KR100799841B1 - 연료 전지 시스템, 연료 전지 발전 장치 및 그 운전 방법 - Google Patents

연료 전지 시스템, 연료 전지 발전 장치 및 그 운전 방법 Download PDF

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Abstract

연료 전지 발전 장치 내의 연료량을, 소정의 범위로 조정할 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 연료 전지 시스템(100)은, 연료 전지 발전 장치(10)와, 연료 전지 발전 장치(10)에 미리 설정된 전력값을 출력시키는 제어 수단(50)과, 충전과 외부에의 전력 공급이 가능한 전원 장치(60)를 구비하고, 제어 수단(50)은, 연료 상태 검출 수단(12)에 의해 검출된 액체 연료의 양에 기초해서, 연료 전지 발전 장치(10)로부터 출력되는 전력값을 변경하는 것을 특징으로 한다.
연료 전지 발전 장치, 연료 전지 시스템, 전원 장치, 액체 연료

Description

연료 전지 시스템, 연료 전지 발전 장치 및 그 운전 방법{FUEL CELL SYSTEM, FUEL CELL POWER GENERATION APPARATUS AND OPERATING METHOD THEREOF}
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 모식적으로 도시한 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 제1 전원과 제2 전원의 부하에의 송전량의 관계를 모식적으로 도시한 그래프.
도 3은 도 1에서의 연료 전지 발전 장치부분을 상세하게 도시한 구성도.
도 4의 (a)는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 환경 1에서의 연료 탱크 내의 메탄올 수용액량을 도시한 그래프, 도 4의 (b)는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 연료 전지 발전 장치가 발전하는 전류와 전력의 관계를 도시한 그래프.
도 5의 (a)는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 환경 2에서의 연료 탱크 내의 메탄올 수용액량을 나타내는 그래프, 도 5의 (b)는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 연료 전지 발전 장치가 발전하는 전류와 전력의 관계를 도시한 그래프.
도 6의 (a)는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 환경 3에서의 연료 탱크 내의 메탄올 수용액량을 도시한 그래프, 도 6의 (b)는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 연료 전지 발전 장치가 발전하는 전류와 전력의 관계를 도시한 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10:연료 전지 발전 장치
12:수위 센서
20:연료 전지 본체
22:고체 전해질막
24:캐소드
26:애노드
28:막-전극 접합체(MEA)
30:연료 탱크
32:고농도 연료 탱크
34:메탄올 수용액 순환 유로(34a…왕로부, 34b…복로부)
40:내부 부하
42:에어 펌프
44:액체 펌프(제1 액체 펌프)
46:액체 펌프(제2 액체 펌프)
50:제어 장치
60:2차 전지
70:전력 제어 장치
72:DC/DC 컨버터
100:연료 전지 시스템
200:부하
[특허 문헌 1] 일본 특허 공개 2005-108811호 공보
본 발명은, 연료 전지 시스템, 연료 전지 발전 장치 및 그 운전 방법에 관한 것으로, 구체적으로는, 연료 전지 발전 장치 내의 연료량을, 연료 전지의 동작점을 제어함으로써, 소정의 범위로 조정할 수 있는 연료 전지 발전 장치 및 그 운전 방법, 그리고 연료 전지 발전 장치를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지는 수소와 산소로부터 전기 에너지를 발생시키는 장치로서, 높은 발전 효율을 얻을 수 있다. 연료 전지의 주된 특징으로서는, 종래의 발전 방식과 같이 열 에너지나 운동 에너지의 과정을 거치지 않는 직접 발전이기 때문에, 소규모로도 높은 발전 효율을 기대할 수 있다는 것, 질소 화합물 등의 배출이 적고, 소음이나 진동도 작으므로 환경성이 좋다는 것 등을 들 수 있다. 이와 같이, 연료 전지는 연료가 가지는 화학 에너지를 유효하게 이용할 수 있고, 환경에 친화적인 특성을 가지고 있으므로, 21세기를 담당하는 에너지 공급 시스템으로서 기대되어, 우주용부터 자동차용, 휴대 기기용까지, 대규모 발전부터 소규모 발전까지, 여러 가지 용도로 사용할 수 있는 장래 유망한 새로운 발전 시스템으로서 주목받아, 실용화를 향해서 기술 개발이 본격화되고 있다.
그 중에서도, 고체 고분자형 연료 전지는, 다른 종류의 연료 전지에 비해서, 작동 온도가 낮고, 높은 출력 밀도를 갖는 특징이 있고, 특히 최근, 고체 고분자형 연료 전지의 한 형태로서, 다이렉트 메탄올 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC)가 주목받고 있다. DMFC는, 연료인 메탄올 수용액을 개질하지 않고 직접 애노드에 공급하고, 메탄올 수용액과 산소의 전기 화학 반응에 의해 전력을 얻는 것이며, 이 전기 화학 반응에 의해 애노드로부터는 이산화탄소가, 캐소드로부터는 생성수가, 반응 생성물로서 배출된다. 메탄올 수용액은 수소에 비해서, 단위 체적당 에너지가 크고, 또한, 저장에 적합하고, 폭발 등의 위험성도 낮기 때문에, 자동차나 휴대 기기(휴대 전화, 노트형 퍼스널 컴퓨터, PDA, MP3 플레이어, 디지털 카메라 혹은 전자 사전(서적))등의 전원에의 이용이 기대되고 있다.
