KR100671680B1 - Fuel cell system recoverying unreacted fuel - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 수소와 산화제의 전기화학적 반응에 의해서 전기를 생성시키는 스택에 연료 혼합부로부터 수소함유연료가 공급되는 메인유로; 상기 스택으로부터 배출되는 제1연료가 상기 연료 혼합부에 유입되는 제1유로; 상기 연료 혼합부에 수소를 함유하는 제2연료를 공급하기 위한 제2구동수단이 설치되어 있는 제2유로; 상기 스택에 산화제 공급부로부터 산화제가 공급되는 공급라인; 상기 유로를 따라서 유동하는 연료의 농도와 온도를 동일 위치에서 각각 측정하는 농도센서 및 온도센서; 및 상기 농도센서와 온도센서로부터 제공되는 감지값에 의해서 상기 제2구동수단의 작동을 제어하기 위한 구동제어회로가 내장되어 있는 BOP를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하므로, 미반응 연료를 재활용하면서 동시에 연료전지 시스템의 발전효율을 안정적으로 유지할 수 있다.The present invention relates to a fuel cell system, comprising: a main flow passage supplied with hydrogen-containing fuel from a fuel mixing section to a stack for generating electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and an oxidant; A first flow passage through which the first fuel discharged from the stack flows into the fuel mixing unit; A second flow passage provided with second driving means for supplying a second fuel containing hydrogen to the fuel mixing portion; A supply line through which an oxidant is supplied to the stack from an oxidant supply unit; A concentration sensor and a temperature sensor for measuring the concentration and temperature of the fuel flowing along the flow path at the same location, respectively; And a BOP in which a drive control circuit for controlling the operation of the second driving means is controlled based on the sensed values provided from the concentration sensor and the temperature sensor. The power generation efficiency of the battery system can be maintained stably.

펌프, 밸브, 구동제어회로, 농도센서, 온도센서 Pump, valve, drive control circuit, concentration sensor, temperature sensor

Description

미반응 연료를 회수하는 연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM RECOVERYING UNREACTED FUEL}FUEL CELL SYSTEM RECOVERYING UNREACTED FUEL}

도 1은 본 발명에 따라서 미반응 연료를 회수하는 연료전지 시스템을 나타낸 구성도;1 is a block diagram showing a fuel cell system for recovering unreacted fuel according to the present invention;

도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따라서 미반응 연료의 농도와 온도를 감지하는 센서의 설치위치를 변경시킨 구성도;2a to 2d is a configuration diagram in which the installation position of the sensor for detecting the concentration and temperature of the unreacted fuel in accordance with the present invention;

도 3은 메탄올 연료의 농도와 온도의 상관관계를 나타내는 그래프.3 is a graph showing the correlation between the concentration of methanol fuel and temperature;

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>

10 : 스택10: stack

20 : 연료 저장부20: fuel storage unit

30 : 공기 공급부30: air supply

40 : 회수탱크40: recovery tank

50 : 혼합탱크50: mixing tank

S1, S2 : 센서S1, S2: Sensor

본 발명은 수소와 산소와 같은 산화제의 전기화학적 반응에 의해서 전기를 생성하는 연료전지 시스템에 관한 것이고, 더 상세하게 스택내에서 산화반응되지 못하고 배출되는 수소함유연료, 즉 미반응 연료를 재활용하면서 연료전지 시스템의 발전효율을 안정적으로 유지할 수 있도록 스택에 공급되는 수소함유연료의 농도를 일정하게 유지할 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system that generates electricity by an electrochemical reaction of an oxidant such as hydrogen and oxygen, and more particularly to a fuel while recycling hydrogen-containing fuel, that is, unreacted fuel, which is not oxidized in a stack and is discharged. The present invention relates to a fuel cell system capable of maintaining a constant concentration of hydrogen-containing fuel supplied to a stack so as to stably maintain a power generation efficiency of a battery system.

