KR20180004664A - 열, 수소 생성 장치 - Google Patents

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히로마사 니시오카
기요시 후지와라
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도요타지도샤가부시키가이샤
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Abstract

버너로의 공급 공기를 저온의 공기와 고온의 공기로 전환 가능하게 한다.
버너 연소실(3)과, 버너 연소실(3) 내에 있어서 버너 연소를 행하기 위한 버너(7)와, 버너 연소 가스가 보내지는 개질용 촉매(4)와, 버너(7)에 공급되는 공기를 가열하기 위한 열 교환부(13a)를 구비하고 있다. 버너(7)로 외기를 유도하기 위한 공기 유통 경로를, 열 교환부(13a) 내를 유통해서 열 교환부(13a)에 의하여 가열된 외기를 버너(7)로 유도하는 고온 공기 유통 경로(13)와, 열 교환부(13a)를 유통하지 않고 또한 열 교환부(13a)에 있어서 가열된 외기보다도 온도가 낮은 외기를 버너(7)로 유도하는 저온 공기 유통 경로(14)와의 사이에서 전환 가능한 전환 장치(16, 17)를 구비하고 있다.

Description

열, 수소 생성 장치 {HEAT AND HYDROGEN GENERATION DEVICE}
본 발명은 열, 수소 생성 장치에 관한 것이다.
버너 연소실과, 버너 연소실 내에 연료를 분사하기 위한 연료 분사구를 갖는 버너와, 버너 연소실 내에 공기를 공급하기 위한 공기 공급 장치와, 개질용 촉매를 구비하고 있고, 버너 연소실 내에서 생성된 버너 연소 가스를 개질용 촉매에 보냄으로써 열 및 수소를 생성하도록 한 열, 수소 생성 장치가 공지이다(예를 들어 비특허문헌 1을 참조). 이 열, 수소 생성 장치에서는, 부분 산화 개질 반응을 발생시키게 하기 위하여 공기와 연료가, 공기와 연료의 02/C 몰비를 0.5로 유지한 상태에서 반응되고, 그것에 의하여 열이 발생됨과 함께 수소가 생성된다.
"Application of a Diesel Fuel Reformer for Tier 2 Bin 5 Emissions" Delphi, 2006 DEER Conference, August 21, 2006 Detroit, Michigan
그런데 개질용 촉매를 사용하여 연료의 부분 산화 개질 반응을 행하게 한 경우, 부분 산화 개질 반응이 평형 상태로 된 때의 개질용 촉매의 온도, 즉, 반응 평형 온도는 공기와 연료의 02/C 몰비에 의하여 변화되며, 예를 들어 02/C 몰비가 0.5일 때는 개질용 촉매의 온도, 즉, 반응 평형 온도는 거의 830℃로 된다. 단, 이 개질용 촉매의 온도는 공급되는 공기 온도가 25℃인 경우의 값이며, 공급되는 공기 온도가 상승하면 그에 수반하여 개질용 촉매의 온도는 상승한다. 그런데 상술한 열, 수소 생성 장치에서는, 공급되는 공기는 개질용 촉매로부터 유출 가스에 의하여 상시 가열되는 구조로 되어 있다. 따라서 개질용 촉매로부터의 유출 가스의 가열 작용에 의하여 공급되는 공기 온도가 상승하면, 개질용 촉매의 온도가 상승한다. 개질용 촉매의 온도가 상승하면, 개질용 촉매로부터 유출되는 가스 온도가 상승하여 공급되는 공기 온도가 상승하므로, 공급되는 공기 온도가 계속해서 상승하게 된다. 그 결과, 개질용 촉매의 온도가 높아져 개질용 촉매가 열 열화된다는 문제를 발생시킨다.
본 발명에 의하면, 상기 문제를 해결하기 위하여, 하우징과, 하우징 내에 형성된 버너 연소실과, 버너 연소실 내에 있어서 버너 연소를 행하기 위한 연료 분사구와 공기 공급구를 갖는 버너와, 연료 분사구에 연료를 공급하기 위한 연료 공급 장치와, 공기 공급구에 공기를 공급하기 위한 공기 공급 장치와, 하우징 내에 배치되고 또한 버너 연소실 내에서 생성된 버너 연소 가스가 보내지는 개질용 촉매를 구비하고 있고, 공기 공급 장치가, 공기 공급구에 공급되는 공기를 버너 연소 가스에 의하여 가열하기 위한 열 교환부를 구비하고 있고, 버너 연소를 행함으로써 열 및 수소를 생성하도록 한 열, 수소 생성 장치에 있어서, 공기 공급 장치는, 공기 공급구로 외기를 유도하기 위한 공기 유통 경로를, 열 교환부를 유통해서 열 교환부에 의하여 가열된 외기를 공기 공급구로 유도하는 고온 공기 유통 경로와, 열 교환부를 유통하지 않은 것에 의하여 열 교환부에 있어서 가열된 외기보다도 온도가 낮은 외기를 공기 공급구로 유도하는 저온 공기 유통 경로와의 사이에서 전환 가능한 전환 장치를 구비하고 있다.
고온 공기 유통 경로와 저온 공기 유통 경로 사이에서 전환 가능한 전환 장치를 구비하고 있음으로써, 개질용 촉매가 열 열화되지 않도록 필요에 따라, 열 교환부를 유통하지 않고 또한 열 교환부에 있어서 가열된 외기보다도 온도가 낮은 외기를 공기 공급구로 유도하는 것이 가능해진다.
도 1은 열, 수소 생성 장치의 전체도이다.
도 2는 경유의 개질 반응을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 반응 평형 온도 TB와 02/C 몰비의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 탄소 원자 1개당 생성 분자 개수와 02/C 몰비의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는 개질용 촉매 중의 온도 분포를 나타내는 도면이다.
도 6은 공급되는 공기 온도 TA가 변화된 때의 반응 평형 온도 TB와 02/C 몰비의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7은 열, 수소 생성 제어를 나타내는 타임 차트이다.
도 8a 및 8b는 2차 난기를 행하는 운전 영역을 나타내는 도면이다.
도 9는 열, 수소 생성 제어를 행하기 위한 흐름도이다.
도 10은 열, 수소 생성 제어를 행하기 위한 흐름도이다.
도 11은 열, 수소 생성 제어를 행하기 위한 흐름도이다.
도 1에 열, 수소 생성 장치(1)의 전체도를 도시한다. 이 열, 수소 생성 장치(1)는 전체적으로 원통상을 이룬다.
도 1을 참조하면, 2는 열, 수소 생성 장치(1)의 원통상 하우징, 3은 하우징(2) 내에 형성된 버너 연소실, 4는 하우징(2) 내에 배치된 개질용 촉매, 5는 하우징 내에 형성된 가스 유출실을 각각 나타낸다. 도 1에 도시되는 실시예에서는, 하우징(2)의 길이 방향 중앙부에 개질용 촉매(4)가 배치되어 있고, 하우징(2)의 길이 방향 일 단부에 버너 연소실(3)이 배치되어 있고, 하우징(2)의 길이 방향 타 단부에 가스 유출실(5)이 배치되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 이 실시예에서는, 하우징(2)의 외주 전체가 단열재(6)에 의하여 덮여 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 버너 연소실(3)의 일 단부에는, 연료 분사 밸브(8)를 구비한 버너(7)가 배치되어 있다. 연료 분사 밸브(8)의 선단부는 버너 연소실(3) 내에 배치되어 있고, 이 연료 분사 밸브(8)의 선단부에는 연료 분사구(9)가 형성되어 있다. 또한 연료 분사 밸브(8) 주위에는 공기실(10)이 형성되어 있고, 연료 분사 밸브(8)의 선단부 주위에는 공기실(10) 내의 공기를 버너 연소실(3) 내를 향하여 분출시키기 위한 공기 공급구(11)가 형성되어 있다. 도 1에 도시되는 실시예에서는, 연료 분사 밸브(8)는 연료 탱크(12)에 접속되어 있고, 연료 탱크(12) 내의 연료가 연료 분사 밸브(8)의 연료 분사구(9)로부터 분사된다. 도 1에 도시되는 실시예에서는, 이 연료는 경유로 이루어진다.