이 DMFC가 발전하면, 연료가 소비되므로, 통상적으로，DMFC를 이용하는 DMFC시스템은, DMFC 시스템에 착탈 가능하게 설치되고, 순 메탄올 또는 고농도의 메탄올 수용액이 충전된 연료 탱크로부터 연료의 공급을 받는다. 그리고, 연료 탱크 내의 연료가 없어지면, 이 연료 탱크를 교환한다고 하는 구성이 채용되어 있다.
종래의 연료 전지 시스템에서는, 애노드로부터 배출되는 이산화탄소를, 애노드로부터 함께 배출되는 연료와 분리해서 시스템 외로 배기하기 위해서, 연료의 유통 경로의 일부, 특히 연료 저장부를 외부로 개방하는 구성을 채용하고 있었다. 그러나, 이 개방부로부터, 이산화탄소와 함께, 연료 내의 수분이나 메탄올이 방출되고, 그 방출량(증발량)도 온도나 습도 등의 외부 환경에 따라 변동한다. 이 때문에, 연료 전지 시스템 내의 연료량을 일정하게 조정하는 것이 곤란한 경우가 있었다.
본 발명은, 상기한 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 연료 전지 발전 장치 내의 연료량을, 소정의 범위로 조정할 수 있는 연료 전지 발전 장치 및 그 운전 방법, 그리고, 그 연료 전지 발전 장치를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 연료 전지 발전 장치는, 액체 연료가 공급되어 발전하는 연료 전지와, 상기 연료 전지에 상기 액체 연료를 공급함과 함께 상기 연료 전지로부터 배출 물질을 회수하는 연료 순환 수단과, 상기 연료 순환 수단에 설치되고, 상기 액체 연료의 양을 검출하는 연료 상태 검출 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 연료 전지 발전 장치 내의 연료량을, 소정의 범위로 조정할 수 있다．
여기서, 액체 연료는, 상기한 바와 같은 메탄올(수용액)에 한정되지 않고, 에탄올, 이소프로필알코올, 에틸렌글리콜, 디메틸에테르 등이어도 된다. 이러한 액체 연료를 직접 공급하는 타입 연료 전지로부터는, 이산화탄소나 물이 생성물로서 배출되고, 그 중에서도 물은 회수되어 액체 연료와 혼합되는 경우가 많다. 물이 회수되어 재이용되는 연료 전지로서는 펌프 등의 보기류(補機類)를 이용하는, 소위, 액티브형 DMFC가 일반적이지만, 펌프 등 적극적으로 물을 회수하는 수단을 포함하지 않아도, 연료 순환 수단은, 자연대류나 모세관 현상을 이용(소위, 패시브형)해서 액체 연료의 공급과 배출물의 회수가 가능하면 된다. 또한, 액체 연료의 상태란, 연료 전지 발전 장치 내의 연료량(체적)을 추정할 수 있으면 되고, 액체 연료가 유통하는 공간의 총 체적을 알 수 있으면, 압력, 온도 등으로부터도 추정 가능하고, 수위 등으로부터도 추정 가능하다.
본 발명의 제2 양상에 따른 발명은, 본 발명의 제1 양상에 따른 연료 전지 발전 장치에 있어서, 상기 연료 상태 검출 수단은, 상기 연료 순환 수단을 순환하는 상기 액체 연료의 체적을 검출하는 체적 검출 수단인 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명의 제3 양상에 따른 발명은, 본 발명의 제1 양상 또는 본 발명의 제2 양상에 따른 연료 전지 발전 장치에 있어서, 상기 연료 순환 수단은, 순환하는 상기 액체 연료를 저류하는 연료 저류 수단을 포함하는 것을 특징으로 하고, 본 발명의 제4 양상에 따른 발명은, 본 발명의 제3 양상에 따른 연료 전지 발전 장치에 있어서, 상기 연료 상태 검출 수단은, 상기 연료 저류 수단에 설치되고, 상기 액체 연료의 수위를 검출하는 수위 검출 수단인 것을 특징으로 한다. 여기에서, 수위 검출 수단이란, 플로트와 같이 액체 연료의 양을 리얼타임으로 검출할 수 있는 것이어도 되지만, 리미터와 같은 것을 이용해도 된다．
본 발명의 제5 양상에 따른 연료 전지 시스템은, 본 발명의 제1 양상 또는 본 발명의 제2 양상에 따른 연료 전지 발전 장치와, 상기 연료 전지 발전 장치에 미리 설정된 전력값을 출력시키는 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명의 제6 양상에 따른 발명은, 본 발명의 제5 양상에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제어 수단은, 상기 연료 상태 검출 수단에 의해 검출된 상기 액체 연료의 양에 기초해서, 상기 연료 전지 발전 장치로부터 출력되는 상기 전력값을 변경하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 연료 전지 발전 장치 내의 연료량을, 소정의 범위로 조정할 수 있다. 또한, 연료 전지는 초 단위 이하로 변동하는 부하 변동에 응답하는 것이 곤란한 경우가 있어, 미리 설정된 소정의 전력값으로 안정적으로 운전시킴으로써, 연료 전지 발전 장치 및 연료 전지 시스템의 긴 수명도 도모할 수 있다.
