KR20010075224A

KR20010075224A - 연료전지시스템 및 그것을 사용한 차량

Info

Publication number: KR20010075224A
Application number: KR1020017003554A
Authority: KR
Inventors: 미야자키다이조; 하니우도모유키; 마사키료소
Original assignee: 가나이 쓰도무; 가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼
Priority date: 1998-09-30
Filing date: 1999-09-28
Publication date: 2001-08-09
Also published as: WO2000019084A1; DE19983564T1

Abstract

본 발명의 개질기관(92)은 압축워크를 하는 피스톤을 가지는 개질기겸 동력발생용 내연기관이고, 복수의 반응실을 가지고 있다. 연료전지(93)는 개질기관(92)으로부터의 반응생성물을 사용하여 에너지를 발생한다.

개질기관(92)을 가지는 연료전지시스템에 있어서의 복수의 열원 및 복수의 미반응 연료로부터의 열을 개질기관(92)에 공급하는 원료의 가열에 사용하고, 개질기관(92)이 가지는 반응실의 내부온도를 원료의 반응실의 분위기에 있어서의 자착화 온도 이상으로 올리는 것, 기계적 동력과 수소의 쌍방을 발생시키는 것이 가능한 부분 산화반응을 행하게 하는 것, 발생한 기계적 동력은 다른 반응실에서 생성수소량이 많은 흡열반응인 수증기 개질반응을 행하게 함으로써 시스템의 열수지를 제어하여 개질효율을 향상시킨다.

Description

연료전지시스템 및 그것을 사용한 차량{FUEL CELL SYSTEM AND VEHICLE USING THE SYSTEM}

에너지·환경문제에 대한 의식의 고조로부터 자동차의 고효율·저이미션화가 요구되고 있다. 연료전지는 연소라는 형태를 사용하지 않고 연료로부터 에너지를 인출하고, 또한 배기는 물뿐이기 때문에 고효율의 원동기로서 주목받고 있으나, 연료가 수소이므로 소형 경량화가 필요한 자동차에는 탑재가 곤란하다. 따라서 메탄올 등의 수소를 포함하는 화합물을 차량에 탑재하고, 차량내에서 수소로 개질하는 방법이 제안되어 있다. 연료개질방식은 외부로부터 열을 가하여 촉매를 사용하여 반응속도를 높이는 방식을 이용하고 있다. 예를 들면 일본국 특개평9-315801에는메탄올의 산화반응의 반응열을 사용하여 수증기개질에 필요한 열량을 공급하는 시스템이 개시되어 있다.

본 발명은 일반적인 에너지발생장치에 관한 것으로, 특히 개질기 겸 동력발생용 내연기관과 연료전지를 가지는 시스템에 대하여 효과적이다. 내연기관에 개질기로서의 기능을 가지게 하여 종래의 개질기에서는 사용하기가 불가능하였던 폭발에너지를 적극적으로 이용하는 것에 관한 것이다. 이 시스템은 열수지를 올림으로써, 연료전지시스템에 있어서 연료개질효율 및 시스템 전체의 효율향상을 실현하는 것이다. 본 발명은 특히 기계적 동력을 출력으로 하여 얻는 대상으로서, 소형고효율의 시스템을 요구하는 대상, 특히 차량에 적용된 경우에 효과가 크다.

도 1은 본 발명에 의한 연료전지탑재차량의 일 구성예,

도 2는 개질기관의 온도관리수단의 일 구성예,

도 3은 본 발명에 의한 연료전지탑재차량의 일 구성예,

도 4는 본 발명에 의한 내연기관을 사용한 에너지발생장치의 일 구성예,

도 5는 본 발명에 의한 에너지발생장치의 일 구성예,

도 6은 본 발명에 의한 내연기관을 사용한 에너지발생장치의 일 구성예,

도 7은 본 발명에 의한 에너지발생장치의 일 구성예,

도 8은 본 발명에 의한 에너지발생장치의 일 구성예,

도 9는 본 발명에 의한 에너지발생장치의 일 구성예,

도 10은 본 발명에 의한 에너지발생장치의 일 구성예,

도 11은 본 발명에 의한 에너지발생장치의 일 구성예,

도 12는 본 발명에 의한 에너지발생장치의 일 구성예,

도 13은 본 발명에 의한 연료전지탑재차량의 일 구성예,

도 14는 개질기관의 구성을 나타내는 설명도,

도 15는 물 회수수단의 일 구성예,

도 16은 에너지관리수단의 일 구성예,

도 17은 회전수 보정수단의 일 구성예,

도 18은 본 발명에 의한 연료전지탑재차량의 일 구성예이다.

그러나 종래의 연료개질기는 촉매를 사용하여 비교적 낮은 온도에서 반응을 행하기 때문에 폭발을 수반하는 열에너지를 자기가열 이외의 형으로 이용하는 것이 곤란하였다.

본 발명은 상기한 단점을 없애기 위하여 이루어진 것으로, 개질반응에 따르는 발생열을 유효하게 이용하기 위하여 내연기관을 개질기로서 사용하고, 시스템의 열에너지를 이용하여 흡기가열을 행하여 개질효율를 향상시키는 것이다. 이에 의하여 고효율의 연료전지시스템을 공급하는 것이 가능해진다. 또 특수한 촉매를 사용하고 있지 않기 때문에 경시변화에 따른 개질효율의 변동이 적다는 이점을 아울러 가진다.

본 발명은 원료를 입력하여 반응생성물을 생성하는 하나 이상의 전단 반응수단과 상기 반응생성물을 입력으로하여 에너지를 발생하는 후단 반응수단을 가지는 에너지발생장치로서, 상기 전단 반응수단은 기계적 동력을 외부로부터 입력함으로써 상기 반응생성물을 생성하거나 또는 상기 전단 반응수단내에서의 화학반응에 의해 발생하는 기계적 동력을 외부로 출력하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 바람직하게는 상기 전단 반응수단의 적어도 하나는 상기 원료와 상기 기계적 동력을 입력하여 상기 원료보다도 화학적 에너지가 높은 반응생성물을 발생하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 바람직하게는 상기 전단 반응수단의 적어도 하나는 상기 원료와 연소의 성질이 다른 반응생성물을 발생하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 바람직하게는 상기 전단 반응수단은 반응생성물 또는 반응생성물의 조성비율을 제어하는 반응조성제어수단을 가지고, 상기 전단 반응수단의 반응생성물 출력구에 접속된 근원(根源)배관은 2개 이상의 이송배관으로 분기하고, 상기 이송배관의 적어도 하나는 상기 후단 반응수단에 접속되고, 상기 에너지발생장치는 사용배관선택수단을 가지고, 상기 사용배관선택수단은 상기 반응조성제어수단으로부터의 정보를 이용하여 사용하는 상기 이송배관을 전환하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 바람직하게는 상기 전단 반응수단은 전기에너지를 기계적 동력으로 또는 기계적 동력을 전기에너지로 변환하는 에너지변환수단을 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 바람직하게는 상기 전단 반응수단과 상기 후단 반응수단이 전열수단에 의해 접합하고 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 바람직하게는 상기 전단 반응수단은 열기관이고, 상기 후단 반응수단은 연료전지인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 바람직하게는 상기 열기관은 물공급수단을 가지고, 상기 열기관은 상기 물공급수단에 의해 공급된 물을 사용한 수증기 분위기내에서 상기 전단반응을 행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 바람직하게는 상기 열기관은 내연기관이고, 상기 내연기관은 연료분사밸브를 구비하고, 상기 반응조성제어수단은 상기 연료분사밸브로부터 분출되는연료량을 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 바람직하게는 상기 열기관은 내연기관이고, 상기 내연기관은 가변구동밸브를 가지고, 상기 반응조성제어수단은 상기 가변구동밸브의 개폐타이밍을 변화시켜 상기 내연기관의 압축비를 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 바람직하게는 상기 열기관은 기계적 동력을 발생하는 기간을 가지고, 상기 열기관은 상기 기계적 동력을 사용하여 상기 연료전지에 압축공기를 공급하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 바람직하게는 상기 열기관은 연료전지에 공급하는 연료를 생성하는 개질반응과 기계적 동력발생반응의 어느 하나 또는 양쪽을 행하는 기간을 가지고, 상기 에너지발생장치는 상기 연료전지의 발전에 따르는 발생열을 이용하여 상기 열기관에 투입하는 원료를 가열하는 저온전열수단과, 또는 상기 열기관 자신의 배열에 의해 상기 열기관에 투입하는 원료를 가열하기 위한 고온전열수단을 가지는것을 특징으로 한다.

