KR20220145901A - 연료 전지 발전 시스템 - Google Patents

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KR20220145901A
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야스시 이와이
노리히사 마타케
히로유키 오자와
요시키 가토
나가오 히사토메
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미츠비시 파워 가부시키가이샤
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Abstract

연료 전지 발전 시스템은, 연료 전지와, 상기 연료 전지에 산화성 가스를 공급하기 위한 산화성 가스 공급 라인에 마련되는 적어도 하나의 압축기와, 상기 적어도 하나의 압축기 중 제1 압축기를 구동 가능하게 구성된 제1 모터와, 상기 제1 모터와 전력계통 사이에 마련되어, 상기 제1 모터의 토크를 조절 가능한 1 이상의 전력 변환기를 구비한다.

Description

연료 전지 발전 시스템
본 개시는, 연료 전지 발전 시스템에 관한 것이다.
연료 전지를 포함하는 발전 시스템으로서, 가압된 산화성 가스(예를 들어, 공기)가 연료 전지의 산소측 전극에 공급되도록 구성된 가압형의 연료 전지 발전 시스템이 제안되어 있다.
예를 들어, 특허문헌 1에는, 터빈에 의해 구동되는 압축기로 압축한 공기를 연료 전지의 공기극에 공급하는 가압 공기 공급 시스템을 포함하는 연료 전지 시스템이 개시되어 있다. 이 가압 공기 공급 시스템에서는, 연료 전지 시스템의 통상 운전 시에는, 연료 전지의 연료극으로부터의 배기 연료 가스와, 연료 전지의 공기극으로부터의 배기 공기의 연소로 생성되는 연소 가스에 의해, 상술한 터빈이 구동되도록 되어 있다. 또한, 특허문헌 1에는, 연료 전지 시스템 및 가압 공기 공급 시스템의 기동 시에, 압축기를 구동하는 터빈의 출력이 충분히 높아질 때까지, 압축기의 구동을 모터로 보조하는 것이 기재되어 있다.
일본 특허 제6591112호 공보
그런데, 가압형의 연료 전지 발전 시스템의 통상 운전 시에 있어서, 출력 요구에 따라 연료 전지의 출력을 변화(증감)시키는 경우가 있다. 이때, 연료 전지로의 연료 공급량에 대해서는, 연료 공급 밸브의 개방도 조절 등에 의해, 출력 요구에 따라 비교적 신속하게 증감 가능하지만, 한편, 연료 전지로의 산화성 가스 공급량에 대해서는 신속히 변화시키는 것이 어려운 경우가 있다. 이것은, 예를 들어 연료 전지로부터의 배기 가스를 사용하여 터빈을 구동하는 경우, 터빈에 구동되는 압축기에 의한 연료 전지로의 산화성 가스 공급량은 연료 전지로부터의 배기 가스의 양이나 온도에 의존하지만, 연료 전지의 용적이 비교적 크기 때문에, 연료 전지로부터의 배기 가스량이나 온도를 신속히 증감시키는 것이 어려운 등의 이유에 의한다. 따라서, 연료 전지의 출력 변화 속도를 크게 할 수 없어, 실제 운용에 있어서 부하 추종성이 충분하지 않은 경우가 있다.
특히 태양 전지나 풍력 발전 등의 재생 가능 에너지와 같은 부하 변동이 큰 전력계통에 내장하는 경우에는 더 양호한 부하 추종성과 작동 안정성이 요구된다.
상술한 사정을 감안하여 본 발명의 적어도 일 실시 형태는, 연료 전지의 출력 변화 속도를 크게 하는 것이 가능한 연료 전지 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 적어도 일 실시 형태에 관한 연료 전지 발전 시스템은,
연료 전지와,
상기 연료 전지에 산화성 가스를 공급하기 위한 산화성 가스 공급 라인에 마련되는 적어도 하나의 압축기와,
상기 적어도 하나의 압축기 중 제1 압축기를 구동 가능하게 구성된 제1 모터와,
상기 제1 모터와 전력계통 사이에 마련되어, 상기 제1 모터의 토크를 조절 가능한 전력 변환기
를 구비한다.
본 발명의 적어도 일 실시 형태에 의하면, 연료 전지의 출력 변화 속도를 크게 하는 것이 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 4는 일 실시 형태에 관한 연료 전지 발전 시스템의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 5는 일 실시 형태에 관한 연료 전지 발전 시스템의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 6은 일 실시 형태에 관한 연료 전지 발전 시스템의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 7은 일 실시 형태에 관한 연료 전지 발전 시스템의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 8은 일 실시 형태에 관한 연료 전지 발전 시스템의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 9는 일 실시 형태에 관한 연료 전지 발전 시스템의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 10은 일 실시 형태에 관한 연료 전지 발전 시스템의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 11은 전형적인 연료 전지 발전 시스템의 구성을 도시하는 개략도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 몇 가지 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 한정하는 취지는 아니고, 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 효과를 얻을 수 있는 것은, 지면에 있어서의 상하 방향이 반드시 연직 상하 방향으로 한정되지 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 전지의 구성)
먼저, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 몇 가지의 실시 형태에 관한 연료 전지 발전 시스템을 구성하는 연료 전지에 대하여 설명한다. 또한, 본 명세서에 있어서의 연료 전지는, 이하에 설명하는 연료 전지 모듈, 연료 전지 카트리지, 또는 셀 스택이어도 된다. 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 한정될 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 내부에 마련되어, 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)으로 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 배기 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 배기 연료 가스를 압력 용기(205)의 외부로 유도하는 것이다.
압력 용기(205)는, 내부의 압력이 0.1㎫ 내지 약3㎫, 내부의 온도가 대기 온도 내지 약 550℃에서 운용되므로, 내압성과 산화성 가스 중에 포함되는 산소 등의 산화제에 대한 내식성을 보유하는 재질이 이용된다. 예를 들어, SUS304 등의 스테인리스계재가 적합하다.
여기서, 본 실시 형태에 있어서는, 복수의 SOFC 카트리지(203)가 집합화되어 압력 용기(205)에 수납되는 양태에 대하여 설명하고 있지만, 이것에 한정되지 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, 상부관판(225a)과, 하부관판(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 이에 한정될 필요는 없고, 예를 들어 셀 스택(101)의 내측과 외측을 평행하게 흐르거나, 또는 산화성 가스가 셀 스택(101)의 길이 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 영역이고, 연료 가스와 산화성 가스를 전기 화학적으로 반응시켜 발전을 행하는 영역이다. 또한, 이 발전실(215)의 셀 스택(101) 길이 방향의 중앙부 부근에서의 온도는, 온도 계측부(온도 센서나 열전대 등)에서 감시되어, 연료 전지 모듈(201)의 정상 운전 시에, 약 700℃ 내지 1000℃의 고온 분위기로 된다.
연료 가스 공급 헤더(217)는, SOFC 카트리지(203)의 상부 케이싱(229a)과 상부관판(225a)에 둘러싸인 영역이고, 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, 상부관판(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 하부관판(225b)에 둘러싸인 영역이고, 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, 하부관판(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 배기 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 하부관판(225b)과 하부 단열체(지지체)(227b)에 둘러싸인 영역이고, 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 상부관판(225a)과 상부 단열체(지지체)(227a)에 둘러싸인 영역이고, 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 배기 산화성 가스를, 산화성 가스 배출 구멍(233b)을 통해 도시하지 않은 산화성 가스 배출 지관으로 유도하는 것이다.
