혼합시키도록 해도 된다.
도 5 및 도 6에 도시한 예시적인 실시 형태에서는, 제1 연료 전지 모듈(201A)(최하류 모듈(14))에 대응하는 제1 배출 연료 가스 라인(22a)을 포함하는 최하류 배출 연료 가스 라인(21)은, 제1 연료 전지 모듈(201A)에 대응하는 제1 산화성 가스 공급 라인(40a)에 접속되어 있다. 그리고, 제1 연료 전지 모듈(201A)로부터의 배출 연료 가스는, 최하류 배출 연료 가스 라인(21)(제1 배출 연료 가스 라인(22a)을 포함함) 및 제1 산화성 가스 공급 라인(40a)을 통해, 제1 연료 전지 모듈(201A)에 포함되는 산소측 전극(113)에 공급된다.
도 7 내지 도 10에 도시한 예시적인 실시 형태에서는, 제2 연료 전지 모듈(201B)(최하류 모듈(14))에 대응하는 제2 배출 연료 가스 라인(22b)을 포함하는 최하류 배출 연료 가스 라인(21)은, 제1 연료 전지 모듈(201A)에 대응하는 제1 산화성 가스 공급 라인(40a)에 접속되는 제1 분기 라인(30)과, 제2 연료 전지 모듈(201B)에 대응하는 제2 산화성 가스 공급 라인(40b)에 접속되는 제2 분기 라인(32)을 포함한다. 그리고, 제2 연료 전지 모듈(201B)로부터의 배출 연료 가스는, 최하류 배출 연료 가스 라인(21)(제2 배출 연료 가스 라인(22b) 및 제1 분기 라인(30)을 포함함) 및 제1 산화성 가스 공급 라인(40a)을 통해 제1 연료 전지 모듈(201A)에 포함되는 산소측 전극(113)에 공급됨과 함께, 최하류 배출 연료 가스 라인(21)(제2 배출 연료 가스 라인(22b) 및 제2 분기 라인(32)을 포함함) 및 제2 산화성 가스 공급 라인(40b)을 통해 제2 연료 전지 모듈(201B)에 포함되는 산소측 전극(113)에 공급된다.
연료 전지 셀의 산소측 전극은, 연료 성분과 산소의 촉매 연소 반응에 있어서의 촉매로서 작용하는 구조를 갖는 경우가 있다. 상술한 실시 형태에 따르면, 최하류 모듈(14)로부터 배출되는 배출 연료 가스를, 어느 것의 연료 전지 모듈(201)의 산소측 전극(113)에 공급하도록 하였으므로, 배출 연료 가스에 포함되는 미이용 연료 성분을 산소측 전극(113)의 촉매 작용을 이용하여 적절하게 연소시킬 수 있다. 즉, 연료 전지 모듈(201)의 운전 중, 발전실(215)은 600 내지 1000℃ 정도의 고온이며, 이 때문에, 산소측 전극(113)에 있어서의 촉매 연소 반응에 있어서 미연소의 우려가 없고, 또한, 촉매 연소 반응은 무염 연소이기 때문에, 실화의 우려도 없다. 따라서, 산소측 전극(113)에서, 배출 연료 가스 중의 미이용 연료 성분을 안정적으로 연소시킬 수 있다. 따라서, 배출 연료 가스가 흐르는 유로에 통상 마련되는 연소기(즉, 연료 전지 모듈로부터의 배출 연료 가스와 배출 산화성 가스를 연소시키기 위한 연소기)를 생략하여 비용 증대를 억제하면서, 배출 연료 가스를 적절하게 처리할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 연소기를 생략할 수 있기 때문에, 그만큼 계통 압력 손실이 저하되어, 연료 공급 동력 및 산화성 가스 공급 동력(승압 장치 등의 동력)을 삭감할 수 있다.
또한, 상술한 실시 형태에 따르면, 연료 전지 모듈(201)의 산소측 전극(113)에서 배출 연료 가스 중의 미이용 연료 성분을 연소시키도록 하였으므로, 이 연소에 의해 생성되는 열을 이용하여 연료 전지 모듈(201)에 있어서의 온도의 변동을 억제할 수 있다. 따라서, 연료 전지 모듈(201)의 발전 효율을 높일 수 있고, 이에 의해, 발전 시스템(1)의 효율을 향상시킬 수 있다.
즉, 연료 전지 모듈(201) 내에 온도 분포가 있는 경우, 연료 전지 모듈(201)에 있어서의 최고 온도를 허용값 이하로 억제하여 운전할 필요가 있기 때문에, 저온의 부위에 있어서의 발전 효율이 저하된다. 따라서, 상술한 바와 같이, 산소측 전극(113)에서의 연소 반응으로 발생하는 열을 이용하여, 연료 전지 모듈(201)에 있어서의 비교적 저온의 부위의 온도를 상승시킴으로써, 예를 들어 연료 전지 모듈(201)을 구성하는 연료 전지 카트리지(203)의 내부의 면내 온도 분포를 완화할 수 있다. 혹은, 복수의 연료 전지 카트리지(203)마다 배출 연료 가스의 공급량을 조정하면, 연료 전지 카트리지(203) 간의 온도 분포도 완화할 수 있다. 이와 같이 하여, 연료 전지 모듈(201)에 있어서의 온도의 변동을 억제할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 연료 전지 모듈(201)의 산소측 전극(113)에서의 연소에 의해, 저부하 운전 시에 있어서도, 발전실(215)의 온도를 유지하기 쉬워짐과 함께 배기 연료를 안정 연소시키기 위해 추가의 연료를 연소기에 공급할 필요가 없기 때문에, 저부하 운전 시의 발전 효율이 향상된다. 또한, 대기 운전(핫 스탠바이)에 있어서도 연료 소비량의 삭감이 가능해진다. 또한, 연료 전지 모듈(201)로의 공급 공기 온도를 종래보다 낮출 수 있기 때문에, 공급 공기 온도를 승온하기 위한 열교환기의 전열 면적을 삭감하여, 비용을 삭감할 수 있다.