환경문제나 자원문제를 해결하기 위한 방안으로서 천연가스 등의 탄화수소연료, 메탄올 등과 같은 수소함유연료의 산화반응에 의해서 얻어지는 수소와 공기 중의 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 생성하는 연료전지에 대한 관심이 집중되어 왔다. 이러한 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라서 인산형 연료전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염형 연료전지(MCFC; molten carbonate fuel cell), 고체산화물형 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell), 알칼리형 연료전지(AFC; alkaline fuel cell) 등으로 분류된다. 연료전지는 그 종류에 따라서 사용되는 연료의 연료와 함께 작동온도, 출력범위 등에 따라서 이동전원용, 수송용, 분산발전용 등의 다양한 응용분야에 적용될 수 있다.Interest in fuel cells that generate electricity by electrochemically reacting hydrogen obtained from the oxidation of hydrogen-containing fuels such as natural gas, hydrogen-containing fuels such as methanol and oxygen in the air as a solution to environmental or resource problems. This has been concentrated. Such fuel cells may include phosphoric acid fuel cells (PAFCs), molten carbonate fuel cells (MCFCs), and solid oxide fuel cells (SOFCs), depending on the type of electrolyte used. ), Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC), alkaline fuel cells (AFC), and the like. The fuel cell may be applied to various applications such as mobile power, transportation, distributed generation, etc. according to the operating temperature, output range, etc. together with the fuel of the fuel used according to the type thereof.

상술된 연료전지들 중에서 고분자 전해질형 연료전지는 출력특성이 탁월하고 작동온도가 낮을뿐만 아니라 빠른 시동 및 응답특성을 가지고 있으며, 기본적으로 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해서 전기를 생성하는 단위전지가 내장되어 있 는 스택(stack)과, 메탄올, 에탄올 또는 천연가스와 같은 탄화수소계열의 수소함유연료를 개질하여 생성되는 수소가스를 상기 스택에 공급하는 개질기(reformer)와, 펌프작동에 의해서 수소함유연료를 상기 개질기에 공급하는 연료공급부와, 공기를 상기 스택에 공급하기 위한 공기 공급부를 갖는다.Among the fuel cells described above, the polymer electrolyte fuel cell has excellent output characteristics, low operating temperature, fast start-up and response characteristics, and a unit cell which generates electricity by electrochemical reaction of hydrogen and oxygen. A built-in stack, a reformer for supplying the stack with hydrogen gas produced by reforming a hydrocarbon-based hydrogen-containing fuel such as methanol, ethanol or natural gas, and a hydrogen-containing fuel by pump operation And a fuel supply unit for supplying air to the reformer, and an air supply unit for supplying air to the stack.

한편, 수소가스를 얻기 위한 개질기의 사용없이 수소함유연료를 직접 발전에 이용하는 직접 메탄올형 연료전지(DMFC: direct methanol fuel cell)는 낮은 작동온도 및 빠른 응답특성 등의 장점뿐만 아니라 소형화의 장점에 의해서 연구개발되고 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료전지는 수소와 산소의 전기화학반응을 통해서 전기를 생성하는 단위전지가 내장되어 있는 스택과, 펌프작동에 의해서 수소함유연료를 상기 스택에 공급하는 연료공급부와, 상기 스택에 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함하고 있다.On the other hand, direct methanol fuel cells (DMFCs) using hydrogen-containing fuels for direct power generation without the use of reformers to obtain hydrogen gas have the advantages of miniaturization as well as low operating temperatures and fast response characteristics. It is being researched and developed. The direct methanol fuel cell includes a stack containing unit cells that generate electricity through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, a fuel supply unit supplying hydrogen-containing fuel to the stack by a pump operation, and air in the stack. It includes an air supply for supplying.

직접 메탄올형 연료전지의 스택에 있어서, 수소함유연료가 산화됨으로써 수소이온이 생성된다. 이러한 산화반응에 참여하지 못한 수소함유연료, 즉 미반응 연료(unreacted fuel)는 스택에서의 전기화학적 반응결과 생성되는 이산화탄소(CO2) 및 물(H2O)과 함께 스택으로부터 배출되므로, 연료전지 시스템에서의 연료 사용효율이 저하되는 결과를 발생시킨다.In a stack of a direct methanol fuel cell, hydrogen ions are produced by oxidizing hydrogen-containing fuel. Hydrogen-containing fuel that does not participate in this oxidation reaction, that is, unreacted fuel, is discharged from the stack together with carbon dioxide (CO 2 ) and water (H 2 O) generated as a result of the electrochemical reaction in the stack. This results in lower fuel efficiency in the system.

따라서, 직접 메탄올형 연료전지에 있어서, 수소함유연료의 사용효율을 향상시키기 위하여, 미반응 연료를 스택에 재공급하는 기술이 개시되었다. 그러나, 이러한 종래기술에 있어서, 스택에 유입되는 수소함유연료의 농도를 일정하게 유지할 수 없었으며 결과적으로 연료전지 시스템의 발전효율을 안정적으로 유지할 수 없는 문제점을 안고 있었다.Therefore, in order to improve the use efficiency of hydrogen-containing fuel in a direct methanol type fuel cell, a technique of resupplying unreacted fuel to a stack has been disclosed. However, in this prior art, the concentration of hydrogen-containing fuel flowing into the stack could not be kept constant, and as a result, there was a problem in that the power generation efficiency of the fuel cell system could not be stably maintained.

