KR100587518B1 - 연료전지 동력장치의 예열장치 - Google Patents

연료전지 동력장치의 예열장치 Download PDF

Info

Publication number
KR100587518B1
KR100587518B1 KR1020047015964A KR20047015964A KR100587518B1 KR 100587518 B1 KR100587518 B1 KR 100587518B1 KR 1020047015964 A KR1020047015964 A KR 1020047015964A KR 20047015964 A KR20047015964 A KR 20047015964A KR 100587518 B1 KR100587518 B1 KR 100587518B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
combustion gas
temperature
catalyst
reactor
heat
Prior art date
Application number
KR1020047015964A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20040097305A (ko
Inventor
마사토시 이이오
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 KR20040097305A publication Critical patent/KR20040097305A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100587518B1 publication Critical patent/KR100587518B1/ko

Links

Images

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
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04373—Temperature; Ambient temperature of auxiliary devices, e.g. reformers, compressors, burners
    • 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
    • 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
    • B01J19/0013—Controlling the temperature of the process
    • 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
    • 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
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04776—Pressure; Flow at auxiliary devices, e.g. reformer, compressor, burner
    • 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
    • H01M8/0625—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 in a modular combined reactor/fuel cell structure
    • 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
    • H01M8/0668—Removal of carbon monoxide or carbon dioxide
    • 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
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/00026—Controlling or regulating the heat exchange system
    • B01J2208/00035—Controlling or regulating the heat exchange system involving measured parameters
    • B01J2208/00044—Temperature measurement
    • B01J2208/00061—Temperature measurement of the reactants
    • 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
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/00504—Controlling the temperature by means of a burner
    • 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
    • B01J2208/00628—Controlling the composition of the reactive mixture
    • B01J2208/00646—Means for starting up the reaction
    • 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
    • B01J2219/00002—Chemical plants
    • B01J2219/00004—Scale aspects
    • B01J2219/00006—Large-scale industrial plants
    • 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
    • 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
    • C01B2203/0205—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
    • C01B2203/0244—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being an autothermal reforming step, e.g. secondary reforming processes
    • 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
    • C01B2203/025—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a partial oxidation step
    • C01B2203/0261—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a partial oxidation step containing a catalytic partial oxidation step [CPO]
    • 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
    • C01B2203/0435—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
    • 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
    • C01B2203/0838—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by heat exchange with exothermic reactions, other than by combustion of fuel
    • C01B2203/0844—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by heat exchange with exothermic reactions, other than by combustion of fuel the non-combustive exothermic reaction being another reforming reaction as defined in groups C01B2203/02 - C01B2203/0294
    • 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
    • C01B2203/142—At least two reforming, decomposition or partial oxidation 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
    • 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
    • C01B2203/1614—Controlling the temperature
    • C01B2203/1623—Adjusting 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
    • 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
    • C01B2203/80—Aspect of integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas not covered by groups C01B2203/02 - C01B2203/1695
    • C01B2203/82—Several process steps of C01B2203/02 - C01B2203/08 integrated into a single 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
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H01M8/04022—Heating by combustion
    • 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
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • 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

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)

Abstract

연료전지동력장치에서, 촉매 연료 반응에 의해 개질기(3)에 생성되는 개질 가스에 함유된 일산화탄소가 시프트 변환기(4)와 선택 산화 반응기(5) 각각의 촉매반응으로 제거된다. 연료전지동력장치의 시동 동안, 연소가스를 생성하기 위해 버너(6)는 연료를 연소하고 연소가스가 연소가스공급통로(71-73)를 통해 개질기(3), 시프트 변환기(4) 및 선택 산화 반응기(5)에 별개로 공급되어 이들 촉매 반응기(3-5)의 예열을 동시에 완료한다.

