(57)【要約】  燃料電池システムにおいて、燃料を予熱する予熱装置、予熱された燃料を改質する予備改質装置、改質された燃料が反応して電力が生産される燃料電池スタックモジュール、及び該燃料電池スタックモジュールで発生した生成物を、選択的に、予熱装置に供給する循環装置を含む発電システムである。【選択図】図２
2016506607.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池システムは、
燃料を予熱する予熱装置と、
予熱された燃料を改質する予備改質装置と、
改質された燃料が反応して電力を生産する燃料電池スタックモジュールと、
前記燃料電池スタックモジュールで発生した生成物を、選択的に、前記予熱装置に供給する循環装置と、を含む燃料電池システム。
【請求項２】
前記循環装置は、
前記生成物を、前記予熱装置に供給する加熱ラインと、
前記生成物を、前記予熱装置に対して迂回させるバイパスラインと、を含む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】
前記バイパスラインは、
流量調節が可能な流量計及びダンパユニットを具備す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】
前記バイパスラインは、
熱交換装置を具備す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５】
制御装置をさらに含み、
前記制御装置は、
供給される燃料の状態によって、前記ダンパユニットを制御す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６】
供給装置をさらに含み、
前記供給装置は、
前記予熱装置及び予備改質装置を通過し、燃料及び水を、前記燃料電池スタックモジュールに供給する第１供給ラインと、
前記燃料電池スタックモジュールに空気を供給する第２供給ラインと、を含む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７】
前記燃料電池スタックは、
アノード電極、カソード電極、及び前記アノード電極とカソード電極との間に位置する電解質を含むことを特徴とする請求項１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、発電システムに係り、さらに詳細には、燃料を予熱する予熱装置、予熱された燃料を改質する予備改質装置、改質された燃料が反応して電力が生産される燃料電池スタックモジュール、及び前記燃料電池スタックモジュールで発生した生成物を選択的に前記予熱装置に供給する循環装置を含む燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、炭化水素燃料に保存された化学エネルギーを、電子化学的反応によって、電気エネルギーに直接変換する装置である。一般的に、燃料電池は、電気的に充電されたイオンを導電させる電解質によって分離される、アノード極及びカソード極を含む。溶融炭酸塩燃料電池は、二酸化炭素を含むガスを酸化させる間、アノード極を介して反応物燃料ガスを通過することによって作動し、酸素は、カソード極を通過する。
【０００３】
前記燃料電池に供給される燃料ガスは、アノード極、カソード極及び電解質で構成される燃料電池スタックで適切に反応するように、燃料電池スタックに供給される前に、所定の改質過程を経る場合が一般的である。そのような改質過程のために、所定の改質器が設けられ、前記改質器では、加湿または予熱などの改質がなされる。
【０００４】
前記燃料ガスの適切な改質を制御することは、燃料電池の効率性に直結する問題であり、適切な改質雰囲気を維持して制御するために、多様な技術が案出されたが、まだ改質状態の柔軟な制御は、十分ではない状態である。
【０００５】
一例として、図１に図示されているように、従来の燃料電池システムは、予熱装置１０によって燃料が予熱され、予熱された燃料が、予備改質器２０を経て、燃料電池スタックモジュール３０に供給され、燃料電池スタックモジュール３０において、電力を生産した後、生成された生成物は、所定の循環装置（４０）によって、前記予熱装置１０の熱源として活用される。このとき、予熱装置１０の予熱雰囲気調節のために、予熱装置１０を通過する燃料の流量が調節されるように、燃料供給ライン５０は、所定のバイパスライン５２を含むように構成され、前記燃料電池スタックモジュール３０に供給される所定の空気供給ライン６０が別途に具備される。
【０００６】
