KR100639011B1 - 열교환기를 이용한 연료전지 제어 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열교환기를 이용한 연료전지 제어 시스템에 관한 것이다. 연료전지스택으로부터 유입되는 미반응 연료, 수증기 및 물과, 연료공급장치로부터 유입되는 고농도 연료를 혼합하여 연료전지스택의 애노드에 공급하는 혼합장치가 구비된 직접 메탄올 연료전지시스템을 제어하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 제어 시스템은, 메모리에 저장되어 있는 프로그램과, 메모리에 결합되어 프로그램을 수행하는 프로세서를 포함하되, 프로세서는 프로그램에 의해, 연료전지스택의 출력 전압 및 출력 전류를 받고, 기저장된 룩업테이블을 이용하여 입력된 출력 전압 및 출력 전류에 상응하는 연료농도를 추출하고, 추출된 연료농도가 기저장된 기준 연료농도보다 높으면, 연료전지스택의 캐소드측 유출구와 혼합장치를 연결시키는 배관에 인접하게 설치된 열교환기를 소정 시간동안 동작시켜 배관을 강제 공냉시키고, 배관을 통과하는 수증기의 응축량을 소정량 증가시켜 혼합 연료의 농도를 낮추고, 연료농도가 낮아진 혼합 연료를 연료전지스택에 공급한다.
연료전지, 열교환기, 팬, 연료, 농도, 수증기, 응축, 제어

Description

열교환기를 이용한 연료전지 제어 시스템{Fuel cell control system using heat exchanger}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 제어 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 제어 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 연료전지 제어 시스템에 적용가능한 제어장치를 나타내는 블록도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
110: 연료전지스택 120: 연료공급장치
130: 산화제공급장치 140: 혼합장치
142: 제1 배관 144: 제2 배관
146: 펌프 150: 열교환기
160: 제어장치 170: 전력변환장치
본 발명은 연료전지 제어 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 직접 메탄올 연료전지 시스템의 열교환기를 이용하여 일정한 농도의 연료 공급을 구현하는 연료전지 제어 시스템에 관한 것이다.
연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템이다.
연료 전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산 연료전지, 용융탄산염 연료전지, 고체 산화물 연료전지, 고분자 전해질 연료전지, 알칼리 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
이들 중 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 월등히 높고, 작동 온도가 낮으며, 아울러 빠른 시동 및 응답특성과 함께, 휴대용 전자기기용과 같은 이동용(transportable) 전원이나 자동차용 동력원과 같은 수송용 전원은 물론, 주택, 공공건물의 정지형 발전소와 같은 분산용 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.
또한, 연료 전지에는 고분자 전해질 연료 전지와 유사하나 액상의 메탄올 연료를 직접 스택에 공급할 수 있는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)가 있다. 직접 메탄올 연료전지는 고분자 전해질형 연료전지와 달리 연료에서 수소를 얻기 위한 개질기를 사용하지 않기 때문에 소형화에 더욱 유리하다.
상술한 직접 메탄올 연료전지는 예를 들어 스택(stack), 연료 탱크 및 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 수소를 함유한 연료와 산소나 공기 등의 산화제를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시킨다. 이러한 스택은 통상 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(separator)로 이루어진 단위 연료전지가 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가진다. 여기서, 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조를 가진다.
