(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部空気及び原料ガスを供給されて触媒反応を介して電気を発生する燃料電池部と、
前記燃料電池部の排気管に連結されて前記燃料電池部の排気ガスの潜熱とボイラ部の燃焼室から排出される排気ガスの潜熱を共に回収する潜熱熱交換器を具備するボイラ部と、を含み、
前記燃料電池部は、
燃料電池と改質器を収容するホットボックスと、
初期駆動時にホットボックスの温度を反応温度まで加熱するスタートバーナーと、
前記スタートバーナーの熱又は排気ガスの熱を利用して吸気される外部空気を加熱して前記燃料電池に供給する第１熱交換部と、
前記排気ガスの熱を利用してスチームを発生して供給する第２熱交換部と、を含み、
前記第２熱交換部から排出される温度が下がった前記排気ガスで燃料電池を冷却させて前記反応温度を維持する、
燃料電池とボイラの複合システム。
【請求項２】
前記ボイラ部は、前記排気管に連結されて前記燃料電池部の排気ガスを前記潜熱熱交換器の側面に接するように誘導して前記潜熱熱交換器に供給する連結管を含む請求項１に記載の燃料電池とボイラの複合システム。
【請求項３】
前記改質器は、前記スチームと燃料ガスを供給されて水素ガスに改質する改質部と、前記改質部を加熱するバーナーと、を含む請求項１に記載の燃料電池とボイラの複合システム。
【請求項４】
前記バーナーは、前記燃料電池での反応後、未反応の水素及び酸素を反応させる発熱反応によって前記改質部を加熱することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池とボイラの複合システム。
【請求項５】
前記バーナーは、主バーナーと補助バーナーで形成され、前記未反応の水素及び酸素が前記主バーナーと前記補助バーナーに順次に供給されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池とボイラの複合システム。
【請求項６】
前記ホットボックスの内部を囲むように設けられると共に前記第１熱交換部に連結され、前記スタートバーナーの熱で前記ホットボックスを反応温度まで加熱すると共に前記第２熱交換部の排気ガスで前記ホットボックスの温度を下げて反応温度を維持する燃焼ガスラインを更に含む請求項１に記載の燃料電池とボイラの複合システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池とボイラの複合システムに関するものであり、より詳しくは、燃料電池の排気ガスを利用してボイラの熱効率を上げる燃料電池とボイラの複合システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、人類が使用しているエネルギーのうち殆どは化石燃料から得ている。しかし、このような化石燃料の使用は大気汚染及び酸性雨、地球温暖化など環境に深刻な悪影響を及ぼしており、エネルギー効率も低いなどの問題点がある。
このような化石燃料の使用による問題点を解決するために、最近燃料電池システムが開発されている。このような燃料電池は通常の２次電池とは異なって負極に燃料である水素ガスや炭化水素を供給し、正極には酸素を供給して電気を発生する構造を有する。
即ち、燃料電池は名称は電池であるが実際には電気を発生する発電装置であるといえる。基本的に燃料電気は燃料を燃焼せずに水素と酸素で電気化学的反応を起こし、その反応前後のエネルギーの差を電気エネルギーに変換する方法を使用する。
燃料電池はＮＯＸとＳＯＸなど環境を汚染するガスが発生せず、消音かつ振動がないシステムであって、熱効率が電気発電量と熱回収量を合わせて８０％以上であるクリーンな発電システムである。
【０００３】
このような燃料電池の水素と酸素の反応は発熱反応であり、熱が発生する。一方、燃料電池は電解質としてリン酸を主に使用しており、このようなリン酸型燃料電池の運転温度は約２００℃と知られている。これはリン酸電解質が許容する最大温度であり、燃料電池は反応温度である２００℃で水素と酸素の反応が最も円滑に行われると知られているが、その水素と酸素の発熱反応によって熱が発生することで水素と酸素の反応が円滑にならないため効率が低くなる恐れがある。よって、燃料電池を冷却する冷却構造が必然的に要求されている。
また、燃料電池の他の例として、電解質として低い溶融点を有する炭化リチウムと炭化カリウムの混合物を使用する溶融炭酸塩型燃料電池があり、溶融炭酸塩型燃料電池の運転温度は約６５０℃でそのような運転温度を維持するためのホットボックスが設置される。
