KR100466381B1 - 연료 개질 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 증발기(102)에서 연료 개질기(107)로 공급되는 증기 온도가 현저하게 변하더라도 연료전지(200)에 사용할 수 있는 개질 가스 합성물의 취득이 가능한 이동 연료전지 시스템용 연료 개질 기술을 나타낸다. 이 시스템은 연료 개질기(107)로 공급되는 연료 증기 및 산소의 유량을 검출하는 수단(601, 602)과, 연료 개질기로 공급되는 연료 증기의 온도, 산소 온도, 연료 증기와 산소의 혼합기체의 온도 중에서 적어도 하나의 온도를 검출하는 수단(600)을 구비하며, 연료 증기의 유량과 산소의 유량과의 비가 온도 검출수단의 신호값을 기초로 보정되어, 그 보정된 비에 따라 산소가 공급된다.

Description

연료 개질 시스템{FUEL REFORMING SYSTEM}
연료전지 자동차로 대표되는 이동 연료전지 시스템에 있어서의 연료 개질 시스템의 종래 기술에 대해 도 1을 참조하여 설명한다. 연료탱크(100)에 함유된 연료로서 사용되는 물과 메탄올의 혼합용액(101)이 증발기(102)에 공급되어, 가열 및 증발되어 물(증기)과 메탄올의 혼합증기(103)를 형성하고 혼합기(104)에 전달된다. 혼합기(104)에는 압축기(105)로부터 공기(106)도 전달된다. 혼합기(104)에서 혼합증기(103)와 공기(106)가 혼합되어 오토써멀(autothermal) 개질 리액터(ATR 리액터)(107)에 보내진다.
ATR 리액터(107)는 물과 공기중의 산소를 이용하여 화학 반응식 Chem.1과 Chem.2에 나타낸 촉매 반응에 의해 연료로서 사용되는 메탄올을 개질하여, 수소가 풍부한 개질 가스를 생성한다.
CH3OH + H2O → CO2+ 3H2- Q1(Chem.1)
CH3OH + ½02→ CO2+ 2H2+ Q2(Chem.2)
화학 반응식 Chem.1은 메탄올의 증기반응(흡열반응)을 나타내고, 화학 반응식 Chem.2는 메탄올의 부분 산화반응(발열반응)을 나타낸다. 화학 반응식 Chem.1에서의 반응은 화학 반응식 Chem.3과 Chem.4에 나타낸 것처럼 주로 단계적으로 진행된다.
CH3OH → CO + 2H2- Q3(Chem.3)
CO + H2O → CO2+ H2+ Q4(Chem.4)
화학 반응식 Chem.3은 메탄올의 분해반응(흡열반응)을 나타내고, 화학 반응식 Chem.4는 일산화탄소의 전환반응(발열반응)을 나타낸다. ATR 리액터(107)는 상기 반응식에서 발열 및 흡열반응의 균형을 맞추기 위한 오토써멀 상태에서 작동한다. 따라서, 리액터의 크기나 구조 또는 촉매의 성능이 일단 결정되면, 연료 메탄올의 유량에 대한 증기의 유량과, 공기 유량의 유량 비는 거의 결정된다.
공급되는 총 메탄 유량에 대응하여 부분 산화반응(POX)에 소비되는 메탄 유량률은 POX량에 따라 정의된다. 식 2에서 공급되는 거의 모든 양의 산소가 부분 산화반응(POX)에 소비되기 때문에, 총 메탄올 유량에 필요한 공기 유량은 이 POX량에 따라 결정된다.
촉매 온도가 낮은 시작 시에는, 다음 화학 반응식 Chem.5와 Chem.6으로 주어진 부가반응이 동시에 일어난다.
CH3OH → HCHO + H2(Chem.5)
HCHO → CO + H2(Chem.6)
ATR 리액터(107)의 작동온도는 300∼600℃이고, 열역학 화학적 평형으로부터 일산화탄소를 몇 퍼센트 함유하고 있는 개질 가스가 얻어진다. 일산화탄소는 고체 중합체형 연료전지(FC)(200)의 백금 등으로 구성된 연료전극 촉매의 성능을 저하시켜, 그 활동도를 매우 떨어뜨리기 때문에, 전환 리액터(108) 및 선택적인 산화 리액터(PROX 리액터)(109)로 구성된 일산화탄소 제거기로 일산화탄소의 농도를 몇 십 ppm 내지 100 ppm으로 낮춘 다음, 연료전지(200)에 공급해야 한다.