본 발명의 제7 양상에 따른 발명은, 본 발명의 제5 양상에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 충전과 외부에의 전력 공급이 가능한 전원 장치를 구비하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 상기한 바와 같이, 연료 전지 단독으로는 초 단위 이하로 변동하는 부하 변동에 응답하는 것이 곤란해도, 연료 전지 발전 장치로부터는 소정의 전력을 출력시키고, 요구되는 전력이 연료 전지 발전 장치로부터 출력되는 전력보다 낮을 경우에는, 전원 장치의 충전을 행하고, 요구되는 전력이 연료 전지 발전 장치로부터 출력되는 전력보다 높을 경우에는, 전원 장치로부터도 전력을 공급시킴으로써, 부하 변동에 추종하는 것이 가능하게 된다. 또한, 연료 전지 시스템의 기동 정지도 신속하게 행할 수 있어, 연료 전지 발전 장치와 전원 장치의 밸런스를 취하면서, 연료 전지 시스템으로서 낭비없이 부하에 전력을 공급할 수 있다．
본 발명의 제8 양상에 따른 발명은, 본 발명의 제7 양상에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 전지 발전 장치를 기동할 때에, 상기 전원 장치에 충전된 전력을 이용하는 것을 특징으로 하고, 본 발명의 제9 양상에 따른 발명은, 본 발명의 제7 양상에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 전력 수요가 상기 전력값보다 클 때에, 상기 전원 장치에 충전된 전력을 이용하는 것을 특징으로 하고, 본 발명 의 제10 양상에 따른 발명은, 본 발명의 제7 양상에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 전력 수요가 상기 전력값보다 작을 때에, 상기 연료 전지 발전 장치로부터의 전력을 상기 전원 장치의 충전에 이용하는 것을 특징으로 하고, 본 발명의 제11 양상에 따른 발명은, 본 발명의 제7 양상에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 전지 발전 장치를 정지할 때에, 상기 연료 전지 발전 장치로부터의 전력을 상기 전원 장치의 충전에 이용하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 연료 전지 시스템의 기동 정지도 신속하게 행할 수 있어, 연료 전지 발전 장치와 전원 장치의 밸런스를 취하면서, 연료 전지 시스템으로서 낭비없이 부하에 전력을 공급할 수 있다．
본 발명의 제12 양상에 따른 발명은, 본 발명의 제7 양상에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 전력값은, 상기 연료 전지 시스템이 기동하고나서 정지할 때까지의 동안, 상기 전원 장치가 외부에 전력을 공급하는 방전량보다, 상기 전원 장치에 전력이 공급되는 충전량이 커지도록 설정되는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 전원 장치에 충전되는 전력량이 0으로 되어, 연료 전지 시스템을 기동할 수 없게 되는 경우가 없도록 할 수 있다．
본 발명의 제13 양상에 따른 발명은, 본 발명의 제7 양상에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 전원 장치의 용량은, 상기 연료 전지 시스템이 기동하고나서 정지할 때까지의 동안, 상기 전원 장치가 외부에 전력을 공급하는 방전량의 1배 내지 2.5배인 것을 특징으로 한다. 본 발명의 제14 양상에 따른 발명은, 본 발명의 제13 양상에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 전원 장치의 용량은, 상기 연료 전지 시스템이 기동하고나서 정지할 때까지의 동안, 상기 전원 장치가 외부에 전력을 공급하는 방전량의 1.3배 내지 2배인 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 부하 변동에도 대응할 수 있고, 또한, 연료 전지 발전 장치로부터 출력되는 전력값이 변동해도, 여기에 대응할 수 있다. 또한, 적절한 범위로 설정함으로써, 연료 전지 시스템을 콤팩트하게 할 수 있다．
본 발명의 제15 양상에 따른 발명은, 외부에의 전력 공급이 가능한 제1 전원 장치와, 외부에의 전력 공급과 충전이 가능한 제2 전원 장치를 구비하는 하이브리드 전원 시스템에 있어서, 상기 제1 전원은 미리 설정된 전력값을 출력하고, 상기 제2 전원 장치는 전력 수요에 따라서 전력 공급과 충전을 행하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 제1 전원 장치로부터는 소정의 전력을 출력시키고, 요구되는 전력이 제1 전원 장치로부터 출력되는 전력보다 낮을 경우에는, 제2 전원 장치의 충전을 행하고, 요구되는 전력이 제1 전원 장치로부터 출력되는 전력보다 높을 경우에는, 제2 전원 장치로부터도 전력을 공급시킴으로써, 부하 변동에 추종하는 것이 가능하게 된다. 또한, 제1 전원 장치와 제2 전원 장치의 밸런스를 취하면서, 하이브리드 전원 시스템으로서 낭비없이 부하에 전력을 공급할 수 있다．
