KR20030076989A - 연료 전지의 연료 개질 시스템 및 그 연료 개질 방법 - Google Patents

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KR20030076989A
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쇼지다다시
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닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Abstract

개질 리액터(31)에서는, 탄화수소 연료와 공기간에 부분 산화 반응이 수행되고, 부분 산화 반응에 의해 가열되는 뜨거운 가스에 물이 분사되어 이 물을 기화시키고, 기화된 물이 뜨거운 가스와 혼합된다. 시프트 리액터(33)에서는, 기화된 물이 뜨거운 가스와 시프트 반응이 행해진다. 이와 같이, 물의 기화를 촉진하기 위한 장치 또는 복잡한 연료 분사 장치가 요구되지 않는다.

Description

연료 전지의 연료 개질 시스템 및 그 연료 개질 방법{FUEL REFORMING SYSTEM OF A FUEL CELL}
연료 개질에 의해 연료 전지로 공급되는 수소-리치 가스를 발생시키는 연료 전지에서는, 수소 이외에, 일산화탄소가 개질 과정에서 발생되어, 이 일산화탄소가 연료 전지에서의 촉매의 활성을 억제한다. 따라서, 개질 시스템은 개질 리액터의 하류측에 제공된 시프트 리액터(shift reactor)를 포함시켜 일산화탄소의 농도를 감소시키고 있다.
개질 반응과 시프트 반응에는 수증기가 필요하며, 2000년 일본국 특허청에 의해 공개된 JP2000-306594A호 공보에는 연료 전지의 개질 가스가 개질 리액터로 도입되어 개질 리액터로 공급되는 물의 기화를 촉진시키는 방법이 개시되어 있다.
본 발명은 연료 전지의 연료 개질 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 연료 개질 시스템의 개략도,
도 2는 개질기의 개략도,
도 3은 물 분사량과 히터 통전량을 산출하는 루틴을 도시하는 플로 차트,
도 4는 물 기화량과 가스 온도 감소량간의 관계를 도시하는 표,
도 5는 가스 가열이 필요한 영역과 가스 가열이 불필요한 영역을 도시하는 맵,
도 6은 히터 통전량 기본값을 계산하는 맵,
도 7은 히터 통전량의 분사 수온 보정 계수를 산출하는 표,
도 8a, 8b는 제2 실시예에 의한 믹서의 일부를 도시하는 개략도,
도 9a - 도 9c는 제3 실시예에 의한 개질기의 개략도,
도 10은, 도 2와 유사한, 제4 실시예에 의한 개질기의 개략도,
도 11은, 도 2와 유사한, 제5 실시예에 의한 개질기의 개략도,
도 12는, 도 2와 유사한, 제6 실시예에 의한 개질기의 개략도,
도 13a-도 13c는 다공체의 개략도이다.
액상의 물이 시프트 리액터에 유입되면, 시프트 리액터의 반응 효율이 저하한다. 이것을 피하기 위해서, 물을 시프트 리액터에 유입되기 전에 완전히 기화시킬 필요가 있다. 전술한 종래의 장치에서는, 연료 전지로부터의 배기 가스가 개질 리액터에 도입되어 물의 기화를 촉진시키고 있지만, 연료 전지의 배기 가스가 도입될 때, 수소의 몰분율이 저하하므로 연료 전지의 효율이 저하된다. 연료 분사 장치에 의해 물이 원자화되어 기화되더라도, 원자화된 물을 기화시키기 위해서 물 입자는 매우 정제되어야 한다.
따라서, 본 발명의 목적은, 개질 시스템으로 물이 공급될 때에 간단한 구성에 의해 물의 기화를 촉진시켜, 액상의 물이 시프트 리액터에 유입되는 것을 방지하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 탄화수소 연료와 산소가 도입되어 부분 산화 반응을 수행하는 개질 리액터, 개질 리액터의 하류측에 제공되며, 부분 산화 반응에 의해 가열되는 가스에 물을 분사시켜 물을 기화시키고, 기화된 물을 가스와 혼합하는 믹서, 및 믹서의 하류측에 제공되며, 기화된 물을 함유하는 가스가 도입되어, 시프트 반응을 수행하는 시프트 리액터를 포함하는 연료 전지의 연료 개질 시스템을 제공하고 있다.
본 발명의 특징에 의하면, 본 발명은, 탄화수소 연료와 산소간의 부분 산화 반응을 수행하는 것, 부분 산화 반응에 의해 가열되는 가스에 물을 분사시키고, 그럼으로써 기화된 물을 가스와 혼합하는 것, 및 기화된 물과 가스간의 시프트 반응을 수행하는 것을 포함하는 연료 전지의 연료 개질 시스템의 연료 개질 방법을 제공하고 있다.
명세서의 나머지 부분에서 본 발명의 다른 특징 및 이점 뿐만 아니라 상세함이 설명되며 첨부 도면에 도시된다.
먼저, 도면들 중 도 1을 참조하여 본 발명에 의한 연료 개질 시스템의 기본 구성 및 동작이 설명된다. 메탄올 피더(feeder)(1)로부터 메탄올이 증발기(도시되지 않음)로 보내지고, 가열 기화되어, 메탄올 증기가 개질기(4)로 공급된다. 공기 피더(2)로부터 공기도 개질기(4)로 공급되고, 물 피더(3)로부터 개질기(4)로 물이 공급된다.
개질기(4)는, 개질 리액터(31), 믹서(32), 및 시프트 리액터(33)를 구비하고 있다. 개질 리액터(31)에서는, 다음의 촉매 반응이 일어난다.
CH3OH + (1/2)O2⇔ CO2+ 2H2…(1)
CH3OH + H2O ⇔ CO2+ 3H2…(2)
이것에 의해 메탄올이 개질되어, 수소-리치 개질 가스가 생성된다.
식 (1)은 메탄올의 부분 산화 반응(발열 반응)이고, 식 (2)는 메탄올의 수증기 반응(흡열 반응)이다. 식 (2)의 반응은 대개 아래에 나타낸 바와 같이 진행한다.