몇 퍼센트의 일산화탄소를 포함하고 있는 개질 가스가 전환 리액터(108)에 공급되고, 화학 반응식 4의 전환반응으로 촉매에 의해 일산화탄소가 급속히 감소한다. 전환 리액터(108)의 작동온도는 200∼300℃이고, 열역학 화학적 평형으로부터 일산화탄소를 몇 퍼센트 포함하고 있는 개질 가스가 얻어진다. 전환 리액터(108)는 ATR 리액터(107)와 통합될 수도 있다. 전환반응에 의해 일산화탄소가 감소된 개질 가스는 PROX 리액터(109)에 공급되고, 일산화탄소는 다음 화학 반응식 7에서 촉매 산화반응(발열반응)에 의해 기껏해야 몇 십 ppm 내지 100 ppm으로 더 감소한다. 필요한 산소는 압축기(105)로부터 공기로서 공급된다.
CO + ½02→ CO2+ Q7(Chem.7)
PROX 리액터(109)에서는 수증기 분위기에서 산화반응이 행해지고, 다음의 수소 연소반응(발열반응)이 동시에 일어난다. 따라서, 화학 반응식 Chem.8에 대한 화학 반응식 Chem.7의 선택도는 연료 개질 시스템의 효율에 심각한 영향을 미친다.
H2+ ½02→ 2H2O + Q8(Chem.8)
PROX 리액터(109)는 화학 반응식 Chem.7과 Chem.8에 의한 열 발생을 없애고, 작동온도를 섭씨 백몇십도로 유지하기 때문에, 도면에 도시하진 않았지만, 공기, LLC(냉각제)나 오일에 의해 냉각된다.
따라서, 일산화탄소가 매우 낮은 농도로 줄어든 개질 가스 및 압축기(105)로부터의 공기는 연료전극 및 연료전지(FC)(200)의 공기전극으로 보내지고, 전력이 발생한다.
연료전지(200)에서 개질 가스에 포함된 수소를 모두 사용하는 것은 불가능하고, 일부 잔류 수소를 포함하며 전력 발생에 사용되는 개질 가스와, 일부 잔류 산소를 포함하며 전력 발생에 사용되는 공기는 촉매 연소기(110)에 공급되어 연소된다. 취득된 고온의 배기가스는 증발기(102)로 공급되어, 메탄올과 물의 증발 에너지로서 재생된다.
부호 500은 PROX 리액터(109)에 공급되는 공기의 유량을 제어하기 위한 유량 제어밸브이고, 501은 ATR 리액터(107)에 공급되는 공기의 유량을 제어하기 위한 유량 제어밸브이며, 502는 연료전지(200)의 공기전극에 공급되는 공기의 유량을 제어하기 위한 유량 제어밸브이다. 부호 510은 연료전지(200)의 연료전극의 작동압력을 조정하기 위한 압력 제어밸브이고, 511은 연료전지(200)의 공기전극의 작동압력을 조정하기 위한 압력 제어밸브이다. 부호 520과 521은 연료전지(200)의 연료전극 측 및 공기전극 측에서의 작동압력을 검출하기 위한 압력 센서이며, 이들의 압력이 동일해지도록 압력이 조정된다.
부호 400은 이동 에너지 관리용 컨트롤러로서, 연료 개질 시스템의 작동 부하신호(402)를 연료전지 컨트롤러(401)에 공급한다. 연료전지 컨트롤러(401)는 작동 부하신호(402)를 기초로 펌프(111)를 구동시켜 ATR 리액터(107)에 필요한 연료증기 및 공기의 유량을 획득하고, 증발기(102)에 공급되는 액체연료의 유량을 제어하며, 유량 제어밸브(501)를 제어한다. 부호 601과 602는 유량 센서이다.
