KR100972938B1 - Method and Apparatus for controlling fuel supplying quantity in fuel cell system - Google Patents

Method and Apparatus for controlling fuel supplying quantity in fuel cell system Download PDF

Info

Publication number
KR100972938B1
KR100972938B1 KR1020060126934A KR20060126934A KR100972938B1 KR 100972938 B1 KR100972938 B1 KR 100972938B1 KR 1020060126934 A KR1020060126934 A KR 1020060126934A KR 20060126934 A KR20060126934 A KR 20060126934A KR 100972938 B1 KR100972938 B1 KR 100972938B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel
fuel cell
crossover
concentration
methanol
Prior art date
Application number
KR1020060126934A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20080054554A (en
Inventor
정자훈
노태근
이창송
문고영
이상현
이원호
Original Assignee
주식회사 엘지화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Priority to KR1020060126934A priority Critical patent/KR100972938B1/en
Publication of KR20080054554A publication Critical patent/KR20080054554A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100972938B1 publication Critical patent/KR100972938B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746Pressure; Flow
    • H01M8/04753Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H01M8/04208Cartridges, cryogenic media or cryogenic reservoirs
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444Concentration; Density
    • H01M8/04462Concentration; Density of anode exhausts
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537Electric variables
    • H01M8/04574Current
    • H01M8/04589Current of fuel cell stacks
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 연료 공급량 제어 장치 및 방법을 개시한다. 구체적으로, 본 발명은 희석 연료 저장소로부터 취출되는 희석 연료와 연료 카트리지로부터 취출되는 고농도 연료를 혼합한 후 연료전지 스택에 공급하여 연료 카트리지로부터 취출되는 연료량에 해당하는 만큼 전기 에너지를 생산하고 반응 부산물인 물과 미 반응 연료를 상기 희석 연료 저장소로 회귀시키는 연료전지 시스템에서, 상기 연료전지 스택의 연료극 출구에서 미 반응 연료의 농도(CAO)를 센싱하고, 상기 연료전지 스택으로부터 생산되는 전류의 밀도(I)를 센싱하고, 연료전지의 단위 셀에 CSTR 가정을 도입하고 공기극에 완전 산화 가정을 도입하여 유도된 무차원 크로스오버 모델 방정식에 상기 센싱된 미 반응 연료의 농도를 대입하여 연료의 크로스오버를 계산한 후 전류 밀도에 상응하는 연료 소모량과 크로스오버에 상응하는 연료 소모량의 합에 대응하는 고농도 연료의 공급 유량을 계산한 후 고농도 연료의 공급량을 계산된 연료공급 유량으로 조정한다. 본 발명에 따르면, 연료전지 시스템에서 연료의 크로스오버를 정량적으로 평가하여 연료 공급량을 정밀하게 설계할 수 있으므로, 연료전지 시스템의 안정적 운전이 가능해 진다.The present invention discloses a fuel supply amount control apparatus and method of a fuel cell system. Specifically, the present invention mixes the dilute fuel taken out of the dilution fuel reservoir and the high concentration fuel taken out of the fuel cartridge and supplies it to the fuel cell stack to produce electric energy corresponding to the amount of fuel taken out of the fuel cartridge, In a fuel cell system for returning water and unreacted fuel to the dilution fuel reservoir, the concentration of unreacted fuel (C AO ) is sensed at the anode outlet of the fuel cell stack, and the density of current produced from the fuel cell stack ( I), the CSTR hypothesis introduced into the unit cell of the fuel cell, and the complete oxidation hypothesis introduced into the cathode, and the crossover of the fuel is substituted by the concentration of the sensed unreacted fuel into the dimensionless crossover model equation derived. After calculation, the fuel consumption corresponding to the current density and the fuel consumption corresponding to the crossover After calculating the supply flow rate of the high-concentration fuel corresponding to the sum of the fuel supply flow rate is adjusted by calculating a supply amount of the high concentration fuel. According to the present invention, the fuel supply amount can be precisely designed by quantitatively evaluating the crossover of the fuel in the fuel cell system, thereby enabling stable operation of the fuel cell system.

직접 메탄올형 연료전지, 메탄올 크로스오버, 연료유량 제어  Direct Methanol Fuel Cell, Methanol Crossover, Fuel Flow Control

Description

연료전지 시스템의 연료 공급량 제어 방법 및 장치{Method and Apparatus for controlling fuel supplying quantity in fuel cell system}Method and apparatus for controlling fuel supply of fuel cell system {Method and Apparatus for controlling fuel supplying quantity in fuel cell system}

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.The following drawings attached to this specification are illustrative of the preferred embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the invention to serve to further understand the technical spirit of the present invention, the present invention is a matter described in such drawings It should not be construed as limited to.

도 1은 연료전지의 일반적인 작동 원리를 개략적으로 나타낸 개념도이다.1 is a conceptual diagram schematically illustrating a general operation principle of a fuel cell.

도 2는 순환 공정으로 디자인된 종래 기술에 따른 직접 메탄올형 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이다.2 is a schematic configuration diagram of a direct methanol fuel cell system according to the prior art designed as a circulation process.

도 3은 메탄올의 크로스오버 모델 방정식을 유도하기 위해 사용한 연료전지 단위 셀의 모델이다. 3 is a model of a fuel cell unit cell used to derive a crossover model equation for methanol.

도 4는 메탄올 크로스오버를 정량적으로 실측하기 위해 사용된 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이다.4 is a schematic diagram of a fuel cell system used to quantitatively measure methanol crossover.

도 5 및 도 6은 실험으로 측정된 메탄올과 물의 크로스오버(점선)와 본 발명에 따른 수학적 모델링에 의해 예측된 메탄올과 물의 크로스오버(실선)를 비교하여 나타낸 그래프들이다. 5 and 6 are graphs comparing the crossover of methanol and water measured by experiment (dotted line) and the crossover of methanol and water predicted by mathematical modeling according to the present invention (solid line).

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템의 연료 공급량 제어 장치의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.7 is a configuration diagram schematically showing a configuration of a fuel supply amount control apparatus of a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.

<도면의 주요 참조 번호><Main reference number in drawing>

CT: 연료 카트리지 FT: 희석 연료 저장소CT: Fuel Cartridge FT: Dilution Fuel Reservoir

DS: 연료 도싱 펌프 CI: 순환 펌프DS: Fuel Dosing Pump CI: Circulation Pump

ST: 연료전지 스택 AR: 공기 펌프ST: Fuel Cell Stack AR: Air Pump

HE: 열교환기 GLS: 연료 회수기HE: Heat Exchanger GLS: Fuel Recovery

MX1: 연료 혼합기 MX2: 가스 혼합기MX1: Fuel Mixer MX2: Gas Mixer

S: 연료 농도 센서 G: 전류 게이지 센서S: fuel concentration sensor G: current gauge sensor

C: 유량 컨트롤러 MCU: 마이크로컨트롤러C: flow controller MCU: microcontroller

본 발명은 연료전지 시스템의 연료 공급량 제어 방법 및 장치에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 확산을 통해 연료극으로부터 공기극으로 크로스오버되는 연료의 소모량을 감안하여 연료전지 스택으로 인입되는 연료전지 공급량을 최적화할 수 있는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and an apparatus for controlling fuel supply amount of a fuel cell system. More specifically, the fuel cell supply amount introduced into a fuel cell stack may be optimized in consideration of the consumption of fuel that crosses from the anode to the cathode through diffusion. Method and apparatus therefor.

최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 대체에너지의 하나로서 연료전지는 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목을 받고 있다.Recently, as the depletion of existing energy resources such as oil and coal is predicted, interest in energy that can replace them is increasing. As one of these alternative energy sources, fuel cells are particularly attracting attention due to their high efficiency, no pollutants such as NO x and SO x , and abundant fuel.

연료전지는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 연료로는 수소와 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다.A fuel cell is a power generation system that converts chemical reaction energy of a fuel and an oxidant into electrical energy. Hydrogen, a hydrocarbon such as methanol, butane, and the like are typically used as an oxidant.

연료전지에 있어서, 전기를 발생시키는 가장 기본적인 단위는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)로서, 이는 전해질막과, 전해질막 양면에 적층되고 전해질막과 대향되는 표면에 촉매층이 코팅된 연료극(음극) 및 공기극(양극)으로 구성된다. 연료전지의 전기 발생 원리를 나타낸 도 1 및 반응식 1(수소를 연료로 사용한 경우의 연료전지의 반응식)을 참조하면, 연료극에서는 표면에 코팅된 촉매층에서 연료의 산화 반응이 일어나 수소 이온 및 전자가 발생하고, 수소 이온은 전해질 막을 통해 공기극으로 이동한다. 그리고 공기극에서는 표면에 코팅된 촉매층에서 산소(산화제)와 전해질막을 통해 전달된 수소 이온과 전자가 반응하여 물이 생성된다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하면서 전류가 발생된다.In a fuel cell, the most basic unit for generating electricity is a membrane-electrode assembly (MEA), which is an electrolyte membrane and a fuel electrode having a catalyst layer coated on both surfaces of the electrolyte membrane and facing the electrolyte membrane. Cathode) and air cathode (anode). Referring to FIG. 1 and Reaction Formula 1 (reaction formula of a fuel cell when hydrogen is used as a fuel) showing the electricity generation principle of a fuel cell, an oxidation reaction of a fuel occurs in a catalyst layer coated on a surface of a fuel electrode, thereby generating hydrogen ions and electrons. The hydrogen ions then move to the cathode through the electrolyte membrane. In the cathode, water is generated by reaction between oxygen (oxidant) and hydrogen ions delivered through the electrolyte membrane and electrons in the catalyst layer coated on the surface. By this reaction, current is generated while electrons move in the external circuit.

[반응식 1]Scheme 1

연료극: H2 → 2H++2e- Anode: H 2 → 2H + + 2e -

공기극: 1/2O2+2H++2e- → H2O Cathode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O

전체 반응: H2+1/2O2 → H2OTotal reaction: H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O

연료전지에는 고분자전해질형 연료전지(PEMFC), 직접 메탄올형 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 용융탄산염형 연료전지(MCFC), 고체산화물형 연료전지(SOFC) 등이 있다. 그 중에서 고분자전해질형 연료전지는 에너지 밀도가 크고 출력이 높은 장점이 있으나, 메탄이나 메탄올 같은 연료를 개질하기 위한 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하는 문제점이 있다. 이에 반해, 직접 메탄올형 연료전지는 반응속도가 느려서 고분자전해질형 연료전지에 비해 에너지 밀도가 낮고, 출력이 낮으며, 많은 양의 촉매를 사용하여야 한다는 단점이 있으나, 별도의 개질 장치가 필요 없으며, 액체 상태인 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮은 장점이 있다. 따라서, 최근에는 메탄올을 포함한 액상 연료를 사용하는 연료전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.Fuel cells include polymer electrolyte fuel cells (PEMFC), direct methanol fuel cells (DMFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), alkaline fuel cells (AFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), and solid oxide fuels. Batteries (SOFC) and the like. Among them, the polymer electrolyte fuel cell has advantages of high energy density and high output, but has a problem of requiring additional equipment such as a reforming device for reforming fuel such as methane or methanol. On the contrary, the direct methanol fuel cell has the disadvantage of low energy density, low power, and a large amount of catalyst, compared to a polymer electrolyte fuel cell due to a slow reaction rate, but does not require a separate reforming device. The liquid fuel is easy to handle and has an advantage of low operating temperature. Therefore, recently, researches on fuel cells using liquid fuels including methanol have been actively conducted.