Description

연료전지 동력장치의 예열장치{FUEL CELL POWER PLANT WARM UP}
본 발명은 개질가스를 이용하는 연료전지 동력장치의 예열에 관한 것이다.
연료전지 적층(stack)에 요구되는 수소가 연료개질에 의해 얻어지는 연료전지 동력장치에 있어서, 촉매가 개질기 및 일산화탄소 제거장치와 같은 반응기에 이용된다. 따라서 이러한 촉매가 활성온도에 도달하도록 연료전지 동력장치의 시동시 각 반응기를 예열하는 것이 필요하다. 이와 관련하여 1993년에 일본 특허청에 의해 발간된 JP05-303970은 단일 버너를 이용하는 개질기 및 일산화탄소 제거장치를 예열하는 예열장치를 개시하고 있다.
이러한 예열장치에 있어서, 연료 연소는 버너에 의해 수행되고 개질기는 연소시 발생된 열을 이용하여 예열된다. 그 다음에 연소가스는 일산화탄소 제거장치로 유도되고, 그 결과 일산화탄소 제거장치가 연소가스의 열을 이용하여 예열된다.
그러나, 이러한 예열장치가 이용될 때, 버너는 먼저 연료연소에 의해 발생된 열을 이용하여 개질기를 예열하고, 따라서 개질기의 예열이 완료될 때까지 연소가스의 온도는 충분히 상승하지 않는다. 결과적으로, 개질기 예열의 완료와 연소가스 열을 이용하는 일산화탄소 제거장치 예열의 완료 사이에 상응하는 시간차가 발 생한다. 이러한 시간차는 연료전지 동력장치를 예열하는데 요구되는 시간을 연장시키는 원인이 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 촉매를 이용하는 각 반응기를 예열시키는데 요구되는 시간의 불일치를 제거함으로써 연료전지 동력장치 전체를 예열하는데 요구되는 시간을 감소시키는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 촉매를 이용하는 반응기의 예열에 소비되는 에너지량을 감소시키는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 각각 촉매를 내포하는 복수의 촉매 반응기와, 촉매 반응기를 직렬로 연결하는 가스 통로를 포함하는 연료전지 동력장치와 함께 사용하기 위한 촉매 반응기용 예열장치를 제공한다. 예열장치는 연료전지 동력장치의 시동시 촉매를 예열하기 위하여 연료를 연소시킴으로써 연소가스를 발생시키는 버너와, 촉매 반응기에 개별적으로 연소가스를 분배하는 연소가스 공급통로를 포함한다.
본 발명의 다른 특징 및 장점 뿐만 아니라 상세한 내용이 명세서의 나머지에 기술되고 첨부된 도면에 도시된다.
도1은 본 발명에 따른 개질 시스템 예열장치가 구비된 연료전지 동력장치의 개략도이다.
도2는 도1과 유사하지만, 연료전지 동력장치의 시동시간에 요구되는 출력값이 평가된 출력값 보다 작을 때 개질 시스템의 예열을 나타내는 도면이다.
도3은 촉매온도와 개질 시스템의 각 반응기의 변환율 사이의 관계를 나타내는 도면이다.
도4는 연소가스가 개질기에만 공급되었을 때 각 반응기의 예열시간과 온도와의 관계를 나타내는 도면이다.
도5는 연소가스가 개질 시스템의 각 반응기에 공급되었을 때 각 반응기의 예열시간과 온도와의 관계를 나타내는 도면이다.
도6은 도1과 유사하지만, 본 발명의 제2 실시예를 나타내는 도면이다.
도7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 제어기에 의해 실행되는 공기공급밸브 제어 루틴(routin)을 나타내는 흐름도이다.
도8은 도1과 유사하지만, 본 발명의 제3 실시예를 나타내는 도면이다.
도9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 제어기에 의해 실행되는 흐름제어밸브 제어 루틴을 나타내는 흐름도이다.
도1을 참고하면, 차량에 사용되는 연료전지 동력장치는 수소 풍부한 가스(hydrogen rich gas)를 생성하는 가솔린 또는 에탄올과 같은 탄화수소 연료를 개질하는 개질 시스템과, 수소 리치 가스와 산소를 이용하여 동력 발전을 수행하는 연료전지 적층(2)을 포함한다.
개질 시스템은 개질기(3), 시프트 변환기(shift converter, 4) 및 선택 산화 반응기(PROX 반응기, 5)로 구성되고, 이들은 개질가스 통로(27, 28)를 경유하여 연속적으로 연결된다.
펌프(11)에 의해 가압되는 연료탱크(10)로부터의 탄화수소 연료는 연료 통로(12)를 경유하여 개질기(3)에 공급된다. 공급된 연료는 인젝터(13)에 의해 개질기(3)의 내부로 분사된다. 개질기(3)에는 또한 공기 공급 밸브(21)를 포함하는 공기 통로(61)를 경유하여 압축기(1)로부터의 공기가 공급된다. 개질기(3)는 스팀 개질, 부분 산화 또는 오토서멀 개질(autothermal reforming)과 같은 알려진 촉매 중재 개질방법을 이용하여 공기와 탄화수소 연료의 혼합물을 개질하여 주요 성분으로서 수소를 갖는 개질가스를 생성한다.
시프트 변환기(4)는 촉매를 이용하여 개질 가스 내에 포함된 일산화탄소(Co)와 수증기를 반응시켜 일산화탄소(CO)를 이산화탄소(CO2)로 변환시키고, 이에 의하여 개질 가스내의 일산화탄소(CO) 농도를 낮춘다.
PROX 반응기(5)는 촉매를 사용하여 개질가스 내에 포함된 일산화탄소(CO)와 공기 중의 산소(O2)를 반응시켜 일산화탄소(CO)를 이산화탄소(CO2)로 변환시키고, 이에 의하여 개질 가스내의 일산화탄소(Co) 농도를 낮춘다. 이러한 목적을 위하여, PROX 반응기(5)에는 공기 공급 밸브(23)를 포함하는 공기 통로(62)를 경유하여 압축기(1)로부터의 공기가 공급된다.
연료 전지 적층(2)은 연료전지의 적층체(stacked body)로 구성된다. 각 연료전지는 양극(2A), 음극(2B) 및 양극과 음극 사이의 막 전해질(2C)을 포함한다. 연료전지는 촉매를 이용하는 산화반응에 의하여 개질 가스 통로(29)를 경유하여 PROX 반응기(5)로부터 양극(2A)에 공급된 수소를 양성자(H+)와 전자(e)로 분해한 다. 양성자(H+)는 막 전해질(2C)을 침투하여 음극(2B)에 도달한다.
전기모터와 같은 부하가 전기회로를 통해 양극(2A)과 음극(2B)에 연결된다. 전자는 부하를 구동시키고 전기회로 통해 음극(2B)에 도달한다. 음극(2B)에는 공기 공급 밸브(24)를 포함하는 공기 통로(63)를 경유하여 압축기(1)로부터 공기가 공급되어 막 전해질(2C)을 침투한 양성자(H+)와 부하를 통해 통과한 전자(e)가 촉매를 이용하여 공기 중의 산소와 반응하여 물을 생성한다. 도면에 도시된 연료 전지 적층(2)은 설명을 위한 목적으로 단일 연료전지로 묘사되었지만, 실제로 연료 전지 적층(2)은 앞에서 말한 바와 같이 연료전지의 적층체로 구성된다.
양극(2A)으로부터의 양극 방출물과 음극(2B)으로부터의 음극 방출물은 동력발전시 방출된다.
앞에서 설명한 바와 같이, 연료 전지 적층(2), 개질기(3), 시프트 변환기(4) 및 PROX 반응기(5) 모두는 촉매를 이용하는 반응을 수행하는 유닛이고, 이어지는 설명에서 이들 유닛은 총칭적으로 촉매 반응기로서 언급될 것이다.
상기의 과정에 따라 연료전지 동력장치에 의해 동력 발전이 수행될 때, 이들 촉매 반응기의 촉매는 촉매의 활성온도에 도달해야 한다. 이러한 목적을 위하여 연료전지 동력장치에서의 동력 발전의 시작에 앞서 각 촉매 반응기는 예열되어야 한다. 예열을 포함하여 동력 발전의 시작까지의 이러한 예비적 작동은 연료전지 동력장치 시동으로서 언급될 것이다.
연료전지 동력장치에는 시동 중 촉매 반응기(3-5)를 예열하는 버너(6)와 연소가스 공급통로(71 내지 73)로 구성되는 예열장치가 제공된다.
버너(6)에는 연료통로(12)로부터 분기된 연료통로(14)로부터 탄화수소 연료가 공급된다. 버너(6)에는 또한 공기 공급 밸브(20)를 포함하는 공기 통로(60)를 경유하여 압축기(1)로부터 공기가 공급된다. 버너(6)는 인젝터(15)를 이용하여 공기를 향해 연료를 분사하고 결과물로 생성된 공기-연료 혼합물을 연소하여 연소가스를 생성한다.
연소가스의 온도는 각 촉매 반응기 내의 촉매의 내열 온도를 초과하여서는 안 된다. 또, 촉매 반응기(3-5)의 예열에 이어 연소가스가 공기 중으로 방출되기 때문에 연소가스 내에 포함된 일산화탄소는 가능한 한 낮은 수준으로 억제되어야 한다. 이러한 요구를 만족하기 위하여, 버너(6)내의 공기 공급량과 연료 분사량은 공기 공급량과 연료 분사량의 비율이 공기-연료 화학량론비를 초과하지 않도록 제어된다. 다시 말하면, 버너(6)는 희박연소에 의하여 연소가스를 생성한다.
이러한 방법으로 생성된 연소가스는 버너(6)에 병렬적으로 연결된 연소가스통로(71-73)에 공급된다. 연소가스통로(71)는 체크밸브(check valve, 41)를 경유하여 연소가스를 개질기(3)에 공급한다. 개질기(3)에 공급된 연소가스는 개질기(3)에 의해 예열된 다음 개질 가스 통로(27)로 방출된다.
연소가스 통로(72)는 체크밸브(42)를 경유하여 개질가스 통로(27)에 수렴한다. 개질기(3)로부터의 연소가스와 연소가스 통로(72) 내의 고온의 연소가스를 혼합하는 가스 혼합기(31)가 개질가스 통로(27)상의 수렴점의 하류에 설치된다.
가스 혼합기(31)에서 혼합된 연소가스는 개질가스 통로(27)로부터 시프트 변환기(4) 내로 유입되고, 시프트 변환기(4)를 예열하고 개질가스 통로(28)내로 유출 된다. 연소가스 통로(73)는 개질가스 통로(28)에 수렴한다.
시프트 변환기(4)로부터의 연소가스와 연소가스 통로(73) 내의 고온의 연소가스를 혼합하는 가스 혼합기(32)가 개질가스 통로(28)상의 수렴점의 하류에 제공된다.