한편, 공기실(10)은, 한쪽에서는 고온 공기 유통로(13)를 통해 토출량을 제어 가능한 공기 펌프(15)에 접속되고, 다른 쪽에서는 저온 공기 유통로(14)를 통해 토출량을 제어 가능한 공기 펌프(15)에 접속되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 이들 고온 공기 유통로(13) 및 저온 공기 유통로(14) 내에는 각각 고온 공기 밸브(16) 및 저온 공기 밸브(17)가 배치되어 있다. 또한 도 1에 도시된 바와 같이 고온 공기 유통로(13)는, 가스 유출실(5) 내에 배치된 열 교환부를 구비하고 있고, 이 열 교환부가 도 1에 부호 13a로써 도시적으로 나타나 있다. 또한 이 열 교환부는, 개질용 촉매(4)의 하류이며 가스 유출실(5)을 획정하는 하우징(2)의 주위에 형성할 수도 있다. 즉, 이 열 교환부(13a)는, 가스 유출실(5)로부터 유출된 고온 가스 열을 이용하여 열 교환 작용이 행해지는 장소에 배치, 또는 형성하는 것이 바람직하다. 한편, 저온 공기 유통로(14)는, 이와 같이 가스 유출실(5)로부터 유출된 고온 가스 열을 이용하여 열 교환 작용이 행해지는 열 교환부(13a)를 갖고 있지 않다.
고온 공기 밸브(16)가 밸브 개방되고 저온 공기 밸브(17)가 밸브 폐쇄되면, 외기는 에어 클리너(18), 공기 펌프(15), 고온 공기 유통로(13) 및 공기실(10)을 통하여 공기 공급구(11)로부터 버너 연소실(3) 내에 공급된다. 이때, 외기, 즉, 공기는 열 교환부(13a) 내를 유통된다. 이에 대하여, 저온 공기 밸브(17)가 밸브 개방되고 고온 공기 밸브(16)가 밸브 폐쇄되면, 외기, 즉, 공기는 에어 클리너(18), 공기 펌프(15), 저온 공기 유통로(14) 및 공기실(10)을 통하여 공기 공급구(11)로부터 공급된다. 따라서 고온 공기 밸브(16) 및 저온 공기 밸브(17)는, 공기실(10)을 통하여 공기 공급구(11)에 공기를 공급하는 공기 유통로를 고온 공기 유통로(13)과 저온 공기 유통로(14) 사이에서 전환 가능한 전환 장치를 형성하고 있다.
한편, 버너 연소실(3) 내에는 점화 장치(19)가 배치되어 있으며, 도 1에 도시되는 실시예에서는, 이 점화 장치(19)는 글로 플러그로 이루어진다. 이 글로 플러그(19)는 스위치(20)을 통하여 전원(21)에 접속되어 있다. 한편, 도 1에 도시되는 실시예에서는, 개질용 촉매(4)가 산화부(4a)와 개질부(4b)로 이루어진다. 도 1에 도시되는 실시예에서는, 개질용 촉매(4)의 기체는 제올라이트로 이루어지며, 이 기체 상에, 산화부(4a)에서는 주로 팔라듐 Pd가 담지되어 있고, 개질부(4b)에서는 주로 로듐 Rh가 담지되어 있다. 또한 버너 연소실(3) 내에는, 개질용 촉매(4)의 산화부(4a)의 상류측 단부면의 온도를 검출하기 위한 온도 센서(22)가 배치되어 있고, 가스 유출실(5) 내에는, 개질용 촉매(4)의 개질부(4b)의 하류측 단부면의 온도를 검출하기 위한 온도 센서(23)가 배치되어 있다. 또한 단열재(6)의 외부에 위치하는 저온 공기 유통로(14)에는, 저온 공기 유통로(14) 내를 유통하는 공기의 온도를 검출하기 위한 온도 센서(24)가 배치되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 열, 수소 생성 장치(1)는 전자 제어 유닛(30)을 구비하고 있다. 이 전자 제어 유닛(30)은 디지털 컴퓨터로 이루어지며, 도 1에 도시된 바와 같이, 쌍방향성 버스(31)에 의하여 서로 접속된 ROM(리드 온리 메모리)(32), RAM(랜덤 액세스 메모리)(33), CPU(마이크로프로세서)(34), 입력 포트(35) 및 출력 포트(36)를 구비한다. 각 온도 센서(22, 23 및 24)의 출력 신호는, 각각 대응하는 AD 변환기(37)를 통하여 입력 포트(35)에 입력된다. 또한 글로 플러그(19)의 저항값을 나타내는 출력 신호가, 대응하는 AD 변환기(37)를 통하여 입력 포트(35)에 입력된다. 또한 입력 포트(35)에는, 각종 명령을 발생시키는 각종 명령 발생부(39)로부터의 각종 명령이 입력된다.
한편, 출력 포트(36)는, 대응하는 구동 회로(38)를 통하여 각각 연료 분사 밸브(8), 고온 공기 밸브(16), 저온 공기 밸브(17) 및 스위치(20)에 접속된다. 또한 출력 포트(36)는, 공기 펌프(15)의 토출량을 제어하는 펌프 구동 회로(40)에 접속되고, 공기 펌프(15)의 토출량은, 이 펌프 구동 회로(40)에 의하여, 출력 포트(36)에 출력된 토출량의 명령값으로 되도록 구동 제어된다.
열, 수소 생성 장치(1)의 운전 개시 시에는, 버너(7)로부터 분사된 연료가 글로 플러그(19)에 의하여 착화되고, 그것에 의하여, 버너 연소실(3) 내에 있어서, 버너(7)로부터 분사된 연료 및 공기가 반응함으로써 버너 연소가 개시된다. 버너 연소가 개시되면 개질용 촉매(4)의 온도가 점차 상승한다. 이때, 버너 연소는 희박 공연비에 기초하여 행해지고 있다. 이어서, 개질용 촉매(4)의 온도가, 연료를 개질 가능한 온도에 도달하면, 공연비가 희박 공연비에서 농후 공연비로 전환되고, 개질용 촉매(4)에 있어서의 연료의 개질 작용이 개시된다. 연료의 개질 작용이 개시되면 수소가 생성되고, 생성된 수소를 포함하는 고온의 가스가 가스 유출실(5)의 가스 유출구(25)로부터 유출된다.
열, 수소 생성 장치(1)에 의하여 생성된 수소는, 예를 들어 차량의 배기 정화용 촉매를 난기하기 위하여 사용된다. 이 경우, 열, 수소 생성 장치(1)는, 예를 들어 차량의 엔진 룸 내에 배치된다. 물론 열, 수소 생성 장치(1)에 의하여 생성된 수소는 그 외의 다양한 목적을 위하여 사용된다. 여하튼 열, 수소 생성 장치(1)에서는, 연료를 개질함으로써 수소를 생성하도록 하고 있다. 그래서 먼저 처음에 도 2를 참조하면서, 연료로서 경유를 사용한 경우의 개질 반응에 대하여 설명한다.
도 2의 (a) 내지 (c)에는, 연료로서 일반적으로 사용되고 있는 경유를 사용한 경우를 예로 들어, 완전 산화 반응이 행해진 때의 반응식, 부분 산화 개질 반응이 행해진 때의 반응식, 및 수증기 개질 반응이 행해진 때의 반응식이 나타나 있다. 또한 각 반응식에 있어서의 발열량 △H0은 저위 발열량(LHV)으로 나타나 있다. 그런데 도 2의 (b) 및 (c)로부터 알 수 있는 바와 같이, 경유로부터 수소를 발생시키기 위해서는, 부분 산화 개질 반응을 행하게 하는 방법과 수증기 개질 반응을 행하게 하는 방법의 2가지 방법이 있다. 수증기 개질 반응은 경유에 수증기를 첨가하는 방법이며, 도 2의 (c)로부터 알 수 있는 바와 같이 이 수증기 개질 반응은 흡열 반응이다. 따라서 수증기 개질 반응을 발생시키게 하기 위해서는 외부로부터 열을 가할 필요가 있다. 대형의 수소 생성 플랜트에서는 통상, 부분 산화 개질 반응에 추가하여, 수소의 생성 효율을 높이기 위하여, 발생한 열을 버리지 않고, 발생한 열을 수소의 생성을 위하여 사용하는 수증기 개질 반응이 이용되고 있다.
