KR101334185B1 - 증기 연료 공급형 연료전지 및 그것의 온도 제어 방법 - Google Patents

Abstract

증기 연료 공급형 연료전지의 온도 제어 방법이 개시된다. 개시된 증기 연료 공급형 연료전지의 온도 제어 방법은, 연료증발부에서 증발된 연료를 공급받는 막전극조립체의 온도를 측정하는 단계; 설정 온도 범위 보다 상기 측정된 온도가 높은 경우, 연료증발부로의 연료 공급 라인에 설치된 액츄에이터를 가동하여 연료 공급을 차단하는 단계; 설정 온도 범위 보다 측정된 온도가 낮은 경우, 연료증발부로의 연료 공급 라인에 설치된 액츄에이터를 가동하여 연료 공급을 진행하는 단계; 및, 측정된 온도가 설정 온도 범위 내인 경우, 온도가 시간에 따라 점차 올라가는 중이면 연료 공급을 차단하고, 온도가 시간에 따라 점차 내려가는 중이면 연료 공급을 진행하는 단계;를 포함한다.

Description

증기 연료 공급형 연료전지 및 그것의 온도 제어 방법{Vapor fuel feeding type fuel cell and temperature control method thereof}

본 발명은 연료를 증기상으로 애노드에 공급하는 연료전지와 그 연료전지의 내부 온도를 제어하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 연료가 가진 화학에너지를 화학반응에 의해 직접 전기에너지로 바꾸는 장치로서, 연료가 공급되는 한 계속해서 전기를 만들어낼 수 있는 일종의 발전장치이다. 이러한 연료전지 중 증기 연료 공급형(vapor fuel feeding type) 연료전지는 메탄올이나 에탄올과 같은 액상의 탄소수소계 연료를 자연 증발시켜서 애노드에 공급함으로써, 전해질막을 사이에 두고 반대편에 있는 캐소드로 공급된 산소와의 반응으로 전기를 생성시키는 장치를 말한다. 연료가 메탄올인 경우를 가정하면, 애노드에서는 하기의 화학식 1과 같은 반응이 일어나면서 전자가 생성되며, 그 전자는 전선과 같은 이동 경로를 따라 캐소드로 이동하여 화학식 2의 반응을 일으키게 된다. 그리고, 바로 그 전자의 이동 경로에 부하를 걸면 생성된 전기를 이용한 일을 할 수 있게 되는 것이다.

CH₃OH + H₂O ↔ CO₂ + 6H⁺ + 6e^-

O₂ + 6H⁺ + 6e^- ↔ 3H₂O

그런데, 이러한 전기생성반응은 발열반응이기 때문에, 연료가 공급되면서 반응이 시작되면 연료전지의 내부 온도가 상승하게 된다. 또, 연료전지의 내부 온도를 상승시키는 요인으로서 크로스오버(cross-over)라는 현상이 있는데, 이것은 애노드로 공급된 연료 일부가 전해질막을 투과하여 캐소드로 넘어가서 산소와 반응하는 연소반응을 말한다. 따라서, 애노드에 연료가 공급되기 시작하면 상기 전기생성반응과 크로스오버 반응에 의해 연료전지의 내부 온도는 상승하게 된다.

그런데, 대개 연료전지의 성능은 내부 온도의 변화에 영향을 많이 받는다. 즉, 온도가 적정 범위를 유지하면 최적의 성능을 유지하지만, 너무 높거나 낮으면 전기 생성 효율이 나빠지게 된다. 따라서, 연료전지의 효율적인 성능을 유지하려면 내부 온도를 적정 범위로 제어할 필요가 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 증기 연료 공급형 연료전지는, 애노드와 전해질막 및 캐소드가 적층된 막전극조립체; 상기 애노드에 공급될 연료를 저장하는 연료저장부; 상기 연료저장부에서 연료를 공급받아서 상기 애노드를 향해 증발시키는 연료증발부; 상기 연료저장부와 상기 연료증발부 사이의 연료 흐름을 선택적으로 개폐하는 액츄에이터; 상기 막전극조립체의 온도를 측정하는 온도센서; 및, 상기 온도센서의 신호에 따라 상기 액츄에이터의 개폐동작을 제어하는 컨트롤러;를 구비한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 증기 연료 공급형 연료전지의 온도 제어 방법은, 연료증발부에서 증발된 연료를 공급받는 막전극조립체의 온도를 측정하는 단계; 설정 온도 보다 상기 측정된 온도가 높은 경우, 상기 연료증발부로의 연료 공급 라인에 설치된 액츄에이터를 가동하여 연료 공급을 차단하는 단계; 및, 상기 설정 온도 보다 상기 측정된 온도가 낮은 경우, 상기 연료증발부로의 연료 공급 라인에 설치된 액츄에이터를 가동하여 연료 공급을 진행하는 단계;를 포함한다.

