KR100958033B1 - 연료전지 스택의 성능을 조절하는 방법 및 장치와 그방법을 이용하는 직접 메탄올형 연료전지 - Google Patents

연료전지 스택의 성능을 조절하는 방법 및 장치와 그방법을 이용하는 직접 메탄올형 연료전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액티베이션 시점을 사용자 사용 시점에 맞출 수 있고 장시간 사용중에 자체적으로 성능 회복을 수행할 수 있는 연료전지 스택의 성능조절 방법 및 장치와 그 방법을 이용하는 직접 메탄올형 연료전지 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 연료전지 스택의 성능조절 방법은 최초구동 요구신호 또는 성능회복 요구신호를 수신하는 단계와, 수신된 요구신호에 응답하여 연료전지 스택의 애노드 유로로 스택에 공급되는 연료보다 높은 농도를 갖는 고농도 액상 연료를 순환시키는 단계와, 고농도 액상 연료의 순환을 정지시킨 후 애노드 유로로 물을 순환시키는 단계를 포함한다.
연료전지, DMFC, activation 시점, 초기화, 성능회복, 고농도 연료, 애노드 유로

Description

연료전지 스택의 성능을 조절하는 방법 및 장치와 그 방법을 이용하는 직접 메탄올형 연료전지{Method and apparatus for managing fuel cell performance and direct methanol type fuel cell using the method}
본 발명은 액티베이션 시점을 사용자 사용 시점에 맞출 수 있고 장시간 사용중에 자체적으로 성능 회복을 수행할 수 있는 연료전지 스택의 성능 조절 방법 및 장치와 전술한 성능조절방법을 이용하는 직접 메탄올형 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 무공해 전력 공급장치로서 차세대 청정 에너지 발전 시스템 중의 하나로 각광받고 있다. 연료전지를 이용한 발전 시스템은 대형 건물의 자가발전기, 전기자동차 전원, 이동 전원(portable power supply) 등으로 이용될 수 있고, 천연 가스, 도시 가스, 나프타, 메탄올, 폐기물 가스 등 다양한 연료를 사용할 수 있는 장점이 있다. 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되며, 사용되는 전해질(electrolyte)에 따라 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 고분자 전해질 연료전지(PEFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리 연료전지(AFC) 등으로 구분된다.
전술한 연료전지들 가운데 고분자 전해질 연료전지는 사용되는 연료에 따라 고분자 전해질막 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell or proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)와 직접 메탄올형 연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC)로 구분된다. 고분자 전해질막 연료전지는 고체 고분자를 전해질로 사용하기 때문에 전해질에 의한 부식이나 증발의 위험이 없으며 단위면적당 높은 전류밀도를 얻을 수 있고, 게다가 다른 종류의 연료전지에 비해 출력 특성이 월등히 높고 작동 온도가 낮기 때문에 자동차 등에 전력을 공급하기 위한 이동용 전원, 주택이나 공공건물 등에 전력을 공급하기 위한 분산용 전원, 및 전자기기 등에 전력을 공급하기 위한 소형 전원으로서 그것의 연구가 활발히 추진되고 있다. 그리고 직접 메탄올형 연료전지는 연료 개질기를 사용하지 않고 메탄올과 같은 액상연료를 직접 이용하며 100℃ 미만의 작동온도에서 운전되므로 휴대용이나 소형 전원으로 적합하다는 장점이 있다.
전술한 고분자 전해질 연료전지는 애노드 전극과 캐소드 전극 및 이 전극들 사이에 위치하는 고분자 전해질막으로 이루어지는 막전극집합체(membrane electorde assembly, MEA) 복수개를 세퍼레이터(separator)를 게재하여 적층한 스택(stack) 구조로 주로 제작된다. 스택 구조로 제작된 고분자 전해질형 연료전지는 통상 액티베이션(activation) 공정을 거쳐 사용자에게 판매되거나 판매를 위해 운송 또는 보관된다. 액티베이션 공정은 연료전지 스택이 제성능을 발휘하기 위하여 MEA의 촉매층과 전해질막의 활성을 높이는 공정을 가리키며, 통상 연료전지 스택의 제작 과정의 후반부에 수행된다. 또한 일반적으로 액티베이션을 거친 연료전지 스 택은 그 성능을 평가받은 후 완제품으로 출하된다.
한편 제조자 및/또는 판매자가 고분자 전해질 연료전지를 제작한 이후에 최종 소비자에게 신속히 판매하지 않으면, 운송 또는 보관 중인 고분자 전해질 연료전지의 막전극집합체는 탈수되어 건조해지고 건조 상태가 장기화되는 만큼 막전극집합체의 특성은 많이 열화(gradual failure)된다. 따라서 신뢰성 있는 연료전지의 판매를 위해서 제조자 및/또는 판매자는 연료전지의 제작 완료 시점 이후에 신속하게 연료전지를 소비자에게 판매해야 하는 어려움이 있다.
또한 고분자 전해질 연료전지는 운전 시간이 누적됨에 따라 촉매층의 피독 등의 이유로 막전극집합체의 특성이 빠르게 열화하고, 그것에 의해 연료전지의 성능이 빠르게 저하하는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 제작된 스택의 액티베이션 시점을 사용자 사용 시점으로 조정할 수 있고 장시간 사용중에 저하된 성능을 회복시킬 수 있는 직접 메탄올형 연료전지 스택의 성능 조절 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전술한 연료전지 스택의 성능 조절 방법을 이용하는 직접 메탄올형 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 의하면, 연료와 산화제의 전기화학적 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택의 성능을 조절하는 방법으로서, 최초구동 요구신호 또는 성능회복 요구신호를 수신하는 단계; 수신된 요구신호에 응답하여 연료전지 스택의 애노드 유로로 스택에 공급되는 연료보다 높은 농도를 갖는 고농도 액상 연료를 순환시키는 단계; 및 고농도 액상 연료의 순환을 정지시킨 후 애노드 유로로 물을 순환시키는 단계를 포함하는 직접 메탄올형 연료전지 스택의 성능 조절 방법을 제공한다.
바람직하게, 상기 직접 메탄올형 연료전지 스택의 성능 조절 방법은 연료전지 스택의 애노드 유로로의 연료 공급을 중지시키고, 연료전지 스택의 캐소드로의 산화제 공급을 중지시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 고농도 액상 연료를 순환시키는 단계는 1시간 이상, 2시간 이하의 시간 동안 수행된다.
상기 물을 순환시키는 단계는 10분 이상, 20분 이하의 시간 동안 수행된다.
