KR20030069168A - 촉매 연소기용 제어 장치 및 촉매 연소기의 동작 제어 방법 - Google Patents

촉매 연소기용 제어 장치 및 촉매 연소기의 동작 제어 방법 Download PDF

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Abstract

연료 주입기(11)는 연료 개질 장치의 개시시 연료 개질 장치의 촉매 연소기(9)에 액체 연료를 공급한다. 제어기는 연료 주입 개시후 소정 시간(t1) 동안 액체 연료에 대한 주입량(Qf)을 제 1 주입량(Qf1)으로 설정한다. 소정 시간후, 주입량(Qf)은 상기 제 1 주입량(Qf1) 보다 큰 제 2 주입량(Qf2)으로 설정된다. 연료 주입 개시후 경과된 시간이 값(t1) 보다 작을 때, 비연소된 연료의 방출량은 촉매에서 점화와 연소를 허용하는 최소 주입량(Qf1)으로 주입량(Qf)을 설정함으로써 감소된다.

Description

촉매 연소기용 제어 장치 및 촉매 연소기의 동작 제어 방법{CONTROL FOR CATALYTIC COMBUSTOR}
메탄올과 같은 액체 탄화수소 연료는 개질기에 의하여 개질되어, 연료 셀에 공급되는 수소를 함유하는 가스를 획득한다. 개질기는 가스 상태의 물과 연료를 사용한다. 결과적으로, 기화기 또는 열 교환기는 일반적으로 연료 셀 시스템에 설치되어 물과 액체 연료를 기화시킨다.
기화기 또는 열 교환기용으로 요구되는 열은 종종 연료 셀로부터의 애노드 오프-가스를 공기로 연소시키거나, 개질 가스를 공기로 연소시키는 연소기로부터 연소 가스에 의하여 공급된다. 그러나, 연료 셀 시스템을 개시할 때, 연소기에서 연소될 개질 가스 또는 애노드 오프-가스가 획득될 수 없거나, 그 생성량이 불충분하다는 문제점이 발생한다. 일본 특개평 제 2001-52730 호에는 연료 셀 시스템을 개시할 때, 기화기로 도입되는 액체 연료의 일부 또는 다른 액체 연료를 공기로 연소시키는 촉매 연소기가 설치된 연료 셀 시스템이 개시되어 있다. 촉매 연소기에의하여 생성된 연소 가스는 기화기 또는 열 교환기로 흘러 들어간다.
본 발명은 연료 셀 시스템에 사용될 수 있는 촉매 연소기에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 연료와 산소를 함유하는 가스를 촉매 연소기로 공급하는 방법에 관한 것이다.
도 1A는 본 발명에 적용된 연료 셀 시스템의 예를 도시하는 개략도이다. 도 1B는 촉매 연소기용 제어 장치를 도시하는 개략도이다.
도 2A는 종래 기술과 본 발명의 실시예에 관하여, 연료 주입 개시후 연료 주입량과 경과된 시간과의 관계를 도시하는 그래프이다. 도 2B는 연료 주입 개시후 경과된 시간에 대한 촉매 온도의 관계를 도시하는 그래프이다. 도 2C는 연료 주입 개시 후 경과된 시간에 대한 HC 방출량의 관계를 도시하는 그래프이다. 도 2A 내지 도 2C에서, 실선은 제 1 실시예를 나타내고, 점선은 종래 기술을 나타낸다.
도 3은 제 1 실시예에 따른 제어기에 의하여 수행되는 제어 루틴을 도시하는흐름도이다.
도 4는 제 2 실시예에 따른 제어기에 의하여 수행되는 제어 루틴을 도시하는 흐름도이다.
도 5는 촉매 연소기에 관하여, 과잉 공기비에 대한 산화질소의 생성량의 관계와, 과잉 공기비에 대한 연소 온도의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 6A는 본 발명의 제 1 및 제 3 실시예에 관하여, 연료 주입의 개시 후 경과된 시간에 대한 연료 주입량의 관계를 도시하는 그래프이다. 도 6B는 제 1 및 제 3 실시예에 관한 연료 주입 개시 후의 경과된 시간에 대한 과잉 공기비의 관계를 도시하는 그래프이다. 도 6C는 제 1 및 제 3 실시예에 따른 연료 주입 개시 후의 경과된 시간에 대한 촉매 온도의 관계를 도시하는 그래프이다. 도 6A 내지 도 6C에서, 점선은 제 3 실시예를 나타내고, 점선은 제 1 실시예를 나타낸다.
그러나, 종래 기술은, 촉매 연소기의 촉매의 온도가 낮은 기간 동안, 다시 말하면 촉매 활동이 저하할 때, 촉매 연소기로 분무되는 연료의 일부는 연소를 겪지 않고 방출되는 문제점을 야기한다.
