KR101335505B1 - 연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 장치 및 방법 - Google Patents

연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 개질기 내의 버너에서 연료가스와 잔여수소가 완전연소될 수 있도록, 버너에 투입되는 공기의 양을 적절히 조절하는 연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일실시예에 의하면, 개질기로부터 배출되는 배기가스 중의 산소 농도를 검출하기 위해 배기관에 설치되는 산소센서; 및 상기 산소센서에 의해 검출된 산소 농도치를 기설정된 산소 농도치와 비교하여 상기 개질기에 공급되는 공기량을 조절하는 제어기를 포함하는 연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 장치가 제공된다.

Description

연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 장치 및 방법{AIR FUEL RATIO CONTROL APPARATUS AND METHOD OF BURNER IN REFORMER FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 개질기 내의 버너에서 연료가스와 잔여수소가 완전연소될 수 있도록, 버너에 투입되는 공기의 양을 적절히 조절하는 연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 장치 및 방법에 관한 것이다.
연료전지(fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소를 이용, 산소와의 화학반응을 통해 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 발전시스템이다.
고분자 전해질막 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell; PEMFC) 시스템은 수소와 공기의 전기화학적 반응에 의하여 전기와 열을 생산하는 고효율 차세대 분산형 발전시스템이다. 이러한 연료전지 시스템은 연료전지 스택(stack)과 연료 처리장치를 주요부로 구비하고 연료탱크, 연료펌프 등을 부수적으로 구비한다.
이때, 연료전지 스택은 막-전극 접합체(MEA ; membrane electrode assembly)와 세퍼레이터(separator)로 이루어진 단위 셀이 수 내지 수십 개가 적층된 구조이며, 연료 처리장치는 연료가스를 개질하여 수소가 풍부한 개질가스로 변환하는 개질기(reformer)와, 개질가스에 함유된 CO를 변성·제거하는 시프트 반응기(shift reactor), 및 프록스 반응기(prox reactor)를 구비한다.
연료 처리장치에서 생성된 개질가스는 연료전지 스택의 애노드(anode) 전극에 공급되고, 개질가스에 함유된 수소가 캐소드(cathode) 전극에 공급된 산소와 만나 전기화학적 반응을 하여, 연료전지 스택에서 전기와 열을 생산하게 된다.
이때, 개질기와 시프트 반응기 및 프록스 반응기에서의 반응은 고온에서 이루어지기 때문에, 연료 처리장치에는 필요한 열을 공급하기 위한 수단으로서 버너(burner)를 구비한다.
버너는 기본적으로 연료가스를 연소시켜 열을 생성하며, 이때 연료가스는 일반적으로 도시가스 등의 탄화수소 가스가 주를 이룬다.
한편, 연료전지 스택의 애노드로 공급된 개질가스는 연료전지 스택을 통과하는 동안 일어나는 발전 반응에서 모두 사용되는 것은 아니며 따라서, 애노드에서 배출된 가스 즉, 애노드 오프가스(anode-off gas)에는 잔여 수소가스가 포함되어 있다.
이때, 애노드 오프가스를 개질기의 버너로 유도하여 연소시킴으로써, 버너의 연소효율을 향상시킬 수 있는데, 도 1은 이러한 예를 도시한 것으로, 한국공개특허공보 제10-2011-0051054호 "고분자 전해질형 연료전지 시스템"에서 개시되었다.
여기서, 개질기(10)를 나온 개질가스는 선택적 산화 반응기(prox reactor)(20)를 거쳐 연료전지 스택(30)으로 유입되며, 연료전지 스택(30)에서 배출되는 잔여 수소가스가 다시 개질기(10)의 버너(40)로 유입된다.
그런데, 전술한 바와 같이 잔여 수소가스를 버너로 유도하여 연소시키는 경우, 잔여 수소가스와 버너가스가 함께 연소되며, 이때 공연비가 맞지 않으면 반응성이 좋은 수소가스가 우선 연소되고, 버너가스의 일부가 배기가스로 배출됨으로써 버너의 효율이 떨어지게 되는 문제가 있다.
