KR20230074213A - 연료 전지 발전 시스템 - Google Patents

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KR20230074213A
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fuel
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나가오 히사토메
미츠요시 이와타
다카히로 마치다
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미츠비시 파워 가부시키가이샤
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Abstract

연료 전지 발전 모듈은, 제1 연료 전지 모듈과, 제1 연료 전지 모듈로부터 배출되는 제1 배기 연료 가스를 사용하여 발전 가능한 제2 연료 전지 모듈을 구비한다. 제2 연료 전지 모듈로부터 배출되는 제2 배기 연료 가스가 흐르는 제2 배기 연료 가스 라인으로부터 제1 재순환 라인이 재순환하여, 제2 배기 연료 가스를 제2 연료 전지 모듈의 연료측 전극에 공급하도록 구성된다.

Description

연료 전지 발전 시스템
본 개시는, 연료 전지 발전 시스템에 관한 것이다.
본원은, 2020년 10월 30일에 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 제2020-183269호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
연료 가스와 산화성 가스를 화학 반응시킴으로써 발전하는 연료 전지는, 우수한 발전 효율 및 환경 대응 등의 특성을 갖고 있다. 이 중, 고체 산화물형 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC)는, 전해질로서 지르코니아 세라믹스 등의 세라믹스가 사용되고, 수소, 도시가스, 천연가스, 석유, 메탄올, 및 탄소 함유 원료를 가스화 설비에 의해 제조한 가스화 가스 등의 가스 등을 연료 가스로서 공급하여, 약 700℃ 내지 1000℃의 고온 분위기에서 반응시켜 발전을 행하고 있다.
이러한 종류의 연료 전지를 이용한 연료 전지 발전 시스템의 일례로서, 특허문헌 1이 있다. 특허문헌 1에서는, 연료 가스의 유로에 대해 복수의 연료 전지 모듈을 캐스케이드 접속함으로써, 각 연료 전지 모듈에 있어서의 공급 연료의 이용률이 개선되어, 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.
일본 특허 제3924243호 공보
상기 특허문헌 1과 같이 복수의 연료 전지 모듈을 캐스케이드 접속한 연료 전지 발전 시스템에서는, 전단의 연료 전지 모듈로부터 배출되는 배기 연료 가스가 후단의 연료 전지 모듈에서 이용된다. 그 때문에, 후단의 연료 전지 모듈에 공급되는 배기 연료 가스는, 전단의 연료 전지 모듈에 공급되는 연료 가스에 비해 연료 성분 농도가 감소한다. 그 결과, 후단의 연료 전지 모듈에서는 전단의 연료 전지 모듈에 비해 출력이 억제되어 발전에 수반되는 발열량이 작아진 결과, 연료 전지 모듈을 적정하게 운용하기 위한 온도를 유지하는 것이 곤란해지는 경우가 있다. 이러한 상황은, 특히 부분 부하 운전 시나 시스템 요구 부하가 변화되는 과도 운전 시에 발생하기 쉬워, 시스템 안정성이 손상될 우려가 있다.
또한 각 연료 전지 모듈에서는, 연료 가스에 포함되는 메탄 성분을 수증기를 이용하여 개질하여 발전 반응에 사용하는데, 후단의 연료 전지 모듈에는 전단의 연료 전지 모듈로부터의 배기 연료 가스가 공급되기 때문에, 전단의 연료 전지 모듈의 발전 상태에 따라서는 개질에 필요한 수증기를 충분히 얻지 못할 우려가 있다. 상기 특허문헌 1에서는, 전단의 연료 전지 모듈로부터의 배기 연료 가스에 포함되는 수증기에 기초하여, 후단의 연료 전지 모듈에 대해 추가 공급되는 연료 가스량을 결정함으로써 배기 연료 가스의 S/C(수증기/연료 성분의 비율)를 제어하고 있지만, 전단의 연료 전지 모듈의 발전 상태(부하율이나 연료 이용률 등)에 따라 배기 연료 가스에 포함되는 수분량이 다르기 때문에, 특히 시스템 요구 부하가 변화되는 과도 시에 적절한 S/C를 유지하는 것이 어렵다.
본 개시의 적어도 일 양태는 상술한 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 연료 가스의 흐름에 대해 직렬(캐스케이드)로 접속된 복수의 연료 전지 모듈을 구비하는 연료 전지 발전 시스템에 있어서, 동작 상태가 안정되고, 또한 양호한 시스템 효율을 실현 가능한 연료 전지 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시의 적어도 일 양태는, 상기 과제를 해결하기 위해,
연료 가스를 사용하여 발전 가능한 제1 연료 전지 모듈과,
상기 제1 연료 전지 모듈로부터 배출되는 제1 배기 연료 가스가 흐르는 제1 배기 연료 가스 라인과,
상기 제1 배기 연료 가스를 사용하여 발전 가능한 제2 연료 전지 모듈과,
상기 제2 연료 전지 모듈로부터 배출되는 제2 배기 연료 가스가 흐르는 제2 배기 연료 가스 라인과,
상기 제2 배기 연료 가스를 상기 제2 연료 전지 모듈의 연료측 전극에 공급하기 위해, 상기 제2 배기 연료 가스 라인으로부터 재순환하는 제1 재순환 라인
을 구비한다.
본 개시의 적어도 일 양태에 의하면, 연료 가스의 흐름에 대해 직렬(캐스케이드)로 접속된 복수의 연료 전지 모듈을 구비하는 연료 전지 발전 시스템에 있어서, 동작 상태가 안정되고, 또한 양호한 시스템 효율을 실현 가능한 연료 전지 발전 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시 형태에 관한 SOFC 모듈의 개략도이다.
도 2는 일 실시 형태에 관한 SOFC 모듈을 구성하는 SOFC 카트리지의 개략적인 단면도이다.
도 3은 일 실시 형태에 관한 SOFC 모듈을 구성하는 셀 스택의 개략적인 단면도이다.
도 4는 일 실시 형태에 관한 연료 전지 발전 시스템의 개략 구성도이다.
도 5는 다른 실시 형태에 관한 연료 전지 발전 시스템의 개략 구성도이다.
도 6은 도 4에 도시하는 연료 전지 발전 시스템에 대한 시스템 요구 부하와 발전 출력값의 관계를 도시하는 도면이다.
도 7은 시스템 요구 부하가 정격 부하(100％)인 경우에 있어서의 도 4의 연료 전지 발전 시스템의 동작 상태를 도시하는 도면이다.
도 8은 시스템 요구 부하가 최저 부하(예를 들어 20％인 경우)인 경우에 있어서의 도 4의 연료 전지 발전 시스템의 동작 상태를 도시하는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 몇 가지의 실시 형태에 대해 설명한다. 단, 실시 형태로서 기재되어 있거나 또는 도면에 도시되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대적 배치 등은, 본 발명의 범위를 이것에 한정하는 취지가 아니라, 단순한 설명예에 지나지 않는다.
이하에 있어서는, 설명의 편의상, 지면을 기준으로 하여 「상」 및 「하」라는 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 방향에 한정되는 것은 아니며, 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 대해 설명하는데, 몇 가지의 실시 형태에서는, 연료 전지 발전 시스템을 구성하는 연료 전지로서, SOFC 이외의 타입의 연료 전지(예를 들어 용융 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 대해 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)(210)은, 도 1에 도시하는 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, 연료 전지 모듈(210)은 연료 가스 공급관(207)과, 복수의 연료 가스 공급 지관(207a), 연료 가스 배출관(209)과, 복수의 연료 가스 배출 지관(209a)을 구비한다. 또한, 연료 전지 모듈(210)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 마련되고, 연료 전지 모듈(210)의 발전량에 대응하여 소정 가스 조성과 소정 유량의 연료 가스를 공급하는 연료 가스 공급부(도시하지 않음)에 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 재순환시켜 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 0.1MPa 내지 약 3MPa, 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 스테인리스계재가 적합하다.