상부관판(225a)은, 상부 케이싱(229a)의 천장판과 상부 단열체(227a) 사이에, 상부관판(225a)과 상부 케이싱(229a)의 천장판과 상부 단열체(227a)가 대략 평행이 되도록, 상부 케이싱(229a)의 측판에 고정되어 있다. 또한 상부관판(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 상부관판(225a)은, 복수의 셀 스택(101)의 한쪽의 단부를 시일 부재(237a) 및 접착 부재의 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 상부관판(225a)이 대략 평행이 되도록 배치되어, 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 구획하는 것이고, 상부관판(225a)의 주위의 분위기가 고온화되어 강도 저하나 산화성 가스 중에 포함되는 산화제에 의한 부식이 증가하는 것을 억제한다. 상부관판(225a) 등은 인코넬 등의 고온 내구성이 있는 금속 재료로 이루어지지만, 상부관판(225a) 등이 발전실(215) 내의 고온에 노출되어 상부관판(225a) 등 내의 온도차가 커짐으로써 열변형되는 것을 방지하는 것이다. 또한, 상부 단열체(227a)는, 발전실(215)을 통과하여 고온에 노출된 배기 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, 배기 산화성 가스는, 기체관(103)의 내부를 통해 발전실(215)에 공급되는 연료 가스와의 사이에서 열교환이 이루어지고, 금속 재료로 이루어지는 상부관판(225a) 등이 좌굴 등의 변형을 하지 않는 온도로 냉각되어 산화성 가스 배출 헤더(223)에 공급된다. 또한, 연료 가스는, 발전실(215)로부터 배출되는 배기 산화성 가스와의 열교환에 의해 승온되어, 발전실(215)에 공급된다. 그 결과, 히터 등을 사용하는 일 없이 발전에 적합한 온도로 예열 승온된 연료 가스를 발전실(215)에 공급할 수 있다.
하부관판(225b)은, 하부 케이싱(229b)의 저판과 하부 단열체(227b) 사이에, 하부관판(225b)과 하부 케이싱(229b)의 저판과 하부 단열체(227b)가 대략 평행이 되도록 하부 케이싱(229b)의 측판에 고정되어 있다. 또한 하부관판(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 하부관판(225b)은, 복수의 셀 스택(101)의 다른 쪽의 단부를 시일 부재(237b) 및 접착 부재의 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 하부관판(225b)이 대략 평행이 되도록 배치되어, 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 구획하는 것이고, 하부관판(225b)의 주위의 분위기가 고온화되어 강도 저하나 산화성 가스 중에 포함되는 산화제에 의한 부식이 증가하는 것을 억제한다. 하부관판(225b) 등은 인코넬 등의 고온 내구성이 있는 금속 재료로 이루어지지만, 하부관판(225b) 등이 고온에 노출되어 하부관판(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 배기 연료 가스는, 발전실(215)에 공급되는 산화성 가스와의 사이에서 열교환이 이루어지고, 금속 재료로 이루어지는 하부관판(225b) 등이 좌굴 등의 변형을 하지 않는 온도로 냉각되어 연료 가스 배출 헤더(219)에 공급된다. 또한, 산화성 가스는 배기 연료 가스와의 열교환에 의해 승온되어, 발전실(215)에 공급된다. 그 결과, 히터 등을 사용하는 일 없이 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 도출한 후에, SOFC 카트리지(203)의 집전 막대(도시하지 않음)에 집전판(도시하지 않음)을 통해 집전되고, 각 SOFC 카트리지(203)의 외부로 취출된다. 상기 집전 막대에 의해 SOFC 카트리지(203)의 외부로 도출된 직류 전력은, 각 SOFC 카트리지(203)의 발전 전력을 소정의 직렬수 및 병렬수로 서로 접속되고, SOFC 모듈(201)의 외부로 도출되고, 도시하지 않은 파워 컨디셔너 등의 전력 변환 장치(인버터 등)에 의해 소정의 교류 전력으로 변환되어, 전력 공급처(예를 들어, 부하 설비나 전력계통)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 적층하여 형성되어 있다. 또한, 셀 스택(101)은, 기체관(103)의 외주면에 형성된 복수의 연료 전지 셀(105) 중, 기체관(103)의 축방향에 있어서 가장 끝의 일단에 형성된 연료 전지 셀(105)의 산소측 전극(113)에, 인터커넥터(107)를 통해 전기적으로 접속된 리드막(115)을 구비하고, 가장 끝의 타단에 형성된 연료 전지 셀(105)의 연료측 전극(109)에 전기적으로 접속된 리드막(115)을 구비한다.
기체관(103)은, 다공질 재료로 이루어지고, 예를 들어 CaO 안정화 ZrO2(CSZ), CSZ와 산화니켈(NiO)의 혼합물(CSZ+NiO), 또는 Y2O3 안정화 ZrO2(YSZ), 또는 MgAl2O4 등을 주성분으로 이루어진다. 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, Ni과 지르코니아계 전해질 재료의 복합재의 산화물로 구성되고, 예를 들어 Ni/YSZ가 사용된다. 연료측 전극(109)의 두께는 50㎛ 내지 250㎛이고, 연료측 전극(109)은 슬러리를 스크린 인쇄하여 형성되어도 된다. 이 경우, 연료측 전극(109)은, 연료측 전극(109)의 성분인 Ni이 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 외에, 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㎛이고 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 LaMnO3으로 표시되는 페로브스카이트형 산화물로 구성되어도 된다. 이와 같이 함으로써, 발전 성능을 더 향상시킬 수 있다.
산화성 가스란, 산소를 대략 15％ 내지 30％ 포함하는 가스이고, 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 양 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 비슷한 것이 필요한 점에서, Ni/YSZ 등의 Ni과 지르코니아계 전해질 재료의 복합재나 SrTiO3계 등의 M1-xLxTiO3(M은 알칼리 토류 금속 원소, L은 란타노이드 원소)으로 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 따로따로 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 통 형상이면 되고, 반드시 단면이 원형에 한정되지 않고, 예를 들어 타원 형상이어도 된다. 원통의 주위측면을 수직으로 압궤한 편평 원통(Flat tubular) 등의 셀 스택이어도 된다.
(연료 전지 발전 시스템의 구성)
이어서, 도 4 내지 도 10을 참조하여, 몇 가지의 실시 형태에 관한 연료 전지 발전 시스템(이하, 「발전 시스템」 이라고도 한다.)에 대하여 설명한다. 도 4 내지 도 10은, 각각, 일 실시 형태에 관한 연료 전지 발전 시스템의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 4 내지 도 10에 도시한 바와 같이, 일 실시 형태에 관한 발전 시스템(연료 전지 발전 시스템)(1)은, 연료 전지 모듈(201)(도 1 참조)을 포함하는 연료 전지부(2)(연료 전지)와, 연료 전지부(2)와 전력계통(90) 사이에 마련되는 인버터(20)를 구비하고 있다.
인버터(20)는, 연료 전지부(2)의 출력 단자와 전력계통(90)을 접속하는 송전 라인(27) 상에 마련된다. 송전 라인(27)은, 연료 전지부(2)와 인버터(20) 사이의 직류 전선인 제1 직류 전로(21)와, 인버터(20)와 전력계통(90) 사이의 교류 전로(28)를 포함한다. 인버터(20)는, 연료 전지부(2)로부터의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여, 송전 라인(27)을 통해 전력계통(90)에 공급 가능하게 구성된다. 인버터(20)와 전력계통(90) 사이에는, 인버터(20)와 전력계통(90)의 접속 상태를 전환하기 위한 개폐기(29)가 마련되어 있어도 된다.
전력계통(90)은, 전력 사업자가 관리하는 전력계통(91)이어도 되고, 혹은 전력계통(91)과는 별도의 독립 전원계통(92)이어도 된다. 또한, 개폐기(29)는, 인버터(20)의 접속처를, 상술한 전력계통(91)과 독립 전원계통(92) 사이에서 전환 가능하게 구성되어 있어도 된다.