CH3OH ⇔ CO + 2H2…(3)
CO + H2O ⇔ CO2+ H2…(4)
식 (3)은 메탄올의 분해 반응(흡열 반응)이고, 식 (4)는 일산화탄소의 시프트 반응(발열 반응)이다. 개질 리액터(31)는 이들 반응에 의해 배출되는 열과 흡수되는 열이 균형을 이루는 오토서멀(autothermal) 조건하에서 운전한다. 따라서, 개질 리액터(31)의 크기와 구성, 및 촉매의 성능이 고정되면, 메탄올의 양에 대응하는 수증기량과 공기량은 본질적으로 고정된다.
공급되는 전체 메탄올의 양에 대한 부분 산화 반응(POX)에 의해 소비되는 메탄올의 비율을 POX률로 정의하면, 본질적으로 공급되는 모든 산소가 식 (2)의 부분 산화 반응(POX)에 사용되므로, 전체 메탄올의 양에 필요한 공기량은 POX률로부터 판단될 수 있다.
촉매가 저온에 있을 때의 기동 중에, 다음의 부가 반응도 동시에 일어난다.
CH3OH ⇔ HCHO + H2…(5)
HCHO ⇔ CO + H2…(6)
개질 리액터(31)의 운전 온도는 300-600℃이며, 열역학적 화학적 평형으로부터, 수 %의 위수(order)의 일산화탄소를 함유하는 개질 가스가 얻어진다. 일산화탄소는, 폴리머 전해질형 연료 전지(6)의 백금 등을 포함하는 연료극 전극 촉매의 활성을 억제하여, 그 활동을 상당히 감소시킨다. 따라서, 리액터(33) 및 CO 처리 리액터(선택적 산화 리액터)(5)가 일산화탄소를 수십 내지 수백 ppm으로 감소시킨 후에 연료 전지(6)를 공급하는 것이 필요하다.
수 %의 일산화탄소를 함유하는 개질 가스는 시프트 리액터(33)로 보내져, 식 (4)의 시프트 반응에 의해 일산화탄소가 감소된다. 시프트 리액터(33)의 운전 온도는 200-300℃이며, 열역학적 화학적 평형에 기인하여, 0.수 %를 함유하는 개질 가스가 얻어진다.
시프트 반응에 의해 일산화탄소가 감소된 개질 가스는 다음 식 (7)에 따라 촉매 산화 반응(발열 반응)이 일어나는 CO 처리 리액터(5)로 보내진다.
CO + (1/2)O2⇔ CO2…(7)
이것에 의해 일산화탄소는 최대 수십 내지 수백 ppm으로 더욱 감소된다. 필요한 산소는 공기 피더(2)에 의해 공기로서 공급된다.
CO 처리 리액터(5)에서는, 수소 분위기에서 산화 반응이 일어나므로, 다음식 (8)로 나타내어진 수소의 연소 반응(발열 반응)이 또한 일어난다. 식 (8)의 반응이 일어나면, 연료 전지(6)로 공급되는 수소의 양이 감소하므로, 식 (8)의 반응의 발생의 용이함은 개질 시스템의 효율 및 연료 전지의 성능에 영향을 크게 준다.
H2⇔ (1/2)O2+ H2O …(8)
식 (7), 식 (8)의 반응에 기인하는 열을 제거하여, 백 수십℃ 이상으로 운전 온도를 유지하기 위해서, CO 처리 리액터(5)는, 물, 수명 연장 냉각수(coolant) 또는 열 교환기(9)의 오일에 의해 냉각된다. 시프트 리액터(33)의 온도는 열 교환기(8)에 의해 제어된다.
따라서, 매우 낮은 레벨로 일산화탄소의 농도가 감소한 개질 가스와 공기 피더(2)로부터의 공기가 각각 연료 전지(6)의 연료극과 공기극으로 공급되어, 전력이 발생된다.
연료 전지(6)에 의해 개질 가스의 모든 수소를 소비하는 것은 어렵다. 따라서, 수소를 일부 함유하는 연료극측 배기 가스와, 산소를 일부 함유하는 공기측 배기 가스가 촉매 연소 장치(7)로 보내져 연소된다. 얻어진 뜨거운 연소 가스는 기화기로 보내져, 메탄올 기화를 위한 에너지로서 사용된다.
유량 제어 밸브(11)는 CO 처리 리액터(5)로 공급되는 공기의 유량을 제어하고, 유량 제어 밸브(12)는 개질 리액터(31)로 공급되는 공기의 유량을 제어하며, 유량 제어 밸브(13)는 연료 전지(6)의 공기극으로 공급되는 유량을 제어한다. 유량 제어 밸브(14)는 개질 리액터(31)로 공급되는 메탄올의 유량을 제어하고, 유량 제어 밸브(15)는 믹서(22)로 공급되는 물의 유량을 제어한다.
전술한 연료 개질 시스템을 구비한 차량에서는, 연료 전지에 필요한 부하로서 액셀러레이터 센서(22)에 의해 검출되는 액셀러레이터 밟음량을 이용함으로써 연료 전지의 발전량이 제어된다. 이 때문에, 하나, 둘 또는 그 이상의 마이크로프로세서, 메모리, 및 입출력 인터페이스를 포함하는 컨트롤러(21)는, 액셀러레이터 센서(22)로부터의 액셀러레이터 밟음량 신호에 근거하여 다음과 같이 개질기(4)로 공급되는 메탄올, 공기, 및 물의 양(목표값들)을 계산한다.
먼저, 액셀러레이터 밟음량에 근거하여 메탄올 공급량 목표값이 계산된다. 액셀러레이터 밟음량(필요한 부하)이 메탄올 공급량에 비례하므로, 액셀러레이터 밟음량에 따른 메탄올 공급량의 목표값은 액셀러레이터 밟음량과 메탄올 공급량간의 관계를 정하고 있는 표를 참조함으로써 계산된다.