가스 혼합기(32)에 의해 혼합된 연소가스는 개질가스 통로(29)로부터 PROX 반응기(5) 내로 유입되고, PROX 반응기(5)를 예열하고 연료전지 적층(2)의 양극(2A)을 통하여 개질가스 통로(29)로부터 대기로 방출된다. 앞에서 말한 바와 같이 버너(6)는 희박연소를 수행하여 낮은 CO농도를 가진 연소가스를 생성하고, 따라서 개질 시스템의 예열 후 연소가스는 이러한 방식으로 대기중으로 직접적으로 방출될 수 있다.
촉매 반응기(3-5)의 예열동안 공기공급 통로(61 및 62)의 공기공급 밸브(21 및 23)는 양쪽 모두 닫혀 연소가스만이 촉매 반응기(3-5)에 공급됨을 주의하라.
연소가스 통로(71 및 72)의 체크밸브(41 및 42)는 다음과 같은 역할을 수행한다. 연료전지 동력장치가 정상적으로 작동중일 때, 개질기(3)로부터의 개질가스가 개질가스 통로(27), 시프트 변환기(4), 개질가스 통로(28), PROX 반응기(5) 및 개질가스 통로(29)를 경유하여 연료전지 적층(2)의 양극(2A)에 공급된다.
이러한 과정동안, 개질가스의 압력은 상류측상의 촉매 반응기를 향하여 점차적으로 증가한다. 여기서, 연소가스 통로(71), 연소가스 통로(72) 및 연소가스 통로(73)는 각각 개질기(3), 개질가스 통로(27) 및 개질가스 통로(28)에 항상 연결된다. 연료전지 동력장치가 정상적으로 작동중일 때, 버너(6)는 연소를 수행하지 않 고 연소가스 통로(71-73)는 저압이다.
이러한 상황하에서, 개질기(3)에 의해 생성된 개질가스는 연소가스통로(71)로부터 연소가스통로(73)를 경유하여 개질가스 통로(28) 내로 유입되고, 개질기(3)로부터 개질가스 통로(27) 내로 유입된 개질가스는 연소가스 통로(73)를 경유하여 연소가스 통로(72)로부터 개질가스 통로(28) 내로 유출된다.
이러한 개질가스의 모든 흐름은 시프트 변환기(4)를 우회하여 개질가스 통로(28)에 도달하기 때문에, 이러한 개질가스 흐름에서는 일산화탄소의 제거가 시프트 변환기(4)에 의해 수행되지 않는다. 체크밸브(41 및 42)는 연소가스 통로(71-73)에서 형성될 수 있는 바람직하지 못한 개질가스의 흐름을 방지하는 역할을 수행한다. 연료전지 동력장치의 시동과 동시에 촉매 반응기(3-5)는 예열되어야 하지만, 버너(6)에 의해 생성된 연소가스를 공급통로(71-73)를 통해 촉매 반응기(3-5)에 분배함으로써 촉매 반응기(3-5)를 예열하는데 필요한 시간량에 있어서의 불일치가 제거될 수 있다.
시동시간을 감소시키기 위해서, 촉매 반응기(3-5)의 예열이 동시에 완료되는 것이 바람직하다. 이것은 연소가스 통로(71-73)의 유량비를 적절하게 설정함으로써, 다시 말하면 연소가스 통로(71-73)의 단면비를 통한 흐름을 적절하게 설정함으로써 달성될 수 있다. 그렇게 하기 위한 설정방법은 아래에 기술될 것이다.
먼저, 각 촉매 반응기(3-5)가 연료전지 동력장치를 작동시키는데 요구되는 변환 속도를 달성하기 위하여 필요한 목표온도가 설정된다. 목표온도는 촉매 반응기(3-5)의 촉매가 미리 정해진 활성화 상태에 도달하는 온도이다. 목표온도는 촉 매 반응기(3-5) 사이에 다르지만, 촉매 반응기(3-5)가 개별적으로 각각의 목표온도에 도달하게 되면, 개질 시스템은 연료전지 적층(2)에서의 작동을 시작하는데 필요한 수소 리치 가스를 공급할 수 있게 된다.
여기서, 만약 개질기(3)의 촉매온도, 시프트 변환기(4)의 촉매온도 및 PROX 반응기(5)의 촉매온도를 각각 Trp, Tsp 및 Tcp로 한다면, 연료전지 동력장치가 정상적으로 작동중일 때 일반적으로 Trp > Tsp > Tcp 의 관계가 성립한다. 즉 연료전지 동력장치가 정상적으로 작동중일 때, 촉매온도는 개질가스 흐름의 상류측상의 유닛을 향해 점차적으로 증가한다. 촉매 반응기(3-5) 각각의 목표온도는 이와 같이 상류측상의 유닛을 향해 점차적으로 높게 설정된다.
도3을 참고하면, 연료전지 동력장치를 작동시키는데 요구되는 촉매 반응기(3)의 변환속도는 촉매온도 T1과 T2 사이에서 달성된다. 따라서 목표온도는 이 영역 내의 온도로 설정된다. 다른 촉매 반응기(4, 5)의 개별적인 목표온도를 설정하기 위해 유사한 맵(map)이 이용된다. 이 영역은 촉매반응기 작동온도로 언급될 것이다. 전형적으로, 개질기(3)의 작동온도는 섭씨 600℃ 내지 800℃이고, 시프트 변환기의 작동온도는 200℃ 내지 400℃이며, PROX 반응기(5)의 작동온도는 100℃ 내지 200℃이다.
각각의 목표온도까지 촉매 반응기(3-5)를 예열하는데 요구되는 열량은 다음의 식(1)을 이용하여 결정될 수 있다.
요구되는 열량 = 반응기의 열용량 ·(목표온도 - 초기 온도) (1)
여기서, 반응기의 열용량은 각 반응기(3-5)에 고유하게 고정된 값이다. 초 기온도는 예열이 시작되는 시점에서의 각 반응기(3-5)의 촉매온도이다. 이러한 경우에 있어서, 초기 온도는 예를 들어 20℃와 같이 고정된 값에 의해 설정 초기 온도로서 제공된다.
각 촉매 반응기(3-5)에 대한 열량의 공급은 버너(6)로부터 공급된 연소가스에 의해 모든 경우에 제공된다. 만약 설정 예열시간을 Ti로 가정하고, 각 촉매 반응기(3-5)에 대한 목표 열량공급이 예열 개시로부터 설정 예열시간 Ti의 경과시에 완료된다고 한다면, 반응기(3-5)는 연료전지 동력장치를 동시에 작동시키는데 요구되는 변환속도를 달성한다.
시동의 개시부터 설정 예열시간 Ti의 만료까지의 기간동안 촉매 반응기(3-5)에 의해 흡수된 열량은 다음의 식(2)으로 표현될 수 있다.
열량 = ∫0 Ti{연소가스의 비열 ×유량 ×반응기의 입구와 출구에서의 연소가스 온도차(t)}·dt (2)
t=예열의 개시로부터 경과된 시간
만약 버너(6)에서 생성된 연소가스의 온도를 T로 가정하면, 온도가 T인 연소가스는 연소가스 통로(71)를 경유하여 버너(6)로부터 연소가스 흐름면에서 촉매 반응기(3-5)의 가장 먼 상류측에 위치한 개질기(3)로 직접적으로 공급된다.
개질기(3)로 전달되는 열량은 개질기(3)의 가열 표면적과 열전도율로부터 미리 계산될 수 있다. 만약 개질기(3)로 전달되는 열량을 알면, 개질기(3)의 입구와 출구에서의 연소가스 온도차는 예열의 개시로부터 경과된 시간t의 함수 f1(t)로서 표현될 수 있다.
대안적으로, 개질기(3)의 출구에 온도센서(51)를 제공하고 온도가 T인 연소가스가 개질기(3)에 공급될 때 온도센서(51)에 의해 측정된 온도 Ta(t)를 모니터함으로써 개질기(3)의 입구와 출구에서의 연소가스의 온도차는 예열의 개시로부터 경과된 시간t의 함수 T-Ta(t)로서 표현될 수 있다. 만약 고정된 값인 함수 f1(t) 또는 함수 T-Ta(t)와 연소가스의 비열 및 유량 Qa가 식(2)에 대입된다면, 시동의 개시부터 설정 예열시간Ti의 만료까지의 시간 주기동안 개질기(3)에 의해 흡수된 열량이 계산될 수 있다.
연소가스 통로(71)의 연소가스 공급유량 Qa는 식(2)에서 계산된 열량이 식(1)에서 계산된 요구되는 열량을 만족하도록 결정된다.
시프트 변환기(4)에 공급된 연소가스는 개질기(3)로부터 개질가스 통로(27) 내로 유출된 연소가스와 연소가스 통로(72)로부터 공급된 온도가 T인 연소가스를 가스 혼합기(31)에서 혼합함으로써 생성된 혼합가스이다.
개질기(3)로부터 개질가스 통로(27) 내로 유출된 연소가스의 온도는 온도센서(51)에 의해 검출된 온도 Ta(t)와 동일하고, 그 유량은 연소가스 통로(71)의 연소가스 공급유량 Qa와 동일하다. 만약 연소가스 통로(72)로부터 공급된 연소가스의 유량이 Qb로 설정되고 Qa와 Qb가 모두 상수값이라고 가정하면, 시프트 변환기(4)로 공급된 연소가스의 온도는 예열 개시로부터 경과된 시간 t의 함수로서 제공될 수 있다.
시프트 변환기(4)로의 열전달량은 시프트 변환기(4)의 가열 표면적과 열전도 율로부터 미리 계산될 수 있다. 따라서 시프트 변환기(4)로의 열전달량으로부터 시프트 변환기(4)에 공급된 연소가스의 온도를 예열의 개시로부터 경과된 시간 t의 함수로 제공함으로써, 시프트 변환기(4)의 입구와 출구에서의 연소가스간 온도차가 예열의 개시로부터 경과된 시간 t의 함수로서 표현될 수 있다.
하지만 시프트 변환기(4)의 입구와 출구에서의 연소가스간 온도차를 경험적으로 결정하는 것도 또한 가능하다.
명확하게 말하면, 온도세서(52)가 시프트 변환기(4)의 출구에 제공되고, 시프트 변환기(4)가 개질기(3)와 연소가스 통로(72)에 연결되며, 연소가스가 유량 Qa로 개질기(3)에 공급되고 연소가스가 유량 Qb로 연소가스 통로(72)에 공급되는 동안 온도센서(52)에 의해 검출된 온도 Tb(t)가 모니터된다.
이렇게 함에 있어서, 시프트 변환기(4)의 입구와 출구에서의 연소가스간 온도차는 예열의 개시로부터 경과된 시간t의 함수 f2(t)로서 표현될 수 있다. 만약 상수값인 함수 f2(t)와 연소가스의 비열과 유량의 Qa+Qb가 식(2)에 대입되면, 시동의 개시로부터 설정 예열시간 Ti의 만료까지의 시간주기동안 시프트 변환기(4)에 의해 흡수된 열량이 계산될 수 있다.
연소가스 통로(72)의 연소가스 공급유량 Qb은 식(2)에서 계산된 열량이 식(1)에서 계산된 요구되는 열량을 만족하도록 결정된다.
가장 먼 하류에 위치한 PROX 반응기(5)의 입구와 출구에서의 연소가스간의 온도차는 시프트 변환기(4)의 입구와 출구에서의 연소가스간의 온도차를 결정하는 데에 이용된 것과 유사한 절차를 이용하여, 예를 들면 PROX 반응기(5)의 출구에 온 도센서(53)를 제공하고 이에 의하여 검출된 온도Tc(t)를 모니터함으로써 예열의 개시로부터 경과된 시간 t의 함수 f3(t)로서 결정된다.