상기 고농도 액상 연료는 2.0몰을 초과한 농도의 메탄올 수용액 또는 순수 메탄올을 포함한다. 특히 상기 고농도 액상 연료는 약 3.0몰의 메탄올 수용액인 것이 더욱 바람직하다.
상기 연료는 0.5몰 이상, 2.0몰 이하의 메탄올 수용액을 포함한다.
상기 직접 메탄올형 연료전지 스택의 성능 조절 방법은 애노드 유로로 물을 순환시키는 것을 중지시킨 후 연료전지 스택에 대하여 연료 및 산화제를 공급하며, 연료전지 스택에 부하를 전기적으로 접속시키는 단계; 연료전지 스택에서 발생하는 전기 에너지가 설정값 이상인가를 판단하는 단계; 및 전기 에너지가 설정값 이상이면 현재 구동 모드를 유지하고, 전기 에너지가 설정값 미만이면 현재 구동 모드를 하이브리드 구동 모드로 전환하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 하이브리드 구동 모드로 전환하는 단계는 부하에 2차 전원을 전기적으로 접속시키고 부하로부터 연료전지 스택을 분리시키는 단계 또는 부하에 2차 전원 및 연료전지 스택을 함께 전기적으로 접속시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 설정값은 연료전지 스택의 단위 전지들의 OCV의 평균값인 기준 OCV에서 0.2V를 뺀 값으로 선택될 수 있다. 다른 한편으로 상기 설정값은 연료전지 스택의 출력이 기설정된 기준 출력에서 30% 감소된 값으로 선택될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 연료와 산화제의 전기화학적 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키기 위해 제작된 연료전지 스택의 성능을 조절하는 장치로서, 최초구동 요구신호 또는 성능회복 요구신호를 수신하는 입력단; 수신된 요구신호에 응답하여 연료전지 스택의 애노드 유로로 스택에 공급되는 연료보다 높은 농도를 갖는 고농도 액상 연료를 순환시킨 후 애노드 유로로 물을 순환시키기 위한 제어신호를 발생시키는 신호처리부; 신호처리부에 결합되며 스택의 초기 구동 및 성능 회복 작업을 위한 일련의 정보를 저장하는 저장부; 및 고농도 액상 연료를 순환시키는 제1 구동부 및 물을 순환시키는 제2 구동부에 제어신호를 순차적으로 인가하는 출력단을 포함하는 직접 메탄올형 연료전지 스택의 성능 조절 장치를 제공한다.
바람직하게, 상기 신호처리부는 연료전지 스택의 기동시 연료전지 스택으로부터 감지되는 전기 에너지를 설정값과 비교하고, 감지된 전기 에너지가 설정값 이상이면 연료전지의 운전 모드를 연료전지 단독 운전 모드로 유지하고 감지된 전기 에너지가 설정값 미만이면 연료전지의 운전 모드를 연료전지-2차 전원의 하이브리드 운전 모드로 전환하기 위한 또 다른 제어신호를 발생시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 전해질막과 이 전해질막의 양면에 접합되는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 구비한 연료전지 스택과, 연료전지 스택의 발전에 사용하는 연료 농도보다 높은 농도를 갖는 고농도 액상 연료를 저장하는 원료저장용기를 구비하며 연료전지 스택에 결합되는 연료공급장치와, 연료전지 스택에 결합되는 물공급장치를 포함하는 연료전지 시스템의 성능을 조절하기 위한 장치로서, 프로그램이 저장되어 있는 메모리; 및 메모리에 결합되어 프로그램을 수행하는 프로세서를 포함하되, 프로세서는 프로그램에 의해 최초구동 요구신호 또는 성능회복 요구신호에 응답하여 연료전지 스택의 애노드 유로로 고농도 액상 연료를 일정 시간 동안 순환시킨 다음 물을 일정 시간 동안 순환시키는 일련의 과정을 수행하는 직접 메탄올형 연료전지의 성능 조절 장치를 제공한다.
바람직하게, 상기 프로세서는 프로그램에 의해 일련의 과정을 수행하기 전에 성능회복 요구신호에 응답하여 연료전지 스택에 대한 연료 공급 및 산화제 공급을 중지하고 연료전지 스택으로부터 부하를 분리시키는 또 다른 일련의 과정을 먼저 수행할 수 있다.
상기 프로세서는 프로그램에 의해 일련의 과정 수행 후 연료전지 스택의 기동시 연료전지 스택으로부터 감지되는 전기 에너지를 설정값과 비교하고, 감지된 전기 에너지가 설정값 이상이면 연료전지의 운전 모드를 연료전지 단독 운전 모드로 유지하고 감지된 전기 에너지가 설정값 미만이면 연료전지의 운전 모드를 연료전지-2차 전원의 하이브리드 운전 모드로 전환할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키기 위한 연료전지 스택; 이 스택에 공급되는 연료보다 높은 농도를 갖는 고농도 액상 연료를 저장하며, 연료전지 스택의 애노드 유로를 경유하여 고농도 액상 연료를 순환시키는 연료공급장치; 연료전지 스택의 애노드 유로를 경유하여 물을 순환시키는 물공급장치; 및 최초구동 요구신호 또는 성능회복 요구신호에 응답하여 연료공급장치 및 물공급장치를 작동시키는 제어장치를 포함하는 직접 메탄올형 연료전지를 제공한다.
바람직하게, 상기 직접 메탄올형 연료전지는 연료전지 스택, 연료공급장치 및 물공급장치 간의 유체 이동을 위한 배관과 이 배관의 개폐 정도를 조절하는 밸브를 더 포함하며, 상기 제어장치는 고농도 액상 연료를 연료전지 스택의 애노드 유로를 경유하여 일정 시간 동안 순환시키고, 고농도 액상 연료의 순환을 중지시킨 후 애노드 유로를 경유하여 물을 일정 시간 동안 순환시키기 위하여 상기 밸브를 제어할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택; 이 스택으로 주입되는 연료보다 높은 농도를 갖는 고농도 액상 연료를 연료전지 스택의 애노드 유로로 공급하는 연료공급장치; 연료전지 스택의 애노드 유로로 순수물을 공급하는 물공급장치; 연료전지 스택에서 나오는 미반응 연료와 수분을 받아 저장하고, 연료공급장치로부터 공급되는 고농도 액상 연료를 받아 저장하며, 연료전지 스택의 애노드 유로로 연료를 주입하는 연료순환장치; 연료공급장치, 물공급장치 및 연료순환장치 중 어느 하나와 연료전지 스택 간의 유체 이동을 위한 배관과 이 배관의 유체 이동을 조절하기 위한 밸브; 및 연료공급장치, 물공급장치, 연료순환장치 및 밸브를 제어하는 제어장치를 포함하되, 제어장치는 최초구동 요구신호 또는 성능회복 요구신호에 응답하여 연료전지 스택의 애노드 유로로 고농도 액상 연료를 일정 시간 동안 순환시킨 다음 순수물을 일정 시간 동안 순환시키는 직접 메탄올형 연료전지를 제공한다.
