(57)【要約】本発明の燃料電池システムは水素と酸素の電気化学反応によって直流電力を生産する燃料電池スタック、燃料電池スタックに水素が含まれた改質ガスを供給するように連結され、発電原料を水素が含まれた改質ガスに改質する燃料処理装置、燃料電池スタックに酸素を供給するように連結される酸素供給装置、燃料電池スタックで消費されない残余改質ガスが燃料処理装置の燃焼器に再び導入されるように燃料電池スタックと燃料処理装置の間に設けられる残余改質ガス排出配管及び残余改質ガス排出配管に設けられて残余改質ガスに含まれた熱を低減させる吸熱器を含む。このように本発明の燃料電池システムは追加的な消費電力を必要としない吸熱器を設けることで燃料電池スタックを通過した残余改質ガスに含まれた水分を分離除去して発電原料を多段階または線形的に増加させながら安定的に電力発電量を増加させる効果がある。
2009518820.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素の電気化学反応によって電力を生産する燃料電池スタックと；
前記燃料電池スタックに水素が含まれた改質ガスを供給するように連結され、発電原料を水素が含まれた改質ガスに改質する燃料処理装置と；
前記燃料電池スタックに酸素を供給するように連結される酸素供給装置と；
前記燃料電池スタックで消費されない残余改質ガスが前記燃料処理装置の燃焼器に再び導入されるように前記燃料電池スタックと前記燃料処理装置の間に設けられる残余改質ガス排出配管；及び
前記残余改質ガス排出配管に設けられて前記残余改質ガスに含まれた熱を低減させる吸熱器を含み、
前記吸熱器は前記酸素供給装置に連結され、前記酸素供給装置から空気の供給を受けて前記残余改質ガスと熱交換することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記残余改質ガス排出配管には前記吸熱器の作動によって前記残余改質ガスから分離された水分を排出する水分排出器が設けられることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記吸熱器は前記酸素供給装置と前記燃料電池スタックの間を連結する空気供給配管上に連結されることによって前記酸素供給装置と連結されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
水素と酸素の電気化学反応によって電力を生産する燃料電池スタックと；
前記燃料電池スタックに水素が含まれた改質ガスを供給するように連結され、発電原料を水素が含まれた改質ガスに改質する燃料処理装置と；
前記燃料電池スタックに酸素を供給するように連結される酸素供給装置と；
前記燃料電池スタックで消費されない残余改質ガスが前記燃料処理装置の燃焼器に再び導入されるように前記燃料電池スタックと前記燃料処理装置の間に設けられる残余改質ガス排出配管；
前記残余改質ガス排出配管に設けられて前記残余改質ガスに含まれた熱を低減させる吸熱器；及び
前記燃料電池スタックを冷却させる冷却装置を含み、
前記吸熱器は前記冷却装置に連結され、前記冷却装置から供給される冷却水が前記残余改質ガスと熱交換することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
前記吸熱器には前記冷却装置の冷却水が流入するように前記燃料電池スタックと前記冷却装置の間に設けられる冷却水供給配管が連結されることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気化学反応によって電力を生産する燃料電池システムに関し、より詳しくは燃料電池スタックを通過した残余改質ガスに含まれた水分を追加的な消費電力なく分離除去することができるので、安定的に電力発電量を増加させる燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは一般に図８に示された構成を有する。図８に示された従来型燃料電池システム３００は、水素と酸素の電気化学反応によって直流電力を生産する燃料電池スタック３１０と、天然ガス（ＬＮＧ）または液化石油ガス（ＬＰＧ）のような炭化水素系発電原料（Ｆ）を利用して水素の多いガスに改質する燃料処理装置３２０と、燃料電池スタック３１０に酸素を供給するように空気ポンプ３７０を備えた酸素供給装置、燃料電池スタック３１０を冷却させる冷却装置３３０と、燃料電池スタック３１０で生産された直流（ＤＣ）電力を交流（ＡＣ）電力に変換する電力変換器３４０を主な構成要素として備える。その他にも燃料電池システム３００は各種周辺装置（ＢＯＰ；ｂａｌａｎｃｅ ｏｆ ｐｌａｎｔｓ）及び制御器を備える。
