KR20110137399A - 연료 전지 장치 - Google Patents

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KR20110137399A
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에이지 다니구치
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쿄세라 코포레이션
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Abstract

(과제)
발전 효율이 향상된 연료 전지 모듈 및 연료 전지 장치를 제공한다.
(해결 수단)
외장 케이스 내에 연료 전지 셀을 복수 개 배열해서 이루어진 연료 전지 셀 스택(1)을 수납 용기 내에 수납해서 이루어진 연료 전지 모듈(M)과, 연료 전지 셀 스택(1)에서 발전한 전류를 외부 부하에 공급하기 위한 파워 컨디셔너(12)와, 파워 컨디셔너(12)를 제어하기 위한 제어 장치(14)를 구비하고, 제어 장치(14)는 발전 개시시에 연료 전지 셀의 전압치를 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치보다 높아지도록 파워 컨디셔너(12)를 제어하기 때문에 연료 전지 셀의 열화를 억제할 수 있고, 신뢰성이 향상한 연료 전지 장치로 할 수 있다.

Description

연료 전지 장치{FUEL CELL DEVICE}
본 발명은 복수 개의 연료 전지 셀을 배열해서 이루어진 연료 전지 셀 스택을 수납 용기 내에 수납해서 이루어진 연료 전지 모듈을 외장 케이스 내에 수납해서 이루어진 연료 전지 장치에 관한 것이다.
최근, 차세대 에너지로서 수소 함유 가스(연료 가스)와 공기(산소 함유 가스)를 이용하여 전력을 얻을 수 있는 연료 전지 셀을 집전 부재를 통해서 복수 개 배치하고, 전기적으로 접속해서 이루어진 셀 스택을 연료 전지 셀에 연료 가스를 공급하기 위한 매니폴드에 고정해서 셀 스택 장치를 구성하고, 그 셀 스택 장치를 수납 용기 내에 수납해서 이루어진 연료 전지 모듈이나 연료 전지 모듈을 외장 케이스 내에 수납해서 이루어진 연료 전지 장치가 여러 가지로 제안되어 있다(예를 들면 특허문헌 1 참조).
이러한 연료 전지 장치에 있어서는, 부하가 요구하는 요구 전력을 공급하기 위해서 연료 전지 셀에 공급하는 연료 가스의 유량(流量)이나 연료 전지 셀의 전압 등을 적당하게 조정한다.
일본 특허 공개 2007-59377호 공보
그런데, 연료 전지 장치(연료 전지 셀)의 발전 개시시나 심야 등의 저부하가 장시간 계속되는 경우에 있어서는 연료 전지 모듈(수납 용기 내)의 온도가 낮은 상태로 되어 있다.
이러한 경우에 높은 부하가 요구되면, 그 높은 부하에 의해 연료 전지 셀로부터 많은 전류가 인출되기 때문에 연료 전지 셀의 전압이 저하됨과 아울러 전류가 증가하게 된다. 이 경우에 연료 전지 셀의 온도가 낮은 상태에서 전류가 증가하면 연료 전지 셀에 있어서의 전류의 흐름이 불균일해져 연료 전지 셀의 일부에 전류가 집중함으로써 연료 전지 셀이 열화될 우려가 있었다. 특히, 외부 부하의 요구에 따라서 최대 출력을 필요로 할 경우에 있어서 연료 전지 셀이 열화될 우려가 있었다.
그 때문에, 본 발명에 있어서는 연료 전지 장치의 발전 개시시나 심야 등의 저부하가 장시간 계속된 경우에 있어서, 연료 전지 셀의 열화를 억제하면서 요구 부하에 대응하는 전력을 생성할 수 있는 연료 전지 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 연료 전지 장치는 외장 케이스 내에 연료 전지 셀을 복수 개 배열해서 이루어진 연료 전지 셀 스택을 수납 용기 내에 수납해서 이루어진 연료 전지 모듈과, 상기 연료 전지 셀 스택에서 발전한 전류를 외부 부하에 공급하기 위한 파워 컨디셔너와, 상기 파워 컨디셔너를 제어하기 위한 제어 장치를 구비하는 연료 전지 장치로서, 상기 제어 장치는 상기 연료 전지 장치의 발전 개시시에 있어서 상기 연료 전지 셀의 전압치가 상기 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치보다 높아지도록 상기 파워 컨디셔너를 제어하는 것을 특징으로 한다.
이러한 연료 전지 장치에 있어서는 제어 장치가 연료 전지 장치(연료 전지 셀)의 발전 개시시에 연료 전지 셀의 전압치를 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치보다 높아지도록 파워 컨디셔너를 제어하기 때문에 연료 전지 셀 스택(연료 전지 셀)의 발전에 의해 발생되는 전류량이 저감하게 되어 연료 전지 셀에 흐르는 전류량을 저감시킬 수 있다. 그것에 의하여 연료 전지 셀에 있어서의 전류의 흐름이 불균일해지는 것을 억제할 수 있고, 연료 전지 셀이 열화되는 것을 억제할 수 있다.
본 발명의 연료 전지 장치는 외장 케이스 내에 연료 전지 셀을 복수 개 배열해서 이루어진 연료 전지 셀 스택을 수납 용기 내에 수납해서 이루어짐과 아울러 상기 수납 용기 내의 온도를 측정하기 위한 온도 센서를 구비하는 연료 전지 모듈과, 상기 연료 전지 셀 스택에서 발전한 전류를 외부 부하에 공급하기 위한 파워 컨디셔너와, 상기 파워 컨디셔너를 제어하기 위한 제어 장치를 구비하는 연료 전지 장치로서, 상기 제어 장치는 상기 온도 센서에 의해 측정되는 상기 수납 용기 내의 온도가 소정의 온도 미만인 경우에 상기 연료 전지 셀의 전압치가 상기 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치보다 높아지도록 상기 파워 컨디셔너를 제어하는 것을 특징으로 한다.
이러한 연료 전지 장치에 있어서는, 제어 장치가 수납 용기(연료 전지 모듈) 내의 온도가 소정의 온도 미만인 경우에 연료 전지 셀의 전압치를 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치보다 높아지도록 파워 컨디셔너를 제어하기 때문에 연료 전지 셀 스택(연료 전지 셀)의 발전에 의해 발생되는 전류량이 저감하게 되어 연료 전지 셀에 흐르는 전류량을 저감시킬 수 있다. 그것에 의하여 연료 전지 셀에 있어서의 전류의 흐름이 불균일해지는 것을 억제할 수 있고, 연료 전지 셀이 열화되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 연료 전지 장치는 상기 연료 전지 장치가 원연료를 개질해서 상기 연료 전지 셀에 공급하는 연료 가스를 생성하기 위한 개질 촉매를 구비하는 개질기와, 상기 개질기에 원연료를 공급하기 위한 원연료 공급 수단을 구비하고, 상기 연료 전지 셀의 발전에 이용되지 않은 잉여의 연료 가스를 연소시키는 구성을 가짐과 아울러, 상기 제어 장치는 상기 연료 전지 셀의 전압치가 상기 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치보다 높아지도록 상기 파워 컨디셔너를 제어하고 있는 동안에 있어서의 상기 연료 전지 셀에 공급하는 연료 가스의 최저 유량치가, 상기 연료 전지 셀의 전압치가 상기 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 생성하기 위한 전압치보다 높아지도록 상기 파워 컨디셔너를 제어하고 있지 않은 동안에 있어서의 상기 연료 전지 셀에 공급하는 연료 가스의 최저 유량치보다 높아지도록 상기 원연료 공급 수단을 제어하는 것이 바람직하다.