한편, 직접 메탄올 연료전지는 애노드 전극에 공급되는 연료의 몰농도에 따라 그 운전 효율에 큰 차이를 보인다. 예를 들면, 애노드 전극에 공급되는 연료의 몰농도가 높으면, 현재 사용할 수 있는 고분자 전해질막의 한계로 인해 애노드측에서 캐소드측으로 넘어가는 연료의 양이 증가되고, 따라서 캐소드 전극측에서 반응하는 연료로 인해 역기전력이 발생하여 출력이 감소된다. 이것은 연료전지스택이 그 구성 및 특성에 따라 소정의 연료농도에서 최적의 운전 효율을 갖기 때문이다. 따라서, 직접 메탄올 연료전지시스템에서는 운전 효율을 향상시키기 위하여 연료의 몰농도를 적절하게 조절하는 방안이 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 도출된 것으로, 본 발명의 목적은 직접 메탄올 연료전지시스템에서 연료전지스택에 일정한 농도의 연료가 공급되도록 연료전지스택의 유출관에 결합된 열교환기를 제어하는 연료전지 제어 시스템을 제공하는 데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 연료전지스택으로부터 유입되는 미반응 연료, 수증기 및 물과, 연료공급장치로부터 유입되는 고농도 연료를 혼합하여 연료전지스택의 애노드에 공급하는 혼합장치가 구비된 직접 메탄올 연료전지시스템을 제어하기 위한 연료전지 제어 시스템에 있어서, 메모리에 저장되어 있는 프로그램과, 메모리에 결합되어 프로그램을 수행하는 프로세서를 포함하되, 프로세서는 프로그램에 의해, 연료전지스택의 출력 전압 및 출력 전류를 받고, 기저장된 룩업테이블을 이용하여 입력된 출력 전압 및 출력 전류에 상응하는 연료농도를 추출하고, 추출된 연료농도가 기저장된 기준 연료농도보다 높으면, 연료전지스택의 캐소드측 유출구와 혼합장치를 연결시키는 배관에 인접하게 설치된 열교환기를 소정 시간동안 동작시켜 배관을 강제 공냉시키고, 배관을 통과하는 수증기의 응축량을 소정량 증가시켜 혼합 연료의 농도를 낮추고, 연료농도가 낮아진 혼합 연료를 연료전지스택에 공급하는 연료전지 제어 시스템이 제공된다.
본 발명의 제2 실시예에 따르면, 연료전지스택의 미반응 연료, 수증기 및 물이 유입되는 순환처리장치와, 이 순환처리장치로부터 유입되는 저농도 연료와 연료 공급장치로부터 유입되는 고농도 연료를 혼합하여 연료전지스택의 애노드에 공급하는 연료혼합장치가 구비된 직접 메탄올 연료전지시스템을 제어하기 위한 연료전지 제어 시스템에 있어서, 메모리에 저장되어 있는 프로그램과, 메모리에 결합되어 프로그램을 수행하는 프로세서를 포함하되, 프로세서는 프로그램에 의해, 소정의 농도 센서로부터 저농도 연료의 농도에 대한 소정의 전기 신호를 받고, 기저장된 룩업테이블을 이용하여 전기 신호에 상응하는 연료농도를 추출하고, 추출된 연료농도가 기저장된 기준 연료농도보다 높으면, 연료전지스택의 캐소드측 유출구와 순환처리장치를 연결시키는 노출 배관에 인접하게 설치된 열교환기를 소정 시간동안 동작시켜 배관을 강제 공냉시키고, 배관을 통과하는 수증기의 응축량을 소정량 증가시켜 저농도 연료의 농도를 낮추고, 연료농도가 낮아진 저농도 연료를 연료혼합장치에 공급하는 연료전지 제어 시스템이 제공된다.
바람직하게, 열교환기는 노출 배관에 외기를 강제 공급하는 팬 장치이다.
또한, 프로세서는 추출된 연료농도가 기준 연료농도보다 낮으면, 연료공급장치에 저장된 고농도 연료를 혼합장치에 공급하는 펌프의 단위시간당 공급량을 증가시킬 수 있다. 다른 한편으로, 프로세서는 추출된 연료농도가 기준 연료농도보다 낮으면, 순환처리장치에 저장된 저농도 연료를 연료혼합장치에 공급하는 펌프의 단위시간당 공급량을 소정 시간동안 감소시킬 수 있다.
본 발명의 제3 실시예에 따르면, 수소를 함유한 소정 농도의 혼합 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지스택; 연료전지스택에 고농도 연료를 공급하는 연료공급장치; 연료전지스택에 산화제를 공급 하는 산화제공급장치; 연료전지스택의 유출물이 유입되고 고농도 연료가 유입되며, 유출물 중 미반응 연료 및 물과 고농도 연료가 혼합된 혼합 연료를 연료전지스택에 공급하는 혼합장치; 연료전지스택의 캐소드측 유출구와 혼합장치를 연결하는 배관에 인접하게 설치되며, 배관을 통과하는 수증기를 소정량 응축시키기 위한 열교환기; 및 연료전지스택의 출력 전압 및 출력 전류를 받고, 기저장된 룩업테이블을 이용하여 입력된 출력 전압 및 출력 전류에 상응하는 연료농도를 추출하고, 추출된 연료농도가 기저장된 기준 연료농도보다 높으면, 열교환기를 동작시켜 수증기의 응축량을 증가시키는 제어장치를 포함하는 연료전지 제어 시스템이 제공된다.