몇 가지의 실시 형태에서는, 최하류 모듈(14)로부터의 배출 연료 가스가 공급되는 연료 전지 모듈(201)에 포함되는 산소측 전극(113)은, 페로브스카이트형 결정 구조를 갖는 물질을 포함한다. 이 경우, 배출 연료 가스가 공급되는 연료 전지 모듈(201)의 산소측 전극(113)은, 연료 성분과 산소의 촉매 연소 반응에 있어서의 촉매로서 작용하는 페로브스카이트형 결정 구조를 갖는 물질로 형성되어 있다. 따라서, 배출 연료 가스에 포함되는 미이용 연료 성분을 해당 산소측 전극(113)에서 적절하게 연소시킬 수 있다.
몇 가지의 실시 형태에서는, 예를 들어 도 5 내지 도 10에 도시한 바와 같이, 최하류 배출 연료 가스 라인(21)은, 재순환 블로워(23)보다도 하류측에서 재순환 라인(24)으로부터 분기된 배출 연료 가스가 흐르도록 구성되고, 이 배출 연료 가스가, 연료 전지 모듈(201)(제1 연료 전지 모듈(201A) 및/또는 제2 연료 전지 모듈(201B))의 산소측 전극(113)에 공급되도록 되어 있다.
이 경우, 배출 연료 가스의 재순환에 사용하는 재순환 블로워(23)에서 승압된 배출 연료 가스가, 재순환 라인(24)으로부터 분기되어 최하류 배출 연료 가스 라인(21)을 통해 연료 전지 모듈(201)의 산소측 전극(113)에 공급된다. 따라서, 배출 연료 가스를 연료 전지 모듈(201)의 산소측 전극(113)에 공급하기 위해 승압하기 위한 승압 장치를, 재순환 블로워(23)에 추가하여 마련할 필요가 없으므로, 비용 증대를 효과적으로 억제할 수 있다.
몇 가지의 실시 형태에서는, 예를 들어 도 5, 도 7 및 도 9에 도시한 바와 같이, 발전 시스템(1)은, 최하류 배출 연료 가스 라인(21)으로부터 분기되는 배출 라인(28)과, 배출 라인(28)에 마련된 배출 밸브(29)를 구비한다. 이 경우, 예를 들어 배출 밸브(29)의 개방도를 조절함으로써, 최하류 배출 연료 가스 라인(21)을 통해 연료 전지 모듈(201)의 산소측 전극(113)에 공급하는 배출 연료 가스의 양을 조절할 수 있다. 이에 의해, 최하류 배출 연료 가스 라인(21)을 통해 배출 연료 가스를 공급하는 연료 전지 모듈(201)의 과승온을 억제할 수 있다.
몇 가지의 실시 형태에서는, 예를 들어 도 6, 도 8 및 도 10에 도시한 바와 같이, 최하류 모듈(14)(제1 연료 전지 모듈(201A) 또는 제2 연료 전지 모듈(201B))로부터 배출되는 배출 연료 가스의 전량이, 최하류 배출 연료 가스 라인(21)을 통해, 연료 전지 모듈(201)(제1 연료 전지 모듈(201A) 및/또는 제2 연료 전지 모듈(201B))에 포함되는 산소측 전극(113)에 공급되도록 구성된다. 즉, 이들 실시 형태에서는, 발전 시스템(1)에는, 상술한 배출 라인(28) 및 배출 밸브(29)가 마련되어 있지 않아, 최하류 모듈(14)로부터 배출되는 배출 연료 가스의 전량이, 어느 것의 연료 전지 모듈(201)의 산소측 전극(113)에 공급되고 나서, 계외로 배출된다.
상술한 실시 형태에 따르면, 최하류 모듈(14)로부터 배출되는 배출 연료 가스의 전량을, 연료 전지 모듈(201)에 포함되는 산소측 전극(113)에 공급하도록 하였으므로, 배출 연료 가스의 전량을 산소측 전극(113)에서 적절하게 연소시킬 수 있다.
몇 가지의 실시 형태에서는, 발전 시스템(1)은, 복수의 연료 전지 모듈(201) 중 상류측 모듈(16)로부터 배출되는 배출 연료 가스를, 복수의 연료 전지 모듈(201) 중 어느 것에 포함되는 산소측 전극(113)에 공급하기 위한 상류측 배출 연료 가스 라인을 구비한다.
도 9 및 도 10에 도시한 예시적인 실시 형태에서는, 제1 연료 전지 모듈(201A)(상류측 모듈(16))에 대응하는 제1 배출 연료 가스 라인(22a)으로부터 분기되어, 제2 연료 전지 모듈(201B)에 대응하는 제2 산화성 가스 공급 라인(40b)에 접속되는 상류측 배출 연료 가스 라인(34)이 마련되어 있다. 그리고, 제1 연료 전지 모듈(201A)(상류측 모듈(16))로부터 배출되는 배출 연료 가스가, 상류측 배출 연료 가스 라인(34) 및 제2 산화성 가스 공급 라인(40b)을 통해, 제2 연료 전지 모듈(201B)에 포함되는 산소측 전극(113)에 공급되도록 되어 있다.
상술한 실시 형태에 따르면, 최하류 모듈(14)(제2 연료 전지 모듈(201B)) 및 상류측 모듈(16)(제1 연료 전지 모듈(201A))로부터 배출되는 미이용 연료 성분의 농도가 다른 배출 연료 가스를 연료 전지 모듈(201)(제1 연료 전지 모듈(201A) 및/또는 제2 연료 전지 모듈(201B))의 산소측 전극(113)에 공급하도록 하였으므로, 배출 연료 가스가 공급되는 연료 전지 모듈(201)의 온도를 보다 유연하게 조절하기 쉽다. 따라서, 연료 전지 모듈(201)의 발전 효율을 높이기 쉬워지고, 이에 의해, 발전 시스템(1)의 효율을 향상시키기 쉬워진다.
몇 가지의 실시 형태에서는, 예를 들어 도 7 내지 도 10에 도시한 바와 같이, 발전 시스템(1)은, 연료 전지 모듈(201)(제1 연료 전지 모듈(201A) 및/또는 제2 연료 전지 모듈(201B))의 발전실(215)의 온도에 기초하여, 최하류 배출 연료 가스 라인(21) 또는 상류측 배출 연료 가스 라인(34)을 통한 연료 전지 모듈(201)의 산소측 전극(113)으로의 배출 연료 가스의 공급량을 조절하기 위한 공급량 조절부(58)를 구비하고 있어도 된다.