바람직하게, 상기 제어장치는 성능회복 요구신호에 응답하여 연료전지 스택에 대한 연료 공급 및 산화제 공급을 중지하고 연료전지 스택으로부터 부하를 분리시키는 과정을 먼저 수행할 수 있다.
상기 제어장치는 연료전지 스택의 기동시 연료전지 스택으로부터 감지되는 전기 에너지를 설정값과 비교하고, 감지된 전기 에너지가 설정값 이상이면 연료전 지의 운전 모드를 연료전지 단독 운전 모드로 유지하고 감지된 전기 에너지가 설정값 미만이면 연료전지의 운전 모드를 연료전지-2차 전원의 하이브리드 운전 모드로 전환할 수 있다.
본 발명에 의하면 직접 메탄올형 연료전지 시스템의 성능 뿐만 아니라 시스템의 수명을 연장시킬 수 있다. 아울러 연료전지 판매자에게는 제작된 연료전지의 운송 및 보관에 대한 시간 여유를 제공할 수 있고, 또한 균일한 성능의 신뢰성 있는 연료전지를 사용자에게 제공할 수 있는 이점이 있다. 또한 연료전지 사용자에게는 연료전지의 저하된 성능을 자체적으로 회복시킬 수 있으므로 사용자 편의성이 증대되는 이점이 있다.
이하, 본 발명의 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택의 성능조절방법을 이용하는 직접 메탄올형 연료전지의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 직접 메탄올형 연료전지는 연료전지 스택(10), 제어장치(20), 연료공급장치(30), 물공급장치(32), 및 밸브(34a, 36a)를 포함한다.
연료전지 스택(10)은 애노드 전극, 캐소드 전극, 및 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 이온교환막으로 이루어지는 막전극집합체(membrane electrode assembly, MEA)를 구비하며 애노드(10a)로 공급되는 연료(수소함유연료)와 캐소드(10c)로 공급되는 공기(산소)를 이용하여 전기를 발생시킨다.
연료전지 스택(10)의 이온교환막(이하, 전해질막이라고도 한다)으로 제작가능한 수소이온 전도성 고분자로는 불소계 고분자, 케톤계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 에스테르계 고분자, 아미드계 고분자, 이미드계 고분자, 설폰계 고분자, 스티렌계 고분자, 탄화수소(hydrocarbon) 고분자 등이 있다. 수소이온 전도성 고분자의 구체적인 예로는 폴리(퍼플루오로설폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 설폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸) (poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole)), 폴리(2,5-벤즈이미다졸), 폴리이미드, 폴리설폰, 폴리스티렌, 폴리페닐렌 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
연료전지 스택(10)의 애노드(10a) 및 캐소드(10c)의 전극촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 촉매를 포함하는 것이 바람직하다. 다른 한편으로, 전극촉매층은 담지체에 담지된 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 촉매를 포함할 수 있다. 담지체는 전도성을 가지는 물질이라면 어느 것이라도 좋으나, 탄소 담지체인 것이 바람직하다.
연료전지 스택(10)의 애노드(10a) 및 캐소드(10c)의 확산층은 각 전극촉매층을 지지하는 역할을 하면서 연료, 물, 공기 등의 분산 작용과, 생성된 전기의 집전 작용, 및 각 전극촉매층 물질의 소실 방지 작용을 한다. 전술한 확산층은 탄소천(carbon cloth), 탄소종이(carbon paper)와 같은 탄소 기재로 구현될 수 있다. 그리고 각 확산층의 일면(전극촉매층과의 계면측)에는 미세기공층이 코팅될 수 있다. 미세기공층은 각 전극촉매층으로 연료 또는 산화제가 골고루 분산 공급되도록 작용하며, 특히 캐소드측 미세기공층은 캐소드측 전극촉매층에서 생성된 물을 원활하게 배출할 수 있도록 작용한다. 전술한 미세기공층은 탄소층(carbon layer)으로 구현될 수 있다. 다른 한편으로 미세기공층은 흑연, 탄소나노튜브(CNT), 플러렌(C60), 활성탄소, 벌칸, 케첸블랙, 카본블랙 및 탄소나노혼(carbon nano horn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄소물질을 포함할 수 있고, 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(테트라플루오로에틸렌) 및 플로리네이티드 에틸렌-프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 바인더를 더 포함할 수 있다.
전술한 연료전지 스택(10)은 공기 펌프나 팬 등의 동력장치에 의해 공기가 캐소드(10c)로 강제 공급되는 방식이나 자연 대류(air breathing)에 의해 공기가 캐소드(10c)로 공급되는 방식으로 구현될 수 있다.
제어장치(20)는 최초구동 요구신호(first drive request signal, FDRS) 또는 성능회복 요구신호(performance recovery request signal, PRRS)가 입력되는 입력 단(20a)과 제어신호(CS1, CS2, CS3, CS4)가 출력되는 출력단(20b)을 구비한다. 제어장치(20)는 입력되는 최초구동 요구신호(FDRS)에 응답하여 제어신호(CS1, CS2)를 발생시키고 발생된 제1 제어신호(CS1)를 연료공급장치(30)에 인가하고 발생된 제2 제어신호(CS2)를 물공급장치(32)에 인가한다. 최초구동 요구신호(FDRS)는 연료전지 운전을 시작하기에 앞서 연료전지 스택(10)의 MEA를 컨디셔닝(conditioning) 또는 액티베이션(activation) 하기 위한 사용자 입력 신호를 포함한다. 여기서 컨디셔닝 또는 액티베이션은 연료전지 스택(10)이 제작된 후에 스택의 MEA를 처음으로 연료나 물에 적시는 스웰링(swelling) 과정을 포함한다.
또한 제어장치(20)는 연료전지 시스템의 운전중에 입력되는 성능회복 요구신호(PRRS)에 응답하여 제어신호(CS1, CS2)를 발생시키고 발생된 제어신호(CS1, CS2)를 연료공급장치(30)와 물공급장치(32)에 인가한다. 성능회복 요구신호(PRRS)는 연료전지 시스템의 장시간 사용 중에 연료전지 스택(10)의 OCV(open circuit voltage)가 어느 정도 낮아진 경우, 연료전지 스택(10)의 성능 예컨대 OCV 회복을 위한 사용자 입력 신호를 포함할 수 있다.