본 발명의 제4 실시예에 따르면, 수소를 함유한 소정 농도의 혼합 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지스택; 연료전지스택에 고농도 연료를 공급하는 연료공급장치; 연료전지스택에 산화제를 공급하는 산화제공급장치; 연료전지스택의 애노드측으로부터 미반응 연료가 유입되고, 연료전지스택의 캐소드측으로부터 수증기와 물이 유입되며, 미반응 연료와 물이 혼합되어 저농도 연료로 저장되는 순환처리장치; 저농도 연료 및 고농도 연료가 유입되며, 저농도 연료 및 고농도 연료가 혼합된 혼합 연료를 연료전지스택에 공급하는 연료혼합장치; 연료전지스택의 캐소드측 유출구와 순환처리장치를 연결하는 배관에 인접하게 설치되며, 배관을 통과하는 수증기를 소정량 응축시키기 위한 열교환기; 순환처리장치와 연료혼합장치를 연결하는 연료이송관에 삽입설치되며, 연료이송관을 통과하는 저농도 연료의 농도를 측정하는 농도 센서; 및 농도 센서로부터 저농도 연료의 농도에 대한 소정의 전기 신호를 받고, 기저장된 룩업테이블을 이용하여 전기 신호에 상응하는 연료농도를 추출하고, 추출된 연료농도가 기저장된 기준 연료농도보다 높으면, 열교환기를 동작시켜 수증기의 응축량을 증가시키는 제어장치를 포함하는 연료전지 제어 시스템이 제공된다.
바람직하게, 열교환기는 배관에 인접하게 설치된 팬 장치를 포함하며, 배관은 노출 배관을 포함한다.
또한, 제어장치는 추출된 연료농도가 기준 연료농도보다 낮으면, 연료공급장치의 고농도 연료를 혼합장치에 공급하는 펌프의 단위시간당 공급량을 소정 시간동안 증가시킬 수 있다. 다른 한편으로, 제어장치는 추출된 연료농도가 기준 연료농도보다 낮으면, 순환처리장치의 저농도 연료를 연료혼합장치에 공급하는 펌프의 단위시간당 공급량을 소정 시간동안 감소시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 요소를 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다. 도면에서 각 요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었다. 도면상에서 동일 부호는 유사하거나 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 제어 시스템을 나타내는 블록도이다. 도 1에서 실선은 연료전지스택에 유입 및 유출되는 연료와 산화제 그리고 미반응 연료와 반응 생성물의 흐름을 나타내고, 점선은 제어장치에 입력 및 출력되 는 전기 신호의 흐름을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 연료전지 제어 시스템은 연료전지스택(110)의 애노드에 일정한 농도의 혼합 연료를 공급하기 위하여 연료전지스택(110)의 출력에 따라 열교환기(150)를 제어하여 연료전지스택(110)의 캐소드측에서 유출되는 수증기의 응축량을 조절한다. 이를 위해, 연료전지 제어 시스템은 연료전지스택(110), 연료공급장치(120), 산화제공급장치(130), 혼합장치(140), 열교환기(150), 제어장치(160), 및 전력변환장치(170)를 포함한다.
보다 구체적으로, 연료전지스택(110)은 공급되는 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킨다. 그리고 연료전지스택(110)은 애노드와 캐소드 유출구를 통해 미반응 연료, 이산화탄소, 수증기, 물, 질소, 산소, 공기 등을 제1 배관(142) 및 제2 배관(144)을 통해 혼합장치(140)로 유출한다. 제1 배관(142)은 연료전지스택(110)의 캐소드측 유출구에 결합되고, 제2 배관(144)은 연료전지스택(110)의 애노드측 유출구에 결합된다.
또한, 연료전지스택(110)은 고분자 전해질막 양측에 애노드 전극과 캐소드 전극이 접합되는 구조의 막-전극 어셈블리를 포함한다. 또한, 연료전지스택(110)은 하나의 막-전극 어셈블리로 이루어진 단위연료전지 복수개가 세퍼레이터(separator) 또는 바이폴라 플레이트(bipola plate)를 게재하고 적층된 구조를 가진다.
연료공급장치(120)는 연료전지스택(110)에서 이용되는 연료를 공급하기 위한 장치를 포함한다. 연료공급장치(120)는 고농도의 연료를 저장하는 연료 탱크(미도 시)와 연료 탱크에 저장된 고농도 연료를 혼합장치(140)에 공급하는 액체 펌프(미도시)를 포함한다. 연료는 수소를 함유한 연료, 예컨대, 메탄올을 포함한다.
