KR20040004473A - 개질 가스로부터의 일산화탄소 제거 - Google Patents

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Abstract

개질 가스 내의 일산화탄소는 직렬 배치된 다수의 촉매 성분(4A∼4C)의 산화 반응에 의해 제거된다. 공기 공급 밸브(6A∼6C)로부터의 공기가 촉매 성분(4a∼4c)에 공급된다. 촉매 성분(4a∼4c)에서의 일산화탄소의 산화량은 공기 공급 밸브(6A∼6C)의 공기 공급 유량에 달려 있다. 제어기(7)는 개질 가스의 유량이 낮아짐에 따라 하류부(4C)에서의 공기 공급 유량에 대한 상류부(4A)에서의 공기 공급 유량의 비를 낮추도록 공기 공급 밸브(6A∼6C)를 제어한다. 이런 식으로, 개질 가스에 포함된 이산화탄소와 수소와의 반응 결과로서 일산화탄소를 생성하는 역변위 반응이 개질 가스의 유량이 낮아질 때 하류 촉매 성부(4C)에서 억제될 수 있다.

Description

개질 가스로부터의 일산화탄소 제거{CARBON MONOXIDE REMOVAL FROM REFORMATE GAS}
주로 수소를 포함하는 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 제거하기 위해, 촉매로 산화제와 일산화탄소를 선택적으로 반응시키는 방법이 알려져 있다. 또한, 개질 가스의 흐름에 대해 다수의 촉매 성분을 직렬로 배치하고, 반응 효율을 최적화하기 위해 각 촉매 성분의 상류의 개질 가스에 산화제를 혼합하는 것도 알려져 있다.
일산화탄소의 산화 반응은 선택적 산화라 한다. 선택적 산화는 반응 조건에 따라 일산화탄소를 생성하는 역변위 반응에 수반하여 일어날 수도 있다. 개질 가스 내의 산화제 및 일산화탄소의 각 농도가 낮으면, 역변위 반응이 두드러지게 촉진된다. 역변위 반응은 일산화탄소의 농도가 낮은 하류의 촉매 성분에서 특히 촉진된다. 역변위 반응이 일어나면, 일산화탄소의 제거 비율이 낮아진다.
일본 특허청에 의해 2000년 공개된 도카이 2000-169106호에 역변위 반응을 억제하는 장치가 개시되어 있다. 다수의 촉매 성분이 상술한 바와 같이 배치된다.고활성 백금(Pt) 촉매가 상류의 촉매 성분에 배치되고, 낮은 활성을 나타내는 루테늄(Ru) 촉매가 하류 성분에 배치된다. 하류의 촉매 성분, 또는 일산화탄소의 농도가 낮은 촉매 성분에서 일어나기 쉬운 역변위 반응은 상대적으로 반응이 늦은 Ru를 포함하는 촉매를 이용하여 억제된다.
본 발명은 수소를 주로 포함하는 개질 가스로부터의 일산화탄소의 제거에 관련된다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 전력 플랜트의 일산화탄소 제거 장치의 개략도이다.
도 2a 및 2b는 각 촉매 성분, 및 장치의 촉매 성분에 대한 공기 분포비가 일정한 것을 제공하는 연료전지 전력 플랜트의 부하에 대한 공기 공급 유량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3a 및 3b는 본 발명에 따른 촉매 성분 및 연료전지 전력 플랜트의 부하에 대한 공기 분포비 및 공기 공급 유량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 제어기에 의해 실행되는 각 촉매 성분에 대한 공기 공급 유량을 제어하는 루틴을 설명하는 순서도이다.
도 5는 일산화탄소 제거 장치의 방출구에서의 일산화탄소 농도와 연료전지 전력 플랜트의 부하와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6a 및 6b는 도 3a 및 3b와 비슷하지만, 본 발명의 제2 실시형태를 나타낸다.
도 7은 도 1과 비슷하지만, 본 발명의 제2 실시형태를 나타낸다.
도 8은 도 4와 비슷하지만, 본 발명의 제2 실시형태를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 제3 실시형태에 따른 연료전지 전력 플랜트의 일산화탄소 제거 장치의 개략도이다.
도 10a 및 10b는 도 3a 및 3과 비슷하지만, 본 발명의 제3 실시형태를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 제어기에 의해 실행되는 각 성분에 대한 냉각제 공급 유량을 제어하는 루틴을 설명하는 도면이다.
그러나, 이 종래 기술에 따른 일산화탄소 제거 장치는 개질 가스의 유량이 소정량보다 적은 경우에, 상대적으로 반응이 늦은 촉매를 포함하는 하류측 촉매 성분의 산화 전위가 실제 산화량을 초과한다는 문제점을 수반한다. 촉매 성분의 산화 전위가 실제 산화량을 초과하면, 산화 작용이 촉진되어 산화제가 빨리 소비된다. 따라서, 산화제가 거의 남아있지 않은 촉매에서는, 낮은 농도의 일산화탄소 및 산화제로 인해 역변위 반응이 일어나기 쉽고, 이에 따라 일산화탄소가 생성된다.
