KR20020048972A - 수소발생장치 - Google Patents

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KR20020048972A
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burner
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gas
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아소도모노리
마에니시아키라
도미자와다케시
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모리시타 요이찌
마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
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Abstract

원료공급부 및 물공급부를 갖는 개질부, 및 연료공급부 및 공기공급부를 갖고 상기 개질부를 가열하기 위한 버너를 구비하는 수소발생장치에 있어서, 버너의 연소상태를 안정하게 하여 조작성 및 편리성을 향상시키기 위해서, 개질부의 온도 및 개질부에 공급되는 원료량에 기초하여 상기 공기공급부에서 상기 버너에 공급하는 공기량을 제어하는 제어부를 설치한다.

Description

수소발생장치{HYDROGEN GENERATOR}
연료전지에 수소를 공급하기 위해서 사용하는 종래부터의 수소발생장치의 기동방법을, 도 8을 참조하여 설명한다. 도 8은, 종래의 수소발생장치의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 8에 도시하는 수소발생장치는, 원료공급부(1) 및 물공급부(2)를 구비하고, 이들은 내부에 개질(改質)촉매가 충전된 개질부(改質部)(3)에 접속되어 있다. 원료공급부(1)에 의해 공급된 원료는, 개질부(3)에서 개질(改質)되고, 얻어지는 개질가스는 변성촉매가 충전된 변성부(變成部)(4)에 유입하여 변성되며, 또한 변성부(4)로부터 유출되는 변성가스는 C0제거(정화)촉매가 충전된 정화부(5)에 유입된다. 그리고, 정화부(5)로부터 유출되는 정화가스는, 생성가스로서 3방향밸브 (6)를 통하여 연료전지(7)에 공급되고, 또한, 경우에 따라서는, 개질부(3) 근방에 설치된 버너(8)로 안내된다. 도 8에 나타낸 수소발생장치는 개질부(3), 변성부(4) 및 정화부(5)를 갖지만, 경우에 따라서는, 수소발생장치는 개질부(3)만을 갖거나,개질부(3) 및 변성부(4)만을 갖더라도 좋다. 버너(8)는 연소실(8')을 구비하며, 또 연료공급부(9)와 연소용 공기를 공급하는 공기공급부(10)가 설치되어 있다. 버너(8)에서 발생하는 연소가스는 개질부(3)에 설치된 배기구(11)에서 배출된다.
이러한 구성을 갖는 수소발생장치의 기동 시에는, 정화부(5)에 남아 있던 생성가스 및 공기공급부(10)로부터의 연소용 공기를 버너(8)에 공급하고, 이어서, 점화장치(도시하지 않음)로 점화작동을 하면서, 연료공급부(9)에 의해 버너(8)에 연료를 공급하여 화염을 형성한다. 화염의 안정상태를 확인하여 원료공급부(1)에서 개질부(3)에 원료를 공급하면, 버너(8)에서는 연료공급부(9)로부터 공급된 연료와, 원료공급부(1)로부터 공급된 원료가 개질부(3), 변성부(4) 및 정화부(5)를 지나서 얻어진 생성가스가 연소하여, 개질부(3)를 가열한다.
그 후, 연료공급부(9)로부터 공급하는 연료량을 점차 감소시켜 공급을 정지하고, 원료공급부(1)로부터 공급하는 원료로부터 얻어지는 생성가스만으로 화염을 형성하여, 개질부(3), 변성부(4) 및 정화부(5)의 온도를 상승시켜서 최적의 온도상태로 함으로써 수소발생장치를 기동한다.
이 때, 공기공급부(10)로부터 공급되는 공기량은, 원료공급부(1)로부터 공급되는 원료량에 따라서 조정하고 있다. 그러나, 이 경우의 공기량은 원료량에 대응하고 있을 뿐이고, 실제로 버너(8)에서 연소하는 생성가스 중의 가연성 가스량에 충분히 대응하지 않기 때문에, 공기량의 과부족이 발생하여, 연소배기가스의 특성의 악화 및 불안정한 연소상태를 야기하는 경우가 있었다.
여기에서, 생성가스의 조성 및 각 성분의 유량은, 개질부(3), 변성부(4) 및정화부(5) 등의 반응부에 포함되는 촉매의 반응상태, 예를 들면 촉매의 온도에 따라서 결정된다. 예를 들면, 메탄을 원료가스로서 사용한 경우, 개질부에서의 개질 (改質)반응은 주로 식(1) 및 식(2)로 나타낸다.
CH4+ 2H2O → 4H2+ CO2(1)
CH4+ H2O → 3H2+ CO (2)
개질(改質)촉매의 온도가 낮고 개질(改質)반응이 일어나지 않을 때에, 수소발생장치로부터 버너(8)에 보내지는 생성가스는 원료로서 공급한 메탄이다. 그러나, 개질촉매의 온도가 개질반응이 충분히 행해지는 온도까지 상승하면, 개질부(3)로부터 송출(送出)되는 개질가스는 주로, 식(1) 및 식(2)로부터 수소 및 이산화탄소 또는 일산화탄소이고, 개질가스의 총 유량은 공급한 메탄의 유량의 4∼5배로 된다. 개질촉매의 온도가 충분히 상승할 때까지는, 생성가스의 조성 및 각 성분의 유량은 중간의 값을 취하고, 또한, 변성부(4) 및 정화부(5)에서의 반응이 더해지면, 이들의 반응부의 온도에 의해서 생성가스의 조성 및 각 성분의 유량은 더욱 변화한다.