즉, 공연비가 부적절하여 산소가 적게 공급되는 경우에는 불완전 연소에 의한 유해가스 배출 우려가 있고, 산소가 과다 공급되는 경우에는 공랭효과에 의한 개질기의 온도 저하에 따라 개질반응이 일어나지 않게 되는 문제가 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 버너로 공급되는 버너가스와 잔여 수소가스의 양을 측정하고, 완전연소가 일어날 수 있도록 버너에 투입되는 공기량을 제어하는 연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 의하면, 개질기로부터 배출되는 배기가스 중의 산소 농도를 검출하기 위해 배기관에 설치되는 산소센서; 및 상기 산소센서에 의해 검출된 산소 농도치를 기설정된 산소 농도치와 비교하여 상기 개질기에 공급되는 공기량을 조절하는 제어기를 포함하는 연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 장치가 제공된다.
여기서, 상기 개질기는, 공급되는 연료가스를 수증기와 반응시켜 수소가 주성분인 개질가스로 개질하는 개질장치와, 공기와 버너가스를 공급받아 개질처리에 필요한 열원을 상기 개질장치에 공급하는 버너를 포함한다.
이때, 상기 개질가스를 공급받아 전기화학반응에 의해 전기를 생성하는 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택의 미반응 수소를 상기 버너로 재순환시키는 수소재순환 라인을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 개질장치로 공급되는 연료가스와 상기 버너로 공급되는 버너가스의 양을 측정하기 위해 유량계가 각각 설치되고, 상기 버너에 공급되는 공기의 양을 측정하기 위해 공기량 측정수단이 구비된다.
이때, 상기 버너로 재순환되는 미반응 수소의 양을 측정하기 위해 상기 수소재순환 라인에 유량계가 설치될 수 있고, 상기 공기량 측정수단은 유량계 또는 압력센서로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 의하면, 개질기의 버너로 투입되는 버너가스의 양을 측정하는 단계; 상기 버너로부터 배출되는 배기가스의 산소 농도치를 검출수단에 의해 검출하는 단계; 및 상기 검출수단에 의해 검출된 산소 농도치를 미리 설정된 산소 농도치와 비교하여 상기 버너로 공급되는 공기의 양을 조절하는 단계를 포함하는 연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 방법이 제공된다.
이때, 연료전지 스택으로부터 상기 버너로 연결되는 수소재순환 라인에서, 상기 버너로 투입되는 잔여 수소량이 유량계에 의해 측정될 수 있다.
또한, 미리 설정된 공연비에 따라 버너 공급 공기량을 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 버너가스의 양은 유량계에 의해 측정되고, 상기 배기가스의 산소 농도치는 산소센서에 의해 검출되며, 상기 버너로 공급되는 공기의 양이 유량계 또는 압력센서에 의해 측정될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 장치 및 방법에 의하면, 연료전지 스택의 미반응 수소가스를 개질기의 버너로 재순환시켜 연소시킴으로써, 연료전지 시스템의 효율이 향상되는 효과가 있다.
또한, 개질기로 공급되는 상온의 연료 및 물에 비하여 상대적으로 예열된 미반응 수소가스가 개질기의 버너로 공급되므로, 개질반응에 필요로 하는 열량이 감소되어 개질기 및 연료전지 시스템의 효율이 향상되는 효과가 있다.
아울러, 버너에서 버너가스와 미반응 잔여 수소가스가 혼합 연소될 때, 적절한 공연비가 유지되게끔 버너에 투입되는 공기의 양을 조절함으로써, 유해가스의 배출 또는 개질기의 성능 저하를 방지할 수 있다.
도 1은 미반응 잔여 수소를 버너로 재순환시켜 연소시키는 예를 도시한 개략도.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 장치의 구성도.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 방법의 순서도.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 장치의 구성도.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 장치의 구성도.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 방법의 순서도.
도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 방법의 순서도.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 장치 및 방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.
아울러, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시예는 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.
제1실시예
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 장치의 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 장치(100)는, 개질기(200)로부터 배출되는 배기가스의 산소 농도를 검출하는 산소센서(500), 및 개질기(200)의 버너(220)에 공급되는 연소용 공기의 공기량을 조절하는 제어기(600)를 포함하여 구성된다.
또한, 개질기(200)에서 개질가스를 공급받아 전기를 생성하는 연료전지 스택(300)과, 연료전지 스택(300)에서 미반응되고 남은 수소를 개질기(200)의 버너(220)로 재순환시키는 수소재순환 라인(400)을 더 포함할 수 있다.