여기서, 본 실시 형태에 있어서는, 복수의 SOFC 카트리지(203)가 집합화되어 압력 용기(205)에 수납되는 양태에 대해 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 도시하는 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 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 영역이며, 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(예를 들어 열전대 등의 온도 센서)에서 감시되고, 연료 전지 모듈(210)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 배기 연료 가스를 집약하여, 연료 가스 배출 구멍(231b)을 통해 연료 가스 배출 지관(209a)으로 유도하는 것이다.
연료 전지 모듈(210)의 발전량에 대응하여 소정 가스 조성과 소정 유량의 산화성 가스를 산화성 가스 공급 지관으로 재순환시켜, 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 배기 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 평행이 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 평행이 되도록 배치되고, 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 외경보다 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 증가하는 것을 억제한다. 상부 관판(225a) 등은 인코넬 등의 고온 내구성이 있는 금속 재료로 이루어지는데, 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 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 행해지고, 금속 재료로 이루어지는 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 배기 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 평행이 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 쪽 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 평행이 되도록 배치되고, 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 외경보다 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 증가하는 것을 억제한다. 하부 관판(225b) 등은 인코넬 등의 고온 내구성이 있는 금속 재료로 이루어지는데, 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 배기 연료 가스는, 발전실(215)에 공급되는 산화성 가스와의 사이에서 열교환이 행해지고, 금속 재료로 이루어지는 하부 관판(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 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 전력을 소정의 직렬수 및 병렬수로 서로 접속되고, 연료 전지 모듈(210)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 도시하는 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)의 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 끝의 일단부에 형성된 연료 전지 셀(105)의 산소측 전극(113)에, 인터커넥터(107)를 통해 전기적으로 접속된 리드막(115)을 구비하고, 가장 끝의 타단부에 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 한다. 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)으로 확산시키는 것이다.
연료측 전극(109)은, Ni와 지르코니아계 전해질 재료의 복합재의 산화물로 구성되며, 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 대해 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, 도시가스, 천연가스 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㎛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 LaMnO3으로 표시되는 페로브스카이트형 산화물로 구성되어도 된다. 이와 같이 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)으로 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 분위기하에서 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 점, 및 셀 스택(101)을 구성하는 다른 재료와의 열팽창 계수가 가까운 것이 필요한 점에서, Ni/YSZ 등의 Ni와 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 각각 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 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 타원 형상이어도 된다. 원통의 주위측면을 수직으로 압궤한 편평 원통(Flat tubular) 등의 셀 스택이어도 된다.
(연료 전지 발전 시스템의 구성)
다음으로, 상기 구성을 갖는 연료 전지 모듈(210)을 이용한 연료 전지 발전 시스템(1)에 대해 설명한다. 도 4는 일 실시 형태에 관한 연료 전지 발전 시스템(1)의 개략 구성도이다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 연료 전지 발전 시스템(1)은, 제1 연료 전지 모듈(210A) 및 제2 연료 전지 모듈(210B)을 포함하는 연료 전지부(10)와, 연료 전지부(10)에 연료 가스(Gf)를 공급하기 위한 연료 가스 공급 라인(20)과, 제1 연료 전지 모듈(210A)로부터 배출되는 제1 배기 연료 가스(Gef1)가 흐르는 제1 배기 연료 가스 라인(22A)과, 제2 연료 전지 모듈(210B)로부터 배출되는 제2 배기 연료 가스(Gef2)가 흐르는 제2 배기 연료 가스 라인(22B)과, 연료 전지부(10)에 산화성 가스(Go)를 공급하기 위한 산화성 가스 공급 라인(40)과, 제1 연료 전지 모듈(210A)로부터 배출되는 제1 배기 산화성 가스(Geo1)가 흐르는 제1 배기 산화성 가스 라인(42A)과, 제2 연료 전지 모듈(210B)로부터의 제2 배기 산화성 가스(Geo2)가 흐르는 제2 배기 산화성 가스 라인(42B)을 구비한다.
또한, 산화성 가스 공급 라인(40)에는, 연료 전지부(10)에 공급되는 산화성 가스(Go)를 승압하기 위한 승압기(도시하지 않음)가 마련되어 있어도 된다. 승압기는, 예를 들어 압축기 또는 재순환 블로워이다.
제1 연료 전지 모듈(210A) 및 제2 연료 전지 모듈(210B)은, 전술한 바와 같이 하나 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 2를 참조). 연료 전지 셀(105)의 각각은, 연료측 전극(109), 고체 전해질막(111) 및 산소측 전극(113)을 포함한다(도 3을 참조).
도 4에서는, 연료 전지부(10)는, 연료 가스 공급 라인(20)에 대해 제1 연료 전지 모듈(210A) 및 제2 연료 전지 모듈(210B)이 직렬(캐스케이드) 접속됨으로써, 전단의 제1 연료 전지 모듈(210A)로부터 배출된 제1 배기 연료 가스(Gef1)가, 제1 배기 연료 가스 라인(22A)을 통해, 후단의 제2 연료 전지 모듈(210B)에 공급되도록 구성된다. 또한, 제1 배기 연료 가스 라인(22A)을 흐르는 제1 배기 연료 가스(Gef1)의 일부는 제1 재순환 가스 재순환 블로워(28A)에 의해 제2 재순환 라인(24A)을 통해 제1 연료 전지 모듈(210A)의 연료 가스 입구에 공급된다. 후단의 제2 연료 전지 모듈(210B)로부터의 제2 배기 연료 가스(Gef2)는, 제2 배기 연료 가스 라인(22B)을 통해 외부로 배출된다. 또한, 제2 배기 연료 가스 라인(22B)을 흐르는 제2 배기 연료 가스(Gef2)의 일부는 제2 재순환 가스 재순환 블로워(28B)에 의해 제1 재순환 라인(24B)을 통해 제2 연료 전지 모듈(210B)의 연료 가스 가스 입구에 공급되어도 된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 연료 가스 공급 라인(20)에 대해 2개의 연료 전지 모듈이 직렬(캐스케이드) 접속된 경우를 예시하고 있지만, 직렬(캐스케이드) 접속되는 연료 전지 모듈의 수는 임의 (3 이상)여도 된다.
또한 도 4에서는, 제1 연료 전지 모듈(210A) 및 제2 연료 전지 모듈(210B)은, 산화성 가스 공급 라인(40)에 대해 병렬(패럴렐) 접속된 경우가 예시되어 있다. 즉, 전단의 제1 연료 전지 모듈(210A)과 후단의 제2 연료 전지 모듈(210B)에는, 상류측에서 분기된 산화제 가스 공급 라인(42A, 42B)으로부터 공기가 개별로 공급되도록 구성된다. 전단의 제1 연료 전지(210A)로부터의 제1 배기 산화성 가스(Geo1)는 제1 배기 산화성 가스 라인(42C)을 통해, 후단의 제2 연료 전지 모듈(210B)로부터의 제2 배기 산화성 가스(Geo2)는, 제2 배기 산화성 가스 라인(42D)을 통해 외부로 배출된다.
다른 실시 형태에서는, 산화성 가스 공급 라인(40)은 연료 전지부(10)를 구성하는 제1 연료 전지 모듈(210A) 및 제2 연료 전지 모듈(210B)에 직렬(캐스케이드) 접속되어 있어도 된다. 즉, 제1 연료 전지 모듈(210A)로부터의 제1 배기 산화성 가스(Geo1)의 일부 또는 전부가 제2 연료 전지 모듈(210B)에 공급되어도 된다.
또한, 연료 가스 공급 라인(20)은 도 1에 도시하는 연료 가스 공급관(207)에 대응하고, 제1 배기 연료 가스 라인(22A)은 도 1에 도시하는 연료 가스 배출관(209)에 접속된다. 또한 제2 배기 연료 가스 라인(22B)은 도 1에 도시하는 제2 연료 전지 모듈의 연료 가스 배출관(209)에 접속된다.
