KR101040866B1 - 개질기 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

성능 및 안정성이 향상된 개질기 및 그 제어방법이 제공된다. 개질기는 고온 분위기에서 제1 연료를 리포메이트로 전환하는 개질반응부, 개질반응부에서 나오는 리포메이트의 제1 온도를 검출하는 제1 센서, 제2 연료의 연소 열로 개질반응부를 가열하는 열원부, 열원부의 연료 유입부의 제2 온도를 검출하는 제2 센서, 및 리포메이트의 온도 제어를 위해 제1 센서에서 감지된 제1 온도를 토대로 열원부에 공급되는 산화제의 유량을 조절하고, 열원부의 온도 제어를 위해 제2 센서에서 감지된 제2 온도를 토대로 열원부에 공급되는 제2 연료의 유량을 조절하는 유량제어부를 구비한다.
개질기, 제어, 온도, 센서, 연료, 산화제, 유량제어부

Description

개질기 및 그 제어방법{Reformer and Control Method therefor}
본 발명은 연료를 수소가 풍부한 리포메이트로 전환하는 개질기 및 개질기의 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 개질기(reformer)는 탄화수소계 연료를 고온처리 함으로써 연료의 성분인 탄화수소의 구조를 변경시켜 원하는 성분 예컨대 수소 가스를 발생시키는 장치이다. 이러한 개질기는 버너를 이용하는 직접산화 방식이나 산화촉매를 이용하는 산화촉매 방식으로 제조될 수 있다. 탄화수소계 연료로는 액화석유가스(LPG), 메탄(CH4), 메탄올, 휘발유, 경유, 석탄, 바이오에탄올 등이 이용될 수 있다. 개질기에서 생성되는 수소 가스는 연료전지의 연료로써 이용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 개질기에서 나오는 리포메이트의 온도를 실질적으로 균일하게 제어할 수 있는 개질기의 제어방법을 제공한다.
본 발명의 다른 일 실시예에서는 개질기에 열을 공급하는 열원부의 온도가 한계 온도 이상으로 높아져서 장치가 손상되는 것을 방지할 수 있는 개질기의 제어방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에서는 전술한 제어방법을 채용함으로써 성능 및 효율이 향상될 수 있고 안정성이 증대될 수 있는 개질기를 제공한다.
본 개시의 일측면에 의하면, 고온 분위기에서 제1 연료를 리포메이트로 전환하는 개질반응부; 개질반응부에서 나오는 리포메이트의 제1 온도를 검출하는 제1 센서; 제2 연료의 연소 열로 개질반응부를 가열하는 열원부; 열원부의 연료 유입부의 제2 온도를 검출하는 제2 센서; 및 리포메이트의 온도 제어를 위해 제1 센서에서 감지된 제1 온도를 토대로 열원부에 공급되는 산화제의 유량을 조절하고, 열원부의 온도 제어를 위해 제2 센서에서 감지된 제2 온도를 토대로 열원부에 공급되는 제2 연료의 유량을 조절하는 유량제어부를 포함하는 개질기가 제공된다.
본 개시의 또 다른 일측면에 의하면, 제1 센서, 제2 센서 및 유량제어부를 구비하는 개질기의 제어방법으로써, 제1 센서를 통해 개질반응부에서 나오는 리포메이트의 제1 온도를 검출하고; 제2 센서를 통해 개질반응부에 열을 공급하는 열원 부의 연료 유입부의 제2 온도를 검출하고; 유량제어부를 통해 리포메이트의 온도 제어를 위해 제1 온도를 토대로 열원부에 공급되는 산화제의 유량을 조절하고 열원부의 온도 제어를 위해 제2 온도를 토대로 열원부에 공급되는 제2 연료의 유량을 조절하는 개질기의 제어방법이 제공된다.
일 실시예에서, 유량제어부는 제1 온도와 제2 온도의 차이가 일정 범위에 있도록 연료 및 산화제의 유량을 조절한다.
유량제어부는 제1 온도가 기준 온도보다 낮으면 산화제의 유량을 일정 시간 간격으로 일정량씩 증가시킬 수 있다.
유량제어부는 제2 온도가 기준 온도보다 낮으면 제2 연료의 유량을 일정 시간 간격으로 일정량씩 증가시킬 수 있다. 이러한 경우, 유량제어부는 제2 연료의 유량 증가와 함께 산화제의 유량을 소정량 증가시킬 수 있다.