그러므로, 본 발명의 목적은, 비연소된 연료의 방출을 방지하고, 기화기 또는 개질기와 같은 다양한 형태의 반응기들의 온도를 급속히 증가시키는 촉매 연소기를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 촉매 연소기의 개시 동작 시에 촉매 연소기로 연료를 주입시키는 연료 주입기; 산소 함유 가스를 촉매 연소기로 공급하기 위한 공급 장치; 및 상기 연료 주입기에 연결된 제어기를 구비하는, 연료를 연소하기 위한 촉매를 가지는 촉매 연소기용 제어 장치를 제공한다. 제어기는, 연료 주입기가 연료를 주입시키도록 하는 제 1 명령이후 경과된 시간을 측정하고; 상기 경과된 시간이 소정 시간 보다 큰 지의 여부를 판단하고; 상기 경과된 시간이 상기 소정 시간 이하일 때, 상기 연료 주입기의 연료 주입량을 제 1 소정 주입량으로 설정하고; 상기 경과된 시간이 상기 소정 시간보다 클 때, 상기 연소 주입기의 상기 연료 주입량을 상기 제 1 소정 주입량 보다 큰 제 2 소정 주입량으로 설정하고; 상기 연료 주입기가 상기 연료의 설정된 주입량을 주입시키도록 명령한다.
본 발명은 또한, 촉매 연소기의 개시 동작 시에 촉매 연소기로 연료를 주입시키는 연료 주입기; 산소 함유 가스를 촉매 연소기로 공급하기 위한 공급 장치;상기 촉매의 온도를 검출하는 센서; 및 상기 연료 주입기와 상기 센서에 연결된 제어기를 구비하는, 연료를 연소하기 위한 촉매를 가지는 촉매 연소기용 제어 장치를 제공한다. 제어기는, 촉매 온도(TC)가 제 1 소정 온도(TC1) 보다 큰 지의 여부를 판단하고; 촉매 온도가 상기 제 1 소정 온도 보다 낮을 때, 상기 연료 주입기의 연료 주입량을 제 1 소정 주입량으로 설정하고; 상기 촉매 온도가 상기 제 1 소정 온도 보다 클 때, 상기 연료 주입기의 상기 연료 주입량을 상기 제 1 소정 주입량 보다 큰 제 2 소정 주입량으로 설정하고; 상기 연료 주입기가 상기 설정된 연료 주입량을 주입시키도록 명령한다.
본 발명의 다른 특징들 및 이점들은 물론, 상세는 명세서 이하에 나타나 있으며, 첨부 도면에 도시되어 있다.
도 1A 및 도 1B에 관하여, 본 발명에 따른 촉매 연소기를 구비하는 예시적인 연료 셀 시스템(1)이 설명될 것이다. 이 연료 셀 시스템은, 전기화학 반응으로부터 전동력을 획득하는 연료 셀(2), 산소 함유 가스로서 압축 공기를 공급하는 압축기(5), 개질 반응으로부터 수소 함유 가스를 생성하는 개질기(6), 및 기화기(8)에서 열 교환 동작에 대한 열원으로서 동작하는 촉매 연소기(9)를 구비한다. 이 설명에서, 산소를 함유하는 가스는 때로는 "산소-함유 가스"로서 칭한다.
개질 반응에 대한 개시 물질은 메탄올과 물이며, 각각 메탄올 탱크(14)와 물 탱크(15)에 저장된다. 메탄올은 메탄올을 끌어 올리는 제 1 펌프(14)에 의하여 기화기(8)로 전달된다. 물은 물을 끌어 올리는 제 2 펌프(16)에 의하여 기화기(8)로 전달된다. 기화기(8)에서 생성된 스팀과 메탄올 증기는 개질기(6)로 전달된다.
개질기(6)에서, 파이프(17, 18)를 통하여 기화기(8)로부터 공급된 메탄올 증기와 스팀은 파이프(20)를 통하여 압축기(5)로부터 공급된 공기와 혼합되어, 메탄올과의 산화 반응과 메탄올과의 스팀 개질 반응을 이용함으로써 수소-농축 개질 가스를 생성한다. 개질기(6)는 분리 가열 소자를 생략할 수 있는 자동-온도형이다. 자동 온도 개질기에서, 흡열 스팀 개질 반응에 요구되는 열량은 발열 산화 반응에 의하여 생성된 열량에 의하여 보충된다. CO 산화기(7)는 연료 셀(2)과 개질기(6) 사이에 설치되어, 연료 셀(2)의 애노드(3)에 공급된 개질 가스에 포함된 일산화탄소로부터 유발되는 연료 셀(2)의 중독을 방지한다.
압축 공기는 파이프(24)를 통하여 압축기(5)로부터 연료 셀(2)의 캐소드(4)로 공급된다. CO 산화기(7)로부터의 개질 가스는 파이프(22)를 통하여 애노드(3)로 공급된다. 이러한 방식으로, 연료 셀(2)은 전기화학 반응을 이용하여 전력을 생성한다.
연료 셀(2)에 의하여 전력 생성시 사용되지 않는 애노드 오프-가스 및 캐소드 오프-가스는 지정된 파이프(26, 27)에 의하여 촉매 연소기(9)로 전달되고, 연료를 연소시키기 위하여 연소 촉매(10)에 의하여 연소된다. 연소 동작에 의하여 생성된 고온 연소 가스는 연소 촉매(10)의 하부에 연결된 기화기(8)에서 물과 액체 연료를 기화시키는 데 사용된 후, 파이프(28)로부터 방출된다. 기화기(8)는 액체 연료와 연소 가스간에, 그리고 연소 가스와 물 간의 열교환 동작을 수행하여, 물과액체 연료를 기화시킨다.