이러한 연료 전지 장치에 있어서는, 파워 컨디셔너를 연료 전지 셀의 전압치를 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압보다 높아지도록 제어하고 있는 동안에는, 그 제어를 행하고 있지 않은 동안에 비해서 연료 전지 셀에 공급하는 연료 가스의 최저 유량치가 높아지도록 제어함으로써 연료 전지 셀의 발전에 이용되지 않은 잉여의 연료 가스량이 증가하게 된다. 그것에 의하여, 잉여의 연료 가스를 연소시킴으로써 발생되는 연소열의 열량이 증가하기 때문에 연료 전지 모듈 내의 온도를 신속하게 상승시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 연료 전지 장치는 상기 연료 전지 장치가 원연료를 개질해서 상기 연료 전지 셀에 공급하는 연료 가스를 생성하기 위한 개질 촉매를 구비하는 개질기와 상기 개질기에 원연료를 공급하기 위한 원연료 공급 수단을 구비하고, 상기 연료 전지 셀의 발전에 이용되지 않은 잉여의 연료 가스를 연소시키는 구성을 가짐과 아울러, 상기 제어 장치는 상기 연료 전지 셀의 전압치가 상기 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치보다 높아지도록 상기 파워 컨디셔너를 제어하고 있는 동안에 있어서의 상기 연료 전지 셀에 공급하는 연료 가스량이 상기 연료 전지 셀의 전압치가 상기 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치보다 높아지도록 상기 파워 컨디셔너를 제어하고 있지 않은 동안에 있어서의 상기 연료 전지 셀에 공급하는 연료 가스량보다 많아지도록 상기 원연료 공급 수단을 제어하는 것이 바람직하다.
이러한 연료 전지 장치에 있어서는 파워 컨디셔너를 연료 전지 셀의 전압치가 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압보다 높아지도록 제어하고 있는 동안에는, 그 제어를 행하고 있지 않은 동안에 비해서 연료 전지 셀에 공급하는 연료 가스량이 많아지도록 제어함으로써 연료 전지 셀의 발전에 이용되지 않은 잉여의 연료 가스량이 증가하게 된다. 그것에 의하여, 잉여의 연료 가스를 연소시킴으로써 발생되는 연소열의 열량이 증가하기 때문에 연료 전지 모듈 내의 온도를 신속하게 상승시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 연료 전지 장치는, 상기 제어 장치는 상기 연료 전지 셀의 전압치를 상기 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치보다 높아지도록 제어하고나서 소정 시간 경과 후에 상기 연료 전지 셀의 전압치가 상기 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치로 되도록 상기 파워 컨디셔너를 제어하는 것이 바람직하다.
연료 전지 셀의 전압치를 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치보다 높아지도록 제어하고나서 소정 시간 경과 후에 있어서는, 연료 전지 모듈(수납 용기) 내의 온도가 충분하게 상승하고 있지 않더라도 각 연료 전지 셀의 온도가 균일에 가까워지거나 또는 균일해진다.
그리고, 각 연료 전지 셀의 온도가 균일에 가까워짐으로써 연료 전지 셀의 전압치를 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치로 했을 경우에 연료 전지 셀의 일부에 전류가 집중하는 것이나, 온도가 낮은 연료 전지 셀에 있어서 전기 저항이 높아지는 부위가 발생되는 것을 억제할 수 있어 연료 전지 셀이 열화되는 것을 억제할 수 있다.
그 때문에, 이러한 경우에는 제어 장치가 연료 전지 셀의 전압치가 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치가 되도록 파워 컨디셔너를 제어함으로써 연료 전지 셀의 출력을 최대까지 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 연료 전지 장치는 상기 수납 용기 내의 온도를 측정하기 위한 온도 센서를 구비함과 아울러, 상기 제어 장치는 상기 온도 센서에 의해 측정되는 상기 수납 용기 내의 온도가 소정의 온도 이상이 되었을 경우에 상기 연료 전지 셀의 전압치가 상기 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치가 되도록 상기 파워 컨디셔너를 제어하는 것이 바람직하다.
수납 용기(연료 전지 모듈) 내의 온도가 소정의 온도 이상이 되었을 경우에는 연료 전지 셀의 온도도 상승하게 된다. 이러한 경우에 있어서는 연료 전지 셀의 전압치를 최대 출력을 발생시키는 것이 가능한 전압치가 되도록 하는 것이 바람직하다.
그 때문에, 온도 센서에 의해 측정되는 연료 전지 모듈 내의 온도가 소정의 온도 이상이 되었을 경우에 제어 장치가 연료 전지 셀의 전압치가 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치가 되도록 파워 컨디셔너를 제어함으로써 연료 전지 셀의 출력을 최대까지 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 연료 전지 장치는 상기 제어 장치가 상기 온도 센서에 의해 측정되는 상기 수납 용기 내의 온도가 소정의 온도 이상이 되었을 경우에 상기 연료 전지 셀의 전압치가 상기 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치가 되도록 상기 파워 컨디셔너를 제어하는 것이 바람직하다.
이러한 연료 전지 장치에 있어서도 상술한 바와 마찬가지로 온도 센서에 의해 측정되는 연료 전지 모듈 내의 온도가 소정의 온도 이상이 되었을 경우에 제어 장치가 연료 전지 셀의 전압치가 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치가 되도록 파워 컨디셔너를 제어함으로써 연료 전지 셀의 출력을 최대까지 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 연료 전지 장치는 상기 연료 전지 모듈이 상기 수납 용기 내에 상기 연료 전지 셀에 공급하는 연료 가스를 생성하기 위한 개질 촉매를 구비하는 개질기와 상기 개질기의 온도를 측정하기 위한 개질기 온도 센서를 구비하고, 상기 연료 전지 셀의 발전에 이용되지 않은 잉여의 연료 가스를 연소시킴으로써 발생되는 연소열로 상기 개질기를 가열하는 구성을 가짐과 아울러, 상기 제어 장치는 상기 개질기 온도 센서에 의해 측정되는 상기 개질기의 온도가 소정 온도 이상이 되었을 경우에 상기 연료 전지 셀의 전압치가 상기 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치가 되도록 상기 파워 컨디셔너를 제어하는 것이 바람직하다.
수납 용기 내에 연료 전지 셀에 공급하는 연료 가스를 생성하기 위한 개질 촉매를 구비하는 개질기를 구비함과 아울러 연료 전지 셀의 발전에 이용되지 않은 잉여의 연료 가스를 연소시킴으로써 발생되는 연소열로 개질기를 가열하는 구성을 갖는 연료 전지 장치에 있어서는 개질기의 온도가 소정의 온도 이상이 되었을 경우에 개질 촉매가 열화될 우려가 있다.
그 때문에, 이러한 경우에 있어서는 제어 장치가 연료 전지 셀의 전압치를 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치가 되도록 파워 컨디셔너를 제어함으로써 연료 전지 셀의 출력을 최대까지 증가시킬 수 있음과 아울러 잉여의 연료 가스의 양을 저감할 수 있기 때문에 개질기의 온도가 상승하는 것을 억제할 수 있고, 개질 촉매가 열화되는 것을 억제할 수 있다.