직접 메탄올형 연료전지는 다음 반응식2에서와 같이 연료극에서 메탄올과 물이 반응하여 이산화탄소를 생성하고 공기극에서 수소와 산소가 반응하여 물을 생성하면서 전체적으로 전기를 생산하게 된다. 그리고 직접 메탄올형 연료전지를 포함하는 전력 생산 시스템은 셀 단위의 직접 메탄올형 연료전지를 적층시켜 연료전지 스택을 구성한 후 각 셀의 연료극에서 방출되는 미 반응 메탄올을 회수하고 각 셀의 공기극에서 생성되는 물을 재 활용하기 위하여 순환 공정으로 디자인된다.In the direct methanol fuel cell, methanol and water react at the anode to produce carbon dioxide, and hydrogen and oxygen react at the cathode to generate water, thereby generating electricity as a whole. In addition, the power generation system including a direct methanol fuel cell stacks a direct methanol fuel cell in units of cells to form a fuel cell stack, and then recovers unreacted methanol emitted from the anode of each cell, and is generated at the cathode of each cell. It is designed as a circulation process to recycle water.

[반응식 2]      Scheme 2

연료극: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e- Anode: CH 3 OH + H 2 O CO 2 + 6H + + 6e -

공기극: 3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O Cathode: 3 / 2O 2 + 6H + + 6e - → 3H 2 O

전체 반응: CH3OH + 3/2O2 → CO2 + 2H2OTotal reaction: CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O

도 2는 순환 공정으로 디자인된 종래 기술에 따른 직접 메탄올형 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이다. 도면을 참조하면, 상기 직접 메탄올형 연료전지 시스템은 다수의 연료전지 셀이 적층된 연료전지 스택(ST)과, 순도 100%의 고농도 메탄올이 저장되는 연료 카트리지(CT)와, 연료 카트리지(CT)로부터 고농도 메탄올을 취출하여 메탄올의 공급유량을 조절하는 연료 도싱 펌프(DS)와, 상기 고농도 메탄올과 혼합될 희석 메탄올이 저장되는 희석 연료 저장소(FT)와, 상기 희석 연료 저장소(FT)로부터 취출되는 희석 메탄올과 상기 연료 도싱 펌프(DS)를 통해 공급되는 고농도 메탄올을 혼합하는 연료 혼합기(MX1)와, 혼합 메탄올을 연료전지 스택(ST)의 연료극 입구(inlet)에 주입하여 메탄올을 강제 대류시키는 연료 순환 펌프(CI)와, 연료전지 스택(ST)의 연료극 출구(outlet)에서 방출되는 반응 부산물로부터 이산화탄소를 제거하여 미 반응 메탄올을 회수하는 연료 회수기(GLS)와; 대기중의 공기를 연료전지 스택(ST)의 공기극 입구에 공급하는 공기 펌프(AR)와, 연료전지 스택(ST)의 공기극 출구에서 방출되는 고온의 증기를 액화시켜 물을 회수하는 열교환기(HE)와, 열교환기(HE)로부터 배출되는 공기와 연료 회수기(GLS)에서 배출되는 이산화탄소를 혼합하는 가스 혼합기(MX2)와, 가스 혼합기(MX2)로부터 배출되는 가스를 외기로 배출하는 가스 배출기(VT)를 포함한다.2 is a schematic configuration diagram of a direct methanol fuel cell system according to the prior art designed as a circulation process. Referring to the drawings, the direct methanol fuel cell system includes a fuel cell stack ST in which a plurality of fuel cell cells are stacked, a fuel cartridge CT in which high concentration methanol of 100% purity is stored, and a fuel cartridge CT. A fuel dosing pump (DS) for extracting a high concentration of methanol from the distillate, a dilution fuel reservoir (FT) storing dilution methanol to be mixed with the high concentration methanol, and a withdrawal from the dilution fuel reservoir (FT) Fuel mixer MX1 for mixing dilute methanol and high concentration methanol supplied through the fuel dosing pump DS, and fuel forcing convection of methanol by injecting mixed methanol into the fuel inlet of the fuel cell stack ST. A fuel recoverer (GL) for recovering unreacted methanol by removing carbon dioxide from the circulation by-product (CI) and the reaction by-products discharged from the anode outlet of the fuel cell stack (ST). S); An air pump AR for supplying air in the air to the cathode inlet of the fuel cell stack ST, and a heat exchanger for recovering water by liquefying hot vapor discharged from the cathode outlet of the fuel cell stack ST. ), A gas mixer MX2 for mixing air discharged from the heat exchanger HE and carbon dioxide discharged from the fuel recovery unit GLS, and a gas discharger VT for discharging the gas discharged from the gas mixer MX2 to outside air. ).

상술한 직접 메탄올형 연료전지 시스템이 이상적으로 동작하게 되면, 연료전 지 스택(ST)에서는 연료 카트리지(CT)로부터 취출되는 고농도 메탄올의 량에 해당하는 만큼의 전력이 생산된다. 그리고 희석 연료 저장소(FT)로 회귀하는 미 반응 메탄올과 물에 의해 희석 연료 저장소(FT)에 저장된 희석 메탄올의 농도와 메탄올의 수위는 일정하게 유지된다. 그런데 연료전지 스택(ST)에 포함된 각 연료전지 단위 셀에서는 메탄올과 물의 크로스오버가 발생되어 메탄올과 물의 일부가 연료전지 단위 셀에 포함된 막-전극 접합체를 통하여 연료극에서 공기극으로 이동한다. 따라서 실제 연료전지 시스템의 운전 과정에서는 고농도 메탄올의 공급량 중 일부는 전기에너지로 전환되지 못하고 크로스오버로 소모되어 버리게 된다. 따라서 직접 메탄올형 연료전지 시스템의 안정적인 운전을 위해서는 전기에너지로 변환되는 메탄올의 량과 크로스오버에 의해 소모되는 메탄올의 량을 정량적으로 계산하여 연료 카트리지(CT)로부터 취출되는 고농도 메탄올의 공급유량을 정밀하게 제어할 필요가 있다.When the above-described direct methanol fuel cell system operates ideally, the fuel cell stack ST generates power corresponding to the amount of the high concentration methanol extracted from the fuel cartridge CT. The concentration of the diluted methanol and the level of the methanol stored in the diluted fuel reservoir FT by the unreacted methanol and water returning to the diluted fuel reservoir FT are kept constant. However, in each fuel cell unit cell included in the fuel cell stack ST, a crossover of methanol and water occurs, and a portion of the methanol and water moves from the anode to the cathode through the membrane-electrode assembly included in the fuel cell unit cell. Therefore, in the operation of the actual fuel cell system, a part of the supply of high concentration methanol is not converted into electrical energy but is consumed by crossover. Therefore, for stable operation of the direct methanol type fuel cell system, the amount of methanol converted into electric energy and the amount of methanol consumed by crossover are quantitatively calculated to precisely supply the high flow rate of methanol extracted from the fuel cartridge (CT). Need to be controlled.

그런데 전기화학적 반응에 의한 메탄올의 소모량은 생산되는 전류 밀도를 검지하여 어느 정도 정확한 예측이 가능하지만, 크로스오버에 의한 메탄올의 소모량은 적절한 수학적 모델링의 부재로 인해 정확한 정량적 계산이 어려운 실정이다. 따라서 종래에는 시행 착오에 의존하거나 하기 수학식 1과 같이 연료전지의 주요 변수들(예컨대, 전류 밀도, 활성 영역의 면적, 셀의 수 등)에 대한 단순 다항식에 기초하여 고농도 메탄올의 공급량을 설계하였다. 하지만 이러한 방법은 약간의 운전 조건 변화에도 메탄올 연료의 공급량을 정의한 다항식의 계수를 다시 설정해야 하므로 연료전지 시스템의 안정적인 운전에 한계가 있다. 참고로, 하기 수학식 1에 서, Iload는 연료전지 시스템에서 생산되는 전류 밀도를, Aactive는 전기화학적 반응이 일어나는 연료전지 단위 셀의 면적을, Ncell #은 연료전지 스택(ST)에 포함된 연료전지 단위 셀의 수이다.By the way, the amount of methanol consumed by the electrochemical reaction can be accurately predicted by detecting the current density produced. However, the amount of methanol consumed by the crossover is difficult to accurately calculate due to the lack of proper mathematical modeling. Therefore, conventionally, the supply of high concentration methanol was designed based on a simple polynomial depending on trial and error or the main variables of the fuel cell (for example, current density, active area, number of cells, etc.) as shown in Equation 1 below. . However, this method has a limitation in the stable operation of the fuel cell system because it requires resetting the coefficient of the polynomial which defines the amount of methanol fuel supplied even with a slight change in operating conditions. For reference, in Equation 1, I load is the current density produced in the fuel cell system, A active is the area of the fuel cell unit in which the electrochemical reaction occurs, and N cell # is the fuel cell stack (ST). The number of fuel cell unit cells included.

[수학식1]       [Equation 1]

Figure 112006092209798-pat00001
Figure 112006092209798-pat00001

따라서 본 발명이 속한 기술분야에서는 메탄올의 크로스오버와 운전 조건 변수의 함수 관계 규명 및 이를 반영한 메탄올의 공급 설계 방안이 지속적으로 연구되고 있다.Therefore, in the technical field of the present invention, the functional relationship between the crossover of methanol and operating condition variables and the supply design method of methanol reflecting the same are continuously studied.