이와 같이, 각 반응부의 온도에 따라 생성가스의 조성 등이 변화하면, 생성가스 중의 가연성 가스량도 변화한다. 그 때문에, 공급된 원료량에만 대응시켜서 공기량을 조정하면, 공기량에 과부족이 발생하여, 버너(8)에서 양호한 연소상태를 항상 유지하는 것은 곤란하게 된다는 문제가 있었다. 특히, 개질촉매의 온도가 400℃ 부근인 경우에, 10℃의 온도상승으로 반응율이 수 십% 상승하고, 개질부(3)로부터 송출되는 가스의 유량이 급증하여, 변성부(4) 및 정화부(5)에 존재하는 다량의 가연성가스를 버너(8)로 밀어내게 된다. 그 때문에, 공급되는 원료량에 대응하여 공기량을 결정하면, 공기가 상당히 부족하여, 버너(8)의 화염이 불안정하게 되기 쉽고, 때로는 실화(失火)할 가능성이 있었다.
그래서, 본 발명은 이러한 문제를 해결하여, 수소발생장치부터의 생성가스를 버너로써 안정하게 연소시켜, 조작성 및 편리성에 뛰어난 수소발생장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
다음으로, 상술한 바와 같은 수소발생장치 및 연료전지를 사용한 종래의 연료전지시스템에 대해서 설명한다. 도 9는 종래의 연료전지시스템의 구성을 도시하는 개략도이다. 도 9에 도시하는 연료전지시스템에 포함되는 연료전지(101)에 있어서는, 공기극(空氣極)(102)과 연료극(燃料極)(103)이 고분자 전해질막(104)을 사이에 두고 배치되어, 공기극(102)의 상류측은 공기를 공급하는 송풍기(공기공급부) (105)에 연이어 통하고 있다.
수소발생장치(106)에는, 천연가스 또는 메탄올 등의 원료(X) 및 수증기 개질반응에 필요한 물(Y)이 공급되고, 수소농축인 생성가스(여기에서는 개질가스)(G)를 생성한다. 또한, 도 9의 수소발생장치(106)는 개질부만을 갖는다.
생성가스(G)는 전환밸브(107)를 지나서, 연료전지(101)의 연료극(103)에 공급되어, 연료극(103)과 접하는 소정의 유로를 하류측에 향하여 흐른다. 이 때, 생성가스(G) 중의 수소가 필요량만 전극반응으로 소비되어, 연료전지(101)에서 반응하지 않고 남은 가스는 오프가스(off gas)(G')로서 가스유로(123')를 통해서 버너(109)에 공급된다. 생성가스(G)를 연료극(103)에 공급하지 않는 경우에는, 생성가스(G)는 전환밸브(107)를 지나서 가스유로(123)를 통해서 버너(109)에 공급된다.
버너(109)에 공급된 생성가스(G) 또는 오프가스(G')는, 팬(공기공급부)(110)으로부터 공급된 공기와 혼합되어 연소하고, 연소실(108)에 화염(111)을 형성하여, 연소가스에 의해서 수소발생장치(106)를 가열한다.
연소실(108)의 화염(111)의 상태는, 화염(111)에 소정의 전압을 인가할 때에 흐르는 이온전류에 의해서 검지(檢知)된다. 화염검지부(112)는, 화염(111)과 접촉하도록 설치된 내열성의 도전체(113), 화염(111)을 통해 도전체(113)와 버너(109)에 소정의 전압을 인가하는 직류전원(114), 화염(111)을 흐르는 전류를 전압으로 변환하기 위한 전기저항(115), 및 전기저항(115)의 양끝의 전압을 검지하는 전압검지부(116)로 구성되어 있다. 이 화염검지부(112)에 의해 화염(111)의 착화(着火) 및 실화(失火) 등의 연소상태를 검지할 수가 있다.
이러한 종래의 연료전지시스템에 있어서는, 수증기 개질반응에 의해서 원료(X) 중의 탄화수소가 수소로 전환되어 있기 때문에, 생성가스(G) 및 오프가스 (G')가 포함하는 탄화수소의 농도는 현저하게 낮다. 탄화수소의 농도가 낮으면 화염(111) 중의 이온농도도 낮게 되어, 화염(111)을 흐르는 전류값이 작아져서 전기저항(115)의 양끝의 전압도 낮아진다. 요컨대, 화염검지부(112)의 검지전압이 낮아져서, 착화시 및 실화시의 연소상태의 판별이 곤란하게 된다고 하는 문제가 있었다.
그래서, 본 발명은 이러한 문제를 해결하여, 수소발생장치를 가열하는 버너의 착화 및 실화의 판별을 확실히 할 수 있고, 안전하게 운전할 수 있는 수소발생장치 및 그것을 포함하는 연료전지시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 천연가스, LPG, 가솔린, 나프타, 등유 및 메탄올 등의 탄화수소계 물질을 주원료로서 사용하여, 연료전지 등의 수소이용기기에 공급하기 위한 수소농축가스를 발생시키는 수소발생장치에 관한 것이다.
도 1은, 본 발명에 관한 수소발생장치의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 2는, 개질촉매에 의한 메탄의 개질반응율을 도시하는 그래프이다.
도 3은, 변성촉매의 반응성을 도시하는 그래프이다.