(발명의 효과)
본 발명의 연료 전지 장치는 외장 케이스 내에 연료 전지 셀을 복수 개 배열해서 이루어진 연료 전지 셀 스택을 수납 용기 내에 수납해서 이루어진 연료 전지 모듈과, 상기 연료 전지 셀 스택에서 발전한 전류를 외부 부하에 공급하기 위한 파워 컨디셔너와, 상기 파워 컨디셔너를 제어하기 위한 제어 장치를 구비하는 연료 전지 장치로서, 상기 제어 장치는 상기 연료 전지 장치의 발전 개시시에 있어서 상기 연료 전지 셀의 전압치가 상기 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치보다 높아지도록 상기 파워 컨디셔너를 제어하기 때문에 연료 전지 셀에 흐르는 전류량을 저감할 수 있음으로써 연료 전지 셀에 있어서의 전류의 흐름이 불균일해지는 것을 억제할 수 있고, 그것에 의해 연료 전지 셀이 열화되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 수납 용기 내의 온도를 측정하기 위한 온도 센서를 구비하는 연료 전지 장치에 있어서는 온도 센서에 의해 측정되는 수납 용기 내(연료 전지 모듈 내)의 온도가 소정의 온도 미만인 경우에 연료 전지 셀의 전압치를 상기 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치보다 높아지도록 파워 컨디셔너를 제어함으로써 연료 전지 셀이 열화되는 것을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 연료 전지 장치를 구비하는 연료 전지 시스템 구성의 일례를 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 연료 전지 장치를 구성하는 연료 전지 모듈의 일례를 나타내는 외관 사시도이다.
도 3은 본 발명의 연료 전지 장치를 구성하는 연료 전지 셀 스택에서 발전된 전류의 외부 부하로의 공급을 설명하기 위한 설명도이다.
도 1은 본 발명의 연료 전지 장치를 구비하는 연료 전지 시스템 구성의 일례를 나타낸 구성도이다. 또한, 이후의 도면에 있어서 동일한 부재에 대해서는 동일한 번호를 붙이는 것으로 한다.
도 1에 나타내는 연료 전지 시스템은 발전을 행하는 발전 유닛과, 열 교환 후의 탕수(湯水)를 저탕(貯湯)하는 저탕 유닛과, 이들 유닛간에 물을 순환시키기 위한 순환 배관으로 구성되어 있고, 발전 유닛이 본 발명의 연료 전지 장치에 상당한다.
도 1에 나타내는 연료 전지 장치(발전 유닛)는 복수 개의 연료 전지 셀(도시하지 않음)을 조합하여 이루어진 연료 전지 셀 스택(1)(이하, 셀 스택으로 약기하는 경우가 있다), 천연 가스나 등유 등의 원연료를 공급하는 원연료 공급 수단(2), 셀 스택(1)을 구성하는 연료 전지 셀에 산소 함유 가스를 공급하기 위한 산소 함유 가스 공급 수단(3), 원연료와 수증기에 의해 수증기 개질하는 개질기(4)를 구비하고 있다. 또한, 개질기(4)는 후술하는 물펌프(11)에 의해 공급되는 순수(純水)를 기화하여 원연료 공급 수단(2)으로부터 공급된 원연료와 수증기를 혼합하기 위한 기화부와, 내부에 개질 촉매를 구비하여 혼합된 원연료와 수증기를 반응시켜서 연료 가스(수소 함유 가스)를 생성하기 위한 개질부를 구비하고 있고, 또한 개질기(4)의 내부의 온도를 측정하기 위한 개질기 온도 센서(23)를 구비하고 있다.
또한, 도 1에 나타내는 연료 전지 장치(발전 유닛)에 있어서는 셀 스택(1)을 구성하는 연료 전지 셀(이하, 연료 전지 셀로 약기하는 경우가 있다)의 발전에 의해 생성된 배기 가스(배기 열)와 물로 열 교환을 행하는 열 교환기(13), 열 교환에 의해 생성된 응축수를 처리하기 위한 응축수 처리 장치(19), 열 교환기(13)에서 생성된 응축수를 응축수 처리 장치(19)에 공급하기 위한 응축수 공급관(21)이 설치되어 있고, 응축수 처리 장치(19)에서 처리된 응축수는 물탱크(10)에 저수된 후, 물펌프(11)에 의해 개질기(4)(기화부, 도시하지 않음)에 공급된다.
한편, 응축수 처리 장치(19)에 공급되는 응축수의 양이 적을 경우나 응축수 처리 수단으로 처리된 후의 응축수의 순도가 낮을 경우에 있어서는, 외부에서 공급되는 물(수돗물 등)을 순수로 처리해서 개질기(4)에 공급할 수도 있고, 도 1에 있어서는 외부로부터 공급되는 물을 순수로 처리하는 수단으로서 각 외부 수처리 장치를 구비하고 있다.
여기에서, 외부에서 공급되는 물을 개질기(4)에 공급하기 위한 각 외부 수처리 장치로서는, 물을 정화하기 위한 활성탄 필터 장치(7), 역침투막 장치(8) 및 정화된 물을 순수로 하기 위한 이온 교환 수지 장치(9)의 각 장치 중, 적어도 이온 교환 수지 장치(9)(바람직하게는 모든 장치)를 구비한다. 그리고 이온 교환 수지 장치(9)에서 생성된 순수는 물탱크(10)에 저수된다. 또한, 도 1에 나타내는 연료 전지 장치(발전 유닛)에 있어서는 외부에서 공급되는 물의 양을 조정하기 위한 급수 밸브(6)가 설치되어 있다. 또한, 응축수 처리 장치(19)와 물탱크(10)가 탱크 연결관(20)으로 연결되어 있다. 또한, 응축수만을 개질기(4)에 공급할 경우에는 응축수 처리 장치(19)와 개질기(4)를 물펌프(11)를 통해서 접속하는 것도 가능하다. 또한, 본 발명에서 말하는 수처리 장치란 상술한 응축수 처리 장치(19)와 외부로부터 공급되는 물을 처리하기 위한 각 외부 수처리 장치를 의미하는 것으로 하고, 도 1에 나타낸 연료 전지 시스템에 있어서는 상기 수처리 장치를 모두 구비하는 구성을 나타내고 있다.
또한, 개질기(4)에 공급하는 물을 순수로 처리하기 위한 각 외부 수처리 장치 및 응축수 처리 장치(19)(본 발명에서 말하는 수처리 장치)를 일점 쇄선에 의해 둘러싸서 나타내고 있다[또한, 개질기(4)와 각 수처리 장치를 접속하는 급수관(5), 탱크 연결관(20), 응축수 공급관(21)도 포함시켜서 수공급 장치(X)로서 나타내고 있다].
또한, 본 발명의 연료 전지 장치에 있어서는, 연료 전지 셀의 발전에 의해 생성된 배기 가스(배기 열)와 물에서의 열 교환에 의해 생성된 응축수만으로 개질기(4)에서의 수증기 개질 반응에 필요한 물(순수)을 조달할 수 있을 경우에 있어서는, 외부로부터의 물을 공급하는 구성을 설치하지 않아도 좋다. 또한, 열 교환기(13)에서 생성되는 응축수의 순도가 높을 경우에는 응축수 처리 장치(19)를 배치하지 않는 구성으로 할 수도 있다.
