KR100511573B1 - 연료개질 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

연료개질 시스템 및 그 제어방법 Download PDF

Info

Publication number
KR100511573B1
KR100511573B1 KR10-2003-7006914A KR20037006914A KR100511573B1 KR 100511573 B1 KR100511573 B1 KR 100511573B1 KR 20037006914 A KR20037006914 A KR 20037006914A KR 100511573 B1 KR100511573 B1 KR 100511573B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel
gas
combustor
air
starting combustor
Prior art date
Application number
KR10-2003-7006914A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20040015023A (ko
Inventor
가미조모토히사
Original Assignee
닛산 지도우샤 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 닛산 지도우샤 가부시키가이샤 filed Critical 닛산 지도우샤 가부시키가이샤
Publication of KR20040015023A publication Critical patent/KR20040015023A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100511573B1 publication Critical patent/KR100511573B1/ko

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04268—Heating of fuel cells during the start-up of the fuel cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/74—General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • B01D53/86—Catalytic processes
    • B01D53/8621—Removing nitrogen compounds
    • B01D53/8625—Nitrogen oxides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/74—General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • B01D53/86—Catalytic processes
    • B01D53/864—Removing carbon monoxide or hydrocarbons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0006—Controlling or regulating processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/48—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents followed by reaction of water vapour with carbon monoxide
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/0807—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by using absorbents or adsorbents
    • F01N3/0814—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by using absorbents or adsorbents combined with catalytic converters, e.g. NOx absorption/storage reduction catalysts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/0807—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by using absorbents or adsorbents
    • F01N3/0828—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by using absorbents or adsorbents characterised by the absorbed or adsorbed substances
    • F01N3/0842—Nitrogen oxides
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N9/00—Electrical control of exhaust gas treating apparatus
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00716—Means for reactor start-up
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00051—Controlling the temperature
    • B01J2219/00054—Controlling or regulating the heat exchange system
    • B01J2219/00056—Controlling or regulating the heat exchange system involving measured parameters
    • B01J2219/00058—Temperature measurement
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00164—Controlling or regulating processes controlling the flow
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00191—Control algorithm
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00191—Control algorithm
    • B01J2219/00193—Sensing a parameter
    • B01J2219/00207—Sensing a parameter other than of the reactor heat exchange system
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00191—Control algorithm
    • B01J2219/00211—Control algorithm comparing a sensed parameter with a pre-set value
    • B01J2219/00213—Fixed parameter value
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00191—Control algorithm
    • B01J2219/00222—Control algorithm taking actions
    • B01J2219/00227—Control algorithm taking actions modifying the operating conditions
    • B01J2219/00229—Control algorithm taking actions modifying the operating conditions of the reaction system
    • B01J2219/00231—Control algorithm taking actions modifying the operating conditions of the reaction system at the reactor inlet
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0233—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being a steam reforming step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0283—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a CO-shift step, i.e. a water gas shift step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/042—Purification by adsorption on solids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0435—Catalytic purification
    • C01B2203/044—Selective oxidation of carbon monoxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465—Composition of the impurity
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465—Composition of the impurity
    • C01B2203/047—Composition of the impurity the impurity being carbon monoxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/066—Integration with other chemical processes with fuel cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0811—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0811—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel
    • C01B2203/0822—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel the fuel containing hydrogen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/14—Details of the flowsheet
    • C01B2203/146—At least two purification steps in series
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/16—Controlling the process
    • C01B2203/1604—Starting up the process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/16—Controlling the process
    • C01B2203/1614—Controlling the temperature
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/16—Controlling the process
    • C01B2203/1614—Controlling the temperature
    • C01B2203/1619—Measuring the temperature
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/16—Controlling the process
    • C01B2203/169—Controlling the feed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2240/00—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being
    • F01N2240/30—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being a fuel reformer
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

연료개질 시스템은 연료를 개질하여 개질가스를 생성하는 개질기(4); 개질가스에 포함된 일산화탄소(CO)와 물을 반응시켜 수소(H2)를 생성하는 시프트 컨버터(5); 시프트 컨버터로부터 배출된 CO를 제거하는 CO 산화기(6); 및 연소가스를 개질기(4), 시프트 컨버터(5) 및 CO 산화기(6)로 공급하여 이들을 웜업하는 기동 연소기(11)를 갖는다. NOx 트랩(16)은 연소가스내의 산화질소를 흡착하기 위해서 기동 연소기의 하류에 배치된다. 연료개질 시스템은 웜업 공정을 제어하는 컨트롤러를 더 갖는다. 개질기, 시프트 컨버터 및 CO 산화기의 웜업 공정이 완료된 경우에, 개질기(4)에서 개질 반응이 시작된다. NOx 트랩에 의해 트랩된 NOx는 CO 가스 및 H2 가스를 포함한 개질가스에 의해서 분해된다.