증발기(102)로는, 발생하는 증기의 온도를 제어할 수 있는 대형 증발기가 사용되거나 매우 큰 열용량 또는 가열영역을 갖는 증발기가 일정 온도에서 작동한다면, 증발기(102)로부터 ATR 리액터(107)로 공급되는 증기 온도는 거의 일정하게 유지될 수 있다.
이러한 증발기는 고정 연료전지용 연료 개질 시스템에는 사용될 수 있지만, 이동 연료전지용 연료 개질 시스템에는 공간 제약이 있어 이러한 증발기가 설치될 수 없으며, 소형이며 단순한 구조의 증발기(102)가 사용되어야 한다.
본 발명은 연료전지 자동차로 대표되는 이동 연료전지 시스템의 연료 개질 시스템에 관한 것이다.
도 1은 종래 기술의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예의 블록도이다.
도 3은 제1 실시예의 제어 시퀀스도이다.
도 4는 제1 실시예에 사용되는 맵 A(증기 온도에 대한 POX량 보정계수)의 그래프이다.
도 5는 제1 실시예에 사용되는 맵 B(증기 유량에 대한 공기 유량)의 그래프이다.
도 6은 제1 실시예에서 ATR 리액터로 공급되는 증기 온도에 대한 ATR 리액터의 배기 개질 가스에서의 메탄올 농도의 의존도를 나타내는 그래프이며, a∼e는 도 4에서의 점에 해당한다.
도 7은 제1 실시예에서 ATR 리액터로 공급되는 증기 온도에 대한 ATR 리액터의 배기 개질 가스에서의 CO 농도의 의존도를 나타내는 그래프이며, a∼e는 도 6에서의 점에 해당한다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예의 블록도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예의 블록도이다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예의 제어 시퀀스도이다.
도 11은 제4 실시예에 사용되는 맵 C(POX량 보정계수에 대한 연료 유량 보정계수)의 그래프이다.
그러나, 이러한 증발기(102)를 사용할 때, 증발기(102)로부터 발생하는 증기 온도는 연료 개질 시스템의 작동 상황에 따라 비등점에 가까운 저온에서 연소기(110)로부터 증발기로 공급되는 배기가스 온도의 고온까지 현저하게 변하게 된다. 그 결과, ATR 리액터(107)에 공급되는 증기 온도가 설계사양보다 높아지게 되면, ATR 리액터(107)에서 전환 리액터(108)로 공급되는 개질 가스의 CO 농도는 사양보다 높아지게 되고, 전환 리액터(108)에서 PROX 리액터(109)로 공급되는 CO 농도가 높아지게 되어, PROX 리액터(109)에서 연료전지(200)로 공급되는 개질 가스의 CO 농도는 연료전지에 허용 가능한 값을 초과하게 된다.
그와 반대로, ATR 리액터(107)로부터 공급되는 증기 온도가 설계사양보다 낮아지게 되면, ATR 리액터(107)에서 전환 리액터(108)로 공급되는 개질 가스의 잔류 메탄올 농도가 사양보다 높아지게 되고, 전환 리액터(108)와 PROX 리액터(109)에서 CO를 제거할 때에는, 메탄올이 우선 처리되어야 하고, CO가 충분히 제거되지 않기 때문에, PROX 리액터(109)에서 연료전지(200)로 공급되는 개질 가스의 CO 농도는 연료전지에 허용 가능한 값을 초과하게 된다.
더욱이, 미반응 메탄올 성분의 증가는 연료전지(200)에 사용되는 전극 촉매나 수소이온 여과막의 종류에 따라 전력 발생 성능을 떨어뜨릴 수도 있다.
따라서, 종래의 이동 연료전지 시스템용 연료 개질 시스템에서는, 증발기에서 ATR 리액터로 공급되는 증기 온도가 현저하게 변하기 때문에, ATR 리액터에서 CO 제거기로 공급되는 개질 가스 합성물은 CO 제거기에 의해 처리될 수 있는 합성물 사양을 벗어나고, 연료 개질 시스템에서 연료전지 스택으로 공급되는 개질 가스의 합성물이 원래 사양의 합성물을 벗어나게 된다. 또는, 증기의 온도를 제어할 수 있는 증발기가 사용되는 경우에는 증발기의 크기가 커지므로 설치가 어렵고, 비용도 상승하게 된다.