【０００４】
このような燃料電池の効率と密接な関係がある運転温度の維持と発電効率を上げるために多様な燃料電池システムが提案されている。
例えば、特許文献１の発明は発電原料の効率的な燃焼のために酸素が含有された空気を供給する空気供給装置を含む構成として、ホットボックスを適正な温度まで下げるための外部空気を流入する二重吸気方式を使用しており、このように吸気された空気の酸素を利用して電力を生産する。
このように吸気された空気は最終的に外部に排気される。この際、排気ガスは温度が外気に比べてより高く、排気ガスが排出される際に白煙が発生するなどの問題が発生する恐れがある。
【０００５】
また、前記特許文献１は酸素が含有された空気を供給するために一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去器を吸入通路に連結した構成について言及している。
しかし、外部吸気筒、空気吸入口、フィルタを介して供給された空気を空気圧力調節手段を介して燃料処理装置などに直接供給する構成を有しているが、これは常温の空気を直接供給して使用するためホットボックス内部の温度が下がる現象が発生する恐れがある。このように、ホットボックスの温度が反応温度に比べ低くなると発電効率が下がる問題点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】韓国登録特許１０−０７８７２４４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記のような問題点を踏まえた本発明が解決しようとする技術的課題は、燃料電池の排気ガスの熱を効率的に利用する燃料電池とボイラの複合システムを提供することにある。
また、発明が解決しようとする他の技術的課題は、吸気される外部空気によるホットボックスの内部温度の変化を最小化する燃料電池とボイラの複合システムを提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、吸気ラインと排気ラインを単一化してシステムの構造をより単純化する燃料電池とボイラの複合システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記のような課題を解決するための本発明の燃料電池とボイラの複合システムは、外部空気及び原料ガスを供給されて触媒反応を介して電気を発生する燃料電池部と、前記燃料電池部の排気管に連結されて前記燃料電池部の排気ガスの潜熱と自体排気ガスの潜熱を共に回収する潜熱熱交換器を具備するボイラ部と、を含む。
【０００９】
前記ボイラ部は、前記排気管に連結されて前記燃料電池部の排気ガスを前記潜熱熱交換器の側面に接するように誘導して前記潜熱熱交換器に供給する連結管を含む。
【００１０】
前記燃料電池部は、燃料電池と改質器を収容するホットボックスと、初期駆動時にホットボックスの温度を反応温度まで加熱するスタートバーナーと、前記スタートバーナーの熱又は排気ガスの熱を利用して吸気される外部空気を加熱して前記燃料電池に供給する第１熱交換部と、前記排気ガスの熱を利用してスチームを発生して供給し、温度が下がった前記排気ガスで燃料電池を冷却させて前記反応温度を維持する第２熱交換部と、を含む。
【００１１】
前記改質器は、前記スチームと原料ガスを供給されて水素ガスに改質する改質部と、前記改質部を加熱するバーナーと、を含む。
【００１２】
前記バーナーは、前記燃料電池での反応後、未反応の水素及び酸素を反応させる発熱反応によって前記改質部を加熱する。
【００１３】
前記バーナーは主バーナーと補助バーナーで形成され、前記未反応の水素及び酸素が前記主バーナーと前記補助バーナーに順次に供給される。
【００１４】
前記ホットボックスの内部を囲むように設けられると共に前記第１熱交換部に連結され、前記スタートバーナーの熱で前記ホットボックスを反応温度まで加熱すると共に前記第２熱交換部の排気ガスで前記ホットボックスの温度を下げて反応温度を維持する燃焼ガスラインを更に含む。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の燃料電池とボイラの複合システムは、燃料電池の排気ガスをボイラの潜熱熱交換器に供給してボイラの排気ガスと共に潜熱熱交換器で熱交換されて排出されるようにすることで、ボイラの効率を上げると共に排気管を単一化して構成を単純化する効果がある。