인버터(20)와 연료 전지부(2) 사이의 제1 직류 전로(21)에는, 연료 전지부(2)에 의해 생성된 전력을 축전하기 위한 부하 변동 흡수용 축전지(도시하지 않음)가 접속되어 있어도 된다. 연료 전지부(2)에 의한 생성 전력을 미리 부하 변동 흡수용 축전지에 축전함으로써, 전력계통(90)으로부터의 출력 수요에 유연하게 대응하는 것이 가능해진다.
연료 전지부(2)에는, 연료 공급 라인(40), 배기 연료 가스 라인(42), 산화성 가스 공급 라인(44) 및 배기 산화성 가스 라인(46)이 접속된다.
연료 공급 라인(40)은, 연료 전지 모듈(201)(연료 전지부(2))의 연료측 전극(109)(즉, 연료 전지 모듈(201)을 구성하는 연료 전지 셀(105)의 연료측 전극(109))에 연료 가스를 공급하도록 구성된다. 연료 공급 라인(40)에는, 연료 전지 모듈(201)로의 연료 공급량을 조절하기 위한 연료 조절 밸브(도시하지 않음)가 마련되어 있다. 배기 연료 가스 라인(42)은, 연료 전지부(2)로부터의 배기 연료 가스가 흐르도록 구성된다.
산화성 가스 공급 라인(44)은, 연료 전지 모듈(201)(연료 전지부(2))의 산소측 전극(113)(즉, 연료 전지 모듈(201)을 구성하는 연료 전지 셀(105)의 산소측 전극(113))에 산화성 가스(예를 들어, 공기)를 공급하도록 구성된다. 배기 산화성 가스 라인(46)은, 연료 전지부(2)로부터의 배기 산화성 가스가 흐르도록 구성된다.
또한, 상술한 연료 공급 라인(40)은, 연료 전지 모듈(201)에 있어서의 연료 가스 공급관(207) 또는 연료 가스 공급 지관(207a)(도 1 참조)에 대응한다. 또한, 상술한 산화성 가스 공급 라인(44)은, 연료 전지 모듈(201)에 있어서의 산화성 가스 공급관 또는 산화성 가스 공급 지관(도 1에 있어서 도시하지 않음)에 대응한다.
도 4 내지 도 10에 도시하는 발전 시스템(1)은, 산화성 가스 공급 라인(44)에 마련되는 적어도 하나의 압축기(4)와, 적어도 하나의 압축기(4) 중, 제1 압축기(6)를 구동 가능하게 구성된 제1 모터(모터/발전기(18) 또는 모터(17))와, 제1 모터와 전력계통(90) 사이에 마련되는 적어도 하나의 전력 변환기(23)를 구비하고 있다. 도 4, 도 5, 도 6, 도 9 및 도 10에 도시하는 예시적인 실시 형태에서는, 제1 모터는, 발전기로서도 사용 가능한 모터/발전기(18)를 포함한다. 도 7 및 도 8에 도시하는 예시적인 실시 형태에서는, 제1 모터는 모터(17)를 포함한다.
적어도 하나의 압축기(4)는, 산화성 가스 공급 라인(44)을 흐르는 산화성 가스(즉, 연료 전지부(2)에 공급되는 산화성 가스)를 압축하도록 구성된다. 압축기(4)로 가압된 산화성 가스를, 산화성 가스 공급 라인(44)을 통해 연료 전지부(2)의 산소측 전극(113)에 공급함으로써, 산화성 가스를 가압하지 않는 경우에 비해, 연료 전지부(2)에서의 발전 효율을 높일 수 있다.
몇 가지의 실시 형태에서는, 발전 시스템(1)은, 산화성 가스 공급 라인(44)에 있어서 직렬로 마련되는 복수의 압축기(4)를 포함하고 있어도 된다. 복수의 압축기(4)는, 제1 모터(모터/발전기(18) 또는 모터(17))에 의해 구동 가능한 제1 압축기(6)에 더하여, 제1 모터(모터/발전기(18) 또는 모터(17)) 이외의 구동원에 의해 구동되도록 구성된 제2 압축기(8)를 포함하고 있어도 된다.
도 4 내지 도 6에 도시하는 예시적인 실시 형태에서는, 산화성 가스 공급 라인(44) 상에 1개의 압축기(4)가 마련되어 있고, 해당 압축기(4)가 제1 압축기(6)이다.
도 7 내지 도 10에 도시하는 예시적인 실시 형태에서는, 산화성 가스 공급 라인(44) 상에 2개의 압축기(4)가 직렬로 마련되어 있고, 이들 중 한쪽이 제1 압축기(6)이고, 다른 쪽은 제2 압축기(8)이다. 도 7, 도 9 및 도 10에 도시하는 예시적인 실시 형태에서는, 제1 압축기(6)는, 산화성 가스 공급 라인(44)에서 제2 압축기(8)의 상류측에 마련되어 있다. 도 8에 도시하는 예시적인 실시 형태에서는, 제1 압축기(6)는, 산화성 가스 공급 라인(44)에서 제2 압축기(8)의 하류측에 마련되어 있다.
발전 시스템(1)은, 연료 전지부(2)로부터의 배기 가스에 의해 구동됨과 함께, 적어도 하나의 압축기(4) 중 어느 것을 구동하도록 구성된 터빈(10)을 구비하고 있어도 된다. 여기서, 연료 전지부(2)로부터의 배기 가스란, 연료 전지부(2)로부터의 배기 연료 가스 또는 배기 산화성 가스에서 유래하는 가스이고, 예를 들어 연료 전지부(2)로부터의 배기 연료 가스를 연소시켜 생성되는 연소 가스여도 된다. 터빈(10)을 마련함으로써, 연료 전지부(2)로부터의 배기 가스의 에너지를 사용하여 압축기(4)를 구동할 수 있고, 이에 의해 연료 전지부(2)를 포함하는 발전 시스템(1)을 연속적으로 운전할 수 있다.
도 4 내지 도 10에 도시하는 예시적인 실시 형태에서는, 발전 시스템(1)은, 연료 전지부(2)로부터의 배기 연료 가스에 포함되는 미이용 연료 성분(메탄, 수소 또는 일산화탄소 등)을 연소시키도록 구성된 연소기(16)를 포함하고, 연소기(16)에서 생성되는 연소 가스에 의해 터빈(10)이 구동되도록 되어 있다. 연소기(16)에는, 배기 연료 가스 라인(42) 및 배기 산화성 가스 라인(46)을 각각 통해, 연료 전지부(2)로부터의 배기 연료 가스 및 배기 산화성 가스가 공급되도록 되어 있고, 배기 산화성 가스 중의 산소를 산화제로 하여 배기 연료 가스 중의 미이용 연료 성분이 연소되도록 되어 있다.
도 4 내지 도 6, 도 9 및 도 10에 도시하는 예시적인 실시 형태에서는, 터빈(10)은, 제1 압축기(6)를 구동하도록 구성된 제1 터빈(12)을 포함한다. 제1 터빈(12)과 제1 압축기(6)는 회전 샤프트를 통해 접속되어, 연소기(16)로부터의 연소 가스에 의해 제1 터빈(12)이 회전 구동되면, 회전 샤프트를 통해 제1 터빈(12)에 접속되는 제1 압축기(6)가 회전 구동된다. 즉, 제1 터빈(12)은, 제1 압축기(6)와 함께 터보 과급기를 구성한다.
