KR101655303B1 - Fuel cell system starting in low temperature and method for starting the same - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 저온 구동 연료전지 시스템은, 막-전극 집합체의 적층에 의해 형성되어 메탄올을 직접 산화시켜 전기를 생성하는 스택과, 순수 메탄올과 콘덴서에 의한 농축수를 혼합하여 메탄올 수용액을 생성하는 믹싱 챔버를 갖는 직접 메탄올 연료전지; 및 반응물의 연소열을 상기 직접 메탄올 연료전지에 공급하여 저온 환경에서 동결되는 상기 메탄올 수용액을 해동하는 촉매히터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.A low-temperature driving fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes a stack formed by stacking membrane-electrode assemblies to directly oxidize methanol to generate electricity, and pure water methanol and condensed water, A direct methanol fuel cell having a mixing chamber for producing a fuel cell; And a catalytic heater for supplying combustion heat of the reactant to the direct methanol fuel cell to thaw the methanol aqueous solution to be frozen in a low temperature environment.

Description

저온 구동 연료전지 시스템 및 그 구동방법{FUEL CELL SYSTEM STARTING IN LOW TEMPERATURE AND METHOD FOR STARTING THE SAME}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a low-temperature drive fuel cell system,

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 연료가 동결될 수 있는 저온 또는 극저온에서 구동 가능한 저온 구동 연료전지 시스템 및 상기 저온 구동 연료전지 시스템의 구동방법에 대한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a low-temperature drive fuel cell system capable of being driven at a low or cryogenic temperature at which fuel can be frozen and a method of driving the low-temperature drive fuel cell system.

연료전지(Fuel Cell)는 수소 등의 연료가 산화될 때 생기는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치를 가리킨다. 연료전지는 연소반응 없이 연료의 공급만으로 전기를 발생시킬 수 있으므로 미래 동력원으로 인식되고 있다. 대부분의 연료전지는 수소를 연료로 사용하나, 현재는 수소연료에 대한 보급체계가 구축되어 있지 않기 때문에 탄화수소계열의 연료를 개질(reforming)하여 수소를 생산한 후 이를 연료전지에 사용하는 과도기적 단계에 있다.A fuel cell is a device that converts chemical energy generated when a fuel such as hydrogen is oxidized into electrical energy. Fuel cells are recognized as future power sources because they can generate electricity only by supplying fuel without combustion reaction. Most fuel cells use hydrogen as a fuel, but nowadays they do not have a supply system for hydrogen fuel. Therefore, it is necessary to reform the hydrocarbon-based fuel to produce hydrogen and use it for the fuel cell at a transitional stage have.

연료전지 중에서도 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell; DMFC)는 수소를 사용하는 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)의 한 종류이다. 직접 메탄올 연료전지는 전통적인 고분자 전해질 연료전지와 거의 동일한 구조를 가지는 반면, 수소가 아닌 메탄올을 연료로 사용한다. 직접 메탄올 연료전지는 수소를 사용하는 연료전지와 비교하여 연료인 메탄올을 개질 없이 직접 산화시켜 전지를 생산할 수 있다는 장점이 있다.Among the fuel cells, a direct methanol fuel cell (DMFC) is a kind of a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) using hydrogen. Direct methanol fuel cells have almost the same structure as conventional polymer electrolyte fuel cells, but use methanol instead of hydrogen as a fuel. The direct methanol fuel cell has an advantage in that it can produce a battery by directly oxidizing methanol, which is a fuel, without reforming, as compared with a fuel cell using hydrogen.

직접 메탄올 연료전지의 전기화학 반응의 과정은 아래와 같은 반응식으로 설명할 수 있다.The process of the electrochemical reaction of the direct methanol fuel cell can be explained by the following reaction formula.

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

Cathode : 3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2OCathode: 3 / 2O 2 + 6H + + 6e - ? 3H 2 O

Cell Reaction : CH3OH +3/2O2 → CO2 + 2H2OCell Reaction: CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O

직접 메탄올 연료전지의 전기화학 반응은 연료극 전극 - 고분자 전해질막 - 공기극 전극으로 이루어진 막-전극 집합체(Membrane-Electrode Assembly, MEA)에서 일어나며, 일반적인 직접 메탄올 연료전지 장치 또는 시스템으로 불리는 독립적 전원 장치에서는 필요사양에 따라 막-전극 집합체를 적층(stacking)하여 스택(Stack)의 형태로 주로 사용한다.The electrochemical reaction of a direct methanol fuel cell occurs in a Membrane-Electrode Assembly (MEA) composed of an anode electrode-a polymer electrolyte membrane-cathode electrode, and is required in an independent power source device called a general direct methanol fuel cell device or system According to the specification, the membrane electrode assembly is stacked and mainly used in the form of a stack.

연료인 메탄올의 높은 에너지 밀도와 개질기(Reformer)가 필요 없는 구조적 특징으로 인하여 직접 메탄올 연료전지는 휴대용 발전장치로 각광받아 왔다. 직접 메탄올 연료전지는 스택, 연료공급장치 및 제어기 등 다양한 기계적 및 전기적 주변 시설(Balance of Plants)을 포함하는 형태로 제적되어 사용되는 것이 일반적이다.Due to the high energy density of fuel, methanol, and the structural features that do not require a reformer, direct methanol fuel cells have been regarded as portable power generation devices. Direct methanol fuel cells are generally used in a form that includes a variety of mechanical and electrical peripherals (Balance of Plants), such as stacks, fuel supplies, and controllers.