그리고, 본 발명의 다른 실시예에 따른 증기 연료 공급형 연료전지의 온도 제어 방법은, 연료증발부에서 증발된 연료를 공급받는 막전극조립체의 온도를 측정하는 단계; 설정 온도 범위 보다 상기 측정된 온도가 높은 경우, 상기 연료증발부로의 연료 공급 라인에 설치된 액츄에이터를 가동하여 연료 공급을 차단하는 단계; 상기 설정 온도 범위 보다 상기 측정된 온도가 낮은 경우, 상기 연료증발부로의 연료 공급 라인에 설치된 액츄에이터를 가동하여 연료 공급을 진행하는 단계; 및, 상기 측정된 온도가 상기 설정 온도 범위 내인 경우, 온도가 시간에 따라 점차 올라가는 중이면 연료 공급을 차단하고, 온도가 시간에 따라 점차 내려가는 중이면 연료 공급을 진행하는 단계;를 포함한다.

여기서, 연료 공급 진행을 위한 상기 액츄에이터의 가동은, 주기적으로 온(on) 신호를 반복해서 인가하는 펄스신호 인가 방식에 의해 진행될 수 있다.

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 아니 되며, 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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 증기 연료 공급형 연료전지의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.

도시된 바와 같이 본 실시예의 연료전지는, 전술한 화학식 1,2의 전기생성반응이 일어나는 막전극조립체(10)와, 그 막전극조립체(10) 중 애노드(11)에 증기상의 연료를 공급하기 위한 연료증발부(20), 막전극조립체(10)의 온도를 측정하기 위해 캐소드(12) 측에 설치된 온도센서(60), 연료증발부(20)에 보내줄 연료를 저장하고 있는 연료저장부(30), 연료공급라인(70)을 선택적으로 개폐하며 연료의 공급을 차단하거나 진행시키는 액츄에이터(40), 그리고 이 액츄에이터(40)를 가동시키기 위한 컨트롤러(50) 등을 구비하고 있다. 여기서, 상기 액츄에이터(40)로는 온/오프 밸브와 펌프 등이 채용될 수 있다. 따라서, 컨트롤러(50)가 액츄에이터(40)를 가동하여 연료공급라인(70)을 개방하면 연료저장부(30)의 연료가 연료증발부(20)로 들어가게 되고, 거기서 증발된 증기상의 연료는 막전극조립체(10)의 애노드(11)로 공급되어, 캐소드(12)로 공급된 공기 중의 산소와 함께 전기생성 반응을 일으키게 된다. 이때 전기생성반응과 전해질막(13)을 투과한 연료의 연소(크로스오버)에 의해 연료전지의 온도가 상승하게 되고, 그 온도는 온도센서(60)가 감지하여 컨트롤러(50)에 알리게 된다.

이와 같은 구성의 연료전지를 이용한 온도 제어 방법의 일 실시예는 도 2a의 플로우 챠트와 같이 진행될 수 있다.

우선, 연료공급라인(70)을 개방하여 연료저장부(30)로부터 연료증발부(20)로의 연료공급을 시작한다(S1). 그러면, 연료증발부(20)로 들어온 연료가 증발하여 막전극조립체(10)의 애노드(11)로 공급되며, 동시에 캐소드(12)로 공급되는 산소와 반응을 일으켜서 전기를 생성하게 된다. 이때 공급되는 연료는 메탄올, 에탄올, 개미산과 같은 탄화수소계 연료나, NaBH₄ 희석액과 같은 수산화용액 등이 사용될 수 있다.

그리고, 전기생성반응이 진행되는 동안 상기 온도센서(60)로 막전극조립체(10)의 온도를 계속 측정해서, 컨트롤러(50)에 미리 설정해 놓은 기준 온도값과 비교한다(S2).

그래서, 만일 기준 온도값보다 측정 온도가 높으면 컨트롤러(50)가 액츄에이터(40)를 가동해서 연료공급라인(70)을 차단한다(S3). 그러면 연료증발부(20)로의 연료 공급이 끊어지기 때문에 전기생성과 크로스오버의 발생량이 점차 줄어들게 되고, 따라서 발열량이 줄어들면서 온도도 떨어지게 된다. 물론, 차단 전에 연료증발부(20)로 들어와 있는 연료가 소진될 때까지는 전기생성 및 크로스오버 반응이 계속되지만, 연료의 추가 공급이 없기 때문에 그 양이 시간 경과에 따라 점차 줄어들면서 온도가 내려가게 되는 것이다.