도 4는, 정화촉매의 반응성을 도시하는 그래프이다.
도 5는, 본 발명에 관한 다른 수소발생장치의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 6은, 본 발명에 관한 또 다른 수소발생장치의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 7은, 본 발명에 관한 연료전지시스템의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 8은, 종래의 수소발생장치의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 9는, 종래의 연료전지시스템의 구성을 도시하는 개략도이다.
본 발명은, 원료공급부 및 물공급부를 갖는 개질부와, 연료공급부 및 공기공급부를 갖고 상기 개질부를 가열하기 위한 버너를 구비하는 수소발생장치로서, 또한, 상기 수소발생장치로부터의 생성가스를 상기 버너로 이끄는 가스 유로(流路), 상기 개질부의 온도를 측정하는 개질온도 검지부, 및 상기 원료공급부로부터의 신호 및 상기 개질온도 검지부로부터의 신호에 기초하여 상기 공기공급부에서 상기 버너에 공급하는 공기량을 제어하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치에 관한 것이다.
상기 수소발생장치에 있어서는, 상기 제어부가, 상기 수소발생장치의 기동(起動) 시에 상기 원료공급부에서 공급되는 원료량을 소정비율로 증가시켜, 상기 수소발생장치부터의 생성가스를 상기 버너로 안내하고, 또한 상기 원료공급부로부터의 신호 및 상기 개질온도 검지부로부터의 신호에 기초하여 상기 공기공급부에서 상기 버너에 공급하는 공기량을 제어하는 것이 유효하다.
또한, 상기 수소발생장치는, 상기 개질부의 하류에 설치된 변성부, 및 상기 변성부의 온도를 측정하는 변성온도 검지부를 구비하고, 상기 제어부가, 상기 원료공급부로부터의 신호, 상기 개질온도 검지부로부터의 신호 및 상기 변성온도 검지부로부터의 신호에 기초하여 상기 공기공급부에서 상기 버너에 공급하는 공기량을 제어하는 것이 유효하다.
또한, 상기 수소발생장치는, 상기 변성부의 하류에 설치된 정화부 및 상기 정화부의 온도를 측정하는 정화온도 검지부를 구비하고, 상기 제어부가 상기 원료공급부로부터의 신호와, 상기 개질온도 검지부로부터의 신호와, 상기 변성온도 검지부로부터의 신호 및 상기 정화부로부터의 신호에 기초하여 상기 공기공급부에서 상기 버너에 공급하는 공기량을 제어하는 것이 유효하다.
또한, 상기 제어부가, 상기 생성가스 중의 가연성 가스량 및 상기 연료공급부로부터 상기 버너에 공급하는 연료량에 기초하여 상기 버너에 공급되는 가연성 가스량을 예측하여, 상기 공기공급부로부터 상기 버너에 공급하는 공기량을 제어하는 것이 유효하다.
또한, 상기 버너가, 화염을 형성하는 연소실 및 상기 화염의 이온전류에 기초하여 화염의 상태를 검지하는 화염검지부를 구비하여, 상기 제어부가 상기 개질부의 온도를 소정의 온도 이하로 제어하는 것이 유효하다.
또한, 상기 제어부가, 상기 물공급부로부터 상기 개질부로 공급되는 수량을 조절함으로써 상기 개질부의 온도를 제어하는 것이 유효하다.
또한, 상기 수소발생장치는, 상기 생성가스 중의 탄화수소 농도를 검지하는 탄화수소센서를 구비하여, 상기 제어부가 상기 탄화수소센서의 출력값에 기초하여 상기 개질부의 온도를 제어하는 것이 유효하다.
또한, 본 발명은, 연료전지, 및 상기 수소발생장치를 포함하는 연료전지시스템에도 관한 것이다.
본 발명의 수소발생장치 및 이것을 포함하는 연료전지시스템의 실시의 형태를, 도면을 참조하여 설명한다.
[실시예 1]
도 1은 본 발명의 실시예 1에 의한 수소발생장치의 구성을 도시하는 개략도이다. 도 1에 도시하는 수소발생장치에 있어서는, 원료공급부(1) 및 물공급부(2)가, 내부에 개질(改質)촉매를 충전한 개질부(改質部)(3)에 접속되어 있다. 원료공급부(1)에 의해 공급된 원료는, 개질부(3)에서 개질(改質)되어 개질(改質)가스가 되고, 개질가스는 변성촉매를 충전한 변성부(4)에 유입하여 변성되어 변성가스가 되고, 또 변성가스는 C0제거(정화)촉매를 충전한 정화부(淨化部)(5)에 유입하여 정화되어 정화가스가 된다. 이 정화가스는, 생성가스로서 가스유로를 통해 3방향 밸브(6)에 의해서, 연료전지(7) 또는 개질부(3) 근방에 설치된 버너(8)로 안내된다. 버너(8)에는 연료공급부(9) 및 연소용 공기를 공급하는 공기공급부(10)가 설치되어 있다. 또한, 버너(8)에서의 연소배기가스는 개질부(3)에 설치된 배기구(排氣口) (11)로부터 배기(排氣)된다.
여기에서, 각각 원료공급부(1) 및 연료공급부(9)로부터 공급되는 원료 및 연료로서는, 천연가스, 도시가스 또는 LPG 등의 기체형상 탄화수소 연료, 또는 가솔린, 등유 또는 메탄올 등의 액체형상 탄화수소계 연료를 사용할 수 있다. 단, 액체형상 연료를 사용할 때에는 연료를 기화시키는 장치가 필요하게 되지만, 개질부 (3) 또는 버너(8)로부터의 전도열, 또는 연소배기가스 중의 현열(顯熱)을 이용하여 연료를 기화시키는 것도 가능하다.
