KR101073332B1 - 연료전지의 최적 운전 조건 검출 및 설정 장치, 및 그 제어방법 - Google Patents

연료전지의 최적 운전 조건 검출 및 설정 장치, 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지의 최적 운전 조건 검출 및 설정 장치와 그 제어 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 연료전지의 최적 운전 조건 검출 및 설정 장치는, 주파수가 있는 파형의 전압 또는 전류를 취출하는 부하에 최대의 전압 또는 전류를 제공하기 위한 연료전지의 최적 운전 조건 검출 및 설정 장치에 있어서, 상기 연료전지와 부하를 연결하는 양 선로 사이에 인가되는 전압 파형을 센싱하는 전압 센싱기; 상기 연료전지로부터 출력되는 전류 파형을 센싱하는 전류 센싱기; 상기 부하가 취출하는 전압 또는 전류의 취출 주파수 조건을 가변시키는 주파수 가변기; 및 상기주파수 가변기를 제어하여 상기 부하의 주파수 조건을 변경시키면서 상기 전압 센싱기 또는 전류 센싱기를 통해 센싱된 전압 파형 또는 전류 파형을 입력 받아 전압 또는 전류의 평균치가 최대가 되는 최적 주파수 조건을 검출한 후 상기 주파수 가변기를 제어하여 상기 최적 주파수 조건으로 상기 로더의 전압 또는 전류의 취출 주파수를 변경시키는 제어기;를 포함한다.
연료전지, 최적 운전 조건, 최적 주파수, 주파수 가변 로더, 성능 향상

Description

연료전지의 최적 운전 조건 검출 및 설정 장치, 및 그 제어 방법{Apparatus for detecting and setting optimal driving condition of fuel cell and Method of controlling the same}
본 발명은 연료전지 시스템에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지의 운전 조건을 최적화시킬 수 있는 연료전지의 최적 운전 조건 검출 및 설정 장치와 그 제어방법에 대한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 대체에너지의 하나로서 연료전지가 주목을 받고 있다. 연료전지는 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점이 있다.
연료전지는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 연료로는 수소와 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다.
연료전지에 있어서, 전기를 발생시키는 가장 기본적인 단위는 막-전극 접합 체(Membrane Electrode Assembly: 이하, MEA라 함)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(수소를연료로 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.
[반응식 1]
연료극: H2 → 2H++2e-
공기극: 1/2O2+2H++2e- → H2O
전체 반응: H2+1/2O2 → H2O
현재까지 개발된 연료전지에는 고분자전해질형 연료전지(PEMFC), 직접 메탄올형 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 용융탄산염형 연료전지(MCFC), 고체산화물형 연료전지(SOFC) 등이 있다.
상기한 다양한 연료전지 중에서 고분자전해질형 연료전지는 에너지 밀도가 크고 출력이 높은 장점이 있으나, 메탄이나 메탄올 같은 연료를 개질하기 위한 개 질 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.
직접 메탄올형 연료전지는 다음 반응식2에서와 같이 연료극에서 메탄올과 물이 반응하여 이산화탄소를 생성하고 공기극에서 수소와 산소가 반응하여 물을 생성하면서 전체적으로 전기를 생산하게 된다.
[반응식 2]
연료극: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-
공기극: 3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O
전체 반응: CH3OH + 3/2O2 → CO2 + 2H2O
그런데 직접 매탄올형 연료전지의 경우, 전기 화학 반응의 부산물로 파생되는 CO가 MEA의 촉매층 표면에 부착되어 전기 화학 반응 속도를 저하시킴으로써 연료전지에서생산되는 전류의 크기를 감소시키는 작용을 한다. 하지만 MEA의 촉매층에는 CO가 흡착됨과 동시에 또 다른 반응 부산물인 OH-도 함께 흡착되므로, 촉매층 에 흡착된 CO와 OH-가 서로 반응하여 CO2를 형성함으로써 촉매층에 흡착된 CO가 제거됨에 따라 전기 화학 반응 속도가 다시 증가하게 된다. 이러한 전기 화학 반응을 방해하는 물질의 흡착과 제거는 일정한 주기를 가지고 반복적으로 이루어지므로, 연료전지에 부하를 연결하여 전기를 생산하면 연료전지에서 생산되는 전류가 일정한 파형으로 진동(Oscillation)하는 현상이 발생한다.