본 발명의 제16 양상에 따른 발명은, 액체 연료가 공급되어 발전하는 연료 전지와, 상기 연료 전지에 상기 액체 연료를 공급함과 함께 상기 연료 전지로부터 배출 물질을 회수하는 연료 순환 수단과, 상기 연료 순환 수단에 설치되고, 상기 액체 연료의 양을 검출하는 연료 상태 검출 수단과, 상기 연료 전지와 상기 연료 순환 수단과 상기 연료 상태 검출 수단을 제어하는 제어 수단을 구비하는 연료 전지 발전 장치의 운전 방법으로서, 상기 제어 수단은, 상기 액체 연료의 체적이 감소했을 때에, 상기 연료 전지가 고전류 운전으로 되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
액체 연료를 직접 공급하는 타입 연료 전지는, 액체 연료가 연료 전지의 열 매체, 특히 정상 운전 시에는 냉각 매체로서의 역할을 담당하고 있기 때문에, 액체 연료의 체적이 감소하면, 액체 연료에 의한 연료 전지의 냉각 효과가 저하되는 문제가 있다. 또한, 액체 연료의 체적이 감소되어, 연료 전지에의 액체 연료 공급 유로(연료 순환 수단의 왕로부)에 기체가 혼입되면, 애노드측이 연료 결핍 상태로 되고, 이 상태에서 연료 전지로부터 출력을 얻고자 한다면, 애노드 주변에 이용되고 있는 카본 부재(세퍼레이터, 확산층, 촉매층)의 탄소 성분이 분해되어 버린다고 하는 문제가 있다. 따라서, 본 발명의 제16 양상의 구성에 의해, 연료 전지 발전 장치 내의 액체 연료를 상기한 문제가 발생하지 않는 필요량을 확보할 수 있다．
본 발명의 제17 양상에 따른 발명은, 액체 연료가 공급되어 발전하는 연료 전지와, 상기 연료 전지에 상기 액체 연료를 공급함과 함께 상기 연료 전지로부터 배출 물질을 회수하는 연료 순환 수단과, 상기 연료 순환 수단에 설치되고, 상기 액체 연료의 양을 검출하는 연료 상태 검출 수단과, 상기 연료 전지와 상기 연료 순환 수단과 상기 연료 상태 검출 수단을 제어하는 제어 수단을 구비하는 연료 전지 발전 장치의 운전 방법으로서, 상기 제어 수단은, 상기 액체 연료의 체적이 증가했을 때에, 상기 연료 전지가 저전류 운전으로 되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
액체 연료를 직접 공급하는 타입 연료 전지로부터는, 이산화탄소나 물이 생성물로서 배출되고, 그 중에서도 물은 회수되어 액체 연료와 혼합되는 경우가 많기 때문에, 생성되는 물의 양이 많으면 연료 순환 수단으로부터 오버플로되는 문제가 있다. 따라서, 본 발명의 제17 양상의 구성에 의해, 연료 전지 발전 장치 내의 액체 연료를 연료 순환 수단으로부터 오버플로하지 않는 범위로 조정할 수 있다．
본 발명에 따르면, 연료 전지 발전 장치 내의 연료량을 소정의 범위로 조정할 수 있다．
이하에, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)의 구성에 대해서, 도면을 이용해서 상세하게 설명한다.
도 1은, 본 연료 전지 시스템(100)의 구성을 모식적으로 도시한 구성도이다. 연료 전지 시스템(100)은, 제1 전원으로서의 연료 전지 발전 장치(10)와, 연료 전지 시스템(100)의 기동 시에 연료 전지 발전 장치(10)의 보기류 등 내부 부하(40)에 전력을 공급하거나, 부하(200)로부터 요구되는 전력이 커질 때에 부하(200)에 전력을 공급하는 제2 전원으로서의 2차 전지(60)와, 연료 전지 발전 장치(10)와 2차 전지(60)의 전력 공급의 밸런스를 제어하는 전력 제어 장치(70)를 갖고 있다. 또한, 연료 전지 시스템(100)의 내부에는, 전력 제어 장치(70)와 접속되어, 부하(200)로부터 요구되는 전력량이나 연료 전지 발전 장치(10)로부터 공급 가능한 전력량 혹은 연료 전지 발전 장치(10)의 운전 상태 등을 포함하는 정보의 수수를 행함과 함께, 연료 전지 발전 장치(10)의 각종 제어를 행하는 제어 장치(50)가 설치되어 있다.
연료 전지 발전 장치(10)는, 도 2에 도시한 바와 같이 연료 전지 시스템의 기동 시 또는 정지 시를 제외한 정상 운전을 행하고 있을 때에는, 가능한 한 일정한 전력(Pfcc)을 출력하도록 운전하는 것이 바람직하다. 본 연료 전지 시스템(100)의 기동 시에, 부하(200)로부터 전력을 요구하는 신호(부하(200)가 기동하는 신호)를 제어 장치(50)가 받으면, 제어 장치(50)는 연료 전지 발전 장치(10)를 기동하는데, 명령을 받고나서 소정의 시간(본 연료 전지 시스템(100)에서는 30초 동안)은 난기 운전을 행하기 때문에, 연료 전지 발전 장치(10)로부터 전력은 출력되지 않는다. 그 동안, 부하(200) 및 내부 부하(40)에는 2차 전지(60)로부터 전력을 공급하고, 소정의 시간이 경과한 후에는, 연료 전지 발전 장치(10)로부터의 출력을 서서히 증가시킨다. 한편, 정지 시에, 부하(200)로부터 전력 요구를 정지하는 신호(부하(200)가 퍼스널 컴퓨터 등의 경우에는, 셧 다운을 행하는 신호)를 제어 장치(50)가 받으면, 제어 장치(50)는 연료 전지 발전 장치(10)를 정지하는데, 신호를 받고나서 연료 전지 발전 장치(10)로부터의 출력을 0으로 할 때까지는, 상세한 것은 후술하겠지만, 소정의 시간(본 연료 전지 시스템(100)에서는 15분 동안)을 요한다. 그 동안, 잉여로 되는 연료 전지 발전 장치(10)로부터의 전력은 2차 전지(60)에 공급되어, 2차 전지(60)를 충전하는데 이용된다.