따라서, 개질 가스의 유동 방향에 대해 다수의 촉매 성분이 직렬 배치된 일산화탄소 제거 장치에서의 역변위 반응을 효과적으로 억제하는 것이 본 발명의 목적이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 산화제를 이용한 촉매 중화 산화 반응에 의해, 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 제거하는 일산화탄소 제거 장치를 제공한다. 이 장치는, 촉매를 저장하고 상기 개질 가스를 통과시키며, 상기 개질 가스의 흐름에 관련된 상류부 및 이 상류부보다 더 하류 부분에 배치되는 하류부를 포함하는 촉매 반응기, 및 이 촉매 반응기에서의 산화 작용을 제어하는 프로그래밍가능 제어기를 구비한다.
상기 제어기는 개질 가스의 유량이 소정 값 이하로 떨어질 때, 하류부에서의 산화량에 대한 상류부에서의 산화량의 비를 낮추도록 프로그래밍 된다.
또한, 본 발명은 개질 가스의 유량이 소정 값 이하로 떨어질 때, 하류부에서의 산화량에 대한 상류부에서의 산화량의 비를 낮추도록 촉매 반응기에서의 산화 작용을 제어하는 것을 포함한다.
본 발명의 그 밖의 특징 및 이점은 물론 상세에 관해서는 본 명세서의 나머지 부분에서 설명하며, 첨부 도면에 도시한다.
도면 중 도 1을 참조하면, 연료전지 전력 플랜트 내의 개질 가스로부터 일산화탄소를 제거하는 일산화탄소 제거 장치(1)가 개질기(2)와 연료전지 스택(3) 사이에 설치된다.
개질기(2) 내의 연료는 수증기 및 공기와 반응하여 개질 가스를 생성한다. 연료의 대표적인 예는 주로 탄화수소를 포함하는 메탄올 및 가솔린이다. 개질 가스는 주로 수소를 포함하지만, 일산화탄소를 여전히 포함하고 있다. 예를 들어, 메탄올로부터 나오는 개질 가스는 1.5% 정도의 일산화탄소를 포함하고 있다.
연료전지 스택(3)은 수소 풍부 가스와 공기와의 알려진 촉매 반응에 의해 발전을 행한다. 전기 화학 반응을 효과적으로 촉진시키기 위해, 연료전지 스택(3)의촉매는 바람직한 상태로 유지되어야 한다. 일산화탄소는 촉매를 약화시킴으로써 연료전지 스택(3)의 발전 성능을 떨어뜨린다. 이 일산화탄소의 바람직하지 않은 영향을 막기 위해, 일산화탄소 제거 장치(1)는 개질 가스로부터 일산화탄소를 제거하고, 일산화탄소 농도가 대략 10ppm 정도인 수소 풍부 가스를 촉진시킨다.
일산화탄소 제거 장치(1)는 개질 가스의 흐름에 대해 직렬 배치된 3개의 촉매 성분(4A∼4C)을 포함하는 촉매 반응기(4)를 구비한다.
촉매 성분(4A)은 촉매 반응기(4)의 상류부에 배치되고, 촉매 성분(4B, 4C)은 촉매 반응기(4)의 촉매 성분(4A)보다 더 아래쪽에 배치된다. 이와 같이, 촉매 성분(4A)은 촉매 반응기(4)의 상류부라 할 수 있고, 촉매 성분(4B, 4C)은 그 하류부라 할 수 있다.
촉매 반응기(4)는 산화제로서 공기를 촉매 성분(4A∼4C)에 개별적으로 공급하는 공기 공급 밸브(6A∼6C)를 구비한다.
공기 공급 밸브(6A)로부터 개질기(2)와 가장 상류측에 배치된 촉매 성분(4A)을 접속하는 파이프(5A)로 공기가 공급된다. 공기 공급 밸브(6B)로부터 촉매 성분(4A)과 촉매 성분(4B)을 접속하는 파이프(5B)로 공기가 공급된다. 공기 공급 밸브(6C)로부터 촉매 성분(4B)과 촉매 성분(4C)을 접속하는 파이프(5C)로 공기가 공급된다. 촉매 성분(4C)에서 처리된 수소 풍부 가스는 파이프(5D)를 통해 연료전지 스택(3)에 공급된다.
또한, 공기 공급 밸브(6D)를 통해 개질기(2)에 공기가 공급된다. 또한, 공기 공급 밸브(6E)를 통해 연료전지 스택(3)에 공기가 공급된다. 각각의 공기 공급밸브(6A∼6E)는 공기 공급 파이프(16)에 병렬 접속된다. 압축기(15)로부터 압력 제어 밸브(18)를 통해 일정 압력으로 공기 공급 파이프(16)에 공기가 공급된다. 공기 공급 밸브(6A∼6E)는 제어기(7)로부터의 신호에 응하여 개도를 변화시킨다.
제어기(7)는 중앙 처리 장치(CPU), 읽기 전용 메모리(ROM), 랜덤 액세스 메모리(RAM) 및 입출력 인터페이스(I/O 인터페이스)를 구비하는 마이크로컴퓨터로 이루어진다. 제어기(7)는 다수의 마이크로컴퓨터로 구성될 수도 있다.
제어기(7)는 공기 공급 밸브(6A∼6E)를 사용하여, 개질기(2)에 의해 생성된 개질 가스의 유량에 응하여 공급된 공기의 유량을 제어한다. 개질 가스의 유량은 연료전지 전력 플랜트 상의 발전 부하에 비례한다. 또한, 연료전지 전력 플랜트 상의 발전 부하는 연료전지 스택(3)의 출력 전류에 비례한다. 이를 위해, 연료전지 스택(3)의 출력 전류를 나타내는 신호가 개질 가스의 유량에 대응하는 신호로서 전류계(17)에서 제어기(7)로 입력된다.