일 실시예에서, 유량제어부는 제2 온도가 한계 온도와 같거나 그보다 높으면, 제2 연료의 공급을 차단한다.
유량제어부는 제2 연료 및 산화제 중 적어도 어느 하나의 유량을 조절하기 위한 적어도 하나의 밸브를 구비할 수 있다. 이러한 경우, 유량제어부는 제1 온도 및 제2 온도 중 적어도 어느 하나의 레벨에 상응하여 밸브의 개도를 자동 조절하도록 구성될 수 있다.
유량제어부는 제2 연료 및 산화제 중 적어도 어느 하나의 유량을 조절하기 위해 연료 및 산화제 중 적어도 어느 하나를 가압하는 적어도 하나의 가압부를 구비할 수 있다. 이러한 경우, 유량제어부는 가압부의 압력이 제1 온도 및 제2 온도 중 적어도 어느 하나의 레벨에 상응하여 자동 조절되도록 구성될 수 있다.
본 실시예들에 의하면, 개질기에서 나오는 리포메이트의 온도를 안정적으로 유지할 수 있다. 따라서, 개질기의 운전 안정성을 높여 성능과 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 리모메이트의 온도를 실질적으로 일정하게 조정함으로써 개질기에서 생산되는 리포메이트 조성의 균일화를 높일 수 있다. 따라서, 이러한 개질기를 이용하는 연료전지 시스템의 성능 및 안정성을 향상시킬 수 있다. 특히, 개질기의 갑작스런 작동정지를 방지함으로써 연료전지 시스템의 장시간 안정적인 운전에 기여할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 그리고 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 아울러, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장될 수 있으며 실제의 층 두께나 크기와 다를 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 개질기의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 개질기(100)는 고온 분위기에서 촉매 반응에 의해 제1 연료를 리포메이트로 전환하는 개질반응부(10), 제2 연료의 연소 열로 개질반응부(10)를 가열하는 열원부(20), 개질반응부(10)에서 나오는 리포메이트의 온도(이하, 제1 온도라 한다)를 검출하는 제1 센서(30), 열원부(20)의 온도(이하, 제2 온도라 한다)를 검출하는 제2 센서(31), 및 유량제어부(50)를 구비한다.
유량제어부(50)는 열원부(20)에 공급되는 연료의 유량과 산화제의 유량을 독립적으로 제어하도록 구성된다. 즉, 유량제어부(50)는 리포메이트의 온도 제어를 위해 제1 센서(30)에서 감지된 제1 온도를 토대로 열원부(20)에 공급되는 산화제의 유량을 조절하고, 열원부(20)의 온도 제어를 위해 제2 센서에서 감지된 제2 온도를 토대로 열원부(20)에 공급되는 제2 연료의 유량을 조절한다.
이에 의해, 개질기(100)는 개질반응부(10)에서 실질적으로 일정한 온도로 리포메이트를 방출할 수 있다. 다시 말하면, 리포메이트의 조성을 실질적으로 일정하게 유지할 수 있다. 즉, 후단에 연결되는 일산화탄소 제거기나 연료전지 스택의 용량을 좀더 정확하게 예측할 수 있으므로, 연료전지 시스템의 설계 자유도를 높이고 시스템의 소형화를 도모할 수 있으며 전술한 개질기를 이용하는 시스템의 성능과 안정성을 향상시킬 수 있다.
일부 구성요소를 좀더 구체적으로 설명하면, 개질반응부(10)는 수증기 개질 반응을 위한 반응기를 포함할 수 있다. 이러한 경우, 개질반응부(10)에 제1 연료와 수증기가 유입되면, 제1 연료는 수증기 개질반응에 의해 수소가 함유된 리포메이트 를 생성한다. 제1 연료로는 메탄, 프로판 등이 이용될 수 있다. 제1 연료로써 메탄을 이용하는 경우, 수증기 개질 반응은 반응식 1과 같다.