【０００３】
従来型燃料電池システム３００は燃料処理装置３２０で生成された改質ガスを燃料電池スタック３１０に供給する改質ガス供給配管３５０と、燃料電池スタック３１０で消費されない残余改質ガスを燃料処理装置３２０の燃焼器３２１に再び導入する残余改質ガス排出配管３５１及び改質ガスを燃料電池スタック３１０に直接供給せず残余改質ガス排出配管３５１に供給されるように連結されるバイパス配管３５２を備える。
【０００４】
このような燃料電池システム３００は運転起動の時に発電原料（Ｆ）を水素の多いガスに改質するように燃料処理装置３２０内の改質反応器、脱硫器、一酸化炭素除去器のような反応器が一定温度までに加熱されなければならない。このために燃料電池システム３００は燃料処理装置３２０の燃焼器３２１に空気と発電原料を投入して反応器の温度を６５０℃程度まで上昇させる。そして、燃料処理装置３２０は改質反応器が改質できる温度（約６５０℃）に至ると発電原料（Ｆ）供給配管を通って一定量の発電原料が投入され、これと同時に水蒸気改質反応のために一定量の水が供給され、一酸化炭素除去器に微量の空気が供給される。そして、燃料処理装置３２０は改質ガスを生成開始した後に一酸化炭素除去器の温度が安定しなくて高濃度の一酸化炭素が改質ガス内に含まれるため、燃料電池スタック３１０に改質ガスを直接供給せずバイパス配管３５２を通って改質ガスを燃焼器３２１で使用するように設定される。そして、従来型燃料電池システム３００は一定時間（数分以内）が経過して燃料処理装置３２０内の反応器温度が安定化した後に改質ガス供給配管３５０に設けられたソレノイドバルブと残余改質ガス排出配管３５１に設けられたソレノイドバルブをそれぞれ開放する。そして、燃料電池システム３００はバイパス配管３５２に設けられたソレノイドバルブを遮断して改質ガスが燃料電池スタック３１０を通過した後に残余改質ガスが燃料処理装置３２０の燃焼器３２１に流入される。
【０００５】
従来型燃料電池システム３００は燃料電池スタック３１０に投入される改質ガス量に相応して電力を生産する。燃料電池システム３００は定格発電電力まで増加させるために急激に発電原料を増加させると改質ガス内に一酸化炭素の濃度が増加するため、一般に多段階または線形的に発電原料を増加させながら電力を生産する。この時、燃料電池システム３００は生産される改質ガスに比例して電力を生産するために燃料処理装置３２０の燃焼器３２１が一定温度に維持されなければならない。
【０００６】
しかし、従来型燃料電池システム３００は燃料電池スタック３１０を通過した残余改質ガスである場合に膜電極接合体（ＭＥＡ）内の高分子電解質膜における水の逆拡散現象とシステム運転時に発生される改質ガス内に存在する過剰の水成分を含有している。結果的に燃料電池システム３００は燃料電池スタック３１０の運転温度で発生した飽和水蒸気（実際には飽和水蒸気以上）が燃料処理装置３２０の燃焼器３２１に供給される。これによって燃料電池システム３００は燃料処理装置３２０の燃焼器３２１を一定温度に維持するために発電原料（Ｆ）をさらに投入するが、これによって電力発電効率が低下する。