Description

연료개질 시스템 및 그 제어방법{FUEL REFORMING SYSTEM AND CONTROL THEREFOR}
본 발명은 연료개질 시스템에 관한 것으로서, 특히 산화질소(NOx)를 흡착하는 NOx 트랩을 갖춘 연료개질 시스템에 관한 것이다.
연료개질 시스템의 개질기를 웜업하기 위해서 기동 연소기가 종종 사용된다. 바람직하게는, 대량의 생성열을 위해서 대략 이론비(stoichiometric ratio)로 기동 연소기가 연료를 연소시킨다. 그러나, 연소 공정이 대략 이론비로 수행되는 경우 연소온도가 높기 때문에, 공기중의 산소와 질소의 반응결과로서 대량의 NOx가 생성된다. 따라서, 연료개질 시스템으로부터의 배기방출내에 NOx 성분이 존재할 가능성이 있다. 또한, 연료개질 시스템이 연료전지에 적용된 경우에, 연료전지로의 NOx 유입은 연료전지의 악화 또는 오염의 원인이 된다. NOx의 생성을 방지하는 일 방법은 연소기의 연소온도를 NOx가 생성되지 않는 온도로 제어하는 것이다.
1997년에 일본특허청이 공개한 특개평 제9-063619호는 기동 연소기의 초과공기율(excess-air factor)(공연비/이론비)을 1보다 큰 값, 예를 들면 3으로 설정한다. 따라서, 기동 연소기로 유입되는 초과공기량 때문에 연소온도가 억제된다.
도 1은 제1 실시예에 따른 연료개질 시스템의 개략도이다.
도 2는 제1 실시예에 따른 컨트롤러에 의해 실행되는 제어절차를 나타내는 흐름도이다.
도 3은 제2 실시예에 따른 연료개질 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 4는 제2 실시예에 따른 컨트롤러에 의해 실행되는 제어절차를 나타내는 흐름도이다.
도 5는 공연비에 대한 연소온도의 관계, 공연비에 대한 NOx 배출량의 관계 및 공연비에 대한 H2 및 CO의 전체배출량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 제3 실시예에 따른 컨트롤러에 의해 실행되는 제어절차를 나타내는 흐름도이다.
도 7은 제4 실시예에 따른 연료개질 시스템을 나타내는 개략도이다.
그러나, 이러한 방법은 화염특성을 유지하기가 어렵고 안정한 기동 연소가 되지 않는다. 선택적으로, 산화반응에서 사용되는 연료의 양을 억제함으로써 연소기 내의 온도를 억제하는 것이 가능하더라도, 이는 개질기를 기동하는데 필요한 열량이 생성되지 않는다는 결점이 있다.
본 발명의 목적은, 연료개질 시스템에서 NOx를 제거하는 한편 연료개질 시스템에서의 기동 공정을 향상시키는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 연료를 개질하여 수소(H2)가스 및 일산화탄소(CO)가스를 포함하는 개질가스를 생성하는 개질기; 개질가스에 포함된 일산화탄소와 물(H2O)을 반응시켜 수소를 생성하는 시프트 컨버터; 시프트 컨버터로부터 배출된 개질가스에서 CO 가스를 제거하고, 개질가스를 수소가스를 사용하는 장치로 공급하는 CO 산화기; 연료개질 시스템을 웜업하기 위해서 연소가스를 개질기, 시프트 컨버터 및 CO 산화기로 공급하는 기동 연소기; 및 기동 연소기로부터 개질기, 시프트 컨버터 및 CO 산화기를 통해 수소가스를 사용하는 장치까지 연장되어서, 연소가스/개질가스의 유동을 가능하게 하는 가스통로를 갖는 연료개질 시스템을 제공한다. 상기 연료개질 시스템은 연료를 기동 연소기로 공급하는 제1 연료공급장치; 연료를 개질기로 공급하는 제2 연료공급장치; 공기를 기동 연소기로 공급하는 공기공급장치; 기동 연소기에 공급된 연료를 점화시키는 스파크 플러그; 기동 연소기와 수소가스를 사용하는 장치 사이에 배치되어 연소가스 내의 산화질소를 흡착하는 NOx 트랩; 및 연료개질 시스템의 웜업공정을 제어하는 컨트롤러를 구비한다.
상기 컨트롤러는 공기공급장치에 명령하여 기동 연소기에 공기를 공급하도록 하는 기능; 제1 연료공급장치에 명령하여 기동 연소기에 연료를 공급하도록 하는 기능; 기동 연소기에서의 연소를 시작하기 위해, 스파크 플러그에 명령하여 기동 연소기내의 연료를 점화하도록 하는 기능; 및 연소를 시작하고 나서 제1 소정시간이 경과한 후에, 제1 연료공급장치에 명령하여 기동 연소기에 연료를 공급하는 것을 중지하도록 한 이후 제2 연료공급장치에 명령하여 개질기에 연료를 공급하도록 하는 기능을 갖는다.
본 발명의 다른 특징, 이점 및 세부사항을 명세서의 나머지 부분에서 설명하고, 첨부한 도면에서 나타내도록 한다.
도 1을 참조하여, 제1 실시예를 설명한다. 연료개질 시스템(70)에는 연료탱크(1), 개질기(4), 시프트 컨버터(5), CO 산화기(6) 및 기동 연소기(11)가 제공된다. 본 상세한 설명에서는, 몇몇 경우 개질기(4), 시프트 컨버터(5) 및 CO 산화기(6)가 단지 “리액터”로서 지칭된다.
연료탱크(1)는 탄화수소(예를 들어 가솔린) 또는 알코올(예를 들어 메탄올)과 같은 연료를 저장한다. 주로 일산화탄소(CO), 수소(H2)가스 및 이산화탄소(CO2)로 구성되는 개질가스를 생성하기 위해서, 개질기(4)는 연료와 공기 사이의 반응을 이용하여 연료를 개질한다. 시프트 컨버터(5)는 개질기(4)로부터 배출된 개질가스의 CO 가스와 물(H2O)을 반응시켜서 수소 및 이산화탄소를 생성한다. CO 산화기(6)는 시프트 컨버터(5)로부터 배출된 수소가 풍부한 개질가스로부터 CO를 산화시키고 선택적으로 제거하여, 처리된 개질가스를 연료전지 스택(41)으로 공급한다. 본 예의 연료전지 스택(41)은 전력을 발생하기 위해 개질가스의 공급을 필요로 한다. 그러나, CO 산화기(6)는 개질가스를 필요로 하는 다른 장치에도 또한 가스를 공급할 수 있다. CO 산화기(6)는 선택적인 산화 리액터이다. 기동 연소기(11)는 그 하류에 배치된 개질기(4), 시프트 컨버터(5) 및 CO 산화기(6)로 연소가스를 공급한다.
연료개질 시스템에는, 기동 연소기(11)로부터 개질기(4), 시프트 컨버터(5) 및 CO 산화기(6)를 통해 연료전지 스택(41)으로의 연소가스의 유동, 그리고 개질기(4)로부터 연료전지 스택(41)으로의 개질가스의 유동을 가능하게 하는 가스통로(31)가 제공된다.
연료개질 시스템(70)에는, 연료탱크(1)로부터 기동 연소기(11)로 연료를 공급하는 제1 연료공급장치(81), 연료탱크(1)로부터 개질기(4)로 연료를 공급하는 제2 연료공급장치(82), 연료개질 시스템의 외부로부터 기동 연소기(11)로 공기를 공급하는 제1 공기공급장치(83), 연료개질 시스템의 외부로부터 개질기(4)로 공기를 공급하는 제2 공기공급장치(84) 및 물탱크(미도시)로부터 개질기(4)로 물을 공급하는 물공급장치(85)가 제공된다.
제1 연료공급장치(81)에는, 연료탱크(1)로부터 연료를 펌프하는 펌프(12) 및 연료를 기동 연소기(11)로 주입하는 연료인젝터(13)가 제공된다. 제2 연료공급장치(82)에는, 연료탱크(1)로부터 연료를 펌프하는 펌프(2) 및 연료를 개질기(4)로 주입하는 연료인젝터(3)가 제공된다. 제1 공기공급장치(83)에는, 공기의 유동량을 제어하면서 공기를 공급하는 공기압축기(14)가 제공된다. 제2 공기공급장치(84)에는, 공기의 유동량을 제어하는 유동제어밸브(10) 및 공기를 공급하는 공기압축기(9)가 제공된다. 물공급장치(85)에는, 물탱크(미도시)로부터 물을 펌프하는 펌프(7) 및 물을 개질기(4)로 주입하는 물인젝터(8)가 제공된다.
