KR102038843B1 - 발전 기능을 갖춘 배기가스 정화 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 공급되는 배기가스로부터 수소를 제조하는 수증기 개질부; 제조된 상기 수소만을 투과시키는 수소 투과막; 상기 수소 투과막을 통해 공급되는 수소의 흡장 및 흡장된 수소의 방출을 수행하는 수소 저장부; 상기 수소 저장부를 통해 공급되는 수소를 이용하여 발전하는 연료전지; 상기 수소 투과막을 투과하지 않고 송출된 잔류가스를 정화하는 가스 정화부; 및 상기 연료전지에서의 수소의 과부족에 따라, 상기 수소 저장부에서의 수소의 흡장 및 방출을 제어하는 제어부를 갖는 것이다.

Description

발전 기능을 갖춘 배기가스 정화 시스템
본 발명은 배기가스를 이용하여 발전을 하면서, 상기 배기가스를 정화하는 발전 기능을 갖춘 배기가스 정화 시스템에 관한 것이다.
최근 환경 보전의 관점에서, 자동차 엔진 등의 내연기관이나 발전소 등의 외연기관 등의 열기관에서 배출되는 배기가스 중의 유해 물질을 저감시키기 위해, 배기가스 통로 내에 촉매 등의 배기가스 정화 장치를 마련하여 배기가스를 정화하는 배기가스 정화 시스템이 알려져 있다.
예를 들어, 가솔린이나 경유 등의 석유계 연료를 연소시키는 자동차의 엔진 등에는, 배기가스 중의 유해 물질로서 주로 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소 산화물(NOx)이 포함되어 있다. 이에 대하여, 엔진의 배기가스 통로에, 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3) 및 세리아(CeO2)를 주성분으로 하는 내열성 산화물을 담체로 하고, 상기 담체의 표면에 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 등의 백금속 원소로 이루어지는 귀금속을 담지한 삼원 촉매를 마련하고 있다. 상기 삼원 촉매는 각 유해 물질을 물(H2O), 이산화탄소(CO2) 또는 질소(N2) 등의 무해한 물질로 산화 또는 환원함으로써 배기가스의 정화를 수행하고 있다.
또한, 린번(희박 연소) 가솔린 엔진이나 디젤 엔진에서는 비교적 적은 연료로 고온, 고압의 연소가 수행되므로, HC나 CO에 비해 NOx의 배출 비율이 많아진다. 그래서 이러한 엔진에는 NOx를 흡장(吸藏)하는 알칼리성 물질을 담지함으로써 NOx를 흡장해 두고, 그 후에 일시적으로 연소 분사량을 증가시키는 것 등을 하여 환원 분위기로 함으로써, 흡장된 NOx를 환원하는 NOx 흡장 환원 촉매나, 요소수 등의 환원제를 배기가스 중에 첨가하고 가수 분해된 암모니아(NH3)를 이용하여 흡장된 NOx를 환원하는 이른바 SCR(Selective Catalytic Reduction) 촉매 등이 배기가스 통로에 마련되어 있다(특허문헌 1 참조).
또한, 최근에는 이산화탄소의 배출을 방지하기 위해 수소가 에너지원으로서 주목받고 있다. 예를 들어, 수소를 에너지원으로 이용하는 장치로서는, 고체 산화물형 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)가 알려져 있다. 그리고 고체 산화물형 연료전지를 효율적으로 동작시키기 위해, 고체 산화물형 연료전지에 공급하기 위한 수소 제조 장치의 개발도 수행되고 있다. 예를 들어, 증발기에서 생성된 연료 증기를 수소 제조 장치에 공급하고, 상기 수소 제조 장치에서 생성된 수소를 연료전지에 공급하여 발전하는 연료전지 시스템이 개시되어 있다(특허문헌 2 참조).
일본 등록특허공보 제5376450호 일본 공개특허공보 특개2005-298260호
그러나 특허문헌 1과 같이 배기가스를 제거하는 것만으로는, 상기 배기가스를 유효하게 이용할 수 없어 에너지의 유효 이용이 충분히 이루어지지 않는다. 또한, 특허문헌 2와 같은 연료전지 시스템에서는 수소의 연료원이 되는 연료 증기를 생성할 필요가 있어, 연료전지 시스템으로서는 저비용으로 효율적으로 발전을 수행할 수 없다. 또한, 수소의 연료원이 되는 연료 증기의 공급이 곤란한 경우에는 수소가 생성되지 않아, 연료전지에서의 발전도 불가능해진다. 따라서, 종래에는 바람직한 환경 보전을 수행하면서도, 수소 에너지를 유효적이고 효율적으로 활용하지 못했다.