만약 연소가스 통로(73)에서의 연소가스 공급유량이 Qc로 설정되고 상수값인 함수 f3(t)와 비열 및 유량 Qa +Qb +Qc가 식(2)에 대입되면, 시동의 개시로부터 설정 예열시간Ti의 만료까지의 시간주기동안 PROX 반응기(5)에 의하여 흡수된 열량이 계산될 수 있다. 연소가스통로(73)의 연소가스 공급유량 Qc는 식(2)에서 계산된 열량이 식(1)에서 계산된 요구되는 열량을 만족하도록 결정된다.
시동중 버너(6)에 공급된 연료와 공기의 유량은 전술한 방법으로 계산된 연소가스 공급유량 Qa, Qb, Qc의 전체 값과 같거나 큰 유량으로 온도 T인 연소가스가 버너(6)에 의해 공급되도록 결정된다.
나아가, 연소가스 통로(71-73)의 단면을 통한 흐름은 버너(6)에 의해 생성된 연소가스가 연소가스 통로(71-73)간에 Qa : Qb : Qc의 비율로 분배되도록 결정된다. 연소가스 통로(71-73)를 구성하는 배관의 단면 치수는 단면을 통한 결정된 흐름에 따라 결정된다. 대안적으로 연소가스 통로(71-73)에 밸브를 제공하고 밸브의 개방의 정도를 설정함으로써 상기의 분배비가 실현될 수 있다.
전술한 절차에 따라 결정된 사양을 갖는 예열장치가 촉매 반응기(3-5)의 예열을 수행할 때 촉매 반응기(3-5)의 촉매온도에 있어서의 변화가 도5에 도시된다. 여기서 분배비 Qa : Qb : Qc는 4:1:1로 설정된다. 나아가, 버너(6)에서 생성된 연소가스 모두가 전술한 것처럼 시프트 변환기(4)와 PROX 반응기(5)에 분배되지 않고 개질기(3)에만 공급될 때 유사한 개질 시스템에 있어서 촉매 반응기(3-5)의 촉매온 도의 변화가 도4에 도시된다.
도4를 참조하면, 연소가스 모두가 개질기(3)에만 공급될 때 개질기(3)의 촉매온도는 A1으로 도시된 목표온도에 신속하게 도달한다. 그러나 시프트 변환기(4)에 공급되는 연소가스는 온도면에서 개질기(3)를 통해 이어지는 전달과정에서 감소되고, PROX 반응기(5)에 공급되는 연소가스는 시프트 변환기(4)를 통해 이어지는 전달과정에서 상당히 낮은 온도를 갖으며, 결과적으로 점 B1과 C1로 도시된 바와 같이 이들 유닛(4, 5)의 촉매온도가 각각의 목표온도에 도달하는 데에는 많은 시간이 요구된다.
연료전지 적층(2)의 일산화탄소 피독(poisoning)을 방지하기 위하여 시프트 변환기(4)와 PROX 반응기(5)에 의하여 생성된 개질가스로부터 일산화탄소가 제거되어야 하지만, 개질기(3)의 촉매만이 그것의 목표온도에 도달한 때에는 개질 시스템은 연료전지 적층(2)에 개질가스를 공급할 수 없다. 그러한 이유로 개질 시스템은 도면의 점C1에서 연료전지 적층(2)에 개질가스 공급을 시작할 수 있고, 따라서 예열의 개시로부터 점 C1까지의 시간이 예열에 요구되는 시간이 된다.
게다가, 점 A1으로부터 점 C1까지의 간격과 점 B1으로부터 점 C1까지의 간격동안 개질기(3)와 시프트 변환기(4)가 각각 불필요하게 예열되고, 그러한 결과로 개질 시스템의 예열의 완료까지 상당한 양의 연료가 소비된다.
도5를 참조하면, 본 발명에 따른 예열장치는 연소가스 통로(71-73)를 통해 버너(6)로부터의 연소가스를 개질기(3), 시프트 변환기(4) 및 PROX 반응기(5)에 직 접적으로 분배하고, 따라서 도4와 비교하면 비록 개질기(3)에 있어서 예열완료가 지체되기는 하지만, PROX 반응기(5)에 있어서의 예열완료는 상당히 가속화되고, 그 결과 점 A2, B2 및 C2로 도시된 바와 같이 개질기(3), 시프트 변환기(4) 및 PROX 반응기(5)에 있어서의 예열은 동시에 종료된다.
따라서 개질 시스템의 예열을 완료하는데 요구되는 시간은 도4와 비교하면, 상당히 감소된다. 이러한 방식으로 모든 촉매 반응기(3-5)에 있어서 예열을 동시에 완료시킴으로써 특정한 반응기가 불필요하게 예열되지 않고, 따라서 예열동안 적은 양의 연료가 소비된다.
전술한 분배비 Qa : Qb : Qc의 계산에 있어서 초기 온도는 고정된 값으로 설정되었지만, 실제로는 초기 온도가 외부 공기온도등에 따라 변한다는 것을 주의해야 한다. 하지만 만일 예열장치가 위에서 계산된 바와 같은 분배비 Qa : Qb : Qc에 기초하여 설계된다면 초기 온도가 다른 때에도 개질기(3), 시프트 변환기(4) 및 PROX 반응기(5)의 예열 완료시간의 편차는 크지 않고, 따라서 예열에 소비되는 예열시간과 에너지량은 도4에 도시된 경우와 비교하면 상당히 절감될 수 있다.
전술에 있어서, 각 촉매 반응기(3-5)의 목표온도는 정상적인 연료전지 동력장치 작동을 참조하여 설정되었다. 하지만 차량 연료전지 동력장치와 같은 2차 전지와 조합하여 이용되는 동력장치는 동력발전의 개시 직후에 완전 동력발전을 수행할 필요가 없다. 이는 동력발전 결핍이 2차 전지의 공급용량에 의해 보상될 수 있기 때문이다. 이러한 경우에 있어서 동력발전의 개시 직후 연료전지 적층(2)에 의해 요구되는 개질가스의 유량은 낮고, 따라서 촉매 반응기(3-5)내의 촉매 각각의 부분이 목표온도에 도달하는 한 요구되는 개질가스 유량공급은 충족될 수 있다.
만약 정상 작동중 부하를 100%로 가정하고 동력발전의 개시 직후 부하를 50%로 가정하면, 도2에 도시된 바와 같이 촉매 반응기(3-5)내 각 촉매의 50%가 그들의 목표온도에 도달하는 것이 적당하다. 촉매의 일부분이 목표온도에 도달하지 못하는 경우에도 어느 정도 까지는 촉매반응이 발생하기 때문에, 촉매 예열의 비율이 요구되는 부하 비율과 동일하게 설정되는 한 개질가스공급 실용량이 충분히 요구를 만족시킬 수 있다.
이러한 부분 예열 상태를 실현하기 위하여, 식(1)에서 계산된 요구되는 열량은 부하비율에 따라 감소되고 설정 예열시간 Ti은 감소된 요구열량에 기초하여 결정된다. 그 다음 예열 개시후 설정 예열시간 Ti 경과시 버너(6)는 작동을 중지한다.
이러한 부분 예열 상태에 있어서, 각 촉매 반응기(3-5)의 출구에서의 온도는 예열전의 온도와 동일하고, 시프트 변환기(4)는 연소가스 공급통로(72)로부터 공급된 연소가스의 열에 의해서만 예열되며, PROX 반응기(5)는 연소가스 공급통로(73)로부터 공급된 연소가스의 열에 의해서만 예열된다.
이러한 경우에 있어서, 각 촉매 반응기(3-5)에 의해 흡수된 열량은 다음의 식(3)으로 표현될 수 있다.
개질기(3)의 흡수 열량 : 시프트 변환기(4)의 흡수 열량 : PROX 반응기(5)의 흡수열량
= (전체 개질기(3)의 예열에 요구되는 열량·부하비율)
: (전체 시프트 변환기(4)의 예열에 요구되는 열량·부하비율)
: (전체 PROX 반응기(5)의 예열에 요구되는 열량·부하비율) (3)
이러한 경우에 있어서 또한 예열장치 내의 연소가스 공급통로(71-73)는 버너(6)로부터의 연소가스를 촉매 반응기(3-5)에 직접적으로 분배하고, 따라서 각 촉매의 요구되는 부분만을 충분히 가열하는 것이 가능하며, 이에 의하여 예열에 소비되는 예열시간과 에너지량을 크게 감소시킬 수 있다.
이러한 경우에 있어서, 연료전지 적층(2)에서의 동력발전의 개시 직후에 요구되는 부하가 작으면 작을수록 각 반응기(3-5)내 예열 대상물의 체적은 작아진다. 따라서 촉매의 내열 온도를 초과하지 않고 가능한 한 높은 온도까지 연소가스를 가열함으로써 공급유량을 감소시키는 것이 효율적이다.
만약 개질기(3), 시프트 변환기(4) 및 PROX 반응기(5)내 촉매의 내열온도를 각각 Tr, Ts 및 Tc로 설정하면, Tr > Ts > Tc의 관계가 성립된다. 만약 내열온도를 초과하는 온도로 연소가스가 공급되면 소결(sintering, 燒結)등의 발생이 원인이 되어 촉매의 수명이 감소되고, 따라서 연소가스는 각 촉매의 내열온도와 동일하거나 낮은 온도로 촉매 반응기(3-5)에 공급될 수만 있다.
이러한 예열장치에 있어서, 시프트 변환기(4) 또는 PROX 반응기(5)에 공급되는 연소가스는 연소가스 공급통로(72 또는 73)로부터 공급된 고온의 연소가스와 상류에 위치된 개질기(3) 또는 시프트 변환기(4)에서 냉각된 저온의 연소가스의 혼합 물이고, 따라서 만약 버너(6)에 의해 생성된 연소가스의 온도 Tg가 Tr > Tg > Tc의 범위내로 설정된다면 촉매 반응기(3-5)내 임의의 촉매에 공급되는 연소가스의 온도가 촉매의 내열온도를 초과하는 것이 방지될 수 있다.
설명상의 편의상 온도센서(51 내지 53)가 도1 및 도2에 삽입되어 있다. 하지만 전술한 것에 의해 명백한 바와 같이 이들 온도센서(51 내지 53)는 분배비 Qa : Qb : Qc를 결정하기 위해, 다시 말하면 예열장치에 관하여 설계 데이터를 얻기 위하여 실험장비로서 배치되었고, 따라서 예열장치의 구조상의 요소는 아니다.
연소가스통로(72)는 다음과 같은 이유로 예열장치로부터 생략될 수 있다.
PROX 반응기(5)에서 사용되는 촉매는 일반적으로 낮은 온도에서 활성화되지만 고온에서는 내구성이 취약하다. 따라서 촉매의 내열온도 Tc로 또는 그보다 낮게 PROX 반응기(5)내로 유입되는 연소가스의 온도를 감소시키기 위하여, 연소가스 공급통로(73)로부터 PROX 반응기(5)에 공급되는 연소가스를 시프트 변환기(4)로부터 유출되는 연소가스와 충분히 혼합하는 것이 필요하다. 결과적으로, PROX 반응기(5) 내로 유입되는 연소가스의 온도와 초기 온도 사이에 큰 온도차가 설정될 수 없고, 따라서 PROX 반응기(5) 내의 촉매를 예열하는 것은 시간이 걸리는 경향이 있다.
시프트 변환기(4)로부터 유출되어 개질가스통로(28) 내로 유입되는 연소가스의 온도는 예열의 개시로부터 경과된 시간량에 따라 증가한다. 반면 연소가스통로(72)로부터 개질가스통로(28)로 공급되는 연소가스의 온도는 일정하다. 따라서 PROX 반응기(5)내로 유입되는 연소가스의 온도는 예열의 개시로부터 경과된 시간 t 에 따라 상승한다. 만약 PROX 반응기(5) 내로 유입되는 연소가스의 온도가 이러한 특징에 기초하여 예열완료시점에서 내열온도 Tc로 또는 그보다 낮게 억제되어야 한다면, 예열의 개시시에 PROX 반응기(5) 내로 유입되는 연소가스의 온도는 내열온도 Tc보다 상당히 낮아야 한다. 하지만 PROX 반응기(5) 내로 유입되는 연소가스에 있어서의 이러한 온도특성은 PROX 반응기(5)에 있어서의 열흡수를 지체시키고, 이에 의하여 PROX 반응기(5)내 촉매의 예열을 연장시킨다.