산화제공급장치(130)는 연료전지의 전기 화학적인 반응을 위해 연료전지스택(110)의 캐소드에 산화제를 공급하기 위한 장치를 포함한다. 여기서, 산화제는 공기나 산소를 포함한다. 산화제공급장치(130)는 공기 펌프, 송풍기 등의 공기압축장치를 포함한다.
혼합장치(140)는 연료공급장치(120)에서 공급되는 고농도 연료와 연료전지스택(110)으로부터 유입되는 미반응 연료와 물을 혼합한다. 혼합장치(140)는 고농도 연료와 미반응 연료 및 물이 혼합된 소정 농도의 혼합 연료를 저장한다. 그리고 혼합장치(140)는 저장된 혼합 연료를 펌프(146)를 통해 연료전지스택(110)의 애노드에 공급한다. 또한, 혼합장치(140)는 유입되는 이산화탄소나 질소 등의 원하지 않는 기체를 배출시킨다. 이때, 배출되는 기체는 소정의 처리장치나 연소 장치를 통해 처리 또는 연소될 수 있다.
열교환기(150)는 연료전지스택(110)의 캐소드측 유출구와 혼합장치(140)를 연결하는 제1 배관(142)에 인접하게 설치되며, 제1 배관(142)을 통과하는 수증기를 필요에 따라 소정량 응축시킨다. 다시 말해서, 열교환기(150)는 제1 배관(142)을 외기를 이용하여 강제 공냉시켜 제1 배관(142)을 통과하는 수증기 소정량을 필요에 따라 강제 응축시킨다. 예컨대, 열교환기(150)는 제1 배관(142)에 인접하게 설치된 프로펠러와 이 프로펠러를 동작시키는 모터로 이루어지는 팬 장치를 포함한다. 이때, 제1 배관(142)은 팬 장치에 의해 강제 냉각 효과를 향상시키기 위해 나선형의 노출 배관으로 형성된다.
제어장치(160)는 전력변환장치(170)를 통해 연료전지스택(110)의 출력 전압 및 출력 전류를 받고, 기저장된 룩업테이블을 이용하여 입력된 출력 전압 및 출력 전류에 상응하는 연료농도를 추출한다. 여기서, 룩업테이블은 연료전지스택(110)의 물리적, 화학적, 구조적인 특성에 따라 변화되는 연료농도와 출력 전압 및 출력 전류에 대한 관계를 표로 나타낸 것을 가리킨다. 그리고, 제어장치(160)는 추출된 연료농도가 기저장된 기준 연료농도보다 높은가를 판단하고, 그 판단 결과 높으면, 열교환기(150)를 온 동작시켜 제1 배관(142)을 강제 공냉시키고, 그것에 의해 제1 배관(142)을 통과하는 수증기를 소정량 응축시킨다.
또한, 제어장치(160)는 연료전지스택(110)에 연료 및 산화제를 공급하기 위한 연료공급장치(120), 펌프(146) 및 산화제공급장치(130), 예컨대, 공기 펌프를 제어한다.
전력변환장치(170)는 연료전지스택(110)의 출력 전압 및 출력 전류를 변환하여 제어장치(160), 펌프(146) 등에 전력을 공급한다. 또한, 전력변환장치(170)는 연료전지스택(110)으로부터 인가되는 출력 전압 및 출력 전류에 대한 전기 신호를 제어장치(160)에 전달한다. 여기서, 전기 신호는 연료전지스택(110)에서 전력변환장치(170)에 인가되는 출력 전압 및 출력 전류를 포함하거나 또는 이들 출력 전압 및 출력 전류이 대응변환된 소정 레벨의 전압 및 전류를 포함한다. 본 실시예에서 전력변환장치(170)는 연료전지스택(110)의 출력 전압 및 출력 전류에 대한 전기 신호를 제어장치(160)에 전달하기 위한 것으로, 이와 동일한 기능을 수행할 수 있는 다른 장치로 대체가능하다.