또한, 원료공급부(1)로부터의 원료, 연료공급부(9)로부터의 연료 및 공기공급부(10)로부터의 공기의 유량(流量)의 조정은, 펌프 또는 팬 등, 또한, 펌프 또는 팬 등의 하류측에 별도로 설치한 밸브 등의 유량조정기로 행하여도 좋다. 본 명세서에 있어서의 원료공급부(1), 원료공급부(9) 및 공기공급부(10)는 이러한 유량조정기를 포함하기도 한다.
또한, 도 1에 있어서의 화살표는, 각각 원료, 반응가스 및 연료 등의 흐름의 방향을 나타내고 있다. 또한, 개질부(3)에는 개질촉매의 온도를 측정하는 개질온도 검지부(12)가 설치되고, 제어부(15)는 개질온도 검지부(12)가 검출한 온도(신호) 및 원료공급부(1)로부터 공급되는 원료량(신호)에 따라서 공기공급부(10)에 의해 개질부(3)에 공급하는 공기량을 제어할 수 있다. 여기에서, 개질온도 검지부 (12)에는, 열전쌍 또는 고온형 서미스터(thermistor) 등을 사용할 수 있다.
다음에, 도 1에 도시하는 수소발생장치의 기동방법에 대해서 설명한다.
수소발생장치의 기동 시에는, 우선 3방향밸브(6)를 제어하여 정화부(5)로부터 송출되는 생성(정화)가스를 버너(8)에 공급할 수 있는 상태로 하여 둔다. 다음에, 공기공급부(10)로부터 버너(8)에 공기를 공급하여, 이 상태로 점화장치(도면에는 생략됨)에서 점화동작을 하면서, 연료공급부(9)로부터 연료를 버너(8)에 공급하여 화염을 형성한다. 이들의 조작은 동시에 행하여도 좋다.
다음에, 버너(8)의 화염의 상태가 안정해 있는 것을 확인한 후, 원료공급부 (1)로부터 개질부(3)에 원료를 공급한다. 그리하면, 버너(8)에서는, 연료공급부 (9)로부터 공급된 연료와, 원료공급부(1)로부터 공급된 원료가 개질부(3), 변성부 (4) 및 정화부(5)의 반응부를 지나서 얻어지는 생성가스가 연소하여 개질부(3)를 가열한다.
그 후, 연료공급부(9)로부터 버너(8)에 공급하는 연료량을 점차 감소시켜 그 공급을 정지하여, 원료공급부(1)로부터 개질부(3)에 원료를 공급함으로써 버너(8)에 공급되는 생성가스에 의해, 버너(8)의 화염을 형성한다. 이에 따라 각 반응부의 온도를 상승시켜, 최적의 범위에 유지하여 수소발생장치의 기동을 완료한다.
다음에, 각 반응부에서의 반응에 대해서 설명한다.
(1) 개질부에 대해서
개질부(3)에 있어서는, 주로 상기 식(1) 및 식(2)로 나타낸 2개의 반응에 의해, 1 몰(mol)의 메탄으로부터 합계 5 몰(mol)의 수소 및 이산화탄소, 또는 합계 4 몰(mol)의 수소 및 일산화탄소가 생성한다.
여기서, 도 2는 개질촉매의 온도에 대한 메탄의 반응율, 즉 촉매온도와 메탄반응율과의 관계를 도시하는 그래프이다. 40O℃ 부근에서 급격하게 메탄반응율이 높아지고, 개질반응이 급격하게 진행하는 것을 알 수 있다. 이로부터, 개질촉매의 온도에 의해, 개질부(3)로부터 송출되는 개질 가스의 조성 및 각 성분의 유량이 크게 변화하는 것을 알 수 있다. 수소발생장치로부터 송출되는 생성가스는, 버너(8)에 가장 가까운 정화부(5)의 출구부근에 존재하는 정화가스로서, 개질가스에 의해서 밀어내어진 정화가스이다. 기동 시에 개질촉매의 온도가 600℃ 정도의 경우에는 변성부(4) 및 정화부(5)의 온도는 그다지 상승하지 않기 때문에, 변성반응 및 선택산화(정화)반응이 충분히 촉진되지 않아, 개질가스는 변성부(4) 및 정화부(5)에서 거의 반응하지 않고 이들을 통과한다.
따라서, 개질부(3)에 공급되는 원료량 및 개질촉매온도로부터 개질 가스의 조성 및 각 성분의 유량을 예측하여, 이들의 시간에 대한 변화율을 파악해 놓으면, 개질가스에 의해 밀어내어지는 정화부(5) 출구근방의 정화가스(생성가스)의 조성 및 각 성분의 유량을 예측할 수가 있어, 생성가스 중의 가연성가스의 유량을 알 수 있다.