도 7 내지 도 10에 도시하는 예시적인 실시 형태에서는, 터빈(10)은, 제2 압축기(8)를 구동하도록 구성된 제2 터빈(14)을 포함한다. 제2 터빈(14)과 제2 압축기(8)는 회전 샤프트를 통해 접속되어, 연소기(16)로부터의 연소 가스에 의해 제2 터빈(14)이 회전 구동되면, 회전 샤프트를 통해 제2 터빈(14)에 접속되는 제2 압축기(8)가 회전 구동된다. 즉, 제2 터빈(14)은, 제2 압축기(8)와 함께 터보 과급기를 구성한다.
제1 모터(모터/발전기(18) 또는 모터(17))는, 전력 변환기(23)를 통해, 전력계통(90)(도시하는 예에 있어서는 전력계통(91)) 또는 제1 직류 전로(21)(송전 라인(27) 중, 인버터(20)와 연료 전지부(2) 사이의 부분)에 접속되어도 된다.
도 4 및 도 10에 도시하는 예시적인 실시 형태에서는, 전력 변환기(23)는, 제1 모터(모터/발전기(18))와 전력계통(90) 사이에 마련되는 교류 교류 변환기(25)를 포함하고, 제1 모터(모터/발전기(18))는, 교류 교류 변환기(25)를 통해 전력계통(91)에 접속된다. 교류 교류 변환기(25)는, 전원계통(91)으로부터의 교류 전력의 전압 및/또는 주파수를 적절하게 변환하여 제1 모터(모터/발전기(18))에 공급 가능하게 구성된다. 이와 같이 제1 모터(모터/발전기(18))를 구동함으로써, 제1 압축기(6)를 구동할 수 있다. 즉, 제1 모터(모터/발전기(18))에는, 전력계통(90)으로부터의 전력을, 교류 교류 변환기(25)를 통해, 또한 인버터(20) 및 제1 직류 전로(21)를 경유하지 않고, 공급 가능하다.
도 5 내지 도 9에 도시하는 예시적인 실시 형태에서는, 전력 변환기(23)는, 제1 직류 전로(21)(송전 라인(27) 중, 인버터(20)와 연료 전지부(2) 사이의 부분)에 접속되는 제2 직류 전로(22)와 제1 모터(모터/발전기(18) 또는 모터(17)) 사이에 마련되는 직류 교류 변환기(26)와, 인버터(20)를 포함하고, 제1 모터(모터/발전기(18) 또는 모터(17))는, 직류 교류 변환기(26) 및 제2 직류 전로(22)를 통해 제1 직류 전로(21)에 접속된다. 직류 교류 변환기(26)는, 제2 직류 전로(22)로부터의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 제1 모터(모터/발전기(18) 또는 모터(17))에 공급 가능하게 구성된다. 이와 같이 제1 모터(모터/발전기(18) 또는 모터(17))를 구동함으로써, 제1 압축기(6)를 구동할 수 있다. 즉, 제1 모터(모터/발전기(18) 또는 모터(17))에는, 인버터(20)(전력 변환기(23)), 제1 직류 전로(21), 제2 직류 전로(22) 및 직류 교류 변환기(26)(전력 변환기(23))를 통해 전력계통(90)으로부터의 전력을 공급 가능함과 함께, 제1 직류 전로(21), 제2 직류 전로(22) 및 직류 교류 변환기(26)(전력 변환기(23))를 통해 연료 전지부(2)로부터의 전력을 공급 가능하다.
제1 모터는, 예를 들어 도 5, 도 6 및 도 9에 도시한 바와 같이, 제1 압축기(6)에 접속되는 제1 터빈(12)에 의해 구동되는 발전기로서 기능하는 모터/발전기(18)여도 된다. 즉, 제1 모터(모터/발전기(18))는, 회생 운전 가능하게 구성되어 있어도 된다. 이에 의해, 제1 터빈(12)에서 필요 이상의 출력이 발생하는 경우에, 제1 모터(모터/발전기(18))로 회생 운전을 함으로써 잉여 에너지를 회수할 수 있어, 발전 시스템(1)의 효율을 향상시킬 수 있다. 발전기로서 동작하는 제1 모터(모터/발전기(18))에 의해 생성되는 교류 전력은, 직류 교류 변환기(26)에 의해 직류 전력으로 변환되어, 제2 직류 전로(22)로 보내지도록 되어 있어도 된다. 또한, 제2 직류 전로(22) 상에서, 직류 교류 변환기(26)와 제1 직류 전로(21) 사이에는, 직류 교류 변환기(26)로부터의 직류 전력의 전압을 조절하기 위한 DC/DC 초퍼(24)가 마련되어 있어도 된다.
상술한 바와 같이, 연료 전지부(2)로부터의 배기 가스에 의해 터보 과급기(제1 터빈(12) 및 제1 압축기(6), 또는 제2 터빈(14) 및 제2 압축기(8))를 구동함으로써 가압된 산화성 가스를 연료 전지부(2)에 공급하는 발전 시스템(1)에서는, 터빈(10)(제1 터빈(12) 또는 제2 터빈(14))의 출력은, 터빈(10) 입구의 배기 가스량이나 배기 가스 온도에 의존한다. 따라서, 발전 시스템(1)의 기동 후에, 연료 전지부(2)의 발전실(215)(도 2 참조)의 온도 및 배기 가스의 온도가 적절하게 높아져 터보 과급기의 자립 운전이 확립된 후에는 연료 전지부(2)의 발전량에 변화가 없으면, 해당 터보 과급기는 소정 범위 내의 회전수로 자립 운전을 계속할 수 있다. 또한, 터보 과급기의 자립 운전이란, 모터나 기동용 압축기 등의 보조를 얻지 않고, 연료 전지부(2)로부터의 배기 가스만으로 터보 과급기가 안정적으로 동작하는 상태를 의미한다. 이에 비해, 발전 시스템(1)의 기동 시에는, 터보 과급기는 모터나 기동용 압축기 등의 보조를 얻으면서 회전수 및 산화성 가스의 토출량을 증가시켜 간다.
한편, 연료 전지부(2)로의 산화성 가스 공급량은, 발전 출력에 따라 연료 전지부(2)의 발전실(215)의 온도를 적정 범위 내(연료 전지부(2)에 의한 발전 효율이 저하되지 않거나, 혹은 연료 전지부(2)를 과잉의 고온으로부터 보호하는 온도 범위 내)로 유지하기 위해, 연료 전지부(2)의 출력 요구값에 맞는 공급량으로 할 필요가 있다. 따라서, 전력 수요의 변화에 수반하여 연료 전지부(2)의 출력 요구값이 변경될 때는, 변경 후의 출력 요구값에 맞는 양의 산화성 가스를 연료 전지부(2)에 공급할 필요가 있고, 이 때문에, 원하는 산화성 가스 공급량을 실현하기 위해, 압축기(4)(제1 압축기(6) 또는 제2 압축기(8))의 회전수를 증감시킬 필요가 있다.
여기서, 연료 전지부(2)의 계내 용적은 비교적 큰 점에서, 연료 전지부(2)로부터의 배기 가스량이나 배기 가스 온도를 급속하게 증감하는 것은 어렵고, 터빈(10)(제1 터빈(12) 또는 제2 터빈(14))의 출력을 급속하게 변경시키는 것은 어렵다. 따라서, 도 11에 도시한 바와 같은 터빈(10)에 의해서만 압축기가 구동되는 발전 시스템에서는, 연료 전지부(2)의 출력 요구값의 변화에 맞추어 산화성 가스 공급량을 급속하게 변화시킬 수 없고, 그 결과, 연료 전지부(2)의 출력 변화 속도를 크게 하는 것이 어렵다.