위와 같은 전류의 진동 현상이 발생함에 따라, 연료전지에 부하를 연결하여 전류를 취출할 때에는 반응 부산물에 의한 전기 화학 반응의 속도 변화 패턴을 감안하여 전류의 취출량을 변화시키는 것이 바람직하다. 즉, MEA의 촉매층에 반응 방해 물질의 흡착이 우세할 때에는 취출하는 전류의 량을 줄이고, MEA의 촉매층으로부터 반응 방해 물질의 제거가 우세할 때에는 취출하는 전류의 량을 증가시키는 것이 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 하나의 방법이 된다.
그런데, 종래에는 연료전지의 성능을 향상시키기 위해 연료전지로 공급되는 연료량을 변화시켜주거나, 연료전지의 운전 중에 MEA의 표면에 불활성 가스를 퍼지하여 MEA의 촉매층 상태를 리프레쉬(reflesh) 시키는 방법 등을 주로 사용하였고, MEA의 촉매층 표면에서 일어나는 전기 화학 반응의 속도 변화를 고려한 연료전지의 성능 향상 방안에 대해서는 특별한 기술이 제안된 바 없다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 연료전지 내에서 발생되는 전기 화학 반응 속도의 주기적인 변화를 감안하여 연료전지의 최적 운전 조건을 검출하고 연료전지의 운전 조건을 최적화시킬 수 있는장치 및 그 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 최적 운전 조건 검출 및설정 장치는, 주파수가 있는 파형의 전압 또는 전류를 취출하는 부하에 최대의 전압 또는 전류를 제공하기 위한 연료전지의 최적 운전 조건 검출 및 설정 장치로서, 상기 연료전지와 부하를 연결하는 양 선로 사이에 인가되는 전압 파형을 센싱하는 전압 센싱기; 상기 연료전지로부터 출력되는 전류 파형을 센싱하는 전류 센싱기; 상기 부하가 취출하는 전압 또는 전류의 취출 주파수 조건을 가변시키는 주파수 가변기; 및 상기주파수 가변기를 제어하여 상기 부하의 주파수 조건을 변경시키면서 상기 전압 센싱기 또는 전류 센싱기를 통해 센싱된 전압 파형 또는 전류 파형을 입력 받아 전압 또는 전류의 평균치가 최대가 되는 최적 주파수 조건을 검출한 후 상기 주파수 가변기를 제어하여 상기 최적 주파수 조건으로 상기 로더의 전압 또는 전류의 취출 주파수를 변경시키는 제어기;를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어기는, 연료전지의 운전이 개시된 직후 또는 연료전지의 운전이 개시된 후 운전 안정화 시간이 경과된 이후에 상기 최적 주파수 검출 및 설정 동작을 수행할 수 있다. 상기 최적 주파수 조건은 상기 연료전지의 사용시간에 따라 가변 된다. 이러한 점을 감안하여, 상기 제어기는, 연료전지의 운전 시간을 누적적으로 계수하여 미리 설정된 시간 주기로 최적 주파수 검출 및 설정 동작을 수행할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 최적 운전 조건 검출 및설정 방법은, 연료전지에 주파수가 있는 파형의 전압 또는 전류를 취출하는 로더를 연결하는 단계; 상기 로더의 전압 또는 전류의 취출 주파수 조건을 가변시키면서 상기 연료전지와 로더를 연결하는 양 선로 사이에 인가되는 전압 파형과 상기 연료전지로부터 출력되는 전류 파형을 수집하는 단계; 및 상기 취출 주파수 조건에 따른 전압 파형 및 전류 파형을 분석하여 전압평균치 또는 전류 평균치가 최대가 되는 최적 주파수 조건을 검출한 후 상기 로더의 주파수 조건을 상기 최적 주파수 조건으로 설정하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 연료전지의 MEA에 구비된 촉매층의 표면에 