직접 메탄올 연료전지는 높은 성능을 안정적으로 유지하기 위하여 메탄올과 물을 혼합하여 메탄올 수용액(일반적으로 1~7wt.% 내외)을 연료로 사용한다. Direct methanol fuel cell uses methanol aqueous solution (usually 1 ~ 7 wt.%) As a fuel by mixing methanol and water in order to maintain high performance stably.

그런데, 메탄올 수용액의 조성은 겨울 동안 저온으로 인하여 연료의 동결을 초래하는 중요한 원인이 된다. 메탄올 수용액 연료가 동결될 경우 직접 메탄올 연료전지의 스택에 연료를 제대로 공급할 수 없으므로, 직접 메탄올 연료전지는 정상적인 작동을 할 수 없다.However, the composition of the methanol aqueous solution is an important cause of the freezing of the fuel due to the low temperature during the winter. Direct Methanol Fuel Cells can not operate normally because fuel can not be properly supplied to the stack of direct methanol fuel cells when methanol aqueous fuel is frozen.

따라서, 개질이 필요 없는 직접 메탄올 연료전지의 장점을 그대로 유지하면서도, 메탄올 수용액의 동결 문제를 극복할 수 있는 새로운 연료전지 시스템이 요구되고 있다. Accordingly, there is a need for a new fuel cell system that can overcome the problem of freezing the methanol aqueous solution while maintaining the advantages of a direct methanol fuel cell that does not require reforming.

1. 한국공개특허번호 제10-2009-0039462호1. Korean Patent Publication No. 10-2009-0039462 2. 한국공개특허번호 제10-2007-0024395호2. Korean Patent Publication No. 10-2007-0024395 3. 한국등록특허번호 제10-1172841호3. Korean Patent No. 10-1172841

1. 강경문외, "무인항공기용 경량화 직접메탄올연료전지 스택 개발을 위한 복합소재 분리판 제작 및 성능 평가"한국수소 및 신에너지학회 논문집 제23권 제2호 (2012년 4월) pp.134-142.1. Kang, K. et al., "Fabrication and Performance Evaluation of Composite Bipolar Plates for the Development of Lightweight Direct Methanol Fuel Cell Stack for Unmanned Aircraft" Journal of the Korean Institute of Energy Engineers, Vol.23 No.2 (April 2012) pp.134 - 142.

본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 메탄올 수용액이 동결되는 저온 또는 극저온 환경에서 구동 가능한 저온 구동 연료전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a low-temperature drive fuel cell system capable of operating in a low-temperature or cryogenic environment in which an aqueous methanol solution is frozen.

또한, 본 발명은 직접 메탄올 연료전지의 메탄올을 촉매히터의 연료로 이용할 수 있는 저온 구동 연료전지 시스템을 제공하는데 다른 목적이 있다.It is another object of the present invention to provide a low-temperature drive fuel cell system in which methanol of a direct methanol fuel cell can be used as fuel for a catalyst heater.

또한, 본 발명은 저온에서 직접 메탄올 연료전지를 구동하는 저온 구동 연료전지 시스템의 구동방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.It is another object of the present invention to provide a method of driving a low temperature drive fuel cell system that drives a direct methanol fuel cell at low temperatures.

본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 메탄올 수용액이 동결되는 저온 또는 극저온 환경에서 구동 가능한 저온 구동 연료전지 시스템을 제공한다.The present invention provides a low-temperature drive fuel cell system capable of being driven in a low-temperature or cryogenic environment in which an aqueous methanol solution is frozen.

상기 저온 구동 연료 전지 시스템은,The low-temperature drive fuel cell system includes:

막-전극 집합체의 적층에 의해 형성되어 메탄올을 직접 산화시켜 전기를 생성하는 스택과, 순수 메탄올과 콘덴서에 의한 농축수를 혼합하여 메탄올 수용액을 생성하는 믹싱 챔버를 갖는 직접 메탄올 연료전지; 및A direct methanol fuel cell having a stack formed by stacking membrane-electrode assemblies to directly oxidize methanol to generate electricity, and a mixing chamber for mixing the concentrated water with pure methanol and condenser to produce an aqueous methanol solution; And

반응물의 연소열을 상기 직접 메탄올 연료전지에 공급하여 저온 환경에서 동결되는 상기 메탄올 수용액을 해동하는 촉매히터;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.And a catalytic heater for supplying combustion heat of the reactant to the direct methanol fuel cell to thaw the methanol aqueous solution to be frozen in a low temperature environment.

또한, 상기 촉매히터는 상기 직접 메탄올 연료전지의 메탄올을 상기 반응물로 이용하도록 상기 직접 메탄올 연료전지로부터 액체 메탄올을 직접 공급받는 것을 특징으로 할 수 있다.Also, the catalyst heater may be characterized in that liquid methanol is directly supplied from the direct methanol fuel cell to use the methanol of the direct methanol fuel cell as the reactant.

또한, 상기 촉매히터는, 백금으로 형성되는 촉매; 및 상기 촉매의 반응면적을 확보하도록 구 형태로 형성되는 촉매 담지체;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.Further, the catalyst heater may be a catalyst formed of platinum; And a catalyst carrier formed in a spherical shape to secure a reaction area of the catalyst.

또한, 상기 촉매는 백금 전구체(PtH6Cl·6H2O)를 이용하여 함침법에 의해 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the catalyst may be characterized by being formed by impregnation using a platinum precursor (PtH 6 Cl 6H 2 O).

또한, 상기 촉매히터에서