본 발명은 바람직하게는 상기 에너지발생장치는 상기 열기관에 투입하는 원료를 가열하는 가열수단을 가지고, 상기 에너지발생장치는 상기 열기관과 연료전지사이에 연료선택수단을 구비하고, 상기 연료선택수단은 연료전지에 공급하는 반응연료와 상기 가열수단에 공급하는 가열연료를 취사(取捨)선택하고 상기 가열수단은 상기 가열연료를 가열수단용 연료로서 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 바람직하게는 상기 에너지발생장치는 상기 열기관에 투입하는 원료를 가열하는 가열수단을 가지고, 상기 에너지발생장치는 연료전지반응생성물 출구부에 연료회수수단을 구비하고, 상기 가열수단은 상기 연료회수수단에 의해 회수된 연료전지에 있어서의 미반응물을 상기 가열수단용 연료로서 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 바람직하게는 상기 내연기관은 원료를 반송하는 흡기관을 가지고, 상기 가열수단과 상기 내연기관의 흡기관에 따른 거리를 L1로 하고, 상기 고온전열수단과 상기 내연기관의 흡기관에 따른 거리를 L2로 하고, 상기 저온전열수단과 상기 내연기관의 흡기관에 따른 거리를 L3 이라 하면, L1 < L2 < L3이 되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 바람직하게는 상기 가열수단은 투입원료를 상기 온도관리수단이 제시하는 목표온도로 가열하기 위하여 상기 연료전지로부터의 미반응성분 및 상기연료선택수단으로부터의 배출물의 공급비율을 바꿈으로써 공급열량을 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 바람직하게는 상기 열기관은 내연기관이고, 상기 에너지발생장치는 전열수단 또는 가열수단을 가지고, 상기 전열수단은 연료전지의 발생열을 열기관에 또는 열기관의 발생열을 연료전지에 전달하고, 상기 가열수단은 상기 내연기관에 투입하는 원료를 가열하고, 상기 에너지발생장치는 상기 열기관 및 상기 연료전지의 온도관리수단을 가지고, 상기 온도관리수단은 상기 내연기관의 착화시 직전의 반응실내 온도가 원료의 반응실내 분위기에 있어서의 자착화(自着火)온도 이상이 되도록 상기 전열수단 및 상기 가열수단의 열량 및 연료의 공급량을 제어하고, 또 상기 온도관리수단은 상기 연료전지에 공급하는 연료의 온도를 상기 연료전지의작동온도가 되도록 상기 전열수단 및 상기 가열수단의 열량 및 연료의 공급량을 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 바람직하게는 상기 온도관리수단은 상기 내연기관을 제어하는 내연기관제어수단을 가지고, 상기 내연기관제어수단은 상기 온도관리수단으로부터 송출되는 흡입원료 온도정보를 수신하고, 상기 내연기관제어수단은 당량비, 압축비, 압축이력, 냉각수 온도, 윤활유 온도, 윤활유압, 흡기유량 및 압축속도중의 어느 하나의 정보를 사용하여 상기 연료전지에 공급하는 연료의 생성량을 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 바람직하게는 에너지발생장치를 탑재한 차량으로서, 상기 차량은 상기 연료전지로부터 얻어지는 전력을 기계적 동력으로 변환하는 모터를 가지고, 상기 모터의 출력축 및 상기 열기관의 기계적 동력 출력축은 기계적 전달요소를 거쳐 차축에 접속된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 바람직하게는 에너지발생장치를 탑재한 차량으로서, 상기 차량은 상기 연료전지로부터 얻어지는 직류전력을 축전하는 축전수단을 가지고, 상기 열기관의 기계적 동력 출력축은 발전기에 접속되고, 상기 발전기에 의해 얻어지는 교류전력은 교류전력변환수단에 의해 직류전력으로 변환되어 상기 축전수단에 축전되고, 상기 차량은 상기 축전수단에 축전된 전력을 사용하여 차량을 구동하는 모터를 가지고, 상기 모터의 출력축은 기계적 전달요소를 거쳐 차축에 접속된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 바람직하게는 상기 차량은 운전자의 지령신호와 차량정보와 상기연료전지의 내부상태를 입력으로하여 상기 반응조성제어수단과 상기 발전기와 상기 모터를 제어하는 에너지관리수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실시형태를 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 에너지발생장치 탑재차량의 일 실시예이다. 91은 차량의 구동축이다. 92는 본 발명의 특징인 내연기관을 사용한 개질기관이다. 93은 연료전지이고, 개질기관(92)에 의해 얻어지는 수소 등의 연료를 연료극(極)에, 공기 등의 산화제를 공기극에 공급함으로써 직류전력을 발생한다. 즉 본 시스템은 전단 반응장치가 개질기겸 내연기관인 개질기관, 후단 반응장치가 연료전지인 에너지발생장치이다. 여기서 내연기관이란, 연소가스가 작동유체인 것을 가리키며, 리시프로엔진, 로터리엔진, 가스터빈 및 제트엔진 등이 포함된다. 이번에는 일례로서 리시프로엔진을 상정하였다. 또 본문중에 있어서의 개질기관이란, 개질반응에 의한 개질연료와 기계적 동력의 쌍방을 발생하는 것, 또는 기계적 동력에 의해 개질행정을 행하는 것을 가리킨다.

개질기관(92)는 복수의 기통으로 구성되고, 각 기통은 원료를 개질하는 반응실을 가진다. 또 개질기관(92)은 연료전지의 공기극에 공급하는 공기를 압송하는 수단을 가진다. 일 실시예로서 원료가 메탄이고, 반응생성물이 수소인 경우에는 연료개질반응은 고온일 수록 촉진된다. 본 발명에 있어서는 개질기관(92)의 반응실내 분위기 온도를 종래의 개질기에서는 이용 불가능하였던 원료의 자착화 온도까지 높임으로써 생성수소량을 증가시킴과 동시에 기계적 동력도 발생시키는 것을 특징으로 한다. 또 특수한 촉매를 사용하고 있지 않기 때문에 경시변화에 의한 개질효율의 저하 및 냉간시동시의 무능력시간 등과는 무관하다.

개질기관(92)의 반응실내에서 행하여지는 개질반응로서 통상은 적어도 1기통은 발열반응이 선택된다. 이 발열반응을 이용하여 원료의 가열을 행한다. 또한 상세에 대해서는 뒤에서 설명한다. 개질기관(92)은 복수의 기통으로 구성되어 있기 때문에 적어도 1기통이 나머지의 기통의 압축행정을 조달하는 만큼의 출력을 발생하고 있으면 운용은 가능하다. 또 본 구성의 개질기관(92)은 개질연료를 연료전지(93)에 송출하는 동력원으로서 자신이 발생하는 기계적 동력을 사용하는 것을 상정하고 있다.

94는 연료선택수단이고, 개질기관(92)으로부터의 배출물중 연료전지(94)에 공급하는 성분과 그것 이외의 성분으로 분류한다. 이후 연료전지에 공급하는 반응생성물을 연료라 하고, 연료성분 이 외의 성분을 미반응원료라 칭한다.

95는 발전기겸 모터이고, 개질기관(92)과 기계적으로 접속하고 있다. 개질기관(92)으로부터의 기계적 동력의 발생이 생긴 경우는 발전기로서 작용하고, 개질기관(92)으로부터의 기계적 동력의 요구가 있는 경우는 모터로서 작용한다.

96은 에너지변환수단이고, 개질기관(92)으로부터의 기계적 동력을 전력으로 변환하는 수단 또는 개질기관(92)에 기계적 동력을 공급하는 수단으로 통상은 발전 및 출력이 가능한 모터 등을 사용한다.

97은 모터구동수단이고, 연료전지(93) 및 에너지변환수단(96)으로부터의 전기에너지를 사용하여 모터를 구동하기 위한 장치, 예를 들면 2차 전지, 컨버터 및 인버터 등을 가지고 있다. 98은 모터이고, 일반적으로는 견고하고 고효율인 것을이유로 하여 유도모터, 동기모터, 자기저항(reluctance)모터 등의 교류모터가 사용된다.

개질기관(92)의 개질효율를 향상시키기 위해서는 반응실내 온도를 더욱 고온화시키는 것이 바람직하다. 본 발명은 반응실내 고온화방법으로서 흡입원료를 가열하여 개질기관(92)의 입구온도를 올리는 것을 특징으로 한다. 이하에 시스템의 폐열 및 미반응성분을 이용하여 투입하는 원료를 가열하는 수단을 말한다.

99는 열교환기인 저온전열장치이고, 연료전지(93)로부터의 폐열을 사용하여 개질기관(92)에 투입하는 원료를 가열하는 것이다. 연료전지의 폐열은 내연기관인 개질기관의 폐열보다도 낮기 때문에 여기서는 저온이라 한다. 100은 열량조절 밸브이고, 저온 전열장치(99)는 열조절밸브(100)를 조절함으로써 공급열량을 제어할 수 있다. 여기서는 전열매체가 흐르는 배관을 가지는 구성으로 하고 있으나, 개질기관(92)의 흡기관을 연료전지(93)의 외벽면에 설치하는 구성으로 하여도 좋다. 이 구성은 저온 전열장치(99)의 전열매체의 사용을 줄일 수 있다는 특징을 가진다.

101은 열교환기인 고온 전열장치이고, 개질기관(92)으로부터의 폐열을 사용하여 개질기관(92)에 투입하는 원료를 가열하는 것이다. 102는 열량조절밸브이고, 고온전열장치(101)는 열조절밸브(102)를 조절함으로써 공급열량을 제어할 수 있다.저온 전열장치(99)와 마찬가지로 개질기관(92)의 흡기관을 개질기관(92)의 외벽면에 설치함으로써 고온 전열장치(101)의 전열매체의 사용을 줄이는 구성도 가능하다.

103은 가열장치이고, 연료선택수단(94)에 의해 분류된 미반응원료를 연료로하여 개질기관(92)에 투입하는 원료를 가열한다. 가열장치(103)는 연소기 및 전열장치로 이루어진다. 104는 미반응 원료 공급량 조절밸브이고, 가열장치(103)는 공급량 조절밸브(104)를 조절하여 미반응 원료의 공급량을 제어함을써 연소기의 화염온도를 목표치에 가깝게 한다. 또 105는 미반응 연료 공급량 조절밸브이고, 가열 장치(103)는 연료전지(93)의 미반응 성분도 마찬가지로 가열용 연료로서 사용한다. 원료를 메탄으로 하고 반응연료를 수소로 상정하면, 미반응 원료의 주성분은 일산화탄소이고, 미반응 연료의 주성분은 수소가 된다. 그 때문에 가열장치(103)는 화염온도가 다른 미반응 원료 및 미반응 연료의 공급량을 독립적으로 제어할 수 있어 공급열량의 정밀관리가 가능하다는 특징을 가진다.

106은 온도관리수단이고, 연료전지시스템의 각 장치의 온도관리를 행한다. 107은 개질기관 흡기온도 계측수단이고, 개질기관의 흡기온도를 계측한다. 108은 내연기관제어장치이고, 개질기관의 각 반응실의 반응형태, 예를 들면 착화시기, 당량비 및 압축비 등을 제어한다. 109는 에너지관리수단이고, 운전자지령 및 차량정보에 따라 각 컴포넌트에 지령신호를 발생한다.

도 1의 구성에 의한 연료전지시스템에는 이하의 특징이 있다. 먼저 시스템의 폐열을 유효하게 이용할 수 있다. 본 시스템은 연료전지 및 내연기관을 가지기 때문에 열원 및 가열연료가 복수개 존재한다. 이들 열원 및 가열연료를 개질기관 (92)의 원료의 가열에 사용함으로써 생성수소량을 증가시킨다. 원료를 열원의 온도가 낮은 것으로부터 서서히 가열하여 간다. 개질기관(92)과 가열장치(103)의 흡기관거리를 L1로 하고, 개질기관(92)과 고온 전열장치(101)의 흡기관거리를 L2로하고, 개질기관(92)과 저온 전열장치(99)의 흡기관거리를 L3으로 하면 L1 < L2 < L3의 관계가 된다. 본 시스템에서는 각 컴포넌트의 열수지를 감시 및 제어하기 위하여 연료전지(93) 및 개질기관(92)의 작동온도 관리가 용이하다. 또한 개질기관 (92)의 반응연료의 토출량 및 기계적 출력으로부터 시스템 전체의 출력을 추측가능하기 때문에, 개질기관(92)을 관리함으로써 시스템의 출력특성을 제어할 수 있다. 또 개질기관(92)으로부터의 기계적 출력을 전기에너지로 변환하는 에너지변환수단 (94)을 탑재하고 있기 때문에, 연료전지가 고장난 경우에도 직렬방식의 하이브리드차량으로 하여 주행가능하다.