컨트롤러(20)에는, 중앙처리장치(CPU), 롬(ROM), 램(RAM) 및 입출력 인터페이스(I/O interface)가 제공된다. 컨트롤러(20)는 개질기(4)로 공급되는 물, 공기 및 연료의 유동량을 조절하기 위해서 유동제어밸브(10), 연료인젝터(3) 및 물인젝터(8)를 제어한다. 컨트롤러(20)는 개질기(4)와 같은 다양한 리액터의 온도 및 연료전지 스택(41)의 부하조건에 기초하여 펌프(12), 연료인젝터(13), 공기압축기(14) 및 스파크 플러그(15)를 또한 제어한다.
가솔린을 개질하는 경우, 개질기, 시프트 컨버터 및 CO 산화기에 일반적으로 적절한 온도범위는 각각 650℃이상, 200 내지 450℃ 및 80 내지 250℃이다.
차량용 온도개질 시스템처럼 빈번하게 시스템의 기동과 중지를 수행하는 연료개질 시스템은, 적절한 온도범위로 가능한 신속하게 각 개질기의 온도를 증가시키는데 있어서 상당한 문제들에 직면한다. 리액터의 온도를 신속하게 증가시키는 일 방법은, 연료개질 시스템(70)에 제공된 기동 연소기(11)에서 대량의 연소열을 생성하는 단계 및 상기 열을 하류의 리액터로 공급하는 단계를 포함한다.
도 1에 나타낸 것처럼, 연료탱크(1)로부터의 연료는 펌프(12) 및 연료인젝터(13)를 통해서 기동 연소기(11)로 공급된다. 공기는 공기압축기(14)에 의해 공급된다. 스파크 플러그(15)를 이용하여 연료를 점화시킴으로써 연료가 기동 연소기(11)에서 연소된다. 기동 연소기(11)에서 생성된 연소가스는 웜업 공정을 위해서 하류의 개질기(4), 시프트 컨버터(5) 및 CO 산화기(6)로 공급된다.
생성된 열량이 과도한 경우에는, 기동 연소기(11)의 내부가 과열되어 산화질소(NOx)를 생성하게 된다. 따라서, 종래기술은 연소온도를 NOx가 생성되지 않는 온도로 억제한다.
연소온도에 대한 상기 제한을 제거하기 위해서, 본 발명은 NOx를 흡착(또는 흡수)하는 NOx 트랩(16)을 제공한다. NOx 트랩(16)은 연료전지 스택(41)의 상류, 바람직하게는 CO 산화기(6)의 상류에 제공되고, NOx를 흡착하는 NOx 트랩 물질을 구비한다. 제1 실시예에 있어서, NOx 트랩(16)은 개질기(4)와 시프트 컨버터(5) 사이에 제공된다. NOx 트랩(16)은 개질기(4)를 웜업하기 위한 연소가스에 포함된 NOx를 흡착한다. 웜업의 완료직후 생성되는 개질가스내의 환원특성을 나타내는 가스를 사용함으로써, 즉 일산화탄소(CO)가스 및 수소(H2)가스를 사용함으로써 흡착된 NOx가 환원되고 분해된다. 이러한 방식으로, NOx가 생성될 수 있는 온도범위에서 기동 연소기(11)가 연소공정을 수행할 수 있게 된다. NOx가 생성되는 온도범위의 하한인 경계온도는 사용하는 연료의 형태에 관계없이 보통 약 950℃이다.
연료개질 시스템(70)의 기동 연소기(11) 하류의 연소가스 또는 개질가스내의 NOx를 흡착하기 위해서 NOx 트랩이 제공되기 때문에, 약 950℃보다 높은 온도로 기동 연소기(11)에서 연소함으로써 생성되는 NOx는 제거될 수 있다. 또한, 약 950℃보다 낮은 온도에서, 불균일한 연소에 의한 연소온도의 국부적인 증가 때문에 생성된 NOx는, NOx 트랩(16)에 의해 기동 연소기(11)로부터 배출된 연소가스에서 제거될 수 있다. NOx 트랩(16)에 의해 흡착된 NOx는 웜업공정의 완료직후 생성되는 개질가스내의 일산화탄소 및 수소에 의해서 분해될 수 있기 때문에, 개질기(4)는 연료전지 스택(41)으로 NOx를 방출하지 않고 고온의 연소가스를 사용해서 신속하게 기동할 수 있다.
다음, NOx 트랩(16)을 이하에서 상세하게 설명한다.
NOx 트랩(16)에는 NOx를 트랩하는 NOx 트랩 물질이 제공된다. NOx 트랩 물질은 촉매로서 귀금속 또는 전이금속(또는 둘 다)을 구비한다. 또한, NOx 트랩 물질은 NOx 흡착제로서 알칼리금속 또는 알칼리토금속(또는 둘 다)을 구비한다. 귀금속은 백금(Pt), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd) 또는 루테늄(Ru)일 수 있다. 전이금속은 구리(Cu), 니켈(Ni) 또는 코발트(Co)일 수 있다. 알칼리금속은 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K) 또는 세슘(Cs)일 수 있다. 알칼리토금속은 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr) 또는 바륨(Ba)일 수 있다.
NOx 흡착 메커니즘은 다음과 같다: (a) NO, NO2 분자가 전이금속 또는 귀금속의 표면에 흡착된다; (b) 전이금속 또는 귀금속의 산화작용에 의해서 고도로 산화된(highly oxidized) NOx는 귀금속 또는 전이금속의 표면에 부착한다; (c) 전이금속 또는 귀금속의 산화작용에 의해서 2보다 큰 x로 고도로 산화된 NOx는 알칼리금속 또는 알칼리토금속과 이온-매개성(ion-mediated) 결합, 예를 들어 K(NO3) 또는 Ba(NO3)2 의 형태로 결합한다.
푸리에 트랜스폼 적외선 분광계(FTIR)를 사용하여 부착한 NOx를 분광분석(spectroscopic analysis) 하면, NOx 트랩 물질의 온도, NOx 트랩 물질의 표면 조건 및 주위 가스의 산소농도에 의존하여, 몇몇 종류의 부착된 NOx가 존재한다. 따라서, 이러한 NOx의 상태를 구체화하기에는 상당한 어려움이 있다.
약 100℃ 내지 550℃의 온도범위에서, NOx 트랩 물질이 NOx를 흡착할 수 있다. 약 100℃보다 낮은 온도에서는, NOx 트랩 물질의 표면상에 응축된 물이 존재하기 때문에 NOx 트랩 물질의 표면상에 NOx가 흡착하는 것이 방해받는다. 550℃보다 높은 온도에서는, 흡착된 NOx에서의 열에너지가 NOx 트랩 물질의 표면에 대한 NOx의 흡착에너지를 초과하게 되어, NOx가 표면으로부터 해리(dissociation)하게 된다. 또한, 이온-매개성 흡착의 종류는(예를 들어 NO3 - ) 열적으로 불안정해지고 NO 또는 NO2 로서 배출된다.
흡착된 NOx는 개질가스내에 포함된 환원가스, 즉 수소(H2)가스 또는 일산화탄소(CO)가스에 의해서 환원되고 분해된다. NOx가 다양한 방법으로 흡착되기 때문에, 수많은 반응경로가 존재한다. NOx에 대한 환원반응의 예가 다음에 나타난다.
NO2 + 2CO →1/2N2 + 2CO2
NO2 + 2H2 →1/2N2 + 2H2O
본 발명인들은 본 반응들이 150℃보다 높은 온도에서 촉진된다는 것을 실험적으로 확인하였다.
연료개질 시스템(70)에서의 환원반응을 이용하는 흡착된 NOx의 분해를 이하에서 상세하게 설명한다.
흡착된 NOx를 분해하는 H2 가스 및 CO 가스의 총량은 개질기(4)의 배출구로부터 CO 산화기(6)의 흡입구까지 대체로 고정값이다. 이는 개질기(4)에서 생성된 CO 가스가 이론적으로, 전이(shift) 반응을 통해서 동일한 몰수의 H2를 생성하면서, CO2 가스로 변환되기 때문이다. 보통의 연료가 사용되는 경우에, NOx 트랩 물질에 의해 흡착된 NOx를 환원시키는 개질가스내의 H2 가스 및 CO 가스의 총 농도는 25 - 40% vol. 이다.