다음에, 메탄올 공급량 목표값에 근거하여 공기 공급량 목표값이 계산된다. 목표 공기 공급량이 계산되어, 예를 들면, 이론 공연비(stoichiometric air-fuel ratio)를 갖는 가스 혼합물이 메탄올과 공기의 혼합에 의해 얻어진다. 목표 공기 공급량이 커질수록, 필요한 부하는 커진다.
다음에, 메탄올 공급량에 근거하여 물 공급량 목표값이 계산된다. 오토서멀 반응과 시프트 반응을 최적화시키는 메탄올, 공기, 및 물의 비율은 전술한 바와 같이 결정되어, 메탄올 공급량과 이 비율에 근거하여 목표 물 공급량이 계산될 수 있다. 목표 물 공급량 또한 커질수록, 필요한 부하는 커진다.
메탄올 피더(1), 공기 피더(2), 및 물 피더(3)가 구동되고, 유량 제어 밸브(14, 12, 15)가 제어되어, 여기서 계산된 목표 메탄올 공급량, 목표 공기 공급량, 및 목표 물 공급량이 실현된다. 유량 제어를 위해 유량 센서(23, 24)가 제공된다.
도 2는 개질기(4)의 개략도를 도시한다. 원통형 개질기(4)는 축 중심이 수직 방향과 일치하도록 배치된다. 이 도면의 상부와 하부에는, 벌집 구조를 갖는 촉매를 지지하며 축 방향으로 소정의 길이를 갖는 개질 리액터(31)와 시프트 리액터(33)가 배치된다. 개질 리액터(31)와 시프트 리액터(33) 사이에는 가스 혼합물(32)이 위치한다.
도면의 상부에서 하부쪽으로 수직으로 흘러 내려가는 개질 리액터(31)로부터의 대부분의 뜨거운 가스(H2, CO2, CO, N2)는, 호른(horn) 입구를 갖는 호른 형상의 흡기관(41)에 의해 회수되어, 개질 리액터(31)와 시프트 리액터(33)를 직접 접속하는 다이렉트 통로(32a)의 외측에 대해 수평 방향으로 연장하는 매니폴드(42)를 통해 수직 방향이 보다 긴 프리믹싱 챔버(43)로 인도된다.
프리믹싱 챔버(43)는 소정의 공간을 갖는다. 프리믹싱 챔버(43)의 밑면에는 물 분사 밸브(44)가 제공된다. 컨트롤러(21)로부터의 펄스 신호에 응답하여 물 분사 밸브(44)가 개방하면, 피더(3)로부터 공급되는 물이 소정 폭으로 수직하게 윗쪽으로 분사된다. 물이 수직하게 윗쪽으로 분사되는 이유는, 분사된 물을 장시간 프리믹싱 챔버(43)에 유지하여, 물의 기화를 촉진시키기 위해서이다. 물 분사 밸브(44)는 컨트롤러(21)로부터의 펄스 신호를 조정함으로써 물 분사량을 변화시킬 수 있다.
물 분사 밸브(44)로부터 분사되는 물이 프리믹싱 챔버(43)에 있고, 프리믹싱챔버(43)와 시프트 리액터(33)를 접속하는 연통로(45)를 통과할 때, 개질 리액터(31)로부터의 뜨거운 가스에 의해 기화가 촉진된다. 수증기는 개질 리액터(31)로부터의 뜨거운 가스와 혼합하여, 호른 형상의 배기관(46)에서 시프트 리액터(33)로 도입된다.
액상의 물을 포획하는 물 회수 챔버(47)가 연통로(45)의 중간쯤에 제공되어, 기화하지 않은 물은 시프트 리액터(33)에 도입되지 않는다. 도 2에 도시된 바와 같이, 물 회수 챔버(47)는, 연통로(45) 밑으로 침하되어 형성되지만, 액상의 물의 포획할 수 있는 한 어떠한 구성을 가져도 된다.
또한, 호른 형상의 흡기관(41)에 의해 회수되지 않은 뜨거운 가스의 일부는, 다이렉트 통로(32a)를 통해 아래쪽으로 흘러, 시프트 리액터(33)로 도입되면서 다이렉트 통로(32a)의 내부를 횡단하는 매니폴드(42)와 연통로(45)의 외주면을 가열시킨다.
이 구성에 기인하여, 개질 리액터(31)에서의 부분 산화 반응에 기인하여 고온에 도달한 가스를 이용하여 물이 기화되고 액상의 물이 없는 수증기가 시프트 리액터(33)로 공급될 수 있으므로, 물을 기화시키는데 어떠한 장치 또는 복잡한 연료 분사 장치를 제공할 필요가 없다. 게다가, 가스 조성은 영향을 받지 않는다.
물의 기화열에 기인하여 개질 리액터(31)로부터의 뜨거운 가스의 온도가 하강하므로, 시프트 리액터(33)를 냉각시키는 열 교환기(8)의 부하가 해당량만큼 감소될 있어, 열 교환기(8)가 소형화 될 수 있다.
전술한 바와 같이, 시프트 리액터(33)의 반응 효율이 최적이 되도록 컨트롤러(21)는 목표 물 공급량을 계산한다. 목표한 물의 양이 공급되어 기화될 수 있으면, 시프트 리액터(33)의 반응 효율은 최적이다.
실제로 분사되는 물 분사량이 물 분사 밸브(44)의 분사량의 흩어짐에 기인하여 목표량보다 작고 이 양만큼 물 기화량이 부족하게 하강하면, 시프터 리액터(33)의 반응 효율이 감소하는 상황이 발생한다. 따라서, 목표한 물의 양이 실제로 공급되는지 아닌지를 판정하는 것은 중요하다. 그러나, 실제의 물 분사량과 기화량은 측정될 수 없으므로, 목표값을 실제의 물 분사량 및 기화량과 비교함으로써 목표한 물의 양이 실제로 공급되는지 아닌지를 판정하는 것은 어렵다.