도 2에 온도관리수단의 상세를 나타낸다. 본 도면에 있어서 온도관리수단 (106)은 6개의 제어수단에 의해 구성되어 있다.

본 시스템의 효율은 개질기관의 생성수소량 및 기계적 출력에 의해 결정되기 때문에 개질기관의 동작관리가 중요하다. 개질기관의 수소생성량은 반응실내의 온도에 의존한다. 반응실내 온도를 올리기 위해서는 흡기온도를 제어하는 것이 효과적이다. 또 개질기관의 기계적 특성을 고려하면 개질반응에 따르는 폭발에너지를 상사점 직후에서 이용하고 싶기 때문에, 상사점에서의 반응실내 온도를 반응연료의 자착화 온도 이상으로 올려, 순간적으로 폭발을 유기하고, 개질반응를 순간에 종결시키는 것이 요구된다. 또한 개질기관의 반응실내 온도가 상승하는 것에 따라 연료전지에 공급하는 연료의 온도도 상승하여 연료전지의 작동온도범위 이상으로까지 오를 가능성도 있다.

이하 온도관리수단에 대하여 설명을 행한다.

111은 내연기관 흡기온도 제어수단이고, 개질기관(92)의 흡기온도정보(Tint) 및 내연기관제어장치(108)의 개질기운반정보, 예를 들면 당량비(Φ), 최고 도달압 (Pmax), 회전수(Ne) 등을 얻어 고온 전열계 제어수단에 대한 흡기온도제어지령 (Tint-h*), 가열장치제어수단에 대한 흡기온도제어지령(Tint-ref*), 및 개질기관의 운전제어지령(ωe*)을 발생한다. 온도관리수단과 엔진제어장치는 독립적이기 때문에 내연기관제어장치는 종래의 엔진제어장치를 유용가능하고, 운전제어지령(ωe*)은 종래의 엔진제어지령과 조금도 바꾸지 않아도 좋다. 또 종래의 엔진제어장치를 사용함으로써 비용도 저감할 수 있다.

112는 연료전지 작동온도 제어수단이고, 연료전지(93)의 작동온도정보, 예를 들면 작동온도(Tfc), 발전효율(ηfc) 및 전지내 습도(ρfc) 등을 얻어 연료전지가 적정한 작동온도로 유지되어 있는지 감시함과 동시에 저온 전열계 제어수단에 대한 흡기온도제어지령(Tint-1*), 가열장치제어수단에 대한 흡기온도제어지령(Tint-fc*)을 발생한다.

113은 고온전열계 제어수단이고, 고온전열장치(101)로부터의 공급열량정보 (Qh) 및 내연기관 흡기온도 제어수단(111)으로부터의 흡기온도제어지령(Tint-h*)을 받아 열량조절밸브(102)에 조작량(rl02)을 부여한다.

114는 가열장치제어수단이고, 내연기관 흡기온도 제어수단(111)으로부터의 흡기온도제어지령(Tint-ref*), 연료전지 작동온도 제어수단(112)으로부터의 흡기온도제어지령(Tint-fc*) 및 가열장치(103)로부터의 가열온도정보(Tft)를 받아 미반응 원료공급량 조정밸브(104) 및 미반응 연료공급량 조정밸브(105)에 조작량(r104 및r105)을 인가한다.

115는 저온도계 제어수단이고, 저온 전열장치(99)로부터의 공급열량정보(Q1) 및 연료전지 작동온도 제어수단(111)으로부터의 흡기온도제어지령(Tint-h*)을 받아 열량조절밸브(100)에 조작량(r100)을 인가한다.

116은 시스템냉각계 제어수단이고, 정상에서는 흡기온도정보(Tint) 및 작동 온도(Tfc) 등을 받아, 시스템의 냉각계 제어지령(Tcl*)을 발생한다. 시스템의 냉각장치는 종래의 것을 유용하여도 아무런 지장은 없다. 또 시스템냉각계 제어수단 (116)은 개질기관(92), 연료전지(93) 및 개질기관(92)의 흡기온도중 어느 하나가 이상으로 상승한 경우에 조절밸브를 조작하여 열을 차단하는 기능을 가진다.

117은 온도정보 통괄관리수단으로서 에너지관리수단(109)으로부터의 지령에 대하여 각 컴포넌트의 온도정보를 대조하여 내연기관 흡기온도 제어수단(111), 연료전지 작동온도 제어수단(112) 및 시스템냉각계 제어수단에 동작지령(Rref, Rfc 및 Rc1)을 인가한다.

도 2의 제어수단은 이하와 같이 동작한다.

차량의 구동에너지가 필요한 경우, 에너지관리수단(109)은 온도정보 통괄관리수단(117)에 반응생성물의 증가지령신호를 발생한다. 온도정보 통괄관리수단 (117)은 내연기관 흡기온도 제어수단(111)에 의하여 개질기관(92)의 운전정보 및 흡기온도정보를 얻어 목표 흡기온도를 설정하고, 온도 응답성이 우수한 가열장치에의 가열연료공급량의 증가 또는 연소온도가 높은 연료의 공급비율의 증가를 행한다. 이어서 개질기관이 배출하는 열량이 안정화되면 온도관리수단(106)은 가열장치에의 연료공급량을 줄여 흡기온도를 목표치에 안정시킨다.

도 3에 본 발명에 의한 에너지발생장치 탑재차량의 일 실시예를 나타낸다.

121은 속도제한수단이고, 개질기관(92)으로부터의 기계적 동력을 기계적으로 변속한다. 122는 구동력 제어수단이고, 구동축(91)에 전달하는 구동력을 속도제어수단(121)으로부터의 기계적 구동력과 모터(98)로부터의 전기적 구동력의 구동력 배분을 제어한다.

도 4에 본 발명의 에너지발생장치의 일 실시예로서 에너지발생장치가 복수의 기통으로 이루어지는 내연기관의 경우를 나타낸다. 11 내지 14는 반응실이다. 반응실(11)에 관하여 15는 피스톤이고, 16은 출력축이고, 17은 출력축과 피스톤을 연결하는 로드이다. 18은 반응실(11 내지 14)이 가지는 각 피스톤의 변동을 경감하는 밸런스샤프트이다. 마찬가지로 반응실(12)에는 피스톤(19) 및 로드(20), 반응실(13)에는 피스톤(21) 및 로드(22), 반응실(14)에는 피스톤(23) 및 로드(24)가 구비되어 있다. 일 실시예로서 반응실(11)과 반응실(13)이 발열을 수반하는 개질반응, 반응실(12)과 반응실(14)이 흡열을 수반하는 개질반응의 경우를 설명한다.

공급원료는 메탄올과 산소로 한다. 반응실(11 및 13)에서는 발열반응에 의해 열발생이 생겨 작동유체인 연소가스에 의해 피스톤(15 및 21)이 밀어 내려져 로드(17 및 22)를 거쳐 기계적 동력이 출력축(16)에 발생한다. 또 주성분이 미반응 메탄올, 수소, 수증기, 일산화탄소 및 이산화탄소 등인 반응생성물이 발생한다. 반응실(11 및 13)에서 발생한 반응생성물은 반응실(12 및 14)에 공급된다. 반응실(11 및 13)에서 발생한 기계적 동력은 출력축(16)을 거쳐 피스톤(19 및 23)을 밀어 올리는 동력이 되어 반응실(12 및 14)에서의 압축워크를 한다. 압축워크를 받은 반응실(12 및 14)에서는 고압 고온장이 되어 흡열을 수반하는 개질반응이 행하여진다. 예를 들면 반응생성물의 미반응 메탄올과 수증기의 반응인 이하의 반응이 생긴다.

CH3OH + H2O = CO2 + 3H2 - 131kJ/mol

식 (1)의 반응은 수증기개질이라 불리우고 메탄올 1 mol로부터 수소 3 mol이 생성된다. 미반응 메탄올의 양이 적으면 반응실(12 및 14)에 연료공급장치를 설치한다.

여기서 반응실(11 및 13)에서 발생한 기계적 동력이 반응실(12 및 14)에서의 압축일 이상이면 출력축을 거쳐 외부로 출력된다.

또 이 에너지발생장치가 차량에 탑재되어 있는 경우에는 차량의 감속에너지를 사용하여 연료인 메탄올을 제조하는 반응

CO + 2H2 = CH3OH

을 발생시켜 회생에너지를 연료로서 보존하는 것도 가능하다.

도 4의 구성에 의한 개질기겸 내연기관시스템에는 이하의 특징이 있다. 이 시스템에서는 1기(機)의 내연기관에 의해 부분 산화반응과 수증기 개질반응 또는 복합개질반응을 행하는 것이 가능하며, 열과 수소의 공급 및 동력의 공급이 가능해진다.

도 5에 본 발명의 에너지발생장치의 일 실시예로서 내연기관으로부터의 배기에너지를 사용하여 연료전지에 공기를 압송하는 경우를 나타낸다. 131은 압축장치이고, 압축장치(131)는 2개의 터빈을 가지며, 2개의 터빈은 일축상에 배치되어 기계축에 의해 연결되어 있다. 압축장치(131)는 한쪽의 터빈을 개질기관(92)에서 생성한 반응생성물을 연료전지(93)에 공급하는 배관의 도중에 배치하고, 다른쪽을 연료전지에 공기를 보내는 배관의 도중에 배치되어 있다. 압축장치(131)는 개질기관 (92)의 배기에너지를 사용하여 배기측의 터빈을 돌리고, 그 반력으로 도는 공기측의 터빈으로 공기를 연료전지에 압송한다.

