KR100647850B1 - 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 시스템은 산소를 함유하는 가스와 원료 증기를 사용하여 수소를 함유하는 개질 가스를 생성하는 개질기(8)와 개질 가스 중 수소가 산소와 반응함으로써 발전하는 연료 전지(9)를 구비한다. 제어 장치(21)는 잉여 수소가 개질기(8)에 의해 생성되는지의 여부를 판정하고, 잉여 수소가 생성된 것으로 판정될 때, 개질기(8)를 따뜻하게 유지하기 위해 잉여 수소를 연소시킨다.

Description

연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템 제어 방법{FUEL CELL SYSTEM AND ITS CONTROL METHOD}
본 발명은 연료 전지 시스템, 특히 부하가 감소될 때의 제어에 관한 것이다.
1996년 일본국 특허청에 의해 공개된 일본국 특개평 8-45521호 공보 및 1999년 일본국 특허청에 의해 공개된 일본국 특개평 11-307110호 공보는 연료 전지 시스템을 개시하고 있는데, 이 시스템에서는 탄화수소를 주성분으로 하는 원 연료를 증발하고, 원료 증기와 공기가 개질기에 공급된다. 이 개질기에서는 원료 중 탄화 수소와 공기 중의 산소가 함께 반응하여 수소 농후 개질가스를 생성한다. 이 수소 농후 개질 가스와 공기는 연료 전지에 공급되어, 연료 전지에서는 이 개질 가스 중의 수소와 공기 중의 산소가 전기화학 반응을 수행하여 발전(發電)한다.
상기 연료 전지가 이 연료 전지에서 발전된 전력을 소비하는 부하 장치와 연결될 때는, 운전 조건에 따라 변화하는 부하에 대하여 필요한 전력을 연료 전지가 발생할 수 있도록 개질기에 공급되는 원료와 공기 유량이 제어되어야 한다.
그러나, 부하가 감소할 때, 비록 원료와 공기의 유량이 감소된 부하에 해당하는 유량에 맞춰지도록 증발기가 제어되었다 하더라도, 개질기에는 부하가 감소되기 바로 전에 공급된 원료와 산소가 잔류할 것이므로, 개질기는 한동안은 수소 농후 개질 가스를 계속 생성할 것이며, 따라서 잉여 수소가 생성되게 된다. 이러한 잉여 수소는 불필요한 것이기 때문에, 상기한 종래 기술의 장치에서는, 개질기에 공급되는 원료를 감소시켜 잉여 수소의 생성을 억제한다. 그러나, 원료의 흐름은 계속되어야만 하기 때문에, 연료 소비가 증가한다.
부하의 감소에도 불구하고 원료의 공급이 계속되어야 하는 이유를 하기에 기술한다. 잉여 수소가 불필요하다고 하여, 개질기로의 원료 공급을 감소시키면, 이에 수반하여 개질기의 촉매 온도가 촉매 활성화 온도 이하로 감소된다. 그 다음 부하가 증가되어 수소 농후 개질 가스가 필요하게 되면, 개질기에서 개질반응이 일어나 수소 농후 개질 가스를 생성시키기 위해서는 어느 정도 시간이 걸리기 때문에, 개질기는 그 활성을 유지하기 위해 필요한 온도로 유지시켜야 한다.
그러므로, 본 발명의 목적은 잉여 수소를 사용하여 개질기를 따뜻하게 유지시키고, 부하가 증가하여 수소 농후 개질 가스를 필요로 할 때 수소 농후 개질 가스를 신속하게 생성하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 이루기 위해서, 본 발명은, 산소를 함유하는 가스와 원료 증기를 사용하여 수소를 함유하는 개질 가스를 생성하는 개질기와, 상기 개질 가스 중의 수소를 산소와 반응시킴으로써 발전하는 연료 전지와, 상기 연료 전지에 의해 발전된 전력을 소비하는 부하 장치와, 상기 개질기를 따뜻하게 유지하는 개질기 온도 유지 시스템과, 그리고 상기 개질기에 의해 잉여 수소가 생성되는지의 여부를 판정하고 잉여 수소가 생성된 것으로 판정될 때, 상기 개질기 온도 유지 시스템 내의 잉여 수소를 연소시켜 개질기를 따뜻하게 유지시키는 작용을 하는 제어기를 구비하는 연료 전지 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 일 관점에 따라, 본 발명은, 산소를 함유하는 가스와 원료 증기를 사용하여 수소를 함유하는 개질 가스를 생성하는 개질기 및 상기 개질 가스 중의 수소와 산소를 반응시킴으로써 전력을 발전하는 연료 전지를 구비하는 연료 전지 시스템 제어 방법에 있어서, 상기 개질기에 의하여 잉여 수소가 생성되는지의 여부를 판정하는 단계, 및 잉여 수소가 생성된 것으로 판정될 때, 상기 개질기를 따뜻하게 유지하기 위하여 상기 잉여 수소를 연소시키는 단계를 구비하는 연료 전지 시스템 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 상세 뿐만 아니라 다른 특징 및 이점이 명세서의 나머지 부분에서 설명되며, 첨부 도면에 도시되어 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개략도이다.
도 2는 제어기에 의해 실행된 제어의 상세한 설명을 도시하는 흐름도이다.
도 3은 도 2의 흐름도의 연속부이다.
도 4는 수소 유량 추정 공정을 도시한 흐름도이다.
도 5는 물 유량의 특성도이다.
도 6은 메탄올 유량의 특성도이다.
도 7은 수소 유량 기본값의 특성도이다.
도 8은 질량비 보정값의 특성도이다.
도 9는 온도 보정값의 특성도이다.
도 10은 잉여 수소 유량의 계산을 도시하는 흐름도이다.
도 11은 목표 재순환 개질 가스 유량의 계산을 도시하는 흐름도이다.
도 12는 목표 공기 유량의 계산을 도시하는 흐름도이다.
도 13은 제2 실시예에 따른 분배비의 특성도이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 도시하는 도면이다. 우선, 기본 구성과 작동을 설명한다.
물 탱크(2)의 물과 원 연료 탱크(3)의 메탄올이 물 공급 장치(4)와 메탄올 공급 장치(5)에 의해 증발기(6)로 보내지고 가열되어 물과 메탄올 증기(원 연료 증기)의 혼합물을 이룬 후, 개질기(8)에 공급된다. 여기서, 물 공급 장치(4)와 메탄올 공급 장치(5)는 공급 펌프와 인젝터를 주로 포함한다.
물 유량과 메탄올 유량의 목표값은 연료 전지(9)의 요구 발전량에 기초하여 제어기(21)에 의해 계산되며, 제어기(21)는 이들 목표값이 실현되도록 공급 장치(4, 5) 내 유량 제어 장치(인젝터)를 제어한다. 연료 전지 시스템이 차량에 설치된다면, 요구되는 발전량은 운전자의 가속기 페달 답입량(depression amount)에 기초하여 계산된다.
공기(산소 함유 가스)가 공기 압축기(7)에 의해 개질기(8)로 보내진다. 연료 전지 시스템 전체에 요구되는 모든 공기를 공급하기 위해서, 유량 제어기(16)는 공기 압축기(7)의 회전수를 제어하여, 유량 센서(15)에 의해 검출된 압축기 배출 유량이, 개질기(8)에 의해 요구되는 공기 유량과 연료 전지(9)에 의해 요구되는 공기 유량의 합과 동일하도록 한다. 이 경우, 일본국 특허청에 의해 공개된 일본국 특허출원 2001-338659호 공보에 개시된 비간섭(non-interference) 제어 시스템이 유량 제어기(16)의 제어에 사용될 수도 있다.
개질기(8)는 물과 메탄올의 가스 혼합물이 공기 중 산소와 반응하여 수소 농후 개질 가스를 생성하도록 한다. 개질기(8)는 부분 산화 반응에 의한 발열과 메탄올의 분해에 의한 흡열이 균형을 이루는 자열 조건(autothermal condition) 하에 작동한다. 그러므로, 온도 센서(14)로부터의 개질기 온도가 입력되는 온도 제어기(13)는 개질기(8)에 이르는 공기 통로(11)에 설치된 유량 제어 밸브(12)의 개도를 조절하여 개질기(8)에 공급된 공기 유량을 제어함으로써, 개질기 온도가 목표 온도가 되게 한다.
수소 농후 개질 가스는 낮은 레벨의 일산화탄소를 함유한다. 이 일산화 탄소는 고체 전해질 연료 전지(9)에서 백금을 구비하는 전극 촉매를 못 쓰게 만들어 그 활성을 상당히 감소시키기 때문에, 개질기(8)와 함께 일산화탄소를 제거하는 시프트 반응기가 설치된다.
그리고, 일산화탄소가 매우 낮은 레벨까지 감소된 개질 가스와, 공기 압축기(7)로부터의 공기는 연료 전지(9)의 연료 전극 및 공기 전극에 각각 보내진다. 연료 전지(9)에서는 공기 중의 산소와 개질 가스 중의 수소가 전기 화학 반응하여 발전한다.