또한, 산화성 가스 공급 라인(42A, 42B)은 도 1에서 도시하지 않은 산화성 가스 공급관에 대응하고, 제1 배기 산화성 가스 라인(42C)은 도 1에서 도시하지 않은 산화성 가스 배출관에 접속된다. 또한 제2 배기 산화성 가스 라인(42D)은 도 1에서 도시하지 않은 산화성 가스 배출관에 대응한다.
연료 전지 발전 시스템(1)은, 제2 배기 연료 가스 라인(22B)으로부터 재순환하는 제1 재순환 라인(24B)을 구비한다. 제1 재순환 라인(24B)은, 제1 배기 연료 가스 라인(22A)에 접속되어 있고, 제2 연료 전지 모듈(210B)로부터의 제2 배기 연료 가스(Gef2)를, 제2 연료 전지 모듈(210B)의 상류측에 공급 가능하게 구성된다(즉, 제1 재순환 라인(24B)은, 제2 배기 연료 가스(Gef2)를 제2 연료 전지 모듈(210B)에 순환 공급 가능하게 구성된다).
이에 의해, 전단의 제1 연료 전지 모듈(210A)의 동작 상태에 관계없이, 제1 재순환 라인(24B)을 통한 제2 배기 연료 가스(Gef2)로부터의 리사이클 공급량을 조정함으로써, 제2 연료 전지 모듈(210B)에 공급되는 연료 가스의 개질에 필요한 수증기를 적절하게 확보할 수 있다. 이에 의해, 제1 연료 전지 모듈(210A)의 동작 상태에 관계없이, 시스템 요구 부하 Ls가 변화된 경우에 있어서도 제2 연료 전지 모듈(210B)의 동작 상태를 안정화할 수 있다.
또한, 제1 재순환 라인(24B)에는, 제1 재순환 라인(24B)을 흐르는 제2 배기 연료 가스(Gef2)의 유량을 조정하기 위한 밸브가 마련되어도 된다. 이 경우, 당해 밸브의 개방도는 후술하는 제어 장치(380)에 의해 제어 가능하다.
또한 연료 전지 발전 시스템(1)은, 제1 배기 연료 가스 라인(22A)으로부터 재순환하는 제2 재순환 라인(24A)을 구비한다. 제2 재순환 라인(24A)은, 연료 가스 공급 라인(20)에 접속되어 있고, 제1 연료 전지 모듈(210A)로부터의 제1 배기 연료 가스(Gef1)를, 제1 연료 전지 모듈(210A)의 상류측에 공급 가능하게 구성된다(즉, 제2 재순환 라인(24A)은, 제1 배기 연료 가스(Gef1)를 제1 연료 전지 모듈(210A)에 순환 공급 가능하게 구성된다). 이에 의해, 제2 재순환 라인(24A)을 통한 제1 배기 연료 가스(Gef1)의 공급량을 조정함으로써, 제1 연료 전지 모듈(210A)에 있어서, 연료 가스의 개질에 필요한 수분을 적절하게 확보할 수 있다.
또한, 제2 재순환 라인(24A)에는, 제2 재순환 라인(24A)을 흐르는 제1 배기 연료 가스(Gef1)의 유량을 조정하기 위한 밸브가 마련되어도 된다. 이 경우, 당해 밸브의 개방도는 후술하는 제어 장치(380)에 의해 제어 가능하다.
제1 재순환 라인(24B)과의 제1 합류부(26A)는, 제1 배기 연료 가스 라인(22A) 중, 제2 재순환 라인(24A)의 제2 분기부(26B)보다 상류에 마련된다. 이에 의해 제1 연료 전지 모듈(210A)이 비발전(핫 스탠바이) 상태에 있어서도 제2 연료 전지 모듈(210B)의 발전에 의해 발생한 수증기를 제1 연료 전지 모듈(201A)로 공급하는 것이 가능해진다.
도 5는 다른 실시 형태에 관한 연료 전지 발전 시스템(1)의 개략 구성도이다. 또한, 도 5에서는, 특별한 기재가 없는 한, 도 4에 대응하는 구성에는 공통의 부호를 붙이고 있고, 중복되는 설명은 적절하게 생략하는 것으로 한다.
도 5에 도시하는 바와 같이, 다른 실시 형태에서는, 제1 배기 연료 가스 라인(22A) 중, 제1 재순환 라인(24B)과의 제1 합류부(26A), 제2 재순환 라인(24A)의 제2 분기부(26B)와의 사이에는, 재순환 블로워(28)를 마련해도 된다. 재순환 블로워(28)는 제2 분기부(26B)보다 상류측에 마련됨으로써, 제2 재순환 라인(24A)을 통해 제1 연료 전지 모듈(210A)에 대해 제1 배기 연료 가스(Gef1)의 순환 공급을 행한다. 또한 재순환 블로워(28)는 제1 합류부(26A)보다 하류측에 마련됨으로써, 제1 재순환 라인(24B)에 대해 부압을 인가하여, 제1 재순환 라인(24B)을 통한 제2 배기 연료 가스(Gef2)의 제2 연료 전지 모듈(210B)에 대한 순환 공급을 행한다. 이와 같이 제1 배기 연료 가스 라인(22A)에 마련된 1대의 재순환 블로워(28)에 의해, 전술한 제1 재순환 라인(24B) 및 제2 재순환 라인(24A)을 통한 제2 연료 전지 모듈(210B) 및 제1 연료 전지 모듈(210A)에 있어서의 연료 가스의 순환 공급을 실현할 수 있다(즉 제1 재순환 라인(24B) 및 제2 재순환 라인(24A)에 각각 재순환 블로워를 배치하는 경우에 비하여, 재순환 블로워의 대수를 삭감하여 시스템 구성을 간략화할 수 있다).
또한 연료 전지 발전 시스템(1)은, 제2 배기 연료 가스(Gef2)를 제1 연료 전지 모듈(210A)의 산화성 가스 공급 라인(42A)에 공급 가능하도록 제2 배기 연료 가스 라인(22B)과 산화성 가스 공급 라인(42A)을 접속하는 제2 배기 연료 가스 공급 라인(24C)을 구비한다. 연료 전지 셀의 산소측 전극(113)은 연료 성분과 산소의 촉매 연소 반응에 있어서의 촉매로서 작용하는 기능을 갖는다. 상술한 실시 형태에 따르면, 제2 연료 전지 모듈(210B)로부터의 제2 배기 연료 가스(Gef2)를, 제1 연료 전지 모듈(210A)의 산소측 전극(113)에 공급하도록 하였으므로, 배기 연료 가스에 포함되는 미이용 연료 성분을 산소측 전극(113)의 촉매 작용을 이용하여 적절하게 연소시켜 제1 연료 전지 모듈이 비발전(핫 스탠바이) 상태에 있어서도 소정의 온도를 유지할 수 있다.
상기에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 고체 산화물형 연료 전지에서는 운용 중인 발전실(215)의 온도는 600 내지 1000℃ 정도의 고온이며, 그 고온 상태는 발전에 수반되는 발열에 의해 자율적으로 유지되는데, 예를 들어 시스템 요구 부하 Ls가 감소함으로써 비발전(핫 스탠바이) 상태로 되면, 발전 반응의 정지에 수반하여 온도가 저하되어 버린다. 그 때문에, 시스템 요구 부하 Ls가 다시 증가하여 발전을 재개하는 경우에는, 발전실(215)을 발전 가능한 온도까지 승온시켜야 해, 시스템 요구 부하 Ls의 변화에 대해 신속한 추종이 어려워진다.