그러나, 개질 가스의 유량을 나타내는 값에 대해 다양한 옵션이 존재한다는 것에 주목한다. 이들 옵션은 개질기(2)로부터 공급되는 개질 가스의 유량의 직접 측정을 포함한다.
각 촉매 성분(4A∼4C)에 촉매가 공급된다. 촉매는 주로 일산화탄소를 선택적으로 산화시키는 것으로 알려진 백금/산화알루미늄(Pt/Al2O3)으로 이루어진다.
이 실시형태에서는 3개의 촉매 성분(4A∼4C)이 사용되지만, 촉매 성분의 수는 여러 개일 필요가 있고 3개로 한정되지 않는다. 또한, 하나의 촉매 성분을 제공하고, 촉매 성분의 개질 가스에 대한 통로의 길이를 따라 다수의 지점에 산화제용의 다수의 공급 포트를 제공하는 것이 가능하다.
아래 화학식(1)으로 나타낸 바와 같이, 공기 내의 산소와 개질 가스 사이의 선택적 산화를 이용하여 촉매 성분(4A∼4C)의 개질 가스로부터 일산화탄소가 제거된다.
2CO + C2→2CO2(1)
그러나 식(1)으로 나타낸 반응은 Pt/Al2O3촉매의 반응 조건에 따라 바람직하지 못한 서브 반응, 즉 아래 화학 반응식(2)으로 나타낸 역변위 반응을 수반한다.
CO2+ H2→CO + H2O(2)
역변위 반응은 식(2)으로 명확하게 나타낸 바와 같이, 수소를 소비하여 일산화탄소를 생성한다. 이 반응은 일산화탄소 제거 장치(1)의 목적과 반대이다.
개질 가스에 산소의 과잉이 나타나면, 식(1)으로 나타낸 바와 같은 화학 반응이 촉진된다. 그 결과, 개질 가스 내의 산소가 불충분해지면, 식(2)으로 나타낸 반응이 우세해지기 쉽다. 화학 평형의 원리에 기초하여, 일산화탄소의 농도가 낮으면 식(2)으로 나타낸 반응이 더 우세하다.
촉매 반응기(4)의 전체 산화 전위는 연료전지 전력 플랜트의 정격 동작중에 부하로 처리하도록, 즉 전력 플랜트가 안정되게 동작할 수 있는 최대 부하로 정상적으로 설계된다. 촉매 반응기(4)의 전체 산화 전위는 촉매 성분(4A∼4C)의 온도가 식(2)의 반응이 우세하지 않은 온도 범위에 상당하는 200℃ 이하의 온도 범위로 유지되는 상태 하의 최대 산화량을 의미한다.
연료전지 전력 플랜트의 동작 부하가 소정치 또는 정격치보다 작으면, 생성된 개질 가스의 양도 적고, 개질 가스에 포함된 일산화탄소의 절대적인 양도 감소한다. 그 결과, 촉매 성분(4A∼4C)의 산화 전위는 제거되는 일산화탄소의 양과 비교할 때 과도하다.
그러나 이 상황에서, 촉매 성분(4A∼4C)이 모두 과도한 산화 전위를 갖는 것은 아니고, 상류측에 위치하는 촉매 성분만이 과도한 산화 전위를 갖는다. 다시 말하면, 일산화탄소의 농도가 높은 상류측 촉매 성분(4A)에서 식(1)으로 나타낸 선택적 산화가 우세하다. 하류측 촉매 성분(4C)에서는, 식(2)으로 나타낸 역변위 반응이 우세하다.
하류측 촉매 성분(4C)의 선택적 산화량을 다른 촉매 성분(4A, 4B)의 선택적 산화량보다 작은 값으로 설정함으로써 하류측 촉매 성분(4C)에서의 역변위 반응이 억제될 수 있다고 생각된다.
도 2a 및 도 2b를 참조하여, 상류에 위치하는 촉매 성분(4A)에서의 선택적 산화량이 하류에 위치하는 촉매 성분(4C)에서의 선택적 산화량보다 항상 큰 경우에 관해 고찰한다.
각 촉매 성분(4A∼4C)에 의해 요구되는 공기 공급 유량은 선택적 산화량에 비례한다.
도 2a에 도시한 바와 같이 연료전지 전력 플랜트의 동작 부하에 상관없이 공기 공급 밸브(6A∼6C)에서의 공기 분포비를 일정하게 하기 위해, 도 2b에 도시한 바와 같이 연료전지 전력 플랜트의 동작 부하에 응하여 각 공기 공급 밸브(6A∼6C)의 공기 공급 유량을 변화시켜야 한다.
그러나, 이들 공기 공급 유량이 이와 같이 제어되더라도, 연료전지 전력 플랜트의 동작 부하가 정격치 아래로 떨어지면, 일산화탄소 농도가 낮은 하류측 촉매 성분(4C)에서 역변위 반응이 여전히 우세할 수도 있다.
상기 설명은 상류측 촉매 성분(4A) 및 하류측 촉매 성분(4C)에 관련되지만, 상류측 촉매 성분(4A) 및 중간 촉매 성분(4B) 사이에 동일한 관계가 생성될 수도 있다.