도 6에 본 발명의 에너지발생장치의 일 실시예로서 내연기관의 기통으로부터 공기를 연료전지에 압송하는 경우를 나타낸다. 141은 개질기관를 구성하는 기통 이고, 공기를 연료전지에 압송하기 위한 기통으로서 사용한다. 공기압송기통 (141)은 공기만을 흡입하고, 개질반응을 행하는 반응실(12)을 가지는 다른 기통이 발생하는 기계적 동력을 사용하여 공기를 연료전지에 압송한다.

도 7에 본 발명의 에너지발생장치의 예를 나타낸다. 에너지발생장치는 원료와 기계적 동력을 입력함으로써 화학적 에너지가 높은 반응, 생성물을 생성한다. 31은 본 발명인 에너지발생장치이고, 32는 투입하는 원료, 33은 입력하는 기계적 동력이고, 34는 에너지발생장치로부터 생성되는 반응생성물이다. 일 실시예로서 원료(32)를 메탄올, 반응생성물(34)을 수소로 하여, 메탄올로부터 수소를 생성하는 반응을 설명한다. 메탄올을 수증기의 분위기하에서 기계적 동력(33)을 가하여 고온고압장을 실현하여 식 (1)의 반응식으로 나타내는 수소를 생성하는 수증기 개질반응이 촉진된다. 식 (1)의 반응은 흡열반응이고, 500K 이상의 분위기온도에서 촉진된다. 수증기 개질을 행함으로써 메탄올 1 mol로부터 수소가 3 mol생성된다. 메탄올의 1 mol당의 저위 발열량은 675 kJ/mol이고, 수소의 1 mol당의 저위 발열량은 240 kJ/mol이므로 메탄올 1 mol의 화학적 열에너지가 675 kJ로부터 720 kJ로 상승한 것과 동일한 의미가 된다.

또 에너지발생장치는 원료(32)와 기계적 동력(33)을 입력함으로써 원료(32)와는 연소특성이 다른 반응생성물(34)을 생성한다. 일 실시예로서 메탄올로부터 디메틸에테르(이하 DME)를 생성하는 반응을 설명한다. 메탄올을 원료(32)로 하여 외부로부터 기계적 동력(33)을 가하여 고온 고압장을 실현하여 이하의 반응을 행하게 한다.

2CH3OH = CH3O CH3 + H2O

식 (3)의 반응으로부터 DME를 생성하는 것도 가능하다. 메탄올과 DME의 연소의 성질을 나타내는 지표로 하여 세탄가를 비교한다. 세탄가란, 착화성을 나타내는 지표이다. 메탄올의 세탄가는 5인 데 대하여 DME는 55 내지 60 이기 때문에 본 발명인 에너지발생장치에 의해 원료인 메탄올을 연소의 성질이 다른 반응생성물인 DME로 개질하는 것이 가능하다. 여기서 연소의 성질이란, 자착화 온도, 화염전파속도, 및 옥탄가 등이더라도 아무런 지장은 없다.

도 8에 원료와 기계적 동력을 입력하여 반응생성물을 생성하는 에너지발생장치를 전단 반응장치로서 구비하고, 반응생성물을 입력하여 에너지를 발생하는 후단반응장치를 가지는 에너지발생장치의 예를 나타낸다. 41은 전단 반응장치이고, 42는 후단 반응장치이다. 43은 전단 반응장치(41)에 투입하는 원료이고, 44는 전단 반응장치(41)에 공급하는 기계적 동력이다. 또 45는 전단 반응장치(41)가 생성하는 반응생성물이고, 46은 후단 반응장치(42)가 발생하는 에너지이다. 일 실시예로서 전단 반응장치(41)로 압축기관, 후단 반응장치(42)로 연료전지의 경우를 설명한다.

원료(41)를 메탄올과 수증기로 한다. 원료(41)가 외부로부터의 기계적 동력에 의해 실현되는 압축기관 내부의 고온 고압장에 투입됨으로써 식 (1)의 반응이 촉진되어 반응생성물(45)로서 수소가 생성된다. 반응생성물(45)인 수소는 연료전지에 공급되어 에너지(46)를 발생한다.

도 9에 원료를 입력하여 기계적 동력과 반응생성물을 생성하는 에너지발생장치를 전단 반응장치와, 상기 반응생성물을 입력하여 에너지를 발생하는 후단 반응장치를 가지는 에너지발생장치의 예를 나타낸다. 51은 전단 반응장치이고, 52는 후단 반응장치이다. 53은 전단 반응장치(51)에 투입하는 원료이고, 54는 전단 반응장치(51)에 반응의 계기를 공급하는 여기수단이다. 또 55는 전단 반응장치(51)가 발생하는 기계적 동력이고, 56은 전단 반응장치(51)가 생성하는 반응생성물이다.

57은 후단 반응장치(52)가 발생하는 에너지이다. 일 실시예로서 전단 반응장치(51)에 팽창기관, 후단 반응장치(52)에 연료전지의 경우를 설명한다.

원료(53)를 메탄올과 산소로 한다. 압축팽창기관이 가지는 반응실내의 상태를 양론비에 의해서보다도 과농(過濃)하게 하여 여기수단(54)에 의해 점화에너지를 가하면,

CH3OH + 1/2O2 = CO2 + 2H2 + 155 kJ/mol

의 부분 산화반응이 촉진된다. 식 (4)의 반응은 발열이기 때문에 압축팽창기관의 팽창워크 및 압축워크를 행하고, 다시 외부로의 기계적 동력을 발생하는 것이 가능하다. 반응생성물(55)로서 생성된 수소는 연료전지에 공급되어 에너지(57)를 발생한다.

도 10에 원료와 기계적 동력을 입력하여 반응생성물과 기계적 동력을 생성하는 에너지발생장치를 전단 반응장치와, 상기 반응생성물을 입력하여 에너지를 발생하는 후단 반응장치를 가지는 에너지발생장치의 예를 나타낸다. 61은 전단 반응장치이고, 62는 후단 반응장치이다. 63은 전단 반응장치(61)에 투입하는 원료이고, 64는 전단 반응장치(61)에 공급하는 기계적 동력이다. 또 65는 전단 반응장치(61)가 발생하는 기계적 동력이고, 66은 전단 반응장치(61)가 생성하는 반응생성물이다. 67은 후단 반응장치(62)가 발생하는 에너지이다. 일 실시예로서 전단 반응장치(61)로 압축팽창기관, 후단 반응장치(62)로 연료전지의 경우를 설명한다.

원료(63)를 메탄올과 산소로 한다. 압축팽창기관이 가지는 반응실내의 상태를 양론비에 의해도 과농으로 하고, 기계적 동력(64)에 의해 압축워크를 가하여 고압 고온장을 실현하면 식 (3)의 반응이 촉진된다. 식 (3)의 반응은 발열이기 때문에 압축팽창기관의 팽창워크 및 압축워크를 행하고, 또한 외부로 기계적 동력(65)을 발생하는 것이 가능하다. 반응생성물(66)로서 생성된 수소는 연료전지에 공급되어 에너지(67)를 발생한다.

도 11에 원료를 입력하여 반응생성물을 생성할 때에 기계적 동력을 발생, 입력 또는 입력하여 발생하는 기간중 어느 하나를 가지는 전단 반응장치와, 상기 반응생성물을 입력하여 에너지를 발생하는 후단 반응장치를 가지는 에너지발생장치의 예를 나타낸다. 71은 전단 반응장치이고, 72는 후단 반응장치이다. 73은 전단 반응장치(51)에 투입하는 원료이고, 74는 전단 반응장치(71)에 공급하는 기계적 동력이다. 또 75는 전단 반응장치(71)가 발생하는 기계적 동력이고, 76은 전단 반응장치(71)가 생성하는 반응생성물이다. 77은 전단 반응장치(71)에 공급하는 기계적 동력을 조절하는 스위치이고, 78은 전단 반응장치(71)로부터 발생하는 기계적 동력을 조절하는 스위치이다. 79는 후단 반응장치(72)가 발생하는 에너지이다. 일 실시예로서 전단 반응장치(71)에 압축팽창기관, 후단 반응장치(72)에 연료전지의 경우를 설명한다.

냉간시동시에서는 연료전지는 작동온도보다도 낮아 가열이 필요하다. 그 때문에 압축팽창기관은 수소의 생성량을 다소 희생하면서 방출되는 열을 사용하여 연료전지를 가열한다. 연료전지가 작동온도에 도달하고 나서는 수소생성량 중시의 운전으로 이행하는 운전을 행한다. 원료(73)가 메탄올, 수증기 및 산소인 경우, 압축팽창기관이 가지는 반응실내의 반응형태를 냉간시동시는 발열반응인 식 (1)의 부분 산화반응을 행하고, 연료전지가 작동온도에 도달하고 나서는 식 (2)의 수증기 개질반응을 행한다. 그 때 스위치(77)는 전단 반응장치(71)에 대한 기계적 동력(74)의 공급을 증가하는 방향으로 작용하고, 스위치(78)는 전단 반응장치(71)로부터의 기계적 동력(75)의 발생을 정지하는 방향으로 작용한다. 그 동안 후단 반응장치(72)는 전단 반응장치(71)로부터의 반응생성물(76)인 수소를 사용하여 에너지 (79)를 발생한다.

도 12에 원료와 기계적 동력을 입력하여 반응생성물을 생성하는 장치를 전단 반응장치, 원료를 입력하여 기계적 동력과 반응생성물을 생성하는 장치를 전단 반응장치로서 가지고, 이들 전단 반응장치로부터의 반응생성물을 입력하여 에너지를 발생하는 후단 반응장치를 가지는 에너지발생장치의 예를 나타낸다. 81은 원료를 입력하여 기계적 동력과 반응생성물을 생성하는 장치인 전단 반응장치이고, 82는 원료와 기계적 동력을 입력하여 반응생성물을 생성하는 장치인 전단 반응장치이고, 83은 후단 반응장치이다. 84는 전단 반응장치(81)에 공급하는 원료이고, 85는 전단 반응장치(81)의 반응의 계기를 공급하는 여기수단이다. 86은 전단 반응장치 (81)로부터 발생하여 전단 반응장치(82)에 공급하는 기계적 동력이고, 87은 전단 반응장치(81)로부터 생성하여 전단 반응장치(82)에 공급하는 반응생성물이고, 88은 전단 반응장치(82)로부터 생성하는 반응생성물이다. 89는 후단 반응장치가 발생하는 에너지이다. 일 실시예로서 전단 반응장치(81)로 압축팽창기관, 전단 반응장치 (82)로 압축기관, 후단 반응장치(83)로 연료전지의 경우를 설명한다.

