KR20200137106A - 연료전지용 개질기의 운전 제어 시스템 - Google Patents

연료전지용 개질기의 운전 제어 시스템 Download PDF

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KR20200137106A
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박정주
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Abstract

본 발명은 흡열 촉매인 고온 개질부의 온도와 발열 촉매인 CO 변성부의 온도가 촉매활성 기준온도를 벗어나면, 열교환을 위한 물의 공급량을 증가시켜서 CO 변성부 및 고온 개질부까지 순차적으로 흐르도록 하여 고온 개질부의 온도와 CO 변성부의 온도를 촉매활성 기준온도로 맞추어줄 수 있도록 함으로써, 개질기의 고농도 수소 생성 및 CO 제거 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있고, 개질기 촉매의 수명을 연장할 수 있도록 한 연료전지용 개질기의 운전 제어 시스템을 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지용 개질기의 운전 제어 시스템{SYSTEM FOR CONTROLLING OPERATING OF REFORMER}
본 발명은 연료전지용 개질기의 운전 제어 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 개질기의 촉매 내구성을 향상시킴과 함께 개질기의 수명을 증대시킬 수 있도록 한 연료전지용 개질기의 운전 제어 시스템에 관한 것이다.
수소 연료전지 차량 등에 공급하기 위한 수소의 생성 방법으로서, 천연가스 등의 탄화수소계 연료의 개질(reforming)을 통해 수소를 생성하는 방법이 사용되고 있다.
이를 위해, 탄화수소계 원료가스의 개질을 통해 수소를 생성하기 위한 수소 제조 시스템은 원료가스에 함유된 황을 흡착하는 탈황기와, 상기 탈황기를 통해 탈황된 가스를 통해 수소가 함유된 합성가스를 생성하는 개질기(Reformer) 등을 포함한다.
상기 개질기는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 흡열 촉매인 고온 개질부와, 고온 개질부에 의하여 불가피하게 생성되는 CO를 변성시키는 발열 촉매인 CO 변성부와, CO 변성 이후 잔류하는 CO를 제거하는 CO 제거부와, 고온 개질부에 제공된 열에너지의 배출을 위한 폐열 배출부 등을 포함하여 구성된다.
상기 개질기가 정상적으로 구동하기 위해서 개질기를 구성하는 각 단위 촉매반응기(고온 개질부, CO 변성부 등)의 온도가 촉매활성 기준온도에 맞추어져야 한다.
다시 말해서, 상기 개질기를 구성하는 각 단위 촉매반응기(고온 개질부, CO 변성부 등)의 온도가 촉매활성 기준온도로 맞추어져야 고농도 수소 생성 및 CO 제거 등이 용이하게 이루어질 수 있다.
그러나, 도 1의 그래프에서 보듯이 흡열 촉매인 고온 개질부의 온도가 제1촉매활성 기준온도(예, 700℃)를 초과하거나, 발열 촉매인 CO 변성부의 온도가 제2촉매활성 기준온도(예, 200℃)를 벗어나면, 고온 개질부의 성능 및 CO 변성부의 성능 및 수명이 저하되고, 그에 따라 개질기의 고농도 수소 생성 효율이 저하되는 동시에 불필요한 CO 제거 효율이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 흡열 촉매인 고온 개질부의 온도와 발열 촉매인 CO 변성부의 온도가 촉매활성 기준온도를 벗어나면, 열교환을 위한 물의 공급량을 증가시켜서 CO 변성부 및 고온 개질부까지 순차적으로 흐르도록 하여 고온 개질부의 온도와 CO 변성부의 온도를 촉매활성 기준온도로 맞추어줄 수 있도록 함으로써, 개질기의 고농도 수소 생성 및 CO 제거 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있고, 개질기 촉매의 수명을 연장할 수 있도록 한 연료전지용 개질기의 운전 제어 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은: 흡열 촉매인 고온 개질부에 장착되어 고온 개질부의 온도를 감지하는 제1온도감지센서; 발열 촉매인 CO 변성부에 장착되어 CO 변성부의 온도를 감지하는 제2온도감지센서; 폐열 배출부의 외측에 형성된 제1열교환 통로; 상기 CO 변성부의 외측에 형성되어 상기 제1열교환 통로와 제1연결라인을 매개로 연통 가능하에 연결되는 제2열교환 통로; 상기 고온 개질부의 외측에 형성되어 상기 제2열교환 통로와 제2연결라인을 매개로 연통 가능하게 연결되는 제3열교환 통로; 상기 제1열교환 통로의 입구에 장착되어 물 공급원으로부터 공급되는 물의 공급량을 조절하는 유량조절밸브; 및 상기 제1온도감지센서 및 제2온도감지센서의 신호에 따라 유량조절밸브의 개폐량을 가변 제어하는 제어기; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기의 운전 제어 시스템을 제공한다.