CH4(g) + H2O(g) → CO(g) + 3H2 (흡열반응)
열원부(20)는 버너를 이용하는 직접 산화 방식의 반응기나 촉매를 이용하는 산화촉매 방식의 반응기를 구비할 수 있다. 산화촉매로는 니켈 촉매나 니켈과 루테늄 촉매가 이용될 수 있다. 열원부(20)는 제2 연료의 산화 반응으로 생성되는 열 에너지를 개질반응부(10)에 공급해 준다. 예를 들어, 약 500℃ 온도와 20bar의 압력하에서 제2 연료(예컨대, 도시가스)를 S/C(수증기의 몰수/원료가스 중의 탄소(C)의 몰수)를 2.5로 하여 개질반응부(10)에 공급하면, 단열상태에서 1% 메탄의 전환에 약 12℃ 온도 강하가 일어난다.
한편, 열원부(20)에서 개질반응부(10)로 공급되는 열 에너지가 부족하거나 과도하여 개질반응부(10)의 공정 조건이 변화하면, 개질반응부(10)의 전체 반응열을 공정 조건에 따라 포지티브(positive), 영(zero), 또는 네거티브(negative)가 될 수 있다. 이러한 경우, 개질반응부(10)에서 생성되는 리포메이트의 조성이 변화되어 개질기(100)의 후단에 연결되는 일산화탄소 제거기가 연료전지 스택의 성능에 악영향을 미칠 수 있다.
따라서, 열원부(20)는 제1 연료의 전환율을 높이기 위해 개질반응부(10)에 부족하지도 않으면서 과도하지도 않게 즉, 적절하게 열 에너지를 공급해야 한다.
제1 센서(30)는 리포메이트의 제1 온도를 정확하게 측정할 수 있도록 즉, 개질반응부(10)에서 바로 나온 리포메이트의 제1 온도를 측정할 수 있도록 개질반응부(10)의 리포메이트 유출구에 인접하게 설치된다. 예를 들면, 개질기와 구조나 촉매 배열에 따라 각 부분의 온도에 차이가 있지만, 제1 연료로 메탄을 사용하는 경우, 개질반응부(10)의 촉매층 입구의 온도는 약 450~650℃이고, 개질반응부(10)에서 나오는 리포메이트의 온도는 약 800~950℃이다. 따라서, 리포메이트의 온도는 단순히 개질반응부(10)의 온도를 측정하여 제어하기는 어렵다. 즉, 개질반응부(10)의 온도는 리포메이트의 온도에 따라 조절되어야 하므로 개질반응부(10)의 온도 제어를 위해 구비되는 제1 센서(30)는 개질반응부(10)에서 나오는 리포메이트의 온도를 바로 검출할 수 있도록 설치되는 것이 바람직하다.
제2 센서(31)는 열원부(20)의 제2 온도를 정확하게 측정할 수 있도록 열원부(20)에 인접하게 설치된다. 즉, 열원부(20)의 제2 온도는 열원부(20)의 위치에 따라 크게 차이가 난다. 예컨대, 열원부(20)의 제2 온도는 제2 연료의 유입구 부근(이하, 연료 유입부라고 한다)과 배기를 위해 개구부(이하 배기구라고 한다)에서 크게 차이가 난다. 특히, 산화촉매 방식이 채용된 경우, 열원부(20)의 제2 온도는 열원부(20) 내의 산화촉매층에서 연료 유입구 쪽으로 역화하는 화염에 의해 연료 유입부에서의 온도가 가장 높을 수 있다. 따라서, 산화촉매 방식의 열원부(20)에 설치되는 경우, 제2 센서(31)는 제2 연료가 유입되는 열원부(20)의 연료 유입부에 설치되는 것이 바람직하다.
유량제어부(50)는 열원부(20)에 제2 연료와 산화제를 공급하도록 구성된다. 유량제어부(50)는 열원부(20)에 산화제를 공급하기 위한 제1 유량제어부(51a) 및 열원부(20)에 제2 연료를 공급하기 위한 제2 유량제어부(51a)를 각각 구비할 수 있다.
일 실시예에서, 유량제어부(50)는 열원부(20)에 대한 산화제의 공급량만을 조정함으로써 개질반응부(10)에서 나오는 리포메이트의 제1 온도를 제어하고, 열원부(20)에 대한 제2 연료의 공급량만을 조정함으로써 열원부(20)의 온도를 제어한다.