본 발명은 상술한 종래기술의 배경하에서 창안된 것으로서, 직접 메탄올형 연료전지 시스템과 같이 순환공정으로 설계되는 연료전지 시스템에서 크로스오버에 의한 연료의 소모량을 수학적 모델링에 의해 정확하게 예측함으로써 전기화학적 반응에 의한 연료 소모량과 크로스오버에 의한 연료 소모량을 감안하여 안정적인 연료의 공급량 설정이 가능한 연료 공급량 제어 방법 및 그 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made under the background of the prior art as described above. In a fuel cell system designed in a circulating process such as a direct methanol fuel cell system, the fuel consumption by crossover is accurately predicted by mathematical modeling for electrochemical reaction. It is an object of the present invention to provide a fuel supply amount control method and apparatus capable of setting a stable fuel supply amount in consideration of fuel consumption amount and fuel consumption amount due to crossover.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 연료공급량 제어 장치는, 희석 연료 저장소로부터 취출되는 희석 연료와 연료 카트리지로부터 취출되는 고농도 연료를 혼합한 후 연료전지 스택에 공급하여 연료 카트리 지로부터 취출되는 연료량에 해당하는 만큼 전기 에너지를 생산하고 반응 부산물인 물과 미 반응 연료를 상기 희석 연료 저장소로 회귀시키는 연료전지 시스템에서 고농도 연료의 공급량을 제어하는 장치로서, 상기 희석 연료와 상기 고농도 연료를 혼합하는 혼합기; 상기 연료전지 스택의 연료극 출구에서 미 반응 연료의 농도(CAO)를 센싱하는 연료 농도 센서; 상기 연료전지 스택으로부터 생산되는 전류의 밀도(I)를 센싱하는 전류 게이지 센서; 상기 연료 카트리지로부터 고농도 연료를 취출하여 상기 혼합기로 공급하는 연료 도싱 펌프; 및 상기 연료 도싱 펌프의 연료 공급 유량(QDS)을 조절하는 유량 컨트롤러; 상기 연료 농도 센서와 상기 전류 게이지 센서로부터 미 반응 연료의 농도와 전류 밀도에 대한 데이터를 입력받고, CSTR 가정과 수소의 완전 산화 가정을 도입하여 유도된 무차원 크로스오버 모델 방정식에 상기 미 반응 연료의 농도를 대입하여 연료의 크로스오버를 계산한 후 전류 밀도에 상응하는 연료 소모량과 크로스오버에 상응하는 연료 소모량의 합에 대응되는 고농도 연료의 공급 유량을 계산하고 상기 유량 컨트롤러를 제어하여 연료 도싱 펌프를 통하여 공급되는 연료 공급 유량를 상기 계산된 연료공급 유량으로 조정하는 마이크로컨트롤러;를 포함한다.A fuel supply amount control apparatus of a fuel cell system according to the present invention for achieving the above technical problem, a mixture of the dilute fuel taken out of the dilution fuel reservoir and the high concentration fuel taken out of the fuel cartridge is supplied to the fuel cell stack to supply a fuel cartridge An apparatus for controlling the supply of high concentration fuel in a fuel cell system that produces electrical energy corresponding to the amount of fuel taken out from the fuel and returns water and unreacted fuel, which are reaction by-products, to the dilution fuel reservoir. A mixer for mixing; A fuel concentration sensor configured to sense a concentration (C AO ) of the unreacted fuel at an anode outlet of the fuel cell stack; A current gauge sensor for sensing a density I of current produced from the fuel cell stack; A fuel dosing pump which extracts a high concentration of fuel from the fuel cartridge and supplies the same to the mixer; And a flow rate controller for controlling a fuel supply flow rate Q DS of the fuel dosing pump. The concentration of the unreacted fuel is input to the dimensionless crossover model equation derived by receiving data on the concentration and current density of the unreacted fuel from the fuel concentration sensor and the current gauge sensor, and introducing the CSTR hypothesis and the complete oxidation hypothesis of hydrogen. Calculate the crossover of the fuel by substituting and calculate the supply flow rate of the high concentration fuel corresponding to the sum of the fuel consumption corresponding to the current density and the fuel consumption corresponding to the crossover, and control the flow controller to control the fuel flow rate through the fuel dosing pump. And a microcontroller that adjusts the supplied fuel supply flow rate to the calculated fuel supply flow rate.

바람직하게, 상기 연료의 크로스오버 Ixover

Figure 112006092209798-pat00002
에 의해 계산된다. 그리고, 상기
Figure 112006092209798-pat00003
Figure 112006092209798-pat00004
는 연료가 "기체확산층(-)/막-전극 접합체/기체확산층(+)"을 통해 확산하여 크로스오버되고 연료전지 단위 셀에 CSTR 가정을 적용하고 공기극에 완전 산화 가정을 적용하여 유도되는 계수로서 연료가 확산되는 경로상에 배치된 각 물질막의 두께와 각 물질막을 기준으로 산출한 연료의 확산 계수로 표현된다.Preferably, the crossover I xover of the fuel is
Figure 112006092209798-pat00002
Is calculated by. And,
Figure 112006092209798-pat00003
Wow
Figure 112006092209798-pat00004
Is a coefficient derived from the diffusion of fuel through the "gas diffusion layer (-) / membrane-electrode assembly / gas diffusion layer (+)", crossover and application of the CSTR hypothesis to the fuel cell unit cell and the application of the full oxidation hypothesis to the cathode. It is expressed by the thickness of each material film disposed on the path where the fuel is diffused and the diffusion coefficient of the fuel calculated on the basis of each material film.

본 발명에 따르면, 상기

Figure 112006092209798-pat00005
Figure 112006092209798-pat00006
는 각각
Figure 112006092209798-pat00007
Figure 112006092209798-pat00008
이고, δAD, δAC, δME는 각각 연료가 확산되는 경로 상에 배치된 기체확산층, 촉매층 및 멤브레인층의 두께이고, DAD, DAC, DME는 각각 연료가 확산되는 경로 상에 배치된 기체확산층, 촉매층 및 멤브레인층에서의 연료 확산 계수이고,
Figure 112006092209798-pat00009
는 연료의 반응속도와 크로스오버에 의한 연료의 전달 속도 비이다. According to the invention, the
Figure 112006092209798-pat00005
Wow
Figure 112006092209798-pat00006
Respectively
Figure 112006092209798-pat00007
And
Figure 112006092209798-pat00008
Δ AD , δ AC , and δ ME are the thicknesses of the gas diffusion layer, catalyst layer, and membrane layer respectively disposed on the path through which the fuel is diffused, and D AD , D AC , D ME , respectively, are disposed on the path through which the fuel is diffused. Fuel diffusion coefficients in the gas diffusion layer, catalyst layer and membrane layer,
Figure 112006092209798-pat00009
Is the ratio of the fuel reaction rate and the fuel delivery rate due to the crossover.

바람직하게, 상기

Figure 112006092209798-pat00010
는 패러데이 상수 F를 포함하여
Figure 112006092209798-pat00011
로 정의되고, Ic, Lc, Cc 및 Dc는 각각 크로스오버 모델 방정식을 무차원하기 위한 전류 밀도, 길이, 농도 및 확산계수의 특성값이다.Preferably, the
Figure 112006092209798-pat00010
Including the Faraday constant F
Figure 112006092209798-pat00011
Where I c , L c , C c and D c are the characteristic values of current density, length, concentration and diffusion coefficient for dimensionless crossover model equations, respectively.

바람직하게, 상기 고농도 연료의 공급 유량 QDS

Figure 112006092209798-pat00012
이고, Das
Figure 112006092209798-pat00013
(여기서, 분자는 연료전지 스택의 총반응면적, 분모의 F는 패러데이 상수)이고, CCT는 고농도 연료의 농도이다. Preferably, the supply flow rate Q DS of the high concentration fuel is
Figure 112006092209798-pat00012
And Da s is
Figure 112006092209798-pat00013
Where num is the total reaction area of the fuel cell stack, F is the Faraday constant, and C CT is the concentration of the high concentration fuel.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 연료 공급량 제어 방법은, 희석 연료 저장소로부터 취출되는 희석 연료와 연료 카트리지 로부터 취출되는 고농도 연료를 혼합한 후 연료전지 스택에 공급하여 연료 카트리지로부터 취출되는 연료량에 해당하는 만큼 전기 에너지를 생산하고 반응 부산물인 물과 미 반응 연료를 상기 희석 연료 저장소로 회귀시키는 연료전지 시스템에서 고농도 연료의 공급량을 제어하는 방법으로서, (a) 상기 연료전지 스택의 연료극 출구에서 미 반응 연료의 농도(CAO)를 센싱하는 단계; (b) 상기 연료전지 스택으로부터 생산되는 전류의 밀도(I)를 센싱하는 단계; 및 (c) 연료전지의 단위 셀에 CSTR 가정을 도입하고 공기극에 완전 산화 가정을 도입하여 유도된 무차원 크로스오버 모델 방정식에 상기 센싱된 미 반응 연료의 농도를 대입하여 연료의 크로스오버를 계산한 후 전류 밀도에 상응하는 연료 소모량과 크로스오버에 상응하는 연료 소모량의 합에 대응하는 고농도 연료의 공급 유량을 계산한 후 고농도 연료의 공급량을 계산된 연료공급 유량으로 조정하는 단계;를 포함한다. 여기서, 상기 (a) 단계 내지 (c) 단계는 주기적으로 반복되는 것이 바람직하다.In order to achieve the above technical problem, a fuel supply amount control method of a fuel cell system according to the present invention comprises mixing a diluted fuel taken out of a diluted fuel reservoir with a high concentration fuel taken out of a fuel cartridge and then supplying the fuel cell stack to a fuel cell stack. A method of controlling the supply of high concentration fuel in a fuel cell system that produces electrical energy corresponding to the amount of fuel taken out and returns the byproduct water and unreacted fuel to the diluted fuel reservoir, the method comprising: (a) Sensing the concentration (C AO ) of the unreacted fuel at the anode exit; (b) sensing the density (I) of the current produced from the fuel cell stack; And (c) calculating the fuel crossover by substituting the concentration of the sensed unreacted fuel in a dimensionless crossover model equation derived by introducing a CSTR hypothesis into a unit cell of a fuel cell and introducing a complete oxidation hypothesis into the cathode. And calculating the supply flow rate of the high concentration fuel corresponding to the sum of the fuel consumption amount corresponding to the post current density and the fuel consumption amount corresponding to the crossover, and then adjusting the supply amount of the high concentration fuel to the calculated fuel supply flow rate. Here, the steps (a) to (c) is preferably repeated periodically.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아 니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, which can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be various equivalents and variations.

한편 후술하는 실시예에서는 직접 메탄올형 연료전지 시스템을 예로 들어 본발명에 따른 연료 공급량 제어 방법과 그 장치를 설명한다. 하지만 본 발명은 순환 공정으로 설계되는 연료전지 시스템이라면 어떠한 시스템에라도 적용이 가능하다. On the other hand, in the following embodiment, a fuel supply amount control method and apparatus thereof according to the present invention will be described using a direct methanol fuel cell system as an example. However, the present invention can be applied to any system as long as it is a fuel cell system designed in a circulation process.

여기서, 순환 공정으로 설계된 연료전지 시스템이라 함은 고농도 연료와 희석 연료를 혼합하여 연료전지 스택에 공급하고 반응 부산물로 파생되는 미 반응 연료와 물을 희석 연료 저장소로 회귀시킴으로써 회석 연료 저장소에 저장된 희석 연료의 농도와 수위를 일정하게 유지시키는 연료전지 시스템을 의미한다. 이에 대해서는 도 2에 도시된 연료전지 시스템을 참조 가능하다.Here, a fuel cell system designed as a circulating process is a dilution fuel stored in a dilution fuel reservoir by mixing a high concentration fuel and a dilution fuel, supplying it to a fuel cell stack, and returning unreacted fuel and water derived from reaction byproducts to a dilution fuel reservoir. It means a fuel cell system that maintains a constant concentration and level of. For this, reference may be made to the fuel cell system shown in FIG. 2.

먼저, 직접 메탄올형 연료전지 시스템에서 연료 도싱 펌프에 의해 공급되는 고농도 메탄올의 공급량을 정밀하게 제어하기 위해서는 연료전지 스택에 포함된 각 연료전지 단위 셀의 연료극에서 공기극으로 확산되는 메탄올의 크로스오버를 정량화할 수 있는 수학적 모델이 필요하다. First, in order to precisely control the supply of high concentration methanol supplied by the fuel dosing pump in a direct methanol fuel cell system, the crossover of methanol diffused from the anode of the fuel cell unit cell included in the fuel cell stack to the cathode is quantified. We need a mathematical model to do this.