본 발명은 이러한 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 배기가스를 이용하여 발전하면서 상기 배기가스를 정화할 수 있고, 게다가 수소의 연료원이 되는 배기가스의 공급이 없는 경우에도 발전을 수행할 수 있는 발전 기능을 갖춘 배기가스 정화 시스템을 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 발전 기능을 갖춘 배기가스 정화 시스템은, 공급되는 배기가스로부터 수소를 제조하는 수증기 개질부; 제조된 상기 수소만을 투과시키는 수소 투과막; 상기 수소 투과막을 통해 공급되는 수소의 흡장 및 흡장된 수소의 방출을 수행하는 수소 저장부; 상기 수소 저장부를 통해 공급되는 수소를 이용하여 발전하는 연료전지; 상기 수소 투과막을 투과하지 않고 송출된 잔류가스를 정화하는 가스 정화부; 및 상기 연료전지에서의 수소의 과부족에 따라, 상기 수소 저장부에서의 수소의 흡장 및 방출을 제어하는 제어부를 갖는다.
본 발명에 따른 발전 기능을 갖춘 배기가스 정화 시스템은, 배기가스를 이용하여 발전하면서 상기 배기가스를 정화할 수 있고, 게다가 수소의 연료원이 되는 배기가스의 공급이 없는 경우에도 발전을 수행할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 발전 기능을 갖춘 배기가스 정화 시스템의 전체 구성을 나타낸 개략도이다.
도 2는 실시예에 따른 발전 기능을 갖춘 배기가스 정화 시스템의 동작 흐름을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 실시예에 따른 발전 기능을 갖춘 배기가스 정화 시스템의 동작 시의 가스 흐름을 설명하기 위한 개략도이다.
도 4는 실시예에 따른 발전 기능을 갖춘 배기가스 정화 시스템의 동작 시의 가스 흐름을 설명하기 위한 개략도이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 대하여 실시예를 바탕으로 상세히 설명한다. 그리고 본 발명은 이하에서 설명하는 내용으로 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 변경하지 않는 범위에서 임의로 변경하여 실시하는 것이 가능하다. 또한, 실시예의 설명에 이용하는 도면은 어느 것이나 본 발명에 의한 발전 기능을 갖춘 배기가스 정화 시스템 및 그 구성 부재를 모식적으로 나타낸 것으로, 이해를 심화시키기 위해 부분적인 강조, 확대, 축소 또는 생략 등을 하고 있어, 각 구성 부재의 축척이나 형상 등을 정확하게 나타내지 않은 경우가 있다. 또한, 실시예에서 이용하는 각종 수치는 어느 것이나 일례를 나타내는 것이며, 필요에 따라 다양하게 변경하는 것이 가능하다.
<실시예>
(발전 기능을 갖춘 배기가스 정화 시스템의 구성)
먼저, 도 1을 참조하면서, 본 발명의 실시예에 따른 발전 기능을 갖춘 배기가스 정화 시스템(1)의 구성을 설명한다. 여기서, 도 1은 본 실시예에 따른 발전 기능을 갖춘 배기가스 정화 시스템(1)의 전체 구성을 나타낸 개략도이다. 그리고 이하에서는, 발전 기능을 갖춘 배기가스 정화 시스템(1)을 단순히 배기가스 정화 시스템(1)이라고도 칭한다.
배기가스 정화 시스템(1)은 수소를 제조하기 위한 수증기 개질부(수소 개질부)(2)와, 수소의 흡장 및 방출을 수행하는 수소 저장부(3)와, 발전을 수행하는 연료전지(4)와, 유해 물질을 포함하는 가스(배기가스)를 정화하는 가스 정화부(5)와, 수소 저장부(3)에서의 수소의 흡장 및 방출을 제어하는 제어부(6)를 가지고 있다. 또한, 배기가스 정화 시스템(1)은 배기가스를 송출하는 내연기관(7)과 수증기 개질부(2)를 연결하는 가스 도입관(8)과, 수증기 개질부(2), 수소 저장부(3), 연료전지(4) 및 가스 정화부(5)를 연결하여 원하는 가스 경로를 형성하는 가스 경로관(9)과, 가스 정화부(5)에서 정화된 배기가스를 배출하기 위한 가스 배출관(10)을 가지고 있다. 게다가, 배기가스 정화 시스템(1)은 가스 경로관(9)의 내측이자, 수증기 개질부(2)와 수소 저장부(3) 사이에 수소 투과막(11)을 가지고 있다. 그리고 배기가스 정화 시스템(1)은 연료전지(4)에 대한 공기의 도입량을 조정하기 위한 공기 조정 밸브(12)를 가지고 있다.