또한, 일 실시예에서, 유량제어부(50)는 제1 온도와 제2 온도의 차이가 일정 범위에 있도록 제2 연료 및 산화제의 공급량을 조절한다. 예를 들면, 제2 연료가 프로판인 경우, 유량제어부(50)는 표 1에 나타낸 바와 같이, 제1 온도에서 제2 온도를 뺀 온도 차이가 약 64℃ 내지 약 67℃의 범위에 있도록 제2 연료와 산화제의 공급량을 조절할 수 있다.
Figure 112009054073428-pat00001
리포메이트의 제1 온도와 열원부의 제2 온도의 차이를 이용하면, 제1 온도와 제2 온도의 변화를 예측할 수 있으므로, 제2 연료와 산화제의 공급량을 좀더 효과적으로 제어할 수 있다.
도 2a 내지 도 2d는 일 실시예에 따른 개질기 제어방법에 대한 순서도이다.
도 1과 함께 도 2a를 참조하면, 먼저 개질기를 작동시키기 위해 개질반응부(10)에 제1 연료를 공급하고, 열원부(20)에 제2 연료 및 산화제를 공급한다(71).
다음, 소정의 기동 시간이 경과한 후, 개질반응부(10)에서 나오는 리포메이트의 제1 온도를 검출한다(72). 일 실시예에서, 개질기의 기동시와 정상 운전시에 대한, 개질반응부(10)에 공급되는 제1 연료의 공급량과, 열원부(20)에 공급되는 제2 연료의 공급량 및 산화제 공급량은 개질반응부(20)의 용량과 열원부(20)의 용량에 따라 이미 일정하게 설정된다.
다음, 유량제어부(50)는 제1 온도와 제1 기준온도를 비교한다(73). 여기서, 제1 기준온도는 리포메이트의 적정 온도 범위 중 하한값일 수 있다. 제1 온도가 제1 기준온도보다 작으면, 열원부(20)에 대한 산화제 공급량을 소정량 증가시킨다(74). 한편, 제1 온도가 제1 기준온도와 같거나 제1 기준온도보다 크면, 소정 단계들(74~77)을 생략한 후, 열원부(20)에 대한 현재의 산화제 공급량을 유지한다(77).
다음, 소정 시간 경과 후, 제1 온도를 다시 검출한다(75). 그리고, 유량제어부(50)는 제1 온도와 제1 기준온도를 다시 비교한다(76). 제1 온도가 제1 기준온도와 같거나 제1 기준온도보다 크면, 현재의 산화제 공급량을 유지한다(77). 한편, 제1 온도가 제1 기준온도보다 작으면, 열원부(20)에 대한 산화제 공급량을 다시 소정량 증가시킨다(74). 그리고, 이후의 단계를 다시 진행한다.
한편, 도 2b에 도시한 바와 같이, 열원부(20)의 연료 유입부의 제2 온도를 검출한다(78). 제2 온도의 검출은 전술한 단계들(71~77) 다음에 수행되거나 최초 제1 온도의 검출과 동시에 수행될 수 있다. 그런 다음, 제2 온도를 제2 기준온도와 비교한다(79). 여기서, 제2 기준온도는 열원부(20)의 적정 온도 범위 중 하한값일 수 있다.
다음, 제2 온도가 제2 기준온도보다 작으면, 열원부(20)에 대한 제2 연료의 공급량을 소정량 증가시킨다(80). 본 단계에서는 기본적으로 산화제 공급량을 유지한 채로 제2 연료의 공급량만을 소정량 증가시키는 것을 말한다. 다만, 필요에 따라, 예컨대, 리포메이트의 제1 온도가 제1 기준온도보다 작은 경우, 산화제 공급량도 함께 소정량 증가시킬 수 있다. 한편, 제2 온도가 제2 기준온도와 같거나 제2 기준온도보다 크면, 소정 단계들(80~82)을 생략한 후, 열원부(20)에 대한 현재의 제2 연료의 공급량을 유지한다(83).
다음, 소정 시간 경과 후, 제2 온도를 다시 검출한다(81). 그리고, 유량제어부(50)는 제2 온도를 제2 기준온도와 다시 비교한다(82). 제2 온도가 제2 기준온도와 같거나 제2 기분온도보다 크면, 현재의 제2 연료의 공급량을 유지한다(83). 한편, 제2 온도가 제2 기준온도보다 작으면, 열원부(20)에 대한 제2 연료의 공급량을 다시 소정량 증가시킨다(80). 그리고, 이후의 단계를 다시 진행한다.