또한, 적어도, 개질기 또는 연료 셀 시스템(1)을 개시할 때, 다시 말하면 촉매 연소기의 개시 동작 동안, 공기는 파이프(29)와 압축기(5)를 통하여 촉매 연소기(9)로 도입되고, 액체 연료는 연료 주입기(11), 파이프(19), 및 메탄올을 끌어 올리는 제 1 펌프(14)를 통하여 공급된다. 공기와 메탄올은 혼합되고, 메탄올과 공기의 결과적인 가스 혼합물은 연소 촉매(10)로 도입되고, 연소 촉매(10)에 의하여 연소된다. 글로우 플러그(12)는 촉매 연소기(9)의 연소 촉매(10)와 연료 주입기(11) 사이에 설치되어, 메탄올과 공기의 가스 혼합물을 강제로 점화시킨다. 연소 촉매(10)의 연소 동작에 의하여 생성된 고온 연소 가스는 기화기(8)에서 물과 연료를 기화시키기 위하여 사용된 후, 파이프(28)로부터 방출된다.
제어기(31)는 중앙 처리 장치(CPU), 리드 온리 메모리(ROM), 랜덤 억세스 메모리(RAM), 및 입/출력 인터페이스(I/O interface)를 구비하는 마이크로컴퓨터이다. 이들 요소들은 버스로 연결된다. 제어기(31)는 복수의 마이크로컴퓨터들을 구비할 수도 있다.
제어기(31)는 연료 셀 시스템을 개시할 때, 다시 말하면 촉매 연소기의 개시 동작시, 촉매 연소기(9)로 공급되는 공기의 유속과 연료의 유속을 제어한다. 개질기(6)의 온도를 검출하는 제 1 온도 센서(32), CO 산화기(7)의 온도를 검출하는 제 2 온도 센서(33), 및 연소 촉매의 온도를 검출하는 제 3 온도 센서(34)로부터의 온도 신호들은 I/O 인터페이스를 통하여 제어기(31)로 입력된다. 제어기(31)는 압축기(5), 연료 주입기(11), 글로우 플러그(12), 공기의 유속을 제어하는 제 1, 제 2,및 제 3 공기 흐름 제어 밸브(21, 25, 30), 및 개질 가스의 유속과 흐름 방향을 조절하는 가스 흐름 제어 밸브(23)의 동작을 제어할 때, 이들 검출된 온도들을 사용한다. 압축기(5), 연료 주입기(11), 글로우 플러그(12), 제 1, 제 2, 및 제 3 공기 흐름 제어 밸브(21, 25, 30), 및 가스 흐름 제어 밸브(23)는 제어기(31)로부터의 명령 신호에 응답하여 동작한다. 제 1 공기 흐름 제어 밸브(21)는 압축기(5)로부터 개질기(6)로 공급된 공기량을 조절한다. 제 2 공기 흐름 제어 밸브(25)는 압축기(5)로부터 연료 셀(2)에 공급된 공기량을 조절한다. 제 3 공기 흐름 제어 밸브(30)는 압축기(5)로부터의 촉매 연소기(9)로 공급된 공기량을 조절한다.
다음, 개시 동작시 촉매 연소기로 공기와 연료를 공급하는 방법을 설명할 것이다. 상술된 바와 같이, 연료 셀(2)의 전력 발생 동작시, 촉매 연소기(9)는 연료 셀(2)에 의한 전력 발생시 사용되지 않는 애노드 오프-가스와 캐소드 오프-가스를 연소시킨다. 촉매 연소기(9)에 의하여 생성된 고온 연소 가스는 기화기(8)에서 물과 연료를 기화시키기 위한 열원으로서 사용된다. 반면, 연료 셀 시스템의 개시시, 촉매 연소기(9)는 애노드 오프-가스와 캐소드 오프-가스가 연료 셀(2)로부터 획득될 수 없으므로, 압축기(5)로부터 공급된 공기의 가스 혼합물과 연료 주입기(11)로부터 공급된 액체 연료를 연소시킨다.
도 2A 내지 도 2C를 참조하여, 종래 기술에서, 연료 주입의 고정량이 제어기로부터의 명령 결과로서 수행되어도, 촉매 작용은 낮은 촉매 온도로 인하여 불충분하다. 결과적으로, 공급된 연료의 일부는 연소를 하지 않고 촉매 연소기(9)로부터 방출된다.
도 2A 내지 도 2C를 다시 참조하면, 본 발명에 따라, 연소를 하지 않고 방출된(HC 방출) 연료량은, 개시 동작을 착수한 후, 다시 말하면 연료 주입을 시작한 후 소정 시간 (t1) 동안 촉매 연소기(9)에 공급된 액체 연료의 주입량을 제 1 소정 주입량(Qf1)으로 설정함으로써 감소된다. 제 1 소정 주입량(Qf1)은 촉매 연소기(9)에서 연소 촉매(10)에 의하여 연료의 점화가 실현되는 최소 주입량을 나타낸다.