원료(84)를 메탄올과 산소로 한다. 전단 반응장치(81)에서는 식 (1)의 부분 산화반응이 행하여지고, 기계적 동력(86)과 반응생성물(85)이 발생한다. 반응생성물(85)은 미반응 메탄올, 수소, 수증기, 일산화탄소 및 이산화탄소 등 주성분이다.전단 반응장치(62)에 투입된 반응생성물(85)은 기계적 동력(86)에 의해 메탄올과 수증기의 반응인 식 (2)의 수증기 개질반응, 또는 식 (1) 및 식 (2)가 혼재하는 복합개질반응이 촉진된다. 이 시스템에서는 식 (1)과 식 (2)를 가지기 때문에 연료전지에 열과 수소의 양자를 안정되게 공급할 수 있다.

여기서는 전단 반응장치로서 원료와 기계적 동력을 입력하여 반응생성물을 생성하는 장치, 원료를 입력하여 기계적 동력과 반응생성물을 생성하는 장치를 예로 들었으나, 원료와 기계적 동력을 입력하여 기계적 동력과 반응생성물을 생성하는 반응장치를 전단 반응장치로서 사용하는 것은 아무런 지장은 없다. 또 각종 전단 반응장치의 배치는 직렬 이외이더라도 아무런 지장은 없고, 각종 전단 반응장치의 개수는 2개 이상이더라도 아무런 지장은 없다.

이상이 본 발명의 일 실시예이고, 전단 반응장치 및 후단 반응장치를 가지는 에너지발생장치 및 에너지발생장치 탑재차량에 대하여 설명하였다. 전단 반응장치에 공급하는 원료를 가열하는 가열용 연료는 미반응 성분에 대하여 설명하였으나, 원료 및 반응생성물을 사용하여도 아무런 지장은 없다.

또한 전단 반응장치의 일례로서 내연기관을 예로 들었으나, 전단 반응장치는 외연기관 등이더라도 지장없다. 마찬가지로 전열수단을 거쳐 원료를 가열하는 열원은 개질기관과 연료전지에 대하여 설명하였으나, 모터, 인버터나 2차 전지 등의 모터구동수단 및 기계적 부하를 열원으로 하여도 아무런 지장은 없다. 개질기관, 연료전지, 모터, 모터구동수단 및 기계적 부하 이외의 열원을 가진다면 그 열을 이용할 나위가 없음은 물론이다. 또 후단 반응장치의 일례로서 연료전지를 예로 들었으나, 후단 반응장치는 열기관, 발광장치 및 음향장치 등이더라도 지장없다. 또한 자동차뿐만 아니라, 선박, 철도차량 등 다른 수송기관 및 화학플랜트, 발전시설 등에도 본 발명을 적용할 수 있음은 물론이다.

다음에 본 발명을 사용하여 차량을 구성한 경우의 다른 실시예에 대하여 설명한다.

도 13은 본 발명에 의한 연료전지시스템 탑재차량의 일 실시예이다. 여기서 211은 차량의 구동축이다. 212는 본 발명의 특징인 개질기관이고, 메탄올을 대기중의 산소와 부분 산화시킴으로써 수소, 열 및 기계적 동력을 발생한다. 또한 본문중에서 개질기관이란, 개질반응에 의해 수소와 기계적 동력의 쌍방을 발생가능한 것을 가리킨다. 개질기관(212)의 상세한 설명은 뒤에서 설명한다.

213은 연료전지이고, 개질기관(212)으로부터 얻어지는 수소를 연료극에 공급함으로써 직류전력을 발생한다. 또 연료전지(213)는 개질기관(212)으로부터 발생하는 열을 받음으로써 효율적 반응가능 온도로의 빠른 이행이 가능해진다.

214는 발전기이고, 개질기관(212)이 발생하는 기계적 동력을 전기적 에너지로 변환한다. 215는 교류전력변환수단이고, 발전기(214)에 의해 얻어진 교류전력을 직류전력으로 변환한다. 또한 교류전력변환수단은 일반적으로는 컨버터라 불리우는 것과 동등품이고, 다이오드브리지 등에 의해 구성된다.

216은 축전수단이고, 통상 니켈수소전지, 리튬전지 등의 2차 전지, 또는 콘덴서뱅크, 전기 2중층 콘덴서 등을 사용한다. 연료전지(213), 발전기(214)로부터 얻어지는 전력은 축전수단(216)에 축전된다.

217은 직류전력변환수단이고, 일반적으로는 인버터라 불리우는 것과 동등하다. 218은 모터이며, 일반적으로 견고하고 고효율인 것을 이유로 하여 유도모터, 동기모터, 자기저항모터 등의 교류모터가 사용된다. 직류전력변환수단(217)은 교류모터(218)를 구동하기 위하여 설치된 것이다.

219는 에너지관리수단이고, 엑셀러레이터 개방도 등의 운전자지령 및 차속 등의 차량정보에 따라 각 컴포넌트에 지령신호를 발생한다. 본 시스템은 모터 (218)의 에너지원으로서 연료전지(213)와 발전기(214)라는 병렬된 2개의 수단을 가지기 때문에 운전상태에 따라 최적의 발전비율을 결정하는 필요상, 에너지관리수단 (219)이 설치되어 있다.

도 13의 구성에 의한 연료전지시스템에는 이하의 특징이 있다. 먼저 연료전지와는 별도의 전기적 에너지발생수단을 가지기 위하여 시동시 등 연료전지온도가 낮은 경우에도 전력을 공급할 수 있다. 다음으로 개질기관(212)은 연료전지에 수소연료를 공급하는 개질기와 발전기에 기계적 동력을 공급하는 엔진이 일체화된 작용을 가지기 때문에 개별로 개질기와 엔진를 탑재한 경우보다 시스템용적을 작게 정리할 수 있다. 또 개질기관(212)과 연료전지(213) 사이의 열교환을 이용함으로써 연료전지(213)의 온도를 최적치로 유지하는 것이 용이하게 되어 연료전지(213)의 효율적인 운전이 가능하게 된다. 또한 연료전지 고장시에도 발전기를 사용하여 전력을 공급할 수 있기 때문에 견고한 시스템을 구축할 수 있다.

본 시스템의 특징은 개질기관(212)에 있다. 이후 도 14를 사용하여 개질기관(212)의 설명을 행한다.

도 14에 있어서 221은 반응실, 222는 피스톤, 223은 크랭크, 224는 기계적 출력축이다. 개질기관(212)은 반응실(221)내에서 개질반응, 또는 발열반응, 또는 그 쌍방을 행한다. 여기서 개질반응이란, 조성으로서 수소를 포함하는 화합물을 원재료로 하여 수소를 생성하는 반응을 가리키고, 또 발열반응이란 반응시에 열을 발생시키는 반응을 가리킨다. 일반적으로 개질반응의 원재료로서는 메탄, 메탄올, DME(디메틸에테르) 등이 사용되나, 본 발명은 특정한 연료에 한정되는 것이 아니다. 여기서는 메탄올을 원재료로 하였을 때의 거동에 대하여 설명한다.

피스톤(222)은 실린더형상의 반응실(221)을 왕복운동 자유롭게 설치되어 있고, 피스톤(222)은 컨로드에 의해 크랭크(223)에 설치된다. 피스톤(222)의 왕복 운동은 크랭크(223)에 의해 회전운동으로 변환되고, 상기 회전운동은 기계적 출력축(224)으로부터 인출된다.

225는 흡기구, 226은 연료분사밸브, 227은 연료파이프, 228은 스위핑포트, 229는 물분사밸브이다. 230은 흡기밸브, 231은 배기밸브, 232는 점화플러그이다.

개질기관(212)은 흡기구(225)로부터 외기를 흡입하고, 반응실(221)에 있어서 외기를 압축한다. 메탄올은 피스톤(222)의 상사점 부근에서 연료분사밸브(226)에 의해 분출되고, 상기 메탄올과 흡입된 외기와의 혼합기는 점화플러그(232)에 의해 착화, 반응한다. 또한 여기서는 종래의 내연기관구성과 비슷하게 하여 반응개시수단으로서 점화플러그(232)를 가지는 실시예를 나타내었으나, 반응개시수단으로서 점화플러그(232)에 의한 점화를 대신하여 압축열을 사용하여 개질반응을 행하게 하는 수단이나, 촉매, 버너에 의해 개질을 행한다는 수단을 사용할 수도 있다. 반응개시수단은 수소생성효율이나 온도관리방법의 용이함을 고려하여 선정된다. 또 2개 이상의 반응개시수단을 가져도 지장없다.

반응생성물은 스위핑포트(228)로부터 스위핑된다. 이들 반응행정은 4 사이클 엔진과 동등하므로 상세한 설명은 생략한다.

233은 개질가스 송출배관, 234는 배기구, 235는 밸브기구이다. 밸브기구 (235)는 반응실(221)의 반응상태에 따라 스위핑포트(228)로부터 스위핑된 반응생성물의 유로를 변경한다. 반응생성물이 수소가 풍부한 개질가스인 경우에는 밸브기구(235)에 의해 반응생성물은 개질가스 송출배관(233)을 경유하여 연료전지(213)에 송출된다. 그 이외의 경우 반응생성물은 밸브기구(235)에 의해 배기구(234)를 경유하여 외부로 송출된다.

236은 열전달수단, 237은 발전기(214)에 설치된 엔코더이다. 열전달수단 (236)은 개질기관(212)으로부터 발생하는 열을 연료전지(213)에, 또는 연료전지 (213)로부터 발생하는 열을 개질기관(212)에 전달하는 작용을 한다. 열전달수단 (236)은 필요에 따라 열저항을 변화시키기 위한 열클러치라는 수단을 사용하는 일도 있다. 또 본 구성에서는 개질기관(212)의 기계적 출력축(224)이 발전기(214)와 직결되어 있으므로 발전기(214)의 속도센서를 상정한 엔코더(237)는 고질기관의 회전수를 측정하는 것도 가능하다. 도 14에 나타낸 개질기관에서는 개질기관의 회전수가 토출수소량에 비례하기 때문에 연료전지에 대한 연료공급량은 반응실(221)내의 온도를 알 수 있으면 엔코더(237)에 의해 정확하게 파악할 수 있다.