일 실시예에서, 유량제어부(50)는 제1 센서(30) 및 제2 센서(31)로부터 전달되는 기전력에 의해 제1 온도 및 제2 온도를 지속적으로 감지하며, 리포메이트의 제1 온도와 열원부(20)의 제2 온도를 지속적으로 모니터링한다.
다음, 도 2c에 도시한 바와 같이, 소정 시간 경과 후, 열원부(20)의 제2 온도를 검출한다(84). 그리고, 제2 온도를 제3 기준온도와 비교한다(85). 여기서, 제3 기준온도는 열원부(20)의 적정 온도 범위 중 상한값일 수 있다. 특히, 제3 기준온도는 열원부(20)가 제3 기준온도에서 동작할 때, 열원부(20) 내부에 구비된 촉매나 열원부 부품에 손상을 줄 수 있는 온도일 수 있다. 즉, 일 실시예에서, 제3 기준온도는 열원부(20)에 원하지 않는 악영향(예컨대, 장치 손상)을 줄 수 있는 온도이며, 열원부(20)의 작동 온도 범위를 초과하는 과도하게 높은 온도이다.
다음, 제2 온도가 제3 기준온도와 같거나 제3 기준온도보다 크면, 유량제어부(50)는 열원부(20)에 대한 제2 연료의 공급을 차단한다(86). 이때, 유량제어부(50)는 열원부(20)에 대한 산화제의 공급을 함께 차단할 수 있다. 한편, 제2 온도가 제3 기준온도보다 낮으면, 유량제어부(50)는 소정 단계들(86~89)을 생략한 후 열원부(20)에 대한 이전의 제2 연료의 공급량을 그대로 유지한다.
다음, 소정 시간이 경과한 후, 열원부(20)의 제2 온도를 다시 검출한다(87). 그리고, 유량제어부(50)는 제2 온도와 제3 기준온도를 비교한다(88). 그런 다음, 제2 온도가 제3 기준온도보다 낮으면, 유량제어부(50)는 열원부(20)에 대한 제2 연료의 공급을 재개한다(89). 한편, 제2 온도가 제3 기준온도와 같거나 제3 기준온도보다 크면, 열원부(20)에 대한 제2 연료의 공급을 계속 차단한다(86). 그리고, 이후의 단계를 다시 진행할 수 있다.
다음, 도 2d에 도시한 바와 같이, 리포메이트의 제1 온도를 다시 검출한다(90). 그리고, 제1 온도와 제4 기준온도를 비교한다(91). 여기서, 제4 기준온도는 리포메이트의 적정 온도 범위 중 상한값일 수 있다. 제1 온도가 제4 기준온도와 같거나 제4 기준온도보다 크면, 열원부(20)에 대한 산화제 공급량을 소정량 감소시킨다(74). 여기서, 산화제 공급량을 감소시키는 것은 소정 시간 동안 산화제 공급을 차단하는 것을 포함한다(74). 한편, 제1 온도가 제4 기준온도보다 작으면, 소정 단계들(92~94)을 생략한 후, 열원부(20)에 대한 현재의 산화제 공급량을 유지한다(95).
다음, 소정 시간 경과 후, 제1 온도를 다시 검출한다(93). 그리고, 제1 온도와 제1 기준온도를 다시 비교한다(94). 제1 온도가 제4 기준온도보다 작으면, 현재의 산화제 공급량을 유지한다(95). 한편, 제1 온도가 제4 기준온도와 같거나 제4 기준온도보다 크면, 열원부(20)에 대한 산화제 공급량을 다시 소정량 감소시킨다(92). 그리고, 이후의 단계를 다시 진행한다.
전술한 구성에 의하면, 열원부(20)에 대한 제2 연료의 공급량을 조절하여 열원부(20)의 제1 온도를 제어하면서 동시에 열원부(20)에 대한 산화제 공급량을 조절하여 개질반응부(10)에서 나오는 리포메이트의 제1 온도를 제어할 수 있다. 게다가, 열원부(20)가 원하지 않는 과도하게 높은 온도에서 동작하는 것을 신속하고 정확하게 방지할 수 있다. 또한, 리포메이트가 실질적으로 일정한 온도로 생성되도록 할 수 있다.