이에 대하여 본 발명에서는, 수소와 열의 양쪽을 생성하기 위하여, 발생한 열을 수소의 생성을 위하여 사용하는 수증기 개질 반응은 이용하고 있지 않으며, 본 발명에서는, 부분 산화 개질 반응만을 이용하여 수소를 생성하고 있다. 이 부분 산화 개질 반응은, 도 2의 (b)로부터 알 수 있는 바와 같이 발열 반응이며, 따라서 외부로부터 열을 가하지 않더라도 스스로가 발생시킨 열로써 개질 반응이 진행되어 수소가 생성된다. 그런데 도 2의 (b)의 부분 산화 개질 반응의 반응식에 나타난 바와 같이, 부분 산화 개질 반응은, 반응되는 공기와 연료의 비를 나타내는 02/C 몰비가 0.5의 농후 공연비로써 행해지며, 이때 CO와 H2가 생성된다.
도 3은, 공기와 연료를 개질 촉매에 있어서 반응시켜 평형에 도달한 때의 반응 평형 온도 TB와, 공기와 연료의 02/C 몰비와의 관계를 나타내고 있다. 또한 도 3의 실선은 공기 온도가 25℃일 때의 이론값을 나타내고 있다. 도 3의 실선으로 나타난 바와 같이, 02/C 몰비=0.5의 농후 공연비로써 부분 산화 개질 반응이 행해진 때는, 평형 반응 온도 TB는 거의 830℃로 된다. 또한 이때의 실제의 평형 반응 온도 TB는 830℃보다도 약간 낮아지지만, 이하, 평형 반응 온도 TB는 도 3의 실선으로 나타내는 값으로 되는 것으로 하여, 본 발명에 의한 실시예에 대하여 설명한다.
한편, 도 2의 (a)의 완전 산화 반응의 반응식으로부터 알 수 있는 바와 같이, 02/C 몰비=1.4575일 때 공기와 연료의 비가 이론 공연비로 되고, 도 3에 나타낸 바와 같이, 반응 평형 온도 TB는 공기와 연료의 비가 이론 공연비로 된 때 가장 높아진다. 02/C 몰비가 0.5와 1.4575 사이에서는, 일부에서는 부분 산화 개질 반응이 행해지고 일부에서는 완전 산화 반응이 행해진다. 이 경우, 02/C 몰비가 커질수록 부분 산화 개질 반응이 행해지는 비율에 비하여 완전 산화 반응이 행해지는 비율이 커지므로, 02/C 몰비가 커질수록 반응 평형 온도 TB가 높아진다.
한편, 도 4는, 탄소 원자 1개당 생성 분자(H2 및 CO)의 개수와 02/C 몰비의 관계를 나타내고 있다. 상술한 바와 같이, 02/C 몰비가 0.5보다도 커질수록 부분 산화 개질 반응이 행해지는 비율이 감소한다. 따라서 도 4에 나타난 바와 같이, 02/C 몰비가 0.5보다도 커질수록 H2 및 CO의 생성량이 감소한다. 또한 도 4에는 기재되어 있지 않지만, 02/C 몰비가 0.5보다도 커지면 도 2의 (a)에 나타나는 완전 산화 반응에 의하여 CO2와 H20의 생성량은 증대된다. 그런데 도 4는, 도 2의 (d)에 나타나는 수성 가스 시프트 반응이 발생하지 않는다고 가정한 경우의 H2 및 CO의 생성량을 나타내고 있다. 그러나 실제로는, 부분 산화 개질 반응에 의하여 생성된 CO와 완전 산화 반응에 있어서 생성된 H20에 의하여 도 2의 (d)에 나타나는 수성 가스 시프트 반응이 발생하며, 이 수성 가스 시프트 반응에 의해서도 수소가 생성된다.
그런데 상술한 바와 같이, 02/C 몰비가 0.5보다도 커질수록 H2 및 CO의 생성량이 감소한다. 한편, 도 4에 나타난 바와 같이, 02/C 몰비가 0.5보다도 작아지면 반응할 수 없는 잉여의 탄소 C가 증대된다. 이 잉여의 탄소 C는 개질용 촉매의 기체 세공 내에 침착되어, 소위 코킹을 발생시킨다. 코킹이 발생하면 개질용 촉매의 개질 능력이 현저히 저하된다. 따라서 코킹이 발생하는 것을 회피하기 위하여 02/C 몰비는 0.5보다도 작게 되지 않도록 할 필요가 있다. 또한 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 잉여의 탄소 C가 발생하지 않는 범위에서 수소의 생성량이 최대로 되는 것은 02/C 몰비가 0.5일 때이다. 따라서 본 발명의 실시예에서는, 수소를 생성하기 위하여 부분 산화 개질 반응이 행해질 때는, 코킹이 발생하는 것을 회피하면서 수소를 가장 효율적으로 생성할 수 있도록 02/C 몰비가 원칙적으로 0.5로 된다.
한편, 02/C 몰비가, 이론 공연비인 02/C 몰비=1.4575보다도 크게 되더라도 완전 산화 반응이 행해지지만, 02/C 몰비가 커질수록 승온해야 하는 공기량이 증대된다. 따라서 도 3에 나타낸 바와 같이, 02/C 몰비가, 이론 공연비를 나타내는 02/C 몰비=1.4575보다도 커지면, 02/C 몰비가 커질수록 반응 평형 온도 TB가 저하된다. 이 경우, 예를 들어 02/C 몰비가 2.6의 희박 공연비로 되면, 공기 온도가 25℃인 경우에는, 반응 평형 온도 TB는 거의 920℃로 된다.
그런데 상술한 바와 같이, 도 1에 도시되는 열, 수소 생성 장치(1)의 운전 개시 시에는, 버너(7)로부터 분사된 연료가 글로 플러그(19)에 의하여 착화되고, 그것에 의하여, 버너 연소실(3) 내에 있어서, 버너(7)로부터 분사된 연료 및 공기가 반응함으로써 버너 연소가 개시된다. 버너 연소가 개시되면 개질용 촉매(4)의 온도가 점차 상승한다. 이때, 버너 연소는 희박 공연비에 기초하여 행해지고 있다. 이어서, 개질용 촉매(4)의 온도가, 연료를 개질 가능한 온도에 도달하면, 공연비가 희박 공연비에서 농후 공연비로 전환되고, 개질용 촉매(4)에 있어서의 연료의 개질 작용이 개시된다. 연료의 개질 작용이 개시되면 수소가 생성된다. 도 5에는, 개질용 촉매(4)에 있어서의 반응이 평형 상태로 된 때의 개질용 촉매(4)의 산화부(4a) 및 개질부(4b) 중의 온도 분포를 나타내고 있다. 또한 이 도 5는, 외기온이 25℃일 때, 이 외기가 도 1에 도시되는 저온 공기 유통로(14)를 통하여 버너(7)로부터 버너 연소실(3) 내에 공급된 경우의 온도 분포를 나타내고 있다.
도 5의 실선은, 버너(7)로부터 공급되는 공기와 연료의 02/C 몰비가 0.5일 때의 개질용 촉매(4)의 산화부(4a) 및 개질부(4b) 내의 온도 분포를 나타내고 있다. 도 5에 나타난 바와 같이 이 경우에는, 개질용 촉매(4)의 산화부(4a)에서는, 개질용 촉매(4) 중의 온도는 잔존 산소에 의한 산화 반응열에 의하여 하류측을 향하여 상승한다. 연소 가스가 개질용 촉매(4)의 산화부(4a) 중으로부터 개질부(4b) 중으로 나아갈 때는 연소 가스 중의 잔존 산소는 소멸되고, 개질용 촉매(4)의 개질부(4b)에서는 연료의 개질 작용이 행해진다. 이 개질 반응은 흡열 반응이며, 따라서 개질용 촉매(4) 중의 온도는 개질 작용이 진행됨에 따라, 즉, 개질용 촉매(4)의 하류측을 향하여 저하된다. 이때의 개질용 촉매(4)의 하류측 단부면의 온도는 830℃이며, 도 3에 나타나는 02/C 몰비=0.5일 때의 반응 평형 온도 TB와 일치한다.