크로스오버는 연료극과 공기극의 메탄올 농도 차이에 의한 확산에 의해서 결정되는데, 본 발명은 연료전지 스택에 포함된 각 연료전지 단위 셀에 대해 CSTR(complete mixing after reaction) 가정을 도입하고 공기극에서는 완전 산화(complete oxidation) 가정을 도입함으로써 메탄올 크로스오버(Im , xover)에 대해 다음 수학식 2와 같은 1D 무차원 모델을 도출한다. 이하 설명의 편의상 하기 수학식 2에 따른 무차원 모델을 크로스오버 모델 방정식이라고 명명한다.The crossover is determined by diffusion due to the difference in methanol concentration between the anode and the cathode. The present invention introduces a complete mixing after reaction (CSTR) assumption for each fuel cell unit cell included in the fuel cell stack. The 1D dimensionless model of Equation 2 is derived for the methanol crossover (I m , xover ) by introducing a complete oxidation) assumption. For convenience of explanation, the dimensionless model according to Equation 2 below is called a crossover model equation.

[수학식2] &Quot; (2) &quot;

Figure 112006092209798-pat00014
Figure 112006092209798-pat00014

상기 수학식 2에서, CM, AO는 연료전지 스택의 연료극 출구로 배출되는 미 반응 메탄올의 농도, I는 전류 밀도, Im , xover는 메탄올의 크로스오버, δAD, δAC, δME는 각각 연료전지 단위 셀에 포함된 연료극 측의 기체확산층(Diffusion layer)과 촉매층(catalyst layer), 그리고 수소이온을 공기극 측으로 이송시키는 전해질 멤브레인층(membrane layer)에서의 메탄올 유효 확산 계수(effective diffusion coefficent)이고, δAD, δAC, δME는 각 층의 두께이다. 무차원 모델 구성을 위한 특성값(characteristic value)은 DC=1E-6 [cm2/s], IC=1 [A/cm2], CC=1 [M], MC=1[g/mole], QC=1 [ccm], MC=1[g/mole], ρC=1[g/liter], Cell#=5, AC=50 [cm2], LC=0.01 [cm]로 정의하였다. 또한, 메탄올 반응 속도와 전달 속도의 비를 의미하는 무차원 변수 DaC는 패러데이 상수 F를 포함하여 DaC= (IC LC)/(6FCCDC)로 정의하였다.In Equation 2, C M, AO is the concentration of unreacted methanol discharged to the anode outlet of the fuel cell stack, I is the current density, I m , xover is the crossover of methanol, δ AD , δ AC , δ ME Effective diffusion coefficent of methanol in the diffusion layer, the catalyst layer, and the electrolyte membrane layer that transfers hydrogen ions to the cathode side, respectively, included in the fuel cell unit cell And δ AD , δ AC , δ ME are the thickness of each layer. The characteristic values for constructing the dimensionless model are D C = 1E-6 [cm 2 / s], I C = 1 [A / cm 2 ], C C = 1 [M], M C = 1 [ g / mole], Q C = 1 [ccm], M C = 1 [g / mole], ρ C = 1 [g / liter], Cell # = 5, A C = 50 [cm 2 ], L C = 0.01 [cm]. In addition, the dimensionless variable Da C, which represents the ratio of the methanol reaction rate and the delivery rate, was defined as Da C = (I C L C ) / (6FC C D C ) including the Faraday constant F.

도 3은 상기 수학식 2에 따른 메탄올의 크로스오버 모델 방정식을 유도하기 위해 사용한 연료전지 단위 셀의 모델이다.3 is a model of a fuel cell unit cell used to derive a crossover model equation of methanol according to Equation 2 above.

도면에서, 'anode'는 연료극을, 'cathode'는 공기극을 나타내고, Z0~Z1은 연료극 측의 기체확산층, Z1~Z2는 연료극 측의 촉매층, Z2~Z3는 전해질 멤브레인층, Z3~Z4는 공기극 측의 촉매층, Z4~Z5는 공기극 측의 기체확산층이다In the figure, 'anode' represents the anode, 'cathode' represents the cathode, Z 0 to Z 1 are gas diffusion layers on the anode side, Z 1 to Z 2 are catalyst layers on the anode side, and Z 2 to Z 3 are electrolyte membrane layers. , Z 3 to Z 4 are catalyst layers on the cathode side, and Z 4 to Z 5 are gas diffusion layers on the cathode side.

도 3을 참조하여 메탄올의 크로스오버 모델 방정식을 유도하는 과정을 설명하면, 먼저 연료전지 단위 셀에 CSTR 가정을 도입하고 공기극에서는 완전 산화 가정을 도입한다. 그러면 Z0 지점에서의 메탄올의 농도를 계산할 수 있고, Z3 지점에서의 메탄올 농도는 무시할 수 있으며, 막-전극 접합체(Z0 ~ Z5)를 통한 메탄올의 몰 플럭스(molar flux)는 하기 수학식 3에 의해 표시할 수 있다. 수학식 3에서 C는 농도를, D는 확산계수를, δ는 두께를 나타낸다. 그리고 아래 첨자 AD, AC, ME는 연료극 측의 기체확산층과 촉매층, 그리고 전해질 멤브레인층을 각각 나타낸다.Referring to FIG. 3, a process of deriving a crossover model equation of methanol is introduced. First, a CSTR hypothesis is introduced into a fuel cell unit cell, and a complete oxidation hypothesis is introduced at the cathode. The concentration of methanol at the Z 0 point can then be calculated, the methanol concentration at the Z 3 point can be ignored, and the molar flux of methanol through the membrane-electrode assembly (Z 0 to Z 5 ) is It can be represented by Equation 3. In Equation 3, C represents concentration, D represents diffusion coefficient, and δ represents thickness. Subscripts AD, AC, and ME represent the gas diffusion layer, the catalyst layer, and the electrolyte membrane layer on the anode side, respectively.

[수학식 3]&Quot; (3) &quot;

Figure 112006092209798-pat00015
Figure 112006092209798-pat00015

상기 수학식 3에 무차원화를 위한 특성값 스케일(characteristic scale)을 적용하면, 하기 수학식 4가 도출된다. 적용된 특성값 스케일 팩터는 Dc, Lc, Ic, Cc 및 Jc=DcCc/Lc이다.When a characteristic scale for dimensionlessness is applied to Equation 3, Equation 4 is derived. The characteristic value scale factors applied are D c , L c , I c , C c and J c = D c C c / L c .

[수학식 4]&Quot; (4) &quot;

Figure 112006092209798-pat00016
Figure 112006092209798-pat00016

여기서,

Figure 112006092209798-pat00017
는 메탄올의 반응속도와 확산에 의한 전달 속도의 비로서,
Figure 112006092209798-pat00018
이다.here,
Figure 112006092209798-pat00017
Is the ratio of the reaction rate of methanol and the delivery rate by diffusion,
Figure 112006092209798-pat00018
to be.

대수학적 연산에 의해 상기 수학식 4를 정리하면, 하기 수학식 5와 같이 메탄올에 대한 무차원화된 크로스오버 모델 방정식이 도출된다. 상기 수학식 2와 하기 수학식 5를 대비하면, CM, AO 는 CZO이고, α0 및 α1은 CZO와 I의 계수이다.By arranging Equation 4 by the algebraic operation, a dimensionless crossover model equation for methanol is derived as in Equation 5 below. In contrast with Equation 2 and Equation 5 below, C M, AO Is C ZO , and α 0 and α 1 are the coefficients of C ZO and I.

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112006092209798-pat00019
Figure 112006092209798-pat00019

상술한 메탄올의 크로스오버 모델 방정식의 핵심은 메탄올 크로스오버를 막-전극 접합체에 포함된 멤브레인층과 촉매층, 그리고 기체확산층에서의 메탄올 확산계수와 각 물질층의 두께를 사용하여 표현하였다는데 있다. 본 발명의 실시예에서는, δAD, δAC, δME를 각각 200 micro-m, 50 micro-m, 175 micro-m로 설정한다. 하지만 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 한편 확산계수는 하기 수학식 6을 통하여 연료전지 스택의 온도 영향을 반영하는 것이 바람직하다.The core of the above methanol crossover model equation is that the methanol crossover is expressed using the membrane and catalyst layers included in the membrane-electrode assembly, the methanol diffusion coefficient in the gas diffusion layer, and the thickness of each material layer. In the embodiment of the present invention, δ AD , δ AC , δ ME are set to 200 micro-m, 50 micro-m, and 175 micro-m, respectively. However, the present invention is not limited thereto. Meanwhile, the diffusion coefficient preferably reflects the temperature influence of the fuel cell stack through Equation 6 below.

[수학식 6]&Quot; (6) &quot;

Figure 112006092209798-pat00020
Figure 112006092209798-pat00020

여기서, 확산계수의 모델 변수는 문헌 값을 참고한 후 검증실험을 통하여 조정한다. 본 발명의 실시예에서 사용하는 변수 값을 표로 정리하면 다음과 같다.Here, the model variable of the diffusion coefficient is adjusted through a verification experiment after referring to the literature value. The variable values used in the embodiment of the present invention are summarized as follows.

Figure 112006092209798-pat00021
Figure 112006092209798-pat00021

상기 수학식 2에서 본 바와 같이, 본 발명이 제안한 메탄올의 크로스오버 모델 방정식은 연료전지 스택의 연료극 출구에서 배출되는 미 반응 메탄올의 농도, CM, AO와 전류 밀도의 선형 관계로 표현하였고, 수식에서 사용된 계수는 막-전극 접합체를 구성하는 물질층의 확산계수와 두께로 구성하였다. 그런데 전류 밀도는 측정이 가능하고, 계수 또한 물질층의 확산계수와 두께로부터 계산이 가능하므로, 미 반응 메탄올의 농도, CM, AO을 측정하면 메탄올의 크로스오버를 정량화하는 것이 가능해 진다. 따라서 전기화학적 반응과 크로스오버에 의한 메탄올의 소모분을 반영한 정확한 메탄올 공급 공정을 설계할 수 있다.As seen in Equation 2, the crossover model equation of methanol proposed by the present invention is expressed by the linear relationship between the concentration of unreacted methanol, C M, AO and current density discharged from the anode outlet of the fuel cell stack. The coefficients used in this study consisted of the diffusion coefficient and the thickness of the material layer constituting the membrane-electrode assembly. However, the current density can be measured, and the coefficient can also be calculated from the diffusion coefficient and thickness of the material layer. Therefore, it is possible to quantify the crossover of methanol by measuring the concentration of unreacted methanol, C M and AO . Therefore, it is possible to design an accurate methanol feed process that reflects the consumption of methanol by electrochemical reactions and crossovers.

한편, 본 발명에 따른 메탄올의 크로스오버 모델 방정식의 정확성을 실험을 통하여 확인하기 위해서는 물의 크로스오버에 대한 수학적 모델도 필요하다. 본 발명은 물의 전기 삼투압과 증발 등을 함께 고려하여 물의 크로스오버를 다음의 수학식 7로 모델링한다.On the other hand, in order to confirm the accuracy of the crossover model equation of methanol according to the present invention through an experiment is also required a mathematical model of the crossover of water. The present invention models water crossover by the following equation 7 in consideration of the electroosmotic pressure and evaporation of water.