そのような従来技術による構成は、燃料の流量を調節することにより、燃料の状態を調節するが、そのような従来技術による燃料電池システムは、燃料の状態に対する柔軟な対応が困難であるという短所が伴う。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、燃料を予熱する予熱装置、予熱された燃料を改質する予備改質装置、改質された燃料が反応して電力が生産される燃料電池スタックモジュール、及び前記燃料電池スタックモジュールで発生した生成物を選択的に前記予熱装置に供給する循環装置を含む 燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために本発明は、燃料電池システムにおいて、燃料を予熱する予熱装置、予熱された燃料を改質する予備改質装置、改質された燃料が反応して電力が生産される燃料電池スタックモジュール、及び前記燃料電池スタックモジュールで発生した生成物を選択的に前記予熱装置に供給する循環装置を含む。
【０００９】
望ましくは、本発明の一実施形態によれば、前記循環装置は、前記生成物を、前記予熱装置に供給する加熱ライン、及び前記生成物を、前記予熱装置に対して迂回させるバイパスラインを含んで構成される。
【００１０】
望ましくは、本発明の一実施形態によれば、前記バイパスラインは、流量調節が可能な流量計及びダンパユニットを具備する。
【００１１】
望ましくは、本発明の一実施形態によれば、前記バイパスラインは、熱交換装置を具備する。
【００１２】
望ましくは、本発明の一実施形態によれば、制御装置をさらに含み、前記制御装置は、供給される燃料の状態によって、前記ダンパユニットを制御する。
【００１３】
望ましくは、本発明の一実施形態によれば、供給装置をさらに含み、前記供給装置は、前記予熱装置、及び予備改質装置を通過し、燃料及び水を前記燃料電池スタックモジュールに供給する第１供給ライン、及び前記燃料電池スタックモジュールに空気を供給する第２供給ラインを含む。
【００１４】
望ましくは、本発明の一実施形態によれば、前記燃料電池スタックは、アノード電極、カソード電極、及び前記アノード電極とカソード電極との間に位置する電解質を含む。
【発明の効果】
【００１５】
本発明による燃料電池システムは、循環装置を含み、前記循環装置は、前記燃料電池スタックモジュールで発生した生成物を、選択的に、前記予熱装置に供給するように構成される。前記燃料電池スタックモジュールの電気化学反応によって生成された生成物は、高温の熱エネルギーを有しているので、前記循環装置を介して、生成物の熱エネルギーを、前記予熱装置に必要な熱エネルギーとして活用することができる。従って、本発明による燃料電池システムの全体的なエネルギー活用効率が向上する。
【００１６】
また、前記循環装置が加熱ライン及びバイパスラインを具備することによって、予熱装置に供給される排気ガスのような生成物の流量調節が可能であり、それによって、予熱装置の予熱雰囲気を調節することができるので、燃料の状態を柔軟に調節することができる。すなわち、予備改質装置に供給される燃料の状態に対して柔軟に対応し、適切な状態の燃料供給が可能になる。
【００１７】
また、前記バイパスラインは、熱交換装置を含み、前記熱交換装置を介して、前記バイパスラインを通過する生成物の熱と外部の熱とが交換される。前述のような熱交換装置が具備されることによって、予熱に使用されず、バイパスラインを介して排出される生成物の熱エネルギーをさらに効果的に活用することができ、従って、本発明による燃料電池システムのエネルギー活用効率がさらに向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来の発電システムを示した概念図である。
【図２】本発明の一実施形態による発電システムを示した図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明による発電システムは、燃料電池システムにおいて、燃料を予熱する予熱装置、予熱された燃料を改質する予備改質装置、改質された燃料が反応して電力が生産される燃料電池スタックモジュール、及び前記燃料電池スタックモジュールで発生した生成物を選択的に前記予熱装置に供給する循環装置を含む。
【００２０】
以下、添付された図面を参照し、本発明による望ましい実施形態について説明する。本実施形態は、制限的なものと意図されたものではない。
【００２１】