연료 전지(9)에서는, 개질 가스 중의 모든 수소를 사용하는 것이 어려우므로, 일부의 잔류 수소를 함유하는 발전용 개질 가스와, 일부의 잔류 산소를 함유하는 발전용 공기가 촉매 연소기(10)로 보내지고, 여기서 연소된다. 그 결과 얻어진 고온 연소 가스가 증발기(6)로 보내지고, 메탄올과 물을 증발시키는 에너지로 사용된다.
연료 전지 시스템이 차량에 장착되고, 연료 전지(9)로부터 취출된 전류가 인버터(18)를 통해 차량 구동 모터(19)에 흐르게 된다. 인버터(18)와 구동 모터(19)는 연료 전지(9)에 의해 발전된 전력을 소비하는 부하 장치이다.
연료 전지 시스템이 운전 조건에 따라 변화하는 부하 장치와 결합될 때는, 개질기(8)에 공급되는 원료 유량과 공기의 유량을 제어하여, 부하 장치에 의해 요구되는 전력이 연료 전지(9)에 의해 생성되도록 해야 한다. 그러나, 부하 장치에 의해 요구되는 전력이 감소할 때(부하가 감소할 때)는, 원료 유량과 공기 유량이 부하 감소 후의 상태에 적합하도록 조정될지라도, 부하 감소 직전의 원료와 공기가 개질기(8)에 남아 있으므로, 개질기(8)는 계속하여 수소가 농후한 개질 가스를 생성하며, 부하 감소시, 부하 장치에 전력 공급에 필요한 것보다 많은 수소(잉여 수소)가 개질 가스 내에 생성된다.
본 발명에 의하면, 운전 조건에 따라 부하가 변화하는 부하 장치와 결합된 연료 전지 시스템에서, 잉여 수소가 부하 감소와 같은 경우에 생성될 때, 이 잉여 수소가 연소되고 이 연소에 의해 생성된 가스가 개질기(8)의 상류로 재순환되어 개질기(8)를 따뜻하게 유지하도록 한다. 개질기(8)를 따뜻하게 유지하기 위하여 잉여 수소를 연소시키기 때문에, 개질기(8)에 원료와 공기를 공급할 필요가 없으므로, 개질기(8)로의 원료와 공기의 공급이 중단된다.
이것에 대해 하기에 상세히 설명한다. 도 1에서, 개질기(8)에 의해 생성된 수소 농후 개질 가스를 연료 전지(9)에 공급하는 통로(22)로부터 분기하는 통로(23)가 제공되며, 이 분기 통로(23)를 통해 개질기(8)로부터 개질 가스의 일부 또는 전체가 개질기 온도 유지 장치(RTMD)(24)에 인도된다.
공기 압축기(7)로부터의 공기가 또한 공기 공급 통로(25)를 통해 개질기 온도 유지 장치(24)에 인도된다. 개질기 온도 유지 장치(24)는 산화 촉매를 구비하며, 분기 통로(23)를 통해 도입되었던 개질 가스 중 잉여 수소가 공기 압축기(7)로부터 공급된 공기 중 산소에 의해 연소된다. 연소된 고온 가스는 통로(26)를 통해 개질기(8)의 입구로 재순환된다.
분기 통로(23)와 공기 공급 통로(25)에 각각 유량 제어 밸브(27, 28)가 설치된다. 이들 제어 밸브(27, 28)의 개도는 제어기(21)로부터의 신호에 의해 제어된다.
제어기(21)에서, 개질기(8)에서 생성된 개질 가스 중 수소 유량(Qh2gen)과 부하 장치에 의해 소비되는 전력을 제공하기 위해 연료 전지(9)에 의해 요구되는 수소 유량(Qh2sum) 사이의 차이에 기초하여 잉여 수소가 생성되는지의 여부가 판정된다. 잉여 수소가 생성된 것으로 판정될 때, 유량 제어 밸브(27, 28)가 모두 개방된다.
제어기(21)에서, 잉여 수소를 연소시켜 개질기(8)의 온도를 유지하는 동안 유지에서 2개의 유량 제어 밸브(27, 28)가 다음과 같이 제어된다.
(1) 부하 감소시 사용된 잉여 수소가 연소기(10)에 전달되어 연소된다. 연소기(10)가 허용 상한 온도(permitted upper limiting temperature)를 초과하여 상승한다면, 연소기(10)의 수명이 단축될 것이다. 그러나, 본 발명과 같이, 잉여 수소가 제거되어, 개질기 온도 유지 장치(24)에서 연소되고 개질기(8)로 재순환된다면, 연소기(10)의 온도 상승이 억제될 수 있다.
또한, 개질기(8)가 연소된 가스의 재순환에 기인하여 허용 상한 온도를 초과하여 상승한다면, 이것이 온도를 유지하기 위한 의도일지라도, 개질기(8)의 수명이 단축될 것이다. 그러므로, 잉여 수소를 처리할 필요가 있을지라도, 연소된 가스는 개질기(8)와 연소기(10)가 허용 상한 온도 이상으로 상승하지 않는 방식으로 재순환되어야만 한다.
그러므로, 온도 센서(31)가 연소기(10)의 온도를 검출하기 위해 부가적으로 제공된다. 재순환 개질 가스의 목표 유량(Qrec)은 온도 센서(31, 14)에 의해 검출된 개질기(8)와 연소기(10)의 온도와 개질 가스 유량(ΔQgas)(이하, 이 개질 가스는 "재순환 개질 가스"로 언급됨)에 기초하여 계산된다. 유량 제어 밸브(27)의 개도는 이후 재순환 개질 가스의 유량이 목표 유량(Qrec)이도록 제어된다.
(2) 재순환 개질 가스 중 잉여 수소를 연소하기 위해 개질기 온도 유지 장치(24)에 공기가 도입되므로, 개질기(8)의 온도가 공기 유량 증가에 의해 조정된다. 여기서, 재순환 개질 가스 중 잉여 수소가 개질기(8)를 따뜻하게 유지하도록 연소될 때, 유량 제어 밸브(28)의 개도는 개질기 촉매가 활성 온도 상태로 유지되도록 실제 개질기 온도에 기초하여 피드백 제어된다.
제어기(21)는 또한 하기와 같이 잉여 수소가 생성되기 이전 상태로의 복귀 제어를 실행한다.
(3) 개질기(8)가 잉여 수소를 사용하여 따뜻하게 유지될 때, 개질기(8)로의 원료 증기와 공기의 공급이 중단되며, 잉여 수소의 생성이 일시적일 때, 일단 재순환 개질 가스 중 잉여 수소가 전부 연소되었다면, 개질기(8)의 온도뿐만 아니라 연소기(10) 또는 증발기(6)의 온도도 떨어질 것이다. 개질기 온도가 촉매가 비활성하는 온도로 떨어지고, 연소기(10)와 증발기(6)의 요구되는 성능이 얻어질 수 없는 온도로 이들 장치들의 온도가 떨어지는 경우, 이에 이어 부하가 증가하여 수소의 생성이 요구될 때, 개질기(8) 내에서의 개질 반응이 빠르게 개시될 수 없어, 수소 생성의 응답 성능이 저하될 것이다.
그러므로, 온도 센서(32)가 증발기(5)의 온도를 검출하기 위해 제공된다. 개질기(8)의 가온이 잉여 수소를 사용하여 개시된 후, 온도 센서(14, 31, 32)에 의해 검출된 개질기(8), 연소기(10) 및 증발기(6) 중 어느 하나의 온도가 각각의 소정값들 아래로 떨어진다면, 개질기 온도 유지 장치(24)에 의한 개질기(8)의 가온이 중단되며, 개질기(8)로의 원료 증기와 공기의 공급이 재개된다(증발기(6)로의 원 연료와 물의 공급이 재개되며, 유량 제어 밸브(12)가 온도 제어기(13)에 의해 개방되어 공기 공급을 재개한다).
(4) 재순환 개질 가스 중에 함유된 잉여 수소가 연소되어 개질기(8)가 따뜻하게 유지될 때, 개질기(8), 연소기(10) 및 증발기(6)의 온도가 그들 각각의 소정값 이하로 종종 떨어질 수 있으므로, 다음의 추가적인 구조와 작동이 제공된다. 특히, 이 때 잉여 수소의 생성 이전 상태로 더 빠르게 시스템을 복귀시키기 위해, 제2 메탄올 공급 장치(35)가 상기 언급한 메탄올 공급 장치(5)와는 별개로 제공되며, 3개의 온도 전부가 그들 각각의 소정값 이하로 떨어졌을 때, (3)의 처리에 부가하여, 연소기(10)의 온도를 상승시키기 위해 제2 메탄올 공급 장치(35)에 의해 연소기(10)에 메탄올이 공급된다.
다음으로, 제어기(21)에 의해 실행되는 상기 제어를 하기 흐름도에 기초하여 상술한다.
제어기(21)는 2개의 유량 제어 밸브(27, 28), 물 공급 장치(4), 메탄올 공급 장치(5), 유량 제어 밸브(12) 및 제2 메탄올 공급 장치(35)를 제어한다. 유량 제어 밸브(12)는 온도 제어기(13)를 통해 제어된다.
도 2 및 도 3은 소정 간격(예컨대, 10 밀리초)으로 이들 6개의 장치에 대해 수행되는 제어를 도시한다.