연료공급장치(30)는 제어장치(20)의 제어신호(CS1)에 응답하여 연료전지 스택(10)의 발전에 사용되는 연료보다 높은 농도를 갖는 고농도 액상 연료를 연료전지 스택(10)의 애노드(10a)로 공급할 수 있는 수단 및 장치를 포함한다. 여기서 직접 메탄올형 연료전지 스택의 발전에 사용되는 연료는 메탄올 수용액의 경우 크로스오버(crossover)를 고려하여 대략 0.5몰 내지 2.0몰 이하의 범위에 존재하는 것이 바람직하다. 전술한 연료공급장치(30)는 고농도 액상 연료를 저장하는 연료저장 용기와 이 연료저장용기에 저장된 연료를 연료전지 스택(10)의 애노드(10a)를 경유하여 순환시킬 수 있는 연료펌프를 포함하도록 구현될 수 있다. 다른 한편으로 연료공급장치(30)는 가압수단의 압력에 의해 연료전지 스택(10)의 애노드(10a)로 고농도 액상 연료를 공급하고 애노드(10a)로부터 나오는 고농도 액상 연료를 저장하는 연료저장용기를 포함하도록 구현될 수 있다.
물공급장치(32)는 순수 물을 저장하며 제어장치(20)의 제어신호(CS2)에 응답하여 순수물을 연료전지 스택(10)의 애노드(10a)로 공급할 수 있는 수단 및 장치를 포함한다. 물공급장치(32)는 물을 저장하는 물저장용기와 이 물저장용기에 저장된 물을 연료전지 스택(10)의 애노드(10a)를 경유하여 순환시킬 수 있는 액체펌프를 포함하여 구현될 수 있다. 또한 물공급장치(32)는 기존의 가압장치의 압력에 의해 연료전지 스택(10)의 애노드(10a)로 물을 공급하고 애노드(10a)로부터 나오는 물을 저장하는 물저장용기를 포함하도록 구현될 수 있다. 가압장치로는 불활성 가스를 저장하는 압력용기와 이 압력용기의 가스 방출 압력을 조절하는 압력조정장치로 이루어진 장치가 사용될 수 있다.
제1 밸브(34a)는 제어장치(20)의 제3 제어신호(CS3)에 응답하여 연료공급장치(30)로부터 연료전지 스택(10)으로의 연료 공급, 또는 물공급장치(32)로부터 연료전지 스택(10)으로의 물 공급을 선택적으로 또는 순차적으로 허용 또는 차단한다. 제2 밸브(36a)는 제어장치(20)의 제4 제어신호(CS4)에 응답하여 연료전지 스택(10)의 애노드(10a)를 경유하여 나오는 고농도 액상 연료가 연료공급장치(30)로 다시 들어가거나 또는 연료전지 스택(10)의 애노드(10a)를 경유하여 나오는 순수물 이 물공급장치(32)로 다시 들어가도록 이들 사이에 설치된 배관의 유로를 선택적으로 연결하거나 차단한다.
한편, 고체 고분자를 이온교환막으로 사용하는 연료전지 스택(10)에서 메탄올을 연료로 사용하는 경우, 메탄올은 고체 고분자 이온교환막을 쉽게 투과(crossover)하기 때문에 시스템의 연료이용률이 저하하고, 캐소드(10c)에 도달한 메탄올은 산화하여 캐소드 전위를 낮추기 때문에 스택의 출력 특성은 낮아진다. 따라서 연료전지 스택(10)은 최적 성능을 얻을 수 있는 최적 연료 농도를 사용하는 경우에도 사용 횟수가 증가함에 따라 그 출력 특성이 저하된다. 하지만 본 발명의 성능조절 방법을 이용하면 연료전지 스택을 주기적으로 리액티베이션(reactivation) 할 수 있기 때문에 스택의 성능 회복과 함께 수명을 연장시키는 효과를 얻을 수 있다.
전술한 직접 메탄올형 연료전지 시스템의 작동원리를 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택의 성능을 조절하는 방법에 대한 순서도이다.
도 2를 참조하면, 먼저 직접 메탄올형 연료전지 시스템에 탑재된 제어장치에 사용자로부터 또는 사용자 조작에 의해 소프트웨어적으로 또는 하드웨어적으로 입력되는 최초구동 요구신호 또는 성능회복 요구신호가 수신된다(S10). 여기서 최초구동 요구신호는 연료전지 시스템의 최초 구동을 위하여 연료전지 스택을 액티베이션 또는 컨디셔닝하는 과정을 포함한 시스템 운전 요구 신호로 고려될 수 있다. 그리고 성능회복 요구신호는 연료전지 시스템의 사용 중 OCV의 회복을 위하여 연료전 지 스택을 재활성화(reactivation)하는 과정을 포함한 시스템 운전 요구 신호로 고려될 수 있다.
다음, 제어장치는 최초구동 요구신호 또는 성능회복 요구신호에 응답하여 제어신호를 발생시키고 발생된 제어신호를 연료공급장치와 물공급장치에 일정 시간 간격을 두고 순차적으로 인가하여 액티베이션 과정을 정상 운전에 앞서 우선적으로 수행한다.
구체적으로, 제어장치는 연료전지 스택의 애노드 유로를 경유하여 고농도 액상 연료를 순환시킨다(S12). 이때, 입력된 요구신호가 최초구동 요구신호이거나 시스템 운전정지 상태에서 입력된 성능회복 요구신호가 아니면, 즉 시스템 운전상태에서 입력된 성능회복 요구신호이면, 제어장치는 먼저 애노드에 대한 저농도 액상 연료의 공급을 중지하고 캐소드에 대한 산화제 공급을 중지한 후에 상기 단계(S12)를 수행한다. 여기서 고농도 액상 연료는 연료전지 스택에 공급되는 연료보다 낮은 농도를 갖는 연료를 말한다. 예컨대, 연료전지 스택에 공급되는 연료가 0.5몰 이상 내지 2.0몰 이하의 범위에 있는 메탄올 수용액인 경우, 고농도 액상 연료는 2.0몰을 초과하는 농도를 갖는 메탄올 수용액이나 순수 메탄올을 포함한다. 이와 유사하게, 전술한 저농도 액상 연료는 전술한 고농도 액상 연료보다 낮은 농도를 갖는 연료로서 전술한 연료전지 스택에 주입되는 연료를 가리킨다. 본 실시예에서는 고농도 액상 연료로서 메탄올의 경우 2.0몰을 초과하는 메탄올 수용액 또는 순수 메탄올을 사용하는 것이 바람직하다. 만일 2.0몰 이하의 메탄올 수용액을 사용하면, 연료전지 스택의 성능 회복 시간이 2시간을 초과하기 때문에 성능 회복 시간이 길어 지는 단점이 있다.