240은 개질기관(212)을 제어하는 개질기관제어수단, 241은 연료분사밸브(226)로부터 분사되는 메탄올연료량 및 물분사밸브(229)로부터 분사되는 물의 양을 제어하는 분사량제어수단, 242는 흡기밸브(230) 및 배기밸브(231)의 개폐를 제어하는 밸브개폐제어수단, 243은 밸브기구(235)를 제어하는 밸브제어수단이다.

다음으로 본 발명에 의한 개질기관(212)의 동작에 대하여 설명을 행한다.

개질기관(212)은 반응실(221)내에서 이하의 4가지 열방정식으로 표시된 반응중중 어느 하나를 행한다.

CH3OH + 2O2 + 2H2O + CO2 + 727 kJ/mol

CH3OH + 1/2O2 ÷2H2 + CO2 + 155 kJ/mol

CH3OH + 1/3O2 + 1/3H2O ÷CO2 + 7/3H2 + 59.7 kJ/mol

CH3OH + H2O ÷CO2 + 3H2 - 131 kJ/mol

식 (5)는 완전산화의 반응식이다. 식 (6)은 부분개질이라 불리우는 반응이고, 식 (7)은 복합개질이라 불리우는 반응, 식 (8)은 수증기개질이라 불리우는 반응이다. 도 14에 있어서 물분사밸브(229)는 식 (7), 식 (8)을 실현하기 위하여 설치된 것이다.

메탄올 1 mol 당 발생하는 수소가 많은 순서대로 상기 식을 나열하면 아래와 같이 된다.

식 (8) > 식 (7) > 식 (6) > 식 (5)

또한 식 (5)의 반응에서는 수소를 발생하지 않는다.

또 발생열량이 많은 순서대로 상기 식을 나열하면 아래와 같이 된다.

식 (5) > 식 (6) > 식 (7) > 식 (8)

또한 여기서 식 (8)은 흡열반응이므로, 외부로 기계적 동력을 인출하기에는 부적당하다.

이상으로 발전기(214)에 의한 발생전력의 비율을 증가시키기 위해서는 식 (5), 식 (6)에 의한 반응을 반응실(221)내에서 행하고, 연료전지(213)를 주로 사용하는 경우에는 식 (7)에 의한 반응을 행하면 좋다. 또 연료전지(213)의 온도가 높은 경우에는 식 (8)을 사용하여 흡열반응에 의해 냉각한다. 밸브제어수단(243)은 식 (6), (7), (8)의 반응시에는 밸브기구(235)를 조작하여 스위핑포트(228)를 개질 가스송출배관(233)에 접속하여 생성수소를 연료전지(213)에 송출한다. 또 식 (5)의 반응시에는 스위핑포트(228)를 배기구(234)에 접속하여 외부로 배출한다. 이 후 이들 동작의 상세에 대하여 설명한다.

개질기관(212)은 시동시 등에 있어서 연료전지온도가 연료전지의 최적온도보다 매우 낮은 경우에는 메탄올을 식 (5)와 같이 완전 산화시켜 메탄올이 가지는 모든 에너지를 연소열로서 인출한다. 이 경우 모든 에너지는 기계적 동력축(224)에 의해 출력되고, 발전기(214)를 거쳐 축전수단(216)에 축전된다. 이에 의해 연료전지(213)가 사용 불가능한 상태이더라도 본 시스템은 발전기를 경유하여 에너지를 인출하는 것이 가능하다. 또한 이 때의 개질기관(212)의 동작은 메탄올 엔진과 동일하다. 또 개질기관(212)으로부터 발생하는 폐열은 열전달수단(236)에 의해 연료전지 (213)에 보내져 연료전지(213)를 덥힌다. 이에 의하여 연료전지(213)의 기동시간을 단축하는 효과도 아울러 가진다.

연료전지온도가 상승하여 연료전지에서 발전할 수 있게 되었을 때에는 개질기관(212)은 식 (6)에 나타내는 부분 산화반응을 행한다. 이 반응은 발열반응이기 때문에 수소를 생성하면서 기계적 동력을 인출할 수 있다. 이 반응의 배출열은 열전달수단 (236)에 의해 연료전지(213)의 여열에 사용된다. 또한 식 (6)은 1.5 mol의 피반응물로부터 3 mol의 생성물이 얻어지는 것을 나타내고 있고, 수소생성반응 촉진을 위해서는 (1)의 반응을 행하는 경우와 비교하여 압축율을 낮추는 것이 바람직하다. 도 14에 있어서의 흡기밸브(230), 배기밸브(231)는 각각 밸브개폐제어수단(242)에 의해 제어되고 있어 압축비의 변경에 대처한다.

연료전지가 적온이 되고, 또한 축전수단(216)에 그다지 전력이 남지 않았을 때, 개질기관(212)은 식 (7)에 나타내는 복합개질을 행한다. 이 반응에 의한 발열은 적으나, 생성된 수소의 송출에 필요한 펌핑정도의 기계적 동력은 충분히 인출할 수 있다.

반응실(221)이 충분히 고온이 되었을 경우, 식 (8)의 수증기개질을 행한다. 식 (8)은 흡열반응이고, 그대로는 피스톤(222)을 왕복운동할 수 없어 개질가스를 연료전지(213)에 송출할 수 없다. 그 때문에 발전기(214)를 모터로서 사용하여 개질 가스를 펌핑하여 연료전지에 보낸다. 교류전력변환수단(215)은 축전수단(216)으로부터 얻어지는 직류전력을 교류전력으로 변환함으로써 발전기(214)를 모터링한다. 발전기(214)가 필요로 하는 에너지는 초기 압축시에 구동토오크가 필요하나, 기계적 출력축(224)의 관성모멘트를 크게 취하면 전체로서의 손실은 펌핑손실정도로 매우 작아지고, 또 식 (8)에 의한 수증기개질반응은 제시한 4 종류의 반응중, 가장 수소생성효율이 높기 때문에 모터링에 의한 손실을 빼더라도 충분히 효율이 높은 운전이 가능해진다. 이와 같이 수증기개질을 행함으로써 고온이 된 반응실 (221)을 냉각하여 반응실(221)의 온도를 과도하게 올리지 않는 작용을 가진다.

여기서 반응실(221)의 온도를 내리는 경우에 대하여 설명하였으나, 개질온도는 각 반응마다 다르기 때문에 반응실(221)의 온도를 올리는 수단도 가지지 않으면 안된다. 온도를 올리기 위해서는 실린더에 열원을 설치하는 방법이나, 일단 과도적으로 (5)의 발열반응을 일으키는 방법 등이 있다. 또한 흡배기밸브(230, 231)의 개폐타이밍을 조작하여 압축비를 일시적으로 올린다는 수단을 병용할 수도 있다. 이는 단열압축에 의해 순간에 온도를 올릴 수 있다는 특징을 가진다.

개질장치로서 도 14의 구성을 채용함으로써, 다음과 같은 이점이 생긴다.

먼저, 본 구성은 시스템 전체를 소형 경량화할 수 있음을 들 수 있다. 본 구성은 내연기관과 개질기의 쌍방의 기능을 가지고 있어, 연료전지의 성능이 낮은 환경하에서도 내연기관으로서 동작하여 발전성능을 확보할 수 있다. 이와 같은 기능을 가지게 하기 위하여 종래는 개질기와 엔진를 구비할 필요가 있어 시스템 전체가 커진다는 문제가 있었다. 또 본 구성에서는 수소연료의 양을 회전수에 의해 제어하기 때문에 작은 배기량의 개질기관이더라도 고속으로 동작시킴으로써 충분한 수소연료를 공급가능하다. 이것도 장치 전체의 소형화에 공헌한다.

다음으로 본 구성은 반응효율이 좋다는 특징이 있다. 이것은 반응물의 비율을 관리하는 것이 용이하고, 미반응 배출물이 적기 때문이다. 본 구성은 밀폐공간에서 반응을 일으키기 때문에 반응실의 용적은 이미 알려져 있다. 또 반응전의 압력은 흡기밸브(230)의 개폐타이밍제어에 의해 검출가능하다. 따라서 연료분사밸브 (232)의 연료분사 직전의 온도를 실측 또는 냉각수온도 등으로부터 추정하면 정확하게 반응물의 mol수를 관리할 수 있다. 생성물의 양을 파악하는 것도 용이하고, 연료전지의 발전량을 정확하게 예상하는 것이 가능하다는 이점도 있다.

또한 급속한 부하변동에 대한 대응이 용이하다는 특징도 가진다. 본 구성에서는 개질기관에 의해 항상 발생수소연료를 펌핑하여 연료전지에 공급하기 때문에 수소연료의 양을 신속하게 조절할 수 있다.

이상, 개질기관(212)의 기본적인 부분의 구성에 대하여 설명하였으나, 개질효율향상을 위해 부가부품을 설치하는 것이 가능하다. 예를 들면 233은 개질가스송출배관 중도에 CO 선택산화기를 삽입하여 반응상 악영향을 미치는 CO를 무해한 CO2로 바꾸는 것은 유효하다. 또 H2 선택 투과막의 삽입도 효과적이다. 이들 부가부품에 대해서는 공지이기 때문에 상세한 설명은 생략한다.

도 15는 물분사밸브(229)로부터 분사하는 물을 회수하는 기구의 일 실시예이다. 여기서 251은 냉각기, 252는 물탱크, 253은 물펌프이다.

식 (5)의 반응에 의해 H2O와 CO2가 생성된다. 이들은 냉각기(251)에 의해 상온으로 냉각함으로써 H2O를 액체로서 회수할 수 있다. 회수된 H2O는 물탱크 (252)에 일시 저장되어 물펌프(253)에 의해 물분사밸브(229)에 송출된다.

지금까지 개질기관(212)의 동작에 대하여 설명하였으나, 개질기관(212)은 본 발명의 주지를 변화시키지 않는 범위에서 다른 여러가지의 실시형태를 채용할 수 있다. 예를 들면 도 14에서는 4 스트로크 내연기관의 구성을 나타내었으나, 2 스트로크 이더라도 반응실(221)내에서 개질반응을 행할 수 있다. 또한 내연기관에 한정하지 않고 식 (5) 내지 (7)의 발열반응을 사용한 외연기관이더라도 본 발명의 주지를 변화시키지 않음은 분명하다.