전기 화학 반응을 방해하는 물질이 흡착되고 제거되는 과정에서 유발되는 전기 화학 반응의 속도 변화에 정합되는 주파수로 전기 에너지를 취출함으로써 주어진 조건 하에서 연료전지의 성능을 극대화시킬 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사 전적인 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 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는 백금 촉매 전극과 메탄올을 이용하여 연료전지에서 일어나는 산화 반응을 모사한 반쪽 전지를 구성한 후 반쪽 전지에 인가되는 전압의 주파수 조건에 따라 백금 촉매 전극에서 메탄올이 산화되면서 발생하는 전류의 파형을 측정하여 나타낸 그래프이고, 도 3은 반쪽 전지에 인가되는 전압의 주파수 변화에 따른 전류의 평균치, 전류의 진폭 및 인가 전압과의 위상 차를 나타낸 그래프들이다. 도 3에서, '전류/초기전류'는 인가 전압의 주파수가 0일 때를 기준으로 한 측정 전류의 비율이고, '진폭/초기진폭'은 인가 전압의 주파수가 0일 때를 기준으로 한 측정 진폭의 비율이다.
도 2의 ①번 그래프를 참조하면, 반쪽 전지에 인가되는 전압이 일정한 상태에서도 메탄올의 산화 반응으로 발생되는 전류는 일정한 주파수를 가지고 변하는 것을 확인할 수 있다. 이는 종래기술에서 언급한 바와 같이, 메탄올의 산화 반응이 일어나는 백금 촉매 전극의 표면에서 전기 화학 반응을 방해하는 물질의 흡착과 제거가 주기적으로 일어나기 때문이다.
또한, 도 2의 ②~⑥번 그래프를 참조하면, 정 전압이 아닌 일정한 주파수와 진폭을 갖는 전압을 반쪽 전지에 인가하였을 경우 메탄올의 산화 반응으로 생성되는 전류의 주파수와 진폭도 변화하는 양상을 보이는데, 특히 도 3의 ①번그래프를 참조하면 특별한 인가 전압의 주파수(0.75Hz)에서 초기 전류의 평균치보다 휠씬 큰 전류의 평균치를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해 메탄올의 산화 반응으로 생성되는 전류의 평균치가 최대가 되는 주파수를 최적 주파수라 칭한다. 상술한 반쪽 전지 실험에서 메탄올의 산화 반응으로 생성된 전류의 진폭은 상기 최적 주파수 조건에서 초기 진폭과의 비율이 가장 작았으며(도 3의 ②번 그래프 참조), 위상차도갑자기 변화한다는 것을 알 수 있다(도 3의 ③ 그래프 참조).
따라서 메탄올을 연료로 사용하는 직접 메탄올형 연료전지에서 전압 또는 전류 부하를 연결하여 전기 에너지를 취출할 때 전압 또는 전류의 취출 주파수를 최적화시키면 보다 높은 성능을 갖는 연료전지 시스템을 구현할 수 있음을 도 2 및 도 3에 도시된 반쪽 전지 실험 결과로부터 분명하게 확인할 수 있다.
그러면, 이하에서는 상술한 반쪽 실험 결과에서 확인된 사실, 즉 주파수 특성을 갖는 전류를 생성하는 연료전지의 경우 연료전지의 성능이 최대가 되는 주파수 조건이 존재한다는 점에 근거하여 창안된 본 발명에 따른 연료전지의 최적 운전 조건 검출 및 설정장치와 그 제어 방법에 대한 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지의 최적 운전 조건 검출 및 설정 장치의 개략적인 구성을 나타낸 블록도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지의 최적 운전 조건 검출 및 설정 장치는, 연료전지(100)와 부하(110)가 연결된 연료전지 시스템에 장착되는 장치로서, 전압 센싱기(120), 전류 센싱기(130), 주파수 가변기(140), 제어기(150) 및 메모리(160)를 포함한다.