이 점에서, 상술한 실시 형태에서는, 전력계통(90) 또는 연료 전지부(2)로부터 공급되는 전력에 의해 제1 모터(모터/발전기(18) 또는 모터(17))를 보조(어시스트)함으로써, 제1 압축기(6)에서 압축되는 산화성 가스를 출력 요구값의 변화에 따른 원하는 변화량이 되도록 연료 전지부(2)에 공급 가능해지도록 구성된다. 그리고, 전력 변환기(23)(교류 교류 변환기(25) 또는 직류 교류 변환기(26))에 의해 제1 모터(모터/발전기(18) 또는 모터(17))의 토크를 제어함으로써, 연료 전지부(2)의 출력 요구값에 대응하는 산화성 가스 공급량에 따라 제1 압축기(6)의 회전수를 조절할 수 있으므로, 이에 의해 연료 전지부(2)로의 산화성 가스 공급량을 신속히 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 연료 전지부(2)의 출력을 변화시킬 필요가 생겼을 때, 터빈(10)을 구동하는 연료 전지부(2)로부터의 배기 가스가 충분한 에너지를 갖지 않는 경우라도, 부족분을 제1 모터(모터/발전기(18) 또는 모터(17))로 보충함으로써, 제1 압축기(6)의 회전수를 신속히 조절하여, 연료 전지부(2)로의 산화성 가스 공급량을 신속히 변화시킬 수 있다. 따라서, 연료 전지부(2)의 출력 변화 속도를 크게 할 수 있어, 연료 전지부(2)를 포함하는 발전 시스템(1)의 부하 응답성을 향상시킬 수 있다. 또한, 이 때문에, 연료 전지부(2)에 의해 생성된 전력을 축전함으로써, 출력 요구의 변화에 따라 응답성 좋게 전력을 출력 가능해지기 때문에, 부하 변동 흡수용의 대용량의 축전지의 설치를 생략할 수 있는 경우가 있다.
또한, 예를 들어 도 5 내지 도 9에 도시하는 실시 형태과 같이, 연료 전지부(2)와 제1 모터(모터/발전기(18) 또는 모터(17))에서 인버터(20)를 공유하는 경우는, 설비 비용을 저감할 수 있다. 따라서, 설비 비용을 저감하면서, 연료 전지부(2)의 출력 변화 속도를 크게 하여 연료 전지부(2)의 부하 추종성을 향상시킬 수 있다.
도 4 내지 도 10에 도시한 바와 같이, 발전 시스템(1)은, 전력 변환기(23)(교류 교류 변환기(25) 또는 직류 교류 변환기(26))를 제어하기 위한 컨트롤러(50)를 더 구비하고 있어도 된다. 컨트롤러(50)는, 연료 전지부(2)의 출력 요구값에 대응하는 연료 전지부(2)로의 산화성 가스의 공급량이 실현되도록, 즉, 이러한 산화성 가스의 공급량이 실현되는 제1 압축기(6)의 회전수가 되도록, 제1 모터(모터/발전기(18) 또는 모터(17))의 토크를 조절하도록 전력 변환기(23)(교류 교류 변환기(25) 또는 직류 교류 변환기(26))를 제어하도록 구성되어 있어도 된다.
더 구체적으로, 일 실시 형태에서는, 컨트롤러(50)는 이하와 같이 구성되어 있어도 된다. 즉, 컨트롤러(50)는, 중앙 배전소(디스패치 센터)로부터의 연료 전지의 출력 요구값(디맨드)을 접수한다. 그리고, 출력 요구값에 대응하는 산화성 가스의 공급량을 얻기 위해 필요한 제1 압축기(6)의 목표 회전수를 실현하기 위한 제1 모터(모터/발전기(18) 또는 모터(17))의 토크를 연산하여, 산출된 제1 모터(모터/발전기(18) 또는 모터(17))의 토크를 얻기 위해 필요한 유효 전류로부터 전력 변환기(23)(교류 교류 변환기(25) 또는 직류 교류 변환기(26))에 부여해야 할 PWM 제어 지령을 생성한다. 이와 같이 생성된 PWM 제어 지령에 기초하여, 전력 변환기(23)(교류 교류 변환기(25) 또는 직류 교류 변환기(26))의 스위칭 소자(예를 들어, IGBT)의 스위칭 제어를 행함으로써, 제1 모터(모터/발전기(18) 또는 모터(17))의 토크가 원하는 값으로 조절된다.
이와 같이, 컨트롤러(50)에 의해 전력 변환기(23)(교류 교류 변환기(25) 또는 직류 교류 변환기(26))를 제어하도록 했으므로, 연료 전지부(2)의 출력 요구값에 대응하는 산화성 가스 공급량에 따라 제1 압축기(6)의 회전수를 적절하게 조절할 수 있다. 따라서, 연료 전지부(2)로의 산화성 가스 공급량을 신속히 변화시킬 수 있어, 연료 전지부(2)의 출력 변화 속도를 크게 할 수 있고, 부하 추종성을 향상시킬 수 있다.
또한, 전력 수요 증가에 수반하여 연료 전지부(2)의 출력 요구값이 증가될 때는, 출력 요구값에 대응하여 연료 전지부(2)로의 산화성 가스의 목표 공급량도 증가하므로, 컨트롤러(50)에 의해, 이 목표 공급량을 실현하는 제1 압축기(6)의 회전수를 얻을 수 있는 제1 모터(모터/발전기(18) 또는 모터(17))의 토크가 연산되어, 해당 토크에 기초하여 전력 변환기(23)(교류 교류 변환기(25) 또는 직류 교류 변환기(26))가 제어됨으로써, 제1 모터(모터/발전기(18) 또는 모터(17))에 전압이 인가된다.
또한, 전력 수요 저감에 수반하여 연료 전지부(2)의 출력 요구값이 저감될 때는, 출력 요구값에 대응하여 연료 전지부(2)로의 산화성 가스의 목표 공급량도 저감되므로, 이 목표 공급량을 실현하는 제1 압축기(6)의 회전수가 얻어지도록, 제1 모터(모터/발전기(18) 또는 모터(17))의 토크가 연산되어, 해당 토크에 기초하여 전력 변환기(23)(교류 교류 변환기(25) 또는 직류 교류 변환기(26))가 제어된다. 이때, 도 5, 도 6 및 도 9에 도시하는 실시 형태과 같이, 제1 모터(모터/발전기(18))가 터빈(10)에 의해 구동되어 발전기로서 기능하도록 구성되어 있는 경우에는, 제1 모터(모터/발전기(18))의 토크가 연산된 목표값으로 될 때까지, 제1 모터(모터/발전기(18))에 회생 운전을 시키도록 해도 된다. 혹은, 일 실시 형태에서는, 제1 모터(모터/발전기(18) 또는 모터(17))의 토크가 연산된 목표값으로 되도록, 산화성 가스 공급 라인(44)으로부터 분기되어 연료 전지부(2)를 바이패스하도록 마련되는 바이패스 라인(도시하지 않음)의 바이패스 밸브(도시하지 않음)의 개방도를 조절함으로써, 연료 전지부(2)로의 산화성 가스 공급량 및 연료 전지부(2)로부터의 배기 산화성 가스량을 저감하도록 해도 된다.
몇 가지의 실시 형태에서는, 예를 들어 도 6 내지 도 9에 도시한 바와 같이, 발전 시스템(1)은, 인버터(20)와 제1 모터(모터/발전기(18) 또는 모터(17)) 사이의 제2 직류 전로(22)에 접속되는 모터용 축전지(34)를 구비하고 있어도 된다. 또한, 모터용 축전지(34)와 제2 직류 전로(22) 사이에는, 모터용 축전지(34)로부터의 직류 전력의 전압을 조절하기 위한 DC/DC 초퍼(36)가 마련되어 있어도 된다.