また、本発明は初期作動時に外部空気を加熱する手段を設け、後に排気ガスを利用して吸気される外部空気を持続的に加熱して供給し、外部空気の流入によるホットボックスの内部温度の変化を防止することで、ホットボックスの温度を反応温度に維持して発電効率が低下することを防止する効果がある。
また、本発明は排気ガスを利用して原料ガスを改質するためのスチームを発生すると共に燃料電池から発生する熱の増加分を解消し、流入される外部空気を加熱するように構成してシステム構成の効率性を上げ構成を単純化する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の好ましい実施例による燃料電池とボイラの複合システムの構成図である。
【図２】図１のボイラ部の詳細構成図である。
【図３】図１の燃料電池部の詳細構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、本発明の好ましい実施例による燃料電池とボイラの複合システムの構成図である。
図１を参照する。本発明の好ましい実施例による燃料電池とボイラの複合システムは、外部空気及び原料ガスを供給されて触媒反応を介して電気を発生する燃料電池部１００と潜熱熱交換器２５０を含み、前記燃料電池部１００の排気管１７０に連結されて前記潜熱熱交換器２５０の前端に前記燃料電池部１００の排気ガスが供給されるボイラ部２００と、を含む。
【００１８】
以下、前記のように構成される本発明の好ましい実施例による燃料電池とボイラの複合システムの構成と作用についてより詳細に説明する。
【００１９】
まず、燃料電池部１００は燃料電池を含んで外部の空気を吸気し、天然ガスなどの燃料ガスを供給されてそれぞれ酸素と水素成分に改質して内装の燃料電池で触媒反応を介して電気を発生する。この際に発生した電気は蓄電池などを使用して貯蔵するか直接使用する。前記ボイラ部２００は電源として前記燃料電池部１００で生産した電機を使用する。
前記燃料電池部１００には前記触媒反応に関わっていないガス又は未反応ガスを外部に排出する排出管１７０が設けられており、その排出管１７０を介して排出されるガスは後に説明するホットボックス内で前記燃料電池を冷却させる用途で使用されながら加熱されるものである。
このように排出管１７０を介して排出される前記燃料電池部１００の排出ガスは前記ボイラ部２００の潜熱熱交換器２５０の前端部に流入されて潜熱熱交換器２５０で廃熱を回収する。
【００２０】
図２は、前記ボイラ部２００の詳細構成図である。
図２を参照する。前記ボイラ部２００は最上端に送風機２１０が位置し、その下側に下向き燃焼式バーナー２２０と燃焼室２３０、顕熱熱交換器２４０、潜熱熱交換器２５０が位置し、潜熱熱交換器２５０の下側に凝縮水受け２７０と凝縮水排出口２８０が位置し、その一側に排気フード２９０が設置され、前記顕熱熱交換器２４０と潜熱熱交換器２５０との間に前記排出管１７０と連結される連結管２６３を更に含む構造で形成されている。
【００２１】
前記送風機２１０を介して供給される空気は下向き燃焼式バーナー２２０によって加熱され、その加熱された空気は顕熱熱交換器２４０で熱交換されて暖房水を加熱する。前記加熱された暖房水は顕熱熱交換器２４０の一側に連結された供給管２６１を介して室内に移送され、熱エネルギーを伝達してから冷却されて潜熱熱交換器２５０の一側に連結された還水管２６２に戻り、前記還水管２６２に還水された暖房水は更に潜熱熱交換器２５０に流入されて顕熱熱交換器２４０を通過した燃焼生成物に含まれた水蒸気を凝縮させて潜熱を回収する。
この際、連結管２６３を介しては前記燃料電池部１００の排気ガスが前記潜熱熱交換器２５０の方に一緒に供給され、前記潜熱熱交換器２５０は前記顕熱熱交換器２４０を経由したボイラ部２００の排気ガスだけでなく燃料電池部１００の排気ガスの潜熱も回収することで熱効率を上げる。
【００２２】
また、前記排気フード２９０を介してボイラ部２００の排気ガスと前記燃料電池部１００の排気ガスを全て排出するように構成することで、排気口を一元化して装置を単純化することができる。
前記連結管２６３の形状はその熱効率をより上げるために前記潜熱熱交換器２５０の側面部を囲む折曲構造を有し、その潜熱熱交換器２５０の周縁全体に前記燃料電池部１００の排気ガスが供給されるようにして潜熱熱交換器２５０が局部的に過熱することを防止する。
【００２３】
図３は、前記燃料電池部のブロック構成図である。