스텝(S1)에서, 개질기 촉매에 기인한 개질 반응에 의해 생성된 수소 유량(Qh2gen)이 추정된다. 수소 유량(Qh2gen)의 추정은 도 4를 사용하여 기술된다.
도 4에서, 스텝(S21)에서, 유량 센서(17)에 의해 검출된 개질기(8)로의 원료 유량(Qgen)[㎏/min], 공기 유량(Qkai)[㎥/min] 및 온도 센서(14)에 의해 검출된 개질기 온도(Tkai)가 판독된다.
상기 원료 유량(Qgen)은 물 유량과 메탄올 유량을 더하여 얻어지는 값이다. 물 유량과 메탄올 유량이 인젝터에 공급되는 듀티값에 의해 제어될 때(유량은 듀티값이 증가할수록 증가함), 물 유량[㎏/min] 및 메탄올 유량[㎏/min]은 도 5 및 도 6에 도시된 표를 검색함으로써 이들 듀티값으로부터 계산될 수 있으며, 2개가 함께 더해진다면, 원료 유량(Qgen)이 계산될 수 있다.
스텝(S22)에서, 수소 유량 기본값(Qh2gen0)[NL/min]이 도 7에 도시된 표를 검색함으로써 원료 유량(Qgen)으로부터 계산된다. 수소 유량 기본값(Qh2gen0)은 표준 질량비와 표준 개질기 온도를 위한 수소 유량이며, 도 7에 도시된 바와 같이 원료 유량(Qgen)에 정비례한다. 수소 유량 기본값의 단위로 "L(리터)"에 부착된 "N"은 이것이 표준 상태(0℃, 1기압)의 값임을 나타낸다.
표준 질량비와 표준 개질기 온도는 개질기(8)를 운전시키는데 요구되는 질량비와 온도이며, 표준 질량비는 개질기 촉매에서 반응식에 의해 판정된다. 표준 개질기 온도는 개질기 촉매의 사양에 의해 판정되며, 예컨대, 400℃일 수도 있다.
스텝(S23)에서, 공기 유량(Qkai) 중 산소 유량(질량 유량)(Qo2)[㎏/min]은 다음 식(1)에 의해 계산된다:
Qo2 = Qkai ×ρ ×0.21 …(1)
단, ρ= 공기 밀도[㎏/㎥]. 식(1)에서 0.21은 공기 유량 중 산소 유량의 비율이다.
스텝(S24)에서, 질량비(Rmass)는 다음 식(2)에 의해 산소 유량(Qo2)과 원료 유량(Qgen)으로부터 계산된다:
Rmass = Qo2 / Qgen …(2)
이후, 질량비 보정값(H1)이 질량비(Rmass)에 기초하여 도 8에 도시된 표를 검색함으로써 스텝(S25)에서 계산된다.
또한, 온도 보정값(H2)이 개질기 온도로부터 도 9에 도시된 표를 검색함으로 써 스텝(S26)에서 계산된다. 스텝(S27)에서, 이들 2개의 보정값(H1, H2)과 기본값(Qh2gen0)을 사용하여, 개질기(8)에 의해 생성된 수소 유량(Qh2gen)[NL/min]이 다음 식(3)에 의해 계산된다:
Qh2gen = Qh2gen0 + H1 + H2 …(3)
질량비 보정값(H1)은 실제 질량비가 표준 질량비로부터 희박 측(lean side)으로 벗어날 때의 보정값(음(-)의 값)이며, 도 8에 도시된 바와 같이 질량비가 표준 질량비를 초과하면 할수록 수소 유량이 감소하게 하는 값이다. 이는, 질량비가 증가할 때(산소가 증가할 때), 일산화탄소와 이산화탄소 성분이 증가하고, 수소 성분이 감소하기 때문이다. 또한, 온도 보정값(H2)은 실제 개질기 온도가 표준 개질기 온도로부터 고온 측으로 벗어날 때의 보정값(음(-)의 값)이며, 도 9에 도시된 바와 같이 개질기 온도가 표준 개질기 온도를 초과하면 할수록 수소 유량이 감소하게 하는 값이다. 이는, 개질기 온도가 증가할 때, 일산화탄소 성분이 증가하고, 수소 성분이 이에 상응하여 감소하기 때문이다.
도 8, 도 9 및 도 7의 실제 특성은 시뮬레이션 또는 실험에 의해 결정된다.
개질기(8)에 의해 생성된 수소 유량(Qh2gen)의 추정이 완료될 때, 루틴은 도 2로 복귀하며, 스텝(S2)에서, 잉여 수소 유량(ΔQh2)이 계산된다. 잉여 수소 유량(ΔQh2)의 계산을 도 10의 흐름도를 참조하여 설명한다.
도 10에서, 스텝(S31)에서, 전류 센서(33)에 의해 검출된 전류(I)[A]가 판독된다. 전류(I)는 연료 전지(9)로부터 추출될 수 있는 전류이다. 스텝(S32)에서, 부하 장치에 요구되는 전력을 제공하기 위해 연료 전지(9)에 의해 요구되는 수소 유량(이하, 이 수소 유량은 "소비 수소 유량"으로 언급함)(Qh2sum)이 계산된다. 특히, 소비 수소 유량(Qh2sum)[NL/min]은 다음 식(4)에 의해 전류(I)로부터 계산된다:
Qh2sum = K1 ×nc ×I …(4)
nc는 연료 전지(9)를 형성하는 셀의 전체 수 예컨대, 420이다. 계수 K1는 연료 전지(9)의 특성에 의존하는 값이며, 예컨대 7.0이다.
스텝(S33)에서, 개질기(8)에 의해 생성된 수소 유량(Qh2gen)과 소비 수소 유량(Qh2sum) 사이의 차이는 잉여 수소 유량(ΔQh2)으로서 계산된다. 즉, 잉여 수소 유량(ΔQh2)은 다음 식(5)에 의해 계산된다:
ΔQh2 = Qh2gen - Qh2sum …(5)
스텝(S34)에서, 잉여 수소 유량(ΔQh2)이 0(zero)과 비교되어, ΔQh2가 음(-)일 때, 루틴은 스텝(S35)으로 진행하고, ΔQh2는 0으로 제한된다. 이는 식(5)의 계산 결과가 계산 오차에 기인하여 음(-)일 수 있기 때문이며, 이 제한은 그 가능성을 고려한 것이다.
잉여 수소 유량(ΔQh2)의 계산을 종료할 때, 루틴은 도 2로 복귀하며, 스텝(S3)에서, 개질기(8)에 의해 생성된 개질 가스 유량(ΔQgas)[NL/min]이 다음 식(6)에 의해 계산된다:
ΔQgas = ΔQh2 ×K2 …(6)
여기서, K2 = 계수.
개질 가스 유량(ΔQgas)은 항상 잉여 수소 유량(ΔQh2) 보다 커야만 하므로, 계수(K2)는 1.0보다 더 큰 값(일정값)이다.
스텝(S4)에서, 잉여 수소 유량(ΔQh2)이 소정값(예컨대, 0)과 비교되어, 잉여 수소가 존재하는지의 여부가 판정된다. ΔQh2이 소정값보다 작다면(0 이하), 잉여 수소가 생성되지 않으며, 잉여 수소를 연소시킬 필요가 없으므로, 루틴이 종료된다.
다른 한편, ΔQh2이 소정값보다 크다면(양(+)의 값), 잉여 수소가 생성된 것으로 판정되므로, 루틴은 스텝(S5)으로 진행하고, 목표 재순환 개질 가스 유량(Qrec)이 계산된다. 목표 재순환 개질 가스 유량(Qrec)의 계산을 도 11의 흐름도를 참조하여 설명한다.
도 11에서, 스텝(S41)에서, 온도 센서(14)에 의해 검출된 개질기 온도(Tkai)와 온도 센서(31)에 의해 검출된 연소기 온도(Tnen)가 판독된다. 스텝(S42, S43, S44)에서, 개질기(8)의 개질기 온도(Tkai)와 허용 상한 온도(Tmkai)가 비교되고, 연소기(10)의 연소기 온도(Tnen)와 허용 상한 온도(Tmnen)가 비교된다.
이 비교는 개질기(8) 또는 연소기(10)의 온도 상승이 허용 범위 이내에 있는지의 여부를 판정하기 위한 것이다. 이에 대해 상세히 설명하면, 잉여 수소는 반드시 연소되어야 하지만, 연료 개질 시스템에서, 단지 개질기(8)와 연소기(10)만이 잉여 수소를 연소할 수 있다. 이 경우, 개질기(8)와 연소기(10)가 목표 온도로 제어되지만, 잉여 수소가 촉매 반응에 기인하여 연소될 때, 온도가 상승한다. 이 온도 상승이 허용 범위 내에 있다면, 아무 문제가 없다. 그러므로, 잉여 수소는 온도 상승이 허용 범위 내에 있도록 연소된다. 개질기(8)의 목표 온도(tTkai)는 예 컨대, 400℃이며, 연소기(10)의 목표 온도(tTnen)는 370℃이므로, 개질기(8)의 온도 허용값이 ε1(예컨대, 약 20℃)로 판정되고, 연소기(10)의 온도 허용값이 ε2(예컨대, 약 20℃)로 판정된다면, 개질기(8)의 허용 상한 온도는 420℃(Tmkai = tTkai + ε1 = 400℃ + 20℃ = 420℃)이며, 연소기(10)의 허용 상한 온도(Tmnen)는 390℃이다. (tTnen + ε2 = 370℃ + 20℃ = 390℃)
허용 상한 온도(Tmkai, Tmnen)와 실제 온도(Tkai, Tnen)를 비교함으로써, 잉여 수소를 연소시키기 위해 요구되는 온도 상승이 허용될 수 있는지의 여부가 판정될 수 있다.