또한, 도 1에 나타내는 연료 전지 장치는 연료 전지 셀에서 발전된 직류 전력을 교류 전력으로 스위칭하여 외부 부하에 공급하기 위한 파워 컨디셔너(12), 열 교환기(13)의 출구에 설치되어 열 교환기(13)의 출구를 흐르는 물(순환 수류)의 수온을 측정하기 위한 출구 수온 센서(15) 외에 제어 장치(14)가 설치되어 있고, 순환 펌프(16)와 더불어 발전 유닛이 구성되어 있다. 또한, 제어 장치(14)에 대해서는 뒤에 상술한다. 그리고 이들 발전 유닛을 구성하는 각 장치를 외장 케이스 내(도시하지 않음)에 수납함으로써 설치나 운반 등이 용이한 연료 전지 장치로 할 수 있다. 또한, 도시하지 않지만 원연료 공급 수단(2)과 개질기(4) 사이에 원연료를 가습하기 위한 원연료 가습기를 설치하는 것도 가능하다. 또한, 저탕 유닛은 열 교환 후의 탕수를 저탕하기 위한 저탕 탱크(18)를 구비해서 구성되어 있다.
또한, 셀 스택(1)과 열 교환기(13) 사이에는 연료 전지 셀의 가동에 따라 생성되는 배기 가스를 처리하기 위한 배기 가스 처리 장치가 설치되어 있다(도시하지 않음). 또한, 배기 가스 처리 장치는 수납 용기 내에 일반적으로 공지의 연소 촉매를 수납해서 구성할 수 있다.
또한, 도면 속의 화살표는 원연료, 산소 함유 가스, 물의 흐름 방향을 나타낸 것이며, 또한 파선은 제어 장치(14)에 전송되는 주된 신호 경로, 또는 제어 장치(14)로부터 전송(발신)되는 주된 신호 경로를 나타내고 있다. 또한, 동일한 구성에 대해서는 동일한 번호를 붙이는 것으로 하고, 이하 동일하다.
여기에서, 도 1에 나타낸 연료 전지 장치(발전 유닛)의 운전 방법에 대하여 설명한다. 연료 전지 셀의 발전에 이용되는 연료 가스를 생성하기 위해서 수증기 개질을 행함에 있어서, 개질기(4)에서 사용되는 주된 순수는 열 교환기(13)에 있어서 연료 전지 셀의 가동에 따라서 생성된 배기 가스와 순환 배관(17)을 흐르는 물의 열 교환에 의해 생성되는 응축수가 이용된다. 열 교환기(13)에서 생성된 응축수는 응축수 공급관(21)을 흘러서 응축수 처리 장치(19)에 공급된다. 응축수 처리 장치(19)에 구비하는 응축수 처리 수단(이온 교환 수지 등)에 의해 처리된 응축수(순수)는 탱크 연결관(20)을 통해서 물탱크(10)에 공급된다. 물탱크(10)에 저수된 물은 물펌프(11)에 의해 개질기(4)에 공급되고, 원연료 공급 수단(2)으로부터 공급되는 원연료에 의해 수증기 개질이 행해지며, 생성된 연료 가스가 연료 전지 셀에 공급된다. 연료 전지 셀에 있어서는 연료 가스와 산소 함유 가스 공급 수단(3)으로부터 공급되는 산소 함유 가스를 이용하여 발전이 행하여진다. 이상의 방법에 의해 응축수를 유효하게 이용하고, 수 자립운전을 행할 수 있다.
한편, 응축수의 생성량이 적을 경우나 응축수 처리 장치(19)에서 처리된 응축수의 순도가 낮을 경우에 있어서는 외부에서 공급되는 물(수돗물 등)을 이용할 수도 있다.
이 경우에 있어서는, 우선 급수 밸브(6)(예를 들면 전자 밸브나 에어 구동 밸브 등)가 개방되어 수돗물 등의 외부로부터 공급되는 물이 급수관(5)을 통해서 활성탄 필터(7)에 공급된다. 활성탄 필터(7)에서 처리된 물은 계속해서 역침투막(8)에 공급된다. 역침투막(8)에서 처리된 물은 계속해서 이온 교환 수지 장치(9)에 공급되고, 이온 교환 수지 장치(9)로 처리됨으로써 생성된 순수가 물탱크(10)에 저수된다. 물탱크(10)에 저수된 순수는 상술한 방법에 의해 연료 전지 셀의 발전에 이용된다.
또한, 연료 전지 장치(발전 유닛)에 있어서 연료 전지 장치의 가동에 따라 셀 스택(1)을 구성하는 연료 전지 셀에 개질기(4)를 통해서 연료 가스가 공급됨과 아울러 산소 함유 가스 공급 수단(3)으로부터 산소 함유 가스가 공급된다.
또한, 도 1에 있어서 셀 스택(1)이나 개질기(4)를 수납 용기 내에 수납함으로써 본 발명의 연료 전지 장치를 구성하는 연료 전지 모듈이 구성된다. 도 1에 있어서는 연료 전지 모듈을 구성하는 각 장치류를 이점 쇄선에 의해 둘러싸서 나타내고 있다. 또한, 연료 전지 모듈(M)의 내부에는 연료 전지 모듈(M) 내부의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(22)를 구비하고 있다.
그리고, 개질기(4)를 통해서 공급된 연료 가스와 산소 함유 가스 공급 수단(3)으로부터 공급된 산소 함유 가스에 의해 셀 스택(1)(연료 전지 셀)에서 발전이 행해지고, 연료 전지 셀에서 발전된 전류가 파워 컨디셔너(12)를 통해서 외부 부하에 공급된다. 또한, 이 전류의 흐름이나 제어에 대해서는 후술한다.
계속해서, 본 발명의 연료 전지 장치를 구성하는 연료 전지 모듈(이하, 모듈로 약기하는 경우가 있다)에 대하여 설명한다. 도 2는 본 발명의 연료 전지 장치를 구성하는 모듈(24)의 일례를 나타내는 외관 사시도이다.
도 2에 나타내는 모듈(24)에 있어서는 수납 용기(25)의 내부에 내부를 연료 가스가 유통하는 가스 유로(도시하지 않음)를 갖는 기둥 형상의 연료 전지 셀(27)을 세워서 설치시킨 상태로 배열하고, 인접하는 연료 전지 셀(27)간에 집전 부재(도시하지 않음)를 통해서 전기적으로 직렬로 접속해서 이루어진 셀 스택(1)을, 셀 스택(1)을 구성하는 각 연료 전지 셀(27)의 하단을 유리 밀봉재 등의 절연성 접합재(도시하지 않음)로 매니폴드(26)에 고정해서 이루어진 셀 스택 장치(32)를 수납해서 구성되어 있다. 또한, 셀 스택(1)의 양단에는 셀 스택(1)(연료 전지 셀)의 발전에 의해 생성된 전류를 집전해서 외부로 인출하기 위한 전류 인출부를 갖는 도전 부재가 배치되어 있다(도시하지 않음).
도 2에 있어서는 연료 전지 셀(27)로서 내부를 연료 가스(수소 함유 가스)가 길이 방향으로 유통하는 가스 유로를 갖는 중공 평판형이고, 가스 유로를 갖는 지지체의 표면에 연료측 전극층, 고체 전해질층 및 산소측 전극층을 이 순서대로 적층해서 이루어진 고체 산화물형 연료 전지 셀을 예시하고 있다.