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112006092209798-pat00022
Figure 112006092209798-pat00022

Figure 112006092209798-pat00023
Figure 112006092209798-pat00023

상기 수학식 7에서, xA , amb는 공기극의 기체 내에 포함된 증기의 몰 분율, 그리고 xA0 는 응축된 물과 기체 계면 근처에서의 증기 특성 몰분율로서 일반적으로 xA0=Pvap(T)/P로서 구할 수 있다. xA0=Pvap(T)/P 에서, P를 대기압 조건으로 설정하면, xA0 는 연료 전지의 스택 온도 T에 따라 그 값이 가변되는데, 반복적인 실험을 통하면 온도 T에 따른 xA0의 값을 미리 정의할 수 있다. k는 연료극 내의 물 유동 조건의 영향을 받는 무차원 질량 전달 계수로서 본 발명은 상수 값으로 가정하고 0.01 [mole/cm2/min]를 기준으로 계산한다. xA , amb는 수학식 7에 의하면, 물의 크로스오버와 상호 영향을 주고 받는 관계를 가진다. 따라서 적절한 반복 계산을 통해서 수렴된 값(

Figure 112006092209798-pat00024
)을 구하여 사용한다. 본 발명의 실시예에서는, 'under-relaxation' 법을 사용하여 수렴 해(
Figure 112006092209798-pat00025
)를 구하여 xA , amb으로 사용한다. 하지만 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다.In Equation 7, x A , amb is the mole fraction of the vapor contained in the gas of the cathode, and x A0 is the mole fraction of the vapor characteristic near the gas interface with condensed water, generally x A0 = P vap (T) / It can be obtained as P. x A0 = P In vap (T) / P, if P is set to atmospheric pressure, x A0 The value varies depending on the stack temperature T of the fuel cell. Through repeated experiments, the value of x A0 according to the temperature T can be predefined. k is a dimensionless mass transfer coefficient affected by water flow conditions in the anode, and the present invention assumes a constant value and calculates it based on 0.01 [mole / cm 2 / min]. x A and amb have a relationship that mutually affects the crossover of water according to Equation (7). Therefore, the value converged through proper iteration calculation (
Figure 112006092209798-pat00024
Obtain and use). In an embodiment of the present invention, the convergence solution is performed using the 'under-relaxation' method.
Figure 112006092209798-pat00025
) And use it as x A , amb . However, the present invention is not limited thereto.

그러면, 이하에서는 본 발명이 제안한 수학적 모델에 따라 메탄올과 물의 크 로스오버를 계산하는 경우와 실제 실험을 통하여 측정한 경우를 서로 대비하여 보기로 한다.Then, the case of calculating the crossover of methanol and water according to the mathematical model proposed by the present invention and the case measured through actual experiments will be compared with each other.

먼저, 실험을 통하여 메탄올 크로스오버를 정량화하기 위해서는 연료전지 스택의 연료극 출구측에서의 메탄올 농도를 알아야 한다. 그런데 연료극 출구측에서의 메탄올 농도는 메탄올 크로스오버 양에 의하여 영향을 받으므로 실험을 통해 메탄올 크로스오버를 구하기 위해서는 연료극을 통하여 입력 또는 출력되는 메탄올과 물의 질량균형 방정식(mass balance equation)을 이용한 수식 전개 과정이 필요하다.First, in order to quantify the methanol crossover through experiments, it is necessary to know the methanol concentration at the anode exit side of the fuel cell stack. However, since the methanol concentration at the outlet side of the anode is affected by the amount of methanol crossover, the equation development process using the mass balance equation of methanol and water input or output through the anode is required to obtain the methanol crossover through the experiment. need.

본 발명에서는 연료전지 스택에 대하여 CSTR 가정을 도입하였다. 따라서 연료극에서 메탄올과 물에 대하여 각각 다음 수학식 8과 같은 질량 균형 방정식(Mass balance equation)을 얻을 수 있다. 하기 수학식 8에서, CW ,AI는 연료전지 스택의 연료극 입구로 유입되는 물의 농도, CW , AO는 연료전지 스택의 연료극 출구로부터 방출되는 물의 농도, QAI는 연료전지 스택의 연료극 입구로 인입되는 메탄올의 유량, QAO는 연료전지 스택의 연료극 출구로부터 방출되는 미 반응 메탄올의 유량, I는 연료전지 스택에서 생산되는 전류 밀도, Im , xover는 메탄올의 크로스오버, Iw , xover는 물의 크로스오버이다.In the present invention, the CSTR assumption is introduced for the fuel cell stack. Therefore, the mass balance equation of Equation 8 can be obtained for methanol and water at the anode. In Equation 8, C W , AI is the concentration of water entering the anode inlet of the fuel cell stack, C W , AO is the concentration of water discharged from the anode outlet of the fuel cell stack, Q AI is the anode inlet of the fuel cell stack The flow rate of the incoming methanol, Q AO is the flow rate of unreacted methanol released from the anode outlet of the fuel cell stack, I is the current density produced in the fuel cell stack, I m , xover is the methanol crossover, I w , xover is It is a crossover of water.

[수학식 8][Equation 8]

Figure 112006092209798-pat00026
Figure 112006092209798-pat00026

Figure 112006092209798-pat00027
Figure 112006092209798-pat00027

그리고 하기 수학식 9에 따른 이종 혼합 가정(Two-species mixture)을 상기 수학식 8의 질량 균형 방정식 중 물에 대한 질량 균형 방정식에 적용한 후 연료극의 출구측 유량 QAO 에 대하여 정리하면 하기 수학식 10이 얻어진다. The two-species mixture according to Equation 9 is applied to the mass balance equation for water in the mass balance equation of Equation 8, and then the outlet flow rate Q AO of the anode. In summary, the following equation (10) is obtained.

[수학식 9][Equation 9]

이종 혼합 가정:  Heterogeneous Mixed Homes:

Figure 112006092209798-pat00028
Figure 112006092209798-pat00028

[수학식10][Equation 10]

Figure 112006092209798-pat00029
Figure 112006092209798-pat00029

위에서 구한 QAO에 대한 식을 수학식 8의 질량 균형 방정식 중 메탄올의 질량 균형 방정식에 대입하고, 수학식 2에 따라 Im , xover를 Cm, AO로 표현된 식으로 대입 정리하면, Cm, AO에 대한 2차 방정식이 얻어지므로, 주어진 스택의 온도 조건, 그리고 측정 가능한 Cm,AI, Cw ,AI, QAI, I(전류 밀도)의해 2차 방정식의 계수를 확정한 후 방정식을 풀면, Cm, AO를 구할 수 있다. Cm, AO가 구해지면, α0, α1, β0, β1의 계산이 가능하므로 메탄올과 물의 크로스오버를 수학적 모델링에 의해 정량적으로 계산하는 것이 가능하다.Substituting the equation for Q AO obtained above into the mass balance equation of methanol in the mass balance equation of Equation 8, and substituting I m , xover as C m and AO according to Equation 2, C m Since the quadratic equation for AO is obtained, the equations of the quadratic equation are determined after the temperature conditions of a given stack and the measurable C m, AI , C w , AI , Q AI , and I (current density). When solved, C m and AO can be obtained. When C m and AO are obtained, α 0 , α 1 , β 0 , β 1 can be calculated, and thus the crossover of methanol and water can be calculated quantitatively by mathematical modeling.

그러면, 이하에서는 본 발명이 제안하는 수학적 모델링에 의해 계산되는 메탄올과 물의 크로스오버가 실제 실험을 통하여 측정된 크로스오버를 추종하는지 실험을 통하여 확인해 보기로 한다.Then, below, it will be confirmed by experiment whether the crossover of methanol and water calculated by the mathematical modeling proposed by the present invention follows the crossover measured through the actual experiment.

도 4는 실험을 위해 사용된 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이다. 도면을 참조하면, 실험을 수행하기 위해 연료전지 스택(10)을 단열부재에 의해 차폐한 후 메탄올 공급 펌프(20)를 연료전지 스택(10)의 연료극 입구에 연결하였다. 이 때 연료전지 스택(10)의 온도를 제어하기 위해 메탄올 공급 펌프(20)와 연료극의 입구 사이에 예열기(30)를 설치하여 연료 메탄올의 온도를 원하는 온도로 조절하였다. 조절된 메탄올의 온도는 연료전지 스택(10)의 온도에 상응한다. 상기 메탄올 공급 펌프(20)는 연료 메탄올 저장 용기(40)로부터 메탄올을 취출하여 예열기(30)로 메탄올을 공급한다. 그러면 예열기(30)는 메탄올을 제어 목표 온도로 가열하여 연료극의 입구측으로 공급한다. 연료극의 출구측에는 미반응 연료 메탄올을 회수하기 위한 연료 메탄올 회수 용기(50)가 설치되며, 메탄올 유량계와 농도계를 사용하여 연료극의 출구측을 통해 방출되는 메탄올의 농도(CM,AO)와 유량(Q(AO))을 측정하였다. 한편 공기극의 입구측에는 공기 펌프(60)를 장착하여 공기극에서 완전 산화 반 응이 일어나도록 충분한 량의 공기를 공급하였고, 공기극의 출구측에는 아이스 챔버(70)를 설치하여 출구측으로부터 방출되는 기체 혼합물을 응축시킨 후 응출된 물의 유량(Q(CO))를 측정하였다. 그런 다음 측정을 통하여 얻은 데이터를 상술한 수학식 8의 메탄올과 물의 질량 균형 방정식에 대입한 후 2원 1차 방정식을 풀어서 메탄올과 물의 크로스오버를 산출하였다. 그리고 이와는 별개로 본 발명이 제안한 수학적 모델링에 입각하여 메탄올과 물의 크로스오버를 정량적으로 계산하였다. 구체적인 계산 과정은 이미 상술하였으므로 반복적인 설명은 생략한다. 한편 상술한 실험 조건에서 연료전지 스택의 기본적인 운전 조건은 다음과 같다.4 is a schematic diagram of a fuel cell system used for an experiment. Referring to the drawings, in order to perform the experiment, the fuel cell stack 10 was shielded by an insulating member, and then the methanol supply pump 20 was connected to the anode inlet of the fuel cell stack 10. At this time, in order to control the temperature of the fuel cell stack 10, a preheater 30 was installed between the methanol supply pump 20 and the inlet of the anode to adjust the temperature of the fuel methanol to a desired temperature. The temperature of the regulated methanol corresponds to the temperature of the fuel cell stack 10. The methanol supply pump 20 extracts methanol from the fuel methanol storage container 40 and supplies methanol to the preheater 30. The preheater 30 then heats methanol to the control target temperature and supplies it to the inlet side of the anode. On the outlet side of the anode, a fuel methanol recovery vessel 50 for recovering unreacted fuel methanol is provided, and the concentration (C M, AO ) and the flow rate of methanol discharged through the outlet side of the anode using a methanol flow meter and a concentration meter ( Q (AO)) was measured. On the other hand, an air pump 60 is mounted on the inlet side of the cathode to supply a sufficient amount of air so that a complete oxidation reaction occurs at the cathode. An ice chamber 70 is installed on the outlet side of the cathode to provide a gas mixture discharged from the outlet side. After condensation, the flow rate of the coagulated water (Q (CO)) was measured. Then, the data obtained through the measurement was substituted into the above-described mass balance equation of methanol and water, and the binary first-order equation was solved to calculate the crossover of methanol and water. Apart from this, the crossover of methanol and water was quantitatively calculated based on the mathematical modeling proposed by the present invention. Since the detailed calculation process has already been described above, repetitive description is omitted. On the other hand, the basic operating conditions of the fuel cell stack under the experimental conditions described above are as follows.