한편, 도 5에는, 버너(7)로부터 공급되는 공기와 연료의 02/C 몰비가 2.6인 희박 공연비일 때의 개질용 촉매(4) 중의 온도 분포가 파선으로 나타나 있다. 이 경우에도, 개질용 촉매(4) 중의 온도는, 개질용 촉매(4)의 산화부(4a) 중에서는 연료의 산화 반응열에 의하여 하류측을 향하여 상승한다. 한편, 이 경우에는, 개질용 촉매(4)의 개질부(4b) 내에 있어서 개질 작용은 행해지지 않으므로, 개질용 촉매(4) 중의 온도는 개질부(4b) 중에서는 일정하게 유지된다. 이때의 개질용 촉매(4)의 하류측 단부면의 온도는 920℃이며, 도 3에 나타나는 02/C 몰비=2.6일 때의 반응 평형 온도 TB와 일치한다. 즉, 도 3의 반응 평형 온도 TB는, 외기온이 25℃일 때 이 외기가 도 1에 도시되는 저온 공기 유통로(14)를 통하여 버너(7)로부터 버너 연소실(3) 내에 공급된 때의 개질용 촉매(4)의 하류측 단부면의 온도를 나타내고 있게 된다.
다음으로, 도 6을 참조하면서, 개질 촉매에 있어서 연료와 반응하는 공기의 온도를 변화시킨 때의 반응 평형 온도 TB에 대하여 설명한다. 도 6은, 도 3과 마찬가지로, 공기와 연료를 개질 촉매에 있어서 반응시켜 평형에 도달한 때의 반응 평형 온도 TB와, 공기와 연료의 02/C 몰비와의 관계를 나타내고 있다. 또한 도 6에 있어서 TA는 공기 온도를 나타내고 있으며, 이 도 6에는, 도 3에 있어서 실선으로 나타나는 반응 평형 온도 TB와 02/C 몰비의 관계가 다시 실선으로 나타나 있다. 도 6에는, 공기 온도 TA를 225℃, 425℃, 625℃로 변화시킨 때의 반응 평형 온도 TB와 02/C 몰비의 관계가 다시 파선으로 나타나 있다. 도 6으로부터, 공기 온도 TA가 상승하면 02/C 몰비에 관계없이 반응 평형 온도 TB가 전체적으로 높아지는 것을 알 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 있어서 사용되고 있는 개질용 촉매(4)는, 촉매 온도가 950℃ 이하이면 큰 열 열화를 발생시키지 않는 것이 확인되어 있다. 따라서 본 발명의 실시예에서는, 950℃가, 개질용 촉매(4)의 열 열화를 회피할 수 있는 허용 촉매 온도 TX로 되어 있으며, 이 허용 촉매 온도 TX가 도 3, 도 5 및 도 6에 나타나 있다. 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 공기 온도 TA가 25℃일 때는, 02/C 몰비가 0.5일 때여도, 02/C 몰비가 2.6일 때여도, 개질용 촉매(4)에 있어서의 반응이 평형 상태로 된 때의 개질용 촉매(4)의 온도는 개질용 촉매(4)의 어느 장소에서도 허용 촉매 온도 TX 이하로 된다. 따라서 이 경우에는 실용상, 열 열화를 문제로 하지 않고 개질용 촉매(4)를 계속해서 사용할 수 있다.
한편, 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 공기 온도 TA가 25℃일 때여도, 02/C 몰비가 0.5보다도 약간 커지면, 개질용 촉매(4)에 있어서의 반응이 평형 상태로 된 때의 개질용 촉매(4)의 하류측 단부면의 온도, 즉, 반응 평형 온도 TB는 허용 촉매 온도 TX를 초과해 버리고, 02/C 몰비가 2.6보다도 약간 작아지면, 개질용 촉매(4)에 있어서의 반응이 평형 상태로 된 때의 개질용 촉매(4)의 하류측 단부면의 온도는 허용 촉매 온도 TX를 초과해 버린다. 따라서, 예를 들어 개질용 촉매(4)에 있어서의 반응이 평형 상태일 때 부분 산화 개질 반응을 발생시키게 하는 경우, 02/C 몰비를 0.5보다도 크게 할 수도 있지만, 02/C 몰비를 크게 할 수 있는 범위는 한정되어 있다.
한편, 도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 공기 온도 TA가 높아지면, 개질용 촉매(4)에 있어서의 반응이 평형 상태로 되어 있을 때 02/C 몰비를 0.5로 했다고 하더라도, 개질용 촉매(4)에 있어서의 반응이 평형 상태로 된 때의 개질용 촉매(4)의 하류측 단부면의 온도는 허용 촉매 온도 TX보다도 높아지고, 따라서 개질용 촉매(4)가 열 열화되게 된다. 따라서 공기 온도 TA가 높아진 때는, 개질용 촉매(4)에 있어서의 반응이 평형 상태로 되어 있을 때 02/C 몰비를 0.5로 할 수 없다. 그래서 본 발명의 실시예에서는, 개질용 촉매(4)에 있어서의 반응이 평형 상태로 된 때는 공기 온도 TA가 25℃ 정도의 낮은 온도로 되고, 공기 온도 TA를 25℃ 정도의 낮은 온도로 유지한 상태에서 02/C 몰비가 0.5로 된다.
다음으로, 도 7을 참조하면서, 도 1에 도시되는 열, 수소 생성 장치(1)에 의한 열, 수소 생성 방법의 개요에 대하여 설명한다. 또한 도 7에는, 글로 플러그(19)의 작동 상태, 버너(7)로부터의 공급 공기량, 버너(7)로부터의 분사 연료량, 반응되는 공기와 연료의 02/C 몰비, 버너(7)로부터 공급되는 공기의 공급 공기 온도, 및 개질용 촉매(4)의 하류측 단부면의 온도 TC가 나타나 있다. 또한 도 7 등에 나타나는 개질용 촉매(4)의 하류측 단부면의 온도 TC에 대한 각 목표 온도 및 개질용 촉매(4)의 온도에 대한 각 목표 온도는 이론값이며, 본 발명에 의한 실시예에서는, 상술한 바와 같이, 예를 들어 실제의 평형 반응 온도 TB는 목표 온도인 830℃보다도 약간 낮아진다. 이들 각 목표 온도는 열, 수소 생성 장치(1)의 구조 등에 의하여 변화되며, 따라서 실제로는 실험을 행하여 열, 수소 생성 장치(1)의 구조에 따른 최적의 각 목표 온도를 미리 정할 필요가 있다.
열, 수소 생성 장치(1)의 운전이 개시되면 글로 플러그(19)가 온으로 되고, 이어서, 공기가 고온 공기 유통로(13)를 통하여 버너 연소실(3) 내에 공급된다. 이 경우, 도 7에 있어서, 파선으로 나타나는 바와 같이 공기가 고온 공기 유통로(13)를 통하여 버너 연소실(3) 내에 공급된 후, 글로 플러그(19)를 온으로 할 수도 있다. 이어서, 버너(7)로부터 연료가 분사된다. 버너(7)로부터 분사된 연료가 글로 플러그(19)에 의하여 착화되면, 연료량이 증량됨과 함께, 반응되는 공기와 연료의 02/C 몰비가 4.0에서 3.0으로 감소되고, 버너 연소실(3) 내에 있어서 버너 연소가 개시된다. 연료의 공급이 개시되고 나서 연료가 착화될 때까지의 기간에는 HC의 발생량을 최대한 억제하기 때문에, 공연비가 희박 공연비로 되어 있다.