내부 연소엔진에 배기가스를 정화하는 공지의 NOx 트랩 촉매가 제공되는 경우에, 흡착된 NOx를 분해하는 리치-스파이크(rich-spike) 공정 동안에 생성된 H2 가스 및 CO 가스의 총농도는 배기가스에서 10% vol. 이하이다. 이는 0.7 보다 낮은 초과공기율 λ(=공연비/이론비)에서 리치-스파이크 공정을 수행하는 것이 어렵다는 사실 때문이다. 내부 연소엔진이 배기가스를 정화하기 위해 NOx 트랩 촉매를 사용하는 경우에, 배기가스에서 낮은 농도의 H2 가스 및 CO 가스는 NOx의 불충분한 분해를 초래한다. 따라서, 보통의 조건하에서, NOx 트랩 촉매로 유입하는 NOx의 5-20%가 NOx 트랩 촉매의 하류로 배출된다.
반대로, 개질기에 의해 생성된 개질가스내의 가스환원제(CO 및 H2)의 농도는 내부 연소엔진으로부터 배출되는 배기가스내의 농도보다 2-4배 높다. NOx 트랩(16)이 연료개질 시스템(70)내에 제공되는 경우에, 대략 99%보다 높은 NOx의 분해효율을 얻는 것이 가능하다.
상술한 바와 같이, 연료개질 시스템(70)의 기동공정은 컨트롤러(20)에 의해 제어된다. 도 2에 나타난 흐름도는 연료개질 시스템(70)의 기동 동안에 실행되는 제어절차를 설명한다. 제어절차에 있어서, 각 단계는 컨트롤러(20)가 제공하는 하나 또는 그 이상의 명령어를 구비한다.
우선, 단계 S1에서 기동 연소기(11)에서의 연소가 시작된다. 이 때, 연료탱크(1)로부터 연료를 펌프하도록 펌프(12)에 명령하고, 공기를 기동 연소기(11)에 공급하도록 압축기(14)에 명령한다. 연료를 기동 연소기(11)로 주입하도록 연료인젝터(13)에 명령한다. 연료를 점화시키도록 스파크 플러그(15)에 명령한다. 그 결과, 연료가 기동 연소기(11)에서 연소된다. 이 때, 경과시간을 나타내는 변수 T의 초기값은 0으로 설정된다. 이 때에, 경계온도(그 이상의 온도에서 NOx가 생성되는 온도)보다 연소온도가 높도록, 컨트롤러(20)에 의해 연료 및 공기의 공급량이 조절된다. 경계온도는 연료의 종류에 관계없이 약 950℃의 값을 갖는다. 예를 들어, 연소온도는 경계온도보다 100℃ 높은 1050℃의 타겟(target) 연소온도로 제어된다. 공연비 제어의 관점에서 보면, 도 5의 그래프가 나타내는 1050℃의 타겟 연소온도를 실현할 수 있는 희박(lean) 공연비 A1을 실현하기 위해서, 공기 및 연료의 유동량이 제어된다. 도 5를 참조하면, 희박 공연비 A1에서, CO 및 H2는 연소가스내에 실질적으로 존재하지 않는다.
따라서, 고온의 연소가스가 개질기(4)에 유입되어 개질기(4)의 온도를 신속하게 증가시킨다. 연소가스의 온도가 상술한 바와 같이 경계온도보다 높은 온도(예를 들어 1050℃)로 제어되기 때문에, 공기중의 산소 및 질소 사이에 반응이 일어나서 NOx를 형성한다. 그러나, 이러한 NOx는 기동 연소기(11)의 하류에 제공되는 NOx 트랩(16)에 의해 제거되고, 따라서 NOx가 NOx 트랩(16)의 하류로 배출되는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 단계 S2에서, 시간을 나타내는 변수 T가 1만큼 증가한다. 변수 T는 단계 S1에서의 웜업 공정 시작 후 경과된 시간을 측정한다. 변수 T 값은 단위시간당 1씩 증가한다. 단위시간이 1초인 경우에, 카운터 T는 매초마다 증가한다.
단계 S3에서, 시간을 나타내는 변수 T가 제1 소정시간 TA0보다 큰지 여부를 결정한다. 변수 T가 제1 소정시간 TA0보다 작거나 같은 경우, 절차는 단계 S2로 복귀한다. 변수 T가 제1 소정시간 TA0보다 큰 경우, 절차는 단계 S4로 진행한다. 제1 소정시간 TA0는 연소가스를 사용해서 개질기(4), 시프트 컨버터(5) 및 CO 산화기(6)를 웜업하는데 필요한 시간을 나타내고, 기동 연소기(11)에 의해 생성된 열량, 리액터 및 기동 연소기(11)의 열용량, 및 CO 산화기(6) 흡입구의 타겟 온도와 같은 인자들에 의존한다. 타겟 온도보다 높은 온도에서, CO 산화기(6)는 성공적으로 CO를 제거할 수 있다. 예를 들면, 정격출력 65kW를 가진 연료전지 스택에 사용되는 연료개질 시스템의 제1 소정시간 TA0는 약 90초이고, CO 산화기(6)의 흡입구 타겟 온도는 120℃이다. 제1 소정시간 TA0는 실험에 의해 미리 결정되고 컨트롤러(20)의 메모리에 저장된다.
모든 리액터에 대한 웜업 공정이 완료(소정시간 TA0가 경과)된 경우에, 기동 연소기(11)로의 연료 및 공기의 공급이 중지되는 단계 S4로 절차가 진행한다. 이 때, 연료주입을 중지하도록 연료인젝터(13)에 명령하고, 공정을 중지하도록 공기압축기(14)에 명령한다. 이 후, 단계 S5에서는, 공기, 물 및 연료가 개질기(4)로 공급되고, 개질반응이 시작된다. 이 때, 공정을 시작하도록 펌프(2, 7) 및 공기압축기(9)에 명령하고, 유동제어밸브(10)에 개방을 명령하며, 개질기(21)로의 연료주입을 시작하도록 연료인젝터(3)에 명령하고, 개질기(21)로의 물주입을 시작하도록 물인젝터(8)에 명령한다.
개질기(4)에 의해 생성된 개질가스가 NOx 트랩(16)에 공급되기 때문에, NOx 트랩(16)의 NOx 트랩 물질에 의해 흡착된 NOx는 개질가스에 존재하는 CO 가스 및 H2 가스에 의해서 환원 및 분해된다.
단계 S6에서, 변수 T가 0으로 초기화되고, 제어절차가 종료한다.
도 3을 참조하여, 본 발명의 제2 실시예를 설명한다. 제1 실시예에서는, 기동 연소기(11)로부터 공급된 연소가스의 열만을 사용하여 리액터에 대한 웜업공정을 수행하였다. 그러나, 제2 실시예에서는, 연소가스의 열을 사용할 뿐만 아니라, 각 리액터 내부에서 연소가스의 CO 및 H2와 산소의 산화반응으로 열을 생성함으로써 각 리액터에 대한 웜업공정이 수행된다. 기동 연소기(11)로부터의 연소가스는 기동 연소기(11)에서의 공연비를 농후하게함(enrich)으로써 CO 및 H2 기체를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 실시예에서 동일한 구성요소는 동일한 참조번호로써 지정되기 때문에, 이러한 구성요소에 대해서는 추가적인 설명을 생략하도록 한다.
본 실시예에서, NOx를 흡착하는 NOx 트랩 물질을 구비하는 NOx 트랩이 개질기(4), 시프트 컨버터(5) 및 CO 산화기(6) 중 적어도 하나에 제공된다. 도 3에서는, NOx 트랩 물질을 구비한 NOx 트랩이 개질기(4), 시프트 컨버터(5) 및 CO 산화기(6) 전부에 제공된다. NOx 트랩 물질은 각 리액터의 촉매와 혼합되어 각 리액터에 배치된다. 따라서, 각 리액터가 NOx 트랩 기능을 가지기 때문에, 리액터가 NOx를 트랩하지 않는 경우보다 낮은 온도에서 리액터에서의 CO 및 H2 기체와 산소의 반응이 시작될 수 있다. 이것은 산소가 기상(gaseous phase)으로만 존재하는 경우보다 NOx(x>2)가 NOx 트랩 물질에 흡착된 경우에 산화반응의 기동온도가 더 낮다는 사실 때문이다. 보통의 산소기체와 대비하여, 흡착된 NOx(x>2)에 포함된 산소는, NOx 트랩 물질 표면의 전자와 NOx의 상호작용으로 인해 N-O 결합이 약하기 때문에 활성화된다. 따라서, 흡착된 NOx는 활성산소의 소스로서 기능한다. 또한, 산소에 대한 값 “x"가 큰 경우에 NOx는 일반적으로 불안정하고, 산소는 해리하려는 경향을 나타낸다. 따라서, 이런 형태의 NOx는 강한 산화제로 작용한다. 예를 들어, NOx 흡착제와 결합한 질산이온 NO3 - 는 강한 산화제로 작용한다.