특히, 상기 고온 개질부의 온도가 제1촉매활성 기준온도를 초과하거나, 상기 CO 변성부의 온도가 제2촉매활성 기준온도를 벗어나면, 상기 폐열 배출부의 제1열교환통로를 통해 공급되는 열교환용 물의 공급량을 증가시켜서 상기 CO 변성부의 제2열교환통로 또는 고온 개질부의 제3열교환통로까지 흐르도록 함으로써, 상기 고온 개질부의 온도와 CO 변성부의 온도가 물과의 열교환을 통해 촉매활성 기준온도로 맞추어지도록 한 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1연결라인에는 제어기의 제어 신호에 따라 CO 변성부로 물이 흐르는 것을 허용하거나 차단하는 제1솔레노이드 밸브가 장착된 것을 특징으로 한다.
이에, 상기 제어기는 제2온도감지센서의 감지 신호를 기반으로 CO 변성부의 온도가 제2촉매활성 기준온도로 판정되면, 유량조절밸브의 개도를 가장 낮은 제1개도로 유지시키는 동시에 물이 폐열 배출부의 제1열교환통로까지 공급되도록 제1솔레노이드 밸브를 닫힘 제어하는 것을 특징으로 한다.
반면, 상기 제어기는 제2온도감지센서의 감지 신호를 기반으로 CO 변성부의 온도가 제2촉매활성 기준온도보다 낮은 것으로 판정되면, 물이 폐열 배출부의 제1열교환통로를 거쳐 CO 변성부의 제2열교환통로까지 공급되도록 유량조절밸브의 개도를 제1개도보다 큰 제2개도로 조절하는 동시에 제1솔레노이드 밸브를 열림 제어하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제2연결라인에는 제어기의 제어 신호에 따라 고온 개질부로 물이 흐르는 것을 허용하거나 차단하는 제2솔레노이드 밸브가 장착된 것을 특징으로 한다.
이에, 상기 제어기는 제1온도감지센서의 감지 신호를 기반으로 고온 개질부의 온도가 제1촉매활성 기준온도로 판정되면, 유량조절밸브의 개도를 제2개도로 유지시키는 동시에 제2솔레노이드 밸브를 닫힘 제어하는 것을 특징으로 한다.
반면, 상기 제어기는 제1온도감지센서의 감지 신호를 기반으로 고온 개질부의 온도가 제1촉매활성 기준온도보다 높은 것으로 판정되면, 물이 폐열 배출부의 제1열교환통로 및 CO 변성부의 제2열교환통로를 거쳐 고온 개질부의 제3열교환통로까지 공급되도록 유량조절밸브의 개도를 제2개도보다 큰 제3개도로 조절하는 동시에 제2솔레노이드 밸브를 열림 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 발열 촉매인 CO 변성부의 온도가 제2촉매활성 기준온도보다 낮으면, 폐열 배출부와 열교환되어 온도 상승되는 물의 양을 증대시켜 CO 변성부의 열교환경로까지 흐르도록 함으로써, CO 변성부의 온도가 더 낮아지는 것을 방지하는 동시에 CO 변성부의 온도를 상승시켜 제2촉매활성 기준온도로 유지시킬 수 있다.