수증기 개질부(2)는 내연기관(7)에서 송출되는 배기가스를 이용하여 수소를 제조할 수 있는 일반적인 수소 제조 장치로 구성되어 있다. 구체적으로는, 내연기관(7)에서 송출되는 배기가스에는, 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 및 질소산화물(NOx) 등의 유해 물질, 그리고 수증기(H2O)가 포함되어 있으므로, 수증기 개질부(2)는 예를 들어 이 중 탄화수소 및 수증기를 이용하여 수소를 제조하고 있다. 수증기 개질부(2)에 이용되는 촉매로서는, 예를 들어 산화마그네슘에 니켈을 담지시킨 금속 촉매, 또는 루테늄(Ru)으로 이루어진 금속 촉매를 이용할 수 있다. 그리고 촉매의 재료는 상기 재료에 한정되지 않고, 배기가스의 성분이나 배기가스의 온도 등의 특성에 따라 적절히 변경할 수 있다.
수소 저장부(3)는 수소의 흡장 및 흡장된 수소의 방출을 수행할 수 있는 수소 흡장 합금을 구비하는 일반적인 수소 저장 장치로 구성되어 있다. 예를 들어, 수소 저장부(3)는 수소 흡장 합금으로서 Mg-Ti계, Fe-Ti계, Mg-Ni계, Mg-Y계 또는 Mn-Ni계의 합금을 이용할 수 있다. 또한, 수소 저장부(3)는 상기 수소 흡장 합금이 마련된 공간 내의 온도 및 압력을 조정할 수 있는 구조를 구비하고 있어, 제어부(6)로부터의 제어 신호(수소의 흡장 지시 또는 수소의 방출 지시)에 따라, 상기 공간 내의 온도 및 압력을 변화시킴으로써 수소의 흡장 또는 방출이 수행된다. 예를 들어, 수소를 흡장하는 경우 및 수소를 방출하는 경우 중 어느 경우라도 온도를 300℃로 조정할 수도 있다. 그리고 수소 흡장 합금의 재료는 상기 재료에 한정되지 않고, 저장할 수소량이나 수소 저장부(3)의 치수 등을 고려하여 적절히 변경할 수 있다.
연료전지(4)는 수소 저장부(3)를 통해 공급되는 수소를 이용하여 발전하므로, 고체 고분자형 연료전지(PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell), 인산형 연료전지(PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융 탄소염형 연료전지(MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell), 또는 고체 산화물형 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)를 이용할 수 있다. 예를 들어, 내연기관(7)이 자동차에 탑재되는 엔진인 경우에는, 연료전지(4)가 내연기관(7)의 근방에 마련되면서, 비교적 고온의 배기가스의 영향을 받아 연료전지(4)의 주변 온도가 고온이 되기 때문에, 차동(差動) 온도가 비교적 고온이 되는 고체 산화물형 연료전지를 연료전지(4)로서 사용하는 것이 바람직하다. 한편, 배기가스 정화 시스템(1)을 마련하는 공간에 여유가 있는 경우에는, 연료전지(4)를 내연기관(7)의 먼 곳에 마련하는 것, 혹은 단열 부재를 이용하여 내연기관(7)의 열의 영향을 억제하는 것이 가능하므로, 연료전지(4)의 주변 온도가 저온이 되기 때문에, 다른 종류의 연료전지를 이용할 수도 있다. 즉, 연료전지(4)의 종별(種別)은 배기가스 정화 시스템(1)을 마련하는 환경 및 공간의 여유도, 또는 연료전지를 마련하는 환경에 따라 적절히 선택할 수 있다.
가스 정화부(5)는 내연기관(7)에서 송출되는 배기가스에 포함되는 일산화탄소, 탄화수소, 및 질소산화물 등의 유해 물질을, 물, 이산화탄소, 또는 질소 등의 무해한 물질로 정화할 수 있는 배기가스 정화 장치를 이용할 수 있다. 예를 들어, 백금속 원소로 이루어지는 귀금속을 담지한 삼원 촉매를 구비하는 배기가스 정화 장치, 혹은 상기 삼원 촉매를 이용하지 않고 발포 니켈을 촉매로서 구비하는 배기가스 정화 장치를 이용할 수 있으며, 요구되는 배기가스의 정화 효율, 상기 장치의 비용이나 치수 등을 고려하여 적절히 선택할 수 있다.
본 실시예에서는, 백금 등의 희소 금속을 사용하지 않고 비용 저감을 도모하는 관점에서, 발포 니켈을 촉매로서 구비하는 배기가스 정화 장치를 가스 정화부(5)에 사용하고 있다. 이러한 발포 니켈을 이용한 배기가스의 정화에는, 니켈의 촉매 효과를 높이기 위해 수소가 필요해진다. 이에 따라, 가스 정화부(5)에 대하여, 수소 저장부(3)에서 방출된 수소를 직접 공급하거나, 혹은 연료전지(4)에서의 미사용 수소를 공급할 필요가 있다. 그리고 가스 정화부(5)에 대한 수소의 공급 경로에 대해서는 후술한다.