상술한 구성에 의하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 제어 시스템은 열교환기를 이용하여 연료전지스택의 캐소드측에서 유출되는 수증기의 응축량을 효율적으로 제어함으로써 연료전지스택의 애노드에 일정한 농도의 혼합 연료를 용이하게 공급하고, 이로써 연료전지시스템의 안정적인 운전에 기여할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 제어 시스템을 나타내는 블록도이다. 도 2에서 실선은 연료전지스택에 유입 및 유출되는 연료와 산화제 그리고 미반응 연료와 반응 생성물의 흐름을 나타내고, 점선은 제어장치에 입력 및 출력되는 전기 신호의 흐름을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 연료전지 제어 시스템은 연료전지스택(110)의 애노드에 일정한 농도의 혼합 연료를 공급하기 위하여 저농도 연료의 농도에 따라 열교환기(150)을 제어하여 연료전지스택(110)의 캐소드측에서 유출되는 수증기의 응축량을 조절한다. 이를 위해, 연료전지 제어 시스템은 연료전지스택(110), 연료공급장치(120), 산화제공급장치(130), 순환처리장치(140a), 연료혼합장치(140b), 열교환기(150), 제어장치(160), 전력변환장치(170) 및 농도 센서(180)를 포함한다.
보다 구체적으로, 순환처리장치(140a)는 연료전지스택(110)의 애노드측 유출구에서 나오는 미반응 연료를 저장하고, 이산화탄소 등의 반응생성물을 적절하게 배출시킨다. 그리고 연료전지스택(110)의 캐소드측 유출구에서 나오는 물을 저장하고, 질소와 산소 등의 반응생성물을 적절하게 배출시킨다. 이를 위해, 연료순환장 치(140)는 예컨대, 애노드측 유출물이 유입되는 하반부, 캐소드측 유출물이 유입되는 상반부, 및 기상은 상반부로 투과시키고 액상은 하반부로 투과시키도록 이들 하반부와 상반부 사이에 삽입설치되는 선택적 투과막을 포함할 수 있다.
또한, 순환처리장치(140a)는 미반응 연료와 물이 혼합된 저농도 연료를 펌프(146)를 통해 연료혼합탱크(140b)에 공급한다.
연료혼합장치(140b)는 연료공급장치(120)와 순환처리장치(140a)로부터 유입되는 고농도 연료 및 저농도 연료가 혼합되는 혼합 탱크를 포함한다. 연료혼합장치(140b)는 고농도 연료 및 저농도 연료가 뭉치지 않고 잘 혼합될 수 있는 적절한 구조를 갖는다. 예를 들면, 고농도 연료 및 저농도 연료가 수지나 필터를 통과하면서 혼합되는 혼합 탱크 구조를 갖을 수 있다.
농도센서(180)는 순환처리장치(140a)로부터 연료혼합장치(140b)로 공급되는 저농도 연료의 농도를 측정하기 위한 센서를 포함한다. 농도센서(180)는 순환처리장치(140a) 내에 삽입설치되거나 순환처리장치(140a)와 연료혼합장치(140b)를 연결하는 연료이송관에 삽입설치될 수 있다. 이 경우, 농도센서(180)로는 메탄올 등의 연료의 농도에 따라 부피가 변화하는 이온전도 고분자 수지 또는 복합 수지 등을 이용할 수 있다. 예를 들면, 직접 메탄올 연료전지시스템과 같이 메탄올을 연료로 사용하는 시스템에서 농도센서용으로 적합한 압력 필름으로는 플루오리네이티드 이온교환수지(perfluorinated ion exchage resin), 예컨대, 듀폰(DuPont)사의 나피온이 있다. 특히, 농도센서(180)를 나피온 멤브레인(Nafion membrane), 나피온이 함침된 PETE 멤브레인 등을 이용하여 제작한 경우, 농도센서(180)는 기존의 전기화학 적 센서에 비하여 크기가 매우 작으며 빠른 반응속도를 갖는다.
제어장치(160)는 농도 센서(180)를 통해 저농도 연료의 농도에 대한 전기 신호를 받고, 기저장된 룩업테이블을 이용하여 입력된 전기 신호에 상응하는 연료농도를 추출한다. 여기서, 룩업테이블은 연료전지스택(110)의 물리적, 화학적, 구조적인 특성에 따라 변화되는 연료농도와 농도 센서로부터 입력되는 전기 신호에 대한 관계를 표로 나타낸 것을 가리킨다.
또한, 제어장치(160)는 추출된 연료농도가 기저장된 기준 연료농도보다 높은가를 판단하고, 그 판단 결과 높으면, 열교환기(150)를 온 동작시켜 제1 배관(142a)을 강제 공냉시키고, 그것에 의해 제1 배관(142a)을 통과하는 수증기를 소정량 응축시킨다. 또한, 제어장치(160)는 연료전지스택(110)에 연료 및 산화제를 공급하기 위한 연료공급장치(120), 펌프(146) 및 산화제공급장치(130), 예컨대, 공기 펌프를 제어한다.