[운전조건][Operation conditions]

연료전지 셀의 수: 5Number of fuel cell: 5

반응 영역의 면적: 50cm2 Area of reaction zone: 50 cm 2

메탄올의 연료극 공급 농도: 0.5MMethanol anode concentration: 0.5M

공기극을 통한 공기 공급 유량: 2500ccmAir supply flow rate through air cathode: 2500 ccm

도 5 및 도 6은 실험으로 측정된 메탄올과 물의 크로스오버(점선)와 본 발명에 따른 수학적 모델링에 의해 예측된 메탄올과 물의 크로스오버(실선)를 비교하여 나타낸 그래프들이다. 메탄올과 물의 크로스오버는 3가지 조건에서 실험값과 예측값을 구하였다. 제1 내지 제3조건에서, 연료극으로 공급되는 메탄올의 농도, 온도 및 공급 유량은, 각각 0.5M, 60도, 15ccm; 0.5M, 60도, 30ccm; 0.5, 70도, 30ccm로 설정하였다.5 and 6 are graphs comparing the crossover of methanol and water measured by experiment (dotted line) and the crossover of methanol and water predicted by mathematical modeling according to the present invention (solid line). The crossovers of methanol and water were obtained from experimental and predicted values under three conditions. In the first to third conditions, the concentration, temperature, and supply flow rate of methanol supplied to the anode are 0.5 M, 60 degrees, and 15 ccm, respectively; 0.5 M, 60 degrees, 30 ccm; 0.5, 70 degrees, and 30 ccm were set.

도 5를 참조하면, 메탄올의 크로스오버는 실험값과 예측값 모두 전류 밀도가 증가할수록 감소하는 경향을 보여주고 있다. 그리고 상대적으로 낮은 전류 밀도에서의 메탄올 크로스오버 값은 스택 온도가 상승함에 따라 더 커지는 것을 알 수 있다. 이는 메탄올 크로스오버를 일으키는 주요 메커니즘인 메탄올의 확산이 활성화되기 때문이다. 또한 연료극으로 공급되는 메탄올의 유량이 증가되면 전류 밀도의 증가에 따른 메탄올 크로스오버의 감소폭이 줄어드는데, 이는 메탄올 공급 유량이 증가되면 연료극에서의 메탄올 농도가 높게 유지되기 때문이다.Referring to FIG. 5, the crossover of methanol shows a tendency to decrease as the current density increases in both the experimental value and the predicted value. And it can be seen that the methanol crossover value at a relatively low current density increases as the stack temperature rises. This is because the diffusion of methanol, which is the main mechanism causing methanol crossover, is activated. In addition, as the flow rate of methanol supplied to the anode increases, the decrease of the methanol crossover with the increase of the current density decreases because the methanol concentration at the anode remains high as the methanol supply flow rate increases.

다음으로, 도 6을 참조하면, 물의 크로스오버는 전류 밀도가 증가할수록 증가하는 경향을 보이는데, 이는 메탄올의 경우와 달리 크로스오버 메커니즘이 물의 전기삼투압적 견인(electro-osmotic drag)에 기인하기 때문이다. 또한 연료극으로 공급되는 메탄올의 공급유량의 변화는 물의 크로스오버에 큰 영향을 미치지 않지만, 메탄올의 온도가 상승되면 물의 크로스오버 또한 전체적으로 상승하는 것을 알 수 있다. Next, referring to FIG. 6, the water crossover tends to increase as the current density increases, since the crossover mechanism is due to the electro-osmotic drag of the water, unlike in the case of methanol. . In addition, the change in the supply flow rate of methanol supplied to the anode does not significantly affect the crossover of water, but it can be seen that the crossover of water also increases as the temperature of methanol rises.

도 5 및 도 6에 도시된 그래프에 따르면, 실험에 의해 실제 측정한 메탄올과 물의 크로스오버와 본 발명에 따른 수학적 모델링에 의해 계산된 메탄올과 물의 크로스오버는 거의 일치하고 있다. 따라서 본 발명이 제안한 수학적 모델링은 연료전지 시스템의 연료 공급 설계에 유용하게 적용될 수 있는 모델임을 확인할 수 있다.According to the graphs shown in FIGS. 5 and 6, the crossover of methanol and water actually measured by the experiment and the crossover between methanol and water calculated by the mathematical modeling according to the present invention are almost identical. Therefore, it can be confirmed that the mathematical modeling proposed by the present invention is a model that can be usefully applied to the fuel supply design of the fuel cell system.

그러면 이하에서는 본 발명이 제시한 수학적 모델을 적용한 연료전지 시스템의 연료 공급량 제어 방법 및 장치를 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, a method and apparatus for controlling fuel supply amount of a fuel cell system to which the mathematical model proposed by the present invention is applied will be described in detail.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템의 연료 공급량 제어 장치의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.7 is a configuration diagram schematically showing a configuration of a fuel supply amount control apparatus of a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.

도면을 참조하면, 상기 연료 공급량 제어 장치는 희석 연료 저장소(FT)로부터 취출되는 희석 연료와 연료 카트리지(CT)로부터 취출되는 고농도 연료를 혼합한 후 연료전지 스택(ST)에 공급하여 연료 카트리지(CT)로부터 취출되는 연료량에 해당하는 만큼 전기 에너지를 생산하고 반응 부산물인 물과 미 반응 연료를 상기 희석 연료 저장소(FT)로 회귀시키는 순환 공정에 따른 연료전지 시스템에서 고농도 연료의 공급량을 제어하는 장치이다.Referring to the drawings, the fuel supply amount control apparatus mixes the dilute fuel taken out from the dilution fuel reservoir FT and the high concentration fuel taken out from the fuel cartridge CT, and then supplies the fuel cartridge CT to the fuel cell stack ST. Is a device that controls the supply of high concentration fuel in the fuel cell system according to the circulation process of producing electrical energy corresponding to the amount of fuel taken out from the) and returning the by-product water and unreacted fuel to the diluted fuel reservoir (FT). .

상기 연료 공급량 제어 장치의 기본적인 구성은 도 2에 도시된 직접 메탄올형 연료전지 시스템과 동일하되, 연료전지 스택(ST)의 연료극 출구에서 미 반응 연료의 농도(CAO)를 센싱하는 연료 농도 센서(S)와, 상기 연료전지 스택(ST)으로부터 생산되는 전류의 밀도(I)를 센싱하는 전류 게이지 센서(G)와, 연료 도싱 펌프(DS)의 연료 공급 유량(QDS)을 조절하는 유량 컨트롤러(C)와, 상기 연료 농도 센서(S)와 상기 전류 게이지 센서(G)로부터 미 반응 연료의 농도와 전류 밀도에 대한 데이터를 수신하고, CSTR 가정과 수소의 완전 산화 가정을 도입하여 유도된 무차원 크로스오버 모델 방정식에 상기 미 반응 연료의 농도를 대입하여 연료의 크로스오버를 계산한 후 전류 밀도에 의해 계산된 연료 소모량과 크로스오버에 의해 소모된 연료 소모량에 상응하는 고농도 연료의 공급 유량을 하기 수학식 11에 의해 계산하고 상기 유량 컨트롤러(C)를 제어하여 연료 도싱 펌프(DS)를 통하여 공급되는 연료 공급 유량를 상기 계산된 연료공급 유량으로 조정하는 마이크로컨트롤러(MCU);를 포함한 다.The basic configuration of the fuel supply amount control device is the same as that of the direct methanol fuel cell system illustrated in FIG. 2, but includes a fuel concentration sensor configured to sense the concentration (C AO ) of the unreacted fuel at the outlet of the fuel cell stack ST. S), a current gauge sensor G for sensing the density I of the current produced from the fuel cell stack ST, and a flow rate controller for adjusting the fuel supply flow rate Q DS of the fuel dosing pump DS. (C) and from the fuel concentration sensor (S) and the current gauge sensor (G) receive data on the concentration and current density of the unreacted fuel and introduce the CSTR hypothesis and the fully oxidized hypothesis of hydrogen to be derived dimensionless. Calculate the crossover of the fuel by substituting the concentration of the unreacted fuel in the crossover model equation, and then the high concentration corresponding to the fuel consumption calculated by the current density and the fuel consumption consumed by the crossover. A microcontroller (MCU) which calculates a supply flow rate of the fuel by Equation 11 and controls the flow controller C to adjust the fuel supply flow rate supplied through the fuel dosing pump DS to the calculated fuel supply flow rate; It includes.

[수학식 11] [Equation 11]

Figure 112006092209798-pat00030
Figure 112006092209798-pat00030

상기 연료의 크로스오버 Ixover

Figure 112006092209798-pat00031
에 의해 계산한다. 여기서, 계수
Figure 112006092209798-pat00032
Figure 112006092209798-pat00033
는 연료가 "기체확산층(-)/막-전극 접합체/기체확산층(+)"을 통해 확산하여 크로스오버되고 연료전지 단위 셀에 CSTR 가정을 도입하고 공기극에서 완전 산화 가정을 적용하여 유도되는 계수로서 연료가 확산되는 경로상에 배치된 각 물질막의 두께와 각 물질막을 기준으로 산출한 연료의 확산 계수로 표현된다.The crossover I xover of the fuel is
Figure 112006092209798-pat00031
Calculate by Where coefficient
Figure 112006092209798-pat00032
Wow
Figure 112006092209798-pat00033
Is a coefficient derived from fuel spreading through the "gas diffusion layer (-) / membrane-electrode assembly / gas diffusion layer (+)", crossover and introducing the CSTR hypothesis into the fuel cell unit cell and applying the full oxidation hypothesis at the cathode. It is expressed by the thickness of each material film disposed on the path where the fuel is diffused and the diffusion coefficient of the fuel calculated on the basis of each material film.

바람직하게, 상기

Figure 112006092209798-pat00034
Figure 112006092209798-pat00035
는, 각각
Figure 112006092209798-pat00036
Figure 112006092209798-pat00037
이다. 여기서, δAD, δAC, δME는 각각 연료가 확산되는 경로 상에 배치된 기체확산층, 촉매층 및 멤브레인층의 두께이고, DAD, DAC, DME는 각각 연료가 확산되는 경로 상에 배치된 기체확산층, 촉매층 및 멤브레인층에서의 연료 확산 계수이다.
Figure 112006092209798-pat00038
는 연료의 반응속도와 크로스오버에 의한 연료의 전달 속도 비이다. 연료로서 메탄올이 사용되는 경우, 상기
Figure 112006092209798-pat00039
는 패러데이 상수 F를 포함하여
Figure 112006092209798-pat00040
로 정의되고, Ic, Lc, Cc 및 Dc는 각각 크로스오버 모델 방정식을 무 차원하기 위한 전류 밀도, 길이, 농도 및 확산계수의 특성값이다. 아울러, 연료로서 메탄올이 사용되는 경우, 상기 수학식 11에서, Das
Figure 112006092209798-pat00041
(여기서, 분자는 연료전지 스택의 총반응면적, 분모의 F는 패러데이 상수)이고, CCT는 연료 카트리지(CT)로부터 취출되는 고농도 연료의 농도이다.Preferably, the
Figure 112006092209798-pat00034
Wow
Figure 112006092209798-pat00035
Are each
Figure 112006092209798-pat00036
And
Figure 112006092209798-pat00037
to be. Here, δ AD , δ AC , δ ME are the thicknesses of the gas diffusion layer, catalyst layer and membrane layer respectively disposed on the path through which the fuel is diffused, and D AD , D AC , D ME are respectively disposed on the path through which the fuel is diffused. Fuel diffusion coefficients in the gas diffusion layer, catalyst layer and membrane layer.
Figure 112006092209798-pat00038
Is the ratio of the fuel reaction rate and the fuel delivery rate due to the crossover. When methanol is used as fuel,
Figure 112006092209798-pat00039
Including the Faraday constant F
Figure 112006092209798-pat00040
Where I c , L c , C c and D c are the characteristic values of current density, length, concentration and diffusion coefficient, respectively, for dimensionless crossover model equations. In addition, when methanol is used as the fuel, in Equation 11, Da s is
Figure 112006092209798-pat00041
Where molecule is the total reaction area of the fuel cell stack, F is the Faraday constant, and C CT is the concentration of high concentration fuel taken out of the fuel cartridge (CT).