또한, 발포 니켈을 촉매로서 구비하는 배기가스 정화 장치에서는, 정화되는 배기가스의 온도가 비교적 고온일 필요가 있고, 그 온도는 예를 들어 400℃ 이상이다. 그리고 수증기 개질부(2)에서 송출되는 배기가스의 온도는 가스 정화부(5)에 도달할 때까지 떨어지지만, 가스 경로관(9)에 특별한 냉각 기능 등을 마련하지 않으면 400℃ 이상이 된다.
제어부(6)는 수소 저장부(3)에서의 수소의 흡장 및 방출의 전환을 제어하고, 추가적으로 연료전지(4)에 대한 공기의 공급량을 제어할 수 있는 일반적인 제어장치를 이용할 수 있다. 보다 구체적으로는, 제어부(6)는 연료전지(4)에서의 수소의 과부족을 판정하고, 수소가 부족한 경우에는 수소 흡장 합금이 마련된 공간 내의 온도 및 압력을 수소 방출용 설정으로 변경하여, 수소 흡장 합금으로부터 수소의 방출이 수행되도록 수소 저장부(3)를 제어한다. 한편, 연료전지(4)에서의 수소량이 충분한 경우에는 수소 흡장 합금이 마련된 공간 내의 온도 및 압력을 수소 흡장용 설정으로 변경하여, 수소 흡장 합금이 수소의 흡장을 수행하도록 수소 저장부(3)를 제어한다. 여기서, 연료전지(4)에서의 수소의 과부족을 판정하기 위해, 연료전지(4)와 가스 경로관(9)의 접속 부분(즉, 연료전지(4)의 수소 흡입구) 또는 연료전지(4)의 내부에 수소 센서(미도시)를 마련하고, 상기 수소 센서로부터 제어부에 수소량을 나타내는 신호를 송신하여, 제어부(6)가 수소의 과부족을 판정할 수도 있다.
또한, 연료전지(4)에서의 수소의 과부족을 판정한다는 것은, 상술한 바와 같은 연료전지(4)에서의 수소량을 직접 측정하는 방법 이외에도, 내연기관(7)의 정지 시를 수소 부족으로 판정하고, 내연기관(7)의 동작 시를 수소량이 충분한 것으로 판정하도록 할 수도 있다. 이러한 판정을 가능하게 하는 이유는, 내연기관(7)의 정지 시에는 수증기 개질부(2)에 대한 배기가스의 송출이 정지하게 되어 수소의 제조가 정지되는 것으로 이어지지만, 내연기관(7)이 동작 시에는 수증기 개질부(2)에 대한 배기가스의 송출이 수행되어 수소의 제조가 계속적으로 수행되기 때문이다. 그리고 제어부(6)는 공기 조정 밸브(12)의 개도(開度)를 제어하여 연료전지(4)에 대한 공기의 공급량도 조정한다.
내연기관(7)은 연료를 실린더 내에서 연소시켜, 연소에 의해 발생한 열에너지에 의해 동력을 얻는 일반적인 원동기이다. 예를 들어, 자동차, 비행기, 선박 등의 탈 것에 탑재된 일반적인 엔진일 수도 있고, 정치형(定置型) 발전용 엔진일 수도 있다. 본 발명에서는 수소를 이용한 발전을 수행하므로, 수소의 원료가 되는 가스(탄화수소 및 수증기 등)를 배기가스로서 배출하는 원동기일 필요가 있다. 그리고 내연기관(7) 대신에 외연기관 또는 침탄 질화 등의 열처리를 수행하는 열처리 플랜트에 가스 도입관(8)을 접속하여, 내연기관(7) 이외의 배기가스를 발생시키는 장치 또는 시설에 대하여, 본 발명에 따른 발전 기능을 갖춘 배기가스 정화 시스템을 적용할 수 있다.
가스 도입관(8), 가스 경로관(9) 및 가스 배출관(10)은 고온 가스의 송출을 가능하게 하기 위해, 내열성이 뛰어한 금속 등으로 구성될 수도 있다. 또한, 각 관을 원하는 형상으로 가공하기 위해, 가공성이 뛰어난 금속 등의 재료를 이용할 수도 있다. 예를 들어, 스테인리스를 이용할 수 있다.