한편, 연소가스의 열을 사용하여 웜업하는 것은 별문제로 하고, CO 및 H2 기체를 리액터로 유입하고, 각 리액터의 H2 및 CO를 산화하는데 필요한 양의 산소를 포함하는 공기를 유입함으로써 리액터를 웜업하는 방법이 있다.
따라서, 리액터에서 일어나는 산화반응의 열로 인해 리액터가 신속하게 가열된다. 우선, NOx를 산화제로 사용하여 연소가스에 포함된 CO 및 H2가 산소와 반응한다. 그 후, 연소가스에 포함된 CO 및 H2는 공기를 산화제로 이용하여 산소와 반응한다. 공기압축기(24)는 유동제어밸브(25)를 통해서 시프트 컨버터(22) 및 CO 산화기(23)로 공기를 공급한다. 활성산소의 소스로서 기능하는 흡착된 NOx의 존재로 인해, 저온에서의 산화반응의 시작은 신속한 웜업공정을 이끈다.
도 4의 흐름도를 참조하여, 제2 실시예에 따라 컨트롤러(20)에 의해 실행되는 제어절차를 설명한다.
우선, 단계 S11에서 기동 연소기(11)에서의 연소가 시작된다. 이 때, 연료탱크(1)로부터 연료를 공급하도록 펌프(12)에 명령하고, 공기를 기동 연소기(11)로 공급하도록 압축기(14)에 명령한다. 연료를 기동 연소기(11)로 주입하도록 연료인젝터(13)에 명령한다. 본 연료는 스파크 플러그(15)에 의해 점화된다. 이러한 방식으로, 연료가 연소된다. 이 때, 경과시간을 나타내는 변수 T의 초기값이 0으로 설정된다. 이 때, 공연비는 도 5에 나타난 공연비 A1으로 제어된다. 희박 공연비 A1에서, 연소온도는 950℃보다 높다.
따라서, 고온의 연소가스가 개질기(21)로 유입되고, 개질기(21)의 온도가 연소가스의 열에 의해 신속하게 증가한다. 기동 연소기(11)에서의 연소온도가 높기 때문에, 공기중의 산소와 질소 사이에서 반응이 일어나고 연소가스내에 NOx를 형성하게 된다. 그러나, 이러한 NOx는, NOx 흡착기능을 갖고 기동 연소기(11)의 하류에 제공되는 개질기(21), 시프트 컨버터(22) 및 CO 산화기에 의해서 환원된다. 따라서, NOx가 연료전지 스택(41)으로 배출되는 것을 방지하는 것이 가능하다.
이 후, 단계 S12에서, 시간을 나타내는 변수 T가 1만큼 증가한다. 단계 S13에서, 단계 S11에서의 기동공정이 시작한 후 경과한 시간 T를 제2 소정시간 TB0와 비교한다. 경과시간 T가 소정시간 TB0보다 작다고 결정된 경우에는, 절차가 단계 S12로 복귀한다. 경과시간 T가 제2 소정시간 TB0보다 큰 경우에는, 절차가 S14로 진행한다. 값 TB0는 실험에 의해 미리 결정되고 컨트롤러(20)의 메모리에 저장된다. 제2 소정시간 TB0는, NOx를 흡착한 개질기(21), 시프트 컨버터(22) 및 CO 산화기(23)가 H2 및 CO를 산화시킬 수 있는 온도에 도달할 때까지의 시간이다. 각 리액터에 NOx 트랩 물질이 제공되지 않는다면, H2 및 CO의 산화반응이 가능해지는 각각의 온도에 모든 리액터가 도달하는 시간 TB1은, 각 리액터에 NOx 트랩 물질이 제공되는 경우보다 더 길다. 시간 TB1은 컨트롤러(20)에 의해 메모리에 저장되고, 아래의 단계 S17에서 제3 소정시간 TB1으로서 사용된다. 시간 TB1은 기동 연소기(11)에 의해 생성된 열량, 리액터와 기동 연소기(11)의 열용량 및 CO 산화기(6)의 흡입구 타겟 온도와 같은 요소에 의존한다. 시간 TB1은 정격출력 65kW를 가진 연료전지 스택에 사용되는 연료개질 시스템에 대해서 약 70초이다.
단계 S14에서, 기동 연소기(11)의 연소상태는 희박 공연비 A1으로부터 도 5에 나타난 공연비 B1의 농후한(rich) 연소상태로 전환된다. 이 때, 컨트롤러(20)는 연료인젝터(13) 및 공기압축기(14)를 사용해서 기동 연소기(11)에 공급되는 연료 및 공기의 양을 제어한다. 이러한 방식으로, 기동 연소기(11)에 대한 H2 가스 및 CO 가스의 공급량이 증가한다. NOx 트랩 물질에 의해 흡착된 NOx는 활성산소의 소스로서 기능하고, NOx 트랩 물질상의 산소와 H2 및 CO의 반응을 일으킨다.
단계 S15에서, 개질기(21)로의 공기 공급을 시작하도록 공기압축기(9) 및 유동제어밸브(10)에 명령하고, 시프트 컨버터(22) 및 CO 산화기(23)로의 공기공급을 시작하도록 공기압축기(24) 및 유동제어밸브(25)에 명령한다. 이 때, 산화반응의 온도를 더 증가시키기 위해서 각 리액터의 상류부분으로부터 공기를 공급함으로써, 각 리액터에서 산화반응이 더 촉진된다.
NOx 트랩 물질이 부재하여 각 리액터에서 NOx가 흡수되지 않았다면, 본 단계에서 각 리액터의 온도는 산화반응이 발생하지 않는 온도일 것이다. 그러나, 본 실시예에서, 각 리액터의 NOx 트랩 물질상에 NOx가 흡착되기 때문에, 산화반응을 일으키는 최저온도는 약 20℃만큼 감소한다. H2와 O2 가스 사이에 산화반응을 일으키는 최저온도가 약 120℃이지만, H2와 흡착된 NOx의 산소 사이에 산화반응을 일으키는 최저온도는 약 100℃이다. 마찬가지로, CO와 O2 가스 사이에 산화반응을 일으키는 최저온도는 150℃이지만, CO와 흡착된 NOx의 산소 사이에 산화반응을 일으키는 최저온도는 130℃이다. 따라서, 단계 S15에서, 각 리액터에서의 산화반응이 시작한다. 이는 각 리액터의 웜업시간을 단축시킨다. 연료개질 시스템(70)이 개질공정을 수행하는 경우에, 공정조건과 관계없이 NOx의 분해가 촉진된다.
단계 S16에서, 경과시간을 나타내는 변수 T가 1만큼 증가한다. 단계 S17에서, 단계 S11에서 웜업공정을 시작하고 나서 경과된 시간 T가 제3 소정시간 TB1 보다 큰지 여부를 결정한다. 경과시간 T가 제3 소정시간 TB1보다 작거나 같은 경우에는, 절차가 단계 S16으로 복귀한다. 경과시간 T가 제3 소정시간 TB1보다 큰 경우에는, 절차가 단계 S18로 진행한다.
단계 S18에서, 각 리액터에 대한 웜업공정이 완료되기 때문에, 기동 연소기(11)로의 공기 및 연료의 공급이 중지된다. 이 때, 연료 주입을 중지하도록 연료인젝터(13)에 명령하고, 공기공급을 중지하도록 공기압축기(14)에 명령한다. 유동제어밸브(10) 및 유동제어밸브(25)가 닫히도록 명령함으로써 각 리액터(21, 22, 23)로의 공기 공급 또한 중지된다.
다음으로, 단계 S19에서, 개질공정을 위해서 연료, 공기 및 물의 필요량이 개질기(21)로 공급되고 개질공정이 시작된다. 이 때, 펌프(2, 7) 및 공기압축기(9)가 공정을 시작하도록 명령하고, 유동제어밸브(10)가 열리도록 명령하며, 연료인젝터(3)가 개질기(21)로 연료주입을 시작하도록 명령하고, 물인젝터(8)가 개질기(21)로 물주입을 시작하도록 명령한다.