특히, 다음 4가지의 경우가 구분될 수 있으며, 최적 분배비가 각각의 경우에 대해 개질기(8)와 연소기(10)에 설정된다. 개질기(8)로의 잉여 수소(그러므로, 잉여 수소를 함유하는 개질 가스)의 분배비가 α이면, 연소기(10)로의 분배비는 1 - α이다. α는 0 부터 1까지의 수치이다.
(a) 개질기(8)가 허용 상한 온도(Tmkai) 이하이고, 연소기(10)가 허용 상한 온도(Tmnen) 이하이면, 루틴은 스텝(S45)으로 진행하며, 개질기(8)로의 분배비(α)는 개질기(8)와 연소기(10)에 잉여 수소를 함유하는 개질 가스를 균등하게 분배하기 위해 0.5로 설정된다.
(b) 개질기(8)가 허용 상한 온도(Tmkai) 이하이고, 연소기(10)가 허용 상한 온도(Tmnen) 이상이면, 루틴은 스텝(S46)으로 진행하며, 개질기(8)로 대량 분배되어야 하므로, α는 0.5 보다 큰 값으로 예컨대, 0.7로 설정된다.
(c) 개질기(8)가 허용 상한 온도(Tmkai) 이상이고, 연소기(10)가 허용 상한 온도(Tmnen) 이하이면, 루틴은 스텝(S47)으로 진행하며, 연소기(10)로 대량 분배되어야 하므로, α는 0.5 보다 작은 값으로 예컨대, 0.3으로 설정된다.
(d) 개질기(8)가 허용 상한 온도(Tmkai) 이상이고, 연소기(10)가 허용 상한 온도(Tmnen) 이상이면, 루틴은 스텝(S48)으로 진행하며, 이들 장치 모두에 α가 균등하게 0.5로 설정된다.
스텝(S49)에서, 개질기(8)로 잉여 수소를 함유하는 개질 가스의 분배량(=목표 재순환 개질 가스 유량)(Qrec)[NL/min]은 다음 식(7)에 의해 계산된다:
Qrec = ΔQgas ×α …(7)
연소기(10)로의 분배량은 ΔQgas ×(1 - α)이다.
개질기(8)와 연소기(10)의 온도에 따라 개질기(8)와 연소기(10) 사이의 잉여 수소를 함유하는 개질 가스의 분배를 판정함으로써, 개질기(8)와 연소기(10)의 온도가 과도하게 상승하는 것을 방지한다. 이들 온도 중 어느 하나가 허용 상한 온도 이하이면, 잉여 수소는 대량으로 공급되어 그 장치에 의해 연소될 수 있다.
목표 재순환 개질 가스 유량(Qrec)의 계산을 종료할 때, 루틴은 도 2로 복귀하며, 이 재순환 개질 가스 중 수소를 연소하기 위해 요구되는 공기 유량(tQa)(이하, 이 공기 유량은 "목표 공기 유량"으로 언급함)이 스텝(S6)에서 계산된다.
공기가 개질기 온도 유지 장치(24)에 공급되어야만 하는 이유는, 개질기 온 도 유지 장치(24) 내에 연소 촉매를 충진하고, 산화제(oxidizing agent)가 잉여 수소를 연소하기 위해 요구되기 때문이다. 그러므로, 공기 중 산소가 이 연소에 대한 산화제로서 사용된다.
목표 공기 유량(tQa)의 계산은 도 12의 흐름도를 참조하여 언급한다.
도 12에서, 스텝(S61)에서, 개질기 온도 유지 장치(24)에 분배되는 잉여 수소 유량(ΔQh2)을 연소하기 위해 요구되는 공기 유량은 다음 식(8)에 의해 공기 유량 기본값(Qa0)으로서 계산된다:
Qa0 = ΔQh2 ×α/(2 ×0.21) …(8)
이 식은 다음과 같이 도출된다. 개질기 온도 유지 장치(24)에 분배되는 잉여 수소 유량(ΔQh2)이 재순환 수소 유량(Qh2kw)이라면, 이후:
Qh2kw = ΔQh2 ×α …(9)
화학반응으로부터, 이 재순환 수소 유량(Qh2kw)을 연소하기 위해 요구되는 산소 유량(Qo2kw)은:
Qo2kw = Qh2kw/2 …(10)
이 산소 유량(Qo2kw)을 함유하는 공기 유량(Qa0)은:
Qa0 = Qo2kw/0.21 …(11)
식(9) 내지 (11)을 조합하여, 식(8)이 얻어진다.
스텝(S62)에서, 온도 센서(14)에 의해 검출된 개질 온도(Tkai)가 판독된다. 스텝(S63)에서, 개질기 온도가 제1 소정값(V1)과 비교된다. 개질기(8)가 잉여 수소를 연소시킴으로써 생성된 가스에 의해 가열될 때, 개질기(8)의 온도가 연소 가스의 도입에 기인하여 증가한다면, 개질 촉매가 활성되어, 잉여 수소가 연소될지라도 대량의 수소가 생성된다. 반대로, 개질기(8)의 온도가 낮다면, 개질 촉매는 비활성되어, 수소가 생성되지 않는다. 그러므로, 개질 촉매의 활성을 유지하는 상한 온도는 제1 소정값(V1)으로서 설정된다. 구체적으로, 제1 소정값(V1)은 목표값(tTkai)(예컨대, 400℃) 또는 목표값보다 낮은 온도(대략 350℃)로 설정된다.
개질기 온도(Tkai)가 제1 소정값(V1)(=활성화 하한 온도) 이하이면, 루틴은 스텝(S64)로 진행하며, 활성 상태가 유지될 수 있는 온도로 개질기(8)를 상승시키며, 공기 유량 기본값(Qa0)이 제2 소정값(V2)과 비교된다.
제2 소정값(V2)은 개질기 온도 유지 장치(24)의 운전 영역이 제1 영역 또는 제2 영역 내에 놓여있는지의 여부를 판정하는데 사용된다. 제1 영역은 공기 유량(산소 유량)이 감소될 때 개질기 온도 유지 장치(24) 내 촉매 연소 온도가 감소되고, 공기 유량(산소 유량)이 증가될 때 개질기 온도 유지 장치(24) 내 촉매 연소 온도가 증가하는 영역이다. 제2 영역은 공기 유량(산소 유량)이 감소될 때 개질기 온도 유지 장치(24) 내 촉매 연소 온도가 증가되고, 공기 유량(산소 유량)이 증가될 때 개질기 온도 유지 장치(24) 내 촉매 연소 온도가 감소하는 영역이다. 제1 영역의 특성은 공기 유량이 작을 때 얻어지며, 제2 영역의 특성은 어느 정도의 공기 유량이 초과될 때 얻어진다.
그러므로, 공기 유량 기본값(Qa0)이 제2 소정값(V2) 이하일 때(제1 영역), 개질기 온도 유지 장치(24) 내 촉매 연소 온도는 공기 유량을 증가시킴으로써 증가 하고, 루틴은 스텝(S65)으로 진행하며, 공기 유량 피드백량(Qfb)은 소정값(ΔQa1)만큼 증가된다. 특히, 공기 유량 피드백량(Qfb)은 다음 식(12)에 의해 계산된다:
Qfb = Qfbz + ΔQa1 …(12)
여기서, Qfbz = Qfb의 직전 값.
스텝(S70)에서, 목표 공기 유량(tQa)이 다음 식(13)에 의해 계산된다:
tQa = Qa0 + Qfb …(13)
운전 영역이 제1 영역 내에 있고, 개질기(8)의 온도가 제1 소정값(V1) 이하일 때, 공기 유량은 개질기(8)의 온도가 제1 소정값(V1)에 근접하도록 제어 간격에 식(12), (13)에 의해 연속적으로 증가되므로, 개질기 온도 유지 장치(24)로부터 개질기(8)에 공급되는 연소 가스의 온도가 상승한다. 이와 같이, 활성화 하한 온도에 아직 도달하지 않은 개질기(8)는 활성화 하한 온도를 초과하는 온도로 빠르게 복귀될 수 있다.
도시되지 않았지만, 각 제어 간격에서 식(12)에 의해 공기 유량이 연속적으로 증가될지라도 개질기(8)의 온도가 떨어진다면, 공기 유량의 증가가 중단된다.
반대로, 개질기(8)의 온도가 소정값(V1) 이하이고, 공기 유량 기본값(Qa0)이 제2 소정값(V2)를 초과할 때(제2 영역), 루틴은 스텝(S63, S64)으로부터 스텝(S66)으로 진행하며, 공기 유량 피드백량(Qfb)은 소정값(ΔQa1)에 의해 감소된다. 특히, 공기 유량 피드백량(Qfb)은 다음 식(14)에 의해 계산된다:
Qfb = Qfbz - ΔQa1 …(14)
여기서, Qfbz = Qfb의 직전 값.