연소가스 공급통로(72)를 생략함으로써 시프트 변환기(4)로부터 유출되는 연소가스의 유량은 감소되고 연소가스 공급통로(73)내의 연소가스의 유량은 증가한다. 결과적으로 예열 개시시점에서 PROX 반응기(5)내로 유입되는 연소가스의 온도와 예열 완료시점에서 PROX 반응기(5)내로 유입되는 연소가스의 온도간의 차이는 감소된다. 이러한 이유로 연소가스 공급통로(72)를 생략함으로써, PROX 반응기(5)내로 유입되는 연소가스의 온도가 내열온도 Tc로 또는 그보다 낮게 억제되는 한 PROX 반응기(5)를 예열하는데 요구되는 시간량은 감소될 수 있다.
본 발명의 제2 실시예가 도6과 도7을 참조하여 설명될 것이다.
도6을 참조하면, 도1의 제1 실시예에 따른 예열장치의 구성에 부가하여 공기공급통로(64, 65)와 공기공급밸브(22, 23)가 더 부가되어 있다. 게다가 제1 실시예에 있어서는 온도센서(51-53)가 설계 데이터를 얻기 위한 실험장비로서 기술되었지만, 본 실시예에 있어서는 온도센서(51-53)가 예열장치의 구성상의 요소로서 제공된다. 본 실시예의 예열장치에는 또한 연료전지 동력장치의 시동동안 공기공급밸브(22 및 23)의 개방을 제어하는 제어기(82)가 제공된다. 한편 제1 실시예에서 제공되었던 가스 혼합기(31 및 32)가 본 실시예로부터 생략되었다.
공기공급통로(64)는 공기공급밸브(22)를 통해 연소가스 공급통로(72)에 압축기(1)로부터의 공기를 공급한다. 공기공급통로(65)는 공기공급밸브(23)를 통해 연소가스 공급통로(73)에 압축기(1)로부터의 공기를 공급한다. 온도센서(51-53)에 의해 검출된 온도는 신호로서 제어기(82) 내로 각각 입력된다.
제어기(82)는 중앙처리장치(CPU), 롬(ROM), 램(RAM) 및 I/O 인터페이스(I/O interface)를 포함하는 마이크로 컴퓨터로 구성된다. 제어기(82)는 복수의 마이크로 컴퓨터로 구성될 수도 있다.
도7을 참조하여 개질 시스템의 예열시 제어기(82)에 의해 실행되는 공기공급밸브(22 및 23)를 제어하는 루틴이 설명될 것이다. 이 루틴은 개질 시스템의 예열 개시점에서, 다시 말하면 연료전지 동력장치의 시동과 동기하여 한번만 실행된다.
먼저 단계 S1에서, 제어기(82)는 온도센서(52 및 53)로부터의 입력신호로부터 연료전지 동력장치가 비작동일 때의 온도 또는 시동시점에서의 온도를 판독한다. 온도센서(52 및 53)에 의해 검출된 온도는 시프트 변환기(4)와 PROX 반응기(5)의 출구 온도에 대응한다.
다음 단계 S2에서, 제어기(82)는 온도센서(52 및 53)에 의해 검출된 온도로부터 시프트 변환기(4)와 PROX 반응기(5) 내의 촉매의 초기온도를 계산한다. 촉매 반응기 출구온도와 초기 촉매온도간의 관계는 경험적으로 결정될 수 있다. 이 관계는 제어기(82)의 메모리에 맵(map) 또는 수학공식으로서 저장되고, 제어기(82)는 단계 S1에서 판독된 온도센서(52 및 53)에 의해 검출된 온도를 이용해 맵을 검색하 여 이에 의하여 PROX 반응기(5)내의 촉매의 초기온도를 계산한다. 제어기(82)는 식(1)을 이용하여 초기 촉매온도로부터 시프트 변환기(4)와 PROX 반응기(5)를 예열하는데 요구되는 열의 양을 계산한다.
다음 단계 S3에서, 제어기(82)는 시프트 변환기(4)를 예열하는데 요구되는 열량과 시프트 변환기(4)를 예열하기 위한 미리 설정된 열량을 비교한다. 시프트 변환기(4)를 예열하기 위한 미리 설정된 열량은 제1 실시예와 관련하여 상술된 설정 초기온도로부터 시프트 변환기(4)가 예열될 때 필요한 열량, 또는 다시 말하면 설정 예열 열량에 대응한다.
만약 시프트 변환기(4)를 예열하는데 요구되는 열량이 설정 예열 열량보다 작다면, 제어기(82)는 단계 S4에서 공기공급밸브(22)를 개방한다. 단계 S4에서의 절차에 이어 제어기(82)는 단계 S5의 절차를 수행한다.
반면 만약 단계 S3에서 시프트 변환기(4)를 예열하는데 요구되는 열량이 설정 예열 열량보다 작지 않다면, 제어기(82)는 단계 S4를 건너 뛰고 단계 S5의 절차를 수행한다.
단계 S5에서, 제어기(82)는 PROX 반응기(5)를 예열하는데 요구되는 열량과 PROX 반응기(5)를 예열하기 위한 미리 설정된 열량을 비교한다.
만약 PROX 반응기(5)를 예열하는데 요구되는 열량이 PROX 반응기(5)를 예열하기 위한 설정 예열 열량보다 작다면, 제어기(82)는 단계 S6에서 공기공급밸브(23)를 개방한다. 단계 S6에서의 절차에 이어 제어기(82)는 루틴을 종료한다.
만약 단계 S5에서 PROX 반응기(5)를 예열하는데 요구되는 열량이 PROX 반응 기(5)를 예열하기 위한 설정 예열 열량보다 작지 않다면, 제어기(82)는 단계 S6에서의 절차를 수행하지 않고 바로 루틴을 종료한다.
단계 S3와 S5에서, 단계 S2에서 계산된 시프트 변환기(4)와 PROX 반응기(5)를 예열하는데 요구되는 열량이 각각의 설정 예열 열량과 비교됨을 주의하라. 하지만 열량을 비교하는 대신, 시프트 변환기(4)와 PROX 반응기(5)의 초기 온도가 분배비 Qa : Qb : Qc의 계산시에 이용되었던 설정 초기온도와 비교될 수 있다. 따라서 만약 단계 S3에서 시프트 변환기(4)의 초기 온도가 설정 초기온도보다 높다면 단계 S4에서 공기공급밸브(22)가 개방되고, 만약 단계 S5에서 PROX 반응기(5)의 초기 온도가 설정 초기온도보다 높다면 단계 S6에서 공기공급밸브(23)가 개방된다.
제1 실시예에 있어서, 연소가스 공급통로(71-73)의 단면을 통한 흐름은 설정 초기온도가 고정된 값으로 설정되었지만, 실제로는 예열의 개시점에서의 온도는 일정하지 않다. 예열의 개시시점에서의 촉매 반응기(3-5)의 온도는 또한 반응기 주위에 큰 열용량을 가진 장치의 배치, 큰 냉각공기 유량 또는 큰 열용량을 가진 액체에 의한 냉각 등과 같은 각기 다른 냉각 조건에 따라 달라질 수 있다. 초기 온도에 있어서의 이러한 차이는 예열에 요구되는 열량에 있어서의 차이로 이어진다. 본 실시예에 있어서, 제어기(82)에 의해 수행되는 공기공급 루틴은 이러한 차이를 보상하는 역할을 한다.
이 루틴을 실행함에 있어서, 예를 들면 온도센서(52)에 의해 검출된 온도로부터 계산된 시프트 변환기(4)를 예열하는데 요구되는 열량이 설정 예열 열량보다 작을 때, 예컨대 공기공급밸브(22)가 개방되어 공기공급통로(64)부터의 공기를 연 소가스 공급통로(72)에 공급한다. 연소가스 공급통로(72)에 공기를 공급함으로써, 연소가스 공급통로(72)를 통한 연소가스 흐름에 있어서의 압력손실이 증가하고 연소가스의 유량이 감소된다.
결과적으로, 시프트 변환기(4)로 공급되는 가스의 온도는 떨어지고 시프트 변환기(4)에 의해 흡수되는 열량은 감소된다. 반면, 연소가스 공급통로(72)의 연소가스 공급유량의 감소는 연소가스 공급통로(71 및 73)의 연소가스 공급유량의 증가로 이어지고, 이에 의하여 개질기(3)와 PROX 반응기(5)에 공급되는 열량을 증가시킨다. 결과적으로 개질기(3)와 PROX 반응기(5)의 예열시간이 단축될 수 있다.
나아가, 온도센서(53)에 의해 검출된 온도로부터 계산된 PROX 반응기(5)를 예열하는데 요구되는 열량이 설정 예열 열량보다 작을 때, 공기공급밸브(23)가 개방되어 공기공급통로(65)로부터의 공기를 연소가스 공급통로(73)에 공급한다. 연소가스 공급통로(73)에 공기를 공급함으로써, 연소가스 공급통로(73)를 통한 연소가스 흐름에 수반되는 압력손실이 증가하고 연소가스의 유량이 감소된다. 결과적으로, PROX 반응기(5)에 공급되는 가스의 온도는 낮아지고 개질기(3)와 시프트 변환기(4)에 공급되는 열량은 상응하는 양만큼 증가한다.
이러한 현상을 설명하기 위하여 연소가스 공급통로(71-73)에서의 압력손실이 고려되어야 한다. 각 연소가스 공급통로(71-73)에서의 압력손실은 다음의 식 (4)에 도시된 것과 같은 관계를 가진다.
연소가스 공급통로(71)에서의 압력손실
= 연소가스 공급통로(72)에서의 압력손실-개질기(3)에서의 압력손실
= 연소가스 공급통로(73)에서의 압력손실-(개질기(3)에서의 압력손실+시프트 변환기(4)에서의 압력손실) (4)
만약 연소가스 공급통로(71-73)가 파이프 몸체(pipe body)로 고려된다면, 식(4)에서 압력손실 각각은 다음의 식 (5)에 따라 계산될 수 있다.
압력손실 = 압력손실계수·(파이프 길이/파이프 직경)·가스밀도·(가스유속)2/2)
촉매 반응기(3-5)와 연소가스 공급통로(71-73)의 압력손실계수에 논리적인 값 또는 경험적인 값이 적용될 수 있다.
도7의 흐름도는 공기공급밸브(22 및 23)의 가장 기본적인 제어를 예시하지만, 만약 식 (5)에 따라 결정된 각 촉매 반응기(3-5)와 연소가스 공급통로(71-73)의 압력손실이 식 (4)의 관계를 만족하도록 공기공급밸브(21 내지 23)의 개방이 더 제어된다면, 촉매 반응기(3-5)에 있어서의 예열 완료의 타이밍은 촉매 반응기(3-5)내의 촉매의 초기온도에 상관없이 항상 일치될 수 있다.