다음 연료전지 스택의 애노드를 경유하여 고농도 액상 연료의 순환이 일정 시간 동안 수행되었는가를 판단한다(S14). 본 단계는 고농도 액상 연료로 애노드 전극과 캐소드 전극 및 전해질막을 신속하면서 우수하게 액티베이션하기 위한 최소 적용 시간을 한정한다. 최소 적용 시간은 1시간이며, 또한 최소 적용 시간은 연료전지 스택 구조나 크기에 따라 1시간 내지 2시간 범위에서 적절하게 선택될 수 있다.
다음, 제어장치는 전술한 고농도 액상 연료의 순환을 중지시킨 후 연료전지 스택의 애노드 유로를 경유하여 일정 시간 동안 순수물을 순환시킨다(S16, S18). 본 단계는 연료전지 스택의 안정적이고 원활한 기동을 위하여 앞서 공급된 고농도 액상 연료를 연료전지 스택으로부터 씻어내기 위한 과정을 포함한다. 순수물의 순환 시간은 본 성능조절과정이 너무 오래 걸리지 않으면서 고농도 액상 연료를 잘 씻어내기에 적합한 시간 예컨대 10분 내지 20분 범위에서 설정하는 것이 바람직하다.
상기 단계들 이후에 제어장치는 연료전지 스택의 애노드로 연료를 공급하고 캐소드로 산화제를 공급하여 연료전지 스택을 구동시킨다(S20).
전술한 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택의 성능 조절 방법과 이 방법을 채용한 직접 메탄올형 연료전지는 다양한 구조를 갖는 기존의 직접 메탄올형 연료전지 시스템에 적용될 수 있다. 예를 들면 아래에서 설명하는 본 발명의 제2 실시예와 같이 적용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 스택의 성능조절방법을 이용하는 직접 메탄올형 연료전지의 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 직접 메탄올형 연료전지는 연료전지 스택(10), 제어장치(20), 연료공급장치(30), 물공급장치(32), 밸브들(valves, 34a, 34b, 34c, 36a, 36b), 연료순환장치(40), 기액분리장치(42), 산화제공급장치(44), 전력변환장치(46) 및 2차 전원(48)을 포함하여 이루어진다.
제1 밸브(34a)는 3-포트 밸브이며, 연료공급장치(30)와 물공급장치(32)에 각각 연결되는 두 유입구와 연료전지 스택(10)을 향하는 유출구를 구비한다. 제3 밸브(34b)는 3-포트 밸브이며, 제1 밸브(34a)의 유출구에 연결되는 제1 유입구와 연료전지 스택(10)의 애노드(10a) 유입구에 연결되는 유출구를 구비한다. 제4 밸브(34c)는 2-포트 밸브이며, 연료공급장치(30)에 연결되는 유입구와 연료순환장치(40)에 연결되는 유출구를 구비한다. 제2 밸브(36a)는 3-포트 밸브이며, 연료전지 스택(10)의 애노드(10a)의 유출구에 연결되는 유입구와 물공급장치(32)에 연결되는 제1 유출구를 구비한다. 제5 밸브(36b)는 3-포트 밸브이며, 제2 밸브(36a)의 또 다른 유출구(제2 유출구)에 연결되는 유입구와 연료공급장치(30)에 연결되는 제1 유출구 및 연료순환장치(40)에 연결되는 제2 유출구를 구비한다. 전술한 제1 내지 제5 밸브(34a, 34b, 34c, 36a, 36b)는 기계적인 밸브 자체와 밸브의 작동을 제어하는 작동기를 포함하며, 제어장치(20)의 제어신호(CS3, CS4)에 의해 밸브의 개도를 오픈 또는 폐쇄하도록 작동한다.
연료순환장치(40)는 연료전지 스택(10)의 애노드(10a) 및/또는 캐소드(10c) 에서 나오는 미반응 연료, 수분, 부산물을 받고 미반응 연료와 물을 저장한다. 또한 연료순환장치(40)는 연료공급장치(30)로부터 고농도 액상 연료를 받아 저장한다. 그리고 연료순환장치(40)는 저장된 연료 수용액을 연료전지 스택(10)의 애노드(10a)로 공급한다. 시스템 내의 연료 효율 향상과 물관리 및 열관리를 위하여 연료전지 스택(10)과 연료순환장치(40)와의 사이에는 연료전지 스택(10)으로부터 나오는 유체의 열 에너지를 회수하기 위한 열교환기 또는 응축기가 설치될 수 있다. 이러한 열교환기 또는 응축기는 연료순환장치(40)에 직접 결합된 형태로 설치될 수 있다. 연료순환장치(40)는 유입되는 유체를 저장하기 위한 혼합탱크와 이 혼합탱크에 저장된 유체를 방출하기 위한 펌프로 구현될 수 있다.
기액분리장치(42)는 연료전지 스택(10)에서 나오는 유체 중 부산물을 분리하여 배출하기 위한 장치를 포함한다. 연료로서 메탄올 수용액을 사용하는 경우 부산물은 아래의 반응식 1에서와 같이 이산화탄소를 포함한다.
애노드: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-
캐소드: 3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O
전체 : CH3OH + 3/2O2 → CO2 + 3H2O
기액분리장치(42)는 가스와 수분을 분리하는 기액분리수단과 함께 수분을 저장하는 트랩(trap)이나 이산화탄소 등의 방출을 위한 배기공을 포함하도록 구현될 수 있다. 물론 기액분리장치(42)는 장치내부의 가압이나 자동배수를 위한 배압변을 포함하도록 구현될 수도 있다.
산화제공급장치(44)는 연료전지 스택(10)의 캐소드(10c)로 산화제를 공급하는 수단 및 장치를 포함한다. 산화제로는 산소를 함유하는 공기나 순수 산소가 이용될 수 있다. 산화제공급장치(44)로는 공기 펌프, 송풍기, 팬 등이 이용될 수 있다. 한편 연료전지 시스템이 대기 중 공기를 자연 대류에 의해 공급받는 공기호흡 방식의 연료전지 스택(10)을 채용한 경우에 전술한 산화제공급장치(44)는 생략될 수 있다.