또한, 정상 운전을 행하고 있는 동안은, 전술한 바와 같이, 연료 전지 발전 장치(10)로부터의 출력되는 전력이 거의 일정해지는 운전이, 발전 효율면에서도 내구성면에서도 요망되므로, 전력 제어 장치(70)는, 연료 전지 발전 장치(10)로부터 의 전력이 Pfcc±소정의 범위로 되도록 제어한다. 그러나, 부하(200)로부터 요구되는 전력은 시간에 따라 변동하기 때문에, 연료 전지 발전 장치(10)로부터 출력되는 전력(Pfc)을 초과하는 전력이 요구될 때에는, 초과분을 2차 전지(60)로부터 공급하고, Pfc를 하회하여 전력이 잉여로 될 때에는, 잉여분을 2차 전지(60)에 공급해서 2차 전지(60)를 충전한다.
부하(200)에 2차 전지(60)로부터 전력을 공급하는 공급량(2차 전지(60)의 방전량)과 2차 전지(60)에 연료 전지 발전 장치(10)로부터 전력을 공급하는 공급량(2차 전지(60)의 충전량)은, 수학식 1에 표현한 바와 같이 충전량이 상회하고 있는(최저한 동일량으로 되어 있는) 것이 요망되어, 부하(200)가 요구하는 최대 전력(Pmax)이나 그 구동 시간(10±3h) 등으로부터, 수학식 1을 충족시키도록 Pfcc가 설정된다.
Figure 112006060475899-pat00001
여기서, tup은 부하(200)가 요구하는 전력이 Pfc를 상회하고 있는 동안의 시간, Pup은 부하(200)가 요구하는 전력이 Pfc를 상회하고 있을 때의 요구 전력값이고, tdown은 부하(200)가 요구하는 전력이 Pfc를 하회하고 있는 동안의 시간, Pdown은 부하(200)가 요구하는 전력이 Pfc를 하회하고 있을 때의 요구 전력값이다. 또한, 2차 전지(60)의 전지 용량 C는 전술한 부하(200) 변동을 충분히 흡수할 수 있는 크기가 요망되고, 수학식 2에 표현한 바와 같이, 전지 용량 C는, 2차 전지(60)로부터 부하(200)에 전력을 공급하는 공급량(2차 전지(60)의 방전량)에 대해서 소정의 범위로 되도록 C가 설정된다.
Figure 112006060475899-pat00002
여기서, kmin은 연료 전지 시스템(100)의 콤팩트화, 저비용화를 고려하면 1.0으로 하는 것이 바람직하지만, 부하 변동을 고려해서 1.3으로 설정하면 된다. 한편，kmax는, 후술하는 바와 같이, 연료 전지 발전 장치(10)를, 내부를 순환하는 연료(메탄올 수용액)가 소정의 양으로 유지되도록 발전하는 전력의 전류값을 제어하는 경우, Pfcc가 변동하기 때문에, 2.5로 설정하면, 충분히 부하 변동에 견딜 수 있는 2차 전지(60)를 이용할 수 있다. 그러나, 연료 전지 시스템(100)의 콤팩트화, 저비용화를 고려해서 2.0으로 하는 것이 바람직하다.
도 3은, 연료 전지 발전 장치(10)의 구성을 상세하게 도시한 본 연료 전지 시스템(100)의 구성도이다. 연료 전지 발전 장치(10)는, 고체 전해질막(22)의 한쪽 면에 캐소드(24), 다른 쪽 면에 애노드(26)를 설치하고, 캐소드(24)에는 산화제로서 공기가 공급되고, 애노드(26)에는 연료로서 메탄올 수용액이 공급되는 연료 전지 본체(20)를 구비하고 있고, 이 연료 전지 본체(20)에 의해 발전한 전력을, 전 력 제어 장치(70)의 DC/DC 컨버터(72)에 의해 승압하여, 부하(200)로 보내도록 구성되어 있다. 이 연료 전지 발전 장치(10)의 보기류로서, 연료 전지 본체(20)의 캐소드(24)에 공기를 공급하는 에어 펌프(42)와, 애노드(26)에 메탄올 수용액을 공급하는 액체 펌프(제1 액체 펌프)(44)와, 애노드(26)에 공급되는 소정 농도(1.0±0.5mol/L)의 메탄올 수용액을 저장하는 연료 탱크(30)를 구비하고, 연료 전지 본체(20)의 발전에 의해 연료 탱크(30) 내의 메탄올이 소비되면, 연료 전지 발전 장치(10)와 착탈 가능하게 설치되고, 고농도(15mol/L 이상) 혹은 100%(25mol/L)의 메탄올을 저장하는 고농도 연료 탱크(32)로부터, 액체 펌프(제2 액체 펌프)(46)를 통해, 연료 탱크(30)에 메탄올이 보충된다.