상술한 실시 형태에 따르면, 인버터(20)와 제1 모터(모터/발전기(18) 또는 모터(17)) 사이의 제2 직류 전로(22)에 접속되는 모터용 축전지(34)로부터 공급되는 전력에 의해 제1 모터(모터/발전기(18) 또는 모터(17))를 구동할 수 있다. 따라서, 계통 차단 시 등, 전력계통(90)으로부터의 전력 공급을 받을 수 없는 경우라도, 모터용 축전지(34)로부터의 전력 공급에 의해 제1 모터(모터/발전기(18) 또는 모터(17))를 구동하고, 이에 의해 제1 압축기(6)를 구동함으로써, 연료 전지부(2)를 포함하는 발전 시스템(1)을 적절하게 운전할 수 있다. 또한, 연료 전지부(2)와 전력계통(90) 사이에 마련되는 인버터(20)와, 제1 모터(모터/발전기(18) 또는 모터(17)) 사이의 제2 직류 전로(22)에 모터용 축전지(34)를 접속하도록 했으므로, 인버터(20)와는 별도의 모터용 축전지(34)용의 인버터를 개별로 마련할 필요가 없다. 또한, 모터용 축전지(34)는, 제1 압축기(6)의 구동을 보조하기 위해 필요한 전력을 조달할 수 있으면 충분하여, 비교적 소용량의 것으로 충분하다. 이 때문에, 비용 증대를 억제할 수 있다.
또한, 몇 가지의 실시 형태(예를 들어, 도 5 및 도 8에 도시하는 실시 형태)에서는, 제1 모터(모터/발전기(18))에 의한 회생 운전에 의해 생성되는 전력을, 모터용 축전지(34)에 축전하도록 구성되어 있어도 된다.
이미 설명한 바와 같이, 도 7 내지 도 10에 도시하는 예시적인 실시 형태에서는, 발전 시스템(1)은, 산화성 가스 공급 라인(44) 상에서 제1 압축기(6)와 직렬로 마련되는 제2 압축기(8)를 포함한다.
상술한 실시 형태에서는, 제1 압축기(6)와, 제1 압축기(6)와 직렬로 마련되는 제2 압축기(8)를 병용하도록 했으므로, 제1 압축기(6)로서 비교적 저용량의 압축기를 채용할 수 있다. 이 때문에, 제1 압축기(6)를 구동하기 위한 제1 모터(모터/발전기(18) 또는 모터(17))도 비교적 출력이 작은 것을 채용할 수 있고, 이에 의해, 비용 증가를 효과적으로 억제하면서, 연료 전지의 부하 추종성을 향상시킬 수 있다.
또한, 도 7 내지 도 10에 도시하는 예시적인 실시 형태에서는, 발전 시스템(1)은, 제2 압축기(8)를 구동하도록 구성된 제2 터빈(14)을 포함한다. 즉, 해당 발전 시스템(1)은, 산화성 가스 공급 라인(44)에 마련되는 제2 압축기(8)와, 회전 샤프트를 통해 제2 압축기(8)에 접속되어, 연료 전지부(2)로부터의 배기 가스에 의해 구동되도록 구성된 제2 터빈(14)을 포함하는 터보 과급기를 구비한다.
상술한 실시 형태에 따르면, 제1 모터(모터/발전기(18) 또는 모터(17))에 의해 구동되는 제1 압축기(6)와, 제2 터빈(14)에 의해 구동되는 제2 압축기(8)를 병용한다. 따라서, 연료 전지부(2)의 출력을 변화시킬 필요가 발생했을 때, 제2 터빈(14)을 구동하는 연료 전지부(2)의 배기 가스가 충분한 에너지를 갖지 않는 경우라도, 부족분을 제1 모터(모터/발전기(18) 또는 모터(17))로 보충함으로써, 제1 압축기(6)의 회전수를 신속히 조절하여, 연료 전지부(2)로의 산화성 가스 공급량을 신속히 변화시킬 수 있다. 따라서, 연료 전지부(2)의 출력 변화 속도를 크게 할 수 있어, 연료 전지부(2)의 부하 추종성을 향상시킬 수 있다.
또한, 도 10에 도시하는 실시 형태에서는, 발전 시스템(1)은, 제2 압축기(8)를 구동하도록 구성된 제2 터빈(14) 및 제2 모터(19)를 포함한다. 즉, 해당 발전 시스템(1)은, 산화성 가스 공급 라인(44)에 마련되는 제2 압축기(8)와, 회전 샤프트를 통해 제2 압축기(8)에 접속되어, 연료 전지부(2)로부터의 배기 가스 및 제2 모터(19)에 의해 구동되도록 구성된 제2 터빈(14)을 포함하는 터보 과급기를 구비한다.
상술한 실시 형태에 따르면, 제1 모터(모터/발전기(18) 또는 모터(17))에 의해 구동되는 제1 압축기(6)와, 제2 터빈(14) 및 제2 모터(19)에 의해 구동되는 제2 압축기(8)를 병용한다. 따라서, 기동 시 등, 제2 터빈(14)을 구동하는 연료 전지부(2)의 배기 가스가 충분한 에너지를 갖지 않는 경우라도, 부족분을 계통으로부터의 전력 등으로 구동하는 제2 모터(19)로 보충함으로써, 제1 압축기(6)의 회전수를 필요한 값으로 조절하여, 연료 전지부(2)로의 산화성 가스 공급량을 원하는 양으로 할 수 있다. 따라서, 더 원활한 기동과 연료 전지부(2)의 출력 변화 속도를 크게 할 수 있어, 연료 전지부(2)의 부하 추종성을 향상시킬 수 있다. 또한, 제2 모터(19)는, 발전기로서도 사용 가능한 모터/발전기여도 된다.
도 7 및 도 8에 도시하는 발전 시스템(1)은, 제2 압축기(8) 및 제2 터빈(14)(터보 과급기)을 포함하는 기존의 발전 시스템에 대하여, 제1 압축기(6) 및 제1 모터(모터(17))를 추가 설치함으로써 얻어진다. 또한, 도 9 및 도 10에 도시하는 발전 시스템(1)은, 제2 압축기(8) 및 제2 터빈(14)(터보 과급기)을 포함하는 기존의 발전 시스템에 대하여, 제1 압축기 및 제1 터빈(터보 과급기), 그리고 제1 모터(모터/발전기(18))를 추가 설치함으로써 얻어진다.
즉, 도 7 내지 도 10에 도시하는 실시 형태에 관한 발전 시스템(1)은, 제2 압축기(8) 및 제2 터빈(14)(터보 과급기)을 포함하는 기존의 가압형의 연료 전지 발전 시스템에 대하여, 제1 모터(모터/발전기(18) 또는 모터(17))로 구동 가능한 제1 압축기(6) 또는 터보 과급기(제1 압축기(6) 및 제1 터빈(12))를 추가 설치함으로써 얻어진다. 따라서, 제1 압축기(6) 또는 제1 압축기(6)를 포함하는 터보 과급기는, 기존의 터보 과급기(제2 압축기(8) 및 제2 터빈(14))와는 독립적으로 설치 가능하기 때문에, 자유로운 설비 배치나 기종 선정이 가능하다.
상기 각 실시 형태에 기재된 내용은, 예를 들어 이하와 같이 파악된다.
(1) 본 발명의 적어도 일 실시 형태에 관한 연료 전지 발전 시스템(1)은,
연료 전지(예를 들어, 상술한 연료 전지부(2))와,
상기 연료 전지에 산화성 가스를 공급하기 위한 산화성 가스 공급 라인(44)에 마련되는 적어도 하나의 압축기(4)와,
상기 적어도 하나의 압축기 중 제1 압축기(6)를 구동 가능하게 구성된 제1 모터(예를 들어, 상술한 모터/발전기(18) 또는 모터(17))와,
상기 제1 모터와 전력계통(90) 사이에 마련되어, 상기 제1 모터의 토크를 조절 가능한 1 이상의 전력 변환기(23)
를 구비한다.