한편, 연료전지스택(110), 연료공급장치(120), 산화제공급장치(130), 열교환기(150) 및 전력변환장치(170)에 대한 상세한 설명은 상술한 제1 실시예의 설명과 중복되므로 생략한다.
상술한 구성에 의하면, 연료전지시스템 내의 저농도 연료의 농도에 따라 열교환기을 제어하여 연료전지스택의 캐소드측에서 유출되는 수증기의 응축량을 조절함으로써, 연료전지스택의 애노드에 일정한 농도의 혼합 연료를 공급하고, 그것에 의해 연료전지시스템의 운전 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 연료전지 제어 시스템에 적용가능한 제어장치를 나타내는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 제어장치(160)는 연료전지시스템의 동작을 제어한다. 이를 위해, 제어장치(160)는 연료전지시스템의 여러 요소를 제어하기 위한 프로그램이 저장된 메모리 시스템(167)과, 이 메모리 시스템(167)에 결합되어 프로그램을 수행하는 프로세서(161)를 포함한다.
보다 구체적으로, 프로세서(161)는 계산을 수행하기 위한 ALU(Arithmetic Logic Unit, 162)와, 데이터 및 명령어의 일시적인 저장을 위한 레지스터(163) 및 연료전지시스템의 동작을 제어하기 위한 컨트롤러(164)를 포함한다. 프로세서(161)는 디지털(Digital) 사의 알파(Alpha), MIPS 테크놀로지, NEC, IDT, 지멘스(Siemens) 등의 MIPS, 인텔(Intel)과 사이릭스(Cyrix), AMD 및 넥스젠(Nexgen)을 포함하는 회사의 x86 및 IBM과 모토롤라(Motorola)의 파워PC(PowerPC)와 같이 다양한 아키텍처(Architectrue)를 갖는 프로세서 중 적어도 하나를 포함한다.
또한, 프로세서(161)는 연료전지스택이나 별도의 전원공급장치(190)로부터 전원을 공급받고, 연료전지스택(110)의 출력 전압 및 출력 전류를 입력받고, 증폭기(182)를 통해 농도 센서(180)로부터 측정된 연료농도에 대한 전기 신호를 입력받는다. 이를 위해, 프로세서(161)는 예컨대 소정 비트의 아날로그 디지털 변환기가 구비된 입력단(165)을 포함한다.
또한, 프로세서(161)는 연료공급장치에 포함된 제1 펌프(122), 산화제공급장치에 포함된 제2 펌프(132), 그리고 제1 및 제2 실시예에서 언급된 제3 펌프(146) 를 제어한다. 이때, 프로세서(161)는 각 펌프(122, 132, 146)를 제어하는 드라이버(미도시)를 제어하거나 주파수 등을 통해 직접 펌프를 제어할 수 있다. 또한, 프로세서(161)는 연료전지스택(110)의 출력에 따라서 또는 농도 센서(180)에 의해 측정된 저농도 연료의 농도에 따라서 열교환기(150)를 제어한다.
메모리 시스템(167)은 일반적으로 RAM(Random Access Memory)과 ROM(Read Only Memory)과 같은 저장 매체 형태인 고속의 메인 메모리와, 플로피 디스크, 하드 디스크, 자기 테이프, CD-ROM, 플래시 메모리 등의 장기(long time) 저장 매체 형태의 보조 메모리 및 전기, 자기, 광학이나 그 밖의 저장 매체을 이용하여 데이터를 저장하는 장치를 포함한다. 여기서, 메인 메모리는 디스플레이 장치를 통하여 이미지를 디스플레이 하는 비디오 메모리를 포함할 수 있다.
또한, 메모리 시스템(167)은 연료전지스택(110)의 출력과 혼합 연료의 연료농도에 대한 대응 관계를 정의한 룩업테이블(168) 및/또는 농도 센서(180)로부터 입력되는 전기 신호와 저농도 연료의 연료농도에 대한 대응 관계를 정의한 룩업테이블(169)을 포함한다. 룩업테이블(168, 169)은 열교환기의 동작을 제어하기 위하여 프로세서(161)에 의해 참조된다. 또한, 메모리 시스템(167)은 혼합 연료에 대한 기준 연료농도 및/또는 저농도 연료에 대한 기준 연료농도를 저장한다. 여기서, 기준 연료농도는 연료전지스택의 운전 효율을 최적화할 수 있도록 연료전지스택의 특성에 따라 기설정된 연료농도를 가리킨다.