수소 투과막(11)은 수증기 개질부(2)에 의해 제조된 수소만을 투과시키고, 수증기 개질부(2)에서 송출되는 수소 이외의 가스(잔류가스)를 투과시키지 않는 금속막을 이용할 수 있다. 예를 들어, 바나듐(V)을 많이 포함하는 Fe-V계 합금에 백금(Pt) 캡을 형성한 구조를 구비하는 것을 이용할 수도 있고, 또한 바나듐(V) 단층막에 팔라듐(Pd) 캡을 형성한 구조를 구비하는 것을 이용할 수도 있으며, 게다가 그 외의 수소 투과성을 갖는 금속막을 이용할 수도 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 가스 경로관(9)은 수증기 개질부(2)와 수소 저장부(3)를 연결하는 제1 경로(9a), 수소 저장부(3)와 연료전지(4)를 연결하는 제2 경로(9b), 연료전지(4)와 가스 정화부(5)를 연결하는 제3 경로(9c), 제1 경로(9a)로부터 수소 저장부(3) 및 연료전지(4)를 바이패스(bypass)하여 제3 경로(9c)에 이르는 제4 경로(9d), 및 제2 경로(9b)와 제4 경로(9d)를 접속하는 제5 경로(9e)로 구성되어 있다. 본 실시예에서 수증기 개질부(2)에 의해 제조된 수소는 제1 경로(9a) 및 수소 투과막(11)을 거쳐 수소 저장부(3)에 도달한다. 또한, 수소 저장부(3)에서 흡장되지 않았던 수소, 수소 저장부(3)에서 방출된 수소는 제2 경로(9b)를 거쳐 연료전지(4)에 도달한다. 또한, 연료전지(4)에서 사용되지 않았던 수소는 제3 경로(9c)를 거쳐 가스 정화부(5)에 도달한다. 이러한 수소의 흐름으로부터, 본 실시예에서는 내연기관(7)이 최상류에 위치하고, 가스 배출관(10)이 최하류에 위치하며, 또한 제1 경로(9a), 수소 투과막(11), 수소 저장부(3), 제2 경로(9b), 연료전지(4) 및 제3 경로(9c)로부터 수소 송출 경로가 형성되게 된다. 이러한 경로 형성에 의해, 수소를 송출하기 위한 경로를 간략화할 수 있어 배기가스 정화 시스템(1) 자체의 비용 저감을 도모할 수 있다.
한편, 본 실시예에서 수증기 개질부(2)에서 송출되는 잔류가스(즉, 수소 이외의 배기가스)는, 수소 투과막(11)을 투과할 수 없으므로 수소 저장부(3)에 도달하지 않고, 제1 경로(9a)의 일부(수증기 개질부(2)에서 수소 투과막(11)의 상류까지의 경로), 제4 경로(9d) 및 제3 경로(9c)의 일부를 거쳐 가스 정화부(5)에 공급된다. 이러한 잔류가스의 흐름으로부터, 본 실시예에서는 제1 경로(9a)의 일부, 제4 경로(9d) 및 제3 경로(9c)의 일부로부터 잔류가스 송출 경로가 형성되어 있다. 이러한 경로를 형성함으로써, 잔류가스를 송출하기 위한 경로를 간략화할 수 있어, 배기가스 정화 시스템(1) 자체의 비용 저감을 도모할 수 있다.
그리고 본 실시예에서는 가스 정화부(5)에 소정량 이상의 수소를 공급할 필요가 있기 때문에, 수소 저장부(3)에서 송출되는 수소는 제2 경로(9b)의 일부, 제5 경로(9e), 제4 경로(9d)의 일부 및 제3 경로(9c)의 일부를 거쳐 가스 정화부(5)에 공급된다. 즉, 수소 저장부(3)에서 송출되는 수소의 일부는 연료전지(4)를 바이패스하여 가스 정화부(5)에 직접적으로 공급되게 된다. 이러한 수소의 흐름으로부터, 본 실시예에서는 제2 경로(9b)의 일부, 제5 경로(9e), 제4 경로(9d)의 일부, 및 제3 경로(9c)의 일부로부터 수소 공급 바이패스 경로가 형성되어 있다. 그리고 본 실시예에서는 제4 경로(9d)와 제5 경로(9e)가 접속되어 있으므로, 상기 수소 바이패스 경로는 상기 접속 부분에서 상기 잔류가스 송출 경로와 연결되게 되어, 그 경로의 일부가 상기 잔류가스 송출 경로와 중복되어 있다.
이러한 수소의 바이패스 경로를 형성함으로써, 가스 정화부(5)에 대하여 보다 많은 수소를 공급할 수 있어, 가스 정화부(5)에서의 촉매 효과의 지속 및 향상을 도모할 수 있다. 또한, 이러한 수소의 바이패스 경로를 형성함으로써, 수소 및 잔류가스가 통과하는 경로의 공통화를 도모할 수 있어, 배기가스 정화 시스템(1) 자체의 비용 저감을 도모할 수 있다.
그리고 본 실시예에서는 수소 투과막(11)을 가스 경로관(9)의 제1 경로(9a)에 마련했지만, 수증기 개질부(2)와 가스 경로관(9)의 제1 경로(9a)의 접속 부분에 마련할 수도 있다. 이 경우에는, 수소 이외의 배기가스(잔류가스)가 수증기 개질부(2)에 잔류하지 않도록, 상기 잔류가스용의 별도 송출구를 수증기 개질부(2)에 마련하여, 상기 별도 송출구와 가스 정화부(5)를 연결하는 배관을 수행할 필요가 있다.