상기 부하(110)는 연료전지(100)의 양극과 음극에 전기적으로 접속되어 연료전지(100)로부터 주파수 특성이 있는 전압 또는 전류를 취출한다. 취출되는 전압 또는 전류의 주파수 조건은 후술하는 바와 같이 최적 주파수 조건으로 변경이 가능하다. 연료전지(100)로부터 일정한 주파수를 갖는 전압 또는 전류를 취출하는 부하는 가변 주파수 펄스 생성기(Pulse generator)를 포함하는 통상적인 전압 또는 전류 부하로서, 본 발명의 기술적 사상은 부하의 구체적인 구성에 있지 않으므로 부하에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
상기 전압 센싱기(120)는 연료전지(100)의 양극 및 음극과 부하(110)의 양 단자를 잇는 선로 사이에 인가되는 전압 파형을 센싱하여 제어기(150)로 출력한다.
상기 전류 센싱기(130)는 연료전지(100)와 부하(110)를 전기적으로 접속하는 선로 상에 설치되어 연료전지(100)로부터 취출되는 전류 파형을 센싱하여 제어기(150)로 출력한다.
상기 주파수 가변기(140)는 제어기(150)의 명령에 따라 부하(110)의 전압 또는 전류의 취출 주파수 조건을 변경한다.
상기 제어기(150)는 주파수 가변기(140)를 제어하여 부하(110)의 전압 또는 전류의 취출 주파수를 일정한 범위 내에서 소정 간격으로 증가시킨다. 이러한 동작 은 연료전지(100)의 최적 운전 조건 검출이 개시된 경우에 진행된다. 예를 들어, 상기 제어기(150)는 연료전지(100)의 운전이 개시된 직후, 연료전지(100)의 운전이 개시된 이후에 미리 정해진 운전 안정화 시간이 경과된 이후, 또는 연료전지(100)의 운전 시간을 누적적으로 계수하여 일정 사용 시간이 경과된 이후에, 0 ~ 20Hz의 범위 내에서 0.5Hz 간격으로 부하의 전압 또는 전류에 대한 취출 주파수를 변경시킨다. 대안적으로, 상기 제어기(150)는 주파수 가변기(140)를 제어하여 부하(110)의 전압 또는 전류의 취출 주파수를 일정한 범위 내에서 소정 간격으로 감소시킨다. 물론 취출 주파수의 변경 범위와 변경 간격은 여러 가지 변형이 가능하다.
한편, 부하(110)의 전압 또는 전류의 취출 주파수가 변경되면, 연료전지(100)와 부하(110)를 연결하는 양 선로 사이에 인가되는 전압 파형과 연료전지(110)로부터 출력되는 전류 파형도 변한다. 따라서, 제어기(150)는 전압 센싱기(120)와 전류 센싱기(130)로부터 연료전지(100)와 부하(110)를 연결하는 양 선로 사이의 전압 파형과 연료전지(100)로부터 출력되는 전류 파형을 각각 전압 센싱기(120)와 전류 센싱기(130)로부터 입력 받는다. 여기서, 센싱된 전압 파형과 전류 파형은 일정한 주파수를 갖는다. 이러한 부하(110)의 전압또는 전류에 대한 취출 주파수 변경에 따라 센싱된 전압 파형과 전류 파형을 입력받는 과정은 부하의 취출 주파수 조건이 변경될 때마다 반복적으로 이루어진다.
상기 제어기(150)는 부하(110)의 전압 또는 전류의 취출 주파수 변경에 따른 센싱 전압 파형과 센싱 전류 파형을 입력 받은 후 전압의 평균치 또는 전류의 평균치가 최대가 되는 부하(110)의 최적 주파수 조건을 결정한다. 여기서, 부하(110)가 전압을 취출하는 경우 센싱된 전압 파형의 평균치가 최대가 되는 부하(110)의 주파수 조건을, 부하(110)가 전류를 취출하는 경우 센싱된 전류 파형의 평균치가 최대가 되는 부하(110)의 주파수 조건을 부하(110)의 최적 주파수 조건으로 결정한다.