예를 들면, 개질촉매온도가 400℃일 때에, 원료로서 1 NL/분으로 메탄을 개질부(3)에 공급하면, 도 2로부터 메탄반응율이 50%가 되고, 식 (1)의 반응과 식 (2)의 반응이 약 10 : 1의 비율로 일어난다(단, 촉매온도에 대해서 식 (1)의 반응및 식 (2)가 일어나는 비율은 도시하지 않음). 따라서 이 경우의 개질가스는 400℃이고, 반응하지 않는 메탄 0.5 NL/분, 식 (1) 및 식 (2)로부터 수소 1.95 NL/분, 식 (1)로부터 이산화탄소 0.45 NL/분, 및 식 (2)로부터 일산화탄소 0.05 NL/분을 포함한다고 간주할 수 있다. 마찬가지로 하여, 개질촉매온도에 따른 개질가스의 유량과 각 성분의 유량을 산출하여, 그 시간변화를 알 수가 있다.
여기에서, 개질부(3)의 출구로부터 버너(8)까지의 가스유로의 용적에 따라서, 400℃의 개질촉매에 의한 개질가스가, 그 후 발생한 개질가스에 의해서 밀어내어지도록 하여 변성부(4) 및 정화부(5)를 통과하여, 버너(8)에 도달하기까지의 시간을 알 수가 있다. 따라서, 이 개질가스가 버너(8)에 생성가스로서 도달할 때의 해당 개질가스 중의 가연성 가스의 유량(메탄 0.5 NL/분, 수소 1.95 NL/분, 일산화탄소 0.05 NL/분)을 알기 위해서, 각 성분에 대한 이론 공기량을 계산할 수가 있고{이론 공기량 : 4.76 NL/분(대 메탄), 4.64 NL/분(대 수소), 0.12 NL/분(대 일산화탄소)}, 최적의 양의 공기를 공기공급부(10)로부터 버너(8)로 공급할 수가 있다.
따라서, 원료공급부(1)로부터의 신호(공급되는 원료량) 및 개질온도검지부 (12)로부터의 신호(개질촉매온도)에 의해 개질가스의 조성 및 각 성분의 유량을 검지하여, 버너(8)에의 적절한 공기의 량을 결정하여, 해당 양에 기초하여 공기공급부(10)로부터 버너(8)로 공기를 공급하는 것이 가능하게 된다. 그리고, 생성가스의 조성 및 각 성분의 유량이 변화하는 조건 하에 있어서도, 원료량 및 개질촉매온도로부터 이들을 예측할 수가 있으므로, 버너(8)의 안정한 연소상태 및 양호한 연소배기가스 특성을 실현할 수가 있다. 여기서, 연소배기가스특성은, 공기부족이나 공기과다에 의해서 완전연소가 행하여지지 않은 것 등에 의해, 연소배기가스가 CO나 미연소(未燃燒)의 탄화수소를 포함하는지 아닌지를 나타낸다. 즉, 양호한 연소배기가스특성은, 연소배기가스가 C0나 미연소의 탄화수소를 거의 포함하지 않은 것을 의미한다.
(2) 변성부에 대해서
다음에, 도 3은 백금족계의 변성촉매에, 10 체적%의 CO, 10 체적%의 CO2및 80 체적%의 H2로 이루어지는 표준가스를 공급하였을 때의, 변성촉매온도에 대한 상기 변성반응후의 CO 또는 CO2의 농도(체적%)를 도시하는 그래프이다. 촉매의 온도에 따라서 시프트반응, 역(逆) 시프트반응 및 메탄화 반응이 발생하여, CO 및 CH4의 양이 결정되는 것을 알 수 있다.
이러한 변성촉매에 의한 반응의 상태를 파악하기 위해서 이하의 방법이 유효하다. 즉, 도 1에 도시하는 바와 같이, 변성부(4)에 변성온도 검지부(13)를 설치하여 변성촉매온도를 측정하고, 또한, 상술한 바와 같이 개질부(3)에 공급되는 원료량 및 개질촉매온도에 기초하여 개질가스의 조성 및 각 성분의 유량을 구하면, 변성촉매온도에 기초하여 변성부(4)의 출구에서의 변성가스의 조성 및 각 성분의 유량을 예측할 수가 있다. 이 변성가스를 수소발생장치부터의 생성가스라고 간주하면, 개질가스를 생성가스라고 간주하는 경우보다, 보다 정확하게 생성가스 중의 가연성 가스의 유량을 예측할 수가 있다.
따라서, 원료공급부(1)로부터의 신호, 개질온도 검지부(12)로부터의 신호 및 변성온도검지부(13)로부터의 신호에 의해, 버너(8)에 공급하는 공기의 적절한 양을 보다 정확히 결정할 수가 있다.
(3) 정화부에 대해서
도 4는 백금족계의 CO제거(정화)촉매에, 1 체적%의 CO, 19 체적%의 CO2 및 80 체적%의 H2로 이루어지는 표준가스를 공급하였을 때의, CO정화촉매온도에 대한 상기 표준가스중의 CO농도(ppm)를 도시하는 그래프이다. 촉매온도에 따라서, 산화반응 및 역(逆) 시프트반응에 의해 C0의 양이 결정되어 있는 것을 알 수 있다.
이러한 CO제거촉매에 의한 반응의 상태를 파악하기 위해서 이하의 방법이 유효하다. 즉, 도 1에 도시하는 바와 같이, 정화부(5)에 정화온도 검지부(14)를 설치하여 정화촉매온도를 측정하고, 또한, 상술한 바와 같이 개질부(3)에 공급되는 원료량 및 개질촉매온도에 기초하여 개질가스의 조성 및 각 성분의 유량을 구하고, 또 변성촉매온도에 기초하여 변성가스의 조성 및 각 성분의 유량을 구하면, 정화촉매온도에 따라서 정화부(5)에 있어서 얻어지는 정화가스의 조성 및 각 성분의 유량을 예측할 수가 있다. 이 정화가스를 수소발생장치부터의 생성가스라고 간주하면, 개질가스 또는 변성가스를 생성가스라고 간주하는 경우보다, 보다 정확히 생성가스 중의 가연성 가스의 유량을 예측할 수가 있다.