연료 탱크(30)는, 소정 농도의 메탄올 수용액을 저장함과 함께, 연료 전지 본체(20)의 캐소드(24)측 및 애노드(26)측으로부터 배출되는 배출 물질(산소 농도가 낮은 배출 공기, 캐소드 반응에 의한 생성수, 메탄올 농도가 낮은 배출 메탄올 수용액, 애노드 반응에 의한 이산화탄소)의 기체 성분과 액체 성분을 분리하는 기능도 갖고 있고, 도시하지 않은 라디에이터에 의해 상온에 가까운 온도로 된 배출 물질 내의 배출 공기나 이산화탄소는, 이 연료 탱크(30)에서 메탄올 수용액과 분리되어, 시스템 외로 배출되도록 구성되어 있다. 이 때, 상기 배출 공기나 이산화탄소와 함께, 메탄올 수용액의 메탄올이나 물(수증기)의 성분도 기체로 되어, 소량이기는 하지만 시스템 외로 배출된다.
증발해서 시스템 외로 배출되는 메탄올 및 수증기의 양과 보충·생성되는 메탄올 및 생성수의 양의 밸런스는, 연료 탱크(30)로부터 시스템 외로의 배출 경로나 라디에이터를 적절하게 설계함과 함께, 연료 탱크(30) 내의 메탄올과 물의 배합비(메탄올 수용액의 농도)를 적절한 범위로 함으로써 조정 가능하다. 그러나, 메탄올 및 물의 증발량은, 연료 전지 시스템(100)이 이용되는 환경(온도·습도) 등에 의해 변동되므로, 연료 전지 발전 장치(10) 내, 즉, 메탄올 수용액의 순환 유로(34) 내를 흐르는 메탄올 수용액의 양을 일정하게 유지하는 것이 곤란한 경우가 있다.
메탄올 수용액의 양이 감소하고, 메탄올 수용액 순환 유로(34)의 왕로부(34a)에 기체가 혼입되면, 애노드(26)가 고체 전해질막(22)의 하면에 설치되어 있는 경우에는 특히, 애노드(26)에 메탄올 수용액이 공급되기 어려워져, 연료 결핍에 의해 카본이 분해될 우려가 발생한다. 또한, 메탄올 수용액의 양을 증가시키기 위해서, 고농도 연료 탱크(32)로부터 연료 탱크(30)에 필요량을 보충하면, 메탄올 수용액 순환 유로(34)를 고농도의 메탄올 수용액이 순환하게 되어, 즉, 애노드(26)에 고농도의 메탄올 수용액이 공급되게 되어, 크로스오버 등의 다른 문제를 일으키게 된다. 한편，메탄올 수용액의 양이 증가하고, 또한, 메탄올 수용액의 농도가 소정의 하한값을 하회할 경우, 고농도 연료 탱크(32)로부터 연료 탱크(30)에 메탄올을 보충함으로써, 연료 탱크(30)가 넘쳐버릴 우려가 발생한다.
따라서, 연료 탱크(36)에 수위 센서(12)를 설치하여, 메탄올 수용액 순환 유로(34)를 흐르는 메탄올 수용액의 양을 제어 장치(50)에 의해 감시한다. 연료 전지 본체(20)는, 고전류 운전(도 4의 (b)의 화살표 1)을 행하면, 전기 화학 반응에 의해 생성수가 보다 많이 생성된다. 또한 반대로, 저전류 운전(도 4의 (b)의 화살표 2)을 행하면，생성되는 생성수의 양이 감소하고, 증발량이 상회한다. 도 4의 (a)는, 기온 20℃, 습도 50%(환경 1)에서의 연료 탱크(30) 내의 메탄올 수용액량을 나타내는 그래프이다. 도 4의 (a)에 도시한 바와 같이 환경 1의 경우, 연료 전지 발전 장치(10)로부터의 출력이 Pfcc로 되도록 운전하면, 연료 전지 본체(20)로부터 생성되는 생성수의 생성량과 증발량의 밸런스를 취할 수 있어, 연료 탱크(30)의 수위를 거의 일정하게 유지할 수 있다.
도 5의 (a)는, 기온 30℃, 습도 70%(환경 2)에서의 연료 탱크(30) 내의 메탄올 수용액량을 도시하는 그래프이다. 도 5의 (a)에 도시한 바와 같이 환경 2의 경우, 연료 전지 발전 장치(10)로부터의 출력이 Pfcc로 되도록 운전하면, 연료 전지 본체(20)로부터 생성되는 생성수의 생성량을 증발량이 상회하여, 연료 탱크(30)는 물부족 상태로 된다. 따라서, 제어 장치(50)는, 연료 탱크(30)의 수위를 감시하면서, 연료 전지 본체(20)로부터 생성되는 생성수가 많아지도록, Afcc로부터 Afc2로 고전류 운전으로 되도록 제어한다. 즉, 제어 장치(50)는, 전력 제어 장치(70)에서 설정되어 있는 연료 전지 발전 장치(10)로부터의 출력의 임계값 Pfcc를 Pfc2로 변경하고, 이것에 의해, 연료 전지 발전 장치(10)에서는 고전류 운전으로 된다. 이 고전류 운전에 수반해서 발생하는 잉여 전력은, 2차 전지(60)의 충전에 이용된다.