이어서, 희박 공연비에 기초하여 버너 연소가 속행되고, 그것에 의하여 개질용 촉매(4)의 온도가 서서히 상승된다. 한편, 버너 연소가 개시되면, 개질용 촉매(4)를 통하여 가스 유출실(5) 내에 유출되는 가스의 온도가 점차 상승한다. 따라서 이 가스에 의하여 열 교환부(13a)에 있어서 가열되는 공기의 온도도 점차 상승하고, 그 결과, 고온 공기 유통로(13)로부터 버너 연소실(3) 내에 공급되는 공기의 온도가 점차 상승한다. 그것에 의하여, 개질용 촉매(4)의 난기가 촉진되게 된다. 이와 같이 희박 공연비에 기초하여 행해지는 개질용 촉매(4)의 난기를, 본 발명의 실시예에서는 도 7에 나타난 바와 같이 1차 난기라 칭하고 있다. 또한 도 7에 나타나는 예에서는, 이 1차 난기 동안에 공급 공기량과 연료량이 증량되고 있다.
이 1차 난기는, 개질용 촉매(4)에 있어서 연료의 개질이 가능해질 때까지 속행된다. 본 발명의 실시예에서는, 개질용 촉매(4)의 하류측 단부면의 온도가 700℃로 되면 개질용 촉매(4)에 있어서 연료의 개질이 가능해졌다고 판단되고, 따라서 도 7에 나타난 바와 같이 본 발명의 실시예에서는, 1차 난기는 개질용 촉매(4)의 하류측 단부면의 온도 TC가 700℃가 될 때까지 속행된다. 또한 본 발명의 실시예에서는, 수소 생성 장치(1)의 운전이 개시되고 나서 개질용 촉매(4)의 1차 난기가 완료될 때까지, 도 7에 나타난 바와 같이 반응되는 공기와 연료의 02/C 몰비가 3.0에서 4.0으로 된다. 물론 이때는, 개질용 촉매(4)의 온도는 허용 촉매 온도 TX보다도 상당히 낮으므로, 반응되는 공기와 연료의 02/C 몰비를, 예를 들어 2.0 내지 3.0과 같은 이론 공연비에 가까운 02/C 몰비로 할 수도 있다.
이어서, 개질용 촉매(4)의 하류측 단부면의 온도 TC가 700℃로 되면 개질용 촉매(4)에 있어서 연료의 개질이 가능해졌다고 판단되어, 수소를 생성하기 위한 부분 산화 개질 반응이 개시된다. 본 발명의 실시예에서는, 이때, 도 7에 나타난 바와 같이 먼저 처음에 2차 난기가 행해지고, 2차 난기가 완료되면 통상 운전이 행해진다. 이 2차 난기는, 수소를 생성하면서 개질용 촉매(4)의 온도를 더욱 상승시키기 위하여 행해진다. 이 2차 난기는, 개질용 촉매(4)의 하류측 단부면의 온도 TC가 반응 평형 온도 TB에 도달할 때까지 속행되며, 개질용 촉매(4)의 하류측 단부면의 온도 TC가 반응 평형 온도 TB에 도달하면 통상 운전으로 이행한다. 도 8a에는, 이 2차 난기가 행해지는 열, 수소 생성 장치(1)의 운전 영역 GG가, 실선 GL, GU, GS로 둘러싸인 해칭 영역으로 나타나 있다. 또한 도 8a에 있어서, 종축은 반응되는 공기와 연료의 02/C 몰비를 나타내고 있고, 횡축은 개질용 촉매(4)의 하류측 단부면의 온도 TC를 나타내고 있다.
도 4를 참조하면서 설명한 바와 같이, 반응되는 공기와 연료의 02/C 몰비가 0.5보다도 작아지면 코킹을 발생시킨다. 도 8a에 있어서의 실선 GL은 코킹의 생성에 대한 02/C 몰비의 경계를 나타내고 있으며, 이 경계 GL보다도 02/C 몰비가 작은 영역에서는 코킹을 발생시킨다. 또한 개질용 촉매(4)의 온도가 낮아지면, 02/C 몰비가 커지더라도, 즉, 공연비의 농후도가 저하되더라도 탄소 C가 산화되지 않고 개질용 촉매의 기체 세공 내에 침착되게 되어 코킹을 발생시킨다. 따라서 도 8a에 나타난 바와 같이, 코킹을 발생시키는 02/C 몰비의 경계 GL은 개질용 촉매(4)의 온도가 낮아질수록 높아진다. 따라서 코킹의 생성을 회피하기 위하여 부분 산화 개질 반응은, 즉, 열, 수소 생성 장치(1)의 2차 난기 및 통상 운전은 이 02/C 몰비의 경계 GL 상, 또는 경계 GL의 상측에서 행해진다.
한편, 도 8a에 있어서, 실선 GU는, 열, 수소 생성 장치(1)의 2차 난기 시에 있어서 개질용 촉매(4)의 온도가 허용 촉매 온도 TX를 초과하지 않도록 하기 위한 02/C 몰비의 상한 가드값을 나타내고 있고, 실선 GS는, 열, 수소 생성 장치(1)의 2차 난기 시에 있어서 개질용 촉매(4)의 온도가 허용 촉매 온도 TX를 초과하지 않도록 하기 위한 개질용 촉매(4)의 하류측 단부면의 온도 TC의 상한 가드값을 나타내고 있다. 2차 난기가 개시된 후 02/C 몰비가 0.5로 되고, 개질용 촉매(4)의 하류측 단부면의 온도 TC가, 02/C 몰비=0.5일 때의 반응 평형 온도 TB에 도달하면, 통상 운전으로 이행하고, 개질용 촉매(4)의 하류측 단부면의 온도 TC를 반응 평형 온도 TB로 유지한 상태에서 수소가 계속해서 생성된다.
도 8b는, 통상 운전으로 이행할 때까지의 2차 난기 제어의 일례를 나타내고 있다. 도 8b에 나타나는 예에서는, 화살표로 나타낸 바와 같이 개질용 촉매(4)의 하류측 단부면의 온도가 700℃로 되면, 개질용 촉매(4)의 2차 난기를 촉진하기 위하여 02/C 몰비=0.56으로써 부분 산화 개질 반응이 개시되고, 이어서, 개질용 촉매(4)의 하류측 단부면의 온도 TC가 830℃가 될 때까지 02/C 몰비=0.56으로써 부분 산화 개질 반응이 속행된다. 이어서, 개질용 촉매(4)의 하류측 단부면의 온도가 830℃로 되면, 02/C 몰비는 02/C 몰비=0.5로 될 때까지 감소된다. 이어서, 02/C 몰비=0.5로 되면 개질용 촉매(4)에 있어서의 개질 반응이 평형 상태로 된다. 이어서, 02/C 몰비는 0.5로 유지되고, 통상 운전으로 이행한다.
그런데 이와 같이 개질용 촉매(4)에 있어서의 개질 반응이 평형 상태로 된 때, 연료와 반응되는 공기의 온도 TA가 높으면, 도 6을 참조하면서 설명한 바와 같이 반응 평형 온도 TB가 높아진다. 그 결과, 개질용 촉매(4)의 온도가 허용 촉매 온도 TX보다도 높아지기 때문에 개질용 촉매(4)가 열 열화를 발생시키게 된다. 그래서 본 발명의 실시예에서는, 02/C 몰비가 0.5로 유지되고 개질용 촉매(4)에 있어서의 개질 반응이 평형 상태로 된 때는, 고온 공기 유통로(13)로부터 버너 연소실(3) 내로의 고온의 공기 공급이 정지되고 저온 공기 유통로(14)로부터 버너 연소실(3) 내에 저온의 공기가 공급된다. 이때, 개질용 촉매(4)의 하류측 단부면의 온도 TC는 830℃로 유지되고, 따라서 개질용 촉매(4)의 온도는 허용 촉매 온도 TX 이하로 유지된다. 따라서 개질용 촉매(4)의 열 열화를 회피하면서 부분 산화 개질 반응에 의하여 수소를 생성할 수 있다.