PROX 반응기(5)가 아무런 예열을 요구하지 않는 경우, 다시 말하면 PROX 반응기(5)의 촉매가 이미 작동 온도에 도달한 경우가 예로서 고려될 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 연소가스 공급통로(73)로부터 개질가스 통로(28)로 공급되는 가스의 온도가 PROX 반응기(5)의 작동 온도와 동일하게 되도록 하기 위하여 제어기 (82)는 공기공급통로(65)로부터 개질가스통로(28)로 공급되는 공기의 공급유량을 설정하고 상응하는 정도의 개방으로 공기공급밸브(23)를 제어한다.
연소가스 공급통로(73)로의 공기공급의 결과로서 연소가스 공급통로(73)내의 연소가스의 압력손실이 증가하고, 이에 의하여 개질기(3)와 시프트 변환기(4)로 공급되는 연소가스의 유량이 증가한다. 나아가, PROX 반응기(5) 내로 유입되는 가스의 온도가 작동온도 근방으로 떨어지기 때문에 PROX 반응기(5)의 촉매온도는 작동온도로 유지된다.
나아가, 시프트 변환기(4) 내로 유입하는 가스의 온도가 시프트 변환기(4) 내의 촉매의 내열온도 Ts를 초과할 우려가 있는 때에 제어기(82)가 공기공급통로(64)로부터 연소가스 공급통로(72)로 공급되는 공기의 유량을 증가시키도록 공기공급밸브(22)를 조작하고, 이에 의하여 시프트 변환기(4)내로 유입되는 가스의 온도가 감소될 수 있다. 유사하게, PROX 반응기(5) 내로 유입하는 가스의 온도가 PROX 반응기(5) 내의 촉매의 내열온도 Tc를 초과할 우려가 있는 때에 제어기(82)가 공기공급통로(65)로부터 연소가스 공급통로(73)로 공급되는 공기의 유량을 증가시키도록 공기공급밸브(23)를 조작하고, 이에 의하여 PROX 반응기(5) 내로 유입되는 가스의 온도가 감소될 수 있다. 따라서 버너(6)에 의해 생성된 연소가스의 온도Tg는 개질기(3)의 내열온도Tc에 가까운 값으로 설정될 수 있다.
촉매 반응기(3-5)로 공급된 열량이 공기공급량에 의해 제어될 때, 시프트 변환기(4) 내로 유입되는 가스의 온도는 연소가스 공급통로(72)와 개질가스통로(27)간의 수렴점에서 가스혼합이 충분히 수행되지 않은 경우에도 내열온도Ts로 또는 그 보다 낮은 온도로 억제될 수 있다. 유사하게, PROX 반응기(5) 내로 유입되는 가스의 온도는 연소가스 공급통로(73)와 개질가스통로(28)간의 수렴점에서 가스혼합이 충분히 수행되지 않은 경우에도 내열온도 Tc로 또는 그보다 낮은 온도로 억제될 수 있다. 이러한 이유로 가스 혼합기(31 및 32)가 본 실시예에서 생략되었다.
다음으로, 도8과 도9를 참조하여 본 발명의 제3실시예가 설명될 것이다.
도8을 참조하면, 본 실시예에 따른 예열장치에는 제2 실시예의 공기공급밸브(22 및 23)을 대신하여 연소가스 공급통로(73)에 흐름제어밸브(80)가 제공된다.
제2 실시예에 있어서 촉매 반응기(3-5)에 공급되는 연소가스의 유량은 공기공급밸브(22 및 23)로부터의 공기공급에 의해 변경되지만, 본 실시예에 있어서 PROX 반응기(5)에 공급되는 연소가스의 유량은 흐름제어밸브(80)의 조작에 의하여 변경된다.
개질 시스템의 시동 주기 동안 공기는 항상 공기공급통로(64)를 통해 연소가스 공급통로(72)에 공급된다. 유사하게 공기는 항상 공기공급통로(65)를 통해 연소가스 공급통로(73)에 공급된다. 공기제어밸브(80)는 연소가스 공급통로(73)와 공기공급통로(65)간의 수렴점의 하류에 제공된다.
본 실시예에 있어서, 각 촉매 반응기(3-5)에 대한 설정 예열 열량 HaO, HbO 및 HcO는 촉매 반응기(3-5)의 초기 온도를 고정된 값으로 하여 식 (1)을 이용하여 미리 계산되고, 연소가스통로(71-73)의 단면을 통한 흐름은 그 결과와 공기공급통로(64 및 65)로부터 공급된 공기의 유량에 기초하여 결정된다. 그 다음 연소가스 통로(73)의 단면을 통한 흐름에 상응하는 흐름제어밸브(80)의 개방정도가 흐름제어 밸브(80)의 초기 개방으로서 설정된다.
도9를 참조하여, 촉매 반응기(3-5)의 예열을 제어하기 위하여 제어기(82)에 의해 실행되는 흐름제어밸브 제어루틴이 설명될 것이다. 이 루틴은 또한 개질 시스템 예열의 개시시에 오직 한번만 실행된다.
먼저, 단계 S11에서, 제어기(82)가 온도센서(51-53)에 의해 검출된 온도를 판독한다.
다음, 단계 S12에서, 촉매 반응기(3-5) 내의 촉매의 초기 온도를 계산하기 위하여 제2 실시예에 따른 도7의 루틴의 단계 S2의 그것과 유사한 맵이 언급된다. 촉매 반응기(3-5) 내의 촉매를 예열하는데 요구되는 열량 Ha, Hb 및 Hc를 개별적으로 계산하기 위하여 얻어진 초기 온도가 식 (1)에 대입된다.
다음, 단계 S13에서, Hc / (Ha+Hb)가 미리 설정된 값 HcO / (HaO + HbO) 보다 작은지 여부에 대한 판단이 행해진다. 여기서, Hc / (Ha+Hb)는 PROX 반응기(5)를 예열하는데 요구되는 열량과 다른 촉매 반응기(3, 4)를 예열하는데 요구되는 전체 열량의 비를 나타낸다. HcO / (HaO + HbO)는 설정 예열 열량에 기초한 고정된 값이다. 만약 Hc / (Ha+Hb)가 HcO / (HaO + HbO)보다 작다면, 제어기(82)는 단계 S14에서 초기 개방보다 흐름제어밸브(80)의 개방을 감소시킨다. 단계 S14에서의 절차를 수행한 후 제어기(82)는 루틴을 종료한다.
반면 만약 Hc / (Ha+Hb)가 HcO / (HaO + HbO)보다 작지 않다면, 제어기(82)는 단계 15에서 Hc / (Ha+Hb)가 HcO / (HaO + HbO)보다 큰지 여부를 결정한다. 만약 Hc / (Ha+Hb)가 HcO / (HaO + HbO)보다 크다면 단계 S16에서 흐름제어밸브(80) 의 개방이 초기 개방보다 증가된다. 단계 S16에서의 절차에 이어 제어기(82)는 루틴을 종료한다.
만약 단계 15에서, Hc / (Ha+Hb)가 HcO / (HaO + HbO)보다 크지 않다면 제어기(82)는 초기 개방으로부터 흐름제어밸브(80)의 개방을 변경하지 않고 루틴을 종료한다.
초기 개방으로부터 흐름제어밸브(80)의 개방을 감소시킴으로써, PROX 반응기(5)로 공급된 연소가스의 압력손실이 증가한다. 결과적으로 PROX 반응기(5)에 공급된 연소가스의 유량은 감소하고 PROX 반응기(5)에 공급된 열량 또한 감소한다. 그러는 동안, 개질기(3)와 시프트 변환기(4)에 공급된 열량은 증가한다. 반대로, 초기 개방으로부터 흐름제어밸브(80)의 개방을 증가시킴으로써 PROX 반응기(5)로 공급된 연소가스의 압력손실은 감소한다. 결과적으로 PROX 반응기(5)에 공급된 연소가스의 유량은 증가하고 PROX 반응기(5)에 공급된 열량 또한 증가한다. 그러는 동안 개질기(3)와 시프트 변환기(4)에 공급된 열량은 감소한다.
따라서 PROX 반응기(5)를 예열하는데 요구되는 열량과 다른 촉매 반응기(3, 4)를 예열하는데 요구되는 열량간의 비율 Hc / (Ha+Hb)은 흐름제어밸브(80)의 개방의 증감에 따라 변한다.
전술한 바와 같이, 촉매 반응기(3-5)의 작동온도가 증가할수록 반응기는 더 상류측에 위치된다. 따라서 작동이 정지된 직후 열방출량이 증가할수록 촉매 반응기는 더 상류측에 위치된다. 열방출량은 주위 대기 온도와 촉매 온도간의 차이가 작아지는 만큼 급속하게 감소된다.
반응기가 재시동될 때 촉매 반응기(3-5)를 예열하는데 요구되는 열량은 열방출량에 비례한다. 따라서 촉매 반응기(3-5)가 설정 초기 온도보다 높은 초기 온도로부터 예열될 때 Hc / (Ha+Hb)의 값은 촉매 반응기(3-5)가 설정 초기 온도로부터 예열될 때 HcO / (HaO + HbO)보다 작다. 다시 말하면, 개질기(3)와 시프트 변환기(4)에 공급된 열량은 초기온도의 증가에 비례하여 증가되어야 한다.
이러한 루틴에 따라 흐름제어밸브(80)의 개방은 실제 초기온도에 기초한 열량비 Hc / (Ha+Hb)와 설정 예열 열량에 기초한 비율 HcO / (HaO + HbO)의 비교에 따라 증감되고, 따라서 촉매 반응기(3-5)는 초기온도에 상관없이 효과적으로 예열되며, 이에 의하여 개질 시스템을 예열하는데 요구되는 시간량을 감소시킬 수 있다.
나아가, 실제 초기온도에 기초한 열량비 Hc / (Ha+Hb)와 설정 예열 열량에 기초한 비율 HcO / (HaO + HbO)에 따라 흐름제어밸브(80)의 개방의 증감도를 결정함으로써, 촉매 반응기(3-5)에 공급된 열량은 더 높은 정밀도로 분배될 수 있다.
제2 실시예와 유사한 공기공급밸브(22)가 공기공급통로(64)에 제공될 수 있다.
일본 출원일이 2002년 4월 9일인 일본 특허출원 2002-106235의 내용이 참조를 위해 여기에 포함되어 있다.
비록 본 발명은 본 발명의 특정 실시예를 참조로 상술되었지만, 본 발명은 전술된 실시예에 한정되지 않는다. 상술한 범위 내에서 당분야 당업자가 전술된 실시예에 대해 변경과 변화를 가할 수 있다.
예를 들어 각 실시예에 있어서, 예열의 주체가 개질 시스템을 구성하는 개질기(3), 시프트 변환기(4) 및 PROX 반응기(5)이지만, 촉매가 제공된 양극(2A)과 음극(2B)을 내부에 구비한 연료 전지 적층(2) 또한 촉매 반응기의 전형이다. 따라서 본 발명은 개질기(3)와 연료전지 적층(2)이 버너(6)로부터의 연소가스에 의해 예열되는 경우에도 또한 적용 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 있어서 연소가스는 복수의 촉매 반응기에 개별적으로 분배되고, 이에 의하여 촉매 반응기 예열완료의 타이밍상 차이를 제거하고 연료전지 동력장치를 예열하는데 요구되는 시간량을 감소시킨다. 이러한 이유로 본 발명은 빈번하게 작동 및 정지하는 차량에 설치되는 연료전지 동력장치에 적용될 때 탁월한 효과를 나타낸다.
독점적인 특성 및 특권이 청구되는 본 발명의 실시예는 다음과 같다.