둘째, 흡열 촉매인 고온 개질부의 온도가 제1촉매활성 기준온도보다 높으면, 물의 공급량을 더 증대시켜서 물이 폐열 배출부와 CO 변성부의 열교환통로를 통과하여 고온 개질부의 열교환통로까지 흐르도록 함으로써, 고온 개질부의 온도가 더 높아지는 것을 방지하는 동시에 고온 개질부의 온도를 하강시켜 제1촉매활성 기준온도로 유지시킬 수 있다.
셋째, CO 변성부의 온도를 제2촉매활성 기준온도로 유지시키고, 고온 개질부의 온도를 제1촉매활성 기준온도로 유지시킬 수 있도록 함으로써, 개질기의 고농도 수소 생성 및 CO 제거 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있고, 발열 촉매인 CO 변성부와 흡열 촉매인 고온 개질부의 내구 수명을 연장시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 개질기의 운전 제어 시스템에서 발열 촉매인 CO 변성부의 온도와, 흡열 촉매인 고온 개질부의 온도가 촉매활성 기준온도를 벗어하는 시점에서 열교환을 위한 물의 양을 증대시키는 개념을 도시한 그래프,
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 연료전지용 개질기의 운전 제어 시스템구성 및 그 동작을 도시한 도면.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 연료전지용 개질기의 운전 시스템 구성 및 그 동작을 나타낸다.
연료전지용 개질기(100)는 수소 생성을 위한 연료의 흐름 순서(도 2a 내지 도 2c에 점선 화살표 방향)에 따라 고온 개질부(110)와, CO 변성부(120)와, 폐열 배출부(130)가 순차적으로 배열된 구조를 구비된다.
상기 고온 개질부(110)는 흡열 촉매로서 버너의 가열에 의하여 대략 700℃ 정도의 제1촉매활성 기준온도로 유지되면서 탄화수소계 연료와 스팀(기화된 상태 물) 간의 촉매 반응을 통해 수소를 생성한다.
상기 CO 변성부(120)는 발열 촉매로서 상기 제1촉매활성 기준온도보다 낮은 200℃ ~ 250℃ 정도의 제2촉매활성 기준온도에서 상기 고온 개질부(110)의 촉매 반응에 의하여 불가피하게 발생하는 CO(일산화탄소)을 변성시키는 촉매 반응을 한다.
이후, 상기 CO 변성부(120)에서 변성된 CO가 CO 제거부(미도시됨)에서 제거됨으로써, 고농도의 수소만을 추출할 수 있게 된다.
상기 폐열 배출부(130)는 버너의 운전에 의해 생성되는 버너 폐가스가 배출되는 부분이 되며, 버너 폐가스에 의하여 약 150℃ 정도로 유지된다.
한편, 도 1의 그래프를 참조로 전술한 바와 같이 흡열 촉매인 고온 개질부의 온도가 제1촉매활성 기준온도(예, 700℃)를 초과하거나, 발열 촉매인 CO 변성부의 온도가 제2촉매활성 기준온도(예, 200℃)를 벗어나면, 고온 개질부의 성능 및 CO 변성부의 성능이 저하되고, 그에 따라 개질기의 고농도 수소 생성 효율이 저하되는 동시에 불필요한 CO 제거 효율이 저하되는 문제점이 있다.