전력변환장치(46)는 연료전지 스택(10)에서 생성된 전기를 적절한 형태로 변환하여 외부 부하에 공급한다. 전력변환장치(46)는 직류 전기를 교류 전기로 변환하거나 직류 전기를 다른 형태와 크기의 직류 전기로 변환하거나 또는 직류 전기를 교류 전기로 변환하는 수단 및 장치를 포함한다. 예컨대, 전력변환장치(46)는 아날로그-디지털 변환기(ADC), 디지털-아날로그 변환기(DAC), 디지털-디지털 변환기 중 적어도 어느 하나를 포함하여 구현될 수 있다. 또한 전력변환장치(46)에는 연료전지 스택(10)에서 나오는 전류 또는 전압을 측정하기 위한 전류 센서 또는 전압 센서가 설치될 수 있다.
2차 전원(48)은 연료전지 스택(10)과 함께 또는 단독으로 외부 부하에 전기를 공급하거나 연료전지 시스템의 주변장치에 전기를 공급할 수 있는 모든 수단 및 장치를 포함한다. 예를 들면 2차 전원(48)은 재충전가능한 2차 전지, 캐패시터 또는 슈퍼 캐패시터 등의 연료전지 시스템에 탑재가능한 전원장치를 포함하며, 다른 한편으로 2차 전원(48)은 또 다른 연료전지 시스템이나 상용전원 등의 전원장치를 포함한다.
제어장치(20)는 입력되는 최초구동 요구신호(FDRS) 또는 성능회복 요구신호(PRRS)에 응답하여 제어신호(CS1, CS2, CS3, CS4)를 발생시키고, 발생한 일부 제어신호(CS1, CS2)로 연료공급장치(30)와 물공급장치(32)를 제어하고, 또 다른 일부 제어신호(CS3, CS4)로 밸브들(34a, 34b, 34c, 36a, 36b)을 제어한다. 또한 제어장치(20)는 입력단(20a)으로 입력되는 검출신호(DS1, DS2, DS3)를 통해 전력변환장치(46)에 탑재된 센서를 통해 연료전지 스택(10)의 출력 전류 또는 출력 전압에 대한 정보, 2차 전원(48)의 충전 상태(state of charge, SOC)에 대한 정보, 연료순환장치(40)에 저장된 연료의 레벨에 대한 정보, 및 기타 시스템 운전과 관련된 정보를 감지하고, 감지된 정보에 기초하여 시스템 운전하기 위하여 시스템에 탑재된 주변장치(balance of plants)를 제어하기 위한 또 다른 제어신호를 발생시킬 수 있다. 주변장치는 열교환기, 응축기, 펌프, 센서, 표시장치, 스피커 등을 포함한다.
전술한 직접 메탄올형 연료전지 시스템의 작동원리를 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 스택의 성능을 조절하는 방법에 대한 순서도이다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 연료전지 시스템의 운전 중에 성능회복 요구신호가 수신되면(S10), 제어장치는 먼저 연료순환장치로부터 연료전지 스택으로의 연료 공급을 차단하고 산화제공급장치로부터 연료전지 스택으로의 산화제 공급을 차단하며 연료전지 스택에 연결되어 있는 외부부하를 전기적으로 분리시킨 후 연료공급장 치로부터 고농도 액상 연료 예컨대 3.0몰의 메탄올 수용액이 1시간 동안 연료전지 스택의 애노드를 경유하여 순환하도록 밸브들과 장치들을 제어한다(S12, S14).
다음, 제어장치는 물공급장치로부터 순수물이 10분 동안 연료전지 스택의 애노드를 경유하여 순환하도록 밸브들과 장치들을 제어한다(S16, S18).
다음, 제어장치는 연료순환장치에 의해 연료전지 스택의 애노드로 연료가 공급되고 산화제공급장치에 의해 연료전지 스택의 캐소드로 산화제가 공급되도록 동작하여 연료전지 스택을 기동시킨다(S20).
다음, 제어장치는 연료전지 스택의 기동 후에 연료전지 스택에 부하를 전기적으로 접속시킨다(S22). 그리고 제어장치는 연료전지 스택에서 생성되는 전류 및/또는 전압을 검출하고, 검출된 전류값 및/또는 전압값을 설정값과 비교하여 검출된 값이 설정값 이상인가를 판단한다(S24). 여기서 설정값은 연료전지 스택이 정상적으로 기동하기 위한 조건으로써 단위 전지들의 OCV 평균값인 기준 OCV에서 0.2V를 뺀 값으로 선택되거나 연료전지 스택의 설계 당시에 설정된 기준 출력 성능이 대략 30% 감소된 값으로 선택될 수 있다. 통상 출력 성능이 30%를 초과하면 통상 스택 자체에 문제가 있는 것으로 성능 회복이 실질적으로 불가능하다.
상기 단계(S24)의 판단 결과, 검출된 값이 설정값 이상이면, 제어장치는 현제 구동 모드를 유지한다(S26). 다른 한편으로 상기 단계(S24)의 판단 결과, 검출된 값이 설정값 이상이 아니면, 제어장치는 2차 전원의 전기 에너지가 단독으로 또는 연료전지 스택과 함께 외부 부하에 공급되도록 시스템을 하이브리드 구동 모드로 전환한다(S28). 상기 단계들(S24, S26, S28)에 따르면 연료전지 스택의 초기구 동 또는 성능회복 과정을 수행한 이후에 스택의 안정적인 기동이 가능하다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 직접 메탄올형 연료전지에 채용가능한 연료전지 스택의 성능조절장치에 대한 블록도이다.
본 실시예에 따른 연료전지 스택의 성능조절장치는 메모리(memory)에 저장된 정보 및/또는 프로그램에 의해 작동하는 마이크로프로세서(microprocessor)의 적어도 일부 기능부나 플립플롭(flip-flop)을 이용한 논리 회로를 포함하도록 구현될 수 있다. 성능조절장치의 주요 구성요소이며 마이크로프로세서로 구현된 제어장치에 대하여 아래에서 상세히 설명한다. 본 실시예의 설명에서 제어장치는 위에서 설명한 본 발명의 직접 메탄올형 연료전지 시스템에 탑재된 제어장치에 대응될 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 제어장치는 메모리 시스템과, 메모리 시스템에 결합되어 고속 동작을 수행하는 적어도 하나의 중앙 처리 장치(central processing unit, CPU)를 포함한다.
중앙 처리 장치는 계산을 수행하기 위한 ALU(arithmetic logic unit)와, 데이터 및 명령어의 일시적인 저장을 위한 레지스터, 및 연료전지 스택의 초기구동 및 성능회복 작업을 제어하는 컨트롤러를 포함한다. 중앙 처리 장치는 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, IBM과 모토롤라(Motorola)의 파워PC(PowerPC) 및 ARM사의 ARM과 같이 다양한 아키텍처(architecture)를 갖는 프로세서 중 적어도 하나를 포함한다.