Claims (11)

  1. 각각 촉매를 포함하는 복수의 촉매 반응기(3-5)와, 이 촉매 반응기(3-5)를 직렬로 연결하는 가스통로(27, 28)를 포함하는 연료전지 동력장치와 함께 사용하기 위한 촉매 반응기(3-5)용 예열장치에 있어서,
    상기 예열장치는 연료전지 동력장치의 시동시 촉매를 예열하기 위하여 연료를 연소시킴으로써 연소가스를 생성하는 버너(6)와, 촉매 반응기(3-5)에 개별적으로 연소가스를 분배시키는 연소가스 공급통로(71-73)를 포함하는 것을 특징을 하는 예열장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 버너(6)는 공기-연료 화학량론비(stoichiometric air-fuel ratio)보다 큰 공연비의 연료와 공기의 혼합물을 연소시키는 희박 연소 버너(6)를 포함하는 것을 특징으로 하는 예열장치.
  3. 제1항에 있어서, 촉매 반응기(3-5) 내에 포함된 촉매의 활성온도가 다른 촉매 반응기(3-5) 내에 포함된 촉매의 활성온도와 다른 것을 특징으로 하는 예열장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 예열장치는 촉매가 활성온도에 도달하는 타이밍과 관련하여 반응기(3-5)간의 차이를 감소시키는 열량 공급 조절 메커니즘(22, 23, 80)을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 예열장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 열량 공급 조절 메커니즘(22, 23, 80)은 연소가스 공급통로(71-73) 중 어느 하나에 공기를 공급할 수 있는 밸브(22, 23)를 포함하는 것을 특징으로 하는 예열장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 예열장치는 연소가스 공급통로(71-73) 중 어느 하나에 연결된 특정 촉매 변환기(4, 5)의 촉매온도를 검출하는 센서(52, 53)와, 연소가스 분배에 앞서 검출된 촉매온도로부터 촉매를 활성 온도로 예열하는데 요구되는 열량을 계산하고(S2), 상기 열량과 미리 설정된 설계 예열량을 비교하며(S3, S5), 상기 열량이 설계 예열량보다 작을 때 공기가 특정 촉매 반응기(4, 5)에 공급되도록 밸브(22, 23)를 제어하는 기능을 하는 제어기(82)를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 예열장치.
  7. 제 4항에 있어서, 상기 열량 공급 조절 메커니즘(22, 23, 80)은 연소가스 공급통로(71-73) 중 어느 하나에 있어서의 연소가스 유량을 증감시킬 수 있는 밸브(80)를 포함하는 것을 특징으로 하는 예열장치.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 예열장치는 각 촉매 반응기(3-5)의 촉매온도를 검출하는 센서(51-53)와, 연소가스 분배에 앞서 검출된 각 촉매 반응기(3-5)의 촉매온 도로부터 각 촉매 반응기(3-5) 내의 촉매를 활성 온도로 예열하는데 요구되는 열량을 계산하고(S12), 밸브(80)를 통해 연소가스가 공급된 촉매 반응기(5) 내의 촉매를 예열하는데 요구되는 열량과 다른 촉매 반응기(3, 4) 내의 촉매를 예열하는데 요구되는 열량의 비율을 미리 설정된 설계 열량비에 비교하며(S13, S15), 상기 열량비가 미리 설계된 열량비보다 작을 때 연소가스 유량을 감소되도록 밸브(80)를 제어하는 기능을 하는 제어기(82)를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 예열장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 제어기(82)는 상기 열량비가 설계 열량비보다 클 때 연소가스 유량이 증가하도록 밸브(80)를 제어(S16)하도록 기능하는 것을 특징으로 하는 예열장치.
  10. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매 반응기(3-5)는 수소와 일산화탄소를 포함하는 개질가스를 생성하기 위해 연료를 개질하는 개질기(3), 시프트 변환에 의하여 가스통로(27, 28)를 통해 개질기(3)로부터 그 내부로 유입하는 개질가스 내의 일산화탄소 농도를 감소시키는 시프트 변환기(4) 및 선택적 산화반응에 의하여 가스통로(27, 28)를 통해 시프트 변환기로부터 그 내부로 유입되는 개질가스 내의 일산화탄소 농도를 감소시키는 선택 산화 반응기(5)를 포함하고, 상기 연소가스 공급통로(71-73)는 개질기(3)에 연소가스를 분배하는 연소가스통로(71)와 선택 산화 반응기(5)에 연소가스를 분배하는 연소가스통로(72)를 포함하는 것을 특징으로 하는 예열장치.
  11. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 시동시 동력장치는 정상작동중의 부하보다 작은 시동부하로 작동되고, 상기 예열장치는 시동부하와 정상작동중의 부하와의 비율에 상응하는 한정된 시간동안 각 촉매 반응기(3-5)의 촉매를 예열하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 예열장치.
KR1020047015964A 2002-04-09 2003-02-27 연료전지 동력장치의 예열장치 KR100587518B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JPJP-P-2002-00106235 2002-04-09
JP2002106235A JP4000888B2 (ja) 2002-04-09 2002-04-09 改質型燃料電池システム
PCT/JP2003/002199 WO2003085767A1 (en) 2002-04-09 2003-02-27 Fuel cell power plant warm up