이와 같은 과제에 대해, 본 실시 형태에서는, 제1 연료 전지 모듈(210A)이 비발전(핫 스탠바이) 상태에 있는 경우에 있어서도, 제2 배기 연료 가스 공급 라인(24C)을 통해, 제2 연료 전지 모듈(210B)로부터의 제2 배기 연료 가스(Gef2)를 제1 연료 전지 모듈(210A)의 산소측 전극(113)에 공급하여 연소시킴으로써, 제1 연료 전지 모듈(210A)의 발전실(215)을 발전에 필요한 온도로 유지할 수 있다. 이에 의해, 비발전(핫 스탠바이) 상태에 있는 제1 연료 전지 모듈(210A)을 신속하게 발전 상태로 전환할 수 있어, 양호한 부하 응답 성능이 얻어진다. 또한, 이러한 비발전(핫 스탠바이) 상태의 온도 유지는, 제1 연료 전지 모듈(210A)에 대해 외부로부터 여분의 연료 가스를 추가하지 않고 행할 수 있으므로, 에너지 소비를 억제하여, 시스템 요구 부하가 저하된 경우의 시스템 발전 효율의 향상에 유효하다.
또한, 비발전(핫 스탠바이) 상태에 있어서의 발전실(215)의 온도는, 예를 들어 600 내지 900℃ 정도이다.
또한, 제2 배기 연료 가스 공급 라인(24C)을 통한 제2 배기 연료 가스(Gef2)의 제1 연료 전지 모듈(210A)로의 공급은, 상술한 바와 같은 제1 연료 전지 모듈(210A)을 비발전(핫 스탠바이) 상태로 유지하는 경우 외에도, 제2 배기 연료 가스(Gef2)에 포함되는 미이용 연료 성분(수소, CO, 메탄 등)을 외부로 배출하지 않기 위해, 제1 연료 전지 모듈(210A)에서 연소 소비시키는 경우에 행해져도 된다. 이 경우, 제2 배기 연료 가스(Gef2)에 포함되는 미이용 연료 성분을 처리하기 위한 배기 가스 처리 장치를 간략화하는 것이 가능한 점에서 유리하다.
또한 제3 재순환 라인(24C)에는, 제3 재순환 라인(24C)을 흐르는 제2 배기 연료 가스(Gef2)의 유량을 조정하기 위한 밸브가 마련되어 있어도 된다. 이 경우, 당해 밸브의 개방도는 후술하는 제어 장치(380)에 의해 제어 가능하다.
또한 연료 전지 발전 시스템(1)은, 제2 배기 연료 가스(Gef2)를 제2 연료 전지 모듈(210B)의 산화성 가스 공급 라인(42B)에 공급 가능하도록 제2 배기 연료 가스 라인(22B)과 산화성 가스 공급 라인(42B)을 접속하는 제2 배기 연료 가스 공급 라인(24D)을 더 구비한다. 연료 전지 셀의 산소측 전극(113)은, 연료 성분과 산소의 촉매 연소 반응에 있어서의 촉매로서 작용하는 구조를 갖는 경우가 있다. 상술한 실시 형태에 따르면, 제2 연료 전지 모듈(210B)로부터의 제2 배기 연료 가스(Gef2)를, 제2 연료 전지 모듈(210B)의 산소측 전극(113)에 공급하도록 하였으므로, 배기 연료 가스에 포함되는 미이용 연료 성분을 산소측 전극(113)의 촉매 작용을 이용하여 적절하게 연소시켜 제2 연료 전지 모듈이 비발전(핫 스탠바이) 혹은 최저 부하 운전 상태에 있어서도 소정의 온도를 유지할 수 있다.
본 실시 형태에서는, 제2 연료 전지 모듈(210B)이 비발전(핫 스탠바이) 혹은 최저 부하 운전 상태에 있는 경우에 있어서도, 제2 배기 연료 가스 공급 라인(24D)을 통해, 제2 연료 전지 모듈(210B)로부터의 제2 배기 연료 가스(Gef2)를 제2 연료 전지 모듈(210B)의 산소측 전극(113)에 공급하여 연소시킴으로써, 제2 연료 전지 모듈(210B)의 발전실(215)을 발전에 필요한 온도로 유지할 수 있다. 이에 의해, 비발전(핫 스탠바이) 상태에 있는 제2 연료 전지 모듈(210B)을 신속하게 발전 상태로 전환할 수 있어, 양호한 부하 응답 성능이 얻어진다. 또한, 이러한 비발전(핫 스탠바이) 혹은 최저 부하 상태의 온도 유지는, 제2 연료 전지 모듈(210A)에 대해 외부로부터 여분의 연료 가스를 추가하지 않고 행할 수 있으므로, 연료 소비를 억제하여, 시스템 요구 부하가 저하된 경우의 시스템 발전 효율의 향상에 유효하다.
또한 제2 배기 연료 가스 공급 라인(24D)에는, 제2 배기 연료 가스 공급 라인(24D)을 흐르는 제2 배기 연료 가스(Gef2)의 유량을 조정하기 위한 밸브가 마련되어 있어도 된다. 이 경우, 당해 밸브의 개방도는 후술하는 제어 장치(380)에 의해 제어 가능하다.
또한 연료 전지 발전 시스템(1)은, 연료 전지 발전 시스템(1)의 각 구성을 제어하기 위한 제어 장치(380)를 구비한다. 제어 장치(380)는, 예를 들어 CPU(Central Processing Unit), RAM(Random Access Memory), ROM(Read Only Memory), 및 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체 등으로 구성되어 있다. 그리고 각종 기능을 실현하기 위한 일련의 처리는, 일례로서, 프로그램의 형식으로 기억 매체 등에 기억되어 있고, 이 프로그램을 CPU가 RAM 등에 읽어내어, 정보의 가공·연산 처리를 실행함으로써, 각종 기능이 실현된다. 또한, 프로그램은, ROM이나 그 밖의 기억 매체에 미리 인스톨해 두는 형태나, 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체에 기억된 상태로 제공되는 형태, 유선 또는 무선에 의한 통신 수단을 통해 배신되는 형태 등이 적용되어도 된다. 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체란, 자기 디스크, 광자기 디스크, CD-ROM, DVD-ROM, 반도체 메모리 등이다.
여기서 도 6 내지 도 8을 참조하여, 제어 장치(380)에 의한 연료 전지 발전 시스템(1)의 제어 내용에 대해 설명한다. 또한, 본 제어 내용은 실시예의 하나를 나타내는 것이며 제어 방법을 규정하는 것은 아니다.
도 6은 도 4에 나타내는 연료 전지 발전 시스템(1)에 대한 시스템 요구 부하 Ls와 발전 출력값의 관계를 도시하는 도면이다. 도 7은 시스템 요구 부하 Ls가 100％인 경우에 있어서의 도 4의 연료 전지 발전 시스템(1)의 동작 상태를 도시하는 도면이다. 도 8은 시스템 요구 부하 Ls가 20％인 경우에 있어서의 도 4의 연료 전지 발전 시스템(1)의 동작 상태를 도시하는 도면이다.
도 6에서는, 연료 전지 발전 시스템(1)의 시스템 전체의 발전 출력값 P, 제1 연료 전지 모듈(210A)의 발전 출력값 PA, 및 제2 연료 전지 모듈의 발전 출력값 PB가, 시스템 전체의 정격 출력에 대한 각각의 비율로 나타내어져 있다.
제어 장치(380)는, 시스템 요구 부하 Ls에 기초하여, 제1 연료 전지 모듈(210A) 및 제2 연료 전지 모듈(210B)을 각각 제어한다. 시스템 요구 부하 Ls는, 연료 전지 발전 시스템(1)의 외부로부터 지령되어, 연료 전지 발전 시스템(1)에 대한 전력 수요에 기초하여 변동되는 파라미터이다. 예를 들어, 연료 전지 발전 시스템(1)의 전력 공급처인 전력 계통에 접속되어 있는 다른 발전 시스템(재생 에너지 발전 시스템)의 발전 상황이나, 전력 계통에 대한 전력 수요에 따라서, 시스템 요구 부하 Ls는 변화된다. 제어 장치(380)는, 이러한 시스템 요구 부하 Ls에 기초하여, 제1 연료 전지 모듈(210A) 및 제2 연료 전지 모듈(210B)의 동작 상태를 각각 제어함으로써, 시스템 요구 부하 Ls에 대응하도록, 시스템 전체의 발전 출력값 P를 조정한다.