또한 도 8a 및 8b에 나타나는 운전 영역 GG 내에 있어서 2차 난기가 행해지고 있을 때는, 개질용 촉매(4)에 있어서의 개질 반응이 평형 상태로는 되어 있지 않기 때문에, 공기 온도 TA가 높더라도 도 6에 나타난 바와 같이 개질용 촉매(4)의 온도가 상승하는 것은 아니다. 그러나 이 2차 난기는 개질용 촉매(4)의 온도가 높은 상태에서 행해지고 있으므로, 어떠한 원인으로 인하여 개질용 촉매(4)의 온도가 허용 촉매 온도 TX보다도 높아져 버릴 위험성이 있다. 그래서, 본 발명의 실시예에서는 개질용 촉매(4)의 온도가 허용 촉매 온도 TX보다도 높아지는 일이 없도록, 2차 난기가 개시됨과 동시에 고온 공기 유통로(13)로부터 버너 연소실(3) 내로의 고온의 공기 공급을 정지시키고, 저온 공기 유통로(14)로부터 버너 연소실(3) 내에 저온의 공기가 공급된다. 즉, 도 7에 나타난 바와 같이 공급 공기 온도가 저하된다. 그 후, 통상 운전이 완료될 때까지 저온 공기 유통로(14)로부터 버너 연소실(3) 내에 저온의 공기가 계속해서 공급된다.
상술한 바와 같이, 연료와 반응되는 공기의 온도 TA가 25℃일 때는, 02/C 몰비=0.5일 때의 평형 반응 온도 TB는 830℃로 된다. 따라서 일반적으로 말하면, 연료와 반응되는 공기의 온도가 TA℃일 때는, 02/C 몰비=0.5일 때의 평형 반응 온도 TB는 (TA+805℃)로 된다. 따라서 본 발명의 실시예에서는, 연료와 반응되는 공기의 온도가 TA인 경우, 2차 난기가 개시된 때는, 개질용 촉매(4)의 하류측 단부면의 온도 TC가 (TA+805℃)로 될 때까지 02/C 몰비=0.56으로써 부분 산화 개질 반응이 속행되고, 이어서, 개질용 촉매(4)의 하류측 단부면의 온도 TC가 (TA+805℃)로 되면 02/C 몰비는 02/C 몰비=0.5로 될 때까지 감소된다. 이어서, 02/C 몰비=0.5로 되면 02/C 몰비는 0.5로 유지된다.
또한 상술한 연료와 반응되는 공기의 온도 TA란, 도 3에 나타나는 평형 반응 온도 TB를 산출할 때 이용되는 공기의 온도이며, 버너 연소실(3) 내에 있어서의 버너 연소의 반응열의 영향을 받고 있지 않은 공기의 온도이다. 예를 들어 공기 공급구(11)로부터 공급되는 공기, 또는 공기실(10) 내의 공기는, 버너 연소의 반응열의 영향을 받아 버너 연소의 반응열 에너지를 흡수하여 온도 상승을 하고 있다. 따라서 이들 공기의 온도는 이미 반응의 과정에 있는 공기의 온도를 나타내고 있으며, 따라서 평형 반응 온도 TB를 산출할 때의 공기 온도는 아니다.
그런데 평형 반응 온도 TB를 산출할 필요가 있는 것은 부분 산화 개질 반응이 행해지고 있을 때, 즉, 저온 공기 유통로(14)로부터 저온의 공기가 버너 연소실(3) 내에 공급되고 있을 때이다. 그래서, 본 발명의 실시예에서는, 버너 연소실(3) 내에 있어서의 버너 연소의 반응열의 영향을 받고 있지 않은 공기의 온도를 검출하기 위하여, 도 1에 도시된 바와 같이 온도 센서(24)를, 단열재(6)의 외부에 위치하는 저온 공기 유통로(14)에 배치하고, 이 온도 센서(24)에 의하여 검출된 온도를, 평형 반응 온도 TB를 산출할 때의 공기 온도 TA로서 이용하고 있다.
한편, 정지 명령이 발해지면, 도 7에 나타난 바와 같이 연료의 공급이 정지된다. 이때, 공기의 공급을 정지시키면, 열, 수소 생성 장치(1) 내에 잔존하고 있는 연료에 의하여 개질용 촉매(4)가 코킹을 발생시킬 위험성이 있다. 그래서 본 발명의 실시예에서는, 열, 수소 생성 장치(1) 내에 잔존하고 있는 연료를 연소 제거하기 위하여, 도 7에 나타난 바와 같이, 정지 명령이 발해지고 나서 당분간 공기가 계속해서 공급된다.
이와 같이 본 발명의 실시예에서는, 개질용 촉매(4)의 온도가 허용 촉매 온도 TX보다도 높아지는 일이 없도록, 2차 난기의 개시와 동시에 고온 공기 유통로(13)로부터 버너 연소실(3) 내로의 고온의 공기 공급이 정지되고, 저온 공기 유통로(14)로부터 버너 연소실(3) 내에 저온의 공기가 공급된다. 달리 말하면, 이때, 버너 연소실(3) 내에 공기를 보내는 공기 유통 경로가, 고온의 공기를 보내는 고온 공기 유통 경로에서, 저온의 공기를 보내는 저온 공기 유통 경로로 전환된다. 본 발명의 실시예에서는, 이와 같이 버너 연소실(3) 내에 공기를 보내는 공기 유통 경로를 고온 공기 유통 경로와 저온 공기 유통 경로 사이에서 전환할 수 있도록, 고온 공기 밸브(16)와 저온 공기 밸브(17)로 이루어지는 전환 장치가 설치되어 있다. 이 경우, 본 발명의 실시예에서는, 에어 클리너(18)로부터 고온 공기 유통로(13)를 통하여 공기 공급구(11)에 이르는 공기 유통 경로가 고온 공기 유통 경로에 해당하고 있고, 에어 클리너(18)로부터 저온 공기 유통로(14)를 통하여 공기 공급구(11)에 이르는 공기 유통 경로가 저온 공기 유통 경로에 해당하고 있다.
즉, 본 발명에서는, 하우징(2)과, 하우징(2) 내에 형성된 버너 연소실(3)과, 버너 연소실(3) 내에 있어서 버너 연소를 행하기 위한 연료 분사구(9)와 공기 공급구(11)를 갖는 버너(7)와, 연료 분사구(9)에 연료를 공급하기 위한 연료 공급 장치와, 공기 공급구(11)에 공기를 공급하기 위한 공기 공급 장치와, 하우징(2) 내에 배치되고 또한 버너 연소실(3) 내에서 생성된 버너 연소 가스가 보내지는 개질용 촉매(4)를 구비하고 있고, 공기 공급 장치가, 공기 공급구(11)에 공급되는 공기를 버너 연소 가스에 의하여 가열하기 위한 열 교환부(13a)를 구비하고 있고, 버너 연소를 행함으로써 열 및 수소를 생성하도록 한 열, 수소 생성 장치(1)에 있어서, 공기 공급 장치는, 공기 공급구(11)로 외기를 유도하기 위한 공기 유통 경로를, 열 교환부(13a) 내를 유통해서 열 교환부(13a)에 의하여 가열된 외기를 공기 공급구(11)로 유도하는 고온 공기 유통 경로와, 열 교환부(13a)를 유통하지 않고, 따라서 열 교환부(13a)에 있어서 가열된 외기보다도 온도가 낮은 외기를 공기 공급구(11)로 유도하는 저온 공기 유통 경로와의 사이에서 전환 가능한 전환 장치를 구비하고 있다.