이 경우, 연료 전지 모듈(201)의 발전실(215)의 온도에 기초하여, 최하류 배출 연료 가스 라인(21) 또는 상류측 배출 연료 가스 라인(34)을 통한 산소측 전극(113)으로의 배출 연료 가스의 공급량을 조절하도록 하였으므로, 연료 전지 모듈(201)에 있어서의 온도의 변동을 효과적으로 억제할 수 있다. 따라서, 연료 전지 모듈(201)을 포함하는 발전 시스템(1)의 발전 효율을 효과적으로 높일 수 있다.
도 7 내지 도 10에 도시한 예시적인 실시 형태에서는, 공급량 조절부(58)는, 최하류 배출 연료 가스 라인(21)에 마련된 밸브, 즉, 제1 분기 라인(30)에 마련된 밸브(31), 및, 제2 분기 라인(32)에 마련된 밸브(33)를 포함한다. 또한, 공급량 조절부(58)는, 제1 연료 전지 모듈(201A)의 발전실(215)의 온도를 검출하도록 구성된 온도 센서(62)와, 제2 연료 전지 모듈(201B)의 발전실(215)의 온도를 검출하도록 구성된 온도 센서(64)를 포함한다.
도 9 내지 도 10에 도시한 예시적인 실시 형태에서는, 공급량 조절부(58)는, 상류측 배출 연료 가스 라인(34)에 마련된 밸브(35)를 더 포함하고 있다.
공급량 조절부(58)는, 또한, 밸브(31, 33, 35)의 개방도를 조절하기 위한 컨트롤러(60)를 포함하고 있어도 된다. 컨트롤러(60)는, 온도 센서(62, 64)로부터, 제1 연료 전지 모듈(201A) 및 제2 연료 전지 모듈(201B)의 발전실(215)의 온도의 검출 결과를 나타내는 신호를 수취하도록 구성되어 있어도 된다. 컨트롤러(60)는, 온도 센서(62, 64)로부터 수취한 온도의 검출 결과에 기초하여, 밸브(31, 33, 35)의 개방도를 조절하도록 구성되어 있어도 된다.
도 7 내지 도 10에 도시한 예시적인 실시 형태에 있어서, 공급량 조절부(58)는, 제1 연료 전지 모듈(201A)의 발전실(215)의 온도, 및, 제2 연료 전지 모듈(201B)의 발전실(215)의 온도에 기초하여, 제1 분기 라인(30)을 통한 제1 연료 전지 모듈(201A)의 산소측 전극(113)으로의 배출 연료 가스의 공급량과, 제2 분기 라인(32)을 통한 제2 연료 전지 모듈(201B)의 산소측 전극(113)으로의 배출 연료 가스의 공급량의 비율을 조절하도록 구성되어 있어도 된다.
이 경우, 제1 연료 전지 모듈(201A)의 발전실(215)의 온도와, 제2 연료 전지 모듈(201B)의 발전실(215)의 온도의 밸런스를 적절한 것으로 할 수 있다. 따라서, 발전 시스템(1)의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 9 내지 도 10에 도시한 예시적인 실시 형태에 있어서, 공급량 조절부(58)는, 제1 연료 전지 모듈(201A)의 발전실(215)의 온도, 및, 제2 연료 전지 모듈(201B)의 발전실(215)의 온도에 기초하여, 최하류 배출 연료 가스 라인(21)(제1 분기 라인(30)을 포함함)을 통한 제1 연료 전지 모듈(201A)의 산소측 전극(113)으로의 연료 가스의 공급량, 최하류 배출 연료 가스 라인(21)(제2 분기 라인(32)을 포함함)을 통한 제2 연료 전지 모듈(201B)의 산소측 전극(113)으로의 연료 가스의 공급량, 및, 상류측 배출 연료 가스 라인(34)을 통한 제2 연료 전지 모듈(201B)의 산소측 전극(113)으로의 연료 가스의 공급량을 조절하도록 구성되어 있어도 된다.
이 경우, 배출 연료 가스가 공급되는 산소측 전극(113)을 포함하는 제1 연료 전지 모듈(201A) 및 제2 연료 전지 모듈(201B)의 발전실(215)의 온도에 기초하여, 최하류 모듈(14)로부터의 배출 연료 가스의 공급량, 및, 상류측 모듈(16)로부터의 배출 연료 가스의 공급량을 조절한다. 즉, 미이용 연료 성분의 농도가 다른 배출 연료 가스의 공급량이나 공급 비율을 조절하도록 하였으므로, 배출 연료 가스가 공급되는 연료 전지 모듈(201)의 온도를 보다 유연하게 조절할 수 있다. 따라서, 발전 시스템(1)의 발전 효율을 효과적으로 높일 수 있다.
도 5 내지 도 10에 도시한 발전 시스템(1)은, 최하류 모듈(14)로부터의 배출 연료 가스가, 해당 배출 연료 가스와, 어느 것의 연료 전지 모듈(201)로부터의 배출 산화성 가스를 연소시키기 위한 연소기를 경유하지 않고, 배기되도록 구성되어 있다. 혹은, 상술한 발전 시스템(1)에 있어서, 최하류 모듈(14)로부터의 배출 연료 가스가, 상술한 연소기를 경유하지 않고, 배출 산화성 가스 라인(42)을 통해 배출된다.
혹은, 몇 가지의 실시 형태에서는, 발전 시스템(1)에 있어서, 배출 연료 가스 라인(22) 및 배출 산화성 가스 라인(42)에는, 최하류 모듈(14)로부터의 배출 연료 가스와, 어느 것의 연료 전지 모듈(201)로부터의 배출 산화성 가스를 연소시키기 위한 연소기가 마련되어 있지 않다.
상술한 실시 형태에 따르면, 이미 설명한 바와 같이, 최하류 모듈(14)로부터 배출되는 배출 연료 가스를, 연료 전지 모듈(201)의 산소측 전극(113)에 공급하도록 하였으므로, 배출 연료 가스에 포함되는 미이용 연료 성분을 산소측 전극(113)에서 적절하게 연소시킬 수 있다. 따라서, 배출 연료 가스와, 연료 전지 모듈(201)로부터의 배출 산화성 가스를 연소시키기 위해 통상 마련되는 연소기를 생략할 수 있으므로, 비용 증대를 억제하면서, 배출 연료 가스를 적절하게 처리할 수 있다.