여기서 일반적인 연료 전지의 캐스케이드 발전 시스템에서는, 시스템 요구 부하 Ls에 따른 연료가 제1 연료 전지 모듈(210A)에 공급되고, 제2 연료 전지 모듈(210B)에서는 제1 연료 전지 모듈(210A)로부터 배출되는 제1 배기 연료 가스(Gef1)에 포함되는 미이용 연료에 따른 발전을 행한다. 이 때문에, 제1 연료 전지 모듈(210A) 및 제2 연료 전지 모듈(210B)에 의한 발전 출력의 비율은 시스템 요구 부하 Ls에 상관없이 거의 일정해진다. 예를 들어, 제1 연료 전지 모듈(210A) 및 제2 연료 전지 모듈(210B)의 정격 출력값의 비율이 8:2인 경우, 시스템 요구 부하 Ls의 80％가 제1 연료 전지 모듈(210A)에 분배되고, 나머지 20％가 제2 연료 전지 모듈(210B)에 분배된다.
이에 비해 본 실시 형태에서는, 제어 장치(380)는 도 6에 도시하는 바와 같이, 제1 연료 전지 모듈(210A)의 출력 PA를 시스템 요구 부하 Ls에 따라서 가변 제어하는데, 제2 연료 전지 모듈(210B)의 출력 PB는 미리 설정된 거의 일정 출력이 되도록 제어한다. 즉, 후단의 제2 연료 전지 모듈(210B)의 발전 출력값 PB는, 시스템 요구 부하 Ls에 관계없이 대략 일정 목표값으로 제어되고, 시스템 요구 부하 Ls의 변화에 대해서는, 전단의 제1 연료 전지 모듈(210A)의 동작 상태를 제어함으로써 대응한다. 이와 같이, 제2 연료 전지 모듈(210B)의 발전 출력값 PB를 시스템 요구 부하 Ls에 관계없이 대략 일정하게 제어함으로써, 시스템 요구 부하 Ls가 변화된 경우에 있어서도, 정격 출력이 제1 연료 전지 모듈에 비해 작은 후단의 제2 연료 전지 모듈(210B)은 거의 일정한 출력에서 발전하여 발전실 온도를 유지함으로써 시스템 요구 부하 Ls의 영향을 최소한으로 하여, 시스템의 부하 응답 성능을 개선할 수 있다.
제2 연료 전지 모듈(210B)의 발전 출력값 PB의 일정 목표값은, 예를 들어 제2 연료 전지 모듈(210B)의 정격 출력값으로 설정된다. 이에 의해, 제2 연료 전지 모듈(210B)에서는, 시스템 요구 부하 Ls에 관계없이, 정격 운전이 행해지기 때문에, 효율이 좋은 발전이 가능해진다. 이에 의해, 시스템 요구 부하 Ls가 변화된 경우에 있어서도, 후단의 제2 연료 전지 모듈(210B)의 동작 상태를 안정화하면서, 양호한 시스템 효율을 실현할 수 있다.
본 실시 형태에서는, 제2 연료 전지 모듈(210B)의 정격 출력값은, 제1 연료 전지 모듈(210A)의 정격 출력값보다 작다. 그 때문에, 제2 연료 전지 모듈(210B)은 제1 연료 전지 모듈(210A)보다 발전에 수반되는 발열량이 적고 또한 제1 연료 전지 모듈(210A)에 비해 열용량이 작기 때문에, 시스템 요구 부하 Ls에 대해 발전실 온도를 항상 적정 온도로 유지하는 것이 어렵지만, 전술한 바와 같이, 제2 연료 전지 모듈(210B)의 발전 출력값 PB를 일정 목표값이 되도록 제어함으로써 적정 온도로의 유지가 용이해져, 시스템 요구 부하 Ls가 변화되거나, 부분 부하 운전 시에 있어서도 안정된 시스템 운전이 가능해진다.
도 7 및 도 8에서는, 일례로서 연료 전지 발전 시스템(1)의 전체 정격 출력값이 100kW이고, 제1 연료 전지 모듈(210A)의 정격 출력값은 80kW이고, 제2 연료 전지 모듈(210B)의 정격 출력값은 20kW인 경우가 나타내어져 있다. 도 7에 나타내는 바와 같이, 시스템 요구 부하 Ls가 100％(즉, 100kW)인 경우, 연료 가스 공급 라인(20)을 흐르는 연료 가스(Gf)를 100으로 하면, 전단의 제1 연료 전지 모듈(210A)에서는, 연료 이용률 Uf＝80％로서 연료 가스(Gf)의 80％가 소비되고, 나머지 20％가 제1 배기 연료 가스(Gef1)로서 배출된다. 제1 배기 연료 가스(Gef1)는, 후단의 제2 연료 전지 모듈(210B)에 공급된다. 제2 연료 전지 모듈(210B)에서는, 연료 이용률 Uf＝50％로서 제1 배기 연료 가스(Gef1)의 50％가 소비되고, 나머지 10％가 제2 배기 연료 가스(Gef2)로서 배출되어, 시스템 전체의 연료 이용률은 90％가 된다.
또한, 이 10％의 제2 배기 연료 가스(Gef2)는, 그대로 외부로 배출되어도 되지만, 도 7에서는, 제2 배기 연료 가스 공급 라인(24C)을 통해, 제1 연료 전지 모듈(210A)의 산화성 가스 공급 라인(42A)에 공급함으로써, 제2 배기 연료 가스(Gef2)에 포함되는 미이용 연료 성분을 연소시킨 후, 외부로 배출되고 있다.
또한 제어 장치(380)는, 시스템 요구 부하 Ls가 제2 연료 전지 모듈(210B)의 정격 출력값 이하인 경우(예를 들어 연료 전지 발전 시스템(1)의 전력 공급처인 전력 계통에 접속된 재생 에너지 발전 시스템에 의한 잉여 전력 발생 시나, 전력 수요가 저감되는 야간 시 등), 제1 연료 전지 모듈(210A)의 출력을 투입 연료에 의한 카본 석출을 억제하는 데 필요한 최저 부하 운전까지 저감할 수 있다. 이 경우, 제1 연료 전지 모듈(210A)의 온도 유지는, 상술한 바와 같이, 제1 연료 전지 모듈(210A)의 산소측 전극(113)에 대해 제2 배기 연료 가스 공급 라인(24C)을 통해 제2 배기 연료 가스(Gef2)를 공급하여 연소시킴으로써 실현된다. 제1 연료 전지 모듈(210A)의 최저 부하 운전 상태에서는, 개질용 증기를 정격 부하에서 운전하고 있는 제2 연료 전지 모듈(210B)의 배기 연료 가스 중에 포함되는 수증기를 재순환 블로워(28)에서 제1 연료 전지 모듈(210A)의 연료 공급 라인(20)에 공급함으로써 보다 저부하 혹은 무부하에서의 운전이 가능해진다. 이 경우도 연료 전지의 동작에 필요한 온도, 또는 그것에 가까운 온도로 제1 연료 전지 모듈(210A)이 유지되기 때문에, 장래적으로 시스템 요구 부하 Ls가 증가하였을 때, 제1 연료 전지 모듈(210A)에 의한 발전을 재개하여, 제1 연료 전지 모듈(210A)의 기동 정지에 수반되는 에너지 소비를 회피하면서 양호한 부하 추종성이 얻어진다.