소정 시간(t1)은 연료 주입 개시후, 활성 온도(Tc1')에 도달하기 위한 촉매 연소기(9)의 연소 촉매(10)에 대하여 요구되는 시간을 나타낸다. 소정 시간(t1)은 촉매로 흐르는 연료에 대한 연소 속도의 시간 의존성을 측정함으로써 실험적으로 결정된다. 활성 온도(Tc1')는 촉매로 흐르는 연료의 소정 퍼센트(50% ~ 90%)가 연소되는 촉매 온도로서 정의된다. 활성 온도가 촉매로 흐르는 연료의 50%가 연소되는 촉매 온도로서 정의될 때, 활성 온도(TC1')는 약 60℃이다.
소정 시간(t1) 동안 연소 촉매(10)의 활성이 불충분할 때, 공급된 연료의 일부는 연소를 겪지 않고 촉매 연소기(9)로부터 방출된다. 연료 주입 개시후 소정 시간(t1)이 경과할 때, 대부분의 연료는 연소 촉매(10)가 연소로부터 유발되는 온도 증가로 인하여 활성화되므로 연소된다.
소정 시간(t1) 후, 제어기(31)는 연료 주입량을 제 1 소정 주입량(Qf1)보다 큰 제 2 소정 주입량(Qf2)으로 설정한다. 여기서, 소정 시간(t1) 이후의 촉매 연소기(9)의 동작은 안정 상태(steady-state) 동작이라 칭한다. 소정 시간(t1) 이후의 안정 상태 동작에서, 연소 촉매(10)가 활성 온도(TC1')에 도달하므로, 발생된 열의 증가는 연소 촉매(10)와 그 하부에 위치된 기화기(8) 모두에서 급격한 온도 증가를 유발시킨다.
촉매 연소기(9)에는 연료 주입 개시후 소정 시간(t1) 동안 가스 혼합물을 강제적으로 점화시키도록 채용된 글로우 플러그(12)가 설치되어 있다. 이는 제 1 주입량(Qf1)이 더 작은 값으로 설정되므로, 비연소 연료의 방출량을 더욱 감소시키게 한다. 부가하여, 촉매 연소기(9)에 공급된 공기 흐름은, 과잉 공기비(λ)가 연료 주입량의 변화에 독립적으로 고정되도록 제어된다. 이는 연소 온도가 적합한 온도로 제어되도록 한다.
여기서, 과잉 공기(과잉 가스)비(λ)는 연료의 완전 연소를 달성하기 위하여 요구되는 최소 가스 유속에 의하여 분리된 산소 함유 가스(본 명세서에서 공기)의 유속을 나타낸다. 다시 말하면, 과잉 공기비(λ)는 화학양론적 가스/연료비에 의하여 분리된 촉매 연소기(9)에서의 가스/연료비를 나타낸다. 1 보다 큰 과잉 공기비에서, 촉매 연소기(9)에 주입된 연료가 완전 연소된다.
도 3을 참조하면, 촉매 연소기(9)에 대한 개시 동작시 제어기(31)에 의하여 실행되는 제어 루틴이 설명될 것이다. 제어 루틴은 고정 간격으로 타이머 인터럽트를 이용하여 주기적으로 실행된다. 고정 간격은 0.5 ~ 2초의 값을 취한다.
우선, 단계 S101에서, 연료 주입의 개시 후 경과된 시간(t)이 판독된다. 시간(t)는 초기 제어 루틴의 개시시 0의 값으로 설정된다. 제어기(31)가 연료를 주입하는 연료 주입기를 개시할 때, 경과된 시간의 측정을 시작한다. 즉, 제어기(31)는 연료 주입기가 연료를 주입시키도록 하는 제 1 명령후 경과된 시간을 측정한다.
단계 S102에서, 연료 주입의 개시후 경과된 시간(t)이 소정 시간(t1) 보다 큰 지의 여부를 판정한다. 경과된 시간이 소정 시간(t1) 이하인 경우, 루틴은 연료 주입량(Qf)이 제 1 소정 주입량(Qf1)으로 설정되는 단계 S103으로 진행한다.
단계 S104에서, 공기 유속(Qa)은 고정된 과잉 공기비(λ)가 제 1 주입량(Qf1)에 대하여 달성되는 공기 유속(Qa1)으로 설정된다. 이후, 루틴은 단계 S107로 진행한다. 고정 과잉 공기비(λ)는 촉매 컨버터(9)의 안정 상태 동작시 400℃ 내지 800℃의 연소 촉매 온도를 구현하고, 3 내지 5의 범위인 과잉 공기비이다.
단계 S102에서, 경과된 시간(t)이 소정 시간(t1) 보다 클 때, 루틴은 연료 주입량(Qf)이 제 2 주입량(Qf2)으로 설정되는 단계 S105로 진행한다. 제 2 주입량(Qf2)은 제 1 주입량(Qf1) 보다 크다는 것에 주목되어야 한다.