본 발명은 연료전지 전력 플랜트의 동작 부하가 소정치 또는 정격치 아래로 떨어지더라도 하류측 촉매 성분(4C)의 산화량이 적어지는 것을 막음으로써 역변위 반응이 일어나는 것을 막는다. 보다 정확하게는, 하류측 촉매 성분(4C)에 흐르는 일산화탄소의 양이 상대적으로 증가하여, 상류측 촉매 성분(4A)의 산화량을 억제함으로써 촉매 성분(4C)의 산화 전위를 충족시킨다.
도 3a 및 3b를 참조하면, 본 발명은 촉매 성분(4A)의 공기 분포비를 감소시키고 촉매 성분(4B, 4C)에 대한 공기 분포비를 증가시킴으로써 상기에 언급한 상태를 일으킨다. 이런 식으로, 저 부하 시에 상류측 촉매 성분(4A)에서 제거되는 일산화탄소의 상대적인 양은 감소되고, 촉매 성분(4B, 4C)에서 제거되는 일산화탄소의 상대적인 양은 증가한다.
이런 이유로, 촉매 성분(4B, 4C)에 대한 공기 공급 유량은 도 3b에 도시한 바와 같이 설정된다. 도면에 도시한 바와 같이, 촉매 성분(4C)에 대한 공기 공급 유량은 연료전지 전력 플랜트의 부하가 그 공기 분포비의 증가에도 불구하고 감소함에 따라 여전히 감소한다. 이것은 다음의 이유로 일산화탄소에 대한 바람직한 제거 효율을 확보한다. 개질 가스의 공기 농도가 상대적으로 높은 연료전지 전력 플랜트의 저 부하 동작 영역에서, 촉매 성분의 온도는 반응성이 큰 Pt/Al2O3촉매에 의해 중재된 산화 반응의 결과 급격하게 상승한다. 그러나, 온도 상승은 촉매 성분에서 일산화탄소의 제거 효율을 떨어뜨린다. 하류측 촉매 성분(4C)에 대한 공기 공급 유량은 연료전지 전력 플랜트의 부하에 있어서의 감소에 상당하는 값으로 한정되어, 촉매 성분(4C)의 온도도 연료전지 전력 플랜트의 부하가 감소할 때 200℃를 초과하지 않도록 억제된다. 따라서 한정 처리 후에 공기 공급 유량에 의해 가능한 산화량은 연료전지 전력 플랜트의 부하 또는 개질 가스의 유량에 대한 촉매 성분(4C)의 산화 전위를 나타낸다.
마찬가지로, 촉매 성분(4B)에 대한 공기 공급 유량은 연료전지 전력 플랜트의 부하에 따라 설정된다. 전체 촉매 반응기(4)에서 일산화탄소 제거에 필요한 총 공기 공급 유량으로부터 상기와 같이 결정된 촉매 성분(4B, 4C)에 대한 공기 공급 유량의 합을 감산함으로써 촉매 성분(4A)에 대한 공기 공급 유량이 결정된다.
그 결과, 연료전지 전력 플랜트에서의 부하가 감소함에 따라, 촉매 성분(4A∼4C)에 대한 공기의 분포비가 상류측 촉매 성분(4A)에서는 감소하고, 하류측 촉매 성분(4B, 4C)에서는 증가한다. 도면에 도시한 바와 같이, 상류측 촉매 성분(4A)에 대한 공기 공급 유량은 연료전지 전력 플랜트의 부하가 최소일 때 대략 0이다.
제어기(7)는 상술한 바와 같이 공기 공급 유량의 제어를 실현하기 위해 메모리에 미리 저장된 맵을 구비한다. 이 맵은 연료전지 전력 플랜트의 부하와 각 공기 공급 밸브(6A∼6C)의 유량 사이의 관계를 결정한다. 이 맵 대신 계산식 또는 테이블이 사용될 수도 있다.
이 맵으로, 제어기(7)는 도 4에 나타낸 루틴을 실행한다. 이 루틴은 연료전지 전력 플랜트가 활성화되는 동시에 초기화된다.
우선, 단계 S1에서 제어기(7)는 연료전지 전력 플랜트의 부하에 대한 대표 값으로서 전류계(17)의 검출 전류를 읽는다. 연료전지 전력 플랜트의 부하에 대한 대표 값으로서 여러 가지 다른 값들을 사용할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 스택(3)에서 출력되는 전류를 나타내기 위해, 전류계(17)를 사용하는 대신, 연료전지 전력 플랜트를 제어하는 다른 유닛의 제어기에 의해 설정된 목표 전류값을 사용할 수 있다. 연료전지 전력 플랜트의 부하에 대한 대표 값으로서 연료전지 스택(3)에 공급되는 수소 풍부 가스의 유량( F H2 )을 사용할 수도 있다. 유량( F H2 )은 파이프(5D)에 유량계를 설치함으로써 검출될 수 있다.
그리고 단계 S2에서는, 부하에 대한 대표 값에 기초하여, 제어기(7)가 도 3b에 도시한 바와 같이 메모리에 저장된 맵을 참조함으로써 공기 공급 밸브(6A∼6C)의 각 목표 공기 유량을 결정한다.
그리고 단계 S3에서, 제어기(7)는 이러한 목적으로 목표 공기 유량을 실현하기 위해 각 공기 공급 밸브(6A∼6C)의 개도를 제어하고, 제어기(7)는 공기 공급 밸브(6A∼6C)의 유량 및 개도를 정의하는 맵을 저장하여, 이 맵으로부터 공기 공급 밸브(6A∼6C)의 개도를 산출한다. 혹은, 센서를 이용하여 공기 공급 밸브(6A∼6C)의 실제 유량이 각각 검출될 수도 있고, 실제 유량이 목표 공기 유량과 일치하도록피드백 제어될 수 있다.