도 8에서는, 부분 부하 운전의 일례로서 시스템 요구 부하 Ls를 20％로 하고 제1 연료 전지 모듈(210A)이 무부하 운전(핫 스탠바이) 상태 및 제2 연료 전지 모듈(210B)의 정격 출력값인 20kW의 경우에 있어서의, 연료 전지 발전 시스템(1)의 동작 상태가 나타내어져 있다. 이 경우, 연료 가스 공급 라인(20)을 흐르는 연료 가스(Gf)를 20으로 하면, 전단의 제1 연료 전지 모듈(210A)은 무부하 운전(핫 스탠바이) 상태로 제어되고, 카본 석출 방지에 필요한 수증기는 제2 연료 전지 모듈(210B)로부터의 제2 배기 연료 가스(Gef2)를 제1 재순환 가스 라인(24B) 및 제2 재순환 가스 라인(24B)을 통해 공급된다. 제2 연료 전지 모듈(210B)에서는, 연료 이용률 Uf＝80％로서 제1 연료 전지로 공급되는 연료 가스(Gf)의 80％가 소비되고, 시스템 요구 부하 Ls의 정격 시를 100으로 한 경우, 4％ 상당의 연료가 제2 배기 연료 가스(Gef2)로서 배출된다. 이 4％의 제2 배기 연료 가스(Gef2)는, 제2 배기 연료 가스 공급 라인(24C)을 통해 제1 연료 전지 모듈(210A)의 산소측 전극(113)에 공급됨으로써, 제1 연료 전지 모듈(210A)의 무부하 운전(핫 스탠바이) 상태의 온도 유지에 이용된다.
또한 제어 장치(380)는 시스템 요구 부하 Ls가 제2 연료 전지 모듈(210B)의 정격 출력값 미만으로 저하된 경우(예를 들어 연료 전지 발전 시스템(1)의 전력 공급처인 전력 계통에 접속된 재생 에너지 발전 시스템에 의한 잉여 전력 발생 시나, 전력 수요가 저감되는 야간 시 등), 제1 연료 전지 모듈(210A) 외에도 제2 연료 전지 모듈(210B)을 또한 저부하 운전 상태로 되도록 제어해도 된다. 이때 제1 연료 전지 모듈(210A)은 무부하 운전(핫 스탠바이) 상태, 제2 연료 전지 모듈(210B)은 저부하 운전 상태로 제어된다. 제1 연료 전지 모듈(210A)의 무부하 운전(핫 스탠바이) 상태는, 상술한 바와 같이, 제1 연료 전지 모듈(210A)의 산소측 전극(113)에 대해, 제2 배기 연료 가스 공급 라인(24C)을 통해 제2 배기 연료 가스(Gef2)를 공급하여 연소시킴으로써 실현된다. 또한 제2 연료 전지 모듈(210B)의 저부하 운전 상태는, 상술한 바와 같이, 제2 연료 전지 모듈(210B)의 산소측 전극(113)에 대해, 제4 재순환 라인(24D)을 통해 제2 배기 연료 가스(Gef2)를 공급하여 연소시킴으로써 실현된다.
저부하 운전 상태에서는, 제2 연료 전지 모듈(210B)에서 발전에 의해 카본 석출 방지에 필요한 수증기의 공급을 행하여, 연료 전지의 동작에 필요한 온도, 또는 그것에 가까운 온도로 연료 전지 모듈이 유지되어 있고, 연료 공급 계통이나 연료 재순환 계통은 운전을 계속하기 때문에, 장래적으로 시스템 요구 부하가 증가하였을 때, 단시간에 각 연료 전지 모듈에 의한 발전을 재개하여, 연료 전지 모듈의 기동 정지에 수반되는 에너지 소비를 회피하면서 양호한 부하 추종성이 얻어진다.
이와 같이 제1 연료 전지 모듈(210A)은 무부하 운전(핫 스탠바이) 상태, 제2 연료 전지 모듈(210B)은 저부하 운전 상태로 제어되는 경우, 제어 장치(380)는 연료 전지 발전 시스템(1)이 무부하 운전(핫 스탠바이) 상태를 유지하기 위한 소내 전력을 발전하도록 제2 연료 전지 모듈(210B)을 제어해도 된다. 이 경우, 제2 연료 전지 모듈(210B)은 연료 전지 발전 시스템(1)이 무부하 운전(핫 스탠바이) 상태 또는 자기의 최저 부하 운전 상태를 유지하기 위해 필요한 소내 전력을 발생하도록 최소한의 발전이 행해진다. 이에 의해, 장래적으로 시스템 요구 부하 Ls가 증가하였을 때, 각 연료 전지 모듈에서 신속하게 발전을 재개할 수 있어, 연료 전지 모듈의 기동 정지에 수반되는 에너지 소비를 회피하면서 양호한 부하 추종성이 얻어진다.
또한, 시스템 전체를 외부(계통)로부터의 전력의 공급을 받지 않고 최소한의 연료로 상시 발전 가능한 상태로 유지하는 것이 가능해져 독립 전원으로서의 운용성이 개선된다.
이상 설명한 바와 같이 상기 각 실시 형태에 의하면, 연료 가스의 흐름에 대해 직렬(캐스케이드)로 접속된 복수의 연료 전지 모듈을 구비하는 연료 전지 발전 시스템(1)에 있어서, 동작 상태가 안정되고, 또한 양호한 부하 추종성과 시스템 효율을 실현 가능한 연료 전지 발전 시스템(1)을 제공할 수 있다.
상기 각 실시 형태에 기재된 내용은, 예를 들어 이하와 같이 파악된다.
(1) 일 양태에 관한 연료 전지 발전 시스템은,
연료 가스(예를 들어 상기 실시 형태의 연료 가스(Gf1))를 사용하여 발전 가능한 제1 연료 전지 모듈(예를 들어 상기 실시 형태의 제1 연료 전지 모듈(210A))과,
상기 제1 연료 전지 모듈로부터 배출되는 제1 배기 연료 가스(예를 들어 상기 실시 형태의 제1 배기 연료 가스(Gef1))가 흐르는 제1 배기 연료 가스 라인(예를 들어 상기 실시 형태의 제1 배기 연료 가스 라인(22A))과,
상기 제1 배기 연료 가스를 사용하여 발전 가능한 제2 연료 전지 모듈(예를 들어 상기 실시 형태의 제2 연료 전지 모듈(210B))과,
상기 제2 연료 전지 모듈로부터 배출되는 제2 배기 연료 가스(예를 들어 상기 실시 형태의 제2 배기 연료 가스(Gef2))가 흐르는 제2 배기 연료 가스 라인(예를 들어 상기 실시 형태의 제2 배기 연료 가스 라인(22B))과,
상기 제2 배기 연료 가스를 상기 제2 연료 전지 모듈의 연료측 전극에 공급하기 위해, 상기 제2 배기 연료 가스 라인으로부터 재순환하는 제1 재순환 라인(예를 들어 상기 실시 형태의 제1 재순환 라인(24B))
을 구비한다.
상기 (1)의 양태에 의하면, 제1 연료 전지 모듈 및 제2 연료 전지 모듈이, 연료 가스의 흐름에 대해 직렬(캐스케이드)로 접속된 연료 전지 발전 시스템에 있어서, 제2 연료 전지 모듈로부터 배출되는 제2 배기 연료 가스가, 제1 재순환 라인을 통해, 제2 연료 전지 모듈의 연료측 전극에 공급 가능하게 구성된다. 이에 의해, 제1 연료 전지 모듈의 동작 상태에 관계없이, 제1 재순환 라인을 통한 제2 배기 연료 가스의 공급량을 조정함으로써, 제2 연료 전지 모듈에 있어서, 연료 가스의 개질에 필요한 수분을 적절하게 확보할 수 있다. 이에 의해, 제1 연료 전지 모듈의 동작 상태에 관계없이, 시스템 요구 부하가 변화된 경우에 있어서도 제2 연료 전지 모듈의 동작 상태를 안정화할 수 있다.
(2) 다른 양태에서는, 상기 (1)의 양태에 있어서,
상기 제1 배기 연료 가스를 상기 제1 연료 전지 모듈의 연료측 전극에 공급하기 위해, 상기 제1 배기 연료 가스 라인으로부터 재순환하는 제2 재순환 라인을 더 구비하고,
상기 제1 재순환 라인은, 상기 제1 배기 연료 가스 라인에 대해 상기 제2 재순환 라인의 분기부보다 상류에서 합류하도록 접속된다.