도 5 내지 도 10에 도시한 발전 시스템(1)은, 최하류 모듈(14)로부터의 배출 연료 가스가, 메탄 처리기를 경유하지 않고 배기되도록 구성되어 있다. 즉, 이 발전 시스템(1)에 있어서, 배출 연료 가스 라인(22) 및 배출 산화성 가스 라인(42)에는, 배출 연료 가스 중의 메탄을 저감하기 위한 메탄 처리기가 마련되어 있지 않다.
연료 전지로부터 배출되는 배출 연료 가스에는, 통상, 메탄을 포함하는 미이용 연료가 포함된다. 이 때문에, 종래, 연료 전지로부터의 배출 연료 가스는, 해당 배출 연료 가스의 배출 유로에 마련한 메탄 처리기에서의 처리에 의해 메탄 농도를 저감하고 나서 계외로 방출되는 경우가 있다. 메탄 처리기에는 메탄과 산화성 가스를 반응시키는 귀금속 촉매를 사용할 수 있다. 이 점에서, 상술한 실시 형태에 따르면, 최하류 모듈(14)로부터 배출되는 배출 연료 가스를, 연료 전지 모듈(201)의 산소측 전극(113)에 공급하도록 하였으므로, 배출 연료 가스에 포함되는 메탄을 포함하는 미이용 연료 성분을 산소측 전극(113)에서 적절하게 연소시킬 수 있다. 따라서, 상술한 메탄 처리기를 생략할 수 있으므로, 비용 증대를 억제하면서, 배출 연료 가스를 적절하게 처리할 수 있다.
상기 각 실시 형태에 기재된 내용은, 예를 들어 이하와 같이 파악된다.
(1) 본 발명의 적어도 일 실시 형태에 관한 연료 전지 발전 시스템(예를 들어 상술한 발전 시스템(1))은,
연료측 전극(109), 전해질(111) 및 산소측 전극(113)을 포함하는 연료 전지 셀(105)을 각각 포함하는 적어도 하나의 연료 전지 모듈(예를 들어 상술한 제1 연료 전지 모듈(201A) 및/또는 제2 연료 전지 모듈(201B))과,
상기 적어도 하나의 연료 전지 모듈에 포함되는 상기 연료측 전극에 연료 가스를 각각 공급하기 위한 적어도 하나의 연료 공급 라인(20)과,
상기 적어도 하나의 연료 전지 모듈에 포함되는 상기 산소측 전극에 산화성 가스를 각각 공급하기 위한 적어도 하나의 산화성 가스 공급 라인(40)과,
상기 적어도 하나의 연료 전지 모듈 중, 상기 연료 가스의 흐름에 있어서의 최하류측에 위치하는 최하류 모듈(14)로부터 배출되는 배출 연료 가스가 흐르는 최하류 배출 연료 가스 라인(21)을 구비하고,
상기 최하류 배출 연료 가스 라인은, 상기 적어도 하나의 연료 전지 모듈 중 어느 것(예를 들어 상술한 제1 연료 전지 모듈(201A) 또는 제2 연료 전지 모듈(201B))에 포함되는 상기 산소측 전극에 상기 배출 연료 가스를 공급하도록 구성된다.
연료 전지 셀의 산소측 전극은, 연료 성분과 산소의 촉매 연소 반응에 있어서의 촉매로서 작용하는 구조를 갖는 경우가 있다. 상기 (1)의 구성에 의하면, 최하류 모듈(연료 전지 모듈)로부터 배출되는 배출 연료 가스를, 연료 전지 모듈의 산소측 전극에 공급하도록 하였으므로, 배출 연료 가스에 포함되는 미이용 연료 성분을 산소측 전극에서 적절하게 연소시킬 수 있다. 따라서, 배출 연료 가스가 흐르는 유로에 통상 마련되는 연소기(즉, 연료 전지 모듈로부터의 배출 연료 가스와 배출 산화성 가스를 연소시키기 위한 연소기)를 생략하여 비용 증대를 억제하면서, 배출 연료 가스를 적절하게 처리할 수 있다.
또한, 상기 (1)의 구성에 의하면, 연료 전지 모듈의 산소측 전극에서 배출 연료 가스 중의 미이용 연료 성분을 연소시키도록 하였으므로, 이 연소에 의해 생성되는 열을 이용하여 연료 전지 모듈에 있어서의 온도의 변동을 억제할 수 있다. 따라서, 연료 전지 모듈의 발전 효율을 높일 수 있고, 이에 의해, 연료 전지 발전 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.
(2) 몇 가지의 실시 형태에서는, 상기 (1)의 구성에 있어서,
상기 최하류 배출 연료 가스 라인은, 상기 어느 것의 연료 전지 모듈(예를 들어 상술한 제1 연료 전지 모듈(201A) 또는 제2 연료 전지 모듈(201B))에 대응하는 상기 산화성 가스 공급 라인(예를 들어 상술한 제1 산화성 가스 공급 라인(40a) 또는 제2 산화성 가스 공급 라인(40b))에 접속된다.
상기 (2)의 구성에 의하면, 최하류 배출 연료 가스 라인을 흐르는 배출 연료 가스를, 산화성 가스 공급 라인을 통해 연료 전지 모듈에 공급하도록 하였으므로, 연료 전지 모듈을 구성하는 연료 전지 셀의 각각의 산소측 전극에 효율적으로 배출 연료 가스를 공급할 수 있다.
(3) 몇 가지의 실시 형태에서는, 상기 (1) 또는 (2)의 구성에 있어서,
상기 연료 전지 발전 시스템은,
상기 최하류 모듈로부터 배출되는 상기 배출 연료 가스의 전량이, 상기 최하류 배출 연료 가스 라인을 통해, 상기 어느 것의 연료 전지 모듈(예를 들어 상술한 제1 연료 전지 모듈(201A) 및/또는 제2 연료 전지 모듈(201B))에 포함되는 상기 산소측 전극에 공급되도록 구성된다.