스텝(S70)의 처리가 실행된다.
개질기(8)의 온도가 소정값(V1)을 초과할 때, 루틴은 스텝(S63)으로부터 스텝(S67)으로 진행하며, 공기 유량 기본값(Qa0)은 제2 소정값과 비교된다. Qa0가 제2 소정값(V2) 이하이면(제1 영역), 루틴은 스텝(S68)로 진행하며, 공기 유량 피드백량(Qfb)은 소정값(ΔQa0)만큼 감소된다. 특히, 공기 유량 피드백량(Qfb)은 다음 식(15)에 의해 계산된다:
Qfb = Qfbz - ΔQa2 …(15)
여기서, Qfbz = Qfb의 직전 값이며, 스텝(S70)의 처리가 실행된다.
개질기 온도 유지 장치(24)의 운전 영역이 제1 영역 내에 있고, 개질기(8)의 온도가 제1 소정값(V1) 이상일 때, 공기 유량이 개질기(8)의 온도가 제1 소정값(V1)에 근접하도록 제어 간격에 식(15), (13)에 의해 연속적으로 증가되고, 개질기 온도 유지 장치(24)에서 연소가 완료되지 않았면, 대량의 미연소 개질 가스가 연소된 가스 중에 함유되어 있을 것이다. 연소된 가스가 분기 통로(23)를 경유하여 개질기 온도 유지 장치(24) 내로 다시 개질기(8)를 통과할 때, 개질기 온도 유지 장치(24)에서의 연소가 미연소 가스에 의해 계속된다. 이와 같이, 개질기 온도 유지 장치(24)의 가열 시간이 연장될 수 있다.
반대로, 개질기(8)의 온도가 제1 소정값(V1)을 초과하고, 공기 유량 기본값(Qa0)이 제2 소정값(V2)을 초과할 때(제2 영역), 루틴이 스텝(S63, S67)으로부터 스텝(S69)으로 진행하며, 공기 유량 피드백량(Qfb)이 고정값(ΔQa2)만큼 증가된다. 특히, 공기 유량 피드백량(Qfb)이 다음 식(16)에 의해 계산된다:
Qfb = Qfbz + ΔQa2 …(16)
여기서, Qfbz = Qfb의 직전 값이며, 스텝(S70)의 처리가 실행된다.
목표 공기 유량(tQa)의 계산을 종료할 때, 루틴은 도 2로 복귀하고, 스텝(S7)에서, 온도 센서(14, 31, 32)에 의해 검출된 3개의 온도(개질기 온도(Tkai), 연소기 온도(Tnen) 및 증발기 온도(Tjou))가 각각의 소정값(Vkai, Vnen, Vjou)과 비교된다.
이들 각각의 소정값(Vkai, Vnen, Vjou)은 다음과 같다. 개질기(8)에 대한 소정값(Vkai)은 개질기(8)의 활성이 유지될 수 있는 최저 온도(활성화 하한 온도) 예컨대, 400℃이다. 연소기(10)에 대한 소정값(Vnen)은 연소기(10)에 요구되는 기능이 유지될 수 있는 최저 온도 예컨대, 370℃이다. 증발기(6)에 대한 소정값(Vjou)은 증발기(10)에 요구되는 기능이 유지될 수 있는 최저 온도 예컨대, 110℃이다.
3개의 온도(Tkai, Tnen, Tjou)가 각각의 소정값(Vkai, Vnen, Vjou)보다 높다면, 루틴은 스텝(S9, S10)으로 진행하며, 개질기 온도 유지 장치(24)가 작동되며, 개질기(8)로의 원료 증기와 공기의 공급이 중단된다.
각각의 소정값(Vkai, Vnen, Vjou)보다 높은 3개의 온도(Tkai, Tnen, Tjou)를 조건으로 취하는 이유는, 개질기 촉매가 활성화 온도가 아니고 또는 연소기(10) 또는 증발기(6)에 요구되는 기능이 유지되지 않을지라도, 개질기 온도 유지 장치(24)가 작동되어, 개질기(8)로의 원료 증기와 공기의 공급이 중단된다면, 부하 감소로부터 부하 증가로의 전환이 존재한다면, 부하 감소 직전 상태(잉여 수소의 생성 이 전 상태)로의 복귀가 지연되기 때문이다. 그러므로, 루틴은 3개의 온도(Tkai, Tnen, Tjou)가 각각의 소정값(Vkai, Vnen, Vjou)보다 모두 높을 때만 스텝(S8)으로 진행하며, 3개의 온도가 각각의 소정값보다 높은 상태인지의 여부가 소정의 시간 이상 동안 연속하여 시험된다.
3개의 온도가 각각의 소정값보다 높은 상태가 소정의 시간 이상 동안 연속되지 않는다면, 이 처리는 종료되며, 3개의 온도가 각각의 소정값보다 높은 상태가 소정의 시간 이상 동안 연속할 때만, 루틴이 스텝(S9, S10)으로 진행한다.
3개의 온도가 소정의 시간 이상 동안 각각의 소정값보다 높은 상태의 존속을 조건으로 취하는 이유는, 다음과 같다. 특히, 3개의 온도 중 어느 하나가 소정값보다 높지 않지만, 3개의 온도 모두가 소음(noise) 등의 영향에 기인하여 각각의 소정값보다 일시적으로 높아지는 경우가 생성할 수 있다. 이는 소음의 영향에 기인하여 판정이 부정확해짐을 의미한다. 소음이 온도 신호에 영향을 미칠수 있는 시간보다 긴 시간이 소정 시간으로 설정된다면, 소음이 온도 신호에 영향을 미쳐, 3개의 온도가 모두 소정값보다 높을지라도, 이 상태는 소정 시간보다 길게 연속하지 않으며, 루틴은 추가의 스텝없이 종료된다. 그러므로, 3개의 온도가 소정의 시간 이상 동안 각각의 소정값보다 높은 상태의 존속을 조건으로 취하는 이유는, 온도 신호에서의 소음의 영향에 기인하여 부정확한 판정을 방지하는 것이다.
3개의 온도가 각각의 소정값보다 높은 상태가 소정 시간 이상 동안 연속할 때, 잉여 수소를 함유하는 개질 가스를 연소하기 위해서, 스텝(S9)에서, 유량 제어 밸브(27)의 개도가 목표 재순환 개질 가스 유량(Qrec)을 실현하기 위해 제어되고, 유량 제어 밸브(28)가 목표 공기 유량(tQa)을 실현하기 위해 제어된다.
유량 제어 밸브(27, 28) 대신에, 가스 유량을 목표 유량으로 자동으로 조정하는 제어 밸브가 또한 사용될 수도 있다. 이들 제어 밸브는 유량 센서를 포함하며, 계산된 재순환 개질 가스 유량(Qrec) 또는 목표 공기 유량(tQa)이 입력될 때, 밸브는 내부 유량 센서에 의해 검출된 실제 유량과 입력값이 일치하도록 구동된다.
또한, 잉여 수소는 개질기 온도 유지 장치(24)에서 연소되며, 개질기(8)는 연소 가스에 의해 가온을 유지하므로, 원료 증기와 공기를 개질기(8)에 공급할 필요가 존재하지 않는다. 그러므로, 스텝(S10)에서, 증발기(6)로의 원료 공급을 중단하는 지령, 개질기(8)로의 공기 공급을 중단하는 지령이 온도 제어기(13)에서 생성된다.
이들 지령이 수신된 물 공급 장치(4)와 메탄올 공급 장치(5)에서, 인젝터가 폐쇄된다. 이들 지령이 수신된 온도 제어기(13)에서, 유량 제어 밸브(12)가 폐쇄된다.
스텝(S7)에서, 개질기 온도 유지 장치(24)에 의한 가열이 계속되는지의 여부가 판정된다. 잉여 수소가 생성될 때, 개질기(8)로의 원료 증기와 공기의 공급이 중단되고, 개질기 온도 유지 장치(24)에 의한 가열이 연속된다면, 개질기 온도 유지 장치(24)에 의해 연소된 수소는 완전 소비되고, 불활성(inert) 가스(연소후의 가스)는 개질기(8)와 개질기 온도 유지 장치(24) 사이에서 재순환된다. 이 경우, 개질기 온도 유지 장치(24)에 기인한 가열은 어떠한 영향도 없으며, 개질기의 온도는 떨어진다. 또한, 연소기(10)와 증발기(6)의 온도는 열 손실에 기인하여 떨어진다.
그러므로, 3개의 온도 중 어느 하나가, 개질기 온도 유지 장치(24)에 의한 가열 중 소정 온도 이하일 때, 루틴은 스텝(S7)으로부터 도 3으로 진행하고, 개질기(8), 연소기(10) 및 증발기(6)의 온도에 따라, 원료 증기와 공기의 공급이 중단될 때의 개질기 온도 유지 장치(24)에 의한 가열은 해제된다.
구체적으로, 이 해제는 다음 2개의 경우에 발생한다.