이에, 본 발명은 고온 개질부(110)의 온도가 제1촉매활성 기준온도를 초과하거나, CO 변성부(120)의 온도가 제2촉매활성 기준온도를 벗어나면, 폐열 배출부(130)의 제1열교환통로(131)를 통해 공급되는 열교환용 물의 공급량을 증가시켜서 CO 변성부(120)의 제2열교환통로(121) 또는 고온 개질부(110)의 제3열교환통로(111)까지 흐르도록 함으로써, 고온 개질부(110)의 온도와 CO 변성부(120)의 온도가 물과의 열교환을 통해 촉매활성 기준온도로 맞추어지도록 한 점에 특징이 있다.
이를 위해, 흡열 촉매인 상기 고온 개질부(110)에는 고온 개질부(110)의 온도를 감지하는 제1온도감지센서(112)가 장착되고, 발열 촉매인 상기 CO 변성부(120)에는 CO 변성부(120)의 온도를 감지하는 제2온도감지센서(122)가 장착된다.
이때, 상기 제1온도감지센서(112) 및 제2온도감지센서(122)의 감지 신호는 제어기(200)로 실시간 전송된다.
한편, 상기 폐열 배출부(130)의 외측에는 제1열교환 통로(131)가 형성되고, 상기 CO 변성부(120)의 외측에는 제1열교환 통로(131)와 제1연결라인(141)을 매개로 연통 가능하에 연결되는 제2열교환 통로(121)가 형성되며, 상기 고온 개질부(110)의 외측에는 제2열교환 통로(121)와 제2연결라인(142)을 매개로 연통 가능하게 연결되는 제3열교환 통로(111)가 형성된다.
또한, 상기 폐열 배출부(130)의 제1열교환 통로(131)의 입구에는 물 공급원(저수조 및 저수조 내의 물을 펌핑하는 펌프)으로부터 공급되는 물의 공급량을 조절하는 유량조절밸브(132)가 장착된다.
또한, 상기 제1연결라인(141)에는 제어기(200)의 제어 신호에 따라 CO 변성부(120)의 제2열교환 통로(121)로 물이 흐르는 것을 허용하거나 차단하는 제1솔레노이드 밸브(151)가 장착된다.
또한, 상기 제2연결라인(142)에는 제어기(200)의 제어 신호에 따라 고온 개질부(110)의 제3열교환 통로(111)로 물이 흐르는 것을 허용하거나 차단하는 제2솔레노이드 밸브(152)가 장착된다.
상기 제어기(200)는 제1온도감지센서(112) 및 제2온도감지센서(122)의 감지 신호에 따라, 물 공급량 조절을 위해 상기 유량조절밸브(132)의 개폐량을 가변 제어하고, 물이 상기 제2열교환통로(122)와 제3열교환통로(111)로 흐르거나 차단되도록 상기 제1 및 제2솔레노이드 밸브(151,152)를 온/오프 제어한다.
여기서, 상기한 구성을 기반으로 이루어지는 개질기의 운전 제어 과정을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 상기 제어기(200)에서 제2온도감지센서(122)의 감지 신호를 기반으로 CO 변성부(120)의 온도와 제2촉매활성 기준온도(예, 약 200 ℃)를 비교한다.
비교 결과, 상기 CO 변성부(120)의 온도가 제2촉매활성 기준온도로 유지되고 있는 것으로 판정되면, 상기 제어기(200)는 유량조절밸브(132)의 개도를 가장 낮은 제1개도로 유지시켜 CO 변성부와 고온 재질부의 촉매 활성 기준온도가 유지되는 경우 일정한 물의 양만 순환시키되 일정 범위 온도(예를 들어 150℃~200℃)로 유지되는 물을 순환시키는 동시에 제1솔레노이드 밸브(151)를 닫힘 제어함으로써, 도 2a에 도시된 바와 같이 물 공급원으로부터 유량조절밸브(132)를 통과한 물이 폐열 배출부(130)의 제1열교환통로(131)까지 공급되는 상태가 된다.