상기 (3)의 구성에 의하면, 최하류 모듈로부터 배출되는 배출 연료 가스의 전량을, 연료 전지 모듈에 포함되는 산소측 전극에 공급하도록 하였으므로, 배출 연료 가스의 전량을 산소측 전극에서 적절하게 연소시킬 수 있다. 따라서, 비용 증대를 효과적으로 억제하면서, 배출 연료 가스를 적절하게 처리할 수 있다.
(4) 몇 가지의 실시 형태에서는, 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 것의 구성에 있어서,
상기 연료 전지 발전 시스템은,
상기 어느 것의 연료 전지 모듈(예를 들어 상술한 제1 연료 전지 모듈(201A) 및/또는 제2 연료 전지 모듈(201B))의 발전실의 온도에 기초하여, 상기 최하류 배출 연료 가스 라인을 통한 상기 산소측 전극으로의 상기 배출 연료 가스의 공급량을 조절하기 위한 공급량 조절부(58)를 구비한다.
상기 (4)의 구성에 의하면, 연료 전지 모듈의 발전실의 온도에 기초하여, 최하류 배출 연료 가스 라인을 통한 산소측 전극으로의 배출 연료 가스의 공급량을 조절하도록 하였으므로, 연료 전지 모듈에 있어서의 온도의 변동을 효과적으로 억제할 수 있다. 따라서, 연료 전지 모듈의 발전 효율을 효과적으로 높일 수 있다.
(5) 몇 가지의 실시 형태에서는, 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 것의 구성에 있어서,
상기 적어도 하나의 연료 전지 모듈은, 제1 모듈(예를 들어 상술한 제1 연료 전지 모듈(201A)) 및 제2 모듈(예를 들어 상술한 제2 연료 전지 모듈(201B))을 포함하는 복수의 연료 전지 모듈을 포함하고,
상기 최하류 배출 연료 가스 라인은,
상기 최하류 모듈로부터 배출되는 상기 배출 연료 가스를, 상기 제1 모듈의 산소측 전극에 공급하기 위한 제1 분기 라인(30)과,
상기 최하류 모듈로부터 배출되는 상기 배출 연료 가스를, 상기 제2 모듈의 산소측 전극에 공급하기 위한 제2 분기 라인(32)을 포함한다.
상기 (5)의 구성에 의하면, 최하류 모듈로부터 배출되는 배출 연료 가스를, 복수의 연료 전지 모듈의 각각의 산소측 전극에 공급하도록 하였으므로, 복수의 연료 전지 모듈의 산소측 전극을 사용하여, 배출 연료 가스에 포함되는 미이용 연료 성분을 효율적으로 연소시킬 수 있다.
(6) 몇 가지의 실시 형태에서는, 상기 (5)의 구성에 있어서,
상기 연료 전지 발전 시스템은,
상기 제1 모듈의 발전실의 온도, 및, 상기 제2 모듈의 발전실의 온도에 기초하여, 상기 제1 분기 라인을 통한 상기 제1 모듈의 상기 산소측 전극으로의 상기 배출 연료 가스의 공급량과, 상기 제2 분기 라인을 통한 상기 제2 모듈의 상기 산소측 전극으로의 상기 배출 연료 가스의 공급량의 비율을 조절하도록 구성된 공급량 조절부를 구비한다.
상기 (6)의 구성에 의하면, 제1 모듈의 발전실의 온도 및 제2 모듈의 발전실의 온도에 기초하여, 제1 모듈의 산소측 전극으로의 배출 연료 가스의 공급량과, 제2 모듈의 산소측 전극으로의 배출 연료 가스의 공급량의 비율을 조절하도록 하였으므로, 제1 모듈의 발전실의 온도와, 제2 모듈의 발전실의 온도의 밸런스를 적절한 것으로 할 수 있다. 따라서, 연료 전지 발전 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.
(7) 몇 가지의 실시 형태에서는, 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 것의 구성에 있어서,
상기 연료 전지 발전 시스템은,
상기 적어도 하나의 연료 전지 모듈은, 상기 최하류 모듈(14, 예를 들어 상술한 제2 연료 전지 모듈(201B))과, 상기 연료 가스의 흐름에 있어서 상기 최하류 모듈보다도 상류측에 위치하는 상류측 모듈(16, 예를 들어 상술한 제1 연료 전지 모듈(201A))을 포함하는 복수의 연료 전지 모듈을 포함하고,
상기 상류측 모듈로부터 배출되는 배출 연료 가스를, 상기 적어도 하나의 연료 전지 모듈 중 어느 것(예를 들어 상술한 제2 연료 전지 모듈(201B))에 포함되는 상기 산소측 전극에 공급하기 위한 상류측 배출 연료 가스 라인(34)을 구비한다.
상기 (7)의 구성에 의하면, 최하류 모듈 및 상류측 모듈로부터 배출되는 미이용 연료 성분의 농도가 다른 배출 연료 가스를 연료 전지 모듈의 산소측 전극에 공급하도록 하였으므로, 배출 연료 가스가 공급되는 연료 전지 모듈의 온도를 조절하기 쉽다. 따라서, 연료 전지 모듈의 발전 효율을 높이기 쉬워지고, 이에 의해, 연료 전지 발전 시스템의 효율을 향상시키기 쉬워진다.
(8) 몇 가지의 실시 형태에서는, 상기 (7)의 구성에 있어서,
상기 연료 전지 발전 시스템은,
상기 적어도 어느 것의 연료 전지 모듈의 발전실의 온도에 기초하여, 상기 최하류 배출 연료 가스 라인을 통한 상기 산소측 전극으로의 상기 배출 연료 가스의 공급량, 및, 상기 상류측 배출 연료 가스 라인을 통한 상기 산소측 전극으로의 상기 배출 연료 가스의 공급량을 조절하기 위한 공급량 조절부(58)를 구비한다.
상기 (8)의 구성에 의하면, 배출 연료 가스가 공급되는 산소측 전극을 포함하는 연료 전지 모듈의 발전실의 온도에 기초하여, 최하류 모듈로부터의 배출 연료 가스의 공급량, 및, 상류측 모듈로부터의 배출 연료 가스의 공급을 조절하도록 하였으므로, 배출 연료 가스가 공급되는 연료 전지 모듈의 온도를 적절하게 조절할 수 있다. 따라서, 연료 전지 모듈의 발전 효율을 효과적으로 높일 수 있고, 이에 의해, 연료 전지 발전 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.