또한, 도 2에 있어서는 연료 전지 셀(27)의 발전에서 사용하는 연료 가스를 얻기 위해서 원연료 공급관(31)을 통해서 공급되는 천연 가스 등의 원연료(원연료)를 개질해서 연료 가스를 생성하기 위한 개질기(4)를 셀 스택(1)[연료 전지 셀(27)]의 상방에 배치하고 있다. 여기에서, 개질기(4)는 효율이 좋은 개질 반응인 수증기 개질을 행할 수 있는 구조로 하는 것이 바람직하고, 물을 기화시키기 위한 기화부(28)와 원연료를 연료 가스로 개질하기 위한 개질 촉매(도시하지 않음)가 배치된 개질부(29)를 구비하고 있다. 또한, 기화부(28)에 순수를 공급하기 위한 급수관(34)이 접속되고, 급수관(34)과 원연료 공급관(31)이 별개로 설치되어 있지만, 원연료 공급관(31)과 급수관(34)을 이중관으로 할 수도 있다. 또한, 개질기(4)에는 개질기(4) 내부의 온도를 측정하기 위한 개질기 온도 센서(23)가 배치되어 있다. 또한, 개질기 온도 센서(23)는 목적에 따라서 기화부(28) 내나 개질부(29) 내의 온도를 측정하도록 적당하게 배치해도 좋고, 또한 복수 배치할 수도 있다.
그리고, 개질기(4)에서 생성된 연료 가스는 연료 가스 유통관(30)을 통해서 매니폴드(26)에 공급되고, 매니폴드(26)로부터 연료 전지 셀(27)의 내부에 설치된 가스 유로에 공급된다.
또한, 도 2에 있어서는 수납 용기(25)의 일부(전후면)를 분리하고 내부에 수납되는 셀 스택 장치(32)를 후방으로 인출한 상태를 나타내고 있다. 여기에서, 도 2에 나타낸 모듈(24)에 있어서는 셀 스택 장치(32)를 수납 용기(25) 내에 슬라이드해서 수납하는 것이 가능하다.
또한, 수납 용기(25)의 내부에는 매니폴드(26)에 병치된 셀 스택(1) 사이에 배치되어, 산소 함유 가스(산소 함유 가스)가 집전 부재의 내부를 통해서 연료 전지 셀(27)의 측방을 하단부에서 상단부를 향해서 흐르도록 산소 함유 가스 도입 부재(33)가 배치되어 있다. 또한, 수납 용기(25)에는 수납 용기(25) 내[모듈(24) 내]의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(22)가 배치되어 있다. 도 2에 나타내는 온도 센서(22)는 수납 용기(25)의 상방에서 수납 용기(25) 내로 삽입해서 배치되어 있는 예를 나타내고 있다. 여기에서, 온도 센서(22)는 수납 용기(25) 내의 온도를 측정할 수 있으면 좋지만, 온도 센서(22)의 측온부가 보다 온도가 높은 셀 스택(1)의 연료 전지 셀(27)의 배열 방향을 따른 중앙부에 위치하도록 배치하는 것이 바람직하다.
또한, 연료 전지 셀(27)의 가스 유로에서 배출되는 잉여의 연료 가스와 산소 함유 가스를 연료 전지 셀(27)의 상단부측에서 연소시킴으로써 연료 전지 셀(27)의 온도를 상승시킬 수 있고, 셀 스택(1)의 기동을 빠르게 할 수 있다. 아울러, 연료 전지 셀(27)[셀 스택(1)]의 상방에 배치된 개질기(4)를 따뜻하게 할 수 있어 개질기(4)에서 효율적으로 개질 반응을 행할 수 있다.
도 3은 도 1에 나타내는 연료 전지 장치의 일부를 발췌함과 아울러 셀 스택(1)[연료 전지 셀(27)]에서 발전된 전류의 외부 부하(35)로의 공급을 설명하기 위한 설명도이다.
셀 스택(1)에 있어서 발전된 직류 전력은 파워 컨디셔너(12)에 의해 교류 전력으로 변환되고, 계통 전원(34)으로부터 공급되는 전력과 조합시켜서 외부 부하(35)에 공급된다. 그 때문에, 파워 컨디셔너(12)는 셀 스택(1)에서 발전된 전력을 외부 부하(35)에 공급할 뿐만 아니라, 외부 부하(35)에 공급되는 연료 전지 장치측의 전력량을 제어하는 기능도 갖고 있다.
그 때문에, 파워 컨디셔너(12)는 셀 스택(1)으로부터 외부 부하(35)에 공급하는 전력량을 제어하기 때문에 셀 스택(1)의 발전에 따른 전류량과 셀 스택(1)의 전압치를 제어하는 기능을 갖는다.
그런데, 연료 전지 장치[셀 스택(1)]의 발전 개시시나 심야 등의 저부하가 장시간 계속될 경우에 있어서는 수납 용기(25)[모듈(24)] 내의 온도가 낮은 상태로 되어 있다.
이러한 상황 하에서, 외부 부하(35)보다 높은 부하가 요구되면 그 높은 부하에 의해 연료 전지 셀(27)로부터 많은 전류가 인출되기 때문에 연료 전지 셀(27)[셀 스택(1)]로부터의 전류량이 증가함과 아울러 연료 전지 셀(27)의 전압이 저하하게 된다.
그리고, 연료 전지 셀(27)의 온도가 낮은 상태에서 전류가 증가하면 연료 전지 셀(27)에 있어서의 전류의 흐름이 불균일해져 연료 전지 셀(27)의 일부에 전류가 집중함으로써 연료 전지 셀(27)이 열화될 우려가 있다. 아울러, 온도가 낮은 연료 전지 셀(27)에 있어서는 온도가 높은 연료 전지 셀(27)에 비해서 전기 저항이 높아져 전기 저항이 높은 부위가 국소적으로 열화될 우려도 있다. 특히, 외부 부하의 요구에 따라서 최대 출력을 필요로 할 경우에 있어서 연료 전지 셀(27)이 열화될 우려가 있다.
또한, 연료 전지 셀(27)에 있어서의 최대 출력이란 연료 전지 셀(27)[셀 스택(1)]의 DC 출력이 W=I×V이기 때문에 연료 전지 셀(27)의 전압이 개회로 전압(open circuit voltage : OCV로 약기한다)의 반분, 즉 1/2OCV의 경우가 된다(이하, 최대 출력을 얻는 전압치를 나타낼 경우에 1/2OCV라고 하는 경우가 있다). 즉, 예를 들면 연료 전지 셀(27)의 OCV가 1V인 경우에는 연료 전지 셀(27)이 최대 출력을 얻기 위한 전압(1/2OCV)으로서는 0.5V가 된다.
그래서, 본 발명의 연료 전지 장치에 있어서는 제어 장치(14)가 연료 전지 장치[연료 전지 셀(27)]의 발전 개시시에 있어서는 연료 전지 셀(27)의 전압치를 연료 전지 셀(27)의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치(1/2OCV)보다 높아지도록 파워 컨디셔너(12)를 제어한다. 그것에 의하여 연료 전지 셀(27)로부터 외부 부하(35)에 공급되는 전류량을 저감시킬 수 있어 연료 전지 셀(27)이 열화되는 것을 억제할 수 있다. 여기에서, 연료 전지 셀(27)의 전압치가 연료 전지 셀(27)의 발전에 있어서의 최대 출력을 생성하기 위한 전압치(1/2OCV)보다 높아진다는 것은 연료 전지 셀(27)의 전압치가 대소로 흔들렸을 경우라도 그 가장 작은 전압치가 연료 전지 셀(27)의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치(1/2OCV)보다 높아지도록 설정되는 것이 바람직하다. 이후의 설명에 있어서도 동일하다.