본 발명은 상기된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 스택에 공급되는 수소함유연료의 농도를 일정하게 유지하여 발전효율을 안정화시키면서 스택에서의 산화반응에 참여하지 못하고 배출되는 미반응 연료를 스택에 다시 공급하여 재활용할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention is proposed to solve the conventional problems as described above, while maintaining the concentration of the hydrogen-containing fuel supplied to the stack to stabilize the power generation efficiency while not participating in the oxidation reaction in the stack and discharged unreacted The object is to provide a fuel cell system that can be fed back into the stack and recycled.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면 연료전지 시스템은 수소와 산화제의 전기화학적 반응에 의해서 전기를 생성시키는 스택에 연료 혼합부로부터 수소함유연료가 공급되는 메인유로; 상기 스택으로부터 배출되는 제1연료가 상기 연료 혼합부에 유입되는 제1유로; 상기 연료 혼합부에 수소를 함유하는 제2연료를 공급하기 위한 제2구동수단이 설치되어 있는 제2유로; 상기 스택에 산화제 공급부로부터 산화제가 공급되는 공급라인; 상기 유로를 따라서 유동하는 연료의 농도와 온도를 동일 위치에서 각각 측정하는 농도센서 및 온도센서; 및 상기 농도센서와 온도센서로부터 제공되는 감지값에 의해서 상기 제2구동수단의 작동을 제어하기 위한 구동제어회로가 내장되어 있는 BOP를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, according to the present invention, a fuel cell system includes a main flow passage through which a hydrogen-containing fuel is supplied from a fuel mixing section to a stack for generating electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and an oxidant; A first flow passage through which the first fuel discharged from the stack flows into the fuel mixing unit; A second flow passage provided with second driving means for supplying a second fuel containing hydrogen to the fuel mixing portion; A supply line through which an oxidant is supplied to the stack from an oxidant supply unit; A concentration sensor and a temperature sensor for measuring the concentration and temperature of the fuel flowing along the flow path at the same location, respectively; And a BOP in which a drive control circuit for controlling the operation of the second driving means is built by the sensed values provided from the concentration sensor and the temperature sensor.

바람직하게, 상기 제1유로에는 상기 스택으로부터 배출되는 제1연료를 저장 하는 회수탱크 또는 제1연료를 공급하기 위한 제1구동수단이 설치되어 있고, 상기 농도센서와 온도센서는 회수탱크의 후단 또는 제1구동수단의 후단에 설치된다.Preferably, the first flow passage is provided with a recovery tank for storing the first fuel discharged from the stack or a first driving means for supplying the first fuel, wherein the concentration sensor and the temperature sensor are located at the rear end of the recovery tank or It is installed at the rear end of the first driving means.

또한, 상기 농도센서와 온도센서는 연료 혼합부의 전단, 연료 혼합부의 내부 또는 연료 혼합부의 후단에 설치된다.In addition, the concentration sensor and the temperature sensor is installed at the front end of the fuel mixing unit, inside the fuel mixing unit or after the fuel mixing unit.

상기 구동수단은 펌프 또는 밸브이다.The drive means is a pump or a valve.

바람직하게, 상기 산화제는 산소이다.Preferably, the oxidant is oxygen.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

이때, 본 발명을 설명함에 있어서 사용되는 용어는 설명의 편리성을 위하여 정의된 것으로서 본 명세서에서 사용되는 용어는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수도 있지만 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 아니될 것이다.In this case, the terms used in the description of the present invention are defined for convenience of description, and the terms used herein may vary according to the intention or custom of the person skilled in the art, but the technical components of the present invention. It should not be understood in a limiting sense.

예를 들어, 용어 '미반응 연료'는 연료전지 시스템의 스택에서 이루어지는 전기화학적 반응 결과 생성되는 물(H2O)과 함께 배출되는 연료를 의미하고, 용어 '고농도 연료'는 에탄올, 메탄올 및 천연가스로 이루어진 탄화수소계열의 연료그룹으로부터 선택되고 물과 혼합되지 않은 고순도의 연료를 의미하고, 용어 '수소함유연료'는 스택에 공급되는 연료를 의미한다.For example, the term 'unreacted fuel' refers to a fuel discharged with water (H 2 O) produced as a result of an electrochemical reaction in a stack of fuel cell systems, and the term 'high concentration fuel' refers to ethanol, methanol and natural It means a fuel of high purity selected from a hydrocarbon-based fuel group consisting of gas and not mixed with water, and the term 'hydrogen fuel' means a fuel supplied to a stack.