본 발명은 종래의 문제에 비추어서 안출되었으며, 증발기에서 연료 개질기로 공급되는 증기 온도가 현저하게 변하더라도 연료전지에 사용할 수 있는 개질 가스 합성물의 취득이 가능한 이동 연료전지 시스템용 연료 개질 기술을 제안하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 연료 개질 시스템은 연료 개질기(107)로 공급되는 연료 증기 및산소의 유량을 검출하는 수단(601, 602)과, 연료 개질기로 공급되는 연료 증기, 산소 온도, 연료 증기와 산소의 혼합기체의 온도 중에서 적어도 하나의 온도를 검출하는 수단(600)을 구비하며, 산소 유량에 대한 연료 증기 유량의 비가 온도 검출수단의 신호값을 기초로 보정되어, 그 보정된 비에 따라 산소가 공급된다.
즉, 본 발명의 연료 개질 시스템의 연료 개질 방법은, 연료 개질 시스템이 가스 연료나 액체 연료의 증기 및 산소를 포함하는 가스를 이용하여 수소를 포함한 개질 가스를 생성하는 연료 개질기, 가스 연료나 액체 연료의 증기 및 수소를 포함한 기체의 혼합기, 가스 연료나 액체 연료의 증기를 상기 혼합기를 통해 상기 연료 개질기에 공급하는 제1 공급기, 및 산소를 포함한 기체를 상기 혼합기를 통해 상기 연료 개질기에 공급하는 제2 공급기를 구비하며, 액체 연료를 상기 제1 공급기에 공급하는 단계; 상기 연료 개질기에 공급된 가스 연료나 액체 연료의 증기 온도를 검출하는 단계; 검출된 온도에 따라 산소를 포함한 기체의 제2 유량에 대한 가스 연료 증기의 제1 유량 비의 제1 보정계수를 결정하는 단계; 증기의 제1 유량을 검출하는 단계; 검출된 제1 유량 및 결정된 제1 보정계수에 따라 상기 제2 공급기에 공급될 제2 유량을 결정하는 단계; 및 결정된 제2 유량에 따라 제2 공급기를 제어하여 산소를 포함하는 기체의 상기 연료 개질기로의 유량을 조정하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
도 2 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 제1 실시예의 연료 개질 시스템을 설명한다. 도 2에 도시한 제1 실시예의 연료 개질 시스템은, 오토써멀 개질 리액터(107)로 공급되는 혼합물의 온도를 감지하도록 온도 센서(600)가 삽입되어,온도 센서(600)의 출력이 연료 개질 컨트롤러(401)에 공급되는 것을 특징으로 한다. 도 2에서 도 1의 종래 기술과 공통인 구성요소들에는 동일한 부호를 붙인다.
도 3을 참조하여 이 연료 개질 시스템의 연료 개질 컨트롤러(401)에 의한 제어 시퀀스를 설명한다.
단계 1: 연료 개질 시스템(401)은 컨트롤러(400)로부터 전달된 연료 개질 시스템의 작동 부하신호(402)를 읽는다.
단계 2: 연료 개질 컨트롤러(401)는 작동 부하신호(402)를 기초로 하여 펌프(111)를 제어하고, 액체 연료의 필수 유량을 증발기(102)에 공급한다.
단계 3: 연료 개질 컨트롤러(401)는 온도 센서(600)로부터 증기 온도의 신호값을 읽는다.
단계 4: 연료 개질 컨트롤러(401)는 도 4에 도시한 맵 A를 이용하여 온도 센서(600)의 증기 온도의 신호값으로부터 POX량의 보정계수 kpox(%)를 결정한다.
단계 5: 유량 센서(601)로부터 연료의 증기 유량의 신호값을 읽는다.
단계 6: 단계 5에서 읽은 연료 증기 유량의 신호값과 단계 4에서 결정된 POX량의 보정계수 kpox(%)로부터, 도 5에 도시한 맵 B를 이용하여 공급할 공기 유량을 결정한다. 이 맵 B는 다음 변환식 1의 그래프 표현이다.
상기 식에서 rPOX,0은 오토써멀 상태에 가까운 30(%) 정도이다.