이 경우, 본 발명의 실시예에서는, 하우징(2)의 일 단부에, 연료 분사구(9)와 공기 공급구(11)를 갖는 버너(7)가 배치되어 있고, 하우징(2)의 타 단부에 가스 유출구(25)을 구비하고 있고, 버너(7)와 가스 유출구(25) 사이의 하우징(2) 내에 개질용 촉매(4)가 배치되어 있다. 이와 같이 하우징(2)의 일 단부에, 연료 분사구(9)와 공기 공급구(11)를 갖는 버너(7)를 배치함으로써, 개질용 촉매(4) 전체에 균일하게 연소 가스열을 공급할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에서는, 개질용 촉매(4)와 가스 유출구(25) 사이의 하우징(2) 내에 열 교환부(13a)가 배치되어 있다. 이와 같이 개질용 촉매(4)와 가스 유출구(25) 사이의 하우징(2) 내에 열 교환부(13a)를 배치함으로써, 개질용 촉매(4)로부터 유출된 고온의 가스에 의하여, 열 교환부(13a) 내를 흐르는 공기를 효과적으로 가열할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에서는, 공기 펌프(15)를 구비하고 있으며, 공기 펌프(15)로부터 토출된 공기가 고온 공기 유통 경로와 저온 공기 유통 경로 중 어느 한쪽을 통하여 공기 공급구(11)에 공급된다. 즉, 하나의 공기 펌프(15)로써 고온의 공기 및 저온의 공기를 선택적으로 버너 연소실(3) 내에 공급할 수 있다. 또한 본 발명의 실시예에서는, 공기 펌프(15)가, 토출량을 제어 가능한 펌프로 구성되어 있다. 따라서 공기 펌프(15)의 토출량을 제어함으로써, 고온 공기 유통 경로로부터 공급되는 고온의 공기 유량 및 저온 공기 유통 경로로부터 공급되는 저온의 공기 유량을 제어할 수 있다.
다음으로, 도 9 내지 도 11에 도시되는 열, 수소 생성 제어 루틴에 대하여 설명한다. 이 열, 수소 생성 제어 루틴은, 도 1에 도시되는 각종 명령 발생부(39)에 있어서, 열, 수소 생성 제어 개시 명령이 발해지면 실행된다. 이 경우, 예를 들어 이 열, 수소 생성 제어 개시 명령은 열, 수소 생성 장치(1)의 시동 스위치가 온으로 된 때 발해진다. 또한 열, 수소 생성 장치(1)가 차량의 배기 정화용 촉매를 난기하기 위하여 사용되는 경우에는, 이 열, 수소 생성 제어 개시 명령은 점화 스위치가 온으로 된 때 발해진다.
열, 수소 생성 제어 루틴이 실행되면, 먼저 처음에 도 9의 스텝 100에 있어서, 온도 센서(22)의 출력 신호에 기초하여, 개질용 촉매(4)의 상류측 단부면의 온도 TD가, 개질용 촉매(4)의 상류측 단부면 상에 있어서 산화 반응을 행할 수 있는 온도, 예를 들어 300℃ 이상인지의 여부가 판별된다. 개질용 촉매(4)의 상류측 단부면의 온도 TD가 300℃ 이하인 경우에는 스텝 101로 나아가 글로 플러그(19)가 온으로 된다. 이어서, 스텝 102에서는 글로 플러그(19)가 온으로 되고 나서 일정 시간을 경과했는지의 여부가 판별되며, 일정 시간을 경과한 때는 스텝 103으로 나아간다.
스텝 103에서는 공기 펌프(15)가 작동되어, 고온 공기 유통로(13)를 통해 공기가 버너 연소실(3)에 공급된다. 또한 열, 수소 생성 장치(1)의 작동이 정지될 때 고온 공기 밸브(16)가 밸브 개방됨과 함께, 저온 공기 밸브(17)가 밸브 폐쇄되어 있고, 따라서 열, 수소 생성 장치(1)가 작동된 때는 고온 공기 유통로(13)를 통하여 공기가 버너 연소실(3)에 공급된다. 이어서, 스텝 104에서는, 글로 플러그(19)의 저항값으로부터 글로 플러그(19)의 온도 TG가 산출된다. 이어서, 스텝 105에서는, 글로 플러그(19)의 온도 TG가 700℃를 초과했는지의 여부가 판별된다. 글로 플러그(19)의 온도 TG가 700℃를 초과하고 있지 않다고 판별된 때는 스텝 103으로 되돌아간다. 이에 대하여, 글로 플러그(19)의 온도 TG가 700℃를 초과했다고 판별된 때는 착화 가능하다고 판단되어 스텝 106으로 나아간다.
스텝 106에서는, 버너(7)로부터 버너 연소실(3)에 연료가 분사되고, 이어서, 스텝 107에서는, 온도 센서(22)의 출력 신호에 기초하여 개질용 촉매(4)의 상류측 단부면의 온도 TD가 검출된다. 이어서, 스텝 108에서는, 온도 센서(22)의 출력 신호로부터 연료가 착화되었는지의 여부가 판별된다. 연료가 착화되면 개질용 촉매(4)의 상류측 단부면의 온도 TD가 순시에 상승하고, 따라서 온도 센서(22)의 출력 신호로부터 연료가 착화되었는지의 여부를 판별 가능하게 된다. 스텝 108에 있어서, 연료가 착화되어 있지 않다고 판별된 때는 스텝 106로 되돌아가고, 스텝 108에 있어서, 연료가 착화되었다고 판별된 때는 스텝 109로 나아가 글로 플러그(19)가 오프로 된다. 이어서, 도 10의 스텝 110으로 나아간다. 또한 연료가 착화되면 개질용 촉매(4)의 상류측 단부면의 온도 TD는, 즉시 개질용 촉매(4)의 상류측 단부면 상에 있어서 산화 반응을 행할 수 있는 온도, 예를 들어 300℃ 이상으로 된다. 한편, 스텝 100에 있어서, 개질용 촉매(4)의 상류측 단부면의 온도 TD가 300℃ 이상이라고 판별된 때도 스텝 110으로 나아간다.
스텝 110 및 스텝 111에서는 1차 난기가 행해진다. 즉, 02/C 몰비가 3.0으로 되도록 스텝 110에서는 공기 펌프(15)의 토출량이 제어되고, 스텝 111에서는 버너(7)로부터의 연료 분사량이 제어된다. 또한 본 발명의 실시예에서는, 이 1차 난기가 행해지고 있을 때는, 도 7에 나타난 바와 같이 공기 공급량 및 연료 분사량이 단계적으로 증대된다. 이어서, 스텝 112에서는, 온도 센서(23)의 출력 신호에 기초하여, 개질용 촉매(4)의 하류측 단부면의 온도 TC가 700℃를 초과했는지의 여부가 판별된다. 개질용 촉매(4)의 하류측 단부면의 온도 TC가 700℃를 초과하고 있지 않다고 판별된 때는 스텝 110로 되돌아가 1차 난기가 계속해서 행해진다. 이에 대하여, 개질용 촉매(4)의 하류측 단부면의 온도 TC가 700℃를 초과했다고 판별된 때는 스텝 113로 나아가 부분 산화 개질 반응이 개시된다. 즉, 2차 난기가 개시된다.
부분 산화 개질 반응이 개시되면, 즉, 2차 난기가 개시되면, 스텝 113에 있어서 저온 공기 밸브(17)가 밸브 개방되고 고온 공기 밸브(16)가 밸브 폐쇄된다. 따라서 이때는, 공기는 저온 공기 유통로(14)를 통하여 버너 연소실(3)에 공급된다. 이어서, 스텝 115에서는 출력 열량(㎾)의 요구값이 취득된다. 예를 들어 열, 수소 생성 장치(1)가 차량의 배기 정화용 촉매를 난기하기 위하여 사용되는 경우에는, 이 출력 열량의 요구값은 배기 정화용 촉매를 활성화 온도까지 상승시키기 위하여 필요한 열량으로 된다. 이어서, 스텝 116에서는, 이 출력 열량(㎾)의 요구 출력 열량을 발생시키는 데 필요한 연료 분사량이 산출된다.