먼저, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 에탄올, 메탄올 또는 천연가스와 같은 탄화수소계열의 연료와 같은 수소함유연료를 직접 스택에 공급하여 전기를 발생시키는 직접 메탄올형 연료전지(DMFC)에 대하여 이루어지고 있지만 이에 한정되지 않고 수소함유연료를 개질하여 수소가스를 얻는 개질기를 포함한 고분자 전해질형 연료전지에도 채택될 수 있다. First, the fuel cell system according to the present invention is made for a direct methanol fuel cell (DMFC) that generates electricity by directly supplying a hydrogen-containing fuel such as ethanol, methanol or a hydrocarbon-based fuel such as natural gas to a stack. The present invention is not limited thereto, and may be employed in a polymer electrolyte fuel cell including a reformer for reforming a hydrogen-containing fuel to obtain hydrogen gas.

직접 메탄올형 연료전지는 도 1에 도시된 바와 같이 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해서 전기를 생성하는 스택(10; stack)과, 스택(10)에 공급하고자 하는 고농도 연료가 저장되어 있는 연료 저장부(20)와, 스택(10)에 공기중의 산소와 같은 산화제를 강제로 공급하기 위한 공기 공급부(30)와, 스택(10)으로부터 배출되는 미반응 연료를 회수하여 저장하는 회수탱크(40; recycle tank)와, 회수탱크(40)로부터 배출되는 미반응 연료와 연료 저장부(20)로부터 배출되는 고농도 연료를 혼합시킨 수소함유연료를 스택(20)에 공급하는 혼합탱크(50)를 갖는다.As illustrated in FIG. 1, a direct methanol fuel cell includes a stack 10 generating electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and a fuel storage in which a high concentration fuel to be supplied to the stack 10 is stored. The unit 20, the air supply unit 30 for forcibly supplying an oxidant such as oxygen in the air to the stack 10, and a recovery tank 40 for recovering and storing unreacted fuel discharged from the stack 10. a recycle tank and a mixing tank 50 for supplying the stack 20 with hydrogen containing fuel mixed with the unreacted fuel discharged from the recovery tank 40 and the high concentration fuel discharged from the fuel storage unit 20. .

스택(10)에는 고분자막(4)과, 고분자막(4)의 양측에 제공된 캐소드 전극 및 애노드 전극(2, 6)으로 이루어진 전극막 조립체(MEA; Membrane Electrode Assembly)를 포함하는 단위전지가 복수개 제공된다. 애노드 전극(6)은 혼합탱크(50)로부터 공급되는 수소함유연료를 산화시켜서 수소이온(H+)과 전자(e-)를 발생시킨다. 캐소드 전극(2)은 공기 공급부(30)로부터 공급되는 공기 중의 산소를 산소이온과 전자로 변환시킨다. 그리고, 고분자막(4)은 애노드 전극(6)에서 발생된 수소이온을 캐소드 전극(2)에 이온교환의 기능과 함께 수소함유연료의 투과를 방지하는 기능을 갖는 전도성 고분자 전해질막으로서 약 50~200㎛ 정도의 두께를 갖는다.The stack 10 is provided with a plurality of unit cells including a polymer membrane 4 and an electrode membrane assembly (MEA) including cathode and anode electrodes 2 and 6 provided on both sides of the polymer membrane 4. . The anode 6 oxidizes the hydrogen-containing fuel supplied from the mixing tank 50 to generate hydrogen ions (H + ) and electrons (e ). The cathode electrode 2 converts oxygen in the air supplied from the air supply unit 30 into oxygen ions and electrons. The polymer membrane 4 is a conductive polymer electrolyte membrane having a function of ion exchange of hydrogen ions generated from the anode electrode 6 to the cathode electrode 2 and preventing permeation of hydrogen-containing fuel. It has a thickness on the order of μm.

상기 단위전지에서 수소와 산소의 전기화학적 반응결과 생성되는 전기는 스택(10)에 제공된 출력단자(미도시)를 통해서 외부회로로 출력되고, 스택(10)에서 산화반응에 참여하지 못한 수소함유연료, 즉 미반응 연료는 이산화탄소(CO2) 및 물(H2O)과 함께 배출부를 통해서 회수탱크(40)로 배출된다. 미반응 연료에 함유되어 있는 이산화탄소는 회수탱크(40)로 외부로 배출된다.The electricity generated as a result of the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen in the unit cell is output to an external circuit through an output terminal (not shown) provided to the stack 10, the hydrogen-containing fuel that does not participate in the oxidation reaction in the stack 10 That is, the unreacted fuel is discharged to the recovery tank 40 through the discharge unit together with carbon dioxide (CO 2 ) and water (H 2 O). Carbon dioxide contained in the unreacted fuel is discharged to the recovery tank 40 to the outside.