여기서, 개질기(200)는 개질장치(210) 및 버너(220)를 포함하여 이루어지는데, 개질장치(210)는 연료가스를 수증기와 반응시켜 수소가 주성분인 개질가스(수소리치 가스)로 개질하게 되며, 연료가스는 LNG, LPG, 등유 등의 탄화수소계 연료로서 제1펌프(211)에 의해 공급된다.
또한, 버너(220)는 개질장치(210) 내에서 흡열반응인 개질반응이 원활히 이루어지도록 적절한 온도를 유지시키기 위한 것으로, 제2펌프(221)를 통해 연료전지 시스템 내부 또는 외부의 상온(10℃~40℃)의 공기를 공급받고, 제3펌프(222)를 통해 버너가스를 공급받아 연소시킨다. 이때, 버너가스는 연료가스와 동일한 종류의 탄화수소계 연료이며, 여기서 펌프 대신에 통상의 유체이송기구 예를 들어 블로워(blower)가 사용되는 것도 물론 가능하다.
통상적으로, 연료가스를 수증기와 반응시켜 수소를 생성하는 개질기(reformer)와, 생성된 수소가스가 연료전지 스택(300)의 촉매에 피독을 일으키지 않도록 일산화탄소를 제거하는 쉬프트 반응기(shift converter) 및 선택적 산화반응기(Prox reactor)를 포함하여 개질기로 통칭하기도 하며, 이후 언급되는 개질기(200)는 이러한 통칭적 의미의 개질기를 개질장치(210)로 지칭하고, 개질반응에 필요한 열원을 공급하는 버너(burner)(220)를 포함하여 개질기(200)로 지칭하고 있음을 미리 밝혀 둔다.
연료전지 스택(300)은 각각의 셀에 연료극(anode)과 공기극(cathode)을 구비하며, 연료극에는 개질기(200)에서 배출된 개질가스가 공급되고, 공기극에는 외부로부터 공기가 공급되며, 전해질막을 매개로 전기화학반응이 진행되어 전류가 생성된다.
이때, 개질가스가 연료전지 스택(300)을 통과하는 동안, 모든 개질가스가 전기 생성을 위한 반응에 이용되는 것은 아니며, 반응에 이용되고 남은 잔여 수소가스는 연료전지 시스템의 전체 효율 향상을 위해, 개질되지 않은 미량의 연료가스와 혼합되어 애노드 오프가스(anode-off gas)로서 수소재순환 라인(400)을 통해 개질기(200)의 버너(220)로 재공급된다.
이때, 애노드 오프가스는 연료전지 스택(300)에서 배출될 때 연료전지 스택(300)의 발열에 의해 예열된 상태이므로, 버너(220)에 공급되는 버너가스의 양을 줄일 수 있으며 이에 따라 결국 버너(220)의 연료 소비량이 감소되어 개질기(200)를 포함한 연료전지 시스템의 효율이 증가하는 효과를 낳게 된다.
애노드 오프가스가 수소재순환 라인(400)을 통해 버너(220)에 공급되면, 애노드 오프가스와 버너가스가 혼합된 상태에서 연소가 이루어지며, 이때 적절한 공연비로 공기의 공급이 이루어지지 않으면, 개질기(200)로부터 유해한 배기가스가 배출되거나 개질기(200)의 성능이 저하되는 현상이 발생한다.
즉, 적절한 공연비보다 적은 양의 공기가 공급되면, 반응성이 좋은 수소가 우선 연소되고 버너가스의 일부가 배기가스로 배출되면서 버너(220)의 효율이 저하되거나 불완전 연소에 따른 유해가스가 배출되며, 공기가 과다공급되면 개질기(200)의 온도가 떨어져서 개질반응이 일어나지 않을 수도 있다.
따라서, 버너(220)의 공연비를 적절히 조절해야 할 필요가 있으며, 이를 위해 개질기(200)의 배기관(230)에 산소센서(500)를 설치하여 개질기(200)로부터 배출되는 배기가스 중의 산소 농도를 검출하고, 검출된 산소 농도를 기설정된 산소 농도치와 비교하여, 제어기(600)를 통해 제2펌프(221)의 작동을 제어함으로써 버너(220)에 공급되는 공기량을 조절한다.
이때, 목표 산소 농도치는 적절한 범위의 값(예를 들어, 4% 내지 6%)으로 설정되는 것이 바람직한데, 이는 산소 농도치가 너무 낮으면 유해가스 발생의 우려가 있고, 산소 농도치가 너무 높으면 개질기(200)의 성능이 저하될 우려가 있기 때문이다.