그러나, 물 기화량과 프리믹싱 챔버 온도의 하강간의 보정이 있다. 목표값에 따라 물이 공급되고 공급되는 모든 물이 수증기가 되면, 프리믹싱 챔버의 물 분사에 기인하는 가스 온도 하강은 목표 물 공급량으로부터 추정될 수 있고, 개질 리액터 배기 온도에서 이 가스 온도 하강을 감산함으로써 프리믹싱 챔버 온도가 추정될 수 있다. 또한, 물 분사 밸브(44)의 물 분사량의 흩어짐에 기인하여 물 분사량이 적고 물 기화량이 불충분하면, 프리믹싱 챔버 온도는 상승하고 추정된 프리믹싱 챔버 온도와 측정된 프리믹싱 챔버 온도간의 차이는 커진다.
따라서, 추정된 프리믹싱 챔버 온도와 측정된 프리믹싱 챔버 온도가 비교되면, 물 분사 밸브(44)의 분사량의 흩어짐에 기인하여 물 기화량이 불충분하다는 것을 판정할 수 있다. 구체적으로, 측정된 프리믹싱 챔버 온도와 추정된 프리믹싱 챔버 온도가 거의 동일하면, 물 기화량에 부족함이 없다는 것을 판정할 수 있고, 측정된 프리믹싱 챔버 온도가 추정된 프리믹싱 챔버 온도보다 높으면, 물 분사 밸브(44)의 분사량의 흩어짐에 기인하여 물 기화량이 불충분하다는 것을 판정할 수 있다.
개질 리액터(31)의 배출구 온도를 측정하는 온도 센서(51), 프리믹싱 챔버(43)의 온도를 측정하는 온도 센서(52), 및 물 분사 밸브(44)로부터 분사되는 물의 온도를 측정하는 온도 센서(53)로부터의 온도 신호들은 컨트롤러(21)에 입력된다. 컨트롤러(21)에서는, 물 분사에 기인하는 프리믹싱 챔버(43)의 가스 온도 감소량이 목표 물 공급량으로부터 추정되고, 측정된 개질 리액터 배출구 온도에서 이 가스 온도 가소량을 감산함으로써 얻어지는 값이 프리믹싱 챔버 온도 추정값으로서 계산된다. 측정된 프리믹싱 챔버 온도가 추정된 프리믹싱 챔버 온도보다 높으면, 물 분사 밸브(44)의 분사량의 흩어짐에 기인하여 물 기화량이 불충분하다고 판정되고, 물 분사 밸브(44)로부터의 물 분사량이 증가되어 물 기화량은 부족하게 하강하지 않는다.
이 경우, 필요한 부하가 급격히 증가할 때의 차량 가속 중에 충분한 응답으로 급격하게 물 기화량을 증가시킬 필요가 있다. 필요한 물 기화량의 증가율은, 개질 리액터(31)로부터의 뜨거운 가스를 이용할 때, 즉, 응답이 불충분할 때에만 충족될 수 없다. 따라서, 본 실시예에 의하면, 다이렉트 통로(32a)의 외측의 매니폴드(42)의 중간쯤에 전기 히터(48)가 제공된다. 가속 중에, 이 전기 히터(48)는 통전되어 프리믹싱 챔버(43)에 도입되는 가스의 온도를 상승시키고, 가속 중의 물 기화량의 증가율이 향상되어 물 기화량이 가속 중에 부족하게 되지 않는다.
이제 컨트롤러(21)에 의해 수행되는 물 분사량과 히터 통전량의 산출이 도 3의 플로 차트를 참조하여 설명된다. 이 도면의 플로 차트는 일정 간격, 예를 들면, 10 밀리초마다 컨트롤러(21)에 의해서 실행된다.
먼저, 단계 S1에서, 액셀러레이터 센서(22)로부터의 액셀러레이터 밟음량(APS), 온도 센서(51)로부터의 개질 리액터 배출구 온도(rT1), 온도 센서(52)로부터의 프리믹싱 챔버 온도(rT2), 온도 센서(53)로부터 분사되는 물의 온도(Twi), 및 물 공급량 목표값(tws)이 판독된다. 전술한 바와 같이, 컨트롤러(21)에 의해 목표 물 공급량(tws)이 계산되어, 메탄올 공급량이 많을수록, 즉, 액셀러레이터 밟음량이 클수록 증가한다.
단계 S2에서, 공급되는 모든 물이 기화할 때 프리믹싱 챔버(43)의 가스 온도의 감소량(ΔTa)은, 목표 물 공급량(tws)의 전체가 공급되어 기화된다고 가정하여(물 기화량(m1)=목표 물 공급량(tws)), 도 4에 도시된 표를 참조함으로써 계산된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 물 기화량(m1)이 클수록 가스 온도 감소량(ΔTa)이 커진다.
도 4에 도시된 표는 실험 결과에 근거하여 생성될 수 있다. 물 기화량(m1), 가스 유량(m2), 개질 리액터 배출구 온도(T1), 및 프리믹싱 챔버 온도(T2)간에는 다음 관계가 존재한다.
m1 ×L1 = m2 ×Ca ×(T1 - T2) …(9)
ΔTa = T1 - T2 …(10)
여기서, m1은 물 기화량
L1은 물의 기화열
m2는 가스 유량
Ca는 가스의 비열
T1는 개질 리액터 배출구 온도
T2는 프리믹싱 챔버 온도
ΔTa는 가스 온도 감소량
먼저, 물 분사 밸브(44)로부터 물이 분사되고 가스가 일정 유량으로 흐를 때의 개질 리액터 배출구 온도 및 프리믹싱 챔버 온도가 측정된다. 가스 유량의 측정값과 이 때의 온도가 식 (9)로 치환되면(L1, Ca는 고정값임), 온도 T1에서의 물 기화량(m1) 및 가스 유량(m2)이 계산될 수 있다. 이와 같이, 물 기화량(m1)과 가스 온도 감소량(ΔTa)간의 관계가 얻어진다. 다른 조건하의 물 기화량(m1)과 가스 온도 감소량(ΔTa)간의 관계가 동일하게 수집되고 이 데이터가 기입되어, 도 4가 얻어진다.