상기 (1)의 구성에 의하면, 전력계통으로부터 공급되는 전력에 의해 제1 모터를 구동함으로써, 제1 압축기에서 압축되는 산화성 가스를 연료 전지에 공급 가능해진다. 또한, 전력 변환기에 의해 제1 모터의 토크를 제어함으로써, 연료 전지의 출력 요구값에 대응하는 산화성 가스 공급량에 따라 제1 압축기의 회전수를 조절할 수 있으므로, 이에 의해 연료 전지로의 산화성 가스 공급량을 신속히 변화시킬 수 있어, 연료 전지의 출력 변화 속도를 크게 할 수 있다. 따라서, 연료 전지의 부하 추종성을 향상시킬 수 있다.
(2) 몇 가지의 실시 형태에서는, 상기 (1)의 구성에 있어서,
상기 연료 전지 발전 시스템은,
상기 연료 전지의 출력 요구값에 대응하는 상기 연료 전지로의 상기 산화성 가스의 공급량이 실현되도록, 상기 제1 모터의 토크를 조절하도록 상기 전력 변환기를 제어하기 위한 컨트롤러(50)를 구비한다.
상기 (2)의 구성에 의하면, 컨트롤러에 의해 전력 변환기를 제어하도록 했으므로, 연료 전지의 출력 요구값에 대응하는 산화성 가스 공급량에 따라 제1 압축기의 회전수를 적절하게 조절할 수 있다. 따라서, 연료 전지로의 산화성 가스 공급량을 신속히 변화시킬 수 있어, 연료 전지의 출력 변화 속도를 크게 할 수 있고, 부하 추종성을 향상시킬 수 있다.
(3) 몇 가지의 실시 형태에서는, 상기 (1) 또는 (2)의 구성에 있어서,
상기 1 이상의 전력 변환기는, 상기 전력계통과 상기 제1 모터 사이에 마련된 교류 교류 변환기(25)를 포함한다.
상기 (3)의 구성에 의하면, 교류 전로에 마련된 교류 교류 변환기에 의해 제1 모터의 토크를 적절하게 제어할 수 있다. 이에 의해, 연료 전지의 출력 요구값에 대응하는 산화성 가스 공급량에 따라 제1 압축기의 회전수를 조절할 수 있으므로, 연료 전지로의 산화성 가스 공급량을 신속히 변화시킬 수 있어, 연료 전지의 출력 변화 속도를 크게 할 수 있다.
(4) 몇 가지의 실시 형태에서는, 상기 (1) 또는 (2)의 구성에 있어서,
상기 1 이상의 전력 변환기는,
상기 연료 전지와 상기 전력계통 사이에 마련되는 인버터(20)와,
상기 연료 전지와 상기 인버터 사이의 제1 직류 전로 사이에 마련되는 직류 교류 변환기(25)
를 포함한다.
상기 (4)의 구성에 의하면, 전력계통 또는 연료 전지로부터 공급되는 전력에 의해 제1 모터를 구동함으로써, 제1 압축기로 압축되는 산화성 가스를 연료 전지에 공급 가능해진다. 또한, 인버터 및/또는 직류 교류 변환기에 의해 제1 모터의 토크를 적절하게 제어할 수 있다. 이에 의해, 연료 전지의 출력 요구값에 대응하는 산화성 가스 공급량에 따라 제1 압축기의 회전수를 조절할 수 있으므로, 연료 전지로의 산화성 가스 공급량을 신속히 변화시킬 수 있어, 연료 전지의 출력 변화 속도를 크게 할 수 있다. 또한, 연료 전지와 제1 모터에서 인버터를 공용하도록 했으므로, 설비 비용을 저감할 수 있다. 따라서, 설비 비용을 저감하면서, 연료 전지의 출력 변화 속도를 크게 하여 연료 전지의 부하 추종성을 향상시킬 수 있다.
(5) 몇 가지의 실시 형태에서는, 상기 (4)의 구성에 있어서,
상기 연료 전지 발전 시스템은,
상기 인버터와 상기 제1 모터 사이의 제2 직류 전로(22)에 접속되는 모터용 축전지(34)를 구비한다.
상기 (5)의 구성에 의하면, 인버터와 제1 모터 사이의 제2 직류 전로에 접속되는 모터용 축전지로부터 공급되는 전력에 의해 제1 모터를 구동할 수 있다. 따라서, 계통 차단 시 등, 전력계통으로부터의 전력 공급을 받을 수 없는 경우라도, 모터용 축전지로부터의 전력 공급에 의해 제1 모터를 구동하고, 이에 의해 제1 압축기의 구동을 보조함으로써, 연료 전지의 출력 변화 속도를 크게 하는 것이 가능하다. 또한, 연료 전지와 전력계통 사이에 마련되는 인버터와, 제1 모터 사이의 제2 직류 전로에 모터용 축전지를 접속하도록 했으므로, 전술한 인버터와는 별도의 모터용 축전지용의 인버터를 개별로 마련할 필요가 없다. 또한, 모터용 축전지는, 제1 압축기의 구동을 보조하기 위해 필요한 전력을 조달할 수 있으면 충분하여, 비교적 소 용량의 것으로 충분하다. 이 때문에, 비용 증대를 억제할 수 있다.
(6) 몇 가지의 실시 형태에서는, 상기 (1) 내지 (5)의 어느 구성에 있어서,
상기 연료 전지 발전 시스템은,
상기 연료 전지로부터의 배기 가스에 의해 구동됨과 함께, 상기 적어도 하나의 압축기 중 어느 것을 구동하도록 구성된 적어도 하나의 터빈(10)을 구비한다.
상기 (6)의 구성에 의하면, 연료 전지로부터의 배기 가스로 구동되는 터빈에 의해 구동되는 압축기로 압축한 산화성 가스를 연료 전지에 공급 가능하다. 또한, 연료 전지의 출력을 변화시킬 필요가 발생했을 때, 터빈을 구동하는 연료 전지의 배기 가스가 충분한 에너지를 갖지 않는 경우라도, 부족분을 제1 모터로 보충함으로써, 제1 압축기의 회전수를 신속히 조절하여, 연료 전지로의 산화성 가스 공급량을 신속히 변화시킬 수 있다. 따라서, 연료 전지의 출력 변화 속도를 크게 할 수 있어, 연료 전지의 부하 추종성을 향상시킬 수 있다.
(7) 몇 가지의 실시 형태에서는, 상기 (6)의 구성에 있어서,
상기 적어도 하나의 터빈은, 상기 제1 압축기를 구동하도록 구성된 제1 터빈(12)을 포함한다.
상기 (7)의 구성에 의하면, 제1 압축기는, 연료 전지로부터의 배기 가스로 구동되는 제1 터빈에 의해 구동되는 것에 더하여, 제1 모터에 의해 구동되는 것이 가능하다. 따라서, 연료 전지의 출력을 변화시킬 필요가 발생했을 때, 제1 터빈을 구동하는 연료 전지의 배기 가스가 충분한 에너지를 갖지 않는 경우라도, 부족분을 제1 모터로 보충함으로써, 제1 압축기의 회전수를 신속히 조절하여, 연료 전지로의 산화성 가스 공급량을 신속히 변화시킬 수 있다. 따라서, 연료 전지의 출력 변화 속도를 크게 할 수 있어, 연료 전지의 부하 추종성을 향상시킬 수 있다.
(8) 몇 가지의 실시 형태에서는, 상기 (7)의 구성에 있어서,
상기 제1 모터는, 상기 제1 터빈에 구동되어 회생 운전 가능하게 구성된다.