또한, 연료가스 공급라인(212)과 버너가스 공급라인(223)에는 각각 유량계(700)가 설치되어, 개질장치(210)로 공급되는 연료가스와 버너(220)로 공급되는 버너가스의 양을 측정하게 된다.
따라서, 버너(220)에 공급되는 버너가스의 측정값에 따라, 미리 설정된 공연비에 맞는 공기 공급량을 판단하여 제2펌프(221)의 작동을 제어할 수 있다.
이때, 버너(220)에 공급되는 공기의 양을 측정하기 위해, 버너(220)의 공기 공급라인(224)에 공기량 측정수단이 설치되는데, 이 공기량 측정수단으로는 유량계(700) 또는, 유량계(700) 보다 가격이 저렴한 압력센서(미도시)를 설치하여 사용할 수도 있다. 이때, 압력센서에 의해 측정되는 값은 기체의 습도에 따라 변할 수 있으므로, 습도센서(미도시)를 추가하여 더욱 정밀한 보정값을 구하는 것도 가능하다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 방법의 순서도이다. 이하, 도 3을 참고하여 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지용 버너 공연비 조절 방법을 설명하기로 한다.
기준 공연비 설정 단계( S10 ):
완전연소를 위한 이론 공연비를 기준 공연비로 설정한다. 이때, 기준 공연비는 디폴트(default)값으로 제어기(600)에 미리 저장되어 있거나, 사용자에 의해 새로 설정될 수 있으며, 필요한 경우에는 이론 공연비를 적절히 보정한 값을 기준 공연비로 설정할 수 있다.
버너가스량 측정 단계( S20 ):
제3펌프(222)에 의해 버너가스 공급라인(223)을 따라 버너(220)로 공급되는 버너가스의 양을 유량계(700)로 측정하며, 측정된 값은 제어기(600)로 전송된다.
공기 공급량 판단 단계( S30 ):
측정된 버너가스량에 대하여, 기준 공연비에 따른 공기 공급량을 제어기(600)에서 판단하고, 제2펌프(221)의 작동을 제어하여 공기 공급량을 조절한다(S40). 이때, 공기 공급량은 공기 공급라인(224)에 설치된 유량계(700) 또는 압력센서에 의해 측정된다.
배기가스 산소 농도치 검출 단계( S50 ):
개질기(200)의 배기관(230)을 통해 배출되는 배기가스의 산소 농도치가 산소센서(500)에 의해 검출되며, 검출된 값은 제어기(600)로 전송된다.
이때, 제어기(600)에서는 검출된 산소 농도치가 기설정된 범위 내에 있는지 판단하고(S60), 범위 밖이면 제2펌프(221)의 작동을 제어하여 공기 공급량을 조절하며, 범위 내이면 다음 단계로 진행된다.
공연비 산출 및 재설정 단계( S70 ):
측정된 버너가스량 및 공기 공급량에 의해 현재의 공연비를 산출하고 이를 기준 공연비로 재설정하며, 다시 버너가스량 측정 단계(S20)로 돌아가서 전술한 과정을 되풀이한다.
제2실시예
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 방법의 순서도이다.
본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 방법은, 전술한 도 3의 제1실시예와 전체적으로 유사하며 다만, 개질반응에 적절한 온도를 개질기(200)가 유지할 수 있도록, 개질기(200) 내에 온도센서(미도시)를 설치하고, 측정된 온도값에 따라 제어기(600)가 제3펌프(222)를 제어함으로써 버너가스 공급라인(223)을 통해 공급되는 버너가스량을 조절하며, 이때 제2펌프(221)는 적절한 공연비에 따른 공기를 공급하도록 제어된다는 점에서 차이가 있다.
즉, 개질기(200) 내에 설치된 온도센서를 통해 개질기(200)의 온도를 측정하고(S80), 측정된 값이 개질반응에 필요한 온도범위 내이면 정상으로 판단하여(S90) 제2펌프(221)의 작동을 제어하고, 측정된 온도값이 개질반응에 필요한 온도범위 밖이면 제3펌프(222)의 작동을 제어하여(S100) 버너(220)에 공급되는 버너가스의 양을 줄이거나 늘리게 되는 것이다. 물론, 이후에는 도 3을 참고하여 전술한 바와 같이 적절한 공연비로 공기 공급량이 조절되는 과정을 거치게 된다.
제3실시예
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 장치의 구성도이고, 도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 방법의 순서도이다.