図３を参照する。前記燃料電池部１００は、初期動作時にホットボックス１３０を加熱するスタートバーナー１１０と、前記スタートバーナー１１０の熱又は排気ガスでの熱で外部空気を加熱してホットボックス１３０内に供給する第１熱交換部１２０と、前記ホットボックス１３０内に位置して原料ガスＮＧを改質する改質器１４０と、前記ホットボックス１３０内で前記改質器１４０で改質された原料ガスを供給されると共に前記第１熱交換部１２０を介して加熱された外部空気を供給されて触媒反応を介して発電する燃料電池１５０と、前記燃料電池１５０で未反応の排気ガスを前記改質器１４０を介して供給されてその未反応排気ガスの顕熱を利用して蒸気を発生し、前記原料ガスＮＧと共に前記改質器１４０に供給すると共に前記熱交換された未反応排気ガスを前記第１熱交換部１２０を介して外気に排出する第２熱交換部１６０と、前記第１熱交換部１２０の排気ガスを前記ボイラ部２００に供給する排気管１７０と、を含んで構成される。
【００２４】
このように構成される本発明に適用される燃料電池部１００の構成と作用をより詳細に説明すると、ホットボックス１３０は反応温度を維持するために収容された改質器１４０と燃料電池１５０を外気から遮断する役割をするもので、初期運転時にも発電効率を上げるためには反応温度まで予熱することが要求される。
このようなホットボックス１３０の動作条件を満足するために、初期運転時にはスタートバーナー１１０を使用して前記ホットボックス１３０の温度を反応温度まで加熱する。前記燃料電池１５０での反応温度が７５０℃であると仮定すると、前記スタートバーナー１１０によって加熱された空気を前記ホットボックス１３０に供給する燃焼ガスライン１１１が設けられてそのホットボックス１３０の温度を７５０℃に加熱する。
この際、図１では説明の便宜上、前記燃焼ガスライン１１１がホットボックス１３０を上下貫通して通るように図示しているが、実際には燃焼ガスライン１１１がホットボックス１３０の内部に巻かれている構造である。
【００２５】
前記のようにスタートバーナー１１０によってホットボックス１３０が反応温度まで加熱された状態で前記スタートバーナー１１０は運転が停止される。
前記燃料ガスライン１１１は第１熱交換部１２０に連結されており、その第１熱交換部１２０からホットボックス１３０に供給される外部空気を熱交換を介して加熱する役割をする。
これは、常温の外部空気が流入されれば前記ホットボックス１３０の内部温度が下がり、前記外部空気を加熱して供給することでホットボックス１３０の内部温度の変化を最小化することができる。
よって、反応効率の低下、即ち、発電効率の低下を防止することができ、全体的なシステムの温度変化を容易に予測して正確な温度範囲内で動作するように設計することが容易になる。
【００２６】
前記加熱された外部空気は酸素を含んでおり、その酸素を含んで加熱された外部空気は前記ホットボックス１３０の内部に吸気されて燃料電池１５０の両極１５１に供給される。
【００２７】
前記燃料電池１５０の負極１５２には水素が供給されて水素と酸素の反応によって発電する。このように、負極１５２に水素を供給するために改質器１４０を使用する。
前記改質器１４０は改質部１４２と主バーナー１４１及び補助バーナー１４３で構成されており、改質部１４２では原料ガスＮＧと第２熱交換部１６０のスチームを供給されて改質して水素ガスを燃料電池１５０の方に供給する。
【００２８】
前記改質器１４０は必要に応じて一酸化炭素を酸化させて除去する機能を含む。前記改質器１４０の改質部１４２で起こる改質反応は吸熱反応であり、このような改質反応を持続するためには持続的な熱の供給が必要である。
このように熱を供給するために主バーナー１４１と補助バーナー１４３で改質部１４２を加熱する。
【００２９】
前記主バーナー１４１と補助バーナー１４３は触媒バーナーであり、燃料電池１５０から排出される未反応ガスで水素と酸素を反応させる発熱反応によって発生する８００乃至９００℃の熱で前記改質部１４２を加熱して改質反応を起こす。
このように改質された原料ガスＮＧは上述したように前記燃料電池１５０の負極１５２に供給される。
【００３０】
前記燃料電池１５０の負極１５２に水素が供給され、正極１５１に酸素が供給されて電気的反応を起こして発電する。このような酸素と水素の反応は発熱反応であり、よって燃料電池１５０及びホットボックス１３０の内部温度が上昇する。
このようなホットボックス１３０の内部温度及び燃料電池１５０の温度上昇は更に燃料電池１５０の発電効率を低下する原因となるためそれを反応温度まで冷却させて維持する必要があるが、このような冷却過程は後により詳細に説明する。
【００３１】