단계 S106에서, 공기 유속(Qa)은 제 2 주입량(Qf2)에서 고정된 과잉 공기비(λ)를 달성하기 위한 공기 유속(Qa2)으로 설정된다. 그 후, 루틴은 단계 S107로 진행한다.
단계 S107에서, 제 3 공기 흐름 제어 밸브(30)의 개구와 압축기(5)의 회전 속도가, 설정된 공기 유속(Qa)을 생성하도록 제어된다. 예컨대, 이 제어는 공기 유속(Qa)에 대하여 공기 흐름 제어 밸브(30)의 개구와 압축기(5)의 회전 속도를 지정하고, 실험적으로 결정된 테이블을 참조함으로써 구현될 수도 있다.
단계 S108에서, 연료 주입기(11)의 제어는 단계 S103에서 또는 단계 S105에서 설정된 주입량(Qf)에 기초하여 수행된다. 즉, 제어기는 연료 주입기(11)가 연료의 설정된 주입량(Qf)을 주입할 것을 명령한다.
다음, 개시 동작시 촉매 연소기로 공기 및 연료를 공급하는 방법에 관련된 제 2 실시예가 설명될 것이다.
도 1에 도시된 온도 센서(34)는 연소 촉매(10)의 온도를 검출한다. 촉매 활성 온도(TC1') 보다 낮은 온도에서, 촉매 연소기(9)에 공급되는 액체 연료의 주입량(Qf)은 제 1 소정 주입량(Qf1), 즉 촉매에서 점화를 구현할 수 있는 최소 주입량으로 설정된다. 이러한 방식으로, 비연소 연료의 방출량이 감소될 수 있다. 촉매 활성 온도(TC1') 이상의 온도에서, 연료 주입량(Qf)은 제 1 소정 주입량(Qf1) 보다 큰 제 2 소정 주입량(Qf2)으로 설정된다. 촉매 활성 온도(TC1')를 초과하면, 대략 모든 공급된 연료가 연소된다. 그 후, 제 2 소정 주입량(Qf2)이 유지되고, 촉매 활성화가 연소로 인하여 유발되는 온도 상승으로 인하여 또한 향상된다. 그 후, 촉매 온도는 안정 상태 동작시 촉매의 안정 상태 온도인, 제 2 소정 온도(TC2)에 점차 도달한다. 다시 말하면, 제 2 소정 주입량(Qf2)은 촉매 컨버터의 안정 상태 동작 조건하에 제 2 소정 온도(TC2)를 구현하는 연료 주입량이다.
여기서, 제 2 소정 온도(TC2)는 촉매로 흐르는 연료의 적어도 99%가 연소를경험하는 400℃의 보다 낮은 제한 온도 이상으로 설정된다. 또한, 제 2 소정 온도(TC2)는 대략 800℃이고, 촉매의 열 저항 특성을 기초로 결정된 촉매의 최대 허용가능 온도 미만으로 설정된다. 예컨대, 제 2 소정 온도(TC2)는 대략 600℃로 설정된다. 이러한 방식으로, 급격한 온도 증가가 연소 촉매(10)에서 그리고 그 하부에 설치된 기화기(8)에서 구현된다. 또한, 실제 촉매 온도에 기초하여 연료 주입량의 제어는 촉매 온도의 정확한 제어를 가능하게 한다.
연료와 공기의 가스 혼합은 촉매 활성 온도(TC1') 보다 낮은 온도에서 글로우 플러그(12)에 의하여 강제적으로 점화될 수도 있어서, 비연소 연료의 방출량을 또한 감소시킨다.
또한, 적합한 온도를 구현하기 위하여, 촉매 연소기(9)에 공급된 공기 흐름은, 과잉 공기비(λ)가 연료 주입량의 변화에 독립적으로 고정되는 방식으로 제어된다.
도 4를 참조하여, 촉매 연소기(9)의 개시 동작시 제어기(31)에 의하여 실행되는 제 2 실시예에 따른 제어 루틴이 설명될 것이다. 제어 루틴은 고정 간격으로 타이머 인터럽트를 사용하여 주기적으로 실행된다. 고정 간격은 10 내지 100밀리초의 값을 취한다.
단계 S201에서, 연소 촉매(10)의 온도(TC)는 온도 센서(34)를 이용하여 판독된다.
이후, 단계 S202에서, 촉매 온도(TC)가 활성화 온도(TC1')와 동일한 제 1 소정 온도(Tc1) 보다 큰 지의 여부가 판단된다. 촉매 온도(TC)가 제 1 소정 온도(TC1)보다 낮을 때, 루틴은 연료 주입량(Qf)이 제 1 주입량(Qf1)으로 설정되는 단계 S203으로 진행한다.
다음, 단계 S204에서, 공기 유속(Qa)은 제 1 주입량(Qf1)에서 고정된 과잉 공기비(λ)를 달성하기 위하여 공기 유속(Qa1)으로 설정된다. 이 후, 루틴은 단계 S207로 진행한다. 고정된 과잉 공기비(λ)는 3 내지 5의 범위이다.