도 3은 도 1의 개질기에 채용가능한 유량제어부의 개략적인 구성도이다. 도 4는 도 1의 개질기에 채용가능한 또 다른 유량제어부의 개략적인 구성도이다.
도 1과 함께 도 3을 참조하면, 유량제어부(50a)는 유량센서(52), 브릿지 회로(bridge circuit, 53), 증폭 회로(amplifier circuit, 54), 비교 및 제어 회로(comparator and control circuit, 55a) 및 제1 밸브(56)를 구비한다. 유량제어부(50a)는 배관(40)에 연결되는 인렛 포트와 아웃렛 포트를 가진 하우징을 구비할 수 있다.
유량센서(52)는 제2 연료 또는 산화제를 이송하는 배관(40)의 중간부분에 구비된 바이패스부(41)에 결합된다. 즉, 유량센서(52)는 바이패스부(41)에서 배관(40)을 우회하도록 결합된 서브배관에 결합되며, 서브배관을 통과하는 소정량의 제2 연료 또는 산화제의 유량 검출을 통해 배관(40)을 통과하는 제2 연료 또는 산화제의 유량을 검출할 수 있도록 구성된다.
브릿지 회로(53)는 각종 계측기에 이용되는 있는 회로로써 휘스톤 브릿지 회로를 포함할 수 있다. 증폭 회로(54)는 브릿지 회로(53)의 출력 신호를 적절히 증폭하여 비교 및 제어 회로(55a)에 전달한다. 증폭 회로(54)에서 비교 및 제어 회로(55a)로 전달되는 신호는 유량을 외부에 표시하기 위한 정보로 이용될 수 있다.
비교 및 제어 회로(55a)는 배관(40)을 통해 열원부로 공급되는 제2 연료 또는 산화제의 유량을 감시한다. 또한, 비교 및 제어 회로(55a)는 제1 센서로부터 전달되는 제1 온도(T1) 또는 제2 센서로부터 전달되는 제2 온도(T2)를 감지한다. 비교 및 제어 회로(55a)는 제1 온도(T1) 또는 제2 온도(T2)를 기준온도와 비교한다.
일 실시예에서, 기준온도는 개질반응부(10)에서 나오는 리포메이트에 대하여 원하는 온도범위의 하한값을 나타내는 제1 기준온도, 및 리포메이트에 대하여 원하는 온도 범위의 상한값을 나타내는 제4 기준온도를 포함한다. 또한, 기준온도는 열원부(20)의 연료 유입부에 대하여 원하는 온도 범위의 하한값을 나타내는 제2 기준온도, 및 열원부(20)의 연료 유입부에 대하여 원하는 온도 범위의 상한값을 나타내는 제3 기준온도를 포함한다.
또한, 비교 및 제어 회로(55a)는 제1 온도(T1) 또는 제2 온도(T2)에 상응하는 제어신호를 제1 밸브(56)에 전달한다. 제어신호에 의해 제1 밸브(56)의 개도는 자동 조절될 수 있다.
제1 밸브(56)는 배관(40)에 결합되어 배관(40)에 흐르는 제2 연료 또는 산화제의 유량을 조절한다. 제1 밸브(56)는 비례 제어 밸브를 포함한다. 예컨대, 제1 밸브(56)로는 자기 코어(magnetic core)가 있는 전자석(solenoid)과 한 개 또는 그 이상의 오리피스(orifice)를 구비한 몸체를 구비한 솔레노이드 밸브가 이용될 수 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, 또 다른 실시예에 따르면, 유량제어부(50b)는 유량센서(52), 브릿지 회로(53), 증폭 회로(54), 비교 및 제어 회로(55b), 및 가압부(57)를 구비한다. 유량제어부(50b)는 소정의 하우징을 구비할 수 있다.
가압부(57)는 대기압보다 높은 소정의 압력하에서 제2 연료 또는 산화제를 저장하는 탱크를 포함한다. 이러한 경우, 가압부(57)는 제2 연료 또는 산화제의 방출량을 조절하도록 탱크(57)의 방출구에 결합되는 제2 밸브(58)를 구비할 수 있다.
일 실시예에서, 유량제어부(50b)는 비교 및 제어 회로(55b)가 탱크(57)에서 방출되는 제2 연료 또는 산화제의 유량을 제어하기 위해 제1 온도(T1) 또는 제2 온도(T2)에 상응하는 제어신호를 제2 밸브(58)에 전달할 수 있다. 제어신호에 의해 제2 밸브(58)의 개도는 자동 조절될 수 있다.