(발전 기능을 갖춘 배기가스 정화 시스템의 동작 흐름)
다음으로, 도 2 내지 도 4를 참조하면서, 본 실시예에 따른 발전 기능을 갖춘 배기가스 정화 시스템(1)의 동작 흐름에 대하여 설명한다. 여기서, 도 2는 본 실시예에 따른 발전 기능을 갖춘 배기가스 정화 시스템(1)의 동작 흐름을 설명하기 위한 흐름도이다. 또한, 도 3 및 도 4는 본 실시예에 따른 발전 기능을 갖춘 배기가스 정화 시스템(1)의 동작 시의 가스 흐름을 설명하기 위한 개략도이다.
먼저, 내연기관(7)이 동작 중인 경우(단계 S1의 네), 내연기관(7)에서의 연소에 의해 동력을 얻을 수 있지만, 상기 연소에 따라 유해 물질을 함유하는 배기가스가 발생한다. 발생한 상기 배기가스는 내연기관(7)으로부터 가스 도입관(8)을 경유하여 배기가스가 수증기 개질부(2)에 공급된다(단계 S2). 도 3에서, 상기 배기가스의 흐름을 실선 화살표 A로 나타낸다.
그 후, 수증기 개질부(2)에서, 도입된 배기가스에 함유되는 탄화수소 및 수증기를 이용하여 수소를 제조한다(단계 S3). 제조된 수소는 가스 경로관(9)의 제1 경로(9a)를 경유하고, 또한 수소 투과막(11)을 투과하여 수소 저장부(3)에 공급되게 된다. 도 3에서, 상기 수소의 흐름을 실선 화살표 B로 나타낸다. 한편, 수증기 개질부(2)에서 송출되는 수소 이외의 배기가스인 잔류가스는 수소 투과막(11)을 투과할 수 없으므로, 가스 경로관(9)의 제1 경로(9a)의 일부, 제4 경로(9d) 및 제3 경로(9c)의 일부를 경유하여 가스 정화부(5)에 도달하게 된다. 도 3에서, 상기 잔류가스의 흐름(즉, 잔류가스 송출 경로)을 파선 화살표 C로 나타낸다.
그 후, 제어부(6)는 내연기관(7)이 동작하고 있는 것을 인식함으로써, 수증기 개질부(2)에 의해 제조된 수소를 이용하여 연료전지(4)에 의한 발전이 가능한 것으로 판단하므로, 수소 저장부(3)에서 수소 흡장 합금에 의한 수소 흡장을 수행하기 위한 제어를 실행한다. 이 상황에서, 수소 투과막(11)을 투과한 수소가 수소 저장부(3)에 도달하면, 상기 수소는 수소 흡장 합금에 흡장된다(단계 S4). 여기서, 수소 흡장 합금에 의한 수소의 흡장량에는, 사용되는 수소 흡장 합금의 종류 및 기타 조건(온도 및 압력)에 따른 상한이 있으므로, 수소 흡장 합금이 흡장 가능한 상한 이상의 수소량이 공급되면, 수소 저장부(3)에 의해 수소가 흡장되지 않고, 수소 저장부(3)로부터 가스 경로관(9)의 제2 경로(9b)로 수소가 송출되게 된다. 그리고 상기 송출된 수소는 제2 경로(9b)를 경유하여 연료전지(4), 또는 제5 경로(9e) 및 제4 경로(9d)의 일부를 경유(즉, 연료전지(4)를 바이패스)하여 가스 정화부(5)에 공급된다. 도 3에서, 수소 저장부(3)로부터 연료전지(4)에 수소가 공급되는 흐름을 실선 화살표 D로 나타내고, 연료전지(4)를 바이패스하는 흐름을 실선 화살표 E로 나타낸다.
그 후, 연료전지(4)에서, 가스 경로관(9)의 제2 경로(9b)를 경유하여 공급된 수소, 및 공기 조정 밸브(12)를 거쳐 공급되는 공기를 이용하여 발전을 수행한다(단계 S4). 여기서, 제어부(6)는 연료전지(4)에 공급되는 수소의 양에 따라, 공급되는 공기의 양을 적절히 조정할 수도 있다. 이것에 의해, 연료전지(4)에서의 발전 효율을 향상시킬 수 있다. 그리고 연료전지(4)에서 사용되지 않았던 수소는 연료전지(4)로부터 가스 경로관(9)의 제3 경로(9c)로 송출되어 가스 정화부(5)에 공급된다. 도 3에서, 연료전지(4)에서 송출되어 가스 정화부(5)에 공급되는 수소의 흐름을 실선 화살표 F로 나타낸다. 그리고 도 3에서 실선 화살표 E 및 F는 모두 수소의 흐름을 나타내고 있으므로, 제3 경로(9c)와 제4 경로(9d)의 연결 부분보다 하류에서는 양 화살표는 공통화되어 있다.