따라서, 원료공급부(1)로부터의 신호, 개질온도 검지부(12)로부터의 신호, 변성온도 검지부(13)로부터의 신호, 및 정화온도 검지부(14)로부터의 신호에 의해,버너(8)에 공급하는 공기의 적절한 양을 보다 정확하게 결정할 수가 있다.
[실시예 2]
도 5는 본 발명의 실시예 2에 관한 수소발생장치의 구성을 도시하는 개략도이다. 도 5에 도시하는 수소발생장치는, 제어부(15)가, 연료공급부(9)부터의 신호에 의해 검지되는 버너(8)에 공급되는 연료량과, 상기 실시예 1에 따라 구한 생성가스 중의 가연성 가스량으로부터, 버너(8)에 공급되는 가연성가스의 총 유량을 예측하는 것 이외는 실시예 1의 수소발생장치와 동일하다.
이 구성에 의해, 개질부(3)에 원료를 공급하는 것만으로는 개질부(3)의 온도가 충분히 상승하지 않고, 연료공급부(9)로부터 버너(8)에 연료를 공급하여 버너(8)에서의 연소량을 늘리는 경우에는, 연료공급부(9)로부터의 신호에 의해 연료유량을 파악하고, 또한 생성가스 중의 가연성 가스 유량을 예측함으로써, 버너 (8)로의 가연성가스의 총 유량을 예측할 수가 있다. 그리고, 이 가연성가스의 총 유량에 따라서 적당량의 공기를 공기공급부(10)로부터 버너(8)에 공급하면, 버너 (8)의 연소의 안정상태 및 양호한 연소배기가스특성을 실현할 수가 있다.
또한, 각 반응부의 온도검지부는, 1개소가 아니고 복수 개소에 설치하더라도 좋다. 여러 개의 온도검지부를 설치하면, 촉매의 온도상태를 보다 상세하게 파악하여, 생성가스의 상태를 더욱 적확하게 예측할 수가 있다.
[실시예 3]
도 6에, 본 발명에 관한 또 다른 수소발생장치의 구성을 도시하는 개략도를 도시한다. 도 6에 도시하는 수소발생장치의 버너(8)에 있어서, 화염이 형성되는연소실(8')은, 화염의 이온전류에 기초하여 화염의 상태를 검지하는 화염검지부를 구비한다. 이 화염검지부는, 화염(21)과 접촉하도록 하여 설치된 내열성의 도전체 (17), 화염(21)을 통해 도전체(17)와 버너(8)에 소정의 전압을 인가하는 직류전원 (18), 화염(21)을 흐르는 이온전류를 전압으로 변환하는 전기저항(19), 및 전기저항(19)의 양끝의 전압을 검지하는 전압검지부(20)로 구성되어 있다. 또한, 도 6에 있어서의 다른 구성요소는, 도 1에 있어서의 것과 동일하다.
본 실시예의 특징은, 제어부(15)가 개질부(3)의 온도를 소정의 온도 이하로 제어하는 점에 있다. 버너(8)의 연료실(8')의 화염이 정상으로 형성되어 있는지 아닌지, 즉 버너(8)의 착화상태를 검지하기 위해서는, 화염(21)의 이온전류를 검지할 필요가 있고, 이 이온전류는 버너(8)로 공급되는 가스에 메탄 등의 탄화수소가 존재하지 않으면 발생하지 않는다. 따라서, 개질부(3), 변성부(4) 및 정화부(5)의 온도가 상승하여, 생성가스인 수소가스의 순도(純度)가 높아지면, 이온전류를 확실하게 검지하는 것이 곤란하게 되어 버리는 경향이 있다. 이에 대하여, 본 실시예에 있어서는, 화염검지부에 의해 이온전류를 확실히 검지할 수 있도록, 제어부(15)가 개질부(3)의 온도를 소정의 온도 이하의 온도로 조정하여, 생성가스에 탄화수소를 포함시켜 놓는 것이다. 이에 따라, 이온전류를 확실하게 검지할 수 있어, 착화 및 실화를 확실하게 인식할 수가 있다.
또한, 제어부(15)가 개질부(3)의 온도를 제어하는 방법으로서는, 물공급부 (2)로부터 개질부(3)로 공급되는 수량을 조절함으로써 개질부(3)의 온도를 제어하는 방법, 및 생성가스 중의 탄화수소 농도를 검지하는 탄화수소센서(도시하지 않음)를 설치하여, 탄화수소센서의 출력값에 기초하여 개질부(3)의 온도를 제어하는 방법 등을 들 수 있다.
또한, 이상에서는, 수소발생장치의 기동 시에 대해서 설명하였지만, 통상의 운전 시에 있어서, 각 반응부의 촉매온도를 변화시켜서 수소발생량을 변화시키는 경우 등에도 적용할 수 있다.