이어서, 스텝 117에서는, 스텝 116에 있어서 산출된 분사량으로써 연료가 분사되고, 02/C 몰비가 0.56으로 되도록 공기 펌프(15)의 토출량이 제어된다. 이때, 부분 산화 개질 반응이 행해져 수소가 생성된다. 이어서, 스텝 118에서는, 개질용 촉매(4)의 하류측 단부면의 온도 TC가, 온도 센서(24)에 의하여 검출된 공기 온도 TA와 805℃의 합(TA+805℃)에 도달했는지의 여부가 판별된다. 상술한 바와 같이 이 온도(TA+805℃)는 공기 온도가 TA℃일 때, 02/C 몰비=0.5로써 부분 산화 개질 반응이 행해진 때의 반응 평형 온도 TB를 나타내고 있다. 따라서 스텝 118에서는, 개질용 촉매(4)의 하류측 단부면의 온도 TC가 반응 평형 온도(TA+805℃)에 도달했는지의 여부를 판별하고 있게 된다.
개질용 촉매(4)의 하류측 단부면의 온도 TC가 반응 평형 온도(TA+805℃)에 도달해 있지 않다고 판별된 때는 스텝 117로 되돌아가, 02/C 몰비가 0.56으로 되도록 공기 펌프(15)의 토출량이 계속해서 제어된다. 이에 대하여, 스텝 118에 있어서, 개질용 촉매(4)의 하류측 단부면의 온도 TC가 반응 평형 온도(TA+805℃)에 도달했다고 판별된 때는 스텝 119로 나아가, 공기 펌프(15)의 토출량을 일정하게 유지한 상태에서 연료 분사량이 서서히 증대된다. 그 결과, 02/C 몰비가 서서히 감소한다. 이어서, 스텝 120에서는, 02/C 몰비가 0.5로 된 것인지의 여부가 판별된다. 02/C 몰비가 0.5로 되어 있지 않다고 판별된 때는 스텝 119로 되돌아간다. 이에 대하여, 스텝 120에 있어서, 02/C 몰비가 0.5로 되었다고 판별된 때는 2차 난기는 완료되었다고 판단된다. 2차 난기가 완료되었다고 판단된 때는 도 11의 스텝 121로 나아가 통상 운전이 행해진다.
본 발명의 실시예에서는, 통상 운전 시의 운전 모드로서 열, 수소 생성 운전 모드와 열 생성 운전 모드의 2가지 운전 모드를 선택 가능하다. 열, 수소 생성 운전 모드는 02/C 몰비=0.5로써 부분 산화 개질 반응을 행하는 운전 모드이며, 이 열, 수소 생성 운전 모드에서는 열 및 수소가 생성된다. 한편, 열 생성 운전 모드는, 예를 들어 02/C 몰비=2.6으로써 완전 산화 반응을 행하는 운전 모드이며, 이 열 생성 운전 모드에서는 수소는 생성되지 않고 열만이 생성된다. 이들 열, 수소 생성 운전 모드와 열 생성 운전 모드는 필요에 따라 선택적으로 이용된다.
그런데 다시 도 11로 되돌아가면, 스텝 121에 있어서, 열, 수소 생성 운전 모드인지의 여부가 판별된다. 스텝 121에 있어서, 열, 수소 생성 운전 모드라고 판별된 때는 스텝 122로 나아가, 02/C 몰비=0.5로써 부분 산화 개질 반응이 행해진다. 이때는 열 및 수소가 생성된다. 이어서, 스텝 124로 나아간다. 한편, 스텝 121에 있어서, 열, 수소 생성 운전 모드가 아니라고 판별된 때, 즉, 열 생성 운전 모드라고 판별된 때는 스텝 123로 나아가, 02/C 몰비=2.6으로써 완전 산화 반응이 행해진다. 이때는 열만이 생성된다. 이어서, 스텝 124로 나아간다.
스텝 124에서는, 열, 수소 생성 장치(1)의 운전을 정지시켜야 하는 명령이 발해져 있는 것인지의 여부가 판별된다. 이 열, 수소 생성 장치(1)의 운전을 정지시켜야 하는 명령은, 도 1에 도시되는 각종 명령 발생부(39)에 있어서 발해진다. 열, 수소 생성 장치(1)의 운전을 정지시켜야 하는 명령이 발해져 있지 않을 때는 스텝 121로 되돌아간다. 이에 대하여, 스텝 124에 있어서, 열, 수소 생성 장치(1)의 운전을 정지시켜야 하는 명령이 발해져 있다고 판별된 때는 스텝 125로 나아가 버너(7)로부터의 연료 분사가 정지된다. 이어서, 스텝 126에서는, 잔존하는 연료를 공기로 치환하기 위하여 공기 펌프(15)로부터 소량의 공기가 공급된다. 이어서, 스텝 127에서는, 일정 시간 경과했는지의 여부가 판별된다. 일정 시간 경과해 있지 않다고 판별된 때는 스텝 126로 되돌아간다.
이에 대하여, 스텝 127에 있어서, 일정 시간 경과했다고 판별된 때는 스텝 128로 나아가, 공기 펌프(15)의 작동이 정지되어 버너 연소실(3) 내로의 공기의 공급이 정지된다. 이어서, 스텝 129에서는, 저온 공기 밸브(17)가 밸브 폐쇄되고 고온 공기 밸브(16)가 밸브 개방된다. 이어서, 열, 수소 생성 장치(1)의 작동이 정지되어 있는 동안, 저온 공기 밸브(17)가 계속해서 밸브 폐쇄되고 고온 공기 밸브(16)가 계속해서 밸브 개방된다.
1: 열, 수소 생성 장치
3: 버너 연소실
4: 개질용 촉매
5: 가스 유출실
7: 버너
9: 연료 분사구
11: 공기 공급구
13: 고온 공기 유통로
13a: 열 교환부
14: 저온 공기 유통로
15: 공기 펌프
16: 고온 공기 밸브
17: 저온 공기 밸브
19: 글로 플러그
22, 23, 24: 온도 센서

Claims (4)

  1. 하우징과, 해당 하우징 내에 형성된 버너 연소실과, 버너 연소실 내에 있어서 버너 연소를 행하기 위한 연료 분사구와 공기 공급구를 갖는 버너와, 해당 연료 분사구에 연료를 공급하기 위한 연료 공급 장치와, 해당 공기 공급구에 공기를 공급하기 위한 공기 공급 장치와, 해당 하우징 내에 배치되고 또한 해당 버너 연소실 내에서 생성된 버너 연소 가스가 보내지는 개질용 촉매를 구비하고 있고, 해당 공기 공급 장치가, 해당 공기 공급구에 공급되는 공기를 버너 연소 가스에 의하여 가열하기 위한 열 교환부를 구비하고 있고, 해당 버너 연소를 행함으로써 열 및 수소를 생성하도록 한 열, 수소 생성 장치에 있어서, 해당 공기 공급 장치는, 해당 공기 공급구로 외기를 유도하기 위한 공기 유통 경로를, 해당 열 교환부를 유통해서 해당 열 교환부에 의하여 가열된 외기를 해당 공기 공급구로 유도하는 고온 공기 유통 경로와, 해당 열 교환부를 유통하지 않음으로써 해당 열 교환부에 있어서 가열된 외기보다도 온도가 낮은 외기를 해당 공기 공급구로 유도하는 저온 공기 유통 경로와의 사이에서 전환 가능한 전환 장치를 구비하고 있는, 열, 수소 생성 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    해당 하우징의 일 단부에, 해당 연료 분사구와 해당 공기 공급구를 갖는 해당 버너가 배치되어 있고, 해당 하우징의 타 단부에 가스 유출구를 구비하고 있고, 해당 버너와 해당 가스 유출구 사이의 해당 하우징 내에 해당 개질용 촉매가 배치되어 있는, 열, 수소 생성 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    해당 개질용 촉매와 해당 가스 유출구 사이의 해당 하우징 내에 해당 열 교환부가 배치되어 있고, 해당 공기 공급구에 공급되는 공기가 해당 개질용 촉매로부터 유출된 가스에 의하여 가열되는, 열, 수소 생성 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    해당 공기 펌프가, 토출량을 제어 가능한 펌프로 이루어지는, 열, 수소 생성 장치.
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