(9) 몇 가지의 실시 형태에서는, 상기 (1) 내지 (8) 중 어느 것의 구성에 있어서,
상기 연료 전지 발전 시스템은,
어느 것의 상기 연료 전지 모듈로부터 배출되는 배출 연료 가스를 상기 어느 것의 연료 전지 모듈에 대응하는 상기 연료 공급 라인에 재순환시키기 위한 재순환 라인(24)과,
상기 재순환 라인에 마련된 재순환 블로워(23)를 구비하고,
상기 최하류 배출 연료 가스 라인은, 상기 재순환 블로워보다도 하류측에서 상기 재순환 라인으로부터 분기된 배출 연료 가스가 흐르도록 구성된다.
상기 (9)의 구성에 의하면, 배출 연료 가스의 재순환에 사용하는 재순환 블로워에서 승압된 배출 연료 가스가, 재순환 라인으로부터 분기되어 최하류 배출 연료 가스 라인을 통해 연료 전지 모듈의 산소측 전극에 공급된다. 따라서, 배출 연료 가스를 연료 전지 모듈의 산소측 전극에 공급하기 위해 승압하기 위한 승압 장치를, 재순환 블로워에 추가하여 마련할 필요가 없으므로, 비용 증대를 효과적으로 억제할 수 있다.
(10) 몇 가지의 실시 형태에서는, 상기 (1) 내지 (9) 중 어느 것의 구성에 있어서,
상기 연료 전지 발전 시스템은,
상기 최하류 모듈로부터의 배출 연료 가스가, 상기 배출 연료 가스와, 상기 적어도 하나의 연료 전지 모듈로부터의 배출 산화성 가스를 연소시키기 위한 연소기를 경유하지 않고 배기되도록 구성된다.
상기 (10)의 구성에 의하면, 상기 (1)에서 설명한 바와 같이, 최하류 모듈로부터 배출되는 배출 연료 가스를, 연료 전지 모듈의 산소측 전극에 공급하도록 하였으므로, 배출 연료 가스에 포함되는 미이용 연료 성분을 산소측 전극에서 적절하게 연소시킬 수 있다. 따라서, 배출 연료 가스와, 연료 전지 모듈로부터의 배출 산화성 가스를 연소시키기 위해 통상 마련되는 연소기를 생략할 수 있으므로, 비용 증대를 억제하면서, 배출 연료 가스를 적절하게 처리할 수 있다.
(11) 몇 가지의 실시 형태에서는, 상기 (1) 내지 (10) 중 어느 것의 구성에 있어서,
상기 연료 전지 발전 시스템은,
상기 최하류 모듈로부터의 배출 연료 가스가, 메탄 처리기를 경유하지 않고 배기되도록 구성된다.
연료 전지로부터 배출되는 배출 연료 가스에는, 통상, 메탄을 포함하는 미이용 연료가 포함된다. 이 때문에, 종래, 연료 전지로부터의 배출 연료 가스는, 해당 배출 연료 가스의 배출 유로에 마련한 메탄 처리기에서의 처리에 의해 메탄 농도를 저감하고 나서 계외로 방출되는 경우가 있다. 이 점에서, 상기 (11)의 구성에 의하면, 최하류 모듈로부터 배출되는 배출 연료 가스를, 연료 전지 모듈의 산소측 전극에 공급하도록 하였으므로, 배출 연료 가스에 포함되는 메탄을 포함하는 미이용 연료 성분을 산소측 전극에서 적절하게 연소시킬 수 있다. 따라서, 상술한 메탄 처리기를 생략할 수 있으므로, 비용 증대를 억제하면서, 배출 연료 가스를 적절하게 처리할 수 있다.
(12) 몇 가지의 실시 형태에서는, 상기 (1) 내지 (11) 중 어느 것의 구성에 있어서,
상기 적어도 어느 것의 연료 전지 모듈에 포함되는 상기 산소측 전극은, 페로브스카이트형 결정 구조를 갖는 물질을 포함한다.
상기 (12)의 구성에 의하면, 배출 연료 가스가 공급되는 연료 전지 모듈의 산소측 전극은, 연료 성분과 산소의 촉매 연소 반응에 있어서의 촉매로서 작용하는 페로브스카이트형 결정 구조를 갖는 물질로 형성되어 있다. 따라서, 배출 연료 가스에 포함되는 미이용 연료 성분을 해당 산소측 전극에서 적절하게 연소시킬 수 있다. 따라서, 배출 연료 가스가 흐르는 유로에 통상 마련되는 연소기를 생략하여 비용 증대를 억제하면서, 배출 연료 가스를 적절하게 처리할 수 있다.
(13) 몇 가지의 실시 형태에서는, 상기 (1) 내지 (12) 중 어느 것의 구성에 있어서,
상기 연료 전지 발전 시스템은,
상기 산소측 전극에 공급되는 상기 산화성 가스를 승압하도록 구성된 승압기(예를 들어 상술한 압축기(50))를 구비한다.
상기 (13)의 구성에 의하면, 승압기에서 승압된 산화성 가스를 연료 전지 모듈의 산소측 전극에 공급하도록 하였으므로, 연료 전지 모듈에 있어서의 발전 효율을 높일 수 있다.
(14) 몇 가지의 실시 형태에서는, 상기 (1) 내지 (13) 중 어느 것의 구성에 있어서,
상기 연료 전지 발전 시스템은,
상기 산소측 전극으로부터 배출되는 배출 산화성 가스에 의해 구동되도록 구성된 터빈(52)을 구비한다.
상기 (14)의 구성에 의하면, 연료 전지 모듈로부터의 배출 산화성 가스에 의해 터빈을 구동하도록 하였으므로, 터빈에서 배출 산화성 가스의 압력 에너지를 기계 에너지로 변환하여 유효 이용할 수 있다.
(15) 몇 가지의 실시 형태에서는, 상기 (14)의 구성에 있어서,
상기 산소측 전극과 상기 터빈 사이에는 연소기가 마련되어 있지 않다.