본 발명의 제3실시예는 전술한 제1실시예와 전체적으로 유사하며, 다만 수소재순환 라인(400)에 유량계(700)를 설치하여, 연료전지 스택(300)에서 미반응되고 남은 수소의 버너(220) 투입량을 측정한다는 점에서 차이가 있다.
이하, 도 5와 도 6을 참고하여 본 발명의 제3실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 장치(100)는, 개질기(200)로부터 배출되는 배기가스의 산소 농도를 검출하는 산소센서(500), 및 개질기(200)의 버너(220)에 공급되는 연소용 공기의 공기량을 조절하는 제어기(600)를 포함하여 이루어진다.
또한, 개질기(200)에서 개질가스를 공급받아 전기를 생성하는 연료전지 스택(300)과, 연료전지 스택(300)에서 미반응되고 남은 수소를 개질기(200)의 버너(220)로 재순환시키는 수소재순환 라인(400)을 더 포함할 수 있다.
여기서, 개질기(200)는 개질장치(210) 및 버너(220)를 포함하여 이루어지는데, 개질장치(210)는 연료가스를 수증기와 반응시켜 수소가 주성분인 개질가스(수소리치 가스)로 개질하게 되며, 연료가스는 LNG, LPG, 등유 등의 탄화수소계 연료로서 제1펌프(211)에 의해 공급된다.
또한, 버너(220)는 개질장치(210) 내에서 흡열반응인 개질반응이 원활히 이루어지도록 적절한 온도를 유지시키기 위한 것으로, 제2펌프(221)를 통해 연료전지 시스템 내부 또는 외부의 상온(10℃~40℃)의 공기를 공급받고, 제3펌프(222)를 통해 버너가스를 공급받아 연소시킨다. 이때, 버너가스는 연료가스와 동일한 종류의 탄화수소계 연료이며, 여기서 펌프 대신에 통상의 유체이송기구 예를 들어 블로워(blower)가 사용되는 것도 물론 가능하다.
통상적으로, 연료가스를 수증기와 반응시켜 수소를 생성하는 개질기(reformer)와, 생성된 수소가스가 연료전지 스택(300)의 촉매에 피독을 일으키지 않도록 일산화탄소를 제거하는 쉬프트 반응기(shift converter) 및 선택적 산화반응기(Prox reactor)를 포함하여 개질기로 통칭하기도 하며, 이후 언급되는 개질기(200)는 이러한 통칭적 의미의 개질기를 개질장치(210)로 지칭하고, 개질반응에 필요한 열원을 공급하는 버너(burner)(220)를 포함하여 개질기(200)로 지칭하고 있음은 전술한 바와 같다.
연료전지 스택(300)은 각각의 셀에 연료극(anode)과 공기극(cathode)을 구비하며, 연료극에는 개질기(200)에서 배출된 개질가스가 공급되고, 공기극에는 외부로부터 공기가 공급되며, 전해질막을 매개로 전기화학반응이 진행되어 전류가 생성된다.
이때, 개질가스가 연료전지 스택(300)을 통과하는 동안, 모든 개질가스가 전기 생성을 위한 반응에 이용되는 것은 아니며, 반응에 이용되고 남은 잔여 수소가스는 연료전지 시스템의 전체 효율 향상을 위해, 개질되지 않은 미량의 연료가스와 혼합되어 애노드 오프가스(anode-off gas)로서 수소재순환 라인(400)을 통해 개질기(200)의 버너(220)로 재공급된다.
이때, 애노드 오프가스는 연료전지 스택(300)에서 배출될 때 연료전지 스택(300)의 발열에 의해 예열된 상태이므로, 버너(220)에 공급되는 버너가스의 양을 줄일 수 있으며 이에 따라 결국 버너(220)의 연료 소비량이 감소되어 개질기(200)를 포함한 연료전지 시스템의 효율이 증가하는 효과를 낳게 된다.
애노드 오프가스가 수소재순환 라인(400)을 통해 버너(220)에 공급되면, 애노드 오프가스와 버너가스가 혼합된 상태에서 연소가 이루어지며, 이때 적절한 공연비로 공기의 공급이 이루어지지 않으면, 개질기(200)로부터 유해한 배기가스가 배출되거나 개질기(200)의 성능이 저하되는 현상이 발생한다.