상술한 구성에 의하면, 제어장치(160)는 연료전지시스템을 제어하고, 특히 연료전지스택의 출력에 따라서 또는 농도 센서에 의해 측정된 저농도 연료의 농도 에 따라서 열교환기를 제어하고, 그것에 의해 연료전지스택에 일정한 농도의 혼합 연료가 공급될 수 있도록 한다.
한편, 상술한 실시예에서는 열교환기가 연료전지스택의 캐소드측에 설치되어 연료전지스택의 캐소드측에서 유출되는 수증기를 응축시키도록 구성하였다. 하지만, 본 발명은 그러한 구성으로 한정되지 않고, 열교환기가 연료전지스택의 애노드측에 설치되어 연료전지스택의 애노드측에서 유출되는 미반응 연료를 효과적으로 회수하도록 구성될 수 있다. 물론, 본 발명은 연료전지스택의 캐소드측에 열교환기를 설치하는 것과 함께 애노드측에 열교환기를 설치하고, 연료전지시스템의 물관리와 함께 미반응 연료를 회수처리하도록 구성될 수도 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
상술한 구성에 의하면, 연료전지스택의 캐소드측 수증기의 응축량을 제어하는 열교환기를 이용하여 연료전지스택에 일정한 농도의 연료가 공급되도록 함으로써, 연료전지 시스템의 안정적인 동작을 효율적으로 제어할 수 있다는 이점이 있다.

Claims (10)

  1. 연료전지스택으로부터 유입되는 미반응 연료, 수증기 및 물과, 연료공급장치로부터 유입되는 고농도 연료를 혼합하여 상기 연료전지스택의 애노드에 공급하는 혼합장치가 구비된 직접 메탄올 연료전지시스템을 제어하기 위한 연료전지 제어 시스템에 있어서,
    메모리에 저장되어 있는 프로그램;
    상기 메모리에 결합되어 상기 프로그램을 수행하는 프로세서를 포함하되,
    상기 프로세서는 상기 프로그램에 의해,
    상기 연료전지스택의 출력 전압 및 출력 전류를 받고, 기저장된 룩업테이블을 이용하여 상기 입력된 출력 전압 및 출력 전류에 상응하는 연료농도를 추출하고, 상기 추출된 연료농도가 기저장된 기준 연료농도보다 높으면, 상기 연료전지스택의 캐소드측 유출구와 상기 혼합장치를 연결시키는 배관에 인접하게 설치된 열교환기를 소정 시간동안 동작시켜 상기 배관을 강제 공냉시키고, 상기 배관을 통과하는 상기 수증기의 응축량을 소정량 증가시켜 상기 혼합 연료의 농도를 낮추고, 상기 연료농도가 낮아진 혼합 연료를 상기 연료전지스택에 공급하는 연료전지 제어 시스템.
  2. 연료전지스택의 미반응 연료, 수증기 및 물이 유입되는 순환처리장치와, 상기 순환처리장치로부터 유입되는 저농도 연료와 연료공급장치로부터 유입되는 고농 도 연료를 혼합하여 상기 연료전지스택의 애노드에 공급하는 연료혼합장치가 구비된 직접 메탄올 연료전지시스템을 제어하기 위한 연료전지 제어 시스템에 있어서,
    메모리에 저장되어 있는 프로그램;
    상기 메모리에 결합되어 상기 프로그램을 수행하는 프로세서를 포함하되,
    상기 프로세서는 상기 프로그램에 의해,
    소정의 농도 센서로부터 상기 저농도 연료의 농도에 대한 소정의 전기 신호를 받고, 기저장된 룩업테이블을 이용하여 상기 전기 신호에 상응하는 연료농도를 추출하고, 상기 추출된 연료농도가 기저장된 기준 연료농도보다 높으면, 상기 연료전지스택의 캐소드측 유출구와 상기 순환처리장치를 연결시키는 노출 배관에 인접하게 설치된 열교환기를 소정 시간동안 동작시켜 상기 배관을 강제 공냉시키고, 상기 배관을 통과하는 상기 수증기의 응축량을 소정량 증가시켜 상기 저농도 연료의 농도를 낮추고, 상기 연료농도가 낮아진 저농도 연료를 상기 연료혼합장치에 공급하는 연료전지 제어 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 열교환기는 상기 노출 배관에 외기를 강제 공급하는 팬 장치인 연료전지 제어 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 추출된 연료농도가 상기 기준 연료농도보다 낮으면, 상기 연료공급장치의 상기 고농도 연료를 상기 혼합장치에 공급하는 펌프의 단위시간당 공급량을 소정 시간동안 증가시키는 연료전지 제어 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 추출된 연료농도가 상기 기준 연료농도보다 낮으면, 상기 순환처리장치의 상기 저농도 연료를 상기 연료혼합장치에 공급하는 펌프의 단위시간당 공급량을 소정 시간동안 감소시키는 연료전지 제어 시스템.