도 6의 (a)는, 기온 10℃, 습도 30%(환경 3)에서의 연료 탱크(30) 내의 메탄올 수용액량을 도시하는 그래프이다. 도 6의 (a)에 도시한 바와 같이, 환경 3의 경우, 연료 전지 발전 장치(10)로부터의 출력이 Pfcc로 되도록 운전하면, 증발량을 연료 전지 본체(20)로부터 생성되는 생성수의 생성량이 상회하여, 연료 탱크(30)는 물 잉여의 상태로 된다. 따라서, 제어 장치(50)는, 연료 탱크(30)의 수위를 감시하면서, 연료 전지 본체(20)로부터 생성되는 생성수가 적어지도록, Afcc로부터 Afc3로 저전류 운전으로 되도록 제어한다. 즉, 제어 장치(50)는, 전력 제어 장치(70)에서 설정되어 있는 연료 전지 발전 장치(10)로부터의 출력의 임계값 Pfcc를 Pfc3으로 변경하고, 이에 의해, 연료 전지 발전 장치(10)에서는 저전류 운전으로 된다. 이 저전류 운전에 수반하는 전력 부족은, 2차 전지(60)에 의해 조달하도록 한다.
전술했지만, 정지 시에 있어서, 부하(200)로부터 전력 요구를 정지하는 신호가 발생되면, 제어 장치(50)는 연료 전지 발전 장치(10)에 의한 발전을 정지한다. 이때, 제어 장치(50)는, 2차 전지(60)의 잔량을 확인하고, 다음 회의 기동에 필요한 전력을 2차 전지(60)에 충전하는 충전 처리와, 연료 전지 발전 장치(10)를 보관하는데 적합한 상태로 하는 보관 처리를 행한다. 연료 전지 본체(20) 내부는, 다음 회의 기동 시까지(연료 전지 시스템(100)의 정지중), 고체 전해질막(22)을 습윤시킨 상태에서 유지하는 것이 바람직하다. 또한, 애노드(26)로부터 캐소드(24)에 크로스오버한 메탄올이 캐소드(24)에 의해 연소 반응을 일으켜서, 캐소드(24)가 CO피독하는 것을 방지하기 위해서, 연료 전지 본체(20) 내부의 캐소드(24)측은 산소 농도가 낮은(5%이하) 공기로 채워지는 것이 바람직하고, 연료 전지 시스템(100) 정지 중에 연료 전지 본체(20)가 동결되는 것을 방지하기 위해서, 연료 전지 본체(20) 내부의 애노드(26)측은 고체 전해질막(22)이 열화를 야기하지 않는 범위에 서 소정 농도보다 높은 농도(5±3mol/L)의 메탄올 수용액으로 채워지는 것이 바람직하다.
보관 처리는, 상기한 바와 같은 연료 전지 발전 장치(10)의 보관에 적합한 상태로 하는 것이며, 제어 장치(50)는 우선, 연료 전지 본체(20)의 온도가 제1 소정의 온도(본 실시예에서는 45℃) 이하로 될 때까지, 필요 최저한의 보기류를 동작시켜, 연료 전지 본체(20)를 냉각하면서 발전한다(단, 2차 전지(60)의 잔량이 적고, 다음 회의 기동 시에 필요한 전력량을 냉각시키면서 하는 발전량으로는 조달할 수 없다고 판단한 경우에는, 필요한 시간만큼 정상 운전을 계속함). 그 동안, 내부 부하(40)(보기류)의 동작에 필요한 전력은 연료 전지 발전 장치(10)로부터 공급하고, 내부 부하(40)에 공급해도 잉여로 되는 전력은 2차 전지(60)에 공급한다(충전 처리).
연료 전지 본체(20)가 제1 소정의 온도로 된 지점에서, 연료 전지 발전 장치(10)로부터 내부 부하(40)를 분리하고, 연료 전지 본체(20)의 온도가 제2 소정의 온도(본 실시예에서는 40℃) 이하로 될 때까지 무부하 운전을 행한다. 즉, 내부 부하(40)(보기류)의 동작에 필요한 전력은 2차 전지(60)로부터 공급한다. 연료 전지 본체(20)가 제2 소정의 온도로 된 지점에서，에어 펌프(42)를 정지시켜 캐소드(24)에의 산소의 공급을 차단한다. 연료 전지 본체(20) 내부에 잔류한 산소는 반응해서 서서히 소비되고, 연료 전지 본체(20)의 전압도 이것에 수반해서 저하한다. 연료 전지 본체(20)의 전압이 소정의 전압 이하로 된 지점에서, 혹은, 에어 펌프(42)를 정지시켜 소정 시간 경과한 후에, 제2 액체 펌프(46)를 구동하여, 연료 탱크(30) 및 메탄올 수용액 순환 유로(34) 내의 메탄올 수용액이, 소정 농도(1.0mol/L)보다 높은 농도(5mol/L)로 되도록 하고, 제1 액체 펌프(44)를 정지시킨다.