また、燃料電池システム３００はこのような不規則な水の動きが多段階運転時に再現性のあるシステムを制御することが難しくなる問題を誘発する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は先に説明したように従来技術の問題点を解決するために提案されたものであって、残余改質ガス排出配管に追加の消費電力を必要としない吸熱器を設けることによって燃料電池スタックを通過した残余改質ガスに含まれた水分を分離除去して燃料処理装置の改質反応器と燃焼器内部温度を安定的に維持する燃料電池システムを提供することにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の燃料電池システムは、水素と酸素の電気化学反応によって電力を生産する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに水素が含まれた改質ガスを供給するように連結され、発電原料を水素が含まれた改質ガスに改質する燃料処理装置と、前記燃料電池スタックに酸素を供給するように連結される酸素供給装置と、前記燃料電池スタックで消費されない残余改質ガスが前記燃料処理装置の燃焼器に再び導入されるように前記燃料電池スタックと前記燃料処理装置の間に設けられる残余改質ガス排出配管及び前記残余改質ガス排出配管に設けられて前記残余改質ガスに含まれた熱を低減させる吸熱器を含む。
【０００９】
前記残余改質ガス排出配管には前記吸熱器の作動によって前記残余改質ガスから分離された水分を排出する水分排出器が設けられるのが好ましい。
【００１０】
前記吸熱器は前記酸素供給装置に連結され、前記酸素供給装置から空気の供給を受けて前記残余改質ガスと熱交換する。
【００１１】
前記吸熱器は前記酸素供給装置と前記燃料電池スタックの間を連結する空気供給配管上に連結されることによって前記酸素供給装置と連結される。
【００１２】
本発明は前記燃料電池スタックを冷却させる冷却装置をさらに含む。前記吸熱器は前記冷却装置に連結され、前記冷却装置から供給される冷却水が前記残余改質ガスと熱交換する。
【００１３】
前記吸熱器には前記冷却装置の冷却水が流入されるように前記燃料電池スタックと前記冷却装置の間に設けられる冷却水供給配管が連結される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の燃料電池システムは燃料処理装置の改質反応器と燃焼器内部温度を一定に維持することができるので、発電原料を多段階または線形的に増加させながら安定的に電力発電量を増加させる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付した図面を参照して本発明の実施例について本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳しく説明する。本発明はの多様で相異なる形態で実現することができ、ここで説明する実施例に限られない。
【００１６】
図１は本発明の第１実施例による燃料電池システムの概略図である。
【００１７】
図１に示されているように、本実施例の燃料電池システム１００は水素と酸素の電気化学反応によって直流電力を生産する燃料電池スタック１１０と、天然ガス（ＬＮＧ）または液化石油ガス（ＬＰＧ）のような発電原料（Ｆ）を利用して水素の多いガスに改質する燃料処理装置１２０と、燃料電池スタック１１０に酸素を供給するように空気ポンプ１７０と加湿器を備える酸素供給装置と、燃料電池スタック１１０を冷却させる冷却装置１３０と、燃料電池スタック１１０で生産された直流（ＤＣ）電力を交流（ＡＣ）電力に変換する電力変換器１４０を主な構成要素として備える。この時、燃料処理装置１２０はその内部に設けられる改質反応器、脱硫器、一酸化炭素除去器のような反応器を短時間内に改質することができる温度まで上昇させるように反応器に付着されるヒーターを備える。
【００１８】
また、燃料電池システム１００は燃料処理装置１２０で生成された改質ガスを燃料電池スタック１１０に供給する改質ガス供給配管１５０と、燃料電池スタック１１０で消費されない残余改質ガスを燃料処理装置１２０の燃焼器１２１に再び導入する残余改質ガス排出配管１５１及び必要に応じて改質ガスを燃料電池スタック１１０に直接供給せず残余改質ガス排出配管１５１に供給されるように改質ガス供給配管１５０と残余改質ガス排出配管１５１の間を連結するバイパス配管１５２を備える。その他にも燃料電池システム１００は燃料電池スタック１１０と燃料処理装置１２０と関する空気ポンプ、水ポンプ、発電原料ガス圧縮器及びソレノイドバルブ、温度センサー、圧力センサーなどのような周辺装置（ＢＯＰ）及び多様な構成要素の作動を制御する制御器を備える。