  6. 수소를 함유한 소정 농도의 혼합 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지스택;
    상기 연료전지스택에 고농도 연료를 공급하는 연료공급장치;
    상기 연료전지스택에 산화제를 공급하는 산화제공급장치;
    상기 연료전지스택의 유출물이 유입되고 상기 고농도 연료가 유입되며, 상기 유출물 중 미반응 연료 및 물과 상기 고농도 연료가 혼합된 상기 혼합 연료를 상기 연료전지스택에 공급하는 혼합장치;
    상기 연료전지스택의 캐소드측 유출구와 상기 혼합장치를 연결하는 배관에 인접하게 설치되며, 상기 배관을 통과하는 수증기를 소정량 응축시키기 위한 열교환기; 및
    상기 연료전지스택의 출력 전압 및 출력 전류를 받고, 기저장된 룩업테이블을 이용하여 상기 입력된 출력 전압 및 출력 전류에 상응하는 연료농도를 추출하 고, 상기 추출된 연료농도가 기저장된 기준 연료농도보다 높으면, 상기 열교환기를 동작시켜 상기 수증기의 응축량을 증가시키는 제어장치를 포함하는 연료전지 제어 시스템.
  7. 수소를 함유한 소정 농도의 혼합 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지스택;
    상기 연료전지스택에 고농도 연료를 공급하는 연료공급장치;
    상기 연료전지스택에 산화제를 공급하는 산화제공급장치;
    상기 연료전지스택의 애노드측으로부터 미반응 연료가 유입되고, 상기 연료전지스택의 캐소드측으로부터 수증기와 물이 유입되며, 상기 미반응 연료와 상기 물이 혼합되어 저농도 연료로 저장되는 순환처리장치;
    상기 저농도 연료 및 상기 고농도 연료가 유입되며, 상기 저농도 연료 및 상기 고농도 연료가 혼합된 상기 혼합 연료를 상기 연료전지스택에 공급하는 연료혼합장치;
    상기 연료전지스택의 캐소드측 유출구와 상기 순환처리장치를 연결하는 배관에 인접하게 설치되며, 상기 배관을 통과하는 상기 수증기를 소정량 응축시키기 위한 열교환기;
    상기 순환처리장치와 상기 연료혼합장치를 연결하는 연료이송관에 삽입설치되며, 상기 연료이송관을 통과하는 상기 저농도 연료의 농도를 측정하는 농도 센서; 및
    상기 농도 센서로부터 상기 저농도 연료의 농도에 대한 소정의 전기 신호를 받고, 기저장된 룩업테이블을 이용하여 상기 전기 신호에 상응하는 연료농도를 추출하고, 상기 추출된 연료농도가 기저장된 기준 연료농도보다 높으면, 상기 열교환기를 동작시켜 상기 수증기의 응축량을 증가시키는 제어장치를 포함하는 연료전지 제어 시스템.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 열교환기는 상기 배관에 인접하게 설치된 팬 장치를 포함하며, 상기 배관은 노출 배관인 연료전지 제어 시스템.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어장치는 상기 추출된 연료농도가 기준 연료농도보다 낮으면, 상기 연료공급장치의 상기 고농도 연료를 상기 혼합장치에 공급하는 펌프의 단위시간당 공급량을 소정 시간동안 증가시키는 연료전지 제어 시스템.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어장치는 상기 추출된 연료농도가 기준 연료농도보다 낮으면, 상기 순환처리장치의 상기 저농도 연료를 상기 연료혼합장치에 공급하는 펌프의 단위시간당 공급량을 소정 시간동안 감소시키는 연료전지 제어 시스템.
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