상기 (15)의 구성에 의하면, 상기 (1)에서 설명한 바와 같이, 최하류 모듈로부터 배출되는 배출 연료 가스를, 연료 전지 모듈의 산소측 전극에 공급하도록 하였으므로, 배출 연료 가스에 포함되는 미이용 연료 성분을 산소측 전극에서 적절하게 연소시킬 수 있다. 따라서, 배출 연료 가스와, 연료 전지 모듈로부터의 배출 산화성 가스를 연소시키기 위해 통상 마련되는 연소기를 생략할 수 있으므로, 비용 증대를 억제하면서, 배출 연료 가스를 적절하게 처리할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 상술한 실시 형태에 변형을 추가한 형태나, 이들 형태를 적절히 조합한 형태도 포함한다.
본 명세서에 있어서, 「어떤 방향으로」, 「어떤 방향을 따라서」, 「평행」, 「직교」, 「중심」, 「동심」 혹은 「동축」 등의 상대적 혹은 절대적인 배치를 나타내는 표현은, 엄밀하게 그와 같은 배치를 나타낼 뿐만 아니라, 공차, 혹은, 동일한 기능이 얻어지는 정도의 각도나 거리로써 상대적으로 변위되어 있는 상태도 나타내는 것으로 한다.
예를 들어, 「동일」, 「동등하다」 및 「균질」 등의 사물이 동등한 상태인 것을 나타내는 표현은, 엄밀하게 동등한 상태를 나타낼 뿐만 아니라, 공차, 혹은, 동일한 기능이 얻어지는 정도의 차가 존재하고 있는 상태도 나타내는 것으로 한다.
또한, 본 명세서에 있어서, 사각 형상이나 원통 형상 등의 형상을 나타내는 표현은, 기하학적으로 엄밀한 의미에서의 사각 형상이나 원통 형상 등의 형상을 나타낼 뿐만 아니라, 동일한 효과가 얻어지는 범위에서, 요철부나 모따기부 등을 포함하는 형상도 나타내는 것으로 한다.
또한, 본 명세서에 있어서, 하나의 구성 요소를 「구비한다」, 「포함한다」, 또는, 「갖는다」라고 하는 표현은, 다른 구성 요소의 존재를 제외하는 배타적인 표현은 아니다.
1: 발전 시스템
10: 연료 전지부
14: 최하류 모듈
16: 상류측 모듈
20: 연료 공급 라인
20a: 제1 연료 공급 라인
20b: 제2 연료 공급 라인
21: 최하류 배출 연료 가스 라인
22: 배출 연료 가스 라인
22a: 제1 배출 연료 가스 라인
22b: 제2 배출 연료 가스 라인
23: 재순환 블로워
24: 재순환 라인
28: 배출 라인
29: 배출 밸브
30: 제1 분기 라인
31: 밸브
32: 제2 분기 라인
33: 밸브
34: 상류측 배출 연료 가스 라인
35: 밸브
40: 산화성 가스 공급 라인
40a: 제1 산화성 가스 공급 라인
40b: 제2 산화성 가스 공급 라인
42: 배출 산화성 가스 라인
42a: 제1 배출 산화성 가스 라인
42b: 제2 배출 산화성 가스 라인
50: 압축기(승압기)
52: 터빈
54: 회전 샤프트
58: 공급량 조절부
60: 컨트롤러
62: 온도 센서
64: 온도 센서
101: 셀 스택
103: 기체관
105: 연료 전지 셀
107: 인터커넥터
109: 연료측 전극
111: 고체 전해질막(전해질)
113: 산소측 전극
115: 리드막
201: 연료 전지 모듈(SOFC 모듈)
201A: 제1 연료 전지 모듈
201B: 제2 연료 전지 모듈
203: 연료 전지 카트리지(SOFC 카트리지)
205: 압력 용기
207: 연료 가스 공급관
207a: 연료 가스 공급관 지관
209: 연료 가스 배출관
209a: 연료 가스 배출 지관
215: 발전실
217: 연료 가스 공급 헤더
219: 연료 가스 배출 헤더
221: 산화성 가스 공급 헤더
223: 산화성 가스 배출 헤더
225a: 상부 관판
225b: 하부 관판
227a: 상부 단열체
227b: 하부 단열체
229a: 상부 케이싱
229b: 하부 케이싱
231a: 연료 가스 공급 구멍
231b: 연료 가스 배출 구멍
233a: 산화성 가스 공급 구멍
233b: 산화성 가스 배출 구멍
235a: 산화성 가스 공급 간극
235b: 산화성 가스 배출 간극
237a: 시일 부재
237b: 시일 부재
10: 연료 전지부
14: 최하류 모듈
16: 상류측 모듈
20: 연료 공급 라인
20a: 제1 연료 공급 라인
20b: 제2 연료 공급 라인
21: 최하류 배출 연료 가스 라인
22: 배출 연료 가스 라인
22a: 제1 배출 연료 가스 라인
22b: 제2 배출 연료 가스 라인
23: 재순환 블로워
24: 재순환 라인
28: 배출 라인
29: 배출 밸브
30: 제1 분기 라인
31: 밸브
32: 제2 분기 라인
33: 밸브
34: 상류측 배출 연료 가스 라인
35: 밸브
40: 산화성 가스 공급 라인
40a: 제1 산화성 가스 공급 라인
40b: 제2 산화성 가스 공급 라인
42: 배출 산화성 가스 라인
42a: 제1 배출 산화성 가스 라인
42b: 제2 배출 산화성 가스 라인
50: 압축기(승압기)
52: 터빈
54: 회전 샤프트
58: 공급량 조절부
60: 컨트롤러
62: 온도 센서
64: 온도 센서
101: 셀 스택
103: 기체관
105: 연료 전지 셀
107: 인터커넥터
109: 연료측 전극
111: 고체 전해질막(전해질)
113: 산소측 전극
115: 리드막
201: 연료 전지 모듈(SOFC 모듈)
201A: 제1 연료 전지 모듈
201B: 제2 연료 전지 모듈
203: 연료 전지 카트리지(SOFC 카트리지)
205: 압력 용기
207: 연료 가스 공급관
207a: 연료 가스 공급관 지관
209: 연료 가스 배출관
209a: 연료 가스 배출 지관
215: 발전실
217: 연료 가스 공급 헤더
219: 연료 가스 배출 헤더
221: 산화성 가스 공급 헤더
223: 산화성 가스 배출 헤더
225a: 상부 관판
225b: 하부 관판
227a: 상부 단열체
227b: 하부 단열체
229a: 상부 케이싱
229b: 하부 케이싱
231a: 연료 가스 공급 구멍
231b: 연료 가스 배출 구멍
233a: 산화성 가스 공급 구멍
233b: 산화성 가스 배출 구멍
235a: 산화성 가스 공급 간극
235b: 산화성 가스 배출 간극
237a: 시일 부재
237b: 시일 부재
Claims (15)
- 연료측 전극, 전해질 및 산소측 전극을 포함하는 연료 전지 셀을 각각 포함하는 적어도 하나의 연료 전지 모듈과,