단계 S3에서, 가스 온도 감소량(ΔTa) 및 측정된 개질 리액터 배출구 온도(rT1)를 이용하여, 프리믹싱 챔버 온도(mT2)가 다음 식 (11)로 추정된다.
mT2 = rT1 - ΔTa …(11)
단계 S4에서, 추정된 프리믹싱 챔버 온도(mT2) 및 측정된 프리믹싱 챔버 온도(rT2)가 비교되어, 물 기화량이 불충분한지 아닌지를 판정한다. 추정된 프리믹싱 챔버 온도(mT2)와 측정된 프리믹싱 챔버 온도(rT2)가 동일하면, 프리믹싱 챔버의 실제 가스 온도는 추정 온도이므로, 목표 물 공급량이 분사되어, 물 기화량이 부족하지 않게 된다. 따라서, 루틴은 물 공급량 목표값(tws)을 보정하지 않고 단계 S10으로 진행된다.
한편, 측정된 프리믹싱 챔버 온도(rT2)가 추정된 프리믹싱 챔버 온도(mT2)보다 높으면, 물 분사 밸브(44)의 분사량의 흩어짐에 기인하여 물 분사량(즉, 물 기화량)은 불충분하여, 가스 온도는 추정된 온도로 하강하지 않는다. 이 경우, 물 기화량이 불충분한 것으로 판정하고 물 분사 밸브(44)로부터의 물 분사량을 증가시키기 위해서, 루틴은 단계 S6으로 진행되어, 목표 물 공급량(tws)에 소정의 값(α)을 가산하여 얻어진 값이 새로운 목표 물 공급량(tws)으로 설정된다.
물 분사량의 증가에 기인하여 물 기화량이 증가하고, 정상 상태(steady state)에서, 도 3의 산출 주기마다 물 분사량이 반복적으로 증가된다.
계속해서, 프리믹싱 챔버 온도(rT2)가 하강하여, 이 프리믹싱 챔버 온도(rT2)가 추정된 프리믹싱 챔버 온도(mT2) 이하로 하강하면, 루틴은 단계 S4에서 단계 S6으로 진행될 수 없어, 물 분사량은 더이상 증가되지 않는다. 즉, 목표 물 공급량은 물 기화량이 더이상 불충분하지 않을 때까지 증가된다.
단계 S7에서, 도 5의 맵을 이용하여, 액셀러레이터 밟음량(필요한 부하)과 액셀러레이터 밟음량 변동률(산출 주기마다의 액셀러레이터 밟음량의 변동량)로부터, 전기 히터(48)에 의해 프리믹싱 챔버(43)에 도입된 가스를 가열시킬 필요가 있는지를 판정한다. 도 5의 수평축은 액셀러레이터 밟음량(필요한 부하)이고, 수직축은 액셀러레이터 밟음량 변동률(필요한 부하 변동률)이다. 저 부하, 저 부하 변동률 정상 상태와 같은 영역, 즉, 필요한 부하의 변동률이 필요한 부하에 따라 결정되는 소정값보다 작은 영역은 가스 가열이 불필요한 영역(도면의 어두운 영역)이고, 다른 영역(예를 들면, 가속중), 즉, 필요한 부하의 변동률이 필요한 부하에 따라 결정되는 소정값보다 큰 영역이 가스 가열이 필요한 영역으로 설정된다.
부하 변동률이 큰 영역과 부하가 큰 영역에서 프리믹싱 챔버(43)에 들어오는 가스가 가열되는 이유는, 부하 변동이 급격할 때의 가속 중에 단순히 물 기화량을 증가시킴으로써 부하 변동에 따라 즉시 물 기화량이 증가될 수 없어, 프리믹싱 챔버(43)에 들어오는 가스가 가열되어 그 온도를 상승시키고 물 기화량의 증가율을 상승시키기 때문이다.
액셀러레이터 밟음량과 액셀러레이터 밟음량 변동률에 의해 결정되는 지점이 정상 상태 운전 영역과 같이 가스 가열이 불필요한 영역 내에 있으면, 루틴은 단계 S8, 단계 S9를 건너뛰어, 단계 S10으로 진행한다.
한편, 액셀러레이터 밟음량과 액셀러레이터 밟음량 변동률에 의해 결정되는 지점이 가속 운전 영역과 같이 가스 가열이 필요한 영역 내에 있으면, 루틴은 단계 S7에서 단계 S8로 진행되어, 히터 통전량의 기본값(Vhe)이 설정된다. 가스 가열이 필요한 영역에서는, 도 6에 도시된 바와 같이, 히터 통전량 기본값(Vhe)이 크게 설정될수록, 액셀러레이터 밟음량 변동률이 커지거나, 또는 액셀러레이터 밟음량이 커진다.
히터 통전량 기본값(Vheb)은 분사 수온이 기준 분사 수온(도 6의 맵이 생설될 때의 분사 수온)일 때 최적의 값이므로, 분사 수온이 기준 분사 수온보다 작을 때에, 히터가 이 기본값(Vheb)으로 통전되면, 히터 통전량은 불충분하고 물 기화량은 불충분하다. 반대로, 분사 수온이 이 기준 분사 수온보다 높을 때에, 히터가이 기본값(Vheb)으로 통전되면, 히터 통전량은 너무 크고 물 기화량은 과도하다. 따라서, 단계 S9에서는, 도 7에 도시된 표를 참조하여 히터 통전량의 분사 수온 보정 계수(Che)를 계산하고, 이 분사 수온 보정 계수(Che)를 히터 통전량 기본값(Vheb)과 승산함으로써 얻어지는 값이 히터 통전량(Vhe)으로 설정된다. 분사 수온 보정 계수(Che)를 승산함으로써, 분사 수온이 기준 분사 수온보다 낮을 때에는 물 기화량이 증가하도록 히터 통전량(Vhe)이 보다 크게 보정되고, 반대로, 분사 수온이 기준 분사 수온보다 높을 때에는 물 기화량이 감소하도록 히터 통전량(Vhe)이 보다 작게 보정된다.