그 후, 가스 정화부(5)에서는 실선 화살표 E, F로 나타낸 수소 공급 경로를 경유하여 공급되는 수소를 촉매 환원 가스로서 이용하여, 파선 화살표 C로 나타낸 잔류가스 송출 경로를 경유하여 도입된 잔류가스를 정화한다(단계 S6). 그리고 정화된 배기가스(유해 물질을 함유하지 않는 가스)는 가스 배출관(10)으로부터 외부로 배출된다.
한편, 내연기관(7)이 정지 중인 경우(단계 S1의 아니오), 내연기관(7)에서 배기가스가 발생하는 경우는 없다. 따라서, 수소의 원료가 되는 배기가스가 수증기 개질부(2)에 공급되는 일이 없어지기 때문에, 수소 저장부(3)에서 흡장되지 않고 송출되는 수소가 없게 되어, 연료전지(4)에 수소를 공급할 수 없게 된다. 여기서, 제어부(6)는 내연기관(7)의 정지를 인식함으로써, 연료전지(4)로서 계속적인 발전을 실행하기 위해, 수소 저장부(3)의 수소 흡장 합금에 흡장된 수소를 방출할 수 있도록 수소 저장부(3)의 제어를 수행한다. 그리고 수소 저장부(3)에 의한 수소의 방출이 시작된다(단계 S7). 상기 방출된 수소는 제2 경로(9b)를 경유하여 연료전지(4), 또는 제5 경로(9e) 및 제4 경로(9d)의 일부를 경유(즉, 연료전지(4) 바이패스)하여 가스 정화부(5)에 공급된다. 도 4에서 수소 저장부(3)로부터 연료전지(4)에 수소가 공급되는 흐름을 실선 화살표 G로 나타내고, 연료전지(4)를 바이패스하는 흐름을 실선 화살표 H로 나타낸다.
그리고 연료전지(4) 및 가스 정화부(5)에 대한 수소의 공급을 계속할 수 있으므로, 연료전지(4)에 의한 발전(단계 S5), 및 가스 정화부(5)에서의 잔류가스의 정화(단계 S6)를 계속할 수 있다. 즉, 내연기관(7)의 정지 중인 경우에도, 발전을 하면서 잔류가스의 정화를 수행할 수 있다. 그리고 도 4에서, 연료전지(4)에서 송출되어 가스 정화부(5)에 공급되는 수소의 흐름을 실선 화살표 I로 나타낸다.
그리고 상기 동작 흐름의 설명에서는, 내연기관(7)의 동작 또는 정지에 의해 수소 저장부(3)에서의 수소의 흡장 및 방출을 전환하고 있었지만, 내연기관(7)으로부터 얻어지는 동력(예를 들어, 회전수 등)이 소정값 이하인 경우에 수소의 방출을 수행하도록 할 수도 있다. 이렇게 함으로써, 자동차 등의 엔진의 회전수가 낮은 경우(즉, 배기가스의 양이 적은 경우)에, 수증기 개질부(2)에서 발전에 필요한 양의 수소를 제조할 수 없더라도, 수소 저장부(3)로부터 추가적으로 수소를 연료전지(4)에 공급할 수 있어 연료전지(4)의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
이상과 같이, 본 실시예에 따른 발전 기능을 갖춘 배기가스 정화 시스템(1)에서는 수증기 개질부(2), 연료전지(4) 및 가스 정화부(5)가 마련되어 있으므로, 공급되는 배기가스로부터 수소를 제조하여 발전에 이용할 수 있고, 게다가 수소 이외의 잔류가스를 정화할 수 있다. 또한, 수증기 개질부(2)와 연료전지(4) 사이에는 수소 저장부(3)가 마련되어 있으므로, 수소 저장부(3)로부터 연료전지(4)에 대하여 필요한 수소를 항상 공급하는 것이 가능해진다. 즉, 본 실시예에 따른 발전 기능을 갖춘 배기가스 정화 시스템(1)은, 배기가스 및 열에너지를 유효하게 이용하여 발전을 수행하면서, 상기 발전을 계속적으로 수행하여 연료전지(4)에서의 출력 향상을 도모할 수 있다.
<본 발명의 실시형태>
본 발명의 제1 양태는, 공급되는 배기가스로부터 수소를 제조하는 수증기 개질부; 제조된 상기 수소만을 투과시키는 수소 투과막; 상기 수소 투과막을 통해 공급되는 수소의 흡장 및 흡장된 수소의 방출을 수행하는 수소 저장부; 상기 수소 저장부를 통해 공급되는 수소를 이용하여 발전하는 연료전지; 상기 수소 투과막을 투과하지 않고 송출된 잔류가스를 정화하는 가스 정화부; 및 상기 연료전지에서의 수소의 과부족에 따라, 상기 수소 저장부에서의 수소의 흡장 및 방출을 제어하는 제어부를 갖는 발전 기능을 갖춘 배기가스 정화 시스템이다.