단계 S4에서 제어기(7)는 연료전지 전력 플랜트의 동작이 계속되는지 여부를 판정한다. 이 판정은 연료전지 전력 플랜트의 상술한 제어기로부터의 신호 또는 연료전지 전력 플랜트의 기동 및 정지를 지시하는 키 스위치로부터의 신호를 이용하여 행해진다.
단계 S4에서 연료전지 전력 플랜트의 동작이 계속되면, 즉, 동작 종료 지시가 발생되지 않으면, 제어기(7)는 단계 S1∼S4의 처리를 반복한다. 한편, 단계 S4에서 연료전지 전력 플랜트의 동작이 계속되지 않으면, 즉, 동작 종료 지시가 발생되면, 제어기(7)는 즉시 루틴을 종료한다.
상기 루틴에서, 각 공기 공급 밸브(6A∼6C)의 개도 및 연료전지 전력 플랜트의 부하 사이에 직접 상관이 정의될 수 있으면, 메모리에 그 상관을 나타내는 맵을 저장함으로써 단계 S2의 처리를 생략하는 것이 가능하다.
상기 제어의 결과는 연료전지 전력 플랜트의 부하가 작을 때 상류측 촉매 성분(4A)에서 선택적 산화가 거의 일어나지 않는다는 것이다. 그러나, 상류측 촉매 성분(4A)에서 개질 가스 내의 일산화탄소의 농도가 높기 때문에, 식(1)으로 나타낸 선택적 산화가 행해지지 않더라도, 식(2)으로 나타낸 역변위 반응은 극히 저속으로 일어나거나 화학 평형으로 인해 전혀 일어나지 않는다.
즉, 촉매 성분(4A∼4C)의 일산화탄소 산화 전위가 과다한 연료전지 전력 플랜트에서의 저 부하 영역에서, 제어기(7)는 과다한 산화 전위가 역변위 반응을 일으키는 것을 막기 위해 중간 촉매 성분(4B) 및 하류측 촉매 성분(4C)에서만 일산화탄소를 제거한다.
상기 제어 조건 하에서 공기 공급 유량이 제어되면, 일산화탄소 제어 장치(1)의 방출구에서의 일산화탄소 농도는 도 5의 실선으로 나타낸 바와 같은 변화를 나타낸다. 이와 반대로, 공기 분포비가 도 2a 또는 2b에 나타낸 바와 같이 일정할 때의 일산화탄소 제거 장치(1)의 방출구에서의 일산화탄소 농도는 도 5에서 파선으로 나타낸 바와 같은 변화를 나타낸다. 도면에 명확하게 도시한 바와 같이, 본 발명으로 인해 공급되는 공기 유량의 제어는 연료전지 전력 플랜트의 저 부하 영역에서 일산화탄소 제거 성능을 향상시키는 결과를 달성한다.
이하, 도 6a, 6b, 도 7 및 도 8을 참조하여 본 발명의 제2 실시형태를 설명한다.
제1 실시형태에서, 촉매 성분(4C)에 대한 공기 공급 유량은 공기 분포비가 증가하더라도 연료전지 전력 플랜트의 부하에서의 감소에 따라 절대적인 양이 감소하도록 설정된다. 이 설정은 상술한 바와 같이 촉매 성분(4C)의 온도의 과도한 상승을 피하기 위해 적용된다.
이 실시형태에서, 촉매 성분(4C)의 과도한 온도 상승을 피하기 위해, 상대적으로 낮은 반응성을 갖는 촉매가 촉매 성분(4C)에 사용된다. 구체적으로는, 제1 실시형태에서 사용된 것과 동일한 Pt/Al2O3촉매가 촉매 성분(4A, 4B)에 사용된다. 이와 반대로, 루테늄(Ru)을 포함하는 Ru/Al2O3촉매가 촉매 성분(4C)에 사용된다.
도 6a 및 6b를 참조하면, 본 실시형태에서 촉매 성분(4C)에 대한 공기 공급유량은 연료전지 전력 플랜트의 부하의 감소에 상관없이 일정한 값으로 유지된다. 그 결과, 연료전지 전력 플랜트의 부하의 감소로 인한 촉매 성분(4C)의 공기 분포비의 증가가 제1 실시형태에서 설명한 것보다 커진다.
도 7을 참조하면, 본 실시형태에 따른 일산화탄소 제어 장치로부터 공기 공급 밸브(6C)가 생략된다. 이 실시형태에 따르면, 촉매 성분(4C)에 대한 공기 공급 유량은 연료전지 전력 플랜트의 부하에 관계없이 일정하다. 다른 점에 있어서 일산화탄소 제거 장치의 하드웨어 구성은 제1 실시형태와 관련하여 설명한 것과 같다. 제어기(8)는 공급되는 공기 유량을 제어하기 위해 도 4에 나타낸 루틴 대신 도 8에 나타낸 루틴을 실행한다.
단계 S1 및 단계 S4는 도 4에 나타낸 루틴과 동일하다.