메모리 시스템은 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(33) 및 전기, 자기, 광학이나 그 밖의 저장 매체를 이용하여 데이터를 저장하는 기록장치를 포함한다. 또한 메모리 시스템은 디스플레이 장치를 통하여 이미지를 디스플레이하는 비디오 메모리를 포함할 수 있다.
또한 제어장치(20)는 신호 입력(24)을 위한 입력단과 신호 출력(23)을 위한 출력단을 구비한다. 입력단 및 출력단(I/O)은 아날로그-디지털 컨버터(ADC), 디지털-아날로그 컨버터(DAC), 입출력 포트 등으로 구현될 수 있다. 신호 입력(24)은 키보드, 마우스, 터치패드로부터 제어장치로의 입력을 포함하며, 신호 출력(23)은 제어장치로부터 표시장치, 스피커로의 출력을 포함한다. 또한 제어장치(20)는 신호의 입출력은 통신부(22)를 통해 유무선 통신 방식으로 송수신할 수 있다.
또한 제어장치(20)는 신호처리 중단을 위한 인터럽트(interrupt)와, 기타 구성요소로써 PWM(pulse width modulation), 타이머(timer), 카운터(counter)를 포함한다.
전술한 제어장치(20)는 2차 전지 등의 2차 전원을 포함하는 전원부(21)로부터 전력을 공급받고, 입력되는 초기구동 요구신호 또는 성능회복 요구신호에 응답하여 구동부(25)를 제어함으로써 전술한 본 발명의 연료전지 스택의 성능조절방법을 수행한다. 한편 전술한 메모리 시스템은 제어장치(20)에 탑재되거나 별도로 설치될 수 있으며 초기구동 및 성능회복 작업을 수행하기 위한 일련의 정보를 저장하 는 저장부에 대응되고, 전술한 제어장치(20)는 본 발명의 연료전지 스택의 성능조절방법을 수행하기 위한 제어신호를 발생시키는 신호처리부에 대응된다.
도 6은 본 발명의 연료전지 스택의 성능조절방법을 채용한 직접 메탄올형 연료전지의 출력 특성에 보여주는 그래프이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 그래프 A는 연료전지 시스템의 제작시 특정 시점(t1)에서 공정 액티베이션을 거친 후 출하되는 종래의 직접 메탄올형 연료전지의 경우로서, 이 연료전지는 사용자에게 판매되기 전에 운송 및 보관 시간이 장기화됨에 따라 특정 시점(t3) 이후에 최저 출력전압(Vmin)도 생성할 수 없는 제품으로 전환되는 것을 보여준다. 여기서 최저 출력전압(Vmin)은 연료전지 시스템이 제품으로써 사용될 수 있는 전압을 나타낸다.
한편 그래프 B는 연료전지 시스템의 제작시 공정 액티베이션을 거치지 않고 출하되는 본 발명의 직접 메탄올형 연료전지의 경우로서, 이 연료전지는 특정 시점(t5)에서 사용자의 초기구동 요구신호에 응답하여 자체 액티베이션을 수행한 후 운전되는 것을 보여준다. 여기서, 특정 시점들 t3과 t5는 t3 < t5의 관계 이외에 t3 > t5 또는 t3 = t5의 관계를 가질 수 있다.
본 발명에 의하면, 연료전지 시스템 완제품의 출하 시기와 운송 및 판매 기간을 연장할 수 있으므로 제품 제조자 및 판매자의 제품 관리에 편의를 제공하는 효과가 있다.
도 7은 본 발명의 연료전지 스택의 성능조절방법을 채용한 직접 메탄올형 연료전지의 또 다른 출력 특성에 보여주는 그래프이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 그래프 C는 연료전지 시스템의 제작 시점 또는 사용자 사용 시점(t2)에 액티베이션을 거친 직접 메탄올형 연료전지의 경우로서, 이 연료전지는 연료전지 시스템의 운전 시간이 누적됨에 따라 시스템의 성능이 저하되고 특정 시점(t6)에는 OCV가 최저 출력전압(Vmin)에 도달하여 더 이상 제품으로써 사용할 수 없게 되는 것을 보여준다.
한편 그래프 D는 연료전지 시스템의 제작 시점 또는 사용자 사용 시점(t2)에 액티베이션을 거친 직접 메탄올형 연료전지의 경우로서, 이 연료전지는 본 발명의 스택 성능조절 방법을 적용함으로써 시스템의 성능이 저하되었을 때 특정 시점(t4)에서 성능회복 조치를 통해 OCV를 일정 부분 회복하며 다시 시스템 성능이 저하되었을 때 특정 시점(t6)에서 성능회복 조치를 통해 OCV를 다시 일정 부분 회복하면서 운전되는 것을 보여준다. 본 발명에 의하면, 직접 메탄올형 연료전지 시스템의 수명을 연장하는 효과가 있다.
이상과 같이 본 발명은 연료전지 스택의 액티베이션 시점을 연료전지의 최종 사용자 사용 시점으로 조절함으로써 연료전지 제작자 및 판매자의 운송 및 보관 기간을 연장시킬 수 있고 연료전지의 장시간 사용시 스택의 저하된 성능을 자체적으로 회복시킬 수 있는 장점을 가진다. 아울러, 노트북, PMP(portable multimedia player), PDA(personal digital assistant), 휴대전화 등의 휴대용 전자장치에 사용되는 직접 메탄올형 연료전지의 성능을 향상시키고 수명을 연장하는 장점을 가진다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그것들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정해지는 것이 아니고 특허청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택의 성능조절방법을 이용하는 직접 메탄올형 연료전지의 블록도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택의 성능을 조절하는 방법에 대한 순서도.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 스택의 성능조절방법을 이용하는 직접 메탄올형 연료전지의 블록도.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 스택의 성능을 조절하는 방법에 대한 순서도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 직접 메탄올형 연료전지에 채용가능한 연료전지 스택의 성능조절장치에 대한 블록도.