그리고, 메탄올 수용액이 시스템 외로 증발하지 않도록, 외부와 연통하는 유로를, 도시하지 않은 셔터 등의 차단 수단에 의해 외부와 차단함으로써, 연료 전지 본체(20)는, 산소 농도가 낮은 공기와 소정 농도보다 높은 농도의 메탄올 수용액에 의해 채워져, 연소 반응이나 동결 등도 발생하기 어렵고, 또한, 고체 전해질막(22)을 습윤시킨 상태에서 유지하는 것이 가능하게 된다．
본 실시예에서는, 상세하게 설명하지 않았지만, 제2 액체 펌프(46)는, 메탄올 수용액의 농도를 검출하는 센서나 연료 전지 본체(20)의 출력 등에 의해, 메탄올 수용액 농도를 감시하여, 메탄올 수용액 농도가 옅어졌을 때에 가동하도록 설정해도 되고, 소정의 간격을 두고 간헐적으로 가동하도록 설정해도 된다. 또한, 연료로서는, 메탄올을 이용했지만, 액체 연료를 이용하는 연료 전지이면 되고, 본 발명은 MFC에 한정되는 것은 아니다.
<산업상의 이용가능성>
부하로서 퍼스널 컴퓨터를 예로 이용했지만, 본 발명은, 다양한 기기, 특히 휴대 기기에의 이용이 기대되는 액체 연료를 이용하는 연료전지 시스템에서 이용 가능하다고 생각된다.
본 발명에 따르면, 연료 전지 발전 장치 내의 연료량을 소정의 범위로 조정 할 수 있다.

Claims (17)

  1. 액체 연료가 공급되어 발전하는 연료 전지와,
    상기 연료 전지에 상기 액체 연료를 공급함과 함께 상기 연료 전지로부터 배출 물질을 회수하는 연료 순환 수단과,
    상기 연료 순환 수단에 설치되고, 상기 액체 연료의 양을 검출하는 연료 상태 검출 수단
    을 구비하고,
    상기 연료 상태 검출 수단에 의해 검출된 상기 액체 연료의 양에 기초해서, 출력되는 전력값을 변경하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료 상태 검출 수단은, 상기 연료 순환 수단을 순환하는 상기 액체 연료의 체적을 검출하는 체적 검출 수단인 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연료 순환 수단은, 순환하는 상기 액체 연료를 저류하는 연료 저류 수단을 포함하고,
    상기 연료 상태 검출 수단은, 상기 연료 저류 수단에 설치되고, 상기 액체 연료의 수위를 검출하는 수위 검출 수단인 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제3항의 연료 전지 발전 장치와,
    충전과 외부에의 전력 공급이 가능한 전원 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 연료 전지 발전 장치를 기동할 때에, 상기 전원 장치에 충전된 전력을 이용하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    전력 수요가 상기 전력값보다 클 때에, 상기 전원 장치에 충전된 전력을 이용하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    전력 수요가 상기 전력값보다 작을 때에, 상기 연료 전지 발전 장치로부터의 전력을 상기 전원 장치의 충전에 이용하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 연료 전지 발전 장치를 정지할 때에, 상기 연료 전지 발전 장치로부터의 전력을 상기 전원 장치의 충전에 이용하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 전력값은, 상기 연료 전지 시스템이 기동하고나서 정지할 때까지의 동안, 상기 전원 장치가 외부에 전력을 공급하는 방전량보다, 상기 전원 장치에 전력이 공급되는 충전량이 커지도록 설정되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 전원 장치의 용량은, 상기 연료 전지 시스템이 기동하고나서 정지할 때까지의 동안, 상기 전원 장치가 외부에 전력을 공급하는 방전량의 1배 내지 2.5배인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전원 장치의 용량은, 상기 연료 전지 시스템이 기동하고나서 정지할 때까지의 동안, 상기 전원 장치가 외부에 전력을 공급하는 방전량의 1.3배 내지 2배인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  15. 삭제
  16. 액체 연료가 공급되어 발전하는 연료 전지와, 상기 연료 전지에 상기 액체 연료를 공급함과 함께 상기 연료 전지로부터 배출 물질을 회수하는 연료 순환 수단과, 상기 연료 순환 수단에 설치되고, 상기 액체 연료의 양을 검출하는 연료 상태 검출 수단과, 상기 연료 전지와 상기 연료 순환 수단과 상기 연료 상태 검출 수단을 제어하는 제어 수단을 구비하는 연료 전지 발전 장치의 운전 방법으로서,
    상기 제어 수단은, 상기 액체 연료의 체적이 감소했을 때에, 상기 연료 전지가 고전류 운전으로 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 운전 방법.
  17. 액체 연료가 공급되어 발전하는 연료 전지와, 상기 연료 전지에 상기 액체 연료를 공급함과 함께 상기 연료 전지로부터 배출 물질을 회수하는 연료 순환 수단과, 상기 연료 순환 수단에 설치되고, 상기 액체 연료의 양을 검출하는 연료 상태 검출 수단과, 상기 연료 전지와 상기 연료 순환 수단과 상기 연료 상태 검출 수단을 제어하는 제어 수단을 구비하는 연료 전지 발전 장치의 운전 방법으로서,
    상기 제어 수단은, 상기 액체 연료의 체적이 증가했을 때에, 상기 연료 전지가 저전류 운전으로 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 운전 방법.
KR1020060080353A 2005-08-26 2006-08-24 연료 전지 시스템, 연료 전지 발전 장치 및 그 운전 방법 KR100799841B1 (ko)

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