반면, 상기 CO 변성부(120)의 온도가 제2촉매활성 기준온도보다 낮은 것으로 판정되면, 상기 제어기(200)는 유량조절밸브(132)의 개도를 제1개도보다 큰 제2개도로 조절하여 유량을 증가시킴과 동시에 제1솔레노이드 밸브(151)를 열림 제어함으로써, 도 2b에 도시된 바와 같이 물의 공급량이 증대되는 동시에 물이 폐열 배출부(130)의 제1열교환통로(131)를 거쳐 CO 변성부(120)의 제2열교환통로(121)까지 공급되는 상태가 된다.
이때, 상기 CO 변성부(120)의 제2열교환통로(121)까지 공급되는 물은 폐열 배출부(130)와의 열교환을 통해 온도가 증가된 상태이므로, CO 변성부(120)의 온도가 더 낮아지는 것이 방지되는 동시에 물 공급 증대를 통해 제2촉매인 CO 변성부가 발열반응을 더 잘 일으키게 하는 조건을 조성하여 CO 변성부(120)의 온도를 상승시켜 제2촉매활성 기준온도로 유지시킬 수 있다.
또한, 상기 제어기(200)에서 제1온도감지센서(112)의 감지 신호를 기반으로 고온 개질부(110)의 온도와 제1촉매활성 기준온도(예, 약 700 ℃)를 비교한다.
비교 결과, 상기 고온 개질부(110)의 온도가 제1촉매활성 기준온도로 유지되고 있는 것으로 판정되면, 상기 제어기(200)는 유량조절밸브(132)의 개도를 제2개도로 유지시키고, 제1솔레노이드 밸브(151)를 열림 유지시키며, 제2솔레노이드 밸브(152)를 닫힘으로 제어함으로써, 도 2b에 도시된 바와 같이 물은 계속해서 폐열 배출부(130)의 제1열교환통로(131)를 거쳐 CO 변성부(120)의 제2열교환통로(121)까지 공급되는 상태가 된다.
반면, 상기 고온 개질부(110)의 온도가 제2촉매활성 기준온도보다 높은 것으로 판정되면, 상기 제어기(200)는 유량조절밸브(132)의 개도를 제2개도보다 큰 제3개도로 조절하여 유량을 증대시킴과 동시에 제1솔레노이드 밸브(151) 외에 제2솔레노이드 밸브(152)까지 열림 제어함으로써, 도 2c에 도시된 바와 같이 물의 공급량이 더욱 증대되는 동시에 물이 폐열 배출부(130)의 제1열교환통로(131)와 CO 변성부(120)의 제2열교환통로(121)를 경유하여 고온 개질부(110)의 제3열교환통로(111)까지 공급되는 상태가 된다.
이때, 상기 고온 개질부(110)의 제3열교환통로(111)까지 공급되는 물은 폐열 배출부(130) 및 CO 변성부(120)와의 열교환을 통해 온도가 증가되더라도 제1촉매활성 기준온도(예, 약 700 ℃) 이상으로 증가되지 않기 때문에 고온 개질부(110)의 온도를 낮추는 냉각 작용을 하게 되어, 고온 개질부(110)의 온도를 제1촉매활성 기준온도로 낮출 수 있게 된다.