(1) 개질기 온도 유지 장치(24)에 의한 가열 중, 3개의 온도가 각각의 소정값 이하로 모두 떨어질 때, 루틴은 스텝(S11)으로부터 도 3의 스텝(S12, S13)으로 진행하여, 다음의 처리가 실행된다.
(a) 개질기 온도 유지 장치(24)로의 재순환이 중지된다(유량 제어 밸브(27)가 폐쇄된다).
(b) 증발기(6)로의 원료 공급이 시작된다(물 공급 장치(4)와 메탄올 공급 장치(5)에서 인젝터가 개방된다).
(c) 개질기(8)로의 공기 공급이 시작된다(유량 제어 밸브(12)가 개방된다).
(d) 연소기(10)로의 연료 공급이 시작된다(제2 메탄올 공급 장치(35)의 인젝터가 개방된다).
상기 작동(d)이 추가되는 이유는, 3개의 온도 전체가 그들 각각의 소정값 이하로 떨어질 때, 연소기(10)의 상류측이 바로 가열되지 않고, 전체 연료 개질 시스템을 가열하여, 이것이 연소기(10)에 원 연료를 공급하여 원 연료를 개별적으로 연소하는데 효과적이기 때문이다.
이에 의해, 공급된 원 연료(메탄올)의 연소에 기인하여 연소기(10)의 온도가 먼저 상승한다. 증발기(6)의 온도는 연소기(10)로부터 연소된 가스에 기인하여 상승한다. 증발기(6)의 온도가 상승할 때, 증발기(6)에 의해 증발된 원료가 개질기(8)로 운송되고, 개질기(8)의 온도는 원료 증기의 부분 산화 반응에 기인하여 상승한다. 개질 촉매가 활성화 온도에 도달할 때, 개질기(8)는 수소 농후 개질 가스를 생성시키며, 연료 전지(9)에 의해 사용되지 않았던 개질 가스 중 수소가 연소기(10)에 의해 연소된다. 그러므로, 개질기(8)의 온도는 활성화 온도로 복귀되며, 연소기(10)와 증발기(6)의 온도는 그 기능이 유지될 수 있는 온도로 복귀되어, 수소 농후 개질 가스가 생성된다.
(2) 3개의 온도 중 어느 하나가 개질기 온도 유지 장치(24)에 의한 가열 중 소정값 이하로 떨어질 때, 루틴은 스텝(S11, S14)으로부터 스텝(S15)으로 진행하며, 상기 (a) 내지 (c)로부터의 작동이 실행된다.
이들 작동에 기인하여, 개질기(8)의 온도는 부분 산화 반응의 반응열에 기인하여 상승하고, 연소기(10)의 온도는 연료 전지에 의해 사용되지 않았던 개질기(8)에 의해 생성된 수소 농후 개질 가스 중 수소의 연소에 기인하여 상승하며, 증발기(6)의 온도는 연소기(10)의 온도 상승의 효과에 기인하여 상승한다.
상기(2)에서, 작동(d)은 생략된다. 이는, 3개의 온도 중 어느 하나가 소정 값 이하일 때, 개질기(8), 버너(10) 및 증발기(6)가 바로 가열될 수 있으므로, 연소기(10)에 개별적으로 연료를 공급할 필요가 존재하지 않기 때문이다.
그러나, 상기(1) 및 (2)에서, 대량의 원료가 갑작스럽게 공급된다면, 증발기(6)의 온도가 강하할 수 있으므로, 원재료의 증가율을 소정값(고정값)으로 억제하면서 원료를 공급한다.
그러므로, 개질기 온도 유지 장치(24)에 의한 가열의 실행 또는 차단 여부는 개질기(8), 연소기(10) 및 증발기(6)의 온도에 따른 제어 간격에서 반복적으로 판정되므로, 개질 촉매는 활성화 온도에서 연속적으로 유지될 수 있고, 개질기(8)에서 수소 농후 개질 가스를 다시 생성시킬 필요가 있을 때, 응답이 양호한 수소 농후 개질 가스가 생성될 수 있다.
다음으로, 본 실시예의 작용에 대해 설명한다.
본 실시예에서, 개질기 온도 유지 시스템은, 잉여 수소가 존재하는지를 판단할 때, 개질기(8)의 상류측 잉여 수소를 함유하는 개질 가스의 일부 또는 전부를 재순환하는 재순환 장치, 및 재순환 장치에 의해 재순환된 개질 가스를 연소시킴으로서 생성된 가스를 사용하여 개질기(8)를 가열하는 개질기 온도 유지 장치(24)를 구비한다. 그러므로, 잉여 수소를 생성시킬 수 있었던 부하 감소가 존재할 때, 잉여 수소는 개질기(8)를 가열하도록 연소된다. 이에 의해, 개질기 촉매의 온도는 개질기(8)에서 개질 반응을 촉진시키기 위해서 충분한 온도로 유지될 수 있다. 잉여 수소를 생성하는 부하 감소 후, 수소 생성을 필요로 하는 부하 증가가 존재한다면, 개질기(8)에서의 개질 반응이 빠르게 개시될 수 있으며, 수소 생성의 응답 성능(response perfomance)이 향상된다.
개질기(8)가 개질 가스를 연소시킴으로써 얻어진 가스를 사용하여 개질기 온도 유지 장치(24)에 의해 가열될 때, 개질기(8)로의 원료 증기와 공기(산소를 함유하는 가스)의 공급이 중단되므로, 잉여 수소를 생성시키면서 잉여 원료의 소비가 방지되고, 연료 소비가 억제된다(도 2의 스텝(S4, S10)).
잉여 수소가 생성될 때, 불필요한 원료 소비는 증발기(6)로의 원료 공급을 중단함으로써 방지된다. 그러나, 원료와 공기가 개질기(8)에 더 이상 공급되지 않을 때, 촉매 반응이 일어나지 않으며, 개질기(8)의 온도는 정상으로 떨어질 것이다. 개질기(8)의 온도가 떨어지고, 수소가 요구되며, 개질기(8) 내 개질 가스를 생성할 필요가 있다면, 개질기 중 촉매가 활성될 다수의 시간이 요구되며, 응답 성능이 악화된다. 따라서, 개질기(8)는 촉매 활성화 온도를 일정하게 유지해야만 한다. 본 실시예에서, 개질기(8)에 의한 잉여 수소의 생성은, 개질기(8)로의 공기의 공급과 증발기(6)로의 원료의 공급이 원료와 공기 공급 지연에 기인하여 차단된 후일지라도 다소의 시간 동안 계속되므로, 개질기 온도 유지 장치(24)는 개질 가스 중 잉여 수소를 연소하여, 개질기(8)를 따뜻하게 유지하도록 사용된다.
잉여 수소가 생성된 것으로 판정될 때, 목표 재순환 개질 가스량(Qrec)이 개질기(8)와 연소기(10)의 온도, 및 잉여 수소를 함유하는 개질 가스량(ΔQgas)에 기초하여 계산된다(도 11). 이후, 목표 재순환 개질 가스 유량(Qrec)이 실현되도록 유량 제어 밸브(27)의 개도가 제어된다. 재순환 개질 가스 유량은 개질기(8)와 연소기(10)의 온도에 따라 조정될 수 있으므로, 개질기(8)와 연소기(10)의 온도는 각각의 허용 상한 온도를 초과하는 것을 방지하면서, 개질 촉매가 활성 상태를 유지한다.
잉여 수소를 함유하는 개질 가스는 개질기(8)와 버너(10)의 온도에 기초하여 개질기(8)와 버너(10) 사이에 분배된다(도 11). 잉여 수소를 함유하는 개질 가스의 개질기(8)와 연소기(10)로의 분배 유량은 개질기(8)와 연소기(10)의 온도에 따라 변화될 수 있으므로, 개질기(8)와 연소기(10)의 온도가 각각의 허용 상한 온도를 초과하는 것이 방지된다.
분배비는 개질기(8)와 연소기(10) 중 어느 것이든 각각의 허용 상한 온도 이하로 증가되므로, 잉여 수소가 개질기(8)와 연소기(10)의 온도가 허용 상한 온도를 초과하지 않는 범위 내에서 연소된다.
개질기(8)와 연소기(10) 양자의 온도가 허용 상한 온도 이하이고, 대량의 개질 가스가 그 중 하나에 공급된다면, 대량으로 공급되었던 장치의 온도가 허용 상한 온도를 초과할 가능성이 존재한다. 그러나, 개질기와 연소기(10) 양자의 온도가 허용 상한 온도 이하이면, 분배비가 균등해지므로(도 11의 스텝(S42, S43, S45)), 단지 하나의 장치로의 대량의 개질 가스의 분배가 회피된다.
유량 제어 밸브(27)에 의해 재순환된 개질 가스를 연소하기 위해 개질기 온도 유지 장치(24)에 공기가 공급될 때, 개질기 온도 유지 장치(24)로의 이 공기의 공급 유량은 개질기 온도에 기초하여 제어되므로(도 12), 활성화 온도로 개질 촉매의 온도를 유지하도록 공기 유량이 조정될 수 있다. 예컨대, 개질기 온도가 높으면 높을수록 공기 유량을 감소시킴으로써, 미연소 개질 가스가 개질기(8)와 개질기 온도 유지 장치(24) 사이에서 연속적으로 재순환되므로, 개질기 온도 유지 장치(24)에 기인한 가열 시간이 연장될 수 있고, 개질기(8)로의 원료와 공기의 공급이 중단되는 시간이 연장될 수 있으며, 연료 소비가 더 억제될 수 있다. 개질기 온도가 낮을 때, 공기 유량을 증가시킴으로써, 개질기 온도 유지 장치(24)에 기인한 가열 효과가 증가되며, 개질 촉매의 온도가 활성화 온도로 유지될 수 있다.