또 다른 측면에서, 가압부(57)는 대기압 하에서 제2 연료 또는 산화제를 저장하는 탱크를 포함할 수 있다. 이러한 경우, 가압부(57)는 제2 연료 또는 산화제의 방출량을 조절하도록 탱크(57)의 방출구에 결합되는 펌프를 구비할 수 있다. 펌프는 제2 밸브(58)를 대체하며, 탱크(57) 내의 제2 연료 또는 산화제를 배관(40)을 통해 열원부(20)로 공급할 수 있도록 설치된다. 즉, 펌프의 동작은 비교 및 제어 회로(55b)의 제어신호에 의해 자동 조절될 수 있다.
전술한 제1 및 제2 유량제어부(50a, 50b)는 배관(40)을 통해 열원부(20)로 공급되는 제2 연료 또는 산화제의 유량을 0 내지 100%로 조절할 수 있도록 구성된다.
한편, 전술한 실시예에서는 제1 센서에서 검출된 제1 온도에 대한 신호와 제2 센서에서 검출된 제2 온도에 대한 신호가 직접 유량제어부에 전달되는 것을 설명하였지만, 제1 온도 및/또는 제2 온도에 대한 검출 신호들은 개질기 또는 개질기가 탑재된 시스템(예컨대 연료전지 시스템)에 구비되는 별도의 제어장치에 먼저 입력되고, 제어장치에서 소정 신호로 변환되거나 제어장치에 입력된 그대로 유량제어부로 전달될 수 있다.
도 5는 본 실시예의 개질기 및 개질기 제어장치에 채용가능한 센서를 설명하기 위한 그래프이다.
도 1과 함께 도 5를 참조하면, 제1 및 제2 센서들(30, 31) 중 적어도 어느 하나는 열전대(thermocouple)나 이와 유사한 구조의 센서를 포함할 수 있다. 즉, 제1 및 제2 센서들(30, 31)은 서로 다른 두 종류의 금속도체로 폐회로가 형성되도록 결합되는 열전대를 이용할 수 있다. 열전대의 경우, 냉접점 및 온접점(또는 측정접점) 사이에 온도 차이를 유지하면서 온접점을 측정 대상에 접하여 놓으면, 폐회로 내에 기전력이 발생하고, 이를 통해 측정 대상의 온도를 검출할 수 있다.
도 5에서, E, J, T, K, N, W, R, S, B는 서로 다른 종류의 열전대를 나타낸다(일본 열전대 표준, JIC C 1602-1981 참조). 예로써, E는 90%니켈과 10%크롬으로 이루어진 크로멜(미국 호스킨스 사의 상품명)을 플러스 측에 형성하고, 55%구리와 45%니켈로 이루어진 콘스탄탄(constantan)을 마이너스 측에 형성한 열전대를 가리킨다. 열전대에서 측정되는 기전력을 이용하면 개질반응부(10)에서 나오는 리포메이트의 제1 온도와 열원부(20)의 제2 온도를 용이하게 검출할 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 발명에 대한 권리범위는 이하의 특허청구범위에서 정해지는 것으로써, 명세서 본문의 기재에 구속되지 않으며, 청구범위의 균등 범위에 속하는 변형과 변경은 모두 본 발명의 범위에 속할 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 개질기의 개략적인 구성도.
도 2a 내지 도 2d는 일 실시예에 따른 개질기 제어방법에 대한 순서도.
도 3은 일 실시예에 따른 유량제어부의 개략적인 구성도.
도 4는 또 다른 일 실시예에 따른 유량제어부의 개략적인 구성도.