상기 (8)의 구성에 의하면, 제1 터빈에서 필요 이상의 출력이 발생하는 경우에, 제1 모터로 회생 운전을 함으로써 잉여 에너지를 회수할 수 있다. 이에 의해, 연료 전지 발전 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.
(9) 몇 가지의 실시 형태에서는, 상기 (6) 내지 (8)의 어느 구성에 있어서,
상기 적어도 하나의 압축기는, 상기 산화성 가스 공급 라인 상에서 상기 제1 압축기와 직렬로 마련되는 제2 압축기(8)를 포함한다.
상기 (9)의 구성에 의하면, 제1 압축기와, 제1 압축기와 직렬로 마련되는 제2 압축기를 병용하도록 했으므로, 제1 압축기로서 비교적 저용량의 압축기를 채용할 수 있다. 이 때문에, 제1 압축기를 구동하기 위한 제1 모터도 비교적 출력이 작은 것을 채용할 수 있고, 이에 의해, 비용 증대를 효과적으로 억제하면서, 연료 전지의 부하 추종성을 향상시킬 수 있다.
(10) 몇 가지의 실시 형태에서는, 상기 (9)의 구성에 있어서,
상기 적어도 하나의 터빈은, 상기 제2 압축기를 구동하도록 구성된 제2 터빈(14)을 포함한다.
상기 (10)의 구성에 의하면, 제1 모터에 의해 구동되는 제1 압축기와, 제2 터빈에 의해 구동되는 제2 압축기를 병용한다. 따라서, 연료 전지의 출력을 변화시킬 필요가 발생했을 때, 제2 터빈을 구동하는 연료 전지의 배기 가스가 충분한 에너지를 갖지 않는 경우라도, 부족분을 제1 모터로 보충함으로써, 제1 압축기의 회전수를 신속히 조절하여, 연료 전지로의 산화성 가스 공급량을 신속히 변화시킬 수 있다. 따라서, 연료 전지의 출력 변화 속도를 크게 할 수 있어, 연료 전지의 부하 추종성을 향상시킬 수 있다.
(11) 몇 가지의 실시 형태에서는, 상기 (9) 또는 (10)의 구성에 있어서,
상기 발전 시스템은,
상기 제2 압축기를 구동하기 위한 제2 모터(19)를 구비한다.
상기 (11)의 구성에 의하면, 제1 모터에 의해 구동되는 제1 압축기와, 제2 모터에 의해 구동되는 제2 압축기(8)를 병용한다. 따라서, 기동 시 등, 제2 터빈을 구동하는 연료 전지로부터의 배기 가스가 충분한 에너지를 갖지 않는 경우라도, 부족분을 제2 모터로 보충함으로써, 제1 압축기의 회전수를 필요한 값으로 조절하여, 연료 전지로의 산화성 가스 공급량을 원하는 양으로 할 수 있다. 따라서, 더 원활한 기동과 연료 전지부의 출력 변화 속도를 크게 할 수 있어, 연료 전지의 부하 추종성을 향상시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명했지만, 본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되지 않고, 상술한 실시 형태에 변형을 가한 형태나, 이들 형태를 적절히 조합한 형태도 포함한다.
본 명세서에 있어서, 「어느 방향으로」, 「어느 방향을 따라」, 「평행」, 「직교」, 「중심」, 「동심」 혹은 「동축」 등의 상대적 혹은 절대적인 배치를 나타내는 표현은, 엄밀하게 그러한 배치를 나타낼 뿐만 아니라, 공차, 혹은 동일한 기능이 얻어질 정도의 각도나 거리를 갖고 상대적으로 변위되어 있는 상태도 나타내는 것으로 한다.
예를 들어, 「동일」, 「동등하다」 및 「균질」 등의 사물이 동등의 상태인 것을 나타내는 표현은, 엄밀하게 동등의 상태를 나타낼 뿐만 아니라, 공차, 혹은 동일한 기능이 얻어질 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」라는 표현은, 다른 구성 요소의 존재를 제외하는 배타적인 표현이 아니다.
1: 발전 시스템(연료 전지 발전 시스템)
2: 연료 전지부
4: 압축기
6: 제1 압축기
8: 제2 압축기
10: 터빈
12: 제1 터빈
14: 제2 터빈
16: 연소기
17: 모터(제1 모터)
18: 모터/발전기(제1 모터)
19: 제2 모터
20: 인버터
21: 제1 직류 전로
22: 제2 직류 전로
23: 전력 변환기
24: DC/DC 초퍼
25: 교류 교류 변환기
26: 직류 교류 변환기
27: 송전 라인
28: 교류 전로
29: 개폐기
30: 축전지
34: 모터용 축전지
36: DC/DC 초퍼
40: 연료 공급 라인
42: 배기 연료 가스 라인
44: 산화성 가스 공급 라인
46: 배기 산화성 가스 라인
50: 컨트롤러
90: 전력계통
91: 전력계통
92: 독립 전원계통
101: 셀 스택
103: 기체관
105: 연료 전지 셀
107: 인터커넥터
109: 연료측 전극
111: 고체 전해질막
113: 산소측 전극
115: 리드막
201: SOFC 모듈(연료 전지 모듈)
203: SOFC 카트리지
205: 압력 용기
207: 연료 가스 공급관
207a: 연료 가스 공급 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: 상부관판
225b: 하부관판
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 (11)

  1. 연료 전지와,
    상기 연료 전지에 산화성 가스를 공급하기 위한 산화성 가스 공급 라인에 마련되는 적어도 하나의 압축기와,
    상기 적어도 하나의 압축기 중 제1 압축기를 구동 가능하게 구성된 제1 모터와,
    상기 제1 모터와 전력계통 사이에 마련되어, 상기 제1 모터의 토크를 조절 가능한 1 이상의 전력 변환기
    를 구비하는, 연료 전지 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연료 전지의 출력 요구값에 대응하는 상기 연료 전지로의 상기 산화성 가스의 공급량이 실현되도록, 상기 제1 모터의 토크를 조절하도록 상기 1 이상의 전력 변환기를 제어하기 위한 컨트롤러를 구비하는,
    연료 전지 발전 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 1 이상의 전력 변환기는, 상기 전력계통과 상기 제1 모터 사이에 마련된 교류 교류 변환기를 포함하는,
    연료 전지 발전 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 1 이상의 전력 변환기는,
    상기 연료 전지와 상기 전력계통 사이에 마련되는 인버터와,
    상기 연료 전지와 상기 인버터 사이의 제1 직류 전로 사이에 마련되는 직류 교류 변환기
    를 포함하는,
    연료 전지 발전 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 인버터와 상기 제1 모터 사이의 제2 직류 전로에 접속되는 모터용 축전지를 구비하는,
    연료 전지 발전 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 전지로부터의 배기 가스에 의해 구동됨과 함께, 상기 적어도 하나의 압축기 중 어느 것을 구동하도록 구성된 적어도 하나의 터빈을 구비하는,
    연료 전지 발전 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 적어도 하나의 터빈은, 상기 제1 압축기를 구동하도록 구성된 제1 터빈을 포함하는,
    연료 전지 발전 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 모터는, 상기 제1 터빈에 구동되어 회생 운전 가능하게 구성된,
    연료 전지 발전 시스템.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 압축기는, 상기 산화성 가스 공급 라인 상에서 상기 제1 압축기와 직렬로 마련되는 제2 압축기를 포함하는,
    연료 전지 발전 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 적어도 하나의 터빈은, 상기 제2 압축기를 구동하도록 구성된 제2 터빈을 포함하는,
    연료 전지 발전 시스템.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 제2 압축기를 구동하기 위한 모터를 구비하는,
    연료 전지 발전 시스템.
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