공기 공급부(30)에는 공기를 스택(10)의 캐소드 전극(2)에 공급하기 위한 구동펌프(P)가 제공되어 있고, 회수탱크(40)와 혼합탱크(50) 사이에는 미반응 연료를 혼합탱크(50) 측으로 공급하기 위한 제1구동수단, 예를 들어 제1펌프(P1)가 설치되어 있는 제1유로가 형성되어 있고, 연료 저장부(20)와 혼합탱크(50) 사이에는 고농도 연료를 혼합탱크(50) 측으로 공급하기 위한 제2구동수단, 예를 들어 제2펌프(P2)가 설치되어 있는 제2유로가 형성된다. 제1유로와 제2유로를 통해서 각각 공급되는 미반응 연료와 고농도 연료가 혼합탱크(50)에서 혼합됨으로써 생성되는 수소함유연료는 스택(10)의 애노드 전극(6)에 공급된다.The air supply unit 30 is provided with a driving pump P for supplying air to the cathode electrode 2 of the stack 10, and mixes unreacted fuel between the recovery tank 40 and the mixing tank 50. First driving means for supplying to the tank 50 side, for example, a first flow passage in which the first pump P1 is provided is formed, and a high concentration fuel is provided between the fuel storage unit 20 and the mixing tank 50. The second flow path is provided with a second drive means, for example, the second pump (P2) for supplying to the mixing tank 50 side. Hydrogen-containing fuel generated by mixing unreacted fuel and high concentration fuel, respectively, supplied through the first channel and the second channel in the mixing tank 50 is supplied to the anode electrode 6 of the stack 10.

또한, 연료전지 시스템은 공기 공급부(30)의 구동펌프(P)와, 제1유로의 제1펌프(P1)와, 제2유로의 제2펌프(P2) 등과 같은 구동수단의 작동을 제어하기 위한 구동제어회로를 포함하는 BOP(balance of plant)를 포함한다. 상기 구동제어회로의 제어동작에 의해서 구동펌프(P), 제1펌프(P1), 제2펌프(P2) 등와 같은 구동수단의 작동이 제어됨으로써, 혼합탱크(50)에 유입되는 미반응 연료와 고농도 연료의 유입량이 제어되어 스택(10)의 애노드 전극(6)에 유입되는 수소함유연료의 농도가 일정하게 유지되면서 또한 캐소드 전극(2)에 유입되는 공기의 유입량이 제어된다.In addition, the fuel cell system controls the operation of driving means such as a driving pump P of the air supply unit 30, a first pump P1 of the first channel, a second pump P2 of the second channel, and the like. It includes a balance of plant (BOP) including a drive control circuit for. By the control operation of the drive control circuit, the operation of the driving means such as the driving pump P, the first pump P1, the second pump P2, and the like is controlled, whereby unreacted fuel flowing into the mixing tank 50 and The flow rate of the high concentration fuel is controlled so that the concentration of the hydrogen-containing fuel flowing into the anode electrode 6 of the stack 10 is kept constant, and the amount of air flowing into the cathode electrode 2 is controlled.

상기 구동수단에 있어서, 제1펌프(P1)와 제2펌프(P2)는 밸브로 대체될 수 있다. 따라서, 상기 제1유로에는 제1펌프(P1) 대신에 제1밸브가 설치되고 상기 제2유로에는 제2펌프(P2) 대신에 제2밸브가 설치될 수 있다.In the driving means, the first pump P1 and the second pump P2 may be replaced by a valve. Therefore, a first valve may be installed in the first channel instead of the first pump P1 and a second valve may be installed in the second channel instead of the second pump P2.

본 발명에 따르면, 상기 제1유로에 있어서, 회수탱크(40)과 제1펌프(P1) 사이에는 제1펌프(P1)의 작동에 의해서 회수탱크(40)로부터 배출되는 미반응 연료에서 유효연료성분, 즉 스택에서의 산화반응에 참여할 수 있는 연료성분의 농도와 온도를 감지하기 위한 농도센서(S1)와 온도센서(S2)가 제공된다. 바람직하게, 농도센서(S1)와 온도센서(S2)는 제1유로에서 동일 지점에 위치하여 미반응 연료의 농도와 온도를 동일 위치에서 감지하게 된다.According to the present invention, in the first flow path, the effective fuel in the unreacted fuel discharged from the recovery tank 40 by the operation of the first pump (P1) between the recovery tank 40 and the first pump (P1). A concentration sensor S1 and a temperature sensor S2 are provided for sensing the concentration and temperature of the component, ie, the fuel component that can participate in the oxidation reaction in the stack. Preferably, the concentration sensor S1 and the temperature sensor S2 are located at the same point in the first flow path to sense the concentration and temperature of the unreacted fuel at the same location.