本発明の利点、特徴、及びそれらを達成する方法は、添付される図面と共に、詳細に説明する実施形態を参照すれば、明確になるであろう。しかし、本発明は、以下で開示される実施形態に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態に具現され、ただ、本実施形態は、本発明の開示が完全になり、本発明が属する技術分野で当業者に、発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は、特許請求の範囲によって定義されるのみである。明細書全体にかけて、同一参照符号は、同一構成要素を指す。
【００２２】
本明細書で使用された用語は、実施形態を説明するためのものであり、本発明を制限するものではない。本明細書で、単数形は、文言で特別に言及しない限り、複数形も含む。明細書で使用される「含む（comprises）」及び／または「含むところの（comprising）」は、言及された構成要素、段階、動作及び／または部材が、一つ以上の他の構成要素、段階、動作及び／または部材の存在または追加を排除するものではない。
【００２３】
取り立てての定義がなければ、本明細書で使用される全ての用語（技術用語及び科学的用語を含む）は、本発明が属する技術分野において当業者に、共通して理解される意味として使用されるのである。また、一般的に使用される既定義の用語は、明白に特別に定義されていない限り、理想的にまたは過度に解釈されるものではない。
【００２４】
図１は、従来の燃料電池システムを示した概念図であり、図２は、本発明の一実施形態による燃料電池システム１を示した図面である。
【００２５】
本発明による燃料電池システム１は、燃料電池システム１において、燃料を予熱する予熱装置１００、予熱された燃料を改質する予備改質装置２００、改質された燃料が反応して電力が生産される燃料電池スタックモジュール３００、及び前記燃料電池スタックモジュール３００で発生した生成物を、選択的に、前記予熱装置１００に供給する循環装置４００を含む。
【００２６】
前記予熱装置１００では、供給された燃料の予熱が行われる。前記燃料は、炭化水素、及び水を含み、予熱によって、燃料が、反応に適切な状態を維持することができる。一方、前記予熱装置１００は、所定の加湿装置でもって構成され、前記燃料に含まれて供給される水を加熱し、水蒸気状態にすることができる。
【００２７】
予備改質装置２００では、前記燃料を改質し、水素が豊富な改質ガスを生成することができる。前記予備改質装置２００は、バーナーのような別途の熱供給源を具備することができるが、それに限定されるものではない。
【００２８】
一方、図２では、予熱装置１００と予備改質装置２００とが別個に区別されるように図示されているが、１つの装置に統合された構造を有することができ、図２に図示されているところに限定されるものではない。
【００２９】
前記予備改質装置２００を通過して改質された燃料は、燃料電池スタックモジュール３００に供給される。前記燃料電池スタックモジュール３００では、改質された燃料と、所定の酸化剤とが電気化学的反応を行うことによって、電力が生産される。一例によれば、前記燃料電池スタックモジュール３００は、複数の単位セルが積層された構造を有し、１つの単位セルは、膜電極接合体（ＭＥＡ：membrane-electrode assembly）と、その両側に位置する１対のセパレータとからなる。
【００３０】
前記膜電極接合体は、電解質膜と、該電解質膜の一面に位置するアノード電極と、該電解質膜の反対側一面に位置するカソード電極と、を含んでもよい。１対のセパレータは、該アノード電極と対向し、該アノード電極に改質ガスを供給するアノードセパレータと、該カソード電極と対向し、該カソード電極に酸化剤を供給するカソードセパレータと、を含んで構成される。
【００３１】
該アノード電極は、酸化反応によって、燃料中の水素を、電子と水素イオンとに分離させ、該カソード電極は、還元反応によって、酸化剤中の酸素を、電子と酸素イオンとに分離させる。該電解質膜は、該アノード電極の水素イオンを、該カソード電極に移動させるイオン交換機能を有する。前記膜電極接合体は、水素と酸素との電気化学的反応によって、電気エネルギーを生成し、生成反応の副産物として水が発生する。
【００３２】
前記循環装置４００は、前記燃料電池スタックモジュール３００の電気化学反応によって生成された生成物を外部に排出したり、または循環させたりすることができる。ここで、前記生成物は、水を含む。前記循環装置４００は、所定の配管構造を有することにより、前記生成物を案内することができる。
【００３３】
前記循環装置４００は、前記燃料電池スタックモジュール３００で発生した生成物を、選択的に、前記予熱装置１００に供給するように構成される。前記燃料電池スタックモジュール３００の電気化学反応によって生成された生成物は、高温の熱エネルギーを有しているので、前記熱エネルギーを、前記予熱装置１００に必要な熱エネルギーとして活用することができる。従って、本発明による燃料電池システム１の全体的なエネルギー活用効率が向上する。