단계 7: 유량 제어밸브(501)의 밸브 개방도는 단계 6에서 결정된 공기 유량으로 설정되도록 조정된다.
이 제어 시퀀스에서는, 증발기(102)로부터 공급되는 증기 유량과 증기 온도에 따라 ATR 리액터(107)로 연료가 공급되는 한편, 공기 유량은 항상 맵 A에 의해 보정된 POX량이 되도록 제어된다.
이하, 제1 실시예의 연료 개질 시스템에서의 동작에 관해 설명한다. 도 6은 ATR 리액터(107)로 공급되는 증기 온도에 대하여 ATR 리액터(107)에서 전환 리액터(108)로 공급되는 개질 가스에서의 메탄올 농도의 의존도를 나타낸다. 마찬가지로, 도 7은 ATR 리액터(107)로 공급되는 증기 온도에 대하여 ATR 리액터(107)에서 전환 리액터(108)로 공급되는 개질 가스에서의 CO 농도의 의존도를 나타낸다. 이들은 ATR 리액터(107)에 사용된 촉매의 화학 반응량을 이용하여 종래 기술의 설명에서 언급한 일련의 화학 반응식의 시뮬레이션 결과이다.
도 6 및 도 7에서 선 320과 321은 ATR 리액터(107)에서 전환 리액터(108)로 공급되는 개질 가스에서 메탄올 및 CO 농도의 상한을 정하는 사양 농도를 나타낸다.
도 6에서 곡선 300은 오토써멀 상태, 즉, POX량이 일정한 경우의 온도 의존도를 나타내며, 점 a는 설계점이다. 증기 온도가 올라가면 메탄올 농도가 떨어지기 때문에 문제가 없지만, 증기 온도가 떨어지면 메탄올 농도가 올라가, 전환 리액터(108)로 공급되는 개질 가스의 메탄올 농도의 사양을 만족시키지 못할 가능성이 있다.
도 7에서 곡선 301은 오토써멀 상태, 즉, POX량이 일정할 경우의 온도 의존도를 나타내며, 점 a는 설계점이다. 증기 온도가 낮아지면 CO 농도가 떨어지기 때문에 문제가 없지만, 증기 온도가 올라가면 CO 농도가 올라가, 전환 리액터(108)로 공급되는 개질 가스의 CO 농도의 사양을 만족시키지 못할 가능성이 있다.
ATR 리액터(107)로부터 방출되는 메탄올 및 CO의 농도는 증기 온도에 대해 반대 관계, 즉, 절충 관계에 있다.
한편, 도 6과 도 7은 POX량 rpox(%)가 POX량 kpox = ±2α, ±α(%)의 보정계수를 이용하여 다음 수식 2에 나타낸 것처럼 보정되는 경우의 시뮬레이션 결과도 나타낸다.
여기서, POX량 rpox(%)가 증가하도록 보정되면, 메탄올 농도는 낮아지고 CO 농도는 올라가며, 이와 반대로 POX량 rpox(%)이 감소하도록 보정되면, 메탄올 농도는 높아지고 CO 농도는 낮아진다는 것을 알 수 있다.
도 6에서 선 320으로 지정된 사양 농도 아래의 농도 영역에 작동선(310)을 작성함으로써, 각 증기 온도에서 작동선(310) 위에 POX량이 점 c, b, d, e로 결정되고, 도 7에 각 점의 CO 농도를 작성하면 작동선(311)이 얻어진다.
얻어진 작동선(310, 311) 위의 점들이 증기 온도 및 POX량의 보정계수 kpox간의 관계로 작성되면, 도 4에 나타낸 맵 A가 얻어진다. 따라서, 맵 A에 의해 POX량이 증기 온도에 따라 보정되면, ATR 리액터(107)에서 전환 리액터(108)로 공급되는 개질 가스의 메탄올 및 CO의 농도는 증기 온도와 도 6 및 도 7의 작동선(310, 311)에 의해 결정된 농도가 된다. 이에 따라, 증기 온도가 변동하면 사양 농도(320, 321)보다 떨어지고, 증기 온도가 변하면 ATR 리액터(107)는 전환 리액터(108)에서 CO를 제거할 수 있는 개질 가스를 공급할 수 있기 때문에, PROX 리액터(109)는 CO 농도가 감소된 개질 가스를 공급하여 연료전지(200)에 사용할 수 있게 한다.