개질공정 동안에, NOx 트랩 물질상의 잔여 NOx는 개질기(21)에 의해 생성된 H2 및 CO에 의해서 분해된다.
단계 S20에서, 변수 T는 0으로 초기화되고, 제어절차는 종료한다.
제2 실시예에서, NOx 흡착기능이 각 리액터(21, 22, 23)에 제공되었다. 그러나, 모든 리액터가 본 기능을 구비할 필요는 없고, 예를 들어, 개질기(21)에만 흡착기능이 제공될 수도 있다.
제2 실시예에서, 컨트롤러(20)는 연소를 시작한 후 경과한 시간에 응답하여 즉, 경과시간에 따라 증가하는 NOx 트랩 온도에 응답하여 기동 연소기(11)의 연소상태를 전환한다. 이러한 방식으로, NOx가 흡착에 의해 제거되지 않음으로써 개질 시스템으로부터 NOx가 방출되는 것을 방지하는 것이 가능하다. 각 리액터에 NOx 트랩의 온도를 측정하는 온도센서가 제공된다면, 컨트롤러(20)는, 도 4의 절차에 나타난 제어절차와 유사한 방식으로, 직접 측정된 NOx 트랩의 온도에 응답하여 기동 연소기(11)의 공정을 제어할 수도 있다.
도 6의 흐름도를 참조하여, 제3 실시예에 따라 컨트롤러(20)에 의해 실행되는 제어절차를 설명한다. 연료개질 시스템의 구조는 제1 실시예와 동일하다.
제3 실시예는 기동 연소기(11)가 시작한 직후의 기동 연소기(11)로부터의 NOx 방출을 감소시키려는 목적을 갖고 있다. 대략 100℃보다 낮은 온도에서, 습기가 NOx 트랩에 흡착된다. 이후에는, NOx 트랩이 바람직한 방식으로 NOx를 흡착하지 못할 가능성이 있다. 따라서, 기동 연소기(11)는, NOx 트랩이 약 100℃의 소정온도에 도달하기까지 적은 양의 NOx를 배출하는 저온 연소를 수행한다. NOx 트랩이 약 100℃의 소정온도를 초과한 후에는, 기동 연소기(11)가 제1 실시예와 동일한 제어절차를 수행한다.
단계 S21에서, 연료 및 공기가 기동 연소기(11)에 공급되고, 단계 S1 및 S11과 유사한 방식으로 스파크 플러그(15)에 의해 연료가 점화된다. 이 때, 시간을 나타내는 변수 T의 초기 값이 0으로 설정된다. 이 후, 단계 S22에서, 변수 T가 1만큼 증가한다. 이 때의 공연비는 도 5에 나타난 공연비 C1과 일치하도록 제어된다. 공연비 C1이 공연비 A1보다 더 희박하고, 그 결과 연소 자체가 불안정하고 제어하기 어렵게 된다는 것에 주목해야 한다. 그러나, 불안정한 연소는 제4 소정의 짧은 시간 TC0 동안만 수행된다. 제4 소정시간 TC0는, NOx 트랩 물질이 응축된 물을 제거하는 온도로, NOx 트랩(16)의 온도를 증가시키는데 필요한 시간, 즉 기동 공정을 시작한 후에 NOx 트랩(16)의 온도가 약 100℃에 도달할 때까지 경과한 시간을 나타낸다. 이러한 연소조건하에서 생성된 NOx의 양은, 낮은 연소온도로 인하여 공연비 A1에서의 연소에 비해서 적다.
단계 S23에서, 웜업 공정이 시작한 후의 경과 시간을 나타내는 변수 T가 제4 소정시간 TC0보다 큰지 여부를 결정한다. 경과시간을 나타내는 변수 T가 제4 소정시간 TC0보다 작은 경우에, 절차는 단계 S22로 복귀한다. 경과시간을 나타내는 변수 T가 제4 소정시간 TC0보다 큰 경우에, 절차는 단계 S1로 진행한다. S1 이후의 단계는 제1 실시예에 따른 제어절차를 나타내는 도 2의 흐름도에 있는 단계 S1-S6과 동일하다. 따라서, 추가적인 설명은 생략한다.
이러한 방식으로, NOx 트랩 물질에 대한 웜업공정이 완료될 때까지, 공연비 C1으로 희박 연소를 사용함으로써, 기동 연소기(11)로부터의 NOx 방출을 더욱 감소시키는 연료개질 시스템에서의 NOx 방출이 감소될 수 있다.
제3 실시예에서, 흡착에 의해서 연료개질 시스템(70)으로부터의 NOx 방출이 방지되도록, 컨트롤러(20)는 연소를 시작한 후 경과한 시간에 응답하여 즉, NOx 트랩 온도의 증가에 따라 기동 연소기(11)의 연소상태를 전환한다. 각 리액터에 NOx 트랩의 온도를 측정하는 온도센서가 제공된다면, 컨트롤러(20)는 도 6의 절차에 나타난 제어와 유사한 방식으로 직접 측정한 NOx 트랩의 온도에 응답하여 기동 연소기(11)의 공정을 제어할 수 있다.
도 7을 참조하여, 제4 실시예를 설명한다. 제4 실시예는 제2 NOx 트랩(30)을 제1 실시예에 추가한다. 제2 NOx 트랩(30)은 기동 연소기(11)와 개질기(4) 사이에 배치된다. 즉, NOx 트랩은 기동 연소기(11)의 직 하류(immediately downstream)와 개질기(4)의 직 하류에 각각 제공된다.
제1 NOx 트랩(16)은 개질기(4)와 시프트 컨버터(5) 사이에 제공된다. 연료개질 시스템(70)에 대한 웜업공정을 시작한 직후, 고온의 연소가스가 기동 연소기(11)의 직 하류에 제공된 제2 NOx 트랩(30)으로 직접 유입한다. 제2 NOx 트랩(30)은 신속하게 NOx를 흡착한다. 동시에, 제2 NOx 트랩(30)의 하류인 제1 NOx 트랩(16)의 NOx 트랩 물질은 NOx를 포함하지 않은 연소가스에 의해 가열된다. 제2 NOx 트랩(30)의 온도가 NOx가 흡착될 수 있는 최고온도인 500-550℃의 온도를 초과한다면, 흡착된 NOx는 제2 NOx 트랩(30)의 하류에서 배출될 것이다. 따라서, 제2 NOx 트랩(30)의 온도가 500-550℃의 온도를 초과하기 전에, 제1 NOx 트랩(16)의 NOx 트랩 물질이 약 100℃보다 높은 온도에 도달하도록, 연료개질 시스템(70)이 조절된다. 100℃보다 대략 높은 온도에서, 제1 NOx 트랩(16)의 NOx 트랩 물질에 의해 흡착된 습기가 제거되기 때문에, 제1 NOx 트랩(16)은 흡착에 의해 NOx를 제거할 수 있다. 이러한 방식으로, 연료개질 시스템(70)으로부터의 NOx 방출은 2개의 NOx 트랩을 사용하여 효과적으로 제거된다. 가스통로(31)가 개질기(4)로부터 제2 NOx 트랩(30)으로의 개질가스의 유동을 가능하게 하기 때문에, 웜업 공정이 완료된 후에 제1 NOx 트랩(16)의 경우와 마찬가지로, 제2 NOx 트랩(30)에 흡착된 NOx는 개질기(4)에 의해 생성된 개질가스에 의해 분해된다.
상기 실시예에서, 연료개질 시스템(70)은 H2가 풍부한 개질가스를 생성하고, 개질가스를 연료전지 스택(41)으로 공급한다. 그러나, 연료개질 시스템이, 연료전지에 제한되지 않고, H2가 풍부한 개질가스를 사용하는 일 장치로 개질가스를 공급하는 것도 가능하다.
본 발명은 상기 실시예에서 설명된 것과 다른 구조를 가진 개질 시스템에 적용될 수 있음은 명백하다. 예를 들어, 본 발명을 다른 조합의 리액터 형태를 가진 개질 시스템에 적용하는 것도 가능하다.
일본특허출원 P2001-350997(2001년 11월 16일 출원)의 모든 내용은 참조로서 여기에 통합된다.
본 발명의 몇몇 실시예를 참조하여 본 발명을 상술하였지만, 본 발명은 상술한 실시예로 제한되지 않는다. 당업자라면 상술한 바에 비추어, 상술한 실시예에 대해 변경을 가할 수 있을 것이다. 발명의 범위는 다음의 청구항을 참조하여 정의된다.
본 발명은 연소기와 같은 NOx 소스를 포함하는 연료개질 시스템에 적용될 수 있고, 연료개질 시스템으로부터 배출된 개질가스의 NOx를 환원한다. 본 발명에 따른 연료개질 시스템은, NOx가 없는 수소가스를 연료전지와 같은 장치로 공급할 수 있다.