도 2a 내지 도 2d를 참조하면, 농도센서(S1)과 온도센서(S2)는 제1펌프(P1)의 후단, 혼합탱크(50)의 전단, 혼합탱크(50)의 내부 또는 혼합탱크(50)의 후단 각각에서 동일 위치에 설치될 수 있다. 따라서, 농도센서(S1)과 온도센서(S2)는 미반응 연료 뿐만 아니라 수소함유연료에 함유되어 있는 유효연료성분의 농도와 온도를 감지하게 된다.2A to 2D, the concentration sensor S1 and the temperature sensor S2 may include the rear end of the first pump P1, the front end of the mixing tank 50, the inside of the mixing tank 50, or the mixing tank 50. It may be installed in the same position at each rear end of the). Therefore, the concentration sensor S1 and the temperature sensor S2 detect the concentration and temperature of the active fuel component contained in the hydrogen-containing fuel as well as the unreacted fuel.

농도센서(S1)와 온도센서(S2)에 의해서 유효연료성분의 농도와 온도는 아날로그값으로 감지되고, 이러한 아날로그값은 A/D 변환기(미도시)를 통해서 디지탈값으로 변환된 후에 BOP에 내장되어 있는 DSP(digital signal processor)에 수신된다. The concentration and temperature of the effective fuel component are detected as analog values by the concentration sensor (S1) and temperature sensor (S2), and these analog values are converted into digital values through an A / D converter (not shown) and then embedded in the BOP. Received by a digital signal processor (DSP).

BOP에 있어서, DSP에 수신된 디지탈값으로부터 유효연료성분의 감지농도는 온도와의 상관관계를 나타내는 그래프를 참조하여 산출되는 기준농도와 비교되고, 그 비교결과에 의해서 구동제어회로는 구동수단, 특히 제2구동수단의 작동을 제어하게 된다.In the BOP, the detected concentration of the effective fuel component from the digital value received by the DSP is compared with a reference concentration calculated by referring to a graph showing a correlation with temperature, and the driving control circuit is driven by the comparison result. The operation of the second driving means is controlled.

예를 들어, 메탄올의 농도와 온도의 상관관계를 그래프로 나타내는 도 3을 참조하면, 메탄올의 감지온도가 40℃이면 이에 대응하는 메탄올의 기준농도는 1.0M이고, 메탄올의 감지온도가 100℃이면 이에 대응하는 메탄올의 기준농도는 4.0M이다.For example, referring to FIG. 3, which shows a correlation between methanol concentration and temperature, if the detection temperature of methanol is 40 ° C., the reference concentration of methanol corresponds to 1.0 M, and the detection temperature of methanol is 100 ° C. The corresponding methanol concentration is 4.0M.

따라서, 연료전지 시스템에 있어서, 유효연료성분의 온도가 온도센서(S2)에 의해 감지되면, 이러한 감지온도에 대응하는 기준농도는 그래프를 참조하여 산출된다. 산출된 기준농도는 농도센서(S1)에 의해서 감지된 유효연료성분의 감지농도와 비교된다. 이러한 비교결과에 의해서 구동제어회로는 상기 구동수단들의 작동을 제어하게 된다.Therefore, in the fuel cell system, when the temperature of the effective fuel component is detected by the temperature sensor S2, the reference concentration corresponding to the detected temperature is calculated with reference to the graph. The calculated reference concentration is compared with the detected concentration of the effective fuel component detected by the concentration sensor (S1). As a result of the comparison, the driving control circuit controls the operation of the driving means.

도 1을 다시 참조하면, 제1펌프(P1)의 작동 또는 제1밸브의 개도가 일정하게 유지된 상태에서, 회수탱크(40)로부터 배출되는 미반응 연료에 함유된 유효연료성분의 감지농도와 기준농도의 비교결과에 의해서 상기 구동제어회로는 제2펌프(P2)의 작동 또는 제2밸브의 개도를 조절하여 혼합탱크(50)에 공급되는 고농도 연료의 공급량을 조절하게 된다.Referring to FIG. 1 again, in the state where the operation of the first pump P1 or the opening degree of the first valve is kept constant, the detected concentration of the effective fuel component contained in the unreacted fuel discharged from the recovery tank 40 By the comparison result of the reference concentration, the drive control circuit adjusts the supply amount of the high concentration fuel supplied to the mixing tank 50 by adjusting the operation of the second pump P2 or the opening degree of the second valve.