【００１９】
なお、図２に示された冷却装置１３０は水冷式で熱交換する熱交換器１３１、熱交換器１３１に連結されて熱交換により廃熱を回収する水タンク１３２、水ポンプ１３３、水タンク１３２で追加的に冷却水の廃熱が回収できない場合に冷却ファンで熱を除去する空冷式熱交換機１３４及び水タンク１３２に回収された廃熱以上に熱需要がある場合には自動に作動する補助バーナー１３５で構成される。
【００２０】
特に、燃料電池システム１００は残余改質ガスに含まれた熱を吸熱するために吸熱器１６０が残余改質ガス排出配管１５１に設けられる。吸熱器１６０は酸素供給装置によって燃料電池スタック１１０に供給される空気または冷却装置１３０の冷却水を利用して残余改質ガスに含まれた熱を低減させることによって温度が低くなる残余改質ガスから水分を分離する。このような吸熱器１６０は燃料電池スタック１１０から発生する電力を利用せず、酸素供給装置によって移送される空気または冷却装置１３０の冷却水を利用するために追加的な消費電力がなくても容易に残余改質ガスの熱と温度を低減させることができる。つまり、吸熱器１６０は燃料電池スタック１１０と酸素供給装置の空気ポンプ１７０の間に設けられる空気供給配管に連結されて空気が吸熱器１６０を通過しながら残余改質ガスと熱交換する。そして、吸熱器１６０を通過した空気は加湿器を通過した後に燃料電池スタック１１０に供給される。
【００２１】
図３は本発明の第２実施例による燃料電池システムの概略図である。
【００２２】
図３に示された第２実施例による燃料電池システム１００’は吸熱器１６０が酸素供給装置によって移送される空気を利用し、吸熱器１６０によって残余改質ガスから分離された水分が排出されるように残余改質ガス排出配管１５１に水分排出器１６１をさらに設けられてもよい。
【００２３】
図４は本発明の第３実施例による燃料電池システムの概略図である。
【００２４】
図４に示された第３実施例による燃料電池システム２００は前記図１に示された吸熱器１６０の代わりに冷却装置２３０の冷却水を利用する吸熱器２６０が使用される。ただし、第３実施例の燃料電池システム２００は主な構成要素が図面番号のみ異なるだけで、図１に示された燃料電池システム１００の構成要素と同一機能を行うことでそれについての説明を省略し、図１に示された燃料電池システム１００と異なる構成要素についてのみ以下で説明する。
【００２５】
つまり、第３実施例の燃料電池システム２００は冷却装置２３０と吸熱器２６０の間に冷却水供給配管が設けられることによって冷却水が吸熱器２６０を通過しながら残余改質ガスの熱を低減させることができる。そして、燃料電池システム２００にも吸熱器２６０によって残余改質ガスから分離された水分が排出されるように残余改質ガス排出配管２５１に水分排出器２６１が設けられる。
【００２６】
図５は本発明の燃料電池システムと従来型燃料電池システムでの燃料処理装置の燃焼器に投入される発電燃料の変化量を示すグラフである。
【００２７】
図５に示されたグラフを参照すると、本実施例による燃料電池システム（１００、２００）は同一条件下にある従来型燃料電池システム３００に比べて燃料処理装置の改質反応器温度を６５０℃に維持するために燃料処理装置の燃焼器に投入される発電原料の量が顕著に減少したことが明らかになった（減少量：０．１５ｌｐｍ〜０．２５ｌｐｍ）。これによって燃料電池システム（１００、２００）は電力発電効率も画期的に増加させことが確認された。以下ではこのような電力発電効率の増加について説明する。
【００２８】
図６及び図７は本実施例による燃料電池システムを起動する時に時間の経過に応じる発電量、発電原料、空気流量の変化量をそれぞれ示すグラフである。
【００２９】
図６に示されたグラフは時間の経過に応じて起動から定格発電量まで変化する発電量、それに必要な発電原料、燃料電池スタックに供給される空気流量がそれぞれ階段式に変化する場合を示すものである。燃料電池システムの電力発電効率は下記の式で定義される。