[실시예 4]
또한, 본 발명은, 상기 수소발생장치 및 연료전지를 포함하는 연료전지시스템(발전장치)에도 관한 것이다. 도 7은, 본 실시예에 관한 연료전지시스템의 구성을 도시하는 개략도이다. 도 7에 있어서, 도 9에서 도시한 종래의 연료전지를 사용한 연료전지시스템에 있어서의 구성요소와 같은 기능을 갖는 구성요소는, 동일부호로 도시하였다. 이들의 구성요소의 기능의 상세는 상술한 바와 같다.
도 7에 도시하는 연료전지시스템은, 수소발생장치의 본체인 개질부(106)의 온도를 검지하는 개질온도 검지부(120), 물(Y)을 공급하는 펌프로 이루어지는 물공급부(121), 및 생성가스의 탄화수소의 농도를 검지하는 탄화수소 검지부(122)를 구비한다. 탄화수소 검지부(122)로서는 가스크로식 센서, 적외선 흡수식 센서 또는 광음향(光音響)식 센서 등을 사용할 수가 있다.
연료전지(101)의 연료극(103)으로부터 배출되는 오프가스(G') 및 개질부 (106)에서 생성되는 생성가스(G)는, 각각 가스유로(123 및 123')로부터 버너(109)로 공급된다. 버너(109)에는, 공기를 공급하기 위한 팬으로 이루어지는 공기공급부(110)가 설치된다. 또한, 제어부(124)는 개질온도 검지부(120) 또는 탄화수소검지부(122)의 검출값에 따라서 물공급부(121) 및 공기공급부(110)를 운전·제어한다.
다음에, 본 실시예에 관한 연료전지시스템의 동작 및 작용에 대해서 설명한다. 개질부(106)에 원료(X)와 물(Y)가 공급되면 , 수증기 개질반응에 의해 원료 (X)의 탄화수소로부터 수소농축인 생성가스(G)를 얻을 수 있다. 이 생성가스(G) 및 연료전지로부터의 오프가스(G')는 가스유로(123 또는 123')으로부터 버너(109)에 공급된다. 버너(109)에 공급된 생성가스(G) 또는 오프가스(G')는, 공기공급부 (110)로부터 공급된 공기에 의해서 연소하여, 연소실(108)에 화염(111)을 형성한다. 화염(111)에 의한 연소가스는 개질부(106)를 가열하여 그 온도를 상승시켜서 수증기 개질반응이 행해진다.
화염(111)의 검지는, 화염(111) 중의 이온에 의해서 흐르는 이온전류를 전기저항(115)의 양끝에 발생하는 전압으로 변환하여 전압검지부(116)로 검지함으로써 행한다. 버너(109)에 공급되는 생성가스(G) 또는 오프가스(G')에 포함되는 탄화수소의 양이 많아지면, 화염(111)의 이온전류도 커지지만, 탄화수소의 량이 적어지면 이온전류가 작아져서, 화염(111)의 검지가 곤란하게 되어버린다. 따라서, 개질부 (106)에 있어서 수소로 전화되지 않은 나머지의 탄화수소의 양을 일정 이상으로 유지할 필요가 있기 때문에, 개질부(106)의 온도를 소정값 이하로 제어하여 개질부 (106)에 있어서의 탄화수소의 전화율(轉化率)을 소정값 이하로 할 필요가 있다.
개질온도 검지부(120)에서 얻어진 온도신호는 개질부(106)의 온도를 제어하는 제어부(124)로 보내진다. 개질온도 검지부(120)의 온도가 소정온도보다도 높은경우에는, 제어부(124)에 의해서 공기공급부(110)로부터 공급되는 공기량을 증가시킨다. 공기공급부(110)부터의 공기량을 증가시키면, 생성가스(G) 또는 오프가스 (G')의 연소에 필요한 양 이상의 양의 공기를 공급하게 된다. 그리고, 많이 남은 공기는 개질부(106)를 냉각해 버리기 때문에, 개질부(106)의 온도를 응답성 좋게 신속하게 저하시켜, 연소에 도움이 되는 생성가스(G) 또는 오프가스(G') 중의 탄화수소량을 소정량 이상으로 할 수가 있어, 그 결과, 이온전류값을 안정시켜 크게 할 수 있다.
따라서, 화염검지부(112)로 검지하는 전압도 안정시켜 높게 할 수가 있어, 버너(109)의 착화 및 실화를 응답성 좋게 확실하게 검지할 수가 있다. 또한, 화염(111)이 꺼지면 즉시 이온전류가 흐르지 않게 되어, 화염검지부(112)에 의해서 검지할 수 있는 전압도 즉시 저하하기 때문에, 착화 및 실화를 응답성 좋게 검지할 수가 있다.
또한, 개질부(106)의 온도가 소정의 온도보다도 높은 경우에는, 제어부(124)에 의해서 물공급부(121)로부터 공급하는 수량을 증가시킨다. 물공급부(121)로부터 공급하는 수량을 증가시키면, 수증기 개질반응에 필요한 양의 이상의 물이 개질부(106)로 공급되기 때문에, 많이 남은 물의 밝은 열이나 증발잠열에 의해 개질부 (106)의 온도를 낮게 하여, 원료의 전화율을 낮게 할 수가 있다. 그리고, 생성가스 (G) 또는 오프가스(G')에 포함되는 탄화수소의 양을 소정의 양 이상으로 할 수가 있어, 이온전류값을 크게 할 수 있다. 따라서, 화염검지부(112)에서 확실하게 전압을 검지하여 착화 및 실화를 검지할 수가 있다.