단계 S1에 이어지는 단계 S12에서, 제어기(7)는 메모리에 미리 저장된 도 6b에 도시한 특성을 갖는 맵을 조사함으로써 연료전지 전력 플랜트의 부하에 근거하여 공기 공급 밸브(6A, 6B)에 대한 각 목표 공기 유량을 결정한다.
그리고 단계 S13에서, 목표 공기 유량이 실현되도록 공기 공급 밸브(6A, 6B)의 개도가 조절된다. 단계 S13에서의 처리 후, 제어기(7)는 단계 S4의 처리를 행한다.
이 실시형태에 의하면, 공기 공급 밸브(6C)가 생략되므로, 일산화탄소 제거 장치의 구성이 간단해진다.
도 9∼도 11을 참조하여 본 발명의 제3 실시형태를 설명한다.
이 실시형태에서는, 제1 실시형태의 구성에 추가하여 촉매 성분(4A∼4C)을냉각시키기 위해 냉각 장치가 제공된다.
도 9를 참조하면, 냉각 장치는 냉각제를 저장하는 탱크(11), 탱크(11) 내의 냉각제를 가압하는 펌프(8), 펌프(8)로부터 방출된 냉각제를 촉매 성분(4A∼4C)에 배포하는 냉각제 공급 밸브(9A∼9C), 촉매 성분(4A∼4C)을 냉각시킨 냉각제를 탱크(11)에 재순환시키는 재순환로(12), 및 재순환로(12)에서 냉각제로부터 열을 방출시키는 라디에이터(10)를 구비한다.
차량에 구동력의 소스로서 연료전지 전력 플랜트가 탑재되면, 종래의 방식으로 차량의 엔진을 냉각시키는데 사용된 물을 촉매 성분(4A∼4C)의 냉각제로서 사용할 수 있다. 라디에이터(10) 대신, 냉각제 및 연료전지 스택(3) 사이의 열 교환을 행하는 열 교환기를 사용할 수 있다.
탱크(11) 내의 냉각제는 펌프(8)에 의해 가압되고, 냉각제 공급 밸브(9A∼9C)를 통해 각 촉매 성분(4A∼4C)을 냉각시킨다. 촉매 성분(4A∼4C)을 냉각시킨 후, 공통 회복로(12)로 냉각제가 방출되어, 라디에이터(10)에서 촉매 성분(4A∼4C)으로부터 흡수된 열을 방출한다. 이에 따라 탱크(11)로 재순환된다.
펌프(8)는 용량, 즉, 방출 유량이 제어기(7)에 의해 제어되는 가변 용량 펌프를 구비한다. 촉매 성분(4A∼4C)에서 발생된 열의 양은 촉매 성분(4A∼4C)에서의 산화량에 의존한다. 또한 산화량은 촉매 성분(4A∼4C)에 대한 공기 공급 유량에 의존한다. 이와 같이 제어기(7)는 촉매 성분(4A∼4C)에 대한 총 공기 공급 유량에 따라 목표 냉각제 방출 유량을 결정한다. 이어서, 목표 냉각제 방출 유량을 얻기 위해 펌프(8)의 냉각제 방출 유량이 제어된다.
또한 제어기(7)는 후술하는 방법을 이용하여 각 촉매 성분(4A∼4C)에 공급되는 목표 냉각제 유량을 결정한다. 도 10a 및 10b를 참조하면, 각 냉매 공급 밸브(9A∼9C)의 목표 냉각제 공급 유량은 연료전지 전력 플랜트의 동작 부하가 감소함에 따라 감소하도록 설정된다. 이를 위해, 제어기(7)의 메모리는 도 10b에 나타낸 특성을 갖는 맵을 저장한다.
그러나, 이 맵은 하류측 촉매 성분(4C)에 대한 냉각제 분포비가 연료전지 전력 플랜트의 동작 부하가 감소함에 따라 상대적으로 증가하도록 설정된다.
다음에 도 11을 참조하여, 본 실시형태에서 제어기(7)에 의해 실행되는 공기 공급 유량 및 냉각제 공급 유량을 제어하는 루틴을 설명한다. 이 루틴은 제1 및 제2 실시형태의 경우와 같이 연료전지 전력 플랜트가 활성화되는 동시에 초기화된다.
단계 S1∼S4에 따른 공기 공급 유량의 제어는 본 실시형태에 따른 도 4의 루틴과 동일하다. 즉, 도 3b에 나타낸 맵의 특성을 갖는 맵을 이용하여 각 공기 공급 밸브(6A∼6C)의 개도가 제어된다.
단계 S3에서 공기 공급 밸브(6A∼6C)의 개도를 제어한 후, 제어기(7)는 단계 S21로 진행하여, 메모리에 미리 저장된 도 10b에 나타낸 특성을 갖는 맵을 조사함으로써 연료전지 전력 플랜트의 부하에 따라 각 냉각제 공급 밸브(9A∼9C)의 목표 냉각제 공급 유량을 설정한다.
그리고 단계 S22에서, 제어기(7)는 목표 냉각제 공급 유량이 실현되도록 각 냉각제 공급 밸브(9A∼9C)를 제어한다. 이 제어는 공기 공급 밸브(6A∼6C)의 제어와 비슷하며, 개방 루프 제어 또는 피드백 제어를 적용함으로써 행해질 수 있다.
단계 S22에서의 처리 후에, 제어기(22)는 제1 실시형태에서와 같은 방식으로 단계 S4의 처리를 행한다.