도 8을 참조하여 본 발명의 제2 실시예를 설명한다. 제2 실시예의 특징은 도 2에 도시한 제1 실시예에서의 온도 센서(600)의 위치가 증발기(102)와 혼합기(104)를 연결하는 파이프 위로 이동된 것이다. 그 밖의 구성요소들은 제1 실시예와 동일하다. 제2 실시예의 제어 시퀀스와 동작은 제1 실시예와 동일하다.
이 실시예는 ATR 리액터(107)로 유입되는 기체 온도의 변화가 주로 증발기(102)에 공급되는 증기 온도의 변화에 의해 일어나는 연료 개질 시스템에 관한 것으로, 이 시스템에서는 ATR 리액터(107)에 유입되는 기체의 온도 대신, 증발기(102)에서 공급되는 증기의 온도가 검출되어 비슷한 맵에 의해 제어된다.
도 9를 참조하여 본 발명의 제3 실시예의 연료 개질 시스템을 설명한다. 제3 실시예의 특징은 도 2의 제1 실시예에 사용된 온도 센서(600)가 혼합기(104)에 공기를 공급하기 위한 파이프 위로 이동된 것이다. 따라서, 그 밖의 구성요소들은 제1 실시예와 동일하다. 제어 시퀀스와 동작도 제1 실시예와 동일하다.
제3 실시예는 ATR 리액터(107)로 유입되는 기체 온도의 변화가 주로 ATR 리액터(107)에 공급되는 공기 온도의 변화에 의해 일어나는 연료 개질 시스템에 관한 것으로, 이 시스템에서는 ATR 리액터(107)에 유입되는 기체의 온도 대신, 공급되는 공기의 온도가 검출되어 비슷한 맵에 의해 제어된다.
본 발명의 제4 실시예의 연료 개질 시스템을 설명한다. 제4 실시예의 구성은 도 2에 도시한 제1 실시예와 동일하지만, 연료 개질 컨트롤러(401)의 제어 시퀀스가 도 3에 도시한 제1 실시예와 다르며, 도 10에 도시한 것과 같다.
도 10을 참조하여 제4 실시예의 연료 개질 시스템에서의 연료 개질 컨트롤러(401)의 제어 시퀀스를 설명한다.
단계 11: 연료 개질 시스템(401)은 컨트롤러(400)로부터 전달된 연료 개질 시스템의 작동 부하신호(402)를 읽는다.
단계 12: 작동 부하신호(402) 및 증발기(102)에 공급되는, 연료의 메모리에 기억된 연료 유량 보정계수 kFuel(%)로부터, 다음 수식 3에서 필수 연료 유량 Ffuel,liq을 결정한다.
단계 13: 액체 연료의 필수 유량 Ffuel,liq을 증발기(102)에 공급한다.
단계 14: 온도 센서(600)의 증기 온도의 신호값을 읽는다.
단계 15: 온도 센서(600)의 증기 온도의 신호값으로부터 도 4의 맵 A를 이용하여 POX량의 보정계수 kpox(%)를 결정한다.
단계 16: 유량 센서(601)의 연료의 증기 유량의 신호값을 읽는다.
단계 17: 연료의 증기 유량의 신호값과 단계 15에서 결정된 POX량의 보정계수 kpox(%)로부터, 도 5의 맵 B를 이용하여 공급할 공기 유량을 결정한다.
단계 18: 유량 제어밸브(501)의 개방도는 단계 16에서 결정된 공기 유량에 맞도록 조정된다.
단계 19: 도 11에 도시한 맵 C를 이용하여, 단계 15에서 결정된 POX량의 보정계수 kpox(%)로부터, 증발기(102)에 공급되는 연료의 연료 유량 보정계수 kFuel(%)을 결정하여 메모리에 설정한다. 여기서, POX량의 보정계수 kpox(%)가 3%이면, 연료 유량 보정계수 kFuel(%)의 값은 1% 정도가 된다. 메모리의 초기값은 0이다.