개질기 온도가 제1 소정값(개질 촉매의 활성화 하한 온도) 이상일 때, 개질기 온도 유지 장치(24)에 공급되는 공기 유량이 감소되므로(도 12의 스텝(S63, S67, S68)), 미연소 개질 가스가 개질기(8)와 개질기 온도 유지 장치(24) 사이에서 연속적으로 재순환되며, 개질기 온도 유지 장치(24)에 기인한 가열 시간이 연장될 수 있다.
개질기 온도가 제1 소정값(개질 촉매의 활성화 하한 온도) 이하일 때, 개질기 온도 유지 장치(24)에 공급되는 공기 유량이 증가되므로(도 12의 스텝(S63, S64, S65)), 고온의 미연소 가스가 개질기(8)에서 재순환되며, 개질기(8)의 온도가 활성화 온도로 상승될 수 있다.
개질기(8)가 개질기 온도 유지 장치(24)에 의해 가열되고, 개질기(8)로의 원료와 공기의 공급이 중단될 때, 개질기(8), 연소기(10) 및 증발기(6) 중 어느 하나의 온도가 각각의 소정값 아래로 떨어진다면, 개질기 온도 유지 장치(24)에 의한 개질기(8)의 가열이 정지되며, 개질기(8)로의 원료와 공기의 공급이 재개되므로(도 2의 스텝(S7), 도 3의 스텝(S11, S14, S15)), 부분 산화 반응이 개질기(8)에서 생성하며, 개질기 온도가 상승하여, 개질기 온도가 소정값을 초과하는 온도로 복귀될 수 있다. 또한, 개질 가스는 개질기(8) 내의 개질 반응에 기인하여 생성되며, 이 개질 가스는 연소기(10)에서 연소되고, 발생된 열이 증발기(6)에 공급되므로, 연소기(10)와 증발기(6)의 온도도 소정값을 초과하는 온도로 복귀될 수 있다.
개질기(8)가 개질기 온도 유지 장치(24)에 의해 가열되고, 개질기(8)로의 원료 증기와 공기의 공급이 중단되지만, 개질기 온도의 감소를 초래할 수 있는 개질기 온도 유지 장치(24) 내의 가연성(combustible) 개질 가스의 부족 또는 연소기 온도의 감소에 이어 증발기 온도의 감소를 초래할 수 있는 연소기(10)에 의해 연소된 가연성 가스의 부족이 방지된다.
개질기(8), 연소기(10) 및 증발기(6)의 3개의 온도 모두가 각각의 소정값을 넘어 복귀한 후, 3개의 온도가 모두 각각의 소정값을 넘어 복귀된 상태가 소정 시간 동안 연속될 때, 개질기 온도 유지 장치(24)에 의한 개질기(8)의 가열과 원료 증기와 공기의 공급의 차단이 다시 실행된다(도 2의 스텝(S4, S7 내지 S10)). 이와 같이, 소정 시간이 경과한 후, 개질 촉매의 온도가 개질 반응을 촉진시키기 위해 충분한 온도로 다시 유지될 수 있으며, 잉여 수소를 생성시키는 부하 감소 후 부하가 증가할 때, 개질기(8) 내의 개질 반응이 빠르게 재개될 수 있다.
개질기(8)에 의해 생성된 개질 가스의 수소 유량(Qh2gen)과, 인버터(18)와 구동 모터(19)(부하 장치)에 의해 요구되는 전력의 발전을 위해 연료 전지(9)에 의해 요구되는 수소 유량(Qh2sum) 사이의 차이는, 잉여 수소 유량(ΔQh2)으로서 설정되므로(도 10), 잉여 수소 유량(ΔQh2)은 부하 장치에 의해 소비된 전력의 변동에 따라 얻어진다.
개질기 온도가 표준 온도를 초과하면 할수록, 개질 가스 중 일산화탄소는 증가하고, 개질 가스 중 수소 성분의 비율은 감소한다. 그러나, 개질기(8)가 표준 온도일 때, 개질기(8)에 의해 생성된 개질 가스 중의 수소 유량은 개질기 온도에 기초하여 보정되며, 보정값이 개질기(8)에 의해 생성된 개질 가스 중의 수소 유량으로서 취해지므로(도 4의 스텝(S26, S27)), 수소 성분량은 개질기 온도가 표준 온도 이상일 때 조차 고정밀도로 추정될 수 있다.
질량비가 표준 질량비를 초과하면 할수록(산소량이 클수록), 개질 가스 중 일산화탄소가 증가하고, 개질 가스 중 수소 성분이 감소한다. 그러나, 개질기(8)에 공급된 원료와 산소의 질량비가 표준 질량비일 때, 개질기(8)에 의해 생성된 개질 가스 중 수소 유량은 개질기(8)에 공급된 원료와 산소의 실제 질량비에 기초하여 보정되며, 보정값이 개질기(8)에 의해 생성된 개질 가스 중의 수소 유량으로서 취해지므로(도 4의 스텝(S25, S27)), 수소 성분은 질량비가 표준 질량비 이상일 때 조차 고정밀도로 추정될 수 있다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 개질기(8)에 잉여 수소를 함유하는 개질 가스의 분배비(α)의 특성도이다. 제1 실시예에서, 개질기(8)로의 잉여 수소를 함유하는 개질 가스의 분배비(α)는 이산값(discret value)이었지만, 제 2 실시예에서는 개질기 온도에 따른 연속값이다.
특히, 도 13에 도시된 바와 같이, 개질기의 온도가 목표 온도보다 낮으면 낮을수록, 분배비(α)는 크게 설정된다. 그 이유는 다음과 같다. 목표 온도에 도달되지 않았을 때, 잉여 수소의 연소와 온도 상승이 허용된다. 목표 온도에 도달될 때, 잉여 수소의 온도와 온도의 상승이 허용될 수 없다. 그러므로, 개질기 온도가 낮을수록, α가 크게 설정된다.
본 실시예에 부가하여, 다음과 같은 분배 방법이 고려될 수 있다. 개질기(8)와 연소기(10) 중 단위 개질 가스 변화량 당 더 큰 온도 변화를 갖는 쪽에 대량의 개질 가스가 공급될 때, 단위 개질 가스 변화량 당 더 큰 온도 변화를 갖는 장치의 온도가 허용 상한 온도를 초과하는 경우가 발생할 수도 있다. 그러므로, 개질기(8)와 연소기(10) 중 단위 개질 가스 변화량 당 더 작은 온도 변화를 갖는 쪽에 분배비가 증가된다.
이 방법에 따라, 단위 개질 가스 변화량 당 더 큰 온도 변화를 갖는 장치의 온도가 허용 상한 온도를 초과할 가능성이 회피된다.
일본국 특허 출원 2002-72059호(2002년 3월 15일자 출원)의 전체 내용이 참조로 본 명세서에 내재되어 있다.
본 발명이 본 발명의 특정 실시예를 참조로 하여 상기에 기술되어 있지만, 본 발명은 상기 기술된 실시예로 한정되는 것은 아니다. 상기 기술된 실시예의 변경 및 변형이 당업자에 의해 생성될 수 있다. 본 발명의 범위는 하기의 청구항을 참조로 하여 정의된다.
본 발명은 예컨대, 차량용 연료 전지 시스템과 같은 연료 전지 시스템에 적용될 수도 있으며, 이 시스템은 개질기에 공급되는 원료를 함유하는 가스와 산소를 함유하느 가스의 유량을 제어하므로, 연료 전지는 운전 조건에 따라 변화하는 부하에 의해 요구되는 전력을 발전한다. 부하 감소가 발생할 때 생성된 잉여 수소를 효과적으로 사용함으로써, 시스템의 연료 비용 성능이 향상한다.