상기 적어도 하나의 연료 전지 모듈에 포함되는 상기 연료측 전극에 연료 가스를 각각 공급하기 위한 적어도 하나의 연료 공급 라인과,
상기 적어도 하나의 연료 전지 모듈에 포함되는 상기 산소측 전극에 산화성 가스를 각각 공급하기 위한 적어도 하나의 산화성 가스 공급 라인과,
상기 적어도 하나의 연료 전지 모듈 중, 상기 연료 가스의 흐름에 있어서의 최하류측에 위치하는 최하류 모듈로부터 배출되는 배출 연료 가스가 흐르는 최하류 배출 연료 가스 라인을 구비하고,
상기 최하류 배출 연료 가스 라인은, 상기 적어도 하나의 연료 전지 모듈 중 어느 것에 포함되는 상기 산소측 전극에 상기 배출 연료 가스를 공급하도록 구성된, 연료 전지 발전 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 최하류 배출 연료 가스 라인은, 상기 어느 것의 연료 전지 모듈에 대응하는 상기 산화성 가스 공급 라인에 접속된, 연료 전지 발전 시스템. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 최하류 모듈로부터 배출되는 상기 배출 연료 가스의 전량이, 상기 최하류 배출 연료 가스 라인을 통해, 상기 어느 것의 연료 전지 모듈에 포함되는 상기 산소측 전극에 공급되도록 구성된, 연료 전지 발전 시스템. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 어느 것의 연료 전지 모듈의 발전실의 온도에 기초하여, 상기 최하류 배출 연료 가스 라인을 통한 상기 산소측 전극으로의 상기 배출 연료 가스의 공급량을 조절하기 위한 공급량 조절부를 구비한, 연료 전지 발전 시스템. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 연료 전지 모듈은, 제1 모듈 및 제2 모듈을 포함하는 복수의 연료 전지 모듈을 포함하고,
상기 최하류 배출 연료 가스 라인은,
상기 최하류 모듈로부터 배출되는 상기 배출 연료 가스를, 상기 제1 모듈의 산소측 전극에 공급하기 위한 제1 분기 라인과,
상기 최하류 모듈로부터 배출되는 상기 배출 연료 가스를, 상기 제2 모듈의 산소측 전극에 공급하기 위한 제2 분기 라인을 포함하는, 연료 전지 발전 시스템. - 제5항에 있어서,
상기 제1 모듈의 발전실의 온도, 및, 상기 제2 모듈의 발전실의 온도에 기초하여, 상기 제1 분기 라인을 통한 상기 제1 모듈의 상기 산소측 전극으로의 상기 배출 연료 가스의 공급량과, 상기 제2 분기 라인을 통한 상기 제2 모듈의 상기 산소측 전극으로의 상기 배출 연료 가스의 공급량의 비율을 조절하도록 구성된 공급량 조절부를 구비한, 연료 전지 발전 시스템. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 연료 전지 모듈은, 상기 최하류 모듈과, 상기 연료 가스의 흐름에 있어서 상기 최하류 모듈보다도 상류측에 위치하는 상류측 모듈을 포함하는 복수의 연료 전지 모듈을 포함하고,
상기 상류측 모듈로부터 배출되는 배출 연료 가스를, 상기 적어도 하나의 연료 전지 모듈 중 어느 것에 포함되는 상기 산소측 전극에 공급하기 위한 상류측 배출 연료 가스 라인을 구비하는, 연료 전지 발전 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 적어도 어느 것의 연료 전지 모듈의 발전실의 온도에 기초하여, 상기 최하류 배출 연료 가스 라인을 통한 상기 산소측 전극으로의 상기 배출 연료 가스의 공급량, 및, 상기 상류측 배출 연료 가스 라인을 통한 상기 산소측 전극으로의 상기 배출 연료 가스의 공급량을 조절하기 위한 공급량 조절부를 구비한, 연료 전지 발전 시스템. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
어느 것의 상기 연료 전지 모듈로부터 배출되는 배출 연료 가스를 상기 어느 것의 연료 전지 모듈에 대응하는 상기 연료 공급 라인에 재순환시키기 위한 재순환 라인과,
상기 재순환 라인에 마련된 재순환 블로워를 구비하고,
상기 최하류 배출 연료 가스 라인은, 상기 재순환 블로워보다도 하류측에서 상기 재순환 라인으로부터 분기된 배출 연료 가스가 흐르도록 구성되는, 연료 전지 발전 시스템. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 최하류 모듈로부터의 배출 연료 가스가, 상기 배출 연료 가스와, 상기 적어도 하나의 연료 전지 모듈로부터의 배출 산화성 가스를 연소시키기 위한 연소기를 경유하지 않고 배기되도록 구성된, 연료 전지 발전 시스템. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 최하류 모듈로부터의 배출 연료 가스가, 메탄 처리기를 경유하지 않고 배기되도록 구성된, 연료 전지 발전 시스템. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 어느 것의 연료 전지 모듈에 포함되는 상기 산소측 전극은, 페로브스카이트형 구조를 갖는 물질을 포함하는, 연료 전지 시스템. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 산소측 전극에 공급되는 상기 산화성 가스를 승압하도록 구성된 승압기를 구비하는, 연료 전지 발전 시스템. - 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 산소측 전극으로부터 배출되는 배출 산화성 가스에 의해 구동되도록 구성된 터빈을 구비하는, 연료 전지 발전 시스템. - 제14항에 있어서,
상기 산소측 전극과 상기 터빈 사이에는 연소기가 마련되어 있지 않은, 연료 전지 발전 시스템.
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| JP2020015446A JP6980045B2 (ja) | 2020-01-31 | 2020-01-31 | 燃料電池発電システム |
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