前記燃料電池１５０内で酸素と水素が反応して発電し、その反応とは関係のない他のガス又は未反応の酸素と水素及びその酸素と水素が混合された水蒸気は前記正極１５１と負極１５２の他側である連結管１５３を介して排出される。
前記排気ガスが排出される連結管１５３は主バーナー１４１と補助バーナー１４３に順次に連結されており、主バーナー１４１と補助バーナー１４３に前記未反応の酸素と水素が順次に供給されて酸素と水素が反応する発熱反応が起こる。
このとき発生する熱は上述したように８００乃至９００℃になり、前記改質部１４２に供給して原料ガスＮＧとスチームの混合ガスを水素ガスに改質させる。
前記改質部１４２を加熱するバーナーを主バーナー１４１と補助バーナー１４３に分離構成することは、排気ガスの酸素と水素を段階的に反応させて未反応ガスの排出を最小化するためである。
【００３２】
次に、前記補助バーナー１４３から排出される排気ガスは前記ホットボックス１３０の外部に排気管１４４を介して排出される。
前記排気管１４４を介して排出される排気ガスは前記主バーナー１４１と補助バーナー１４３で加熱されたものであって反応温度に近い温度であり、この排気ガスは第２熱交換部１６０に供給されて外部から供給される水と熱交換される。
この際、第２熱交換部１６０で排気ガスと熱交換された水はスチーム状態に相転換され、上述したように前記原料ガスＮＧと混合されて改質部１４２に供給される。
【００３３】
また、前記第２熱交換部１６０で前記水に熱を奪われた排気ガスは前記燃焼ガスライン１１１に供給されて更にホットボックス１３０の内部に供給される。前記ホットボックス１３０の内部に供給された排気ガスは第２熱交換部１６０で温度が低くなった状態であり、前記燃料電池１５０の発熱反応によって発生したホットボックス１３０の内部温度の上昇分を冷却させてホットボックス１３０の温度を反応温度まで下げる。
よって、そのホットボックス１３０の内部温度は反応温度を持続的に維持し、燃料電池１５０の水素と酸素の反応が円滑に行われて発電効率が低下することを防止する。
【００３４】
前記ホットボックス１３０を通った前記排気ガスは更に第１熱交換部１２０に供給される。前記ホットボックス１３０を通りながら前記排気ガスは更に加熱された状態になり、第１熱交換部１２０から流入される外部空気と熱交換されてその外部空気を加熱し、その外部空気を加熱した後には排気管１７０を介して前記ボイラ部２００に供給されるが、その後の作業は前記で詳細に説明したため省略する。
【００３５】
上述したように外部空気を加熱してホットボックス１３０の内部に供給することで常温の外部空気が供給されてホットボックス１３０の内部温度が変化されることを防止する。
このように本発明は供給される外部空気を加熱して常温の外部空気が供給される際に発生するホットボックス１３０の内部温度の変化が発生しないようにすることで、発電効率の低下を防止するだけでなく燃料電池１５０の発熱反応による温度の上昇分を排気ガスを使用して冷却させる。
【００３６】
本発明は前記実施例に限られず、本発明の技術的要旨を逸脱しない範囲内で多様に修正、変形されて実施可能であることは本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者にとって自明である。
【符号の説明】
【００３７】
１００  燃料電池部      
１１０  スタートバーナー              
１１１  燃焼ガスライン
１２０  第１熱交換部    
１３０  ホットボックス
１４０  改質器          
１４１  主バーナー
１４２  改質部          
１４３  補助バーナー
１４４  排気管          
１５０  燃料電池
１５１  正極                          
１５２  負極
１５３  連結管          
１６０  第２熱交換部
１７０  排気管          
２００  ボイラ部
２１０  送風機
２２０  下向き燃焼式バーナー                    
２３０  燃焼室
２４０  顕熱熱交換器    
２５０  潜熱熱交換器
２６１  供給管          
２６２  還水管
２６３  連結管          
２７０  凝縮水受け
２８０  排出口          
２９０  排気フード
【図１】
0005964502.tif 000002
【図２】
0005964502.tif 000003
【図３】
0005964502.tif 000004