또한, 연료 전지 셀(27)의 전압치는 각 연료 전지 셀(27)의 전압치를 측정하는 것 외에, 셀 스택(1)의 전체 전압을 셀 스택(1)을 구성하는 연료 전지 셀(27)의 수로 나눔으로써 산출해도 좋다.
또한, 수납 용기(25)[모듈(24)] 내에 온도 센서(22)를 배치해서 이루어진 연료 전지 장치에 있어서는, 제어 장치(14)는 온도 센서(22)에 의해 측정되는 수납 용기(25) 내[모듈(24) 내]의 온도가 소정의 온도 미만인 경우에 연료 전지 셀(27)의 전압치를 연료 전지 셀(27)의 발전에 있어서의 최대 출력을 생성하기 위한 전압치(1/2OCV)보다 높아지도록 파워 컨디셔너(12)를 제어한다.
즉, 온도 센서(22)에 의해 측정되는 수납 용기(25) 내의 온도가 소정의 온도 미만인 경우에는 연료 전지 셀(27)의 전압치를 1/2OCV보다 높은 값으로 설정함으로써 연료 전지 셀(27)로부터 외부 부하(35)에 공급되는 전류량을 저감시킨다. 그것에 의하여 연료 전지 셀(27)에 흐르는 전류량을 저감시킬 수 있고, 연료 전지 셀(27)이 열화되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 수납 용기(25) 내에 있어서의 소정 온도란 수납 용기(25)의 크기나 셀 스택(1)(연료 전지 장치)의 출력 등에 의해 적당하게 설정할 수 있지만, 예를 들면 연료 전지 장치의 출력이 700W이고, 수납 용기(25)가 용적 약 27L인 경우에 있어서는 650℃∼700℃ 사이에서 적당하게 설정할 수 있다. 또한, 이 경우에 있어서의 연료 전지 셀(27)의 전압치를 연료 전지 셀(27)의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치(1/2OCV)보다 높아지도록 한다는 것은 OCV가 1V인 경우에 있어서는 0.6V∼0.8V 사이에서 적당하게 설정할 수 있다.
그런데, 연료 전지 장치를 효율적으로 운전시키는데 있어서는 파워 컨디셔너(12)를 제어해서 연료 전지 셀(27)의 전압치를 연료 전지 셀(27)의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치(1/2OCV)보다 높아지도록 제어하는 시간은 짧은 쪽이 좋다.
그 때문에, 연료 전지 셀(27)의 전압치를 연료 전지 셀(27)의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치(1/2OCV)보다 높아지도록 제어하고 있는 동안에 있어서 신속하게 수납 용기(25) 내의 온도를 상승시킬 수 있는 것이 바람직하다.
여기에서, 제어 장치(14)는 연료 전지 셀(27)의 전압치를 연료 전지 셀(27)의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치(1/2OCV)보다 높아지도록 파워 컨디셔너(12)를 제어하고 있는 동안에 있어서의 연료 전지 셀(27)에 공급하는 연료 가스의 최저 유량치를, 그 제어를 하고 있지 않은 동안에 있어서의 연료 전지 셀(27)에 공급하는 연료 가스의 최저 유량치[즉, 수납 용기(25)[모듈(24)] 내의 온도가 상술한 소정의 온도 이상인 경우에 있어서의 최저 유량치]보다 높아지도록 원연료 공급 수단(2)을 제어하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 연료 전지 셀(27)의 전압치를 연료 전지 셀(27)의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치(1/2OCV)보다 높아지도록 파워 컨디셔너(12)를 제어하고 있는 동안에 있어서의 연료 전지 셀(27)에 공급하는 연료 가스의 최저 유량치를, 그 제어를 하고 있지 않은 동안에 있어서의 연료 전지 셀(27)에 공급하는 연료 가스의 최저 유량치에 대하여 1.2∼2배 정도가 되도록 원연료 공급 수단(2)을 제어하는 것이 바람직하다.
그것에 의하여 연료 전지 셀(27)의 발전에 이용되지 않은 잉여의 연료 가스량이 증가하게 되고, 그 잉여의 연료 가스를 연소시킴으로써 발생되는 연소열의 열량이 증가하기 때문에 수납 용기(25)[모듈(24)] 내의 온도를 신속하게 상승시킬 수 있다.
그것에 의하여 연료 전지 셀(27)의 전압치를 연료 전지 셀(27)의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치(1/2OCV)보다 높아지도록 파워 컨디셔너(12)를 제어하는 시간을 짧게 할 수 있어 효율적으로 연료 전지 장치를 운전할 수 있다.
또한, 도 2에 나타낸 모듈(24)에 있어서는, 연료 전지 셀(27)의 상단부측, 즉 개질기(4)의 하방에서 잉여의 연료 가스를 연소시키는 것이 바람직하다. 그것에 의하여 잉여의 연료 가스를 연소시켜서 발생되는 연소열에 의해 개질기(4)를 따뜻하게 할 수 있어 개질기(4)에서 효율적으로 개질 반응을 행할 수 있다.
또한, 제어 장치(14)는 연료 전지 셀(27)의 전압치를 연료 전지 셀(27)의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치(1/2OCV)보다 높아지도록 파워 컨디셔너(12)를 제어하고 있는 동안에 있어서의 연료 전지 셀(27)에 공급하는 연료 가스량을, 그 제어를 하고 있지 않은 동안에 있어서의 연료 전지 셀(27)에 공급하는 연료 가스량보다 많아지도록 원연료 공급 수단(2)을 제어할 수도 있다. 예를 들면, 연료 전지 셀(27)의 전압치를 연료 전지 셀(27)의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치(1/2OCV)보다 높아지도록 파워 컨디셔너(12)를 제어하고 있는 동안에 있어서의 연료 전지 셀(27)에 공급하는 연료 가스량을, 그 제어를 하고 있지 않은 동안에 있어서의 연료 전지 셀(27)에 공급하는 연료 가스량에 대하여 1.1∼1.4배 정도가 되도록 원연료 공급 수단(2)을 제어하는 것이 바람직하다.
이 경우에 있어서도 연료 전지 셀(27)의 발전에 이용되지 않은 잉여의 연료 가스량이 증가하게 되고, 그 잉여의 연료 가스를 연소시킴으로써 발생되는 연소열의 열량이 증가하기 때문에 수납 용기(25)[모듈(24)] 내의 온도를 신속하게 상승시킬 수 있다.
그것에 의하여 연료 전지 셀(27)의 전압치를 연료 전지 셀(27)의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치(1/2OCV)보다 높아지도록 제어하는 시간을 짧게 할 수 있어 효율적으로 연료 전지 장치를 운전할 수 있다.
또한, 제어 장치(14)가 연료 전지 셀(27)에서의 연료 이용률(Uf)을 낮추도록 제어함으로써 잉여의 연료 가스량을 증가시켜서 잉여의 연료 가스량을 증가시키도록 제어할 수도 있다.