상기 (2)의 양태에 의하면, 제1 연료 전지 모듈이 비발전(핫 스탠바이) 상태에 있어서도 제2 연료 전지 모듈의 발전에 의해 발생한 수증기를 제1 연료 전지 모듈로 공급하는 것이 가능해진다.
(3) 다른 양태에서는, 상기 (2)의 양태에 있어서,
상기 제1 재순환 라인 및 상기 제2 재순환 라인에는 각각 재순환 블로워가 마련되어 있다.
상기 (3)의 양태에 의하면, 제1 재순환 라인 및 상기 제2 재순환 라인에 있어서의 순환량을 독립적으로 제어할 수 있다.
(4) 다른 양태에서는, 상기 (2)의 양태에 있어서,
상기 제1 배기 연료 가스 라인 중, 상기 제1 재순환 라인과의 제1 합류부(예를 들어 상기 실시 형태의 제1 합류부(26A))와 상기 제2 재순환 라인과의 제2 분기부(예를 들어 상기 실시 형태의 제2 분기부(26B)) 사이에, 상기 제1 배기 연료 가스를 압송하기 위한 재순환 블로워(예를 들어 상기 실시 형태의 재순환 블로워(28))가 마련된다.
상기 (4)의 양태에 의하면, 제1 배기 연료 가스 라인의 상기 위치에 재순환 블로워를 마련함으로써, 제1 연료 전지 모듈의 연료측 전극에 대한 제2 재순환 라인을 통한 제2 배기 연료 가스의 공급, 및 제2 연료 전지 모듈의 연료측 전극에 대한 제1 재순환 라인을 통한 제2 배기 연료 가스의 공급을 행할 수 있다.
(5) 다른 양태에서는, 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 한 양태에 있어서,
시스템 요구 부하(예를 들어 상기 실시 형태의 시스템 요구 부하 Ls)에 기초하여, 상기 제1 연료 전지 모듈 및 상기 제2 연료 전지 모듈을 각각 제어하기 위한 제어 장치(예를 들어 상기 실시 형태의 제어 장치(380))를 구비하고,
상기 제어 장치는, 상기 제1 연료 전지 모듈의 출력을 상기 시스템 요구 부하에 따라서 가변 제어함과 함께, 상기 제2 연료 전지 모듈의 출력을 상기 시스템 요구 부하에 관계없이 미리 설정된 일정 목표값으로 제어한다.
상기 (5)의 양태에 의하면, 시스템 요구 부하가 변화된 경우에, 제2 연료 전지 모듈의 출력이 일정 목표값으로 유지되는 한편, 제1 연료 전지 모듈의 출력을 가변 제어함으로써, 시스템 요구 부하로의 추종이 행해진다. 이와 같이, 제2 연료 전지 모듈의 출력을 시스템 요구 부하에 관계없이 일정 목표값으로 제어함으로써, 시스템 요구 부하가 변화된 경우에 있어서도, 제2 연료 전지 모듈의 동작 상태를 안정적으로 유지하면서, 시스템의 부하 응답 성능을 개선할 수 있다.
(6) 다른 양태에서는, 상기 (5)의 양태에 있어서,
상기 일정 목표값은, 상기 제2 연료 전지 모듈의 거의 정격 출력값이다.
상기 (6)의 양태에 의하면, 시스템 요구 부하에 관계없이, 제2 연료 전지 발전 모듈의 출력이 거의 정격 출력값으로 유지된다. 이에 의해, 시스템 요구 부하가 변화된 경우에 있어서도, 제2 연료 전지 모듈에서는 동작 상태가 안정화됨과 함께, 양호한 발전 효율이 얻어진다.
(7) 다른 양태에서는, 상기 (5) 또는 (6)의 양태에 있어서,
상기 제2 연료 전지 모듈의 정격 출력값은, 상기 제1 연료 전지 모듈의 정격 출력값보다 작다.
상기 (7)의 양태에 의하면, 제2 연료 전지 모듈은 제1 연료 전지 모듈보다 정격 출력값이 작기 때문에, 발전에 수반되는 발열량이 적다. 이러한 시스템에서는, 제2 연료 전지 모듈에 있어서의 발열량이 제1 연료 전지 모듈에 비해 적어 연료 전지 모듈의 열용량이 작기 때문에 부하 변화 시나 부분 부하 시에 적정 온도로 유지하는 것이 어렵지만, 전술한 바와 같이, 제2 연료 전지 모듈의 출력을 일정 목표값으로 제어함으로써 적정 온도의 유지가 용이해져, 시스템 요구 부하가 변화되거나, 부분 부하 운전 시에 있어서도 안정된 시스템 운전이 가능해진다.
(8) 다른 양태에서는, 상기 (5) 내지 (7) 중 어느 한 양태에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 시스템 요구 부하가 상기 제2 연료 전지 모듈의 정격 출력값 이하인 경우, 상기 제1 연료 전지 모듈을 무부하 운전(핫 스탠바이) 상태로 되도록 제어한다.
상기 (8)의 양태에 의하면, 시스템 요구 부하가 제2 연료 전지 모듈의 정격 출력값 이하인 경우, 시스템 요구 부하에 기초하여 출력이 가변 제어되는 제1 연료 전지 모듈은 무부하 운전(핫 스탠바이) 상태로 되도록 제어된다. 무부하 운전(핫 스탠바이) 상태에서는, 발전이 행해지지는 않지만, 연료 전지의 동작에 필요한 온도, 또는 그것에 가까운 온도로 연료 전지 모듈이 유지되기 때문에, 장래적으로 시스템 요구 부하가 증가하였을 때, 신속하게 제1 연료 전지 모듈에 의한 발전을 재개하여, 연료 전지 모듈의 기동 정지에 수반되는 에너지 소비를 회피하면서 양호한 부하 추종성이 얻어진다.
(9) 다른 양태에서는, 상기 (5) 내지 (8) 중 어느 한 양태에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 제1 연료 전지 모듈의 무부하 운전(핫 스탠바이) 상태를 유지하는 데 필요한 개질용 증기를, 상기 제2 연료 전지 모듈의 상기 제2 배기 연료 가스를 재순환시킴으로써 공급 가능하도록 상기 제2 연료 전지 모듈이 발전을 행하도록 제어한다.
상기 (9)의 양태에 의하면, 제2 배기 연료 가스를 재순환시켜 제1 연료 전지 모듈에 공급함으로써, 외부로부터 수증기를 공급하지 않고, 제2 배기 연료 가스에 포함되는 수증기를 이용하여, 제2 연료 전지 모듈의 무부하 운전(핫 스탠바이) 상태를 양호한 효율로 유지할 수 있다.
(10) 다른 양태에서는, 상기 (5) 내지 (9) 중 어느 한 양태에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 제1 연료 전지 모듈을 무부하 운전(핫 스탠바이) 상태를 유지하기 위한 필요한 개질용 증기를 공급할 수 있도록 상기 제2 연료 전지 모듈을 제어한다.
상기 (10)의 양태에 의하면, 연료 전지 발전 시스템이 구비하는 제1 연료 전지 모듈을 무부하 운전(핫 스탠바이) 상태로 유지할 때, 제1 연료 전지 모듈(210A)에서의 카본 석출 방지에 필요한 개질 증기를 공급 가능하게 함과 함께 연료 전지 발전 시스템(1)을 무부하 운전(핫 스탠바이) 상태로 유지하기 위해 필요한 소내 전력이, 제2 연료 전지 모듈에서 발전된다. 이에 의해, 장래적으로 시스템 요구 부하가 증가하였을 때, 각 연료 전지 모듈에서 신속하게 발전을 재개할 수 있어, 연료 전지 모듈의 기동 정지에 수반되는 에너지 소비를 회피하면서 양호한 부하 추종성이 얻어진다.