이하, 제4 실시예의 연료 개질 시스템의 동작을 설명한다. 상기 제1 실시예에서는, 설계 사양(오토써멀 상태)의 POX량이 예컨대 30%이고, 그 보정률이 ±10% 범위이면, 보정 후의 POX량은 27∼33%가 된다. 변화가 이 정도 범위이면, 개질 가스에서 수소의 유량은 ±1% 정도로만 변하고, 연료전지(200)는 연소기(110)에서의 연소에 사용되지 않은 20% 정도의 수소를 방출하므로, 취득된 개질 가스에서 수소 유량의 변화는 오차범위 이내이고, 특별한 측정이 필요하지 않다. 그러나, POX량이 현저하게 변하는 시스템에 제1 실시예가 적용되는 경우, ATR 리액터(107)에 유입된 기체의 온도가 변하면, ATR 리액터(107)로부터 취득된 개질 가스에서의 메탄올 농도 및 CO 농도가 사양을 만족시킬 수 있지만, POX량의 보정계수가 큰 양의 값이면, 취득된 수소량은 감소하고, 연료전지(200)에 필요한 전력 발생이 일어날 수 없다. 이와 반대로, POX량의 보정계수가 큰 음의 값인 시스템의 경우에는, 소모 없이 연료전지(200)에서 방출되는 수소량이 증가하여, 시스템 효율을 떨어뜨리거나 연소기(110) 또는 증발기(102)의 과열을 일으키게 된다.
대조적으로, 제4 실시예에서 POX량의 보정계수가 양이면, 연료 유량이 증가하여 취득된 수소량을 감소시키지 않도록 제어되고, 또는 POX량의 보정계수가 큰 음의 값이면, 연료 유량이 감소하여 수소량을 증가시키지 않도록 제어되므로, 수소량은 POX량이 변하든 변하지 않든 일정하다.
특정 도면을 참조하여 실시예를 설명하였지만, 본 발명은 이러한 설명 및 도시만으로 제한되지는 않는다. 이하, 그 밖의 예를 나타낸다.
상기 실시예에서는 POX량이 제어용 파라미터 값으로 사용되고, POX량으로부터 연료 유량에 필요한 공기 유량이 결정되며, 개질기에 유입된 기체 온도에 따라 POX량이 보정되지만, 이에 한하는 것이 아니라, POX량의 파라미터를 사용하지 않고 연료 유량에 필요한 공기 유량의 맵 또는 함수가 사용될 수도 있고, POX량이 개질기에 유입된 기체 온도에 의해 보정될 수도 있다.
연료 개질기에 유입된 기체의 온도를 측정하는 대신, 연료 개질기로 유입된 기체의 온도변화가 추정될 수 있다면 다른 값이 사용될 수도 있으며, 이 값은 혼합기에 유입된 증기와 공기의 온도 및 그 유량으로부터 연료 개질기에 유입된 기체의 온도를 추정할 수도 있다.
증기의 유량으로서 증기의 유량을 측정하는 유량계의 신호가 사용되지만, 증기 유량은, 예컨대, 증발기에 공급되어 생성되는 증기의 원액 연료의 유량 또는 펌프의 회전속도로부터 전환된 증기 유량이나, 증발기의 특성 맵으로부터 추정된 증기 유량, 손실 시간 또는 시정수 등, 다른 적절한 값으로 대체될 수도 있다. 공기 유량에 대해서도 마찬가지로, 유량계의 신호를 사용하는 대신, 예컨대 밸브 개방도 및 공기의 역압으로부터 추정된 값 등, 공기 유량을 나타내는 다른 적절한 값이 사용될 수도 있다.
여기서, 액체 연료로서 메탄올이 사용되지만, 가솔린이나 그 밖의 액체 연료가 사용될 수도 있고, 또는 경우에 따라 메탄 등의 가스 연료가 적용될 수도 있다.
액체 연료 메탄올과 물이 탱크에 저장되어 혼합액으로 사용되지만, 서로 다른 탱크에 저장될 수도 있고, 또는, 하나의 증발기 대신, 메탄올과 물을 따로따로 증발시키기 위해 두 개의 증발기가 사용될 수도 있다.