Claims (16)

  1. 연료를 개질하여 수소(H2)가스 및 일산화탄소(CO)가스를 포함하는 개질가스를 생성하는 개질기(4, 21); 상기 개질가스에 포함된 일산화탄소와 물(H2O)을 반응시켜 수소를 생성하는 시프트 컨버터(5, 22); 상기 시프트 컨버터로부터 배출된 상기 개질가스에서 CO 가스를 제거하고, 상기 개질가스를 수소가스를 사용하는 장치(41)로 공급하는 CO 산화기(6, 23); 연료개질 시스템을 웜업하기 위해서 연소가스를 상기 개질기, 상기 시프트 컨버터(5, 22) 및 상기 CO 산화기(6, 23)로 공급하는 기동 연소기(11); 및 상기 기동 연소기로부터 상기 개질기, 상기 시프트 컨버터 및 상기 CO 산화기를 통해 상기 수소가스를 사용하는 장치까지 연장되어서, 연소가스/개질가스의 유동을 가능하게 하는 가스통로(31)를 갖는 연료개질 시스템으로서,
    상기 기동 연소기(11)로 연료를 공급하는 제1 연료공급장치(81);
    상기 개질기(4)로 연료를 공급하는 제2 연료공급장치(82);
    상기 기동 연소기(11)로 공기를 공급하는 공기공급장치(83);
    상기 기동 연소기(11)에 공급된 연료를 점화시키는 스파크 플러그(15);
    상기 기동 연소기와 상기 수소가스를 사용하는 장치(41) 사이에 배치되어, 상기 연소가스 내의 산화질소를 흡착하는 NOx 트랩(16, 30); 및
    상기 연료개질 시스템의 웜업공정을 제어하는 컨트롤러(20)를 구비하고,
    상기 컨트롤러는,
    상기 공기공급장치(83)에 명령하여 상기 기동 연소기(11)에 공기를 공급하도록 하는 기능;
    상기 제1 연료공급장치(81)에 명령하여 상기 기동 연소기(11)에 연료를 공급하도록 하는 기능;
    상기 기동 연소기에서의 연소를 시작하기 위해, 상기 스파크 플러그(15)에 명령하여 상기 기동 연소기(11)내의 연료를 점화하도록 하는 기능; 및
    연소를 시작하고 나서 제1 소정시간(TA0, TB1)이 경과한 후에, 상기 제1 연료공급장치에 명령하여 상기 기동 연소기에 연료를 공급하는 것을 중지하도록 한 이후, 상기 제2 연료공급장치(82)에 명령하여 상기 개질기에 연료를 공급하도록 하는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 연료개질 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 개질기(21), 상기 시프트 컨버터(22) 및 상기 CO 산화기(23) 중 적어도 하나는 상기 NOx 트랩을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료개질 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 NOx 트랩의 온도에 응답하여, 상기 공기공급장치(83)로부터 상기 기동 연소기(11)로 공급되는 공기의 유동량 및 상기 제1 연료공급장치(81)로부터 상기 기동 연소기(11)로 공급되는 연료의 유동량을 제어하는 기능을 더 갖는 것을 특징으로 하는 연료개질 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 컨트롤러(20)는, 상기 NOx 트랩이 소정온도에 도달할 때까지는 제1 희박 공연비(C1)로, 상기 NOx 트랩이 소정온도에 도달한 후에는 제2 희박 공연비(A1)로, 상기 공기공급장치(83)로부터 상기 기동 연소기(11)로 공급되는 공기의 유동량 및 상기 제1 연료공급장치(81)로부터 상기 기동 연소기(11)로 공급되는 연료의 유동량을 제어하는 기능을 갖고,
    상기 제1 공연비(C1)는 상기 제2 공연비(A1)보다 희박한 것을 특징으로 하는 연료개질 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 소정온도는 실질적으로 100℃와 동일한 것을 특징으로 하는 연료개질 시스템.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 기동 연소기에서의 연소가 시작된 후의 경과 시간에 응답하여, 상기 공기공급장치(83)로부터 상기 기동 연소기(11)로 공급되는 공기의 유동량 및 상기 제1 연료공급장치(81)로부터 상기 기동 연소기(11)로 공급되는 연료의 유동량을 제어하는 기능을 더 갖는 것을 특징으로 하는 연료개질 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 컨트롤러(20)는, 상기 기동 연소기에 의해 연소가 시작된 후 제2 소정시간(TB0)이 경과할 때까지는 희박 공연비(A1)가 생성되도록, 상기 기동 연소기에 의해 연소가 시작된 후 제2 소정시간이 경과한 후에는 농후 공연비(B1)가 생성되도록, 상기 공기공급장치(83)로부터 상기 기동 연소기(11)로 공급되는 공기의 유동량 및 상기 제1 연료공급장치(81)로부터 상기 기동 연소기(11)로 공급되는 연료의 유동량을 제어하는 기능을 갖고,
    상기 제2 소정시간은 상기 제1 소정시간보다 짧은 것을 특징으로 하는 연료개질 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 소정시간(TB0)은, 상기 기동 연소기(11)에 의해 연소가 시작된 때로부터, 상기 NOx 트랩에 의해 흡착된 산화질소가 수소(H2)가스 및 일산화탄소(CO)가스를 산화할 수 있는 온도에 상기 NOx 트랩의 온도가 도달할 때까지 경과한 시간인 것을 특징으로 하는 연료개질 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 NOx 트랩(16)은 상기 개질기(4)와 상기 시프트 컨버터(5) 사이의 상기 가스통로(31)에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료개질 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    또 다른 NOx 트랩(30)이 상기 개질기(4)와 상기 기동 연소기(11) 사이의 상기 가스통로(31)에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료개질 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 소정시간은 상기 시프트 컨버터, 상기 개질기 및 상기 CO 산화기를 웜업하는데 필요한 시간인 것을 특징으로 하는 연료개질 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 NOx 트랩(16)에 의해 흡착된 산화질소는 상기 개질가스에 포함된 수소(H2)가스 및 일산화탄소(CO)가스에 의해서 환원되는 것을 특징으로 하는 연료개질 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 NOx 트랩(16)에는, 귀금속과 전이금속 중 적어도 하나를 구비하고 알칼리금속과 알칼리토금속 중 적어도 하나를 더 구비하는 NOx 트랩 물질이 제공되는 것을 특징으로 하는 연료개질 시스템
  14. (정정) 연료를 개질하여 수소(H2)가스 및 일산화탄소(CO)가스를 포함하는 개질가스를 생성하는 개질기(4, 21); 상기 개질가스에 포함된 일산화탄소와 물(H2O)을 반응시켜 수소를 생성하는 시프트 컨버터(5, 22); 상기 시프트 컨버터로부터 배출된 상기 개질가스에서 CO 가스를 제거하고, 상기 개질가스를 수소가스를 사용하는 장치(41)로 공급하는 CO 산화기(6, 23); 연료개질 시스템을 웜업하기 위해서 연소가스를 상기 개질기, 상기 시프트 컨버터(5, 22) 및 상기 CO 산화기(6, 23)로 공급하는 기동 연소기(11); 상기 기동 연소기와 상기 수소가스를 사용하는 장치(41) 사이에 배치되어 상기 연소가스 내의 산화질소를 흡착하는 NOx 트랩(16, 30); 및 상기 기동 연소기로부터 상기 개질기, 상기 시프트 컨버터 및 상기 CO 산화기를 통해 상기 수소가스를 사용하는 장치까지 연장되어서, 연소가스/개질가스의 유동을 가능하게 하는 가스통로(31)를 갖는 연료개질 시스템을 제어하는 제어방법에 있어서,
    연료를 상기 기동 연소기(11)로 공급하는 단계;
    공기를 상기 기동 연소기(11)로 공급하는 단계;
    상기 기동 연소기(11)에 공급된 연료를 점화시키는 단계;
    상기 NOx 트랩의 온도에 응답하여, 상기 기동 연소기(11)에 공급되는 공기의 유동량 및 상기 기동 연소기(11)에 공급되는 연료의 유동량을 제어하는 단계;
    연소를 시작하고 나서 제1 소정시간이 경과한 후 상기 기동 연소기에 연료를 공급하는 것을 중지하는 단계; 및
    상기 개질기에 연료공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료개질 시스템 제어방법.
  15. (신설) 제14항에 있어서, 상기 공기의 유동량 및 상기 연료의 유동량은, 상기 NOx 트랩이 소정의 온도에 도달할 때까지는 제1 희박 공연비(C1)로, 상기 NOx 트랩이 소정의 온도에 도달한 후에는 제2 희박 공연비(A1)로, 제어되며, 상기 제1 공연비(C1)는 상기 제2 공연비(A1)보다 희박한 것을 특징으로 하는 연료개질 시스템 제어방법.
  16. (신설) 연료를 개질하여 수소(H2)가스 및 일산화탄소(CO)가스를 포함하는 개질가스를 생성하는 개질기(4, 21); 상기 개질가스에 포함된 일산화탄소와 물(H2O)을 반응시켜 수소를 생성하는 시프트 컨버터(5, 22); 상기 시프트 컨버터로부터 배출된 상기 개질가스에서 CO 가스를 제거하고, 수소가스를 사용하는 장치(41)에 상기 개질가스를 공급하는 CO 산화기(6, 23); 연료개질 시스템을 웜업하기 위해서 연소가스를 상기 개질기, 상기 시프트 컨버터(5, 22) 및 상기 CO 산화기(6, 23)로 공급하는 기동 연소기(11); 상기 기동 연소기와 상기 수소가스를 사용하는 장치(41) 사이에 배치되어 상기 연소가스 내의 산화질소를 흡착하는 NOx 트랩(16, 30); 및 상기 기동 연소기로부터 상기 개질기, 상기 시프트 컨버터 및 상기 CO 산화기를 통해 상기 수소가스를 사용하는 장치까지 연장되어서, 연소가스/개질가스의 유동을 가능하게 하는 가스통로(31)를 갖는 연료개질 시스템을 제어하는 제어방법에 있어서,
    연료를 상기 기동 연소기(11)에 공급하는 단계;
    공기를 상기 기동 연소기(11)에 공급하는 단계;
    상기 기동 연소기(11)에 공급된 연료를 점화시키는 단계;
    상기 기동 연소기(11)에 공급된 연료가 점화된 후에 제2 소정시간(TB0)이 경과할 때까지는 희박 공연비(A1)가 생성되도록 하고, 상기 기동 연소기(11)에 공급된 연료가 점화된 후에 상기 제2 소정시간이 경과한 후에는 농후 공연비(B1)가 생성되도록, 상기 기동 연소기(11)에 공급되는 공기의 유동량 및 상기 기동 연소기(11)에 공급되는 연료의 유동량을 제어하는 단계, 상기 제2 소정시간은 상기 제1 소정시간보다 짧으며;
    연소를 시작하고 나서 제1 소정시간이 경과한 후 상기 기동 연소기에 연료를 공급하는 것을 중지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료개질 시스템 제어방법.
KR10-2003-7006914A 2001-11-16 2002-10-25 연료개질 시스템 및 그 제어방법 KR100511573B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JPJP-P-2001-00350997 2001-11-16
JP2001350997A JP3826770B2 (ja) 2001-11-16 2001-11-16 燃料改質システム
PCT/JP2002/011079 WO2003042097A1 (en) 2001-11-16 2002-10-25 Fuel reforming system and control therefor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20040015023A KR20040015023A (ko) 2004-02-18
KR100511573B1 true KR100511573B1 (ko) 2005-09-05