이 실시형태에서는, 촉매 성분(4A∼4C)이 냉각되기 때문에, 연료전지 전력 플랜트의 부하에 관계없이 산화 반응으로 인한 촉매 성분(4A∼4C)의 온도 상승을 억제할 수 있다. 이와 같이, 온도 상승의 억제를 고려하지 않고 촉매 성분(4A∼4C)에 공급되는 공기의 유량을 결정하는 것도 가능하다.
2002년 2월 8일 일본에 제출된 도쿠간 2002-32383의 내용이 여기에 참조로서 포함되어 있다.
본 발명은 발명의 특정 실시형태를 참조하여 상기에 설명하였지만, 상술한 실시형태에 한정되지 않는다. 상기 교시에 비추어서 본 기술에 숙련된 자들에 의해 상술한 실시형태의 변형 및 개조가 이루어지게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 개질 가스에 대한 일산화탄소 제거 장치에서의 역변위 반응을 효과적으로 막을 수 있다. 역변위 반응은 개질 가스의 유량이 적을 때 하류측 촉매 성분에서 일어나기 쉽다. 따라서 본 발명은 개질 가스의 유량이 부하에 따라 크게 불안정한 차량의 연료전지 전력 플랜트에 적용할 때 특히 바람직한 효과를 가져온다.
독점적인 특징이나 특권이 청구된 본 발명의 실시형태는 다음과 같이 정의된다.

Claims (16)

  1. 산화제를 이용한 촉매 중화 산화 반응에 의해 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 제거하는 일산화탄소 제거 장치에 있어서,
    촉매를 저장하고 상기 개질 가스를 통과시키며, 상기 개질 가스의 흐름에 관련된 상류부(4A) 및 이 상류부(4A)보다 더 하류 부분에 배치되는 하류부(4B, 4C)를 포함하는 촉매 반응기(4); 및
    상기 개질 가스의 유량이 소정 값 이하로 떨어질 때, 상기 하류부(4B, 4C)에서의 산화량에 대한 상기 상류부(4A)에서의 산화량의 비를 낮추도록(S2, S3, S12, S13) 프로그래밍 되어, 상기 촉매 반응기(4)에서의 산화 작용을 제어하는 프로그래밍 가능 제어기(7)를 구비하는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 상류부(4A) 및 상기 하류부(4B, 4C)에 상기 산화제를 개별적으로 공급하는 산화제 공급 기구(6A∼6C, 15, 16, 18)를 더 구비하고, 상기 제어기(7)는 상기 산화제 공급 기구(6A∼6C, 15, 16, 18)를 제어함으로써 상기 하류부(4B, 4C)에서의 산화량에 대한 상기 상류부(4A)에서의 산화량의 비를 낮추어, 상기 산화제의 상기 하류부(4B, 4C)에의 공급량에 대한 상기 산화제의 상기 상류부(4A)에의 공급량의 비를 줄이도록(S2, S3, S12, S13) 프로그래밍 되는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 산화제 공급 기구(6A∼6C, 15, 16, 18)는 상기 산화제의 공급로(16) 및 상기 산화제를 상기 공급로(16)에서 상기 상류부(4A)로 배포하는 산화제 공급 밸브(6A)를 구비하고, 상기 제어기(7)는 상기 산화제 공급 밸브(6A)의 개도를 제어함으로써 상기 하류부(4B, 4C)에서의 산화량에 대한 상기 상류부(4A)에서의 산화량의 비를 낮추도록 프로그래밍 되는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 제어기(7)는 상기 하류부(4B, 4C)에 흐르는 일산화탄소의 양이 상기 하류부(4B, 4C)의 산화 전위에 상당하도록 상기 하류부(4B, 4C)에 대한 상기 산화제의 목표 공급량 및 상기 상류부(4A)에 대한 상기 산화제의 목표 공급량을 결정하여(S2, S12), 상기 하류부(4B, 4C)에 대한 상기 산화제의 공급량이 상기 하류부(4B, 4C)에 대한 상기 산화제의 목표 공급량과 일치하고, 상기 상류부(4A)에 대한 상기 산화제의 공급량이 상기 상류부(4A)에 대한 상기 산화제의 목표 공급량과 일치하게 상기 산화제 공급 기구(6A∼6C, 15, 16, 18)를 제어하도록(S3) 프로그래밍 되는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거 장치.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 제어기(7)는 상기 하류부(4B, 4C)에서의 산화 작용으로 인해 상기 하류부(4B, 4C)의 온도가 소정의 온도를 초과하는 것을 막기 위해 상기 하류부(4B, 4C)에서의 산화량에 대한 상기 상류부(4A)에서의 산화량의 비를 결정하도록(S2) 프로그래밍 되는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제어기(7)는 상기 하류부(4B, 4C)에서의 산화 작용으로 인해 상기 하류부(4B, 4C)의 온도가 소정의 온도를 초과하는 것을 막기 위해 상기 산화제의 상기 하류부(4B, 4C)에의 공급량을 줄이도록(S2) 프로그래밍 되는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거 장치.
  7. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 하류부(4B, 4C)의 촉매는 상기 상류부(4A)의 촉매보다 낮은 반응성을 갖고, 상기 제어기(7)는 상기 하류부(4B, 4C)에 공급되는 상기 산화제의 양이 상기 개질 가스의 유량에 관계없이 변하지 않게 상기 산화제 공급 기구(6A∼6C, 15, 16, 18)를 제어하도록(S12) 프로그래밍 되는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거 장치.