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20040097305A KR20040097305A (ko) 2004-11-17
KR100587518B1 true KR100587518B1 (ko) 2006-06-08

Family

ID=28786418

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020047015964A KR100587518B1 (ko) 2002-04-09 2003-02-27 연료전지 동력장치의 예열장치

Country Status (6)

Country Link
US (1) US7476098B2 (ko)
EP (1) EP1495508A1 (ko)
JP (1) JP4000888B2 (ko)
KR (1) KR100587518B1 (ko)
CN (1) CN1284260C (ko)
WO (1) WO2003085767A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018217005A1 (ko) * 2017-05-23 2018-11-29 주식회사 미코 연료전지 시스템

Families Citing this family (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4767543B2 (ja) * 2005-01-07 2011-09-07 Ｊｘ日鉱日石エネルギー株式会社 固体酸化物形燃料電池システムの起動方法
US7510696B2 (en) * 2005-02-07 2009-03-31 Air Products And Chemicals, Inc. Method and apparatus for the production of hydrogen-rich gas
EP1850415B1 (en) * 2005-02-18 2012-12-12 Panasonic Corporation Fuel cell system
DE102005038733A1 (de) * 2005-08-16 2007-02-22 Webasto Ag Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Reformers
JP4954510B2 (ja) * 2005-08-22 2012-06-20 富士電機株式会社 燃料電池システム
KR100762685B1 (ko) * 2005-11-10 2007-10-04 삼성에스디아이 주식회사 개질기 및 이를 채용한 연료전지 시스템
GB0612092D0 (en) * 2006-06-20 2006-07-26 Johnson Matthey Plc Oxygen removal
KR100759693B1 (ko) * 2006-07-28 2007-09-17 삼성에스디아이 주식회사 일산화탄소 저감기 및 연료전지용 개질기
KR100837394B1 (ko) * 2006-08-17 2008-06-12 삼성에스디아이 주식회사 Ｃｏ 제거유닛의 워밍업 구조가 개선된 연료개질기 및 그운영방법
KR100814812B1 (ko) * 2006-08-23 2008-03-19 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템의 개질기용 일산화탄소 산화 촉매, 이의제조 방법, 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR101328983B1 (ko) * 2006-10-13 2013-11-13 삼성에스디아이 주식회사 수소생성장치 및 그 구동 방법
KR100814888B1 (ko) * 2007-04-13 2008-03-18 삼성에스디아이 주식회사 산화 반응기, 이를 포함하는 개질 장치 및 그 구동 방법
JP5083603B2 (ja) * 2007-06-22 2012-11-28 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
KR100884538B1 (ko) * 2007-10-30 2009-02-18 삼성에스디아이 주식회사 연료 개질장치 및 이를 구비한 연료 전지 시스템
WO2011027520A1 (ja) 2009-09-04 2011-03-10 パナソニック株式会社 水素発生装置とその起動方法
US8858223B1 (en) * 2009-09-22 2014-10-14 Proe Power Systems, Llc Glycerin fueled afterburning engine
DE102010023392A1 (de) 2010-06-10 2011-12-15 J. Eberspächer GmbH & Co. KG Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem
KR20130022634A (ko) * 2011-08-25 2013-03-07 주식회사 효성 연료전지 시스템의 기체연료 공급장치 및 이를 포함하는 연료전지 시스템
MX2016017020A (es) * 2014-06-24 2017-05-12 Covestro Deutschland Ag Metodos para producir productos quimicos con interrupciones de funcionamiento.
BR112018012139B1 (pt) * 2015-12-15 2023-01-17 Nissan Motor Co., Ltd Sistema de célula de combustível e método de controle para sistema de célula de combustível
JP6477638B2 (ja) * 2016-09-14 2019-03-06 トヨタ自動車株式会社 熱、水素生成装置
DE102016123041B4 (de) * 2016-11-29 2023-08-10 Webasto SE Brennstoffbetriebenes Fahrzeugheizgerät und Verfahren zum Betreiben eines brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerätes
GB2560771A (en) * 2017-03-23 2018-09-26 Bae Systems Plc Electrical power generation on a vehicle
EP3602668B1 (en) 2017-03-23 2022-01-26 BAE Systems PLC Electrical power generation on a vehicle
WO2018172736A1 (en) 2017-03-23 2018-09-27 Bae Systems Plc Electrical power generation on a vehicle
GB2560773A (en) * 2017-03-23 2018-09-26 Bae Systems Plc Electrical power generation on a vehicle

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05303970A (ja) 1992-04-28 1993-11-16 Toshiba Corp 燃料電池発電装置とその起動方法
JPH09245825A (ja) 1996-03-14 1997-09-19 Fuji Electric Co Ltd 燃料電池発電装置
US6033793A (en) * 1996-11-01 2000-03-07 Hydrogen Burner Technology, Inc. Integrated power module
DE19755813C2 (de) 1997-12-16 2000-09-14 Dbb Fuel Cell Engines Gmbh Verfahren zum Betrieb einer Wasserdampfreformierungsanlage, damit betreibbare Reformierungsanlage und Brennstoffzellensystem-Betriebsverfahren
US6331366B1 (en) * 1999-06-23 2001-12-18 International Fuel Cells Llc Operating system for a fuel cell power plant
JP3921910B2 (ja) * 2000-02-18 2007-05-30 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP3582062B2 (ja) * 2000-07-06 2004-10-27 本田技研工業株式会社 燃料蒸発器の暖機装置
JP3885479B2 (ja) * 2000-10-12 2007-02-21 日産自動車株式会社 燃料電池の改質装置
JP3700603B2 (ja) 2001-04-06 2005-09-28 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP3807361B2 (ja) * 2002-02-08 2006-08-09 日産自動車株式会社 燃料改質システムおよび燃料電池システム

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018217005A1 (ko) * 2017-05-23 2018-11-29 주식회사 미코 연료전지 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
KR20040097305A (ko) 2004-11-17
JP2003303606A (ja) 2003-10-24
WO2003085767A1 (en) 2003-10-16
JP4000888B2 (ja) 2007-10-31
CN1647304A (zh) 2005-07-27
US7476098B2 (en) 2009-01-13
US20050227129A1 (en) 2005-10-13
CN1284260C (zh) 2006-11-08
EP1495508A1 (en) 2005-01-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100587518B1 (ko) 연료전지 동력장치의 예열장치
JP6627888B2 (ja) 固体酸化物型燃料電池システム、固体酸化物型燃料電池システムの制御方法
US20050217178A1 (en) Fuel reforming device
US7146801B2 (en) Fuel vaporizing device
US6955860B2 (en) Control of start-up combustor for fuel cell power plant
JP2001043880A (ja) 燃料電池スタックの監視及びシステム制御
JP2003272674A (ja) 燃料改質システム
US7465325B2 (en) Fuel reforming system and warmup method thereof
US10826090B2 (en) Method for controlling fuel cell system and fuel cell system
CN108432015A (zh) 燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法
JP3750597B2 (ja) 触媒燃焼器
JP4147659B2 (ja) 改質器の制御装置
US6887603B2 (en) Raw fuel vaporizing apparatus, method of vaporizing raw fuel, and fuel cell system equipped with raw fuel vaporizing apparatus
CN108370049B (zh) 燃料电池系统及其控制方法
CN113632269B (zh) 燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法
JP2004067407A (ja) 改質反応器
JP2003017095A (ja) 燃料プロセッサの始動時の過渡的温度を制御するための受動的エレメント
JP7120323B2 (ja) 燃焼システムおよび燃焼システムの制御方法
JP2005067952A (ja) 改質システム及び改質システムの暖機方法
JP3617482B2 (ja) 燃料電池用改質システム
JP2000178001A (ja) 改質器の制御装置
WO2021038257A1 (ja) 燃料電池システム、及び燃料電池システムの制御方法
WO2021116725A1 (ja) 燃料電池システムの制御方法、及び燃料電池システム
JP2001180904A (ja) 燃料蒸発装置
JP2003137504A (ja) 燃料改質装置およびその暖機方法

Legal Events

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

Payment date: 20090525

Year of fee payment: 4

LAPS Lapse due to unpaid annual fee