또한, 탄화수소 검지부(122)에 의해서 생성가스(G)에 포함되는 탄화수소의 농도를 검지하여, 제어부(124)에서 원료의 전화율을 산출한다. 산출된 전화율이 99% 이하가 되도록 공기공급부(110) 및 물공급부(121)의 적어도 한쪽을 제어부 (124)로 제어하면, 1% 이상의 탄화수소를 생성가스(G) 또는 오프가스(G')에 잔류시킬 수 있다. 이 생성가스(G) 또는 오프가스(G')를 버너(109)에 공급하기 때문에, 화염(111)중에 확실하게 이온이 발생하여, 이온전류를 확실하게 검지할 수가 있다.
이상과 같은 본 발명의 수소발생장치에 의하면, 기동 시의 수소발생장치로부터 송출되는 생성가스를 버너에 공급하는 구성에 있어서, 공급하는 원료의 량 및 개질부 온도에 의해, 개질가스의 조성 및 각 성분의 유량의 시간변화를 파악하여, 생성가스 중의 가연성가스의 유량을 예측할 수가 있어, 적당량의 공기를 공급하여, 연소의 안정상태 및 양호한 연소배기가스 특성을 실현할 수가 있다.
또한, 변성부 및 정화부의 온도를 측정함으로써, 변성반응 및 정화반응을 고려하고, 보다 정밀도 좋게 생성가스 중의 가연성 가스의 유량을 예측하여, 최적의 양의 공기를 공급할 수가 있다.
또한, 버너에 연료를 공급하는 경우에도, 공급하는 연료량 및 생성가스 중의 가연성가스의 유량을 예측함으로써, 버너에 공급되는 가연성가스의 총 유량을 파악하는 것을 할 수 있고, 최적의 양의 공기를 공급하여 연소의 안정상태 및 양호한 연소배기가스 특성을 실현할 수 있다.
덧붙여, 개질온도를 소정온도 이하로 제어함으로써 개질부에 있어서의 원료의 전화율을 소정값 이하로 하고, 또한 버너에 공급되는 가스 중의 탄화수소량을 소정량 이상으로 하여, 이온전류값을 크게 할 수 있다. 따라서, 화염검지부에서의 검지전압을 높게 할 수가 있어, 착화 및 실화를 확실하게 검지할 수가 있다. 또한, 화염의 이온전류를 검지하기 때문에, 화염이 존재하지 않게 되면 즉시 이온전류도 흐르지 않게 되어, 검지전압이 즉시 저하하여, 착화 및 실화를 응답성 좋게 검지할 수 있다.

Claims (9)

  1. 원료공급부 및 물공급부를 갖는 개질부와, 연료공급부 및 공기공급부를 갖고 상기 개질부를 가열하기 위한 버너를 구비하는 수소발생장치로서,
    또한, 상기 수소발생장치부터의 생성가스를 상기 버너로 안내하는 가스유로와, 상기 개질부의 온도를 측정하는 개질온도검지부와, 상기 원료공급부로부터의 신호 및 상기 개질온도검지부로부터의 신호에 기초하여 상기 공기공급부로부터 상기 버너로 공급하는 공기량을 제어하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부가, 상기 수소발생장치의 기동 시에 상기 원료공급부에서 공급되는 원료량을 소정비율로 증가시켜서, 상기 수소발생장치부터의 생성가스를 상기 버너로 안내하고, 또 상기 원료공급부로부터의 신호 및 상기 개질온도검지부로부터의 신호에 기초하여 상기 공기공급부로부터 상기 버너로 공급하는 공기량을 제어하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 개질부의 하류에 설치된 변성부, 및 상기 변성부의 온도를 측정하는 변성온도검지부를 구비하고, 상기 제어부가, 상기 원료공급부로부터의 신호와, 상기 개질온도검지부로부터의 신호 및 상기 변성온도검지부로부터의 신호에 기초하여 상기 공기공급부로부터 상기 버너로 공급하는 공기량을 제어하는것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 변성부의 하류에 설정된 정화부, 및 상기 정화부의 온도를 측정하는 정화온도검지부를 구비하고, 상기 제어부가, 상기 원료공급부로부터의 신호와, 상기 개질온도검지부로부터의 신호와, 상기 변성온도검지부로부터의 신호 및 상기 정화부로부터의 신호에 기초하여 상기 공기공급부로부터 상기 버너로 공급하는 공기량을 제어하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부가, 상기 생성가스 중의 가연성 가스량 및 상기 연료공급부로부터 상기버너로 공급하는 연료량에 기초하여, 상기 버너에 공급되는 가연성 가스량을 예측하고, 상기 공기공급부로부터 상기 버너로 공급하는 공기량을 제어하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 버너가, 화염을 형성하는 연소실, 및 상기 화염의 이온전류에 기초하여 화염의 상태를 검지하는 화염검지부를 구비하고, 상기 제어부가 상기 개질부의 온도를 소정의 온도 이하로 제어하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제어부가, 상기 물공급부에서 상기 개질부에 공급되는 수량을 조절함으로써 상기 개질부의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 생성가스 중의 탄화수소농도를 검지하는 탄화수소 센서를 구비하고, 상기 제어부가 상기 탄화수소센서의 출력값에 기초하여 상기 개질부의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 수소발생장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 연료전지 및 수소발생장치를 포함하는 연료전지시스템.
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