이후, 온도센서(60)에서 측정되는 온도가 컨트롤러(50)에 설정해 놓은 기준 온도값 아래로 내려가면(S4), 액츄에이터(40)를 가동해서 연료공급라인(70)을 다시 개방한다(S5). 그러면, 연료증발부(20)로의 연료 공급이 재개되면서 다시 활발한 전기생성 및 크로스오버 반응이 진행되고, 온도는 다시 올라가게 된다.

따라서, 이와 같은 방식으로 기준 온도를 설정해놓고 실제 측정되는 온도가 그보다 높으면 과열을 막기 위해 연료 공급을 차단하고, 그보다 낮아지면 과냉을 막기 위해 연료 공급을 재개하는 식으로 온도를 제어하는 것이다.

도 2b는 이와 같은 본 실시예의 온도 제어 방법을 시간에 대한 온도 변화의 그래프로 알기 쉽게 예시한 것이다. 도면과 같이 실측 온도가 기준 온도(T_ref)보다 낮으면 연료공급라인(70)을 개방하여 연료증발부(20)로 연료를 공급하고, 실측 온도가 기준 온도(T_ref) 보다 높아지면 연료공급라인(70)을 차단하여 연료증발부(20)로의 연료 공급을 중단한다. 이와 같은 방식으로 연료전지의 온도를 적정한 수준 으로 유지해 줄 수 있다.

다음으로, 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 증기 연료 공급형 연료전지의 온도 제어 방법을 보인 것이다.

본 실시예도 기본적으로는 전술한 실시예와 같이 연료전지의 온도가 너무 높아지면 연료 공급을 차단하고, 너무 낮아지면 연료 공급을 재개하며 온도를 제어하는 방식으로 진행된다. 단, 여기서는 온도제어의 응답속도가 향상될 수 있도록, 제어의 기준이 되는 온도를 여러 개로 세분화된 범위로 설정하여 다음과 같이 운영한다.

도 3b를 먼저 보면, 제어의 기준이 되는 설정 온도가 전술한 실시예처럼 하나의 기준 온도값으로 되어 있는 것이 아니라, 세분화된 구간으로 설정되어 있다.

우선, 상한온도(THL)는 연료전지의 과열의 판단 기준이 되는 온도로서, 이보다 온도가 높아지면 연료공급라인(70)을 차단하여 연료증발부(20)로의 연료공급을 중단한다.

그리고, 하한온도(TLL)는 과냉의 판단 기준이 되는 온도로, 이보다 온도가 낮아지면 연료공급라인(70)을 개방하여 연료증발부(20)로의 연료공급을 재개한다.

그리고, 상한온도(THL)와 하한온도(TLL) 사이의 온도가 측정될 경우에는, 두 가지 경우로 나눠서 제어를 수행한다. 첫 번째는 온도가 내려가는 중인 경우 즉, 온도변화 그래프에서 접선의 기울기가 마이너스인 경우에는 연료를 공급해서 온도를 높이는 쪽으로 제어를 수행한다. 두 번째는 온도가 올라가는 중인 경우 즉, 온 도변화 그래프에서 접선의 기울기가 플러스인 경우가 되는데, 이때에는 연료 공급을 중단하여 온도를 낮추는 쪽으로 제어를 수행한다. 이렇게 되면 온도센서(60)에서 감지되는 실측 온도가 상한온도(THL)나 하한온도(TLL)를 넘기 전에 미리 제어를 수행하는 것이기 때문에, 제어의 응답속도를 전술한 실시예에 비해 더 향상시킬 수 있다.

도 3a의 플로우 챠트를 참조하여 본 실시예의 제어과정을 정리해보면 다음과 같다.

우선, 연료공급라인(70)을 개방하여 연료저장부(30)로부터 연료증발부(20)로의 연료공급을 시작한다(P1). 그러면, 연료증발부(20)로 들어온 연료가 증발하여 막전극조립체(10)의 애노드(11)로 공급되며, 동시에 캐소드(12)로 공급되는 산소와 반응을 일으켜서 전기를 생성하게 된다. 이때 공급되는 연료는 메탄올, 에탄올, 개미산과 같은 탄화수소계 연료나, NaBH₄ 희석액과 같은 수산화용액 등이 사용될 수 있다.