단계 S10에서, 물 분사 밸브(44)의 분사 펄스 폭은, 단계 S5, 단계 S6에 설정된 목표 물 공급량(tws)이 물 분사 밸브(44)로부터 분사되도록 제어되고, 필요하면, 전기 히터(48)로 공급되는 통전량은, 단계 S9에서 계산된 히터 통전량(Vhe)이 전기 히터(48)로 공급되도록 제어된다.
물 분사 밸브(44)에 의해 분사되는 물 분사량과, 전기 히터(48)로 공급되는 통전량을 제어함으로써, 다음의 효과가 얻어진다.
(1)프리믹싱 챔버 온도의 측정값과 추정값이 일치할 때에는, 물 분사 밸브(44)로부터 분사되는 물에 의해 필요한 물 기화량이 프리믹싱 챔버(43)에서 생성되며, 측정값이 추정값보다 높을 때에는, 물 분사 밸브(44)의 분사량의 흩어짐에 기인하여 필요한 물 기화량이 프리믹싱 챔버(43)에서 생성되지 않는다. 본 실시예에 의하면, 후자의 경우에, 물 분사 밸브(44)로부터의 물 분사량이 증가되고 물 기화량이 증가되어, 물 분사 밸브(44)의 분사량의 흩어짐이 있더라도 필요한 물 기화량이 시프트 리액터(33)로 공급된다.
(2)필요한 부하의 변동률이 클 때에는, 예를 들면, 가속 중에, 물 기화량을 급속히 증가시키는 것이 필요하다. 이 때 단순히 물 분사량이 증가되면, 물 기화량의 증가는 지연된다. 본 실시예에 의하면, 필요한 부하의 변동률이 클 때에는, 전기 히터(48)에 의해 가스가 가열되어, 전기 히터(48)에 기인하는 뜨거운 가스의 온도 상승에 대응하여 물 기화량의 증가가 보다 빠르며, 물 기화량이 가속 중에 급속히 증가될 수 있다.
(3) 전기 히터(48)는 전기 에너지를 소비하므로, 전기 히터(48)가 동작되는 횟수가 많을수록 연비 성능은 나쁘다. 그러나, 본 실시예에 의하면, 전기 히터(48)의 사용은 가속 중과 같은 천이 상태에 한정되어, 연비 성능에 대한 전기 히터(48)에 의한 가열 효과는 작다.
(4)분사 수온이 기준 분사 수온일 때 히터 통전량의 기본값이 최적의 값이므로, 분사 수온이 기준 분사 수온보다 작을 때에는 분사 수온에 따라 히터 통전량이 변경되지 않으면, 히터 통전량은 불충분하고 물 기화량은 불충분하다. 반대로, 분사 수온이 기준 분사 수온보다 높을 때에는, 히터 통전량은 너무 크고 물 분사량은 과도하다. 그러나, 본 실시예에 의하면, 측정된 분사 수온에 따라 히터 통전량이 보정되어, 분사 수온이 기준 분사 수온과 일치하지 않더라도, 히터 통전량은 과도 또는 불충분하지 않게 공급될 수 있다.
(5)본 실시예에 의하면, 프리믹싱 챔버(43)에서 기화되지 않은 물은 물 회수 챔버(47)에 축적되어, 시프트 리액터(33)로의 액상의 물의 유입은 확실히 방지된다.
다음에, 도 8a, 8b는 제2 실시예를 도시한다. 도 8a는 믹서(32)의 일부의 개략도이고, 도 8b는 도 8a의 B-B선 단면이다. 제2 실시예는, 수평 방향으로 연장하는 연통로(45)가 수직하게 아래쪽으로 구부러지는 위치에 오목한 원통의 나선형 챔버(61)를 제공한다. 연통로(45)는, 도 8b에 도시된 바와 같이, 나선형 챔버(61)의 중심에서 벗어난 지점에 접선 방향으로 접속된다. 호른-형상의 배기관(46)은, 도 8a에 도시된 바와 같이, 나선형 챔버(61)의 밑면(61a)에 개방되어 있다.
개질 리액터(31)로부터의 뜨거운 가스와 물 분사 밸브(44)에 의해 분사되는 물분무가 나선형 챔버(61)에 유입되면, 나선형 챔버(61) 내부에는 스월(swirl)이 생긴다. 이 스월은 중앙쪽이 더 강하다. 스월에 의해 물과 뜨거운 가스의 혼합이 촉진되어, 가스 혼합물은 균등질이 된다. 그 결과, 시프트 리액터(33)에서의 가스 혼합물의 불균질에 기인하는 효율 감소가 방지될 수 있다.
도 9a는 제3 실시예에 의한 개질기(4)의 개략도를 도시한다. 이것은 제1 실시예의 도 2를 대신한다. 제3 실시예에 의하면, 믹서(32)의 다이렉트 통로(32a)에 위치된 매니폴드(42)의 외주면에는 표면적을 증가시키는 핀(fin)(71)이 제공된다.
이 구성에 기인하여, 개질 리액터(31)로부터 다이렉트 통로(32a)를 통해 시프트 리액터(33)로 바로 도입되는 뜨거운 가스의 열 전달이 촉진되어, 프리믹싱 챔버(43)의 내부는 제1 실시예보다 높은 온도로 유지될 수 있다. 핀(71)은, 여러 형태를 취할 수 있는데, 예를 들면 도 9b에 도시된 바와 같이 선 형상의 단면을 가져도 되고, 또는 도 9c에 도시된 바와 같이 물결 형상의 단면을 가져도 된다.
도 10, 도 11, 도 12는 제4, 제5, 제6 실시예에 의한 리액터(4)의 개략도로, 제1 실시예의 도 2를 대신한다.