단계 S202에서, 촉매 온도(TC)가 제 1 소정 온도(TC1) 보다 크다고 판정될 때, 루틴은 연료 주입량(Qf)이 제 2 연료 주입량(Qf2)으로 설정되는 단계 S205로 진행한다. 제 2 주입량(Qf2)은 제 1 주입량(Qf1) 보다 크다는 것이 주목되어야 한다.
단계 S206에서, 공기 유속(Qa)은 제 2 주입량(Qf2)에 대응하는 고정된 과잉 공기비(λt)를 생성하는 공기 유속(Qa2)으로 설정된다. 그 후, 루틴은 단계 S207로 진행한다.
단계 S207에서, 공기 흐름 제어 밸브(30)의 개구 및 압축기(5)의 회전 속도는 설정된 공기 유속(Qa)이 구현되도록 제어된다. 다음, 단계 S208에서, 연료 주입기(11)는 단계 S203에서 또는 단계 S205에서 설정된 주입량(Qf)에 기초하여 제어된다.
촉매 연소기의 개시 동작 동안 공기와 연료를 공급하는 방법에 관한 제 3 실시예가 이후에 설명될 것이다. 이 실시예에서, 제어기(31)는 제 1 또는 제 2 실시예에 따른 제어 루틴과 동일한 제어 루틴을 실행한다. 또한, 연료 주입량 제어는 제 1 및 제 2 실시예에서 실행된 것과 동일하다. 이 실시예와 제 1 및 제 2 실시예와의 차이점은 후술하는 바와 같이, 공기 유속의 설정에 있다.
도 5는 과잉 공기비(λ)의 함수로서 연소 온도와 산화질소의 생성량을 도시한다. 연소 온도와 생성된 산화질소량은 약 1의 과잉 공기비에서의 최대값을 취한다. 촉매 연소기(9)에서의 과잉 공기비는 연소 온도 또는 산화질소의 생성량이 최대값을 취하는 과잉 공기비 보다 높은 과잉 공기비로 항상 설정된다. 과잉 공기비(λ)가 제 1 및 제 2 실시예에서 일정값(λt)으로 고정되어도, 과잉 공기비(λ)는 제 3 실시예에서, 연소 촉매(10)의 온도 또는 경과된 시간에 따라 변한다.
이 실시예에서, 공기 유속의 제어는 제 1 및 제 2 과잉 공기비(λ1, λ2)를 사용하여 도 6a 내지 6c에 도시된 바와 같이 수행된다. 제 1 소정 온도(TC1)와 최대 허용 온도 간의 연소 촉매(10)의 온도를 달성하기 위한 과잉 공기비는 제 2 과잉 공기비(λ2)이도록 취해진다. 촉매에 대한 최대 허용 온도는 연소 촉매(10)의 열 저항 특성을 고려하여 결정된다. 한편, 제 1 과잉 공기비(λ1)는 λ2 보다 작은 값으로 설정되고, 산화질소의 생성량이 허용가능한 범위내에 있도록 설정된다. 제 1 과잉 공기비(λ)는 바람직하게는, 연료의 연소에 의하여 생성된 산화질소량이 허용가능한 범위에 있는 최저값이다. 제 1 과잉 공기비(λ1)는 2 내지 3의 값을 취한다. 제 2 과잉 공기비(λ2)는 4 내지 5의 값을 취한다.
연료 주입의 개시후 경과된 시간(t)이 도 3의 단계 S102에서 소정 시간(t1) 이하라고 판정될 때, 제어기(31)는 단계 S104에서, 공기 유속(Qa)을 연료 주입량(Qf1)에 대한 제 1 과잉 공기비(λ1)를 달성하는 공기 유속으로 설정한다. 촉매 온도가 도 4의 단계 S202에서 소정 온도(TC1) 이하라고 판단될 때, 제어기(31)는 단계 S204에서 공기 유속(Qa)을 연료 주입량(Qf1)에 대한 제 1 과잉 공기비(λ1)를 달성하는 공기 유속으로 설정한다. 이는 고 연소 온도와 촉매의 결과적인 급속한 온도 증가를 허용한다. 도 6c에 도시된 바와 같이, 촉매가 활성 온도에 도달할 때 까지 연료 주입의 개시 후 경과된 시간은, 촉매 연소기의 개시 동작 동안 과잉 공기비(λ)가 제 2 과잉 공기비(λ2)로 유지될 때의 경과된 시간(t1)과 비교하여 경과된 시간(t1')으로 단축된다.
연료 주입의 개시후 경과된 시간(t)이 도 3의 단계 S102에서 소정 시간(t1) 보다 크다고 판정될 때, 제어기(31)는 단계 S106에서 공기 유속(Qa)을, 연료 주입량(Qf2)에 응답하여 제 2 과잉 공기비(λ2)를 달성하는 공기 유속으로 설정한다. 촉매 온도가 단계 S202에서 소정 온도(TC1) 이상으로 증가했다고 판정될 때, 제어기(31)는 단계 S206에서 공기 유속(Qa)을, 연료 주입량(Qf2)에 응답하여 제 2 과잉 공기비(λ2)를 달성하는 공기 유속으로 설정한다. 이러한 방식으로, 촉매 온도의 과잉 증가를 피함으로써 촉매의 열화가 방지된다. 또한, 이 실시예는 연소 촉매(10) 및 기화기(8)에서의 보다 급격한 온도 증가를 구현하면서, 비연소된 연료의 방출량을 감소시키는 것을 허용한다.