(11) 다른 양태에서는, 상기 (1) 내지 (10) 중 어느 한 양태에 있어서,
제2 배기 연료 가스(Gef2)를 제1 연료 전지 모듈(210A)의 산화성 가스 공급 라인(42A)에 공급 가능하도록 제2 배기 연료 가스 라인(22B)과 산화성 가스 공급 라인(42A)을 접속하는 제2 배기 연료 가스 공급 라인(예를 들어 상기 실시 형태의 24C)을 더 구비한다.
상기 (11)의 양태에 의하면, 제1 연료 전지 모듈의 산소측 전극에는, 제2 배기 연료 가스 공급 라인을 통해 제2 배기 연료 가스를 공급 가능하다. 이에 의해, 제2 배기 연료 가스가 제1 연료 전지 모듈의 산소측 전극에서 연소하여, 제1 연료 전지 모듈을 무부하 운전(핫 스탠바이) 상태로 제어할 수 있다. 이와 같이, 외부로부터 연료 가스를 추가하지 않고, 제2 연료 전지 모듈로부터의 배기 연료 가스를 유효 이용함으로써, 에너지 소비를 억제하면서 효율적으로 제1 연료 전지 모듈의 무부하 운전(핫 스탠바이) 상태를 실현할 수 있다.
(12) 다른 양태에서는, 상기 (1) 내지 (11) 중 어느 한 양태에 있어서,
상기 제2 배기 연료 가스(Gef2)를 제2 연료 전지 모듈(210B)의 산화성 가스 공급 라인(42B)에 공급 가능하도록 제2 배기 연료 가스 라인(22B)과 산화성 가스 공급 라인(42B)을 접속하는 제2 배기 연료 가스 공급 라인(예를 들어 상기 실시 형태의 24D)을 더 구비한다.
상기 (12)의 양태에 의하면, 제2 연료 전지 모듈의 산소측 전극에는, 제2 배기 연료 가스 공급 라인을 통해 제2 배기 연료 가스를 공급 가능하다. 이에 의해, 제2 배기 연료 가스가 제2 연료 전지 모듈의 산소측 전극에서 연소하여, 제2 연료 전지 모듈을 필요 최소한의 저부하 운전 상태로 제어할 수 있다. 이와 같이, 외부로부터의 연료 가스의 공급을 최소한으로 하고, 제2 연료 전지 모듈로부터의 배기 연료 가스를 유효 이용함으로써, 에너지 소비를 억제하면서 효율적으로 제2 연료 전지 모듈의 저부하 운전 상태를 실현할 수 있다.
1: 연료 전지 발전 시스템
10: 연료 전지부
20: 연료 가스 공급 라인
22A: 제1 배기 연료 가스 라인
22B: 제2 배기 연료 가스 라인
24A: 제2 재순환 라인
24B: 제1 재순환 라인
24C: 제2 배기 연료 공급 라인(제1 연료 전지 모듈용)
24D: 제2 배기 연료 공급 라인(제2 연료 전지 모듈용)
26A: 제1 합류부
26B: 제2 분기부
28: 재순환 블로워
28A: 제1 재순환 블로워
28B: 제2 재순환 블로워
40: 산화성 가스 공급 라인
42A: 제1 산화성 가스 공급 라인
42B: 제2 산화성 가스 공급 라인
42C: 제1 배기 산화성 가스 라인
42D: 제2 배기 산화성 가스 라인
101: 셀 스택
103: 기체관
105: 연료 전지 셀
107: 인터커넥터
109: 연료측 전극
111: 고체 전해질막
113: 산소측 전극
115: 리드막
210: 연료 전지 모듈(SOFC 모듈)
210A: 제1 연료 전지 모듈
210B: 제2 연료 전지 모듈
203: 연료 전지 카트리지(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: 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, 237b: 시일 부재
380: 제어 장치
Gef1: 제1 배기 연료 가스
Gef2: 제2 배기 연료 가스
Geo1: 제1 배기 산화성 가스
Geo2: 제2 배기 산화성 가스
Gf: 연료 가스
Go: 산화성 가스

Claims (12)

  1. 연료 가스를 사용하여 발전 가능한 제1 연료 전지 모듈과,
    상기 제1 연료 전지 모듈로부터 배출되는 제1 배기 연료 가스가 흐르는 제1 배기 연료 가스 라인과,
    상기 제1 배기 연료 가스를 사용하여 발전 가능한 제2 연료 전지 모듈과,
    상기 제2 연료 전지 모듈로부터 배출되는 제2 배기 연료 가스가 흐르는 제2 배기 연료 가스 라인과,
    상기 제2 배기 연료 가스를 상기 제2 연료 전지 모듈의 연료측 전극에 공급하기 위해, 상기 제2 배기 연료 가스 라인으로부터 재순환하는 제1 재순환 라인
    을 구비하는, 연료 전지 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 배기 연료 가스를 상기 제1 연료 전지 모듈의 연료측 전극에 공급하기 위해, 상기 제1 배기 연료 가스 라인으로부터 재순환하는 제2 재순환 라인을 더 구비하고,
    상기 제1 재순환 라인은, 상기 제1 배기 연료 가스 라인에 대해 상기 제2 재순환 라인의 분기부보다 상류에서 합류하도록 접속된, 연료 전지 발전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 재순환 라인 및 상기 제2 재순환 라인에는 각각 재순환 블로워가 마련되어 있는, 연료 전지 발전 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 배기 연료 가스 라인 중, 상기 제1 재순환 라인과의 제1 합류부와 상기 제2 재순환 라인의 제2 분기부 사이에, 상기 제1 배기 연료 가스를 압송하기 위한 재순환 블로워가 마련되는, 연료 전지 발전 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    시스템 요구 부하에 기초하여, 상기 제1 연료 전지 모듈 및 상기 제2 연료 전지 모듈을 각각 제어하기 위한 제어 장치를 구비하고,
    상기 제어 장치는, 상기 제1 연료 전지 모듈의 출력을 상기 시스템 요구 부하에 따라서 가변 제어함과 함께, 상기 제2 연료 전지 모듈의 출력을 상기 시스템 요구 부하에 관계없이 미리 설정된 일정 목표값으로 제어하는, 연료 전지 발전 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 일정 목표값은, 상기 제2 연료 전지 모듈의 정격 출력값으로 하는, 연료 전지 발전 시스템.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 제2 연료 전지 모듈의 정격 출력값은, 상기 제1 연료 전지 모듈의 정격 출력값보다 작은, 연료 전지 발전 시스템.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 시스템 요구 부하가 상기 제2 연료 전지 모듈의 정격 출력값 이하인 경우, 상기 제1 연료 전지 모듈을 무부하 운전 상태로 되도록 제어하는, 연료 전지 발전 시스템.
  9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 제1 연료 전지 모듈의 무부하 운전 상태를 유지하는 데 필요한 개질용 증기를, 상기 제2 연료 전지 모듈의 상기 제2 배기 연료 가스를 재순환시킴으로써 공급 가능하도록 상기 제2 연료 전지 모듈이 발전을 행하도록 제어하는, 연료 전지 발전 시스템.
  10. 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 연료 전지 발전 시스템이 무부하 운전 상태를 유지하기 위해 필요한 최소한의 전력을 발전하도록 상기 제2 연료 전지 모듈을 제어하는, 연료 전지 발전 시스템.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 배기 연료 가스를 상기 제1 연료 전지 모듈의 산화성 가스 공급 라인에 공급 가능하도록 상기 제2 배기 연료 가스 라인과 상기 산화성 가스 공급 라인을 접속하는 제2 배기 연료 가스 공급 라인을 더 구비하는, 연료 전지 발전 시스템.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 배기 연료 가스를 상기 제2 연료 전지 모듈의 산화성 가스 공급 라인에 공급 가능하도록 상기 제2 배기 연료 가스 라인과 상기 산화성 가스 공급 라인을 접속하는 제2 배기 연료 가스 공급 라인을 더 구비하는, 연료 전지 발전 시스템.
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