유사한 방식으로, 도 2a 내지 도 2d에 도시된 바와 같이 제1펌프(P1)의 후단, 혼합탱크(50)의 전단, 혼합탱크(50)의 내부 또는 혼합탱크(50)의 후단 각각에 설치된 농도센서(S1)와 온도센서(S2)에 의해서 감지되는 유효연료성분의 감지농도 및 감지온도로부터 산출된 기준농도의 비교결과에 의해서 상기 구동제어회로는 제2펌프(P2)의 작동 또는 제2밸브의 개도를 조절하여 혼합탱크(50)에 공급되는 고농도 연료의 공급량을 조절하게 된다.In a similar manner, as shown in FIGS. 2A to 2D, concentrations provided at the rear end of the first pump P1, the front end of the mixing tank 50, the inside of the mixing tank 50, or the rear end of the mixing tank 50, respectively. According to a result of comparing the detected concentration of the effective fuel component detected by the sensor S1 and the temperature sensor S2 and the reference concentration calculated from the detected temperature, the driving control circuit operates the second pump P2 or the second valve. By adjusting the opening degree of the high-concentration fuel supplied to the mixing tank 50 is adjusted.

즉, 유효연료성분의 감지농도가 산출된 기준농도에 비하여 높게 나타나면 제2펌프(P2)의 구동전압을 낮추거나 또는 제2밸브의 개도를 작게 유지하여 혼합탱크(50)에 공급되는 고농도 연료의 공급량을 감소시킨다. 이와 반대로 미반응 연료의 감지농도가 산출된 기준농도에 비하여 낮게 나타나면 제2펌프(P2)의 구동전압을 높이거나 또는 제2밸브의 개도를 크게 유지하여 혼합탱크(50)에 공급되는 고농도 연료의 공급량을 증가시킨다.That is, when the detected concentration of the effective fuel component is higher than the calculated reference concentration, the driving voltage of the second pump P2 is lowered or the opening degree of the second valve is kept small so that the high concentration of fuel supplied to the mixing tank 50 can be obtained. Reduce the supply On the contrary, if the detected concentration of the unreacted fuel is lower than the calculated reference concentration, the high concentration of the fuel supplied to the mixing tank 50 may be increased by increasing the driving voltage of the second pump P2 or keeping the opening of the second valve large. Increase the supply

결과적으로 회수탱크(40)로부터 미반응 연료가 혼합탱크(50)에 정량으로 공급되는 동안 유효연료성분의 농도에 비례해서 공급량이 조절된 고농도 연료가 혼합탱크(50)에 공급되므로, 혼합탱크(50)로부터 스택(10)의 애노드 전극(6)에 공급되는 수소함유연료의 농도를 일정하게 유지하여 연료전지 시스템의 발전효율을 안정적으로 유지할 수 있게 된다.As a result, while the unreacted fuel is supplied from the recovery tank 40 to the mixing tank 50 in a quantitative manner, the high concentration fuel whose feed amount is adjusted in proportion to the concentration of the effective fuel component is supplied to the mixing tank 50, so that the mixing tank ( The concentration of the hydrogen-containing fuel supplied from the 50 to the anode electrode 6 of the stack 10 can be kept constant so that the power generation efficiency of the fuel cell system can be stably maintained.

상기 내용은 본 발명의 바람직한 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 요지로부터 벗어나지 않고 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있다는 것을 인식하여야 한다.The foregoing is merely illustrative of preferred embodiments of the present invention and those skilled in the art to which the present invention pertains may make modifications and changes to the present invention without departing from the spirit and gist of the invention as set forth in the appended claims. It must be recognized.

본 발명에 따르면, 스택에서의 산화반응에 참여하지 못하고 배출되는 미반응 원료의 농도와 온도를 감지하고 이로부터 산출되는 기준농도와 감지농도의 비교결과에 의해서 고농도 연료의 공급량을 조절하여 혼합탱크에 공급함으로써 혼합탱크로부터 스택의 애노드 전극에 유입되는 수소함유연료의 농도를 일정하게 유지할 수 있어 미반응 연료를 재활용하면서 동시에 연료전지 시스템의 발전효율을 안정적으로 유지하게 된다.According to the present invention, by detecting the concentration and temperature of the unreacted raw material discharged without participating in the oxidation reaction in the stack, and by adjusting the supply of high concentration fuel based on the comparison result of the reference concentration and the detected concentration to the mixing tank By supplying, the concentration of hydrogen-containing fuel flowing from the mixing tank to the anode electrode of the stack can be kept constant, thereby recycling unreacted fuel and maintaining the power generation efficiency of the fuel cell system.