본 발명에 따른 발전 기능을 갖춘 배기가스 정화 시스템에서는, 수증기 개질부, 연료전지 및 가스 정화부가 마련되어 있으므로, 공급되는 배기가스로부터 수소를 제조하여 발전에 이용할 수 있고, 또한 수소 이외의 잔류가스를 정화할 수 있다. 또한, 수증기 개질부와 연료전지 사이에는 수소 저장부가 마련되어 있으므로, 수소 저장부로부터 연료전지에 대하여 필요한 수소를 항상 공급하는 것이 가능해진다. 즉, 본 발명에 따른 발전 기능을 갖춘 배기가스 정화 시스템은, 배기가스 및 열에너지를 유효하게 이용하여 발전을 수행하면서, 상기 발전을 계속적으로 수행하여 연료전지에서의 출력 향상을 도모할 수 있다.
본 발명의 제2 양태는, 상기 제1 양태에 있어서, 상기 수소 투과막으로부터 상기 수소 저장부 및 상기 연료전지를 경유하여 상기 가스 정화부에 이르는 수소 송출 경로를 갖는 것이다. 이렇게 함으로써, 수소를 송출하기 위한 경로를 간략화할 수 있어 시스템 자체의 비용 저감을 도모할 수 있다.
본 발명의 제3 양태는, 상기 제1 또는 제2 양태에 있어서, 상기 수증기 개질부로부터 상기 수소 저장부 및 상기 연료전지를 바이패스하여 상기 가스 정화부에 이르는 잔류가스 송출 경로를 갖는 것이다. 이렇게 함으로써, 잔류가스를 송출하기 위한 경로를 간략화할 수 있어 시스템 자체의 비용 저감을 도모할 수 있다.
본 발명의 제4 양태는, 상기 제3 양태에 있어서, 상기 수소 저장부로부터 상기 연료전지를 바이패스하여 상기 가스 정화부에 이르는 수소 공급 바이패스 경로를 갖는 것이다. 이렇게 함으로써, 가스 정화부에 대하여 보다 많은 수소를 공급할 수 있어, 수소를 필요로 하는 가스 정화 방법에 있어서, 가스 정화부에서의 촉매 효과의 지속 및 향상을 도모할 수 있다.
본 발명의 제5 양태는, 상기 제4 양태에 있어서, 상기 수소 공급 바이패스 경로는 상기 잔류가스 송출 경로에 연결되어 있는 것이다. 이렇게 함으로써, 가스가 통과하는 경로의 공통화를 도모할 수 있어, 시스템 자체의 비용 저감을 도모할 수 있다.
1: 발전 기능을 갖춘 배기가스 정화 시스템
2: 수증기 개질부
3: 수소 저장부
4: 연료전지
5: 가스 정화부
6: 제어부
7: 내연기관
8: 가스 도입관
9: 가스 경로관
9a: 제1 경로
9b: 제2 경로
9c: 제3 경로
9d: 제4 경로
9e: 제5 경로
10: 가스 배출관
11: 수소 투과막
12: 공기 조정 밸브

Claims (5)

  1. 공급되는 배기가스로부터 수소를 제조하는 수증기 개질부;
    제조된 상기 수소만을 투과시키는 수소 투과막;
    상기 수소 투과막을 통해 공급되는 수소의 흡장 및 흡장된 수소의 방출을 수행하는 수소 저장부;
    상기 수소 저장부를 통해 공급되는 수소를 이용하여 발전하는 연료전지;
    상기 수소 투과막을 투과하지 않고 송출된 잔류가스를 정화하는 가스 정화부;
    상기 연료전지에서의 수소의 과부족에 따라, 상기 수소 저장부에서의 수소의 흡장 및 방출을 제어하는 제어부;
    상기 수소 투과막으로부터 상기 수소 저장부 및 상기 연료전지를 경유하여 상기 가스 정화부에 이르는 수소 송출 경로; 및
    상기 수증기 개질부로부터 상기 수소 저장부 및 상기 연료전지를 바이패스하여 상기 가스 정화부에 이르는 잔류가스 송출 경로를 갖는, 발전 기능을 갖춘 배기가스 정화 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수소 저장부로부터 상기 연료전지를 바이패스하여 상기 가스 정화부에 이르는 수소 공급 바이패스 경로를 갖는, 발전 기능을 갖춘 배기가스 정화 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수소 공급 바이패스 경로는 상기 잔류가스 송출 경로에 연결되어 있는, 발전 기능을 갖춘 배기가스 정화 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
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