Claims (23)

  1. 산소를 함유하는 가스와 원료 증기를 사용하여 수소를 함유하는 개질 가스를 생성하는 개질기(8);
    상기 개질 가스 내의 수소를 산소와 반응시킴으로써 발전하는 연료 전지(9);
    상기 연료 전지(9)에 의해 발전된 전력을 소비하는 부하 장치(18, 19);
    상기 개질기(8)를 따뜻하게 유지하는 개질기 온도 유지 시스템(23, 24, 26, 27); 및
    부하 감소시에 개질기에 원료와 산소가 잔류하여 생기는 잉여수소가 상기 개질기(8)에 의해 생성되는지의 여부를 판정하고, 상기 잉여 수소가 생성된 것으로 판정될 때, 상기 개질기 온도 유지 시스템(23, 24, 26, 27) 에서 상기 잉여 수소를 연소시켜 상기 개질기(8)를 따뜻하게 유지하는 작용을 하는 제어기(21);
    를 구비하는 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 개질기 온도 유지 시스템(23, 24, 26, 27)은,
    잉여 수소를 함유하는 개질 가스의 일부 또는 전체를 상기 개질기(8)의 상류 로 재순환시키는 재순환 장치(recycling device)(27), 및
    상기 재순환 장치(27)에 의해 재순환된 개질 가스 중의 잉여 수소를 연소시켜 생성된 가스를 사용하여 상기 개질기(8)를 따뜻하게 유지하는 개질기 온도 유지 장치(24)를 구비하는, 연료 전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어기(21)는 추가로, 잉여 수소가 생성된 것으로 판정될 때, 상기 개질기(8)로의 원료 증기와 산소를 함유하는 가스의 공급을 중단하도록 작용하는, 연료 전지 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 추가로
    상기 연료 전지(9)에 의해 사용되지 않았던 개질 가스 중의 수소를 연소시키는 연소기(10), 및
    상기 연소기(10)의 열에 의해 원료를 증발시키는 증발기(6)를 포함하는, 연료 전지 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어기(21)는 추가로,
    잉여 수소가 생성된 것으로 판정될 때, 잉여 수소를 함유하는 개질 가스의 유량, 상기 개질기(8)의 온도 및 상기 연소기(10)의 온도에 기초하여 상기 재순환 장치(27)에 의해 재순환된 개질 가스의 목표 유량을 계산하고,
    상기 재순환 장치(27)에 의해 재순환된 개질 가스가 목표 유량이 되게 상기 재순환 장치(27)를 제어하도록 작용하는, 연료 전지 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어기(21)는 추가로,
    생성된 잉여 수소의 유량에 기초하여 재순환된 개질 가스의 목표 유량을 계산하도록 작용하는, 연료 전지 시스템.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 제어기(21)는 추가로,
    상기 개질기(8)와 상기 연소기(10)의 온도에 기초하여 상기 개질기(8)와 상기 연소기(10) 사이에 잉여 수소를 함유하는 개질 가스를 분배하는 분배비를 설정하고,
    상기 분배비와 잉여 수소를 함유하는 개질 가스의 유량에 기초하여, 재순환된 개질 가스의 목표 유량을 계산하도록 더 작용하는, 연료 전지 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어기(21)는 추가로,
    상기 개질기(8)와 상기 연소기(10) 중, 각각의 허용 상한 온도보다 낮은 온도를 갖는 쪽으로 분배비가 치우치도록(bias) 작용하는, 연료 전지 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어기(21)는 추가로,
    상기 개질기(8)와 상기 연소기(10)가 각각의 허용 상한 온도보다 낮은 온도를 가질 때, 분배비를 균등하게 하도록 작용하는, 연료 전지 시스템.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어기(21)는 추가로,
    상기 개질기(8)와 상기 연소기(10) 중, 단위 개질 가스 변화량 당 온도 변화가 더 낮은 쪽으로 분배비가 치우치도록 작용하는, 연료 전지 시스템.
  11. 제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기(21)는 추가로,
    상기 재순환 장치(27)에 의해 재순환된 개질 가스 중 잉여 수소를 연소시키기 위해 상기 개질기 온도 유지 장치(24)에 공기를 공급하고,
    상기 개질기(8)의 온도에 기초하여 상기 개질기 온도 유지 장치(24)에 공급된 공기 유량을 제어하도록 더 작용하는, 연료 전지 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어기(21)는 추가로,
    상기 개질기(8)의 온도가 제1 소정값보다 높고, 상기 개질기 온도 유지 장치(24)로의 공기 유량이 제2 소정값보다 낮을 때, 상기 개질기 온도 유지 장치(24)에 공급되는 공기 유량을 감소시키도록 작용하는, 연료 전지 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어기(21)는 추가로,
    상기 개질기(8)의 온도가 제1 소정값보다 낮고, 상기 개질기 온도 유지 장치(24)로의 공기 유량이 제2 소정값보다 낮을 때, 상기 개질기 온도 유지 장치(24)에 공급되는 공기 유량을 증가시키도록 작용하는, 연료 전지 시스템.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어기(21)는 추가로,
    상기 개질기(8)의 온도가 제1 소정값보다 높고, 상기 개질기 온도 유지 장치(24)로의 공기 유량이 제2 소정값을 초과할 때, 상기 개질기 온도 유지 장치(24)에 공급되는 공기 유량을 증가시키도록 작용하는, 연료 전지 시스템.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어기(21)는 추가로,
    상기 개질기(8)의 온도가 제1 소정값보다 낮고, 상기 개질기 온도 유지 장치(24)로의 공기 유량이 제2 소정값을 초과할 때, 상기 개질기 온도 유지 장치(24)에 공급되는 공기 유량을 감소시키도록 작용하는, 연료 전지 시스템.
  16. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어기(21)는 추가로,
    상기 개질기(8)가 상기 개질기 온도 유지 장치(24)에 의해 따뜻하게 유지되고, 상기 개질기(8)로의 원료 증기와 산소를 함유하는 가스의 공급을 중단하고 있는 경우에, 상기 개질기(8)의 온도, 상기 버너(10)의 온도 및 상기 증발기(6)의 온도 중 어느 하나가 소정값 이하일 때, 상기 개질기 온도 유지 장치(24)에 의한 가열을 중단하고, 상기 개질기(8)로의 원료 증기와 산소를 함유하는 가스의 공급을 재개하도록 작용하는, 연료 전지 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제어기(21)는 추가로,
    상기 개질기(8)의 온도, 상기 버너(10)의 온도 및 상기 증발기(6)의 온도 모두가 각각의 소정값을 넘도록 복귀되고, 상기 개질기(8)의 온도, 상기 버너(10)의 온도 및 상기 증발기(6)의 온도 모두가 각각의 소정값을 넘도록 복귀된 상태가 소정 시간 동안 계속된 후에, 상기 개질기 온도 유지 장치(24)에 의한 상기 개질기(8)의 가열을 재개하고, 상기 개질기(8)로의 원료 증기 및 산소를 함유하는 가스의 공급을 중단하도록 작용하는, 연료 전지 시스템.
  18. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어기(21)는 추가로,
    상기 개질기(8)에 의해 생성된 개질 가스 중 수소 유량으로부터, 상기 부하 장치(19)에 의해 소비되는 전력을 제공하기 위하여 상기 연료 전지(9)에 의해 요구되는 수소 유량을 감산(subtracting)함으로써 잉여 수소 유량을 계산하도록 작용하는, 연료 전지 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제어기(21)는 추가로,
    상기 개질기(8)가 표준 온도에 있을 때 상기 개질기(8)에 의해 생성된 개질 가스 중 수소 유량을, 상기 개질기(8)의 온도에 기초하여 보정함으로써, 상기 개질기(8)에 의해 생성된 개질 가스 중 수소 유량을 계산하도록 작용하는, 연료 전지 시스템.
  20. 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서,
    상기 제어기(21)는 추가로,
    상기 개질기(8)에 공급되는 원료와 산소의 질량비가 표준 질량비일 때 상기 개질기(8)에 의해 생성된 개질 가스 중 수소 유량을, 상기 개질기(8)로 공급되는 원료와 산소의 실제 질량비에 기초하여 보정함으로써, 상기 개질기(8)에 의해 생성된 개질 가스 중 수소 유량을 계산하도록 작용하는, 연료 전지 시스템.
  21. 제 6 항, 제 18 항 및 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기(21)는 추가로,
    상기 잉여 수소 유량이 소정값 이상일 때, 잉여 수소가 존재한다고 판정하도록 작용하는, 연료 전지 시스템.
  22. 산소를 함유하는 가스와 원료 증기를 사용하여 수소를 함유하는 개질 가스를 생성하는 개질기(8), 및 개질 가스 중의 수소를 산소와 반응시켜 전력을 발전하는 연료 전지(9)를 구비하는 연료 전지 시스템 제어 방법에 있어서,
    부하 감소시에 개질기에 원료와 산소가 잔류하여 생기는 잉여수소가 상기 개질기(8)에 의해 생성되는지의 여부를 판정하는 단계, 및
    상기 잉여 수소가 생성된 것으로 판정될 때, 상기 개질기(8)를 따뜻하게 유지하도록 상기 잉여 수소를 연소시키는 단계를 구비하는, 연료 전지 시스템 제어 방법.
  23. 연료 전지 시스템에 있어서,
    산소를 함유하는 가스와 원료 증기를 사용하여 수소를 함유하는 개질 가스를 생성하는 개질기(8);
    상기 개질 가스 내의 수소를 산소와 반응시켜 발전하는 연료 전지(9);
    상기 연료 전지(9)에 의해 발전된 전력을 소비하는 부하 장치(18, 19);
    상기 개질기(8)를 따뜻하게 유지하는 개질기 온도 유지 시스템(23, 24, 26, 27);
    부하 감소시에 개질기에 원료와 산소가 잔류하여 생기는 잉여수소가 상기 개질기(8)에 의해 생성되는지의 여부를 판정하는 수단; 및
    상기 잉여 수소가 생성된 것으로 판정될 때, 상기 개질기(8)를 따뜻하게 유지하기 위하여 상기 개질기 온도 유지 시스템(23, 24, 26, 27) 내의 상기 잉여 수소를 연소시키는 수단을 구비하는, 연료 전지 시스템.
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