즉, 적절한 공연비보다 적은 양의 공기가 공급되면, 반응성이 좋은 수소가 우선 연소되고 버너가스의 일부가 배기가스로 배출되면서 버너(220)의 효율이 저하되거나 불완전 연소에 따른 유해가스가 배출되며, 공기가 과다공급되면 개질기(200)의 온도가 떨어져서 개질반응이 일어나지 않을 수도 있다.
따라서, 버너(220)의 공연비를 적절히 조절해야 할 필요가 있으며, 이를 위해 개질기(200)의 배기관(230)에 산소센서(500)를 설치하여 개질기(200)로부터 배출되는 배기가스 중의 산소 농도를 검출하고, 검출된 산소 농도를 기설정된 산소 농도치와 비교하여, 제어기(600)를 통해 제2펌프(221)의 작동을 제어함으로써 버너(220)에 공급되는 공기량을 조절한다.
이때, 목표 산소 농도치는 적절한 범위의 값(예를 들어, 4% 내지 6%)으로 설정되는 것이 바람직한데, 이는 산소 농도치가 너무 낮으면 유해가스 발생의 우려가 있고, 산소 농도치가 너무 높으면 개질기(200)의 성능이 저하될 우려가 있기 때문이다.
또한, 연료가스 공급라인(212)과 버너가스 공급라인(223) 및 수소재순환 라인(400)에는 각각 유량계(700)가 설치되어, 개질장치(210)로 공급되는 연료가스와 버너(220)로 공급되는 버너가스, 및 버너(220)로 재순환되는 미반응 수소가스의 양을 측정하게 된다.
따라서, 버너(220)에 공급되는 버너가스와 미반응 수소가스의 측정값에 따라, 미리 설정된 공연비에 맞는 공기 공급량을 판단하여 제2펌프(221)의 작동을 제어할 수 있다.
이때, 버너(220)에 공급되는 공기의 양을 측정하기 위해, 버너(220)의 공기 공급라인(224)에 공기량 측정수단이 설치되는데, 이 공기량 측정수단으로는 유량계(700) 또는, 유량계(700) 보다 가격이 저렴한 압력센서(미도시)를 설치하여 사용할 수도 있다. 이때, 압력센서에 의해 측정되는 값은 기체의 습도에 따라 변할 수 있으므로, 습도센서(미도시)를 추가하여 더욱 정밀한 보정값을 구하는 것도 가능하다.
이하, 도 6을 참고하여 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지용 버너 공연비 조절 방법을 설명하기로 한다.
기준 공연비 설정 단계( S10 ):
완전연소를 위한 이론 공연비를 기준 공연비로 설정한다. 이때, 기준 공연비는 디폴트(default)값으로 제어기(600)에 미리 저장되어 있거나, 사용자에 의해 새로 설정될 수 있으며, 필요한 경우에는 이론 공연비를 적절히 보정한 값을 기준 공연비로 설정할 수 있다.
버너가스량 측정 단계( S20 ):
제3펌프(222)에 의해 버너가스 공급라인(223)을 따라 버너(220)로 공급되는 버너가스의 양을 유량계(700)로 측정하며, 측정된 값은 제어기(600)로 전송된다.
잔여수소량 측정 단계( S25 ):
연료전지 스택(300)의 연료극으로부터 수소재순환 라인(400)을 따라 버너(220)로 공급되는 잔여수소량을 유량계(700)로 측정하며, 측정된 값은 제어기(600)로 전송된다.
공기 공급량 판단 단계( S30 ):
측정된 버너가스량과 잔여수소량에 대하여, 기준 공연비에 따른 공기 공급량을 제어기(600)에서 판단하고, 제2펌프(221)의 작동을 제어하여 공기 공급량을 조절한다(S40). 이때, 공기 공급량은 공기 공급라인(224)에 설치된 유량계(700) 또는 압력센서에 의해 측정된다.
배기가스 산소 농도치 검출 단계( S50 ):
개질기(200)의 배기관(230)을 통해 배출되는 배기가스의 산소 농도치가 산소센서(500)에 의해 검출되며, 검출된 값은 제어기(600)로 전송된다.
이때, 제어기(600)에서는 검출된 산소 농도치가 기설정된 범위 내에 있는지 판단하고(S60), 범위 밖이면 제2펌프(221)의 작동을 제어하여 공기 공급량을 조절하며, 범위 내이면 다음 단계로 진행된다.