【００３０】
［数１］
電力発電効率（％）∝電力発電量/使用された発電原料のエンタルピー
（ｋＷｈ）*（８６０ｋｃａｌ/ｋＷｈ）/（ｋｃａｌ）
*発電原料=改質のために投入される原料+改質装置燃焼器に投入される原料。
【００３１】
つまり、本実施例の燃料電池システムは燃料処理装置が安定化する温度まで定格発電で必要な発電原料の量より少ない量がシステム起動の時に必要である。本実施例の燃料電池システムは燃料処理装置が安定化しなくて一酸化炭素が急激に増加する可能性があるために多様な段階に分けて発電原料の量を増加させながらこれに相応して電力発電量を階段式に増加させる。
【００３２】
図７に示されたグラフは時間の経過に応じて起動から定格発電量まで変化する発電量、それに必要な発電原料、燃料電池スタックに供給される空気流量が線形的に変化することを示すものである。
【００３３】
つまり、本実施例の燃料電池システムは燃料処理装置が安定化する温度まで定格発電で必要な発電原料の量より少ない量がシステムを起動する時に必要である。本実施例の燃料電池システムは燃料処理装置が安定化しなくて一酸化炭素が急激に増加する可能性があるため、線形的に発電原料の量を増加させながらこれに相応して電力発電量を線形的に増加させる。
【００３４】
つまり、燃料電池システムは多段階運転（例：定格発電量：３５０Ｗ、７００Ｗ、１、０００Ｗ）または線形的に動作させるために燃料処理装置燃焼器に投入される残余改質ガスを一定に調節しながら燃料処理装置の燃焼器を一定温度に維持させるのが好ましい。燃料電池システムは燃焼器の温度変化に影響を与えられる残余改質ガスに含まれた水蒸気量と水蒸潜熱を吸熱器を利用して除去したり減少させる。これによって、燃料電池システムは安定的で再現性のある多段階運転が可能になり、結果的に燃料処理装置の燃焼器に投入される発電原料の量が従来に比べて減少して電力発電効率も増加する。
【００３５】
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されず、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これもまた本発明の範囲に属するのは当然である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１実施例による燃料電池システムの概略図である。
【図２】図１に示された燃料電池システムの冷却装置を示す概略図である。
【図３】本発明の第２実施例による燃料電池システムの概略図である。
【図４】本発明の第３実施例による燃料電池システムの概略図である。
【図５】本発明の燃料電池システムと従来型燃料電池システムでの燃料処理装置の燃焼器に投入される発電燃料の変化量を示すグラフである。
【図６】本実施例による燃料電池システムの起動時時間の経過による発電量、発電原料、空気流量の変化量を示すグラフである。
【図７】本実施例による燃料電池システムの起動時時間の経過による発電量、発電原料、空気流量の変化量を示すグラフである。
【図８】従来型燃料電池システムの概略図である。
【符号の説明】
【００３７】
１００、２００、３００    燃料電池システム
１１０、２１０、３１０    燃料電池スタック
１２０、２２０、３２０    燃料処理装置
１３０、２３０、３３０    冷却装置
１４０、２４０、３４０    電力変換器
１６０、２６０            吸熱器
１５１、２５１、３５１    残余改質ガス排出配管 
【図１】
2009518820.tif 000003
【図２】
2009518820.tif 000004
【図３】
2009518820.tif 000005
【図４】
2009518820.tif 000006
【図５】
2009518820.tif 000007
【図６】
2009518820.tif 000008
【図７】
2009518820.tif 000009
【図８】
2009518820.tif 000010
【国際調査報告】
2009518820.tif 000011
2009518820.tif 000012