또한, 연료 전지 셀(27)에 공급하는 연료 가스량과, 외부 부하에 공급하는 전류량과, 셀 스택(1)[연료 전지 셀(27)]의 전압치를 검지하고, 각각의 상관 관계를 조사함으로써 본 발명의 연료 전지 장치의 채용의 유무를 판별할 수 있다.
그런데, 연료 전지 셀(27)의 전압치를 연료 전지 셀(27)의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치(1/2OCV)보다 높아지도록 파워 컨디셔너(12)를 제어함으로써 연료 전지 셀(27)의 열화를 억제할 수 있지만, 이 동안에는 셀 스택(1)[연료 전지 셀(27)]에 있어서 최대 출력을 얻을 수 없기 때문에 연료 전지 장치의 운전 효율이 저하하게 된다.
그 때문에, 연료 전지 셀(27)의 전압치를 연료 전지 셀(27)의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치(1/2OCV)보다 높아지도록 파워 컨디셔너(12)를 제어한 후, 소정의 상태가 되었을 경우에는 연료 전지 셀(27)의 전압치를 연료 전지 셀(27)의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치(1/2OCV)가 되도록 제어하는 것이 바람직하다. 또한, 이 경우에 있어서 외부 부하의 요구에 따라서 연료 전지 셀(27)의 발전에 있어서 최대 출력을 발생시키는 것이 가능해지도록 하면 좋다. 그 때문에, 예를 들면 연료 전지 셀(27)의 발전에 있어서의 전압치(하한 전압치)를 연료 전지 셀(27)의 전압치가 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치(1/2OCV)에 도달할 수 있도록 파워 컨디셔너(12)를 제어하면 좋다.
여기에서, 상술한 소정의 상태로서는 예를 들면 연료 전지 셀(27)의 전압치를 연료 전지 셀(27)의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치(1/2OCV)보다 높아지도록 제어하고나서 소정 시간이 경과한 후로 할 수 있다. 구체적으로는, 연료 전지 셀(27)의 전압치를 연료 전지 셀(27)의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치(1/2OCV)보다 높아지도록 제어하고나서 0.5∼2시간이 경과한 후로 할 수 있다.
연료 전지 셀(27)의 전압치를 연료 전지 셀(27)의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치(1/2OCV)보다 높아지도록 제어하고나서 소정 시간이 경과했을 경우에는, 모듈(24)[수납 용기(25)] 내의 온도가 소정의 온도 이상으로 되어 있지 않은 경우라도 그동안 계속해서 발전을 행하고 있기 때문에 셀 스택(1)을 구성하는 각 연료 전지 셀(27)의 온도가 균일에 가까워지거나 균일해진다[바꿔 말하면, 연료 전지 셀(27)의 온도가 거의 균일해진다]. 그리고, 각 연료 전지 셀(27)의 온도가 거의 균일해짐으로써 특정한 연료 전지 셀(27)에 전류가 집중하는 것을 억제할 수 있어 연료 전지 셀이 열화되는 것을 억제할 수 있다. 아울러, 연료 전지 셀(27)의 특정 부위에 있어서 전기 저항이 높아지는 것을 억제할 수 있어 연료 전지 셀(27)의 특정 부위가 국소적으로 열화되는 것을 억제할 수 있다.
그 때문에, 제어 장치(14)가 연료 전지 셀(27)의 전압치를 연료 전지 셀(27)의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치(1/2OCV)보다 높아지도록 제어하고나서 소정 시간이 경과한 후에 연료 전지 셀(27)의 전압치가 연료 전지 셀(27)의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치(1/2OCV)가 되도록 파워 컨디셔너(12)를 제어함으로써 연료 전지 셀(27)의 출력을 최대까지 증가시킬 수 있고, 효율적으로 연료 전지 장치를 운전시킬 수 있다.
또한, 온도 센서(22)를 구비하는 연료 전지 장치에 있어서는, 상술한 소정의 상태로서는, 예를 들면 온도 센서(22)에 의해 측정되는 수납 용기(25)[모듈(24)] 내의 온도가 상술한 소정의 온도 이상이 되었을 경우가 예시된다. 이 경우에 있어서는 수납 용기(25)[모듈(24)] 내의 온도가 상술한 소정의 온도 이상이 됨으로써 연료 전지 셀(27)[셀 스택(1)]의 온도도 상승한다. 그것에 의하여 연료 전지 셀(27)에 있어서의 전류의 흐름이 불균일해지는 것을 억제할 수 있고, 일부의 연료 전지 셀(27)에 전류가 집중하는 것을 억제할 수 있어 연료 전지 셀(27)이 열화되는 것을 억제할 수 있다.
그리고, 이 상태로 되었을 경우에 제어 장치(14)가 연료 전지 셀(27)의 전압치가 연료 전지 셀(27)의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치(1/2OCV)가 되도록 파워 컨디셔너(12)를 제어함으로써 연료 전지 셀(27)의 출력을 최대까지 증가시킬 수 있어 효율적으로 연료 전지 장치를 운전시킬 수 있다.
그런데, 도 2에 나타낸 모듈(24)과 같이 셀 스택(1)[연료 전지 셀(27)]의 상방에 기화부(28)와 개질 촉매를 구비하는 개질부(29)로 구성되는 개질기(4)를 배치함과 아울러 연료 전지 셀(27)의 발전에 이용되지 않은 잉여의 연료 가스를 연료 전지 셀(27)의 상단부측(연료 가스의 배출측)에서 연소시켜서 발생되는 연소열로 개질기(4)를 가열하는 구성을 갖는 모듈에 있어서는 개질기(4)의 온도가 소정의 온도 이상이 되었을 경우에 개질 촉매가 열화될 우려가 있다.
그 때문에, 개질기(4) 내의 온도를 측정하기 위한 개질기 온도 센서(23)를 구비함과 아울러 개질기 온도 센서(23)에 의해 측정되는 개질기(4)의 온도가 소정 온도 이상이 되었을 경우에는 연료 전지 셀(27)의 상단부측에서의 잉여의 연료 가스의 연소량을 저감(연소 열량을 저감)함으로써 개질기(4)의 온도가 상승하는 것을 억제하거나, 또는 개질기(4)의 온도를 저하시킬 수 있어 개질 촉매가 열화되는 것을 억제할 수 있다.
여기에서, 수납 용기(25) 내에 연료 전지 셀(27)에 공급하는 연료 가스를 생성하기 위한 개질 촉매를 구비하는 개질기(4)와 개질기(4)의 온도를 측정하기 위한 개질기 온도 센서(23)를 구비하고, 연료 전지 셀(27)의 상단부측(연료 가스의 배출측)에서 연료 전지 셀(27)의 발전에 이용되지 않은 잉여의 연료 가스를 연소시킴으로써 발생되는 연소열로 개질기(4)를 가열하는 구성을 갖는 모듈(24)에 있어서는 제어 장치(14)가 개질기 온도 센서(23)에 의해 측정되는 개질기(4)의 온도가 소정 온도 이상이 되었을 경우에 연료 전지 셀(27)의 전압치를 연료 전지 셀(27)의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치가 되도록 파워 컨디셔너(12)를 제어함으로써 연료 전지 셀(27)에서의 발전량을 증가시킬 수 있다. 그리고, 연료 전지 셀(27)에서의 발전량을 증가시킴으로써 연료 전지 셀(27)에 공급되는 연료 가스 중 연료 전지 셀(27)의 발전에 사용되는 연료 가스의 양이 증가한다. 바꿔 말하면, 잉여의 연료 가스의 양이 저감한다. 그것에 의하여 연료 전지 셀(27)의 상단부측에서 연소시키는 잉여의 연료 가스의 양이 저감하기 때문에 개질기(4)의 온도가 상승하는 것을 억제하거나, 또는 개질기(4)의 온도를 저하시킬 수 있어 개질 촉매가 열화되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 아울러 연료 전지 셀(27)의 전압치를 연료 전지 셀(27)의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치가 되도록 파워 컨디셔너(12)를 제어함으로써 연료 전지 셀(27)의 출력을 최대까지 증가시킬 수 있어 효율적으로 연료 전지 장치를 운전시킬 수 있다.