이와 같이, 상기 CO 변성부(120)의 온도를 제2촉매활성 기준온도로 유지시키고, 고온 개질부(110)의 온도를 제1촉매활성 기준온도로 유지시킬 수 있도록 함으로써, 고온 개질부의 성능 및 CO 변성부의 성능 및 수명 저하를 최소화시킬 수 있고, 개질기의 고농도 수소 생성 및 CO 제거 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
100 : 개질기
110 : 고온 개질부
111 : 제3열교환통로
112 : 제1온도감지센서
120 : CO 변성부
121 : 제2열교환통로
122 : 제2온도감지센서
130 : 폐열 배출부
131 : 제1열교환통로
132 : 유량조절밸브
141 : 제1연결라인
142 : 제2연결라인
151 : 제1솔레노이드 밸브
152 : 제2솔레노이드 밸브
200 : 제어기

Claims (8)

  1. 흡열 촉매인 고온 개질부에 장착되어 고온 개질부의 온도를 감지하는 제1온도감지센서;
    발열 촉매인 CO 변성부에 장착되어 CO 변성부의 온도를 감지하는 제2온도감지센서;
    폐열 배출부의 외측에 형성된 제1열교환 통로;
    상기 CO 변성부의 외측에 형성되어 상기 제1열교환 통로와 제1연결라인을 매개로 연통 가능하에 연결되는 제2열교환 통로;
    상기 고온 개질부의 외측에 형성되어 상기 제2열교환 통로와 제2연결라인을 매개로 연통 가능하게 연결되는 제3열교환 통로;
    상기 제1열교환 통로의 입구에 장착되어 물 공급원으로부터 공급되는 물의 공급량을 조절하는 유량조절밸브; 및
    상기 제1온도감지센서 및 제2온도감지센서의 신호에 따라 유량조절밸브의 개폐량을 가변 제어하는 제어기;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기의 운전 제어 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 고온 개질부의 온도가 제1촉매활성 기준온도를 초과하거나, 상기 CO 변성부의 온도가 제2촉매활성 기준온도를 벗어나면, 상기 폐열 배출부의 제1열교환통로를 통해 공급되는 열교환용 물의 공급량을 증가시켜서 상기 CO 변성부의 제2열교환통로 또는 고온 개질부의 제3열교환통로까지 흐르도록 함으로써, 상기 고온 개질부의 온도와 CO 변성부의 온도가 물과의 열교환을 통해 촉매활성 기준온도로 맞추어지도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기의 운전 제어 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1연결라인에는 제어기의 제어 신호에 따라 CO 변성부로 물이 흐르는 것을 허용하거나 차단하는 제1솔레노이드 밸브가 장착된 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기의 운전 제어 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어기는 제2온도감지센서의 감지 신호를 기반으로 CO 변성부의 온도가 제2촉매활성 기준온도로 판정되면, 유량조절밸브의 개도를 가장 낮은 제1개도로 유지시키는 동시에 물이 폐열 배출부의 제1열교환통로까지만 공급되도록 제1솔레노이드 밸브를 닫힘 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기의 운전 제어 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어기는 제2온도감지센서의 감지 신호를 기반으로 CO 변성부의 온도가 제2촉매활성 기준온도보다 낮은 것으로 판정되면, 물이 폐열 배출부의 제1열교환통로를 거쳐 CO 변성부의 제2열교환통로까지 공급되도록 유량조절밸브의 개도를 제1개도보다 큰 제2개도로 조절하는 동시에 제1솔레노이드 밸브를 열림 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기의 운전 제어 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2연결라인에는 제어기의 제어 신호에 따라 고온 개질부로 물이 흐르는 것을 허용하거나 차단하는 제2솔레노이드 밸브가 장착된 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기의 운전 제어 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어기는 제1온도감지센서의 감지 신호를 기반으로 고온 개질부의 온도가 제1촉매활성 기준온도로 판정되면, 유량조절밸브의 개도를 제2개도로 유지시키는 동시에 물이 폐열 배출부의 제1열교환통로를 거쳐 CO 변성부의 제2열교환통로까지만 공급되도록 제2솔레노이드 밸브를 닫힘 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기의 운전 제어 시스템.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어기는 제1온도감지센서의 감지 신호를 기반으로 고온 개질부의 온도가 제1촉매활성 기준온도보다 높은 것으로 판정되면, 물이 폐열 배출부의 제1열교환통로 및 CO 변성부의 제2열교환통로를 거쳐 고온 개질부의 제3열교환통로까지 공급되도록 유량조절밸브의 개도를 제2개도보다 큰 제3개도로 조절하는 동시에 제2솔레노이드 밸브를 열림 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기의 운전 제어 시스템.
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