그러면 상술한 구성을 가지는 연료 공급량 제어 장치의 동작을 설명한다. 먼저 상기 마이크로컨트롤러(MCU)는 주기적으로 연료 농도 센서(S)와 전류 게이지 센서(G)로부터 연료전지 스택(ST)의 연료극 출구측으로 배출되는 미반응 연료의 농도와 연료전지 스택(ST)으로부터 생산되는 전류의 밀도를 입력받는다. 그런 다음 상기 수학식 11에 의해 연료 도싱 펌프(DS)의 연료공급 유량을 계산한다. 상기 연료 공급 유량의 계산시에는 먼저 연료 농도 센서(S)에 의해 측정된 연료 농도와 전류 게이지 센서(G)에 의해 측정된 전류 밀도에 의해 연료의 크로스오버를 계산한 후 계산된 연료의 크로스오버와 측정된 전류 밀도, 그리고 메모리에 저장된 상수값(α01 등)을 이용하여 상기 수학식 11에 의해 연료의 공급 유량을 계산한다. 연료 공급 유량이 계산되면, 연료 도싱 펌프(DS)의 유량 컨트롤러(C)를 제어하여 연료 공급 유량을 수학식 11에 의해 계산된 연료 공급 유량으로 변경한다. 그러면 연료전지 스택(ST)으로 전기화학적 반응과 크로스오버에 의해 소모된 만큼 연료를 정밀하게 공급하는 것이 가능하여 안정적인 연료전지 시스템의 운전이 가능해 진다.Next, the operation of the fuel supply amount control device having the above-described configuration will be described. First, the microcontroller (MCU) is produced from the fuel cell stack (ST) and the concentration of unreacted fuel periodically discharged from the fuel concentration sensor (S) and the current gauge sensor (G) to the anode outlet side of the fuel cell stack (ST). Input the density of the current to be received. Then, the fuel supply flow rate of the fuel dosing pump DS is calculated by Equation 11. In the calculation of the fuel supply flow rate, the fuel crossover is calculated based on the fuel concentration measured by the fuel concentration sensor S and the current density measured by the current gauge sensor G, and then the crossover of the calculated fuel is calculated. And the flow rate of fuel is calculated by using Equation 11 using the measured current density and constant values (α 0 , α 1, etc.) stored in the memory. When the fuel supply flow rate is calculated, the flow rate controller C of the fuel dosing pump DS is controlled to change the fuel supply flow rate to the fuel supply flow rate calculated by Equation (11). Then, fuel can be precisely supplied to the fuel cell stack ST as consumed by the electrochemical reaction and crossover, thereby enabling stable fuel cell system operation.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지 식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.As described above, although the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto, and the technical spirit of the present invention and the following will be understood by those skilled in the art to which the present invention pertains. Various modifications and variations are possible, of course, within the scope of equivalents of the claims to be described.

본 발명에 따르면, 연료전지에서 전기화학적 반응에 의해 소모되는 연료의 량뿐만 아니라 연료극으로부터 공기극으로 크로스오버되는 연료의 소모량까지 감안하여 연료 공급량을 설정할 수 있으므로, 연료전지 시스템의 운전을 최적화시킬 수 있다.According to the present invention, since the fuel supply amount can be set in consideration of not only the amount of fuel consumed by the electrochemical reaction in the fuel cell but also the amount of fuel crossover from the anode to the cathode, the operation of the fuel cell system can be optimized. .

Claims (11)

희석 연료 저장소로부터 취출되는 희석 연료와 연료 카트리지로부터 취출되는 고농도 연료를 혼합한 후 연료전지 스택에 공급하여 연료 카트리지로부터 취출되는 연료량에 해당하는 만큼 전기 에너지를 생산하고 반응 부산물인 물과 미 반응 연료를 상기 희석 연료 저장소로 회귀시키는 연료전지 시스템에서 고농도 연료의 공급량을 제어하는 장치에 있어서,Diluted fuel taken out of the dilution fuel reservoir and high concentration fuel taken out of the fuel cartridge are mixed and supplied to the fuel cell stack to produce electric energy corresponding to the amount of fuel taken out of the fuel cartridge. An apparatus for controlling the supply amount of high concentration fuel in a fuel cell system to return to the diluted fuel reservoir, 상기 희석 연료와 상기 고농도 연료를 혼합하는 혼합기; 상기 연료전지 스택의 연료극 출구에서 미 반응 연료의 농도(CAO)를 센싱하는 연료 농도 센서; 상기 연료전지 스택으로부터 생산되는 전류의 밀도(I)를 센싱하는 전류 게이지 센서; 상기 연료 카트리지로부터 고농도 연료를 취출하여 상기 혼합기로 공급하는 연료 도싱 펌프; 및 상기 연료 도싱 펌프의 연료 공급 유량(QDS)을 조절하는 유량 컨트롤러; 상기 연료 농도 센서와 상기 전류 게이지 센서로부터 미 반응 연료의 농도와 전류 밀도에 대한 데이터를 입력받고, CSTR(Complete Mixing After Reaction) 가정과 수소의 완전 산화 가정을 도입하여 유도된 무차원 크로스오버 모델 방정식(상기 미반응 에탄올 농도와 상기 전류 밀도를 변수로 하는 함수임)에 상기 미 반응 연료의 농도와 상기 전류 밀도를 대입하여 연료의 크로스오버를 계산한 후 전류 밀도에 상응하는 연료 소모량과 크로스오버에 상응하는 연료 소모량의 합에 대응되게 상기 유량 컨트롤러를 제어하여 상기 연료 공급 유량를 조정하는 마이크로컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급량 제어 장치.A mixer for mixing the diluted fuel and the high concentration fuel; A fuel concentration sensor configured to sense a concentration (C AO ) of the unreacted fuel at an anode outlet of the fuel cell stack; A current gauge sensor for sensing a density I of current produced from the fuel cell stack; A fuel dosing pump which extracts a high concentration of fuel from the fuel cartridge and supplies the same to the mixer; And a flow rate controller for controlling a fuel supply flow rate Q DS of the fuel dosing pump. A dimensionless crossover model equation derived by inputting data on the concentration and current density of the unreacted fuel from the fuel concentration sensor and the current gauge sensor, and introducing a complete mixing after reaction (CSTR) hypothesis and a perfect oxidation hypothesis of hydrogen ( Calculates a crossover of fuel by substituting the concentration of the unreacted fuel and the current density into the unreacted ethanol concentration and the current density as a variable, and then corresponds to the fuel consumption and crossover corresponding to the current density. And a microcontroller for controlling the flow rate of the fuel by controlling the flow rate controller so as to correspond to the sum of fuel consumption. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 연료의 크로스오버 Ixover
Figure 112006092209798-pat00042
에 의해 계산되고,
The crossover I xover of the fuel is
Figure 112006092209798-pat00042
Is calculated by
상기
Figure 112006092209798-pat00043
Figure 112006092209798-pat00044
는 연료가 "기체확산층(-)/막-전극 접합체/기체확산층(+)"을 통해 확산하여 크로스오버되고 연료전지 단위 셀에 CSTR 가정을 적용하고 공기극에 완전 산화 가정을 적용하여 유도되는 계수로서 연료가 확산되는 경로상에 배치된 각 물질막의 두께와 각 물질막을 기준으로 산출한 연료의 확산 계수로 표현되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급량 제어 장치.
remind
Figure 112006092209798-pat00043
Wow
Figure 112006092209798-pat00044
Is a coefficient derived from the diffusion of fuel through the "gas diffusion layer (-) / membrane-electrode assembly / gas diffusion layer (+)", crossover and application of the CSTR hypothesis to the fuel cell unit cell and the application of the full oxidation hypothesis to the cathode. A fuel supply amount control apparatus for a fuel cell system, characterized in that it is expressed by the thickness of each material film disposed on the path where the fuel is diffused and the diffusion coefficient of the fuel calculated on the basis of each material film.
제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기
Figure 112006092209798-pat00045
Figure 112006092209798-pat00046
는,
remind
Figure 112006092209798-pat00045
Wow
Figure 112006092209798-pat00046
Quot;
각각
Figure 112006092209798-pat00047
Figure 112006092209798-pat00048
이고,
each
Figure 112006092209798-pat00047
And
Figure 112006092209798-pat00048
ego,
δAD, δAC, δME는 각각 연료가 확산되는 경로 상에 배치된 기체확산층, 촉매층 및 멤브레인층의 두께이고, DAD, DAC, DME는 각각 연료가 확산되는 경로 상에 배치된 기체확산층, 촉매층 및 멤브레인층에서의 연료 확산 계수이고,δ AD , δ AC , δ ME are the thicknesses of the gas diffusion layer, catalyst layer and membrane layer disposed on the path where the fuel is diffused, respectively, and D AD , D AC , D ME are the gases disposed on the path where the fuel is diffused, respectively. Fuel diffusion coefficients in the diffusion layer, catalyst layer and membrane layer,
Figure 112006092209798-pat00049
는 연료의 반응속도와 크로스오버에 의한 연료의 전달 속도 비인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급량 제어 장치.
Figure 112006092209798-pat00049
The fuel supply amount control device of the fuel cell system, characterized in that the ratio of the reaction rate of the fuel and the delivery rate of the fuel by the crossover.
제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기
Figure 112006092209798-pat00050
는 패러데이 상수 F를 포함하여
Figure 112006092209798-pat00051
로 정의되고,
remind
Figure 112006092209798-pat00050
Including the Faraday constant F
Figure 112006092209798-pat00051
Defined as
Ic, Lc, Cc 및 Dc는 각각 크로스오버 모델 방정식을 무차원하기 위한 전류 밀도, 길이, 농도 및 확산계수의 특성값인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급량 제어 장치.I c , L c , C c and D c are fuel supply system control apparatuses for the fuel cell system, characterized in that the characteristic values of current density, length, concentration and diffusion coefficient for dimensionless crossover model equations, respectively.
제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 고농도 연료의 공급 유량 QDS는 하기 수학식에 의해 계산되고,The supply flow rate Q DS of the high concentration fuel is calculated by the following equation,
Figure 112006092209798-pat00052
Figure 112006092209798-pat00052
상기 수학식에서 Das
Figure 112006092209798-pat00053
(여기서, 분자는 연료전지 스택의 총반응면적, 분모의 F는 패러데이 상수)이고, CCT는 고농도 연료의 농도인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템에서 연료공급량 제어 장치.
In the above equation Da s is
Figure 112006092209798-pat00053
Wherein the molecule is the total reaction area of the fuel cell stack and the denominator F is a Faraday constant, and the C CT is the concentration of the high concentration fuel.
희석 연료 저장소로부터 취출되는 희석 연료와 연료 카트리지로부터 취출되는 고농도 연료를 혼합한 후 연료전지 스택에 공급하여 연료 카트리지로부터 취출되는 연료량에 해당하는 만큼 전기 에너지를 생산하고 반응 부산물인 물과 미 반응 연료를 상기 희석 연료 저장소로 회귀시키는 연료전지 시스템에서 고농도 연료의 공급량을 제어하는 방법에 있어서,Diluted fuel taken out of the dilution fuel reservoir and high concentration fuel taken out of the fuel cartridge are mixed and supplied to the fuel cell stack to produce electric energy corresponding to the amount of fuel taken out of the fuel cartridge. In the fuel cell system for returning to the diluted fuel reservoir in a method for controlling the supply amount of high concentration fuel, (a) 상기 연료전지 스택의 연료극 출구에서 미 반응 연료의 농도(CAO)를 센싱하는 단계;(a) sensing a concentration (C AO ) of the unreacted fuel at an anode outlet of the fuel cell stack; (b) 상기 연료전지 스택으로부터 생산되는 전류 밀도(I)를 센싱하는 단계; 및(b) sensing a current density (I) produced from the fuel cell stack; And (c) 연료전지의 단위 셀에 CSTR(Complete Mixing After Reaction) 가정을 도입하고 공기극에 완전 산화 가정을 도입하여 유도된 무차원 크로스오버 모델 방정식(상기 미반응 연료의 농도와 상기 전류 밀도의 함수임)에 상기 센싱된 미 반응 연료의 농도와 상기 전류 밀도를 대입하여 연료의 크로스오버를 계산한 후 전류 밀도에 상응하는 연료 소모량과 크로스오버에 상응하는 연료 소모량의 합에 대응하게 상기 고농도 연료의 연료 공급 유량을 조정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급량 제어 방법.(c) A dimensionless crossover model equation derived from the introduction of the Complete Mixing After Reaction (CSTR) hypothesis into the unit cell of the fuel cell and the introduction of the complete oxidation hypothesis into the cathode (which is a function of the concentration of the unreacted fuel and the current density). Calculate the crossover of the fuel by substituting the sensed concentration of the unreacted fuel and the current density, and correspondingly to the sum of the fuel consumption corresponding to the current density and the fuel consumption corresponding to the crossover. Adjusting the supply flow rate; Fuel supply amount control method of a fuel cell system comprising a. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 (a) 단계 내지 (c) 단계는 주기적으로 반복되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급량 제어 방법.The fuel supply amount control method of the fuel cell system, characterized in that step (a) to (c) is repeated periodically. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 연료의 크로스오버 Ixover
Figure 112006092209798-pat00054
에 의해 계산되고,
The crossover I xover of the fuel is
Figure 112006092209798-pat00054
Is calculated by
상기
Figure 112006092209798-pat00055
Figure 112006092209798-pat00056
는 연료가 "기체확산층(-)/막-전극 접합체/기체확산층(+)"을 통해 확산하여 크로스오버되고 연료전지 단위 셀에 CSTR 가정을 도입하고 공기극에완전 산화 가정을 도입하여 유도되는 계수로서 연료가 확산되는 경로상에 배치된 각 물질막의 두께와 각 물질막을 기준으로 산출한 연료의 확산 계수로 표현되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급량 제어 방법.
remind
Figure 112006092209798-pat00055
Wow
Figure 112006092209798-pat00056
Is a coefficient derived from the fuel spreading through the "gas diffusion layer (-) / membrane-electrode assembly / gas diffusion layer (+)" and crossover, introducing the CSTR hypothesis into the fuel cell unit cell, and introducing the complete oxidation hypothesis into the cathode. A fuel supply amount control method for a fuel cell system, characterized by the thickness of each material film disposed on a path through which fuel is diffused and the diffusion coefficient of the fuel calculated based on each material film.
제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기
Figure 112006092209798-pat00057
Figure 112006092209798-pat00058
는,
remind
Figure 112006092209798-pat00057
Wow
Figure 112006092209798-pat00058
Quot;
각각
Figure 112006092209798-pat00059
Figure 112006092209798-pat00060
이고,
each
Figure 112006092209798-pat00059
And
Figure 112006092209798-pat00060
ego,
δAD, δAC, δME는 각각 연료가 확산되는 경로 상에 배치된 기체확산층, 촉매층 및 멤브레인층의 두께이고, DAD, DAC, DME는 각각 연료가 확산되는 경로 상에 배치된 기체확산층, 촉매층 및 멤브레인층에서의 연료 확산 계수이고,δ AD , δ AC , δ ME are the thicknesses of the gas diffusion layer, catalyst layer and membrane layer disposed on the path where the fuel is diffused, respectively, and D AD , D AC , D ME are the gases disposed on the path where the fuel is diffused, respectively. Fuel diffusion coefficients in the diffusion layer, catalyst layer and membrane layer,
Figure 112006092209798-pat00061
는 연료의 반응속도와 크로스오버에 의한 연료의 전달 속도 비인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급량 제어 방법.
Figure 112006092209798-pat00061
The fuel supply amount control method of the fuel cell system, characterized in that the ratio of the reaction rate of the fuel and the delivery rate of the fuel by the crossover.
제9항에 있어서,10. The method of claim 9, 상기
Figure 112006092209798-pat00062
는 패러데이 상수 F를 포함하여
Figure 112006092209798-pat00063
로 정의되고,
remind
Figure 112006092209798-pat00062
Including the Faraday constant F
Figure 112006092209798-pat00063
Defined as
Ic, Lc, Cc 및 Dc는 각각 크로스오버 모델 방정식을 무차원하기 위한 전류 밀도, 길이, 농도 및 확산계수의 특성값인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급량 제어 방법.I c , L c , C c and D c are fuel supply system control methods, characterized in that the characteristic values of current density, length, concentration and diffusion coefficient for dimensionless crossover model equations, respectively.
제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 고농도 연료의 공급 유량 QDS는 하기 수학식에 의해 계산되고,The supply flow rate Q DS of the high concentration fuel is calculated by the following equation,
Figure 112006092209798-pat00064
Figure 112006092209798-pat00064
상기 수학식에서 Das
Figure 112006092209798-pat00065
(여기서, 분자는 연료전지 스택의 총반응면적, 분모의 F는 패러데이 상수)이고, CCT는 고농도 연료의 농도인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템에서 연료공급량 제어 방법.
In the above equation Da s is
Figure 112006092209798-pat00065
Where the molecule is the total reaction area of the fuel cell stack and the denominator F is the Faraday constant, and the C CT is the concentration of the high concentration fuel.
KR1020060126934A 2006-12-13 2006-12-13 Method and Apparatus for controlling fuel supplying quantity in fuel cell system KR100972938B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020060126934A KR100972938B1 (en) 2006-12-13 2006-12-13 Method and Apparatus for controlling fuel supplying quantity in fuel cell system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020060126934A KR100972938B1 (en) 2006-12-13 2006-12-13 Method and Apparatus for controlling fuel supplying quantity in fuel cell system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20080054554A KR20080054554A (en) 2008-06-18
KR100972938B1 true KR100972938B1 (en) 2010-07-28