또한, 개질 촉매로서는 개질부(11)에서 행하는 개질 반응에 맞춰서 적당하게 일반적으로 알려져 있는 개질 촉매를 이용할 수 있고, 예를 들면 γ-알루미나나 α-알루미나나 코디어라이트 등의 다공질 담체에 Ru, Pt 등의 귀금속이나 Ni, Fe 등의 비금속을 담지시킨 개질 촉매 등을 이용할 수 있다.
또한, 제어 장치(14)가 개질기 온도 센서(23)에 의해 측정되는 개질기(4)의 온도가 소정 온도 이상이 되었을 경우에, 연료 전지 셀(27)의 전압치를 연료 전지 셀(27)의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치가 되도록 파워 컨디셔너(12)를 제어하지만, 이 개질기(4)의 온도가 소정 온도라는 것은 상기 개질 촉매에 맞춰서 적당하게 설정할 수 있고, 예를 들면 800℃ 이상으로 할 수 있다.
이상, 본 발명에 대해서 상세하게 설명했지만, 본 발명은 상술한 실시형태의 예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 여러 가지의 변경, 개량 등이 가능하다.
예를 들면, 연료 전지 셀(27)은 내부를 산소 함유 가스가 길이 방향으로 유통하는 가스 유로를 갖는 중공 평판형으로 할 수 있는 것 외에, 평판형이나 원통형의 연료 전지 셀을 이용할 수도 있다.
1 : 연료 전지 셀 스택 2 : 원연료 공급 수단
4 : 개질기 12 : 파워 컨디셔너
14 : 제어 장치 22 : 온도 센서
23 : 개질기 온도 센서

Claims (8)

  1. 외장 케이스 내에 연료 전지 셀을 복수 개 배열해서 이루어진 연료 전지 셀 스택을 수납 용기 내에 수납해서 이루어진 연료 전지 모듈과, 상기 연료 전지 셀 스택에서 발전한 전류를 외부 부하에 공급하기 위한 파워 컨디셔너와, 상기 파워 컨디셔너를 제어하기 위한 제어 장치를 구비하는 연료 전지 장치로서 :
    상기 제어 장치는 상기 연료 전지 장치의 발전 개시시에 있어서 상기 연료 전지 셀의 전압치가 상기 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치보다 높아지도록 상기 파워 컨디셔너를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  2. 외장 케이스 내에 연료 전지 셀을 복수 개 배열해서 이루어진 연료 전지 셀 스택을 수납 용기 내에 수납해서 이루어짐과 아울러 상기 수납 용기 내의 온도를 측정하기 위한 온도 센서를 구비하는 연료 전지 모듈과, 상기 연료 전지 셀 스택에서 발전한 전류를 외부 부하에 공급하기 위한 파워 컨디셔너와, 상기 파워 컨디셔너를 제어하기 위한 제어 장치를 구비하는 연료 전지 장치로서 :
    상기 제어 장치는 상기 온도 센서에 의해 측정되는 상기 수납 용기 내의 온도가 소정의 온도 미만인 경우에 상기 연료 전지 셀의 전압치가 상기 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치보다 높아지도록 상기 파워 컨디셔너를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연료 전지 장치는 원연료를 개질해서 상기 연료 전지 셀에 공급하는 연료 가스를 생성하기 위한 개질 촉매를 구비하는 개질기와 상기 개질기에 원연료를 공급하기 위한 원연료 공급 수단을 구비하고, 상기 연료 전지 셀의 발전에 이용되지 않은 잉여의 연료 가스를 연소시키는 구성을 가짐과 아울러, 상기 제어 장치는 상기 연료 전지 셀의 전압치가 상기 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치보다 높아지도록 상기 파워 컨디셔너를 제어하고 있는 동안에 있어서의 상기 연료 전지 셀에 공급하는 연료 가스의 최저 유량치가 상기 연료 전지 셀의 전압치가 상기 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치보다 높아지도록 상기 파워 컨디셔너를 제어하고 있지 않은 동안에 있어서의 상기 연료 전지 셀에 공급하는 연료 가스의 최저 유량치보다 높아지도록 상기 원연료 공급 수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연료 전지 장치는 원연료를 개질해서 상기 연료 전지 셀에 공급하는 연료 가스를 생성하기 위한 개질 촉매를 구비하는 개질기와 상기 개질기에 원연료를 공급하기 위한 원연료 공급 수단을 구비하고, 상기 연료 전지 셀의 발전에 이용되지 않은 잉여의 연료 가스를 연소시키는 구성을 가짐과 아울러, 상기 제어 장치는 상기 연료 전지 셀의 전압치가 상기 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치보다 높아지도록 상기 파워 컨디셔너를 제어하고 있는 동안에 있어서의 상기 연료 전지 셀에 공급하는 연료 가스량이 상기 연료 전지 셀의 전압치가 상기 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치보다 높아지도록 상기 파워 컨디셔너를 제어하고 있지 않은 동안에 있어서의 상기 연료 전지 셀에 공급하는 연료 가스량보다 많아지도록 상기 원연료 공급 수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 장치는 상기 연료 전지 셀의 전압치를 상기 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치보다 높아지도록 제어하고나서 소정 시간 경과 후에 상기 연료 전지 셀의 전압치가 상기 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치가 되도록 상기 파워 컨디셔너를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 수납 용기 내의 온도를 측정하기 위한 온도 센서를 구비함과 아울러, 상기 제어 장치는 상기 온도 센서에 의해 측정되는 상기 수납 용기 내의 온도가 소정의 온도 이상이 되었을 경우에 상기 연료 전지 셀의 전압치가 상기 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치가 되도록 상기 파워 컨디셔너를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 장치는 상기 온도 센서에 의해 측정되는 상기 수납 용기 내의 온도가 소정의 온도 이상이 되었을 경우에 상기 연료 전지 셀의 전압치가 상기 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치가 되도록 상기 파워 컨디셔너를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연료 전지 모듈은 상기 수납 용기 내에 상기 연료 전지 셀에 공급하는 연료 가스를 생성하기 위한 개질 촉매를 구비하는 개질기와 상기 개질기의 온도를 측정하기 위한 개질기 온도 센서를 구비하고, 상기 연료 전지 셀의 발전에 이용되지 않은 잉여의 연료 가스를 연소시킴으로써 발생되는 연소열로 상기 개질기를 가열하는 구성을 가짐과 아울러, 상기 제어 장치는 상기 개질기 온도 센서에 의해 측정되는 상기 개질기의 온도가 소정 온도 이상이 되었을 경우에 상기 연료 전지 셀의 전압치가 상기 연료 전지 셀의 발전에 있어서의 최대 출력을 발생시키기 위한 전압치가 되도록 상기 파워 컨디셔너를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
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