다음으로 본 연료전지시스템 탑재차량을 제어하는 에너지관리수단(219)에 대하여, 특히 개질기관의 제어방법을 도 16에 의해 설명한다.

도 16은 도 13에 있어서의 에너지관리수단(219)의 일 실시예이다.

본 연료전지 시스템이 발생하는 요구전력(Preq)은 직접 차량구동에 사용하는 구동전력(Pdrv)과 축전수단(16)의 축전량 증가분에 충당되는 요구충전전력(Pchg)의 합으로서 표시된다. 구동전력은 엑셀러레이터 개방도(θac)와 차속(Vvh)을 입력으로 하는 출력환산수단(261)에 의해서 산출된다. 일반적으로 출력환산수단(261)은 엑셀러레이터 개방도를 차량요구토오크로 변환하는 토오크맵을 가지고, 상기 구동전력을 상기 토오크맵으로부터 얻어지는 토오크와 차속의 곱으로서 산출한다. 요구충전전력(Pchg)은 축전수단 잔존용량(SOC)으로부터 요구발전량 맵(262)을 사용하여 결정된다.

상기 요구전력토오크는 회전수 설정수단(263) 및 리미터(264)에 의해 회전수기본지령(ω1)으로 변환된다. 여기서 회전수 설정수단은 반응실(221)내 온도 (Tcyl), 채용반응식 정보(Nr)를 입력하여 사용한다. 여기서 채용반응식 정보 (Nr)란, 반응실(221)내에서 행하고자 하는 반응식을 지정한다. 반응식 (5)를 사용하는 경우에는 예를 들면 정수(1)가 회전수 설정수단(263)에 송출된다. 채용반응식 정보(Nr)의 결정방법에 대해서는 뒤에서 설명한다. 리미터는 발전기 최고 회전수, 축전수단(16)의 충전상태, 연료전지의 최대 발전량 등에 의해 결정된다.

회전수 설정수단(263)의 동작에 대하여 간단하게 설명한다.

개질기관(212)은 메탄올 연료가 가지는 화학 에너지를 연료전지에 공급하는 수소의 화학적 에너지와, 피스톤(222)의 기계적 압력에 의한 기계적 에너지로 변환한다. 개질기관(212)의 사이클당 생성하는 수소의 화학 에너지는 생성수소의 mol수에 비례하기 때문에 단위시간당 변환하는 수소의 화학 에너지량은 매우 단순하게는 하기식으로 표시된다.

Pi(H2) = Kci·Pri·Vri·ωe/Tcyl

여기서 첨자(i)는 사용반응식을 지시하는 것으로, 예를 들면 식 (5)의 경우를 1로 한다. 현재 대상으로 하고 있는 반응식은 (5) 내지 (8)이며, i = {1, 2, 3, 4}로 한다. Pi(H2)는 반응식(i)을 사용하였을 때의 수소의 화학 에너지, Kci는 정수, Pri는 반응식(i)을 사용하였을 때의 반응 직전에 있어서의 반응실(212)의 압력, Vri는 반응식(i)을 사용하였을 때의 반응 직전에 있어의 반응실(212)의 용적, ωe는 개질기관(212)의 회전수, Tcyl은 반응실내 온도의 실측 또는 추정치이다. 반응식(i)이 결정되면, Ki, Pri, Vri는 정해지기 때문에, 반응식(i)을 사용하였을 때의 수소의 화학 에너지 Pi(H2)는 식 (10)과 같이 쓸 수 있다.

Pi(H2) = Kci'·ωe/Tcyl

여기서 Kci'는 정수이다.

한편, 개질기관(212)의 1사이클당 생성하는 기계 에너지는 압력과 용적의 곱을 시간적분한 것으서 표시된다. 일반적으로는 압력은 시시각각 변화하나 매우 단순하게 근사시키면 단위당 기계적 에너지량은 아래와 같이 표시한다.

Pi(Mech) = Kmi·Pmi·ωe

여기서 Kmi는 정수이다.

식 (9), (11)로부터 개질기관 회전수(ωe)와 요구전력(Preq) 사이에는 하기의 관계가 성립하는 것을 알 수 있다.

여기서 ηfc는 연료전지효율, ηe는 개질기관의 기관효율, A, B는 반응식에 의해 결정되는 정수이다. 식 (12)에 의해 용이하게 요구전력(Preq)으로부터 회전수지령(여기서는 ωe)을 결정할 수 있다. 또 단순화 하기 위해 효율을 정수로서 취급하였으나, 일반적으로는 η은 반응실내 온도(Tcyl)와 회전수(ωe)의 함수이다.이들을 고려하는 경우, 요구발전량(Preq)은 회전수(ωe) 및 반응실내 온도(Tcyl)의 함수 이기 때문에 맵 등의 수단에 의해 회전수(ωe)를 결정하는 것이 가능하다.

도 16에서는 회전수 기본지령(ω1)에 회전수 보정치(Δω)를 가산하여 최종적인 개질기관 회전수지령(ω*)을 결정한다. 이것은 요구전력(Preq)과 발생전력 실측치(Pgen) 사이에 차이가 있는 경우, 회전수를 보정하여 실제의 발생전력을 요구전력(Preq)에 가깝게 하기 위하여 설치된 것이다. 회전수 보정수단(65)의 동작 에 대해서는 뒤에서 설명한다.

최종적으로 얻어진 개질기관 회전수지령(ω*)은 발전기(214)의 제어기에 보내진다. 발전기(214)의 제어기는 속도제한을 행하여 발전기(214)의 회전수는 개질기관회전수지령(ω*)에 따른다. 발전기(14)는 개질기관의 기계적 출력축(224)에 설치되기 때문에 발전기(214)의 속도제한에 의해 개질기관 회전수를 제어할 수 있다.

다음으로 채용반응식 정보(Nr)의 결정방법에 대하여 설명한다.

개질기관(212)은 여러가지의 반응을 선택하여 에너지를 발생할 수 있으나, 그 중에서도 총합에너지발생효율이 최대가 되는 반응을 선택하는 것이 바람직하다. 그 때문에 각 반응식 사용시의 총합효율을 추정하는 수단을 설치한다. 여기서 266은 발전기 실회전수로부터 개질기관 실회전수로 변환하는 회전수 변환수단이다. 일반적으로는 개질기관(212)의 기계적 출력축(224)과 발전기(214)의 회전축은 기어나 풀리에 의해 결합되기 때문에 개질기관(212)의 기계적 출력축(224)과 발전기 (214)의 회전축의 회전수비를 고려하기 위한 회전수 변환수단(266)이 필요하게 된다.

267은 각 식 사용시 전체효율 추정수단이다. 268은 반응식 효율비교수단이고, 267에 의해 얻어지는 각 식 사용시 효율을 비교하여 최고효율이 되는 반응식을 선택하여 채용반응식 정보(Nr)를 출력한다. 채용반응식 정보(Nr)는 개질기관 제어수단(240)에 출력되어 개질기관(212)의 압축비, 연료분사량, 물분사량, 밸브위치 등을 제어한다.

269는 토오크환산수단이고, 엑셀러레이터 개방도(θac)로부터 모터(218)의 토오크지령을 생성한다.

도 17에 회전수 보정수단(265)의 설명도를 나타낸다.

일반적으로 전력은 회전수와 토오크의 곱으로 표시한다. 회전수 보정수단 (265)에서는 발전기의 전력오차를 발전기의 실토오크로 나눔으로써 회전수의 보정치를 계산하는 구성으로 하고 있다. 발전기의 전력오차(ΔPg)는 전체의 전력오차 (ΔP)를 비례배분하여 구한다. 여기서 전체의 발전량에 대한 연료전지의 발전비율을 전력배분비라 정의하고 α로 표기한다. 예를 들면 반응식 (2)으로 운전하고 있는 경우, 연료전지효율을 0.5, 기관효율을 0.3으로 가정하였을 때, 전력배분비(α)는 아래와 같이 계산된다.

먼저, 생성수소의 화학 에너지는 수소 1 mol당 286 kJ/mol이기 때문에 메탄올 1 mol당 572 kJ/mol이 된다. 연료전지효율을 곱하면 연료전지출력은 메탄올 1 mol당 286 kJ/mol로 계산할 수 있다.

기계적 에너지는 반응열이 155 kJ/mol, 기관효율이 0.3 이기 때문에 메탄올1 mol당 46.5 kJ/mol 이다.

따라서 전력배분비(α)는 아래와 같이 된다.

상기 계산은 전력배분비 연산수단(271)으로 행하여진다. 또한 여기서는 효율을 정수로서 단순화되고 있으나, 회전수정보, 반응실온도 등을 고려하여 정밀도를올릴 수도 있다.

272는 발전기 전력오차 연산수단이고, 전력오차에 1 - α를 곱하여 발전기 전력오차를 계산한다. 산출된 발전기 전력오차는 발전기의 실토오크로 나누어져 저대역통과필터(274)를 거쳐 회전수 보정치(Δω)로서 출력된다. 또한 상기 발전기의 실토오크는 토오크센서를 사용하여 실측하여도 좋으나, 여기서는 개질기관의 실회전수(ωrea1)와 발전기 발생전력(Pg)에 의해 추정하는 구성으로 하고 있다.

상기한 바와 같이 전력은 회전수와 토오크의 곱으로 나타내지기 때문에 발전기의 실토오크 추정치는 발전기의 공급파워를 발전기의 실회전수로 나눈 것이다. 발전기의 공급파워(Pgs)는 발전기 발생전력(Pg)을 효율 보정하여 얻어지고, 효율은 발전기 실회전수와 발전기 발생전력(Pg)을 입력으로하여 맵 검색함으로써 얻어진다. 276은 효율 역맵이고, 회전수와 발생전력으로부터 효율을 구하는 맵이다. 277은 발전기공급파워 산출수단이고, 278은 발전기 실토오크 추정치 연산수단이다.

또한 지금까지 식 (5) 내지 (8)에 나타낸 4개의 반응식을 선택하여 개질기관 (212)를 운전하는 방법에 대하여 나타내었으나, 식 (6) 내지 식 (8)로 연속적으로이행하는 운전도 용이하게 실현할 수 있다.

예를 들면 식 (6)에 의한 반응비율을 γ라 하면, 식 (6)과 식 (8)의 합성에 의해 하기식이 얻어진다.