Family

ID=19163386

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR10-2003-7006914A KR100511573B1 (ko) 2001-11-16 2002-10-25 연료개질 시스템 및 그 제어방법

Country Status (6)

Country Link
US (1) US7101531B2 (ko)
EP (1) EP1444164A1 (ko)
JP (1) JP3826770B2 (ko)
KR (1) KR100511573B1 (ko)
CN (1) CN1216795C (ko)
WO (1) WO2003042097A1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100997225B1 (ko) 2005-12-12 2010-11-29 도요타 지도샤（주） 연료전지시스템 및 이동체
WO2017164471A1 (ko) * 2016-03-24 2017-09-28 에스퓨얼셀(주) 연료 전지 시스템 및 그 구동 방법

Families Citing this family (48)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7082753B2 (en) * 2001-12-03 2006-08-01 Catalytica Energy Systems, Inc. System and methods for improved emission control of internal combustion engines using pulsed fuel flow
RU2004120435A (ru) * 2001-12-03 2005-05-27 Каталитика Энерджи Системз, Инк. (Us) Система и способы для управления содержанием вредных компонентов в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания и блок обработки топлива
EP1563169A1 (en) * 2002-11-15 2005-08-17 Catalytica Energy Systems, Inc. Devices and methods for reduction of nox emissions from lean burn engines
JP2007504635A (ja) * 2003-05-16 2007-03-01 バッテル・メモリアル・インスティチュート 迅速始動燃料改質システム及び技術
JP4655464B2 (ja) * 2003-09-24 2011-03-23 日産自動車株式会社 燃料改質装置
US7086853B2 (en) * 2003-12-12 2006-08-08 Nissan Motor Co., Ltd. Startup combustor for a fuel cell
US20050144961A1 (en) * 2003-12-24 2005-07-07 General Electric Company System and method for cogeneration of hydrogen and electricity
US8277524B2 (en) * 2004-03-16 2012-10-02 Delphi Technologies, Inc. Reformer start-up strategy for use in a solid oxide fuel cell control system
US7575614B2 (en) * 2004-05-17 2009-08-18 Nuvera Fuel Cells, Inc. Startup burner
WO2006009495A1 (en) * 2004-07-19 2006-01-26 Ab Volvo Method of starting a fuel reforming process and a fuel reforming system
DE112005001835B4 (de) * 2004-07-29 2013-03-14 Nxtgen Emission Controls Inc. Integriertes System zur Verringerung von Kraftstoffverbrauch und Emissionen eines Verbrennungsmotors
US7622095B2 (en) * 2004-08-12 2009-11-24 Ford Global Technologies, Llc Catalyst composition for use in a lean NOx trap and method of using
US7749474B2 (en) * 2004-08-12 2010-07-06 Ford Global Technologies, Llc Catalyst composition for use in a lean NOx trap and method of using
US7137249B2 (en) * 2004-08-12 2006-11-21 Ford Global Technologies, Llc Thermally stable lean nox trap
US7811961B2 (en) * 2004-08-12 2010-10-12 Ford Global Technologies, Llc Methods and formulations for enhancing NH3 adsorption capacity of selective catalytic reduction catalysts
US20060035782A1 (en) * 2004-08-12 2006-02-16 Ford Global Technologies, Llc PROCESSING METHODS AND FORMULATIONS TO ENHANCE STABILITY OF LEAN-NOx-TRAP CATALYSTS BASED ON ALKALI- AND ALKALINE-EARTH-METAL COMPOUNDS
US20060057444A1 (en) * 2004-09-13 2006-03-16 Ebara Ballard Corporation Fuel processing apparatus and method and fuel cell power generation system
US8463529B2 (en) 2004-09-17 2013-06-11 Eaton Corporation System and method of operating internal combustion engines at fuel rich low-temperature- combustion mode as an on-board reformer for solid oxide fuel cell-powered vehicles
US7818959B2 (en) * 2004-09-17 2010-10-26 Eaton Corporation Clean power system
US7685813B2 (en) * 2005-06-09 2010-03-30 Eaton Corporation LNT regeneration strategy over normal truck driving cycle
KR100748363B1 (ko) * 2005-10-21 2007-08-09 삼성에스디아이 주식회사 점화장치를 갖는 연료개질 시스템
US7610751B2 (en) * 2006-07-21 2009-11-03 Eaton Corporation Fuel injection before turbocharger
DE102006042537A1 (de) * 2006-09-11 2008-03-27 Enerday Gmbh Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems
DE102006043349A1 (de) * 2006-09-15 2008-03-27 Enerday Gmbh Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems
DE102006043350B3 (de) * 2006-09-15 2008-04-17 Enerday Gmbh Verfahren und System zur Regelung/Steuerung einer Gesamtluftverhältniszahl eines Reformers
WO2008101334A1 (en) * 2007-02-19 2008-08-28 Nxtgen Emission Controls Inc. Method of operating a syngas generator
US7810315B2 (en) * 2007-02-20 2010-10-12 Eaton Corporation LNT regeneration strategy to reduce NOx spike
US7802420B2 (en) * 2007-07-26 2010-09-28 Eaton Corporation Catalyst composition and structure for a diesel-fueled autothermal reformer placed in and exhaust stream
US8061120B2 (en) * 2007-07-30 2011-11-22 Herng Shinn Hwang Catalytic EGR oxidizer for IC engines and gas turbines
CN101926038B (zh) * 2008-01-23 2015-09-30 松下电器产业株式会社 燃料电池系统
KR20100030153A (ko) * 2008-09-09 2010-03-18 삼성전자주식회사 연료전지 시스템 및 그 연료공급방법
WO2010104421A1 (en) * 2009-03-10 2010-09-16 Powercell Sweden Ab Arrangement and method for generating hydrogen from hydrocarbon fuel
EP2413411A4 (en) * 2009-03-27 2013-03-27 Panasonic Corp FUEL CELL SYSTEM
CN103339776B (zh) * 2011-01-24 2015-08-26 日产自动车株式会社 燃料电池发电系统以及燃料电池发电系统的控制方法
WO2013020042A1 (en) 2011-08-04 2013-02-07 Cunningham Stephen L Plasma arc furnace and applications
US10865709B2 (en) 2012-05-23 2020-12-15 Herng Shinn Hwang Flex-fuel hydrogen reformer for IC engines and gas turbines
CN105706281B (zh) 2013-11-06 2019-07-26 瓦特燃料电池公司 化学反应器系统
JP6285563B2 (ja) 2013-11-06 2018-02-28 ワット・フューエル・セル・コーポレイションＷａｔｔ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｃｏｒｐ． 構造成分としてペロブスカイトを有する改質器
CN105706283B (zh) 2013-11-06 2018-11-06 瓦特燃料电池公司 集成的气态燃料催化部分氧化重整器和燃料电池系统、以及产生电力的方法
JP6549600B2 (ja) 2013-11-06 2019-07-24 ワット・フューエル・セル・コーポレイションＷａｔｔ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｃｏｒｐ． 液体燃料ｃｐｏｘ改質器と燃料セルの統合システム、及び電気を生成する方法
KR101796495B1 (ko) 2013-11-06 2017-11-10 와트 퓨얼 셀 코퍼레이션 기체 연료 촉매 부분산화 개질 장치 및 촉매 부분산화 개질 방법
CA2929680C (en) 2013-11-06 2019-03-26 Watt Fuel Cell Corp. Liquid fuel cpox reformers and methods of cpox reforming
EP3140601A4 (en) 2014-05-09 2017-11-08 Stephen Lee Cunningham Arc furnace smeltering system & method
JP6052257B2 (ja) * 2014-09-18 2016-12-27 株式会社デンソー 還元剤添加装置
KR102200359B1 (ko) * 2016-05-16 2021-01-08 한국조선해양 주식회사 증발가스 처리 시스템 및 이를 구비하는 선박
JP6443404B2 (ja) * 2016-07-04 2018-12-26 トヨタ自動車株式会社 熱、水素生成装置
US10626790B2 (en) 2016-11-16 2020-04-21 Herng Shinn Hwang Catalytic biogas combined heat and power generator
JP6551385B2 (ja) * 2016-12-26 2019-07-31 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の排気浄化装置

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4473622A (en) 1982-12-27 1984-09-25 Chludzinski Paul J Rapid starting methanol reactor system
JP3437684B2 (ja) 1995-08-25 2003-08-18 大阪瓦斯株式会社 燃料電池発電装置用の燃料改質器およびその運転方法
US5750082A (en) * 1995-09-21 1998-05-12 Ford Global Technologies, Inc. Nox trap with improved performance
FR2740444B1 (fr) * 1995-10-26 1997-12-26 Air Liquide Procede et installation de production d'hydrogene et d'energie
US5669960A (en) * 1995-11-02 1997-09-23 Praxair Technology, Inc. Hydrogen generation process
JP2807811B2 (ja) 1995-12-18 1998-10-08 川崎重工業株式会社 灰溶融方法及び装置
DE19755814C1 (de) * 1997-12-16 1999-11-18 Dbb Fuel Cell Engines Gmbh Verfahren zum Betrieb einer Anlage zur Wasserdampfreformierung eines Kohlenwasserstoffs
US6348278B1 (en) 1998-06-09 2002-02-19 Mobil Oil Corporation Method and system for supplying hydrogen for use in fuel cells
JP2000327305A (ja) 1999-05-12 2000-11-28 Sanyo Electric Co Ltd Ｃｏ除去器及び燃料電池発電システム
JP3646625B2 (ja) * 2000-06-01 2005-05-11 日産自動車株式会社 燃料改質装置
DE10054840A1 (de) 2000-11-04 2002-08-08 Xcellsis Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Starten eines Reaktors in einem Gaserzeugungssystem

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100997225B1 (ko) 2005-12-12 2010-11-29 도요타 지도샤（주） 연료전지시스템 및 이동체
WO2017164471A1 (ko) * 2016-03-24 2017-09-28 에스퓨얼셀(주) 연료 전지 시스템 및 그 구동 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20040015023A (ko) 2004-02-18
CN1216795C (zh) 2005-08-31
CN1487902A (zh) 2004-04-07
WO2003042097A1 (en) 2003-05-22
JP2003146614A (ja) 2003-05-21
US7101531B2 (en) 2006-09-05
EP1444164A1 (en) 2004-08-11
US20040043343A1 (en) 2004-03-04
JP3826770B2 (ja) 2006-09-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100511573B1 (ko) 연료개질 시스템 및 그 제어방법
JP3885479B2 (ja) 燃料電池の改質装置
US7438734B2 (en) Direct water vaporization for fuel processor startup and transients
JP4887048B2 (ja) 燃料電池の起動方法及び燃料電池システム
JP2006512523A (ja) Ｎｏｘ吸着装置を再生する方法および装置
JP2003300704A (ja) 燃料改質システムおよび燃料電池システム
KR100463216B1 (ko) 연료 전지 구동 시스템
EP1186570B1 (en) Hydrogen-rich gas supply device for fuel cell
US7700070B2 (en) Process and apparatus for catalytic conversion of hydrocarbons for generating a gas rich in hydrogen
JP2009540174A (ja) リフォーマと触媒式排気後処理装置とを備えて成るシステムのための運転方法
JP2021017389A (ja) 改質システム
JP2003238109A (ja) 燃料処理装置とその起動方法
JP2020147475A (ja) 改質システム
JP4713547B2 (ja) 燃料電池発電システムおよびその運転方法
JP5515641B2 (ja) 水素発生装置および燃料電池システムおよび水素発生装置の運転方法
JP2003197242A (ja) 燃料電池システム
JP2002308602A (ja) 燃料改質装置
JP2011098839A5 (ko)
JP2002246046A (ja) 燃料電池の改質装置
WO2008053006A1 (en) Process for the production of hydrogen and the use thereof and a process for the operation of a internal combustion engine

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20090807

Year of fee payment: 5

LAPS Lapse due to unpaid annual fee