도 10에 도시된 제4 실시예에서는, 프리믹싱 챔버(43)에서 기화될 수 없었던 일부의 물분무를 포획하는 다이렉트 통로(32a)를 횡단하는 연통로(45)의 중간쯤에 위치되는 다공체(81)가 제공되어 있다. 그 결과, 프리믹싱 챔버(43)에서 기화될 수 없었던 물분무와 다공체(81) 내부로 흐르는 뜨거운 가스간의 접촉 시간이 연장되어, 포획된 물분무의 기화가 촉진된다.
도 11에 도시된 제5 실시예에서는, 물 분사 밸브(44)로부터 분사되는 물분무가 직접 도달되는 프리믹싱 챔버(43)의 위치에 다공체(82)가 제공되어 있다. 프리믹싱 챔버(43)가 대기중의 공기에 의해 둘러싸이고, 물 분사 밸브(44)로부터 분사되는 물분무가 프리믹싱 챔버(43)의 벽면에 부착되면, 이것은 냉각되어 물이 되어 기화가 방지된다. 그러나, 물 분사 밸브(44)에 의해 분사되는 물분무가 효과적으로 포획되는 위치에 다공체(82)가 설치되면, 프리믹싱 챔버(43)의 벽면에 물분무가 부착되어 다시 물이 되는 것이 방지된다. 따라서, 다공체(82) 내부에 흐르는 뜨거운 가스와 다공체(82)에 의해 포획된 물의 접촉 시간이 증가하여, 기화가 촉진된다. 또한, 프리믹싱 챔버(43)의 벽에 물분무가 부착되는 것이 다공체(82)에 의해 방지되므로, 벽에 물분무의 부착을 방지하기 위해서 프리믹싱 챔버의 체적을 크게 할 필요가 없어, 프리믹싱 챔버(43)의 체적이 감소될 수 있다.
도 12에 도시된 제6 실시예는 제4 실시예와 제5 실시예의 조합이다. 물 분사 밸브(44)에 의해 분사되는 물분무는 다공체(82)에 부딪쳐, 대부분은 다공체(82)와 프리믹싱 챔버(43) 내부에서 기화한다. 기화되지 않은 나머지 물분무는 연통로(45)에 위치된 다공체(81)에 의해 포획되어, 내부에 포획된 물분무의 기화가 촉진된다. 제6 실시예에 의하면, 프리믹싱 챔버(43)가 보다 소형화 될 수 있고 물분무의 기화가 촉진될 수 있다.
물분무를 용이하게 확산시키고, 물분무 분포를 균등화하며, 기화를 촉진하기 위해서, 예를 들면 도 13a에 도시된 바와 같이, 불규칙하게 감긴 금속 와이어(85) 더미가 원통형 케이스(84) 내부에 가득 채워져, 다공체(81 또는 82)로서 사용될 수 있다. 대안으로, 도 13b, 도 13c(도 13c는 도 13b의 C-C선 단면)에 도시된 바와 같이, 발포(foam) 재료로 만들어지며 다수의 구멍(87)을 갖는 원통형 발포체(86)도 다공체(81 또는 82)로서 사용되어도 된다.
전술한 실시예에서는, 물 기화량이 불충분할 때에 물 분사 밸브(44)로부터의 물 분사량이 증가되는 경우가 기술되었지만, 대신에 전기 히터(48)가 가스를 가열시키도록 통전되어도 된다. 히터 통전량을 증가시킴으로써, 분사된 물의 기화는 촉진되며 물 기화량은 증가될 수 있다. 또한, 물 분사량이 증가되고 전기 히터(48) 또한 통전될 수 있다. 그러나, 전기 히터(48)에 의한 가스 가열에 열에너지가 필요한 반면에, 물 분사는 열에너지를 필요로 하지 않아, 전술한 실시예에 의하면, 물 분사량의 증가에 우선권이 주어지고, 불 분사에 기인하는 물 기화량의 응답이 나쁜 가속 운전 영역에서는, 전기 히터(48)가 통전되어 물 분사에 기인하는 물 기화량의 응답을 향상시킨다.
본 실시예에 의하면, 탄화수소 연료의 일례로서 메탄올이 주어졌지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다.
여기에 일본국 특허 출원 P2002-13962(2002년 1월 23일 출원) 및 P2002-147421(2002년 5월 22일 출원)의 전체 내용이 참조를 위해 포함되어 있다.
본 발명이 본 발명의 어느 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않는다. 당해 기술분야의 숙련된 자에게는 상기 가설에 비추어 전술한 실시예의 변형 및 변화가 가능하다. 본 발명의 범위는 다음의 특허청구범위를 참조하여 한정된다.
본 발명은 연료 전지의 연료 개질 시스템에 적용될 수 있다. 본 발명은 물론 차량용으로 사용되는 않는 연료 개질 시스템에도 물론 적용될 수 있다. 본 발명은, 간단한 구성에 의해 물 기화를 촉진시키는 방법을 제공하며, 시프트 리액터를 냉각시키는 열교환기의 부하를 감소시켜 보다 소형화될 수 있으므로, 연료 개질 시스템의 구성을 간소화시키며 보다 소형화하게 한다.