본 구성에 의한 개질기관(212)에서는 흡입공기량은 흡배기밸브 개폐타이밍 및 실린더용적, 반응실내 온도에 의해 결정되기 때문에 공기중의 산소농도를 곱함으로써 산소량은 추정할 수 있다. 또 메탄올 및 물의 양은 연료분사밸브나 물분사밸브에 의해 분사량을 제어할 수 있다. 이와 같이 반응물의 양을 엄밀하게 관리할 수 있기 때문에 식 (14)에 의한 반응은 용이하게 실현가능하게 된다.

식 (14)를 사용하면 열적으로 완전히 조화를 이룬 점(γ= 0.458)에서의 운전도 가능하기 때문에 개질에 최적한 온도로 반응실내를 유지하는 것도 용이하다.

지금까지 연료전지(213)의 발생전력과 개질기관(212)의 기계적 동력의 쌍방을 모두 축전수단(216)에 축전하는 구조의 연료전지 탑재차량에 대하여 설명하였으나, 개질기관(212)이 발생하는 기계적 동력을 직접 차축(211)에 전달하는 구성으로도 할 수 있다. 이 경우 개질기관(212)에 속도제한수단을 설치할 필요가 있으나, 발전기(214)를 생략할 수 있으므로 시스템의 소형화가 가능하다. 이 구성예를 도 18에 나타낸다. 여기서 280은 토오크합성수단이다. 이것은 개질기관(212)과 모터 (218)의 양쪽에서 차축을 직접 구동할 수 있도록 설치한 것으로, 각종 기어로 용이하게 실현할 수 있다. 더욱 단순하게는 개질기관(212)의 회전축과 모터(218)의 회전축을 동축상에 배치하여 클러치로 접속/단속하는 구성으로 하여도 좋다.

본 발명은 개질기와 열기관을 일체화한 개질기관과 연료전지를 가지는 에너지발생장치에 있어서, 연료전지, 개질기관 및 미반응 연료로부터의 열을 유효하게 이용하여 개질기관의 입구온도를 높임으로써 개질효율를 향상시켜 시스템 전체의 효율향상을 도모하는 것이다.

Claims

원료를 입력하여 반응생성물을 생성하는 하나 이상의 전단 반응수단과,

상기 반응생성물을 입력으로하여 에너지를 발생하는 후단 반응수단을 가지고,

상기 전단 반응수단은 기계적 동력을 외부로부터 입력함으로써 상기 반응생성물을 생성하거나,

또는 상기 전단 반응수단내에서의 화학반응에 의해 발생하는 기계적 동력을 외부로 출력하는 것을 특징으로 하는 에너지발생장치.
제 1항에 있어서,

상기 전단 반응수단의 적어도 하나는 상기 원료와 상기 기계적 동력을 입력하여 상기 원료보다도 화학적 에너지가 높은 반응생성물을 발생하는 것을 특징으로 하는 에너지발생장치.
제 1항에 있어서,

상기 전단 반응수단의 적어도 하나는 상기 원료와 연소의 성질이 다른 반응생성물을 발생하는 것을 특징으로 하는 에너지발생장치.
제 1항에 있어서,

상기 전단 반응수단은 반응생성물 또는 반응생성물의 조성비율을 제어하는 반응조성제어수단을 가지고,

상기 전단 반응수단의 반응생성물의 출력구에 접속된 근원(根源)배관은 2개 이상의 이송배관으로 분기되고,

상기 이송배관의 적어도 하나는 상기 후단 반응수단에 접속되고,

상기 에너지발생장치는 사용배관선택수단을 가지고,

상기 사용배관선택수단은 상기 반응조성제어수단으로부터의 정보를 이용하여 사용하는 상기 이송배관을 전환하는 것을 특징으로 하는 에너지발생장치.
제 1항에 있어서,

상기 전단 반응수단은 전기에너지를 기계적 동력으로 또는 기계적 동력을 전기에너지로 변환하는 에너지변환수단을 가지는 것을 특징으로 하는 에너지발생장치.
제 1항에 있어서,

상기 전단 반응수단과 상기 후단 반응수단이 전열수단에 의해 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 에너지발생장치.
제 1항에 있어서,

상기 전단 반응수단은 열기관이고, 상기 후단 반응수단은 연료전지인 것을특징으로 하는 에너지발생장치.
제 7항에 있어서,

상기 열기관은 물공급수단을 가지고, 상기 열기관은 상기 물공급수단에 의해 공급된 물을 사용한 수증기 분위기내에서 상기 전단반응을 행하는 것을 특징으로 하는 에너지발생장치.
제 7항에 있어서,

상기 열기관은 내연기관이고, 상기 내연기관은 연료분사밸브를 구비하고, 상기 반응조성제어수단은 상기 연료분사밸브로부터 분출되는 연료량을 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지발생장치.
제 7항에 있어서,

상기 열기관은 내연기관이고, 상기 내연기관은 가변구동밸브를 가지고, 상기 반응조성제어수단은 상기 가변구동밸브의 개폐타이밍을 변화시켜 상기 내연기관의 압축비를 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지발생장치.
제 7항에 있어서,

상기 열기관은 기계적 동력을 발생하는 기간을 가지고, 상기 열기관은 상기 기계적 동력을 사용하여 상기 연료전지에 압축공기를 공급하는 수단을 갖는 것을특징으로 하는 에너지발생장치.
제 7항에 있어서,

상기 열기관은 연료전지에 공급하는 연료를 생성하는 개질반응과 기계적 동력발생반응중 어느 하나 또는 양쪽을 행하는 기간을 가지고,

상기 에너지발생장치는 상기 연료전지의 발전에 따르는 발생열을 사용하여 상기 열기관에 투입하는 원료를 가열하는 저온전열수단과, 또는 상기 열기관 자신의 배출열에 의해 상기 열기관에 투입하는 원료를 가열하기 위한 고온전열수단을 가지는 것을 특징으로 하는 에너지발생장치.
제 7항에 있어서,

상기 에너지발생장치는 상기 열기관에 투입하는 원료를 가열하는 가열수단을 가지고,

상기 에너지발생장치는 상기 열기관과 연료전지 사이에 연료선택수단을 구비하고,

상기 연료선택수단은 연료전지에 공급하는 반응연료와 상기 가열수단에 공급하는 가열연료를 취사(取捨)선택하고,

상기 가열수단은 상기 가열연료를 가열수단용 연료로서 사용하는 것을 특징으로 하는 에너지발생장치.
제 7항에 있어서,

상기 에너지발생장치는 상기 열기관에 투입하는 원료를 가열하는 가열수단을 가지고,

상기 에너지발생장치는 연료전지반응생성물 출구부에 연료회수수단을 구비하고,

상기 가열수단은 상기 연료회수 수단에 의해 회수된 연료전지에 있어서 미반응물을 상기 가열수단용 연료로서 사용하는 것을 특징으로 하는 에너지발생장치.
제 12항 또는 제 13항에 있어서,

상기 내연기관은 원료를 반송하는 흡기관을 가지고,

상기 가열수단과 상기 내연기관의 흡기관에 따른 거리를 L1로 하고, 상기 고온전열수단과 상기 내연기관의 흡기관에 따른 거리를 L2로 하고, 상기 저온전열수단과 상기 내연기관의 흡기관에 따른 거리를 L3 이라 하면,

L1 < L2 < L3

인 것을 특징으로 하는 에너지발생장치.
제 12항 또는 제 13항에 있어서,

상기 가열수단은 투입원료를 상기 온도관리수단이 제시하는 목표온도로 가열하기 위하여 상기 연료전지로부터의 미반응성분 및 상기연료선택수단으로부터의 배출물의 공급비율을 변화시킴으로써 공급열량을 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지발생장치.
제 7항에 있어서,

상기 열기관은 내연기관이고,

상기 에너지발생장치는 전열수단 또는 가열수단을 가지고,

상기 전열수단은 연료전지의 발생열을 열기관에 또는 열기관의 발생열을 연료전지에 전달하고,

상기 가열수단은 상기 내연기관에 투입하는 원료를 가열하고,

상기 에너지발생장치는 상기 열기관 및 상기 연료전지의 온도관리수단을 가지고,

상기 온도관리수단은 상기 내연기관의 착화시 직전의 반응실내 온도가 원료의 반응실내 분위기에 있어서의 자착화(自着火)온도 이상이 되도록 상기 전열수단 및 상기 가열수단의 열량 및 연료의 공급량을 제어하고,

상기 온도관리수단은 상기 연료전지에 공급하는 연료의 온도를 상기 연료전지의 작동온도가 되도록 상기 전열수단 및 상기 가열수단의 열량 및 연료의 공급량을 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지발생장치.
제 17항에 있어서,

상기 온도관리수단은 상기 내연기관을 제어하는 내연기관제어수단을 가지고,

상기 내연기관제어수단은 상기 온도관리수단으로부터 송출되는 흡입원료 온도정보를 수신하고,

상기 내연기관제어수단은 당량비, 압축비, 압축이력, 냉각수 온도, 윤활유 온도, 윤활유압, 흡기유량 및 압축속도중의 어느 하나의 정보를 사용하여 상기 연료전지에 공급하는 연료의 생성량을 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지발생장치.
제 7항에 기재된 에너지발생장치를 탑재한 차량으로서,

상기 차량은 상기 연료전지로부터 얻어지는 전력을 기계적 동력으로 변환하는 모터를 가지고,

상기 모터의 출력축 및 상기 열기관의 기계적 동력 출력축은 기계적 전달요소를 거쳐 차축에 접속되어 있는 차량.
제 7항에 기재된 에너지발생장치를 탑재한 차량으로서,

상기 차량은 상기 연료전지로부터 얻어지는 직류전력을 축전하는 축전수단을 가지고,

상기 열기관의 기계적 동력 출력축은 발전기에 접속되고,

상기 발전기에 의해 얻어지는 교류전력은 교류전력변환수단에 의해 직류전력으로 변환되어 상기 축전수단에 축전되고,

상기 차량은 상기 축전수단에 축전된 전력을 사용하여 차량을 구동하는 모터를 가지고,

상기 모터의 출력축은 기계적 전달요소를 거쳐 차축에 접속되어 있는 차량.
제 19항 또는 제 20항에 있어서,

상기 차량은 운전자의 지령신호와 차량정보와 상기 연료전지의 내부상태를 입력으로하여 상기 반응조성제어수단과 상기 발전기와 상기 모터를 제어하는 에너지관리수단을 가지는 차량.