그리고, 전기생성반응이 진행되는 동안 상기 온도센서(60)로 막전극조립체(10)의 온도를 계속 측정해서, 컨트롤러(50)에 미리 설정해 놓은 기준 온도 범위 즉, 상한온도(THL)와 하한온도(TLL) 사이의 구간과 비교한다(P2~P5).

그래서, 만일 상한온도(THL)보다 측정 온도가 높거나(P2), 상한온도(THL)와 하한온도(TLL) 사이 구간이지만 온도가 상승되는 중인 경우(P4)에는 컨트롤러(50)가 액츄에이터(40)를 가동해서 연료공급라인(70)을 차단한다(P7). 그러면 연료증 발부(20)로의 연료 공급이 끊어지기 때문에 전기생성과 크로스오버의 발생량이 점차 줄어들게 되고, 따라서 발열량이 줄어들면서 온도도 떨어지게 된다.

그리고, 온도센서(60)에서 측정되는 온도가 컨트롤러(50)에 설정해 놓은 하한온도(TLL) 아래로 내려가거나(P3), 상한온도(THL)와 하한온도(TLL) 사이 구간이지만 온도가 내려가는 중인 경우(P5)에는, 액츄에이터(40)를 가동해서 연료공급라인(70)을 재개한다(P6). 그러면, 연료증발부(20)로의 연료 공급이 재개되면서 다시 활발한 전기생성 및 크로스오버 반응이 진행되고, 온도는 다시 올라가게 된다.

따라서, 이와 같은 방식으로 기준 온도 범위(THL~TLL)를 설정해놓고 실제 측정되는 온도가 그보다 높거나 높아지려고 계속 상승되는 중이면 과열을 막기 위해 연료 공급을 차단하고, 그보다 낮거나 낮아지려고 계속 하강되는 중이면 과냉을 막기 위해 연료 공급을 재개하는 식으로 온도를 제어하는 것이다.

이런 방식에 의하면 연료전지의 온도를 적정한 범위 내로 안정되게 유지할 수 있다.

본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 증기 연료 공급형 연료전지의 구조를 개략적으로 도시한 도면,

도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 연료전지의 온도를 제어하는 본 발명의 일 실시예에 따른 방법을 나타낸 플로우챠트 및 온도 변화 그래프,

도 3a 및 도 3b는 도 1에 도시된 연료전지의 온도를 제어하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 방법을 나타낸 플로우챠트 및 온도 변화 그래프.

Claims (3)

1. 애노드와 전해질막 및 캐소드가 적층된 막전극조립체;

   상기 애노드에 공급될 연료를 저장하는 연료저장부;

   상기 연료저장부에서 연료를 공급받아서 상기 애노드를 향해 증발시키는 연료증발부;

   상기 연료저장부와 상기 연료증발부 사이의 연료 흐름을 선택적으로 개폐하는 액츄에이터;

   상기 막전극조립체의 온도를 측정하는 온도센서; 및,

   상기 온도센서의 신호에 따라 상기 액츄에이터의 개폐동작을 제어하는 컨트롤러;를 구비하는 증기 연료 공급형 연료전지.
2. 연료증발부에서 증발된 연료를 공급받는 막전극조립체의 온도를 측정하는 단계;

   설정 온도 보다 상기 측정된 온도가 높은 경우, 상기 연료증발부로의 연료 공급 라인에 설치된 액츄에이터를 가동하여 연료 공급을 차단하는 단계; 및,

   상기 설정 온도 보다 상기 측정된 온도가 낮은 경우, 상기 연료증발부로의 연료 공급 라인에 설치된 액츄에이터를 가동하여 연료 공급을 진행하는 단계;를 포함하는 증기 연료 공급형 연료전지의 온도 제어 방법.
3. 연료증발부에서 증발된 연료를 공급받는 막전극조립체의 온도를 측정하는 단계;

   설정 온도 범위 보다 상기 측정된 온도가 높은 경우, 상기 연료증발부로의 연료 공급 라인에 설치된 액츄에이터를 가동하여 연료 공급을 차단하는 단계;

   상기 설정 온도 범위 보다 상기 측정된 온도가 낮은 경우, 상기 연료증발부로의 연료 공급 라인에 설치된 액츄에이터를 가동하여 연료 공급을 진행하는 단계; 및,

   상기 측정된 온도가 상기 설정 온도 범위 내인 경우, 온도가 시간에 따라 점차 올라가는 중이면 연료 공급을 차단하고, 온도가 시간에 따라 점차 내려가는 중이면 연료 공급을 진행하는 단계;를 포함하는 증기 연료 공급형 연료전지의 온도 제어 방법.

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