도 11의 맵 C와 같이, POX량 보정계수와 연료 유량 보정계수의 선형함수의 맵이 사용되지만, POX량 보정계수가 범위 내에 있는 한 연료 유량을 보정하는 것이 아니라, 특정 범위를 초과할 때에만 연료 유량을 보정하는 맵이 사용될 수도 있다.
연료 개질기로서, 오토써멀 리액터의 예가 이용되지만, 본 발명은 부분 산화 반응에 근거하는 부분 산화 리액터에서처럼 산소를 함유한 기체를 이용하는 연료 개질 반응에도 마찬가지로 적용될 수 있다.

Claims (4)

  1. 가스 연료나 액체 연료의 증기 및 산소를 포함한 기체를 이용하여 수소를 포함하는 개질 가스를 생성하는 연료 개질기, 가스 연료나 액체 연료의 증기와 수소를 포함한 기체와의 혼합기, 가스 연료나 액체 연료의 증기를 상기 혼합기를 통해 상기 연료 개질기에 공급하는 공급기, 산소를 포함하는 기체를 상기 혼합기를 통해 상기 연료 개질기에 공급하는 공급기, 및 상기 연료 개질기에 공급되는 가스 연료나 액체 연료의 증기의 제1 유량 및 상기 연료 개질기에 공급되는 산소를 포함하는 기체의 제2 유량의 컨트롤러를 구비한 연료 개질 시스템에 있어서,
    상기 증기의 제1 유량의 검출기;
    상기 기체의 제2 유량의 검출기;
    상기 연료 개질기로 공급되는 가스 연료나 액체 연료의 증기, 상기 연료 개질기로 공급되는 산소를 포함하는 기체, 가스 연료나 액체 연료의 증기와 산소를 포함하는 기체와의 혼합물 중 적어도 하나의 온도 검출기를 더 포함하며,
    상기 기체의 제2 유량에 대한 상기 증기의 제1 유량의 비가 상기 온도 검출기의 출력에 따라 보정되고, 그 보정된 비에 따라 산소를 포함하는 기체가 공급되는 것을 특징으로 하는 연료 개질 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    가스 연료의 유량, 액체 연료 증기의 유량, 또는 액체 연료의 유량이 산소를포함하는 기체의 유량에 대한 가스 연료나 액체 연료의 증기의 유량 비의 보정값에 따라 보정되어 공급되는 것을 특징으로 하는 연료 개질 시스템.
  3. 가스 연료나 액체 연료의 증기 및 산소를 포함한 기체를 이용하여 수소를 포함하는 개질 가스를 생성하는 연료 개질기, 가스 연료나 액체 연료의 증기와 수소를 포함한 기체와의 혼합기, 가스 연료나 액체 연료의 증기를 상기 혼합기를 통해 상기 연료 개질기에 공급하는 제1 공급기, 및 산소를 포함하는 기체를 상기 혼합기를 통해 상기 연료 개질기에 공급하는 제2 공급기를 구비한 연료 개질 시스템의 연료 개질 방법에 있어서,
    액체 연료를 상기 제1 공급기에 공급하는 단계;
    상기 연료 개질기에 공급된 가스 연료나 액체 연료의 증기 온도를 검출하는 단계;
    상기 검출된 온도에 따라 산소를 포함하는 기체의 제2 유량에 대한 가스 연료 증기의 제1 유량의 비의 제1 보정계수를 결정하는 단계;
    상기 증기의 제1 유량을 검출하는 단계;
    상기 검출된 제1 유량 및 결정된 제1 보정계수에 따라 상기 제2 공급기에 공급되는 제2 유량을 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 제2 유량에 따라 상기 제2 공급기를 제어하여 산소를 포함하는 기체의 상기 연료 개질기로의 유량을 조정하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료 개질 시스템의 연료 개질 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    액체 연료를 공급하기 전에, 기억된 연료 유량 보정계수에 따라 상기 제1 증기 공급기에 공급할 액체 연료의 필수 유량을 결정하고,
    기체의 유량을 조정한 후에, 결정된 제1 보정계수에 따라 연료 유량 보정계수를 결정하는 것을 특징으로 하는 연료 개질 시스템의 연료 개질 방법.
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