공연비 산출 및 재설정 단계( S70 ):
측정된 버너가스량과 잔여수소량 및 공기 공급량에 의해 현재의 공연비를 산출하고 이를 기준 공연비로 재설정하며, 다시 버너가스량 측정 단계(S20)로 돌아가서 전술한 과정을 되풀이한다.
제4실시예
도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 방법의 순서도이다.
본 발명의 제4실시예에 따른 연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 방법은, 전술한 제3실시예와 전체적으로 유사하며 다만, 개질반응에 적절한 온도를 개질기(200)가 유지할 수 있도록, 개질기(200) 내에 온도센서(미도시)를 설치하고, 측정된 온도값에 따라 제어기(600)가 제3펌프(222)를 제어함으로써 버너가스 공급라인(223)을 통해 공급되는 버너가스량을 조절하며, 이때 제2펌프(221)는 적절한 공연비에 따른 공기를 공급하도록 제어된다는 점에서 차이가 있다.
즉, 개질기(200) 내에 설치된 온도센서를 통해 개질기(200)의 온도를 측정하고(S90), 측정된 값이 개질반응에 필요한 온도범위 내이면 정상으로 판단하여(S100) 제2펌프(221)의 작동을 제어하고, 측정된 온도값이 개질반응에 필요한 온도범위 밖이면 제3펌프(222)의 작동을 제어하여(S110) 버너(220)에 공급되는 버너가스의 양을 줄이거나 늘리게 되는 것이다. 물론, 이후에는 제3실시예에서 전술한 바와 같이, 적절한 공연비로 공기 공급량이 조절되는 과정을 거치게 된다.
100 : 연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 장치
200 : 개질기
210 : 개질장치
220 : 버너
230 : 배기관
300 : 연료전지 스택
400 : 수소재순환 라인
500 : 산소센서
600 : 제어기
700 : 유량계

Claims (11)

  1. 공급되는 연료가스를 수증기와 반응시켜 수소가 주성분인 개질가스로 개질하는 개질장치와, 공기와 버너가스를 공급받아 개질처리에 필요한 열원을 상기 개질장치에 공급하는 버너를 포함하는 개질기;
    상기 개질기로부터 배출되는 배기가스 중의 산소 농도를 검출하기 위해 배기관에 설치되는 산소센서;
    상기 개질장치로부터 개질가스를 공급받아 전기 화학반응에 의해 전기를 생성하는 연료전지 스택의 미반응 수소를, 상기 버너로 재순환시키는 수소재순환 라인;
    상기 버너에 공급되는 상기 버너가스의 양 및 상기 버너로 재순환되는 미반응 수소의 양의 측정값에 따라, 미리 설정된 공연비에 맞도록 상기 버너에 공급되는 공기량을 조절하고, 상기 산소센서에 의해 검출된 산소 농도치를 기설정된 산소 농도치와 비교하여 상기 버너에 공급되는 공기량을 조절하는 제어기를 포함하는 연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 개질장치로 공급되는 연료가스와 상기 버너로 공급되는 버너가스의 양을 측정하기 위해 유량계가 각각 설치되고, 상기 버너에 공급되는 공기의 양을 측정하기 위해 공기량 측정수단이 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 버너로 재순환되는 미반응 수소의 양을 측정하기 위해 상기 수소재순환 라인에 유량계가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 장치.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 공기량 측정수단은,
    유량계 또는 압력센서인 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 장치.
  7. 개질기의 버너로 투입되는 버너가스의 양을 측정하는 단계;
    연료전지 스택으로부터 상기 버너로 연결되는 수소재순환 라인에서, 상기 버너로 투입되는 잔여 수소량이 유량계에 의해 측정되는 단계;
    상기 측정된 상기 버너가스의 양 및 상기 잔여 수소량에 대하여, 미리 설정된 공연비에 따라 상기 버너로 공급되는 공기의 양을 조절하는 단계;
    상기 버너로부터 배출되는 배기가스의 산소 농도치를 검출수단에 의해 검출하는 단계; 및
    상기 검출수단에 의해 검출된 산소 농도치를 미리 설정된 산소 농도치와 비교하여 상기 버너로 공급되는 공기의 양을 조절하는 단계를 포함하는 연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 버너가스의 양은 유량계에 의해 측정되고, 상기 배기가스의 산소 농도치는 산소센서에 의해 검출되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 방법.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 버너로 공급되는 공기의 양이 유량계 또는 압력센서에 의해 측정되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 방법.
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