【００３４】
一方、前記燃料電池スタックモジュール３００に供給される燃料の状態によって、予熱条件及び雰囲気が調節されるように、前記循環装置４００は、前記燃料電池スタックモジュール３００で生成された生成物を、前記予熱装置１００に対して選択的に供給するように構成される。ここで、選択的ということは、供給量、供給物質などを選択することができるということを意味し、所定の選択によって、予熱装置１００に対して適切な条件の雰囲気を提供することができるという概念に理解されなければならない。すなわち、前記燃料を高温に加熱する必要がある場合、前記循環装置４００は、前記生成物を、前記予熱装置１００に大量で供給し、高温加熱する必要がない場合、前記生成物を、前記予熱装置１００に比較的少量供給するように構成される。
【００３５】
望ましくは、前記循環装置４００は、前記生成物を、前記予熱装置１００に供給する加熱ライン４１０、及び前記生成物を、前記予熱装置１００に対して迂回させるバイパスライン４２０を含んで構成される。
【００３６】
前記加熱ライン４１０は、前記燃料電池スタックモジュール３００で発生した生成物が、前記予熱装置１００に供給されるように連結される。一方、前記バイパスライン４２０は、前記生成物が、前記予熱装置１００に供給されないように、前記予熱装置１００に対して迂回するように構成される。前記加熱ライン４１０と前記バイパスライン４２０は、循環装置４００に含まれ、１つの管路に続いた複数の分枝形態に構成される。
【００３７】
すなわち、前記循環装置４００は、前記生成物を、前記予熱装置１００に供給する加熱ライン４１０、及び前記生成物を、前記予熱装置１００に対して迂回させるバイパスライン４２０を含むことにより、前記予熱装置１００に供給される生成物量を調節することができ、従って、予熱装置１００の予熱雰囲気を制御することができる。例えば、前記加熱ライン４１０を介して、前記予熱装置１００に供給される生成物の量が増加する場合、予熱装置１００の予熱温度が上昇し、反対に、バイパスライン４２０を介して生成物が多量通過する場合、予熱装置１００の予熱温度が低下する。
【００３８】
それにより、前記バイパスライン４２０を介して通過する生成物の量を調節するように、所定のバルブのような調節装置が具備される。例えば、本発明の一実施形態によれば、前記バイパスライン４２０は、流量調節が可能な流量計及びダンパ（damper）ユニット４３０を具備することができる。前記ダンパユニット４３０は、バイパスライン４２０を介して通過する生成物の流量を調節するように構成される。
【００３９】
前述のように、循環装置４００が、加熱ライン４１０及びバイパスライン４２０を具備することによって、予熱装置１００に供給される排気ガスのような生成物の流量調節が可能であり、それによって、予熱装置１００の湿度及び温度のような予熱雰囲気を調節することができるので、燃料の状態を柔軟に調節することができる。すなわち、予備改質装置２００に供給される燃料の状態に対して柔軟に対応し、適切な状態の燃料供給が可能になる。
【００４０】
望ましくは、本発明の一実施形態によれば、前記バイパスライン４２０は、熱交換装置４４０を具備する。
【００４１】
前記加熱ライン４１０を介して供給される生成物は、前記予熱装置１００の加熱源として使用される一方、前記バイパスライン４２０を通過する生成物は、予熱装置１００の加熱源として使用されない。それにより、前記バイパスライン４２０を通過する生成物の熱エネルギーを活用するように、前記バイパスライン４２０は、所定の熱交換装置４４０を具備することができる。前記熱交換装置４４０を介して、前記バイパスライン４２０を通過する生成物の熱と外部の熱とが交換され、例えば、前記熱交換装置４４０は、熱交換を行わせる所定の配管構造を有することができる。一例によって、前記熱交換装置４４０は、前記バイパスライン４２０と、所定の配管とを連結し、前記配管は、所定の暖房装置と連結されることによって、前記バイパスライン４２０を通過する生成物の熱エネルギーが暖房に活用されるか、それに限定されるものではない。前述のような熱交換装置４４０が具備されることによって、予熱に使用されず、バイパスライン４２０を介して排出される生成物の熱エネルギーを、さらに効果的に活用することができ、従って、本発明による燃料電池システム１のエネルギー活用効率がさらに向上する。
【００４２】
望ましくは、本発明の一実施形態によれば、制御装置をさらに含み、前記制御装置は、供給される燃料の状態によって、前記ダンパユニット４３０を制御する。