상기 각 실시예에서, 연소 촉매기(9)가 기화기(8)로의 연소 가스의 소스가 되어도, 본 발명은 이 관점에 한정되지 않는다. 촉매 연소기(9)는 개시 동작시 연료 셀의 촉매 또는 개질기로 공급되는 열원으로서 사용될 수도 있다.
일본 특개평 P2001-384199(2001년 12월 18일 출원)의 그 전체 내용이 여기에 참조용으로 사용되었다.
본 발명이 본 발명의 특정 실시예를 참조하여 상술되었으나, 본 발명은 상술된 실시예들에 한정되는 것은 아니다. 상술된 실시예들의 변형 및 변화가 상기 교시의 관점에서 당업자들에게 행해질 것이다. 본 발명의 범위는 다음의 청구범위를 참조하여 정의된다.
본 발명에 따른 제어 장치 및 제어 방법은 촉매 연소기, 특히 연료 개질 시스템 또는 연료 셀 시스템에 사용되는 촉매 연소기에 적용될 수 있다.

Claims (12)

  1. 촉매 연소기의 개시 동작시 상기 촉매 연소기에 연료를 주입하기 위한 연료 주입기(11);
    상기 촉매 연소기에 산소 함유 가스를 공급하기 위한 공급 장치(5); 및
    상기 연료 주입기가 연료를 주입시키도록 하는 제 1 명령후 경과된 시간을 측정하고, 상기 경과된 시간(t)이 소정 시간(t1) 보다 큰 지를 판정하고, 상기 경과된 시간(t)이 상기 소정 시간(t1) 이하일 때, 상기 연료 주입기(11)의 연료 주입량(Qf)을 제 1 소정 주입량(Qf1)으로 설정하고, 상기 경과된 시간(t)이 상기 소정 시간(t1) 보다 클 때, 상기 제 1 소정 주입량(Qf1) 보다 큰 제 2 소정 주입량(Qf2)으로 상기 연료 주입기(11)의 연료 주입량을 설정하고, 상기 연료 주입기가 상기 설정된 연료 주입량을 주입하도록 명령하는, 상기 연료 주입기에 연결된 제어기(31)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 연료를 연소시키기 위한 촉매(10)를 가지는 촉매 연소기(9)용 제어 장치.
  2. 촉매 연소기의 개시 동작시 상기 촉매 연소기에 연료를 주입하기 위한 연료 주입기(11);
    상기 촉매 연소기에 산소 함유 가스를 공급하기 위한 공급 장치(5);
    상기 촉매의 온도를 검출하는 센서(34); 및
    촉매 온도(TC)가 제 1 소정 온도(TC1) 보다 큰 지를 판단하고, 상기 촉매 온도(TC)가 상기 제 1 소정 온도(TC1) 보다 낮을 때, 상기 연료 주입기(11)의 연료 주입량(Qf)을 제 1 소정 주입량(Qf1)으로 설정하고, 상기 촉매 온도(TC)가 상기 제 1 소정 온도(TC1) 보다 클 때, 상기 제 1 소정 주입량(Qf1) 보다 큰 제 2 소정 주입량(Qf2)으로 상기 연료 주입기(11)의 연료 주입량(Qf)을 설정하고, 상기 연료 주입기가 연료의 상기 설정된 주입량을 주입시키도록 명령하는, 상기 연료 주입기에 연결된 제어기(31)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 연료를 연소시키기 위한 촉매(10)를 가지는 촉매 연소기(9)용 제어 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 촉매 연소기에 공급된 산소 함유 가스의 유속을 조절하기 위한 흐름 제어 밸브를 더 구비하고,
    상기 제어기(31)는 또한,
    상기 설정된 연료 주입량에 응답하여, 고정된 과잉 공기비(λt)를 달성하기 위한 산소 함유 가스의 유속을 계산하고,
    상기 흐름 제어 밸브가 산소 함유 가스의 상기 계산된 유속을 달성하도록 명령하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매 연소기에 공급된 산소 함유 가스의 유속을 조절하기 위한 흐름 제어 밸브를 더 구비하고,
    상기 제어기(31)는 또한,
    상기 경과된 시간(t)이 상기 소정 시간(t1) 이하일 때, 제 1 과잉 공기비(λ1)를 달성하기 위한 산소 함유 가스의 유속을 계산하고,
    상기 경과된 시간(t)이 상기 소정 시간(t1) 보다 클 때, 상기 제 1 과잉 공기비 보다 높은 제 2 과잉 공기비(λ2)를 달성하기 위한 산소 함유 가스의 유속을 계산하고,
    상기 흐름 제어 밸브가 산소 함유 가스의 상기 계산된 유속을 달성하도록 명령하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 촉매 연소기에 공급되는 산소 함유 가스의 유속을 규제하기 위한 흐름 제어 밸브를 더 구비하고,
    상기 제어기(31)는 또한,
    상기 촉매 온도(TC)가 상기 제 1 소정 온도(TC1) 보다 낮을 때, 제 1 과잉 공기비(λ1)를 달성하기 위한 산소 함유 가스의 유속을 계산하고,
    상기 촉매 온도가 상기 제 1 소정 온도(TC1) 보다 클 때, 상기 제 1 과잉 공기비 보다 높은 제 2 과잉 공기비(λ2)를 달성하기 위한 산소 함유 가스의 유속을 계산하고,