상기 제어기(150)는 부하(110)의 최적 주파수 조건을 결정한 다음, 주파수 가변기(140)를 제어하여 부하(110)의 전압 또는 전류의 취출 주파수 조건을 결정된 최적 주파수 조건으로 설정한다. 즉, 부하(110)가 연료전지(100)로부터 전압 파형에 의해 전기 에너지를 취출하는 경우 부하(110)의 전압 주파수 조건을 최적 주파수 조건으로 설정한다. 그리고, 부하(110)가 연료전지(100)로부터 전류 파형에 의해 전기 에너지를 취출하는 경우 부하(110)의 전류 주파수 조건을 최적 주파수 조건으로 설정한다.
상기 메모리(160)는 본 발명의 구현을 위해 필요한 제어기(150)의 구동알고리즘과 각종 데이터를 기록하고 리드하기 위한 저장매체이다. 상기 제어기(150)는 전원이 인가되면 상기 메모리(160)에 기록된 알고리즘을 로드하여 상술한 연료전지의 최적 운전 조건 검출 및 설정 프로세스를 알고리즘이 정한 순서에 따라 실행한다.
상술한 과정을 통해 부하(110)의 전압 또는 전류의 취출 주파수 조건이 최적 주파수 조건으로 설정되면, 주어진 조건 하에서 연료전지의 성능을 극대화시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지의 최적 운전 조건 검출 및 설정 방법의 흐름을 도시한 절차 흐름도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 단계 S101에서, 먼저 연료전지(100)와 주파수가 있는 파형의 전압 또는 전류를 취출하는 로더(110)를 전기적으로 연결한다.
그런 다음, 단계 S102에서, 본 발명에 따른 연료전지(100)의 최적 운전 조건 검출 및 설정 장치의 전원을 구동시키고, 연료전지(100)의 운전을 개시한다.
이어서, 단계 S103에서, 제어기(150)는 연료전지(100)의 최적 운전 조건 검출 및 설정 주기가 도래되었는지 판단한다. 상기 최적 운전 조건 검출 및 설정 주기는 임의로 설정될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 주기가0으로 설정되고 연료전지(100)의 운전이 개시된 직후에 최적 운전 조건 검출 및 설정을 위한 후술하는 단계들이 진행된다. 다른 실시예에 따르면, 주기가 T로 설정되고 연료전지의 운전이 개시된 후 시간 T가 경과된 이후에 최적 운전 조건 검출 및 설정을 위한 후술하는 단계들이 진행된다. 또 다른 실시예에 따르면, 주기가 △T로 설정되고 연료전지의 운전이 개시된 후 누적된 운전 시간이 △T가 될 때마다 최적 운전 조건 검출 및 설정을 위한 후술하는 단계들이 진행된다.
이어서, 단계 S104는 S103 단계에서 최적 운전 조건 검출 및 설정 주기가 도래된 것으로 판정된 경우에 진행되는 단계로서, 제어기(150)는 주파수 가변기(140)를 제어하여 로더(110)의 주파수 조건을 가변시키면서 복수의 주파수 조건에서 연료전지(100)와 로더(110)를 연결하는 양 선로 사이의 전압 파형과 연료전지(100)로부터 출력되는 전류 파형을 수집한다. 여기서, 주파수 조건의 가변 방식에 대해서는 이미 설명한 바 있다.
그러고 나서, 단계 S105에서, 제어기(150)는 수집된 각 취출주파수 조건에 따른 전압 파형과 전류 파형을 분석하여 전압 평균치 또는 전류 평균치가 최대가 되는 최적 주파수 조건을 검출한다.
그런 다음, 단계 S106에서, 제어기(150)는 주파수 가변기(140)를 제어하여 부하(110)의 전압 또는 전류 취출 주파수를 검출된 최적 주파수로 설정함으로써, 연료전지(100)의 최적 운전 조건 검출 및 설정 프로세스를 완료한다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되지 않아야 한다.