  8. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 촉매 반응기(4)를 냉각시키는 냉각 장치(8, 9A∼9C, 10, 11, 12)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 냉각 장치(8, 9A∼9C, 10, 11, 12)는 상기 하류부(4B, 4C) 및 상기 상류부(4A)에 개별적으로 냉각제를 공급할 수 있는 냉각제 공급 밸브(9A∼9C)를 구비하고, 상기 제어기(7)는 상기 개질 가스의 유량에 응하여 상기상류부(4A)에 대한 상기 냉각제의 목표 공급량 및 상기 하류부(4B, 4C)에 대한 상기 냉각제의 목표 공급량을 결정하여(S21), 상기 상류부(4A)에 대한 상기 냉각제의 공급량이 상기 상류부(4A)에 대한 상기 냉각제의 목표 공급량과 일치하고, 상기 하류부(4B, 4C)에 대한 상기 냉각제의 공급량이 상기 하류부(4B, 4C)에 대한 상기 냉각제의 목표 공급량과 일치하게 상기 냉각제 공급 밸브(9A∼9C)를 제어하도록 프로그래밍 되는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거 장치.
  10. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 제어기(7)는 상기 개질 가스의 유량이 소정 값으로부터 감소함에 따라, 상기 산화제의 상기 하류부(4B, 4C)에의 공급량에 대한 상기 산화제의 상기 상류부(4A)에의 공급량의 비를 줄이도록(S2, S12) 프로그래밍 되는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거 장치.
  11. 제3항에 있어서, 상기 산화제는 공기이고, 상기 산화제 공급 기구(6A∼6C, 15, 16, 18)는 공기의 압력을 일정 압력으로 유지하는 압력 조정 기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거 장치.
  12. 제2항, 제3항 및 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 일산화탄소 제거 장치는 상기 개질 가스를 연료전지 전력 플랜트의 연료전지 스택(3)에 공급하는 통로(5A, 5D)에 배치되고, 상기 일산화탄소 제거 장치는 상기 개질 가스의 유량을 나타내는 값으로서 상기 연료전지 전력 플랜트의 발전 부하를 검출하는 부하 검출센서(17)를 더 구비하며, 상기 제어기(7)는 상기 발전 부하가 소정 부하 이하로 떨어질 때, 상기 하류부(4B, 4C)에서의 산화량에 대한 상기 상류부(4A)에서의 산화량의 비를 낮추도록(S2, S3, S12, S13) 프로그래밍 되는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 부하 검출 센서(17)는 상기 연료전지 스택(3)의 출력 전류를 검출하는 전류계(17)를 포함하는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거 장치.
  14. 제12항에 있어서, 상기 제어기(7)는 상기 연료전지 전력 플랜트의 상기 발전 부하에 응하여 상기 하류부(4B, 4C)에 대한 상기 산화제의 목표 공급량 및 상기 상류부(4A)에 대한 상기 산화제의 목표 공급량을 미리 설정한 맵을 저장하여, 상기 검출된 발전 부하를 바탕으로 상기 맵을 조사함으로써 상기 하류부(4B, 4C)에 대한 상기 산화제의 목표 공급량 및 상기 상류부(4A)에 대한 상기 산화제의 목표 공급량을 결정하고(S2, S12), 상기 상류부(4A)에 대한 상기 산화제의 공급량이 상기 상류부(4A)에 대한 상기 산화제의 목표 공급량과 일치하고, 상기 하류부(4B, 4C)에 대한 상기 산화제의 공급량이 상기 하류부(4B, 4C)에 대한 상기 산화제의 목표 공급량과 일치하게 상기 산화제 공급 기구(6A∼6C, 15, 16, 18)를 제어하도록(S3, S13) 프로그래밍 되는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거 장치.
  15. 산화제를 이용한 촉매 중화 산화 반응에 의해 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 제거하는 일산화탄소 제거 장치에 있어서,
    촉매를 저장하고 상기 개질 가스를 통과시키며, 상기 개질 가스의 흐름에 관련된 상류부(4A) 및 이 상류부(4A)보다 더 하류 부분에 배치되는 하류부(4B, 4C)를 포함하는 촉매 반응기(4); 및
    상기 개질 가스의 유량이 소정 값 이하로 떨어질 때, 상기 하류부(4B, 4C)에서의 산화량에 대한 상기 상류부(4A)에서의 산화량의 비를 낮추도록 상기 촉매 반응기(4)에서의 산화 작용을 제어하는 수단(7, S2, S3, S12, S13)을 구비하는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거 장치.
  16. 촉매를 저장하고 상기 개질 가스를 통과시키며, 상기 개질 가스의 흐름에 관련된 상류부(4A) 및 이 상류부(4A)보다 더 하류 부분에 배치되는 하류부(4B, 4C)를 포함하는 촉매 반응기(4)에 산화제를 공급함으로써, 촉매 중화 산화 반응에 의해 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 제거하는 일산화탄소 제거 방법에 있어서,
    상기 개질 가스의 유량이 소정 값 이하로 떨어질 때, 상기 하류부(4B, 4C)에서의 산화량에 대한 상기 상류부(4A)에서의 산화량의 비를 낮추도록 상기 촉매 반응기(4)에서의 산화 작용을 제어하는 것(S2, S3, S12, S13)을 포함하는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거 방법.
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