Family

ID=39801486

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020060126934A KR100972938B1 (en) 2006-12-13 2006-12-13 Method and Apparatus for controlling fuel supplying quantity in fuel cell system

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100972938B1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180069940A (en) 2016-12-15 2018-06-26 현대자동차주식회사 Method and system for estimating hydrogen concentration for anode of fuelcell
US10985388B2 (en) 2016-12-14 2021-04-20 Hyundai Motor Company Method and apparatus for estimating hydrogen crossover loss of fuel cell system

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL2022883B1 (en) * 2019-04-05 2020-10-12 Delta Laboratories Holding B V Vehicle with fuel densifier

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040021651A (en) * 2001-07-27 2004-03-10 에이비비 리써치 리미티드 Method for controlling the methanol concentration in direct methanol fuel cells
JP2004185974A (en) 2002-12-03 2004-07-02 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell system
JP2004311149A (en) 2003-04-04 2004-11-04 Sony Corp Fuel cell operation method and fuel cell
KR100739303B1 (en) 2006-07-28 2007-07-12 삼성에스디아이 주식회사 Fuel supply system for fuel cell and fuel cell system using the same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040021651A (en) * 2001-07-27 2004-03-10 에이비비 리써치 리미티드 Method for controlling the methanol concentration in direct methanol fuel cells
JP2004185974A (en) 2002-12-03 2004-07-02 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell system
JP2004311149A (en) 2003-04-04 2004-11-04 Sony Corp Fuel cell operation method and fuel cell
KR100739303B1 (en) 2006-07-28 2007-07-12 삼성에스디아이 주식회사 Fuel supply system for fuel cell and fuel cell system using the same

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10985388B2 (en) 2016-12-14 2021-04-20 Hyundai Motor Company Method and apparatus for estimating hydrogen crossover loss of fuel cell system
KR20180069940A (en) 2016-12-15 2018-06-26 현대자동차주식회사 Method and system for estimating hydrogen concentration for anode of fuelcell

Also Published As

Publication number Publication date
KR20080054554A (en) 2008-06-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101154409B1 (en) Fuel cell system for vehicles and method for controlling the same
CN100578846C (en) Control device for fuel cell system and related method
US6698278B2 (en) Indirect measurement of fuel concentration in a liquid feed fuel cell
KR100811982B1 (en) Fuel cell system and control method of it
EP1855343B1 (en) Method and apparatus for controlling operation of direct methanol fuel cell system
US7582371B2 (en) Fuel cell system having fuel and water controlling means
Ye et al. A natural-circulation fuel delivery system for direct methanol fuel cells
JP4680530B2 (en) Fuel cell system
KR100972938B1 (en) Method and Apparatus for controlling fuel supplying quantity in fuel cell system
US8097370B2 (en) Dynamically controllable direct oxidation fuel cell systems and methods therefor
US7757668B2 (en) Method of correcting flow rate in fuel supply unit of fuel cell system
KR100739303B1 (en) Fuel supply system for fuel cell and fuel cell system using the same
WO2013160521A1 (en) Method and arrangement for determining enthalpy balance of a fuel cell system
KR100906204B1 (en) Sensor-less method and apparatus for controlling fuel concentration of liquid fuel cell, liquid fuel cell apparatus using the same
US20120009492A1 (en) Fuel cell system, control method for the fuel cell system, and state detection method for fuel cell
Schultz et al. Impact of electrode kinetics on the dynamic response of a DMFC to change of methanol feed concentration
EP2842191B1 (en) Method and arrangement for determining enthalpy change of a fuel cell system
US7960067B2 (en) Direct oxidation fuel cell systems with regulated fuel concentration and oxidant flow
KR101817392B1 (en) Anode-off gas recirculating solid oxide fuel cell system
US20120272575A1 (en) Fuel reforming system and control method of fuel reforming system
KR101968797B1 (en) Control arrangement and method for adapting a fuel cell system to fuel composition
KR101040838B1 (en) FUEL CELL SYSTEM and FLUID-SENSING DEVICE therefor
JP6387525B2 (en) Hydrogen generator and fuel cell system including the same
Izenson et al. Water Balance in PEM Fuel Cells
JP2006331907A (en) Direct methanol fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130717

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140716

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150716

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160718

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170718

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180619

Year of fee payment: 9

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190625

Year of fee payment: 10