도 1은 연료전지의 동작 메커니즘을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 직접 메탄올형 연료전지의 산화 반응을 모사하여 백금 촉매 전극과 메탄올을 이용하여 제작한 반쪽 전지에 일정한 주파수를 갖는 전압을 인가하였을 때 상기 인가 전압의 주파수 변화에 따라 반쪽 전지에서 생성되는 전류의 파형 변화를 나타낸 그래프들이다.
도 3은 직접 메탄올형 연료전지의 산화 반응을 모사하여 백금 촉매 전극과 메탄올을 이용하여 제작한 반쪽 전지에 일정한 주파수를 갖는 전압을 인가하였을 때 상기 인가 전압의 주파수 변화에 따라 반쪽 전지에서 생성되는 전류의 평균치 및 진폭과 상기 인가 전압과의 위상 차 변화를 각각 나타낸 그래프들이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지의 최적 운전 조건 검출 및 설정 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지의 최적 운전 조건 검출 및 설정 방법의 흐름을 순차적으로 나타낸 절차 흐름도이다.

Claims (6)

  1. 주파수가 있는 파형의 전압 또는 전류를 취출하는 부하에 최대의 전압 또는 전류를 제공하기 위한 연료전지의 최적 운전 조건 검출 및 설정 장치에 있어서,
    상기 연료전지와 부하를 연결하는 양 선로 사이에 인가되는 전압 파형을 센싱하는 전압 센싱기;
    상기 연료전지로부터 출력되는 전류 파형을 센싱하는 전류 센싱기;
    상기 부하가 취출하는 전압 또는 전류의 취출 주파수 조건을 가변시키는 주파수 가변기; 및
    상기 주파수 가변기를 제어하여 상기 부하의 주파수 조건을 변경시키면서 상기 전압 센싱기 또는 전류 센싱기를 통해 센싱된 전압 파형 또는 전류 파형을 입력 받아 전압 또는 전류의 평균치가 최대가 되는 최적 주파수 조건을 검출한 후 상기 주파수 가변기를 제어하여 상기 최적 주파수 조건으로 상기 로더의 전압 또는 전류의 취출 주파수를 변경시키는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 최적 운전 조건 검출 및 설정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는, 연료전지의 운전이 개시된 직후 또는 연료전지의 운전이 개시된 후 운전 안정화 시간이 경과된 이후에 상기 최적 주파수 검출 및 설정 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 최적 운전 조건 검출 및 설정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는, 연료전지의 운전 시간을 누적적으로 계수하여 미리 설정된 시간 주기로 최적 주파수 조건의 검출 및 설정 동작을 진행하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 최적 운전 조건 검출 및설정 장치.
  4. (a) 연료전지에 주파수가 있는 파형의 전압 또는 전류를 취출하는 로더를 연결하는 단계;
    (b) 상기 로더의 전압 또는 전류의 취출 주파수 조건을 가변시키면서 상기 연료전지와 로더를 연결하는 양 선로 사이에 인가되는 전압 파형과 상기 연료전지로부터 출력되는 전류 파형을 수집하는 단계; 및
    (c) 상기 취출 주파수 조건에 따른 전압 파형 및 전류 파형을 분석하여 전압평균치 또는 전류 평균치가 최대가 되는 최적 주파수 조건을 검출한 후 상기 로더의 주파수 조건을 상기 최적 주파수 조건으로 설정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 최적 운전 조건 검출 및 설정 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 (b) 단계 및 (c) 단계는, 연료전지의 운전이 개시된 직후 또는 연료전지의 운전이 개시된 후 운전 안정화 시간이 경과된 이후에 진행하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 최적 주파수 운전 조건 검출 및 설정 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 연료전지의 운전 시간을 누적적으로 계수하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 (b) 단계 및 (c) 단계는, 누적적으로 계수된 연료전지의 운전 시간을 참조하여 미리 설정된 시간 주기로 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 최적 운전 조건 검출 및 설정 방법.
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