도 6 및 도 7은 본 발명의 연료전지 스택의 성능조절방법을 채용한 직접 메탄올형 연료전지의 출력 특성을 설명하기 위한 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 연료전지 스택 20 : 성능조절장치(제어장치)
30 : 연료공급장치 32 : 물공급장치
34a, 34b, 34c, 36a, 36b : 밸브 40 : 연료순환장치
42 : 기액분리장치 44 : 산화제공급장치
46 : 전력변환장치 48 : 2차전원

Claims (23)

  1. 연료와 산화제의 전기화학적 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택의 성능을 조절하는 방법으로서,
    최초구동 요구신호 또는 성능회복 요구신호를 수신하는 단계;
    상기 수신된 요구신호에 응답하여 상기 연료전지 스택의 애노드 유로로 상기 연료보다 높은 농도를 갖고 동시에 2.0몰을 초과하는 농도를 갖는 메탄올 수용액 또는 순수 메탄올을 포함하는 고농도 액상 연료를 순환시키는 단계; 및
    상기 고농도 액상 연료의 순환을 정지시킨 후 상기 애노드 유로로 물을 순환시키는 단계를 포함하는 직접 메탄올형 연료전지 스택의 성능 조절 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료는 0.5몰 이상, 2.0몰 이하의 메탄올 수용액을 포함하는 직접 메탄올형 연료전지 스택의 성능 조절 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드 유로로 상기 물을 순환시키는 것을 중지시킨 후 상기 연료전지 스택에 대하여 상기 연료 및 상기 산화제를 공급하며, 상기 연료전지 스택에 부하를 전기적으로 접속시키는 단계;
    상기 연료전지 스택에서 발생하는 전기 에너지가 설정값 이상인가를 판단하는 단계; 및
    상기 전기 에너지가 설정값 이상이면 현재 구동 모드를 유지하고, 상기 전기 에너지가 설정값 미만이면 현재 구동 모드를 하이브리드 구동 모드로 전환하는 단계를 더 포함하는 직접 메탄올형 연료전지 스택의 성능 조절 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 하이브리드 구동 모드로 전환하는 단계는 상기 부하에 2차 전원을 전기적으로 접속시키는 단계 또는 상기 부하에 상기 2차 전원 및 상기 연료전지 스택을 전기적으로 접속시키는 단계를 포함하는 직접 메탄올형 연료전지 스택의 성능 조절 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 설정값은 상기 연료전지 스택의 단위 전지들의 OCV 평균값인 기준 OCV에서 0.2V를 뺀 값 또는 상기 연료전지 스택의 출력이 30% 감소된 값인 직접 메탄올형 연료전지 스택의 성능 조절 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 최초구동 요구신호는 상기 연료전지 스택이 제작된 후 최초 액티베이션을 위한 신호를 포함하는 연료전지 스택의 성능 조절 방법.
  11. 연료와 산화제의 전기화학적 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키기 위해 제작된 연료전지 스택의 성능을 조절하는 장치로서,
    최초구동 요구신호 또는 성능회복 요구신호를 수신하는 입력단;
    상기 수신된 요구신호에 응답하여 상기 연료전지 스택의 애노드 유로로 상기 연료보다 높은 농도를 갖는 고농도 액상 연료를 순환시킨 후 상기 애노드 유로로 물을 순환시키기 위한 제어신호를 발생시키고, 상기 연료전지 스택의 기동시 상기 연료전지 스택으로부터 감지되는 전기 에너지를 설정값과 비교하고, 상기 감지된 전기 에너지가 상기 설정값 이상이면 연료전지의 운전 모드를 연료전지 단독 운전 모드로 유지하고 상기 감지된 전기 에너지가 상기 설정값 미만이면 상기 연료전지의 운전 모드를 연료전지-2차 전원의 하이브리드 운전 모드로 전환하기 위한 또 다른 제어신호를 발생시키는 신호처리부;
    상기 신호처리부에 결합되며 상기 연료전지 스택의 초기 구동 및 성능 회복 작업을 위한 일련의 정보를 저장하는 저장부; 및
    상기 고농도 액상 연료를 순환시키는 제1 구동부 및 상기 물을 순환시키는 제2 구동부에 상기 제어신호를 순차적으로 인가하는 출력단을 포함하는 직접 메탄올형 연료전지 스택의 성능 조절 장치.
  12. 삭제
  13. 전해질막과 상기 전해질막의 양면에 접합되는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 구비한 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택의 발전에 사용하는 연료 농도보다 높은 농도를 갖는 고농도 액상 연료를 저장하는 원료저장용기를 구비하며 상기 연료전지 스택에 결합되는 연료공급장치와, 상기 연료전지 스택에 결합되는 물공급장치를 포함하는 연료전지 시스템의 성능을 조절하기 위한 장치로서,
    프로그램이 저장되어 있는 메모리; 및
    상기 프로그램에 의해 상기 일련의 과정 수행 후 상기 연료전지 스택의 기동시 상기 연료전지 스택으로부터 감지되는 전기 에너지를 설정값과 비교하고, 상기 감지된 전기 에너지가 상기 설정값 이상이면 연료전지의 운전 모드를 연료전지 단독 운전 모드로 유지하고 상기 감지된 전기 에너지가 상기 설정값 미만이면 상기 연료전지의 운전 모드를 연료전지-2차 전원의 하이브리드 운전 모드로 전환하는 프로세서를 포함하되,
    상기 프로세서는 상기 프로그램에 의해 최초구동 요구신호 또는 성능회복 요구신호에 응답하여 상기 연료전지 스택의 애노드 유로로 상기 고농도 액상 연료를 일정 시간 동안 순환시킨 다음 물을 일정 시간 동안 순환시키는 일련의 과정을 수행하는 직접 메탄올형 연료전지의 성능 조절 장치.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제 11 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 최초구동 요구신호는 상기 연료전지 스택이 제작된 후 최초 액티베이션을 위한 신호를 포함하는 연료전지 스택의 성능 조절 장치.
  17. 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키기 위한 연료전지 스택;
    상기 연료보다 높은 농도를 갖는 고농도 액상 연료를 저장하며, 상기 연료전지 스택의 상기 애노드 유로를 경유하여 상기 고농도 액상 연료를 순환시키는 연료공급장치;
    상기 연료전지 스택의 상기 애노드 유로를 경유하여 물을 순환시키는 물공급장치; 및
    최초구동 요구신호 또는 성능회복 요구신호에 응답하여 상기 연료공급장치 및 상기 물공급장치를 작동시키작동시키고, 상기 연료전지 스택의 기동시 상기 연료전지 스택으로부터 감지되는 전기 에너지를 설정값과 비교하고, 상기 감지된 전기 에너지가 상기 설정값 이상이면 연료전지의 운전 모드를 연료전지 단독 운전 모드로 유지하고 상기 감지된 전기 에너지가 상기 설정값 미만이면 상기 연료전지의 운전 모드를 연료전지-2차 전원의 하이브리드 운전 모드로 전환하는 제어장치를 포함하는 직접 메탄올형 연료전지.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 제 17 항에 있어서,
    상기 설정값은 상기 연료전지 스택의 출력이 30% 감소된 값인 직접 메탄올형 연료전지.
  23. 제 17 항에 있어서,
    상기 최초구동 요구신호는 상기 연료전지 스택이 제작된 후 최초 액티베이션을 위한 신호인 직접 메탄올형 연료전지.
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