【００４３】
前記制御装置は、供給される燃料の状態によって、前記ダンパユニット４３０を制御し、従って、供給される燃料状態によって、バイパスライン４２０を通過する生成物の量が調節され、結果として、予熱装置１００の予熱条件を制御させることが可能である。例えば、前記制御装置は、燃料の供給量が少ない場合、前記ダンパユニット４３０を閉じることにより、バイパスライン４２０を通過する生成物の量を最小化させ、予熱装置１００の予熱温度が最適化されるのである。一方、正常運転モードで、燃料と空気とが大量供給される場合、ダンパユニット４３０の開度を適切に開放し、バイパスライン４２０を通過する生成物の量が適切な流量に維持される。
【００４４】
望ましくは、本発明の一実施形態によれば、供給装置をさらに含み、前記供給装置は、前記予熱装置１００及び予備改質装置２００を通過し、燃料（ＮＧ）及び水（water）を、前記燃料電池スタックモジュール３００に供給する第１供給ライン５１０、及び前記燃料電池スタックモジュール３００に空気（air）を供給する第２供給ライン５２０を含む。
【００４５】
前記供給装置は、前記燃料電池スタックで反応する所定の燃料及び酸化剤などを供給することができる。前記供給装置は、第１供給ライン５１０、及び第２供給ライン５２０を含み、前記第１供給ライン５１０を介して燃料及び水が供給され、第２供給ライン５２０を介して酸化剤が供給される。そのとき、第１供給ライン５１０は、前記予熱装置１００及び予備改質装置２００を通過し、燃料電池スタックで反応に適切な状態に改質される。前記第２供給ライン５２０を介して供給される酸化剤は、例えば、空気でもあるが、それに限定されるものではない。
【００４６】
以上、望ましい実施形態について図示して説明したが、本発明は、前述の特定実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を外れることなく、当該発明が属する技術分野において、当業者によって多様な変形実施が可能であるということは言うまでもなく、そのような変形実施は、本発明の技術的思想や展望から個別的に理解されることがあってはならない。
【図１】
2016506607.tif 000003
【図２】
2016506607.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成27年12月9日(2015.12.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池システムは、
燃料を予熱する予熱装置と、
予熱された燃料を改質する予備改質装置と、
改質された燃料が反応して電力を生産する燃料電池スタックモジュールと、
前記燃料電池スタックモジュールで発生した生成物を、選択的に、前記予熱装置に供給する循環装置と、を含む燃料電池システム。
【請求項２】
前記循環装置は、
前記生成物を、前記予熱装置に供給する加熱ラインと、
前記生成物を、前記予熱装置に対して迂回させるバイパスラインと、を含む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】
前記バイパスラインは、
流量調節が可能な流量計及びダンパユニットを具備することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記バイパスラインは、
熱交換装置を具備することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
制御装置をさらに含み、
前記制御装置は、
供給される燃料の状態によって、前記ダンパユニットを制御することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
供給装置をさらに含み、
前記供給装置は、
前記予熱装置及び予備改質装置を通過し、燃料及び水を、前記燃料電池スタックモジュールに供給する第１供給ラインと、
前記燃料電池スタックモジュールに空気を供給する第２供給ラインと、を含む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７】
前記燃料電池スタックモジュールは、
アノード電極、カソード電極、及び前記アノード電極とカソード電極との間に位置する電解質を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【国際調査報告】
2016506607.tif 000005
2016506607.tif 000006
2016506607.tif 000007
2016506607.tif 000008