    상기 흐름 제어 밸브가 산소 함유 가스의 상기 계산된 유속을 달성하도록 명령하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 연료를 점화시키고, 상기 연료 주입기와 상기 촉매 사이의 촉매 연소기에 설치되는 글로우 플러그(12)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 소정 주입량(Qf1)은 촉매시 연료의 점화를 허용하는 최소 주입량이고, 상기 제 2 소정 주입량(Qf2)은 촉매 연소기의 안정 상태 동작 조건 하에 촉매의 온도가 제 2 소정 온도(TC2)에 도달하는 주입량이고, 상기 제 2 소정 온도(TC2)는 상기 촉매의 활성 온도(TC1') 보다 높고, 상기 촉매의 최대 허용가능 온도 보다 낮은 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 소정 주입량(Qf1)은 촉매시 연료의 점화를 허용하는 최소 주입량이고, 상기 제 2 소정 주입량(Qf2)은 촉매 연소기의 안정 상태 동작 조건 하에 촉매의 온도가 제 2 소정 온도(TC2)에 도달하는 주입량이고, 상기 제 2 소정 온도(TC2)는 상기 제 1 소정 온도(TC1) 보다 높고, 상기 촉매의 최대 허용가능 온도 보다 낮은 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  9. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 과잉 공기비(λ1)는 연료의 연소에 의하여 생성된 산화질소의 양이 허용가능한 범위에 있는 최소값이고, 상기 제 2 과잉공기비(λ2)는 상기 촉매 연소기의 안정 상태 동작 조건하에 상기 촉매 온도가 제 2 소정 온도(TC2)와 일치하는 과잉 공기비이고, 상기 제 2 소정 온도(TC2)는 상기 촉매의 활성 온도(TC1') 보다 높고, 상기 촉매의 최대 허용가능 온도 보다 낮은 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  10. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 과잉 공기비(λ1)는 연료의 연소에 의하여 생성된 산화질소의 양이 허용가능한 범위에 있는 최소값이고, 상기 제 2 과잉 공기비(λ2)는, 촉매 연소기의 안정 상태 동작 조건하에 상기 촉매 온도가 제 2 소정 온도(TC2)와 일치하는 과잉 공기비이고, 상기 제 2 소정 온도(TC2)는 상기 제 1 소정 온도(TC1) 보다 높고, 상기 촉매의 최대 허용가능 온도 보다 낮은 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  11. 촉매 연소기(9)에 산소 함유 가스를 공급하는 단계;
    연료 주입 개시후 경과된 시간을 측정하는 단계;
    상기 경과된 시간(t)이 소정 시간(t1) 보다 큰 지를 판단하는 단계;
    상기 경과된 시간(t)이 상기 소정 시간(t1) 이하일 때, 상기 촉매 연소기(9)에 대한 연료 주입량(Qf)을 제 1 소정 주입량(Qf1)으로 설정하는 단계;
    상기 경과된 시간(t)이 상기 소정 시간(t1) 보다 클 때, 상기 촉매 연소기(9)에 대한 상기 연료 주입량을 상기 제 1 소정 주입량(Qf1) 보다 큰 제 2소정 주입량(Qf2)으로 설정하는 단계; 및
    상기 연료의 설정된 주입량을 상기 촉매 연소기로 주입시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는, 연료를 연소시키는 촉매(10)를 가지는 촉매 연소기(9)의 동작을 제어하는 방법.
  12. 촉매 연소기에 산소 함유 가스를 공급하는 단계;
    상기 촉매의 온도를 검출하는 단계;
    상기 촉매 온도(TC)가 제 1 소정 온도(TC1) 보다 큰 지를 판정하는 단계;
    상기 촉매 온도(TC)가 상기 제 1 소정 온도(TC1) 보다 작을 때, 상기 연료 주입기(11)의 연료 주입량(Qf)을 제 1 소정 주입량(Qf1)으로 설정하는 단계;
    상기 연료 주입기(11)의 상기 연료 주입량(Qf)을, 상기 촉매 온도(TC)가 상기 제 1 소정 온도(TC1) 보다 클 때, 상기 제 1 소정 주입량(Qf1) 보다 큰 제 2 소정 주입량(Qf2)으로 설정하는 단계; 및
    상기 연료의 설정된 주입량을 상기 촉매 연소기로 주입하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는, 연료를 연소시키기 위한 촉매(10)를 가지는 촉매 연소기(9)의 동작을 제어하는 방법.
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