Claims (14)

수소와 산화제의 전기화학적 반응에 의해서 전기를 생성시키는 스택에 연료 혼합부로부터 수소함유연료가 공급되는 메인유로;A main flow passage through which a hydrogen-containing fuel is supplied from a fuel mixing section to a stack that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and an oxidant; 상기 스택으로부터 배출되는 제1연료가 상기 연료 혼합부에 유입되는 제1유로;A first flow passage through which the first fuel discharged from the stack flows into the fuel mixing unit; 상기 연료 혼합부에 수소를 함유하는 제2연료를 공급하기 위한 제2구동수단이 설치되어 있는 제2유로;A second flow passage provided with second driving means for supplying a second fuel containing hydrogen to the fuel mixing portion; 상기 스택에 산화제 공급부로부터 산화제가 공급되는 공급라인;A supply line through which an oxidant is supplied to the stack from an oxidant supply unit; 상기 유로를 따라서 유동하는 연료의 농도와 온도를 동일 위치에서 각각 측정하는 농도센서 및 온도센서; 및A concentration sensor and a temperature sensor for measuring the concentration and temperature of the fuel flowing along the flow path at the same location, respectively; And 상기 농도센서와 온도센서로부터 제공되는 감지값에 의해서 상기 제2구동수단의 작동을 제어하기 위한 구동제어회로가 내장되어 있는 BOP를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.And a BOP in which a drive control circuit for controlling the operation of the second driving means is controlled by the sensed values provided from the concentration sensor and the temperature sensor. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1유로에는 상기 스택으로부터 배출되는 제1연료를 저장하는 회수탱크가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.And a recovery tank for storing the first fuel discharged from the stack in the first flow passage. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 농도센서와 온도센서는 상기 회수탱크의 후단에서 동일 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The concentration sensor and the temperature sensor are installed in the same position at the rear end of the recovery tank fuel cell system. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 제1유로에는 상기 회수탱크로부터 제1연료를 상기 연료 혼합부에 공급하기 위한 제1구동수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.And a first driving means for supplying a first fuel from the recovery tank to the fuel mixing section in the first flow passage. 제4항에 있어서, The method of claim 4, wherein 상기 농도센서와 온도센서는 상기 제1구동수단의 후단에서 동일 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The concentration sensor and the temperature sensor is installed in the same position at the rear end of the first driving means fuel cell system. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 농도센서와 온도센서는 상기 연료 혼합부의 전단에서 동일 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The concentration sensor and the temperature sensor are installed in the same position in front of the fuel mixing unit fuel cell system. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 농도센서와 온도센서는 상기 연료 혼합부 내부에서 동일 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.And the concentration sensor and the temperature sensor are installed at the same position within the fuel mixing unit. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 농도센서와 온도센서는 상기 연료 혼합부의 후단에서 동일 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The concentration sensor and the temperature sensor is installed in the same position at the rear end of the fuel mixing unit fuel cell system. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 8, 상기 제1구동수단과 제2구동수단은 펌프 또는 밸브인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.And the first driving means and the second driving means are pumps or valves. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 8, 상기 제1연료에 비하여 상기 제2연료는 상대적으로 높은 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The fuel cell system, characterized in that the second fuel has a relatively high concentration compared to the first fuel. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 8, 상기 농도센서에 의해서 감지된 상기 연료의 감지농도가 상기 온도센서에 의해서 감지된 감지온도로부터 산출되는 상기 연료의 기준농도보다 낮으면 상기 연료 공급부에 공급되는 상기 제2연료의 공급량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.When the detected concentration of the fuel detected by the concentration sensor is lower than the reference concentration of the fuel calculated from the detected temperature detected by the temperature sensor, the supply amount of the second fuel supplied to the fuel supply unit is increased. Fuel cell system. 제11항에 있어서,The method of claim 11, 상기 연료 혼합부에 공급되는 상기 제1연료의 공급량은 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.And a supply amount of the first fuel supplied to the fuel mixing unit is kept constant. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 산화제는 산소인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The oxidant is a fuel cell system, characterized in that oxygen. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 회수탱크에는 상기 스택으로부터 배출되는 제1연료에 함유되어 있는 이산화탄소를 외부로 배출하기 위한 배출부가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The recovery tank is provided with a discharge unit for discharging carbon dioxide contained in the first fuel discharged from the stack to the outside.
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