Claims (17)

  1. 연료 전지(6)의 연료 개질 시스템에 있어서,
    탄화수소 연료와 산소가 도입되어 부분 산화 반응을 수행하는 개질 리액터(31);
    상기 개질 리액터(31)의 하류측에 제공되며, 부분 산화 반응에 의해 가열된 가스에 물을 분사시켜 물을 기화시키고, 기화된 물을 가스와 혼합하는 믹서(32); 및
    상기 믹서(32)의 하류측에 제공되며, 기화된 물을 함유하는 가스가 되입되어, 시프트 반응을 수행하는 시프트 리액터(33)를 포함하는 연료 전지의 연료 개질 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 믹서(32)는,
    상기 개질 리액터(31)로부터의 가스를 회수하는 매니폴드(42);
    상기 매니폴드(42)를 통해 가스가 인도되는 프리믹서(43);
    상기 프리믹서(43)에 인도된 가스에 물을 분사시키는 물 분사 장치(44); 및
    상기 물 분사 장치(44)로부터 분사된 물과 가스의 혼합물을 상기 시프트 리액터(33)로 인도하는 연통로(45)를 포함하는 연료 전지의 연료 개질 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 프리믹서(43)의 온도를 측정하는 센서(52); 및
    상기 물 분사 장치(44)로부터 분사되는 물의 양에 근거하여 상기 프리믹서(43)의 온도를 추정하고,
    측정된 프리믹서 온도가 추정된 프리믹서 온도보다 높을 때에 상기 물 분사 장치(44)로부터의 물 분사량을 증가시키도록 기능하는 컨트롤러(21)를 더 포함하는 연료 전지의 연료 개질 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 프리믹서(43)의 온도를 측정하는 센서(52);
    상기 프리믹서(43)에 도입되는 가스를 가열시키는 가열 기구(48); 및
    상기 물 분사 장치(44)로부터 분사되는 물의 양에 근거하여 상기 프리믹서(43)의 온도를 추정하고,
    측정된 프리믹서 온도가 추정된 프리믹서 온도보다 높을 때에 상기 프리믹서(43)로 도입된 가스를 상기 가열 기구(48)에 의해 가열시키도록 기능하는 컨트롤러(21)를 더 포함하는 연료 전지의 연료 개질 시스템.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 개질 리액터(31)의 배출구 온도를 측정하는 센서(51)를 더 포함하고, 상기 컨트롤러(21)는,
    상기 물 분사 장치(44)로부터 분사되는 물의 기화에 기인하는 상기프리믹서(43)의 온도 감소량을 추정하고,
    측정된 개질 리액터(31)의 배출구 온도에서 추정된 온도 감소량을 감산함으로써 프리믹서 온도를 추정하도록 더 기능하는 연료 전지의 연료 개질 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 프리믹서(31)로 도입되는 가스를 가열시키는 가열 기구(48)을 더 포함하고, 상기 컨트롤러(21)는,
    측정된 프리믹서 온도가 추정된 프리믹서 온도보다 높고, 연료 전지(6)에 의해 필요한 부하의 변동률이 소정값보다 작을 때에 상기 물 분사 장치(44)로부터의 물 분사량을 증가시키고,
    측정된 프리믹서 온도가 추정된 프리믹서 온도보다 높고, 연료 전지(6)에 의해 필요한 부하의 변동률이 소정값보다 클 때에, 상기 물 분사 장치(44)로부터의 물 분사량을 증가시키고, 상기 프리믹서(43)로 도입되는 가스를 상기 가열 기구(48)에 의해 가열시키도록 더 기능하는 연료 전지의 연료 개질 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 가열 기구(48)는 전기 히터인 연료 전지의 연료 개질 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 컨트롤러(21)는,
    측정된 프리믹서 온도가 추정된 프리믹서 온도보다 높고, 연료 전지(6)에 의해 필요한 부하의 변동률이 소정값보다 클 때에, 필요한 부하의 변동률이 클수록 상기 전기 히터(48)로 공급되는 통전량을 증가시키도록 더 기능하는 연료 전지의 연료 개질 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 물 분사 장치(44)로부터 분사되는 물의 수온을 측정하는 센서(53)를 더 포함하고;
    상기 컨트롤러(21)는 측정된 분사 수온에 따라 상기 전기 히터(48)로 공급되는 통전량을 보정하도록 더 기능하는 연료 전지의 연료 개질 시스템.
  10. 제2항에 있어서, 상기 프리믹서(43)에서 기화되지 않은 물을 회수하는 물 회수 챔버(47)는 상기 연통로(45)의 중간쯤에 설치되어 있는 연료 전지의 연료 개질 시스템.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 개질 리액터(31)로부터의 가스를 상기 시프트 리액터(33)로 바로 인도하는 다이렉트 통로(32a)를 더 포함하고,
    상기 매니폴드(42)는 상기 다이렉트 통로(32a)를 횡단하며,
    상기 다이렉트 통로(32a)를 횡단하는 상기 매니폴드(42)의 일부의 외부 표면적은 이 매니폴드(42)의 외주면에 핀(71)을 제공함으로써 증가되는 연료 전지의 연료 개질 시스템.
  12. 제2항에 있어서, 상기 프리믹서(43)에 의해 기화되지 않은 물을 포획하는 다공체(81)가 상기 연통로(45)에 설치되어 있는 연료 전지의 연료 개질 시스템.
  13. 제2항에 있어서, 상기 물 분사 장치(44)로부터 분사되는 물분무가 직접 도달되는 상기 프리믹서(43)의 위치에 다공체(82)가 설치되어 있는 연료 전지의 연료 개질 시스템.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 다공체(81, 82)는 미세한 금속 와이어 더미인 연료 전지의 연료 개질 시스템.
  15. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 다공체(81, 82)는 작은 구멍들을 포함하는 발포 재료인 연료 전지의 연료 개질 시스템.
  16. 연료 전지(6)의 연료 개질 시스템의 연료 개질 방법에 있어서,
    탄화수소 연료와 산소간의 부분 산화 반응을 수행하는 것;
    부분 산화 반응에 의해 가열되는 가스에 물을 분사시키고, 그럼으로써 기화된 물을 가스와 혼합하는 것; 및
    기화된 물과 가스간의 시프트 반응을 수행하는 것을 포함하는 연료 전지의연료 개질 시스템의 연료 개질 방법.
  17. 연료 전지(6)의 연료 개질 시스템에 있어서,
    탄화수소 연료와 산소간의 부분 산화 반응을 수행하는 수단;
    부분 산화 반응에 의해 가열되는 가스에 물을 분사시키고, 그럼으로써 기화된 물을 가스와 혼합하는 수단; 및
    기화된 물과 가스간의 시프트 반응을 수행하는 수단을 포함하는 연료 전지의 연료 개질 시스템.
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