도 5는 도 1의 개질기에 채용가능한 센서를 설명하기 위한 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 개질반응부
20 : 열원부
30 : 제1 센서
31 : 제2 센서
50, 50a, 50b : 유량제어부
52 : 유량센서
55a, 55b : 비교 및 제어 회로
56 : 밸브
57 : 가압부

Claims (20)

  1. 고온 분위기에서 제1 연료를 리포메이트로 전환하는 개질반응부;
    상기 개질반응부에서 나오는 상기 리포메이트의 제1 온도를 검출하는 제1 센서;
    제2 연료의 연소 열로 상기 개질반응부를 가열하는 열원부;
    상기 열원부의 연료 유입부의 제2 온도를 검출하는 제2 센서; 및
    상기 리포메이트의 온도 제어를 위해 상기 제1 센서에서 감지된 상기 제1 온도를 토대로 상기 열원부에 공급되는 산화제의 유량을 조절하고, 상기 열원부의 온도 제어를 위해 상기 제2 센서에서 감지된 상기 제2 온도를 토대로 상기 열원부에 공급되는 상기 제2 연료의 유량을 조절하는 유량제어부를 포함하는 개질기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유량제어부는 상기 제1 온도와 상기 제2 온도의 차이가 일정 범위에 있도록 상기 제2 연료 및 상기 산화제의 유량을 조절하는 개질기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유량제어부는 상기 제1 온도가 기준 온도보다 낮으면 상기 산화제의 유량을 일정 시간 간격으로 일정량씩 증가시키는 개질기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유량제어부는 상기 제2 온도가 기준 온도보다 낮으면 상기 제2 연료의 유량을 일정 시간 간격으로 일정량씩 증가시키는 개질기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 유량제어부는 상기 산화제의 유량을 소정량 증가시키는 개질기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유량제어부는 상기 제2 온도가 한계 온도와 같거나 그보다 높으면, 상기 제2 연료의 공급을 차단하는 개질기.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유량제어부는 상기 제2 연료 및 상기 산화제 중 적어도 어느 하나의 유량을 조절하기 위한 적어도 하나의 밸브를 포함하는 개질기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 유량제어부는 상기 제1 온도 및 상기 제2 온도 중 적어도 어느 하나의 레벨에 상응하여 상기 밸브의 개도를 자동 조절하는 개질기.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유량제어부는 상기 제2 연료 및 상기 산화제 중 적어도 어느 하나의 유량을 조절하기 위해 상기 제2 연료 및 상기 산화제 중 적어도 어느 하나를 가압하는 적어도 하나의 가압부를 포함하는 개질기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 가압부의 압력은 상기 제1 온도 및 상기 제2 온도 중 적어도 어느 하나의 레벨에 상응하여 자동 조절하는 개질기.
  11. 개질반응부에서 나오는 리포메이트의 제1 온도를 검출하고;
    상기 개질반응부에 열을 공급하는 열원부의 연료 유입부의 제2 온도를 검출하고;
    상기 리포메이트의 온도 제어를 위해 상기 제1 온도를 토대로 상기 열원부에 공급되는 산화제의 유량을 조절하고, 상기 열원부의 온도 제어를 위해 상기 제2 온도를 토대로 상기 열원부에 공급되는 제2 연료의 유량을 조절하는 개질기의 제어방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 연료 및 상기 산화제의 유량은 상기 제1 온도와 상기 제2 온도의 차이가 일정 범위에 있도록 조절되는 개질기의 제어방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 온도가 제1 기준 온도보다 낮으면, 상기 산화제의 유량을 일정 시간 간격으로 일정량씩 증가시키는 개질기의 제어방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제2 온도가 제2 기준 온도보다 낮으면, 상기 제2 연료의 유량을 일정 시간 간격으로 일정량씩 증가시키는 개질기의 제어방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 산화제의 유량을 소정량 증가시키는 개질기의 제어방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 제2 온도가 제3 기준온도와 같거나 그보다 높으면, 상기 제2 연료의 공급을 차단하는 개질기의 제어방법.
  17. 제11항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 연료 및 상기 산화제 중 적어도 어느 하나의 유량은 적어도 하나의 밸브를 통해 조절되는 개질기의 제어방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 밸브의 개도는 상기 제1 온도 및 상기 제2 온도 중 적어도 어느 하나의 레벨에 상응하여 자동 조절되는 개질기의 제어방법.
  19. 제11항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 연료 및 상기 산화제 중 적어도 어느 하나의 유량은 상기 제2 연료 및 상기 산화제 중 적어도 어느 하나를 가압하는 적어도 하나의 가압부에 의해 조절되는 개질기의 제어방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 가압부의 압력은 상기 제1 온도 및 상기 제2 온도 중 적어도 어느 하나의 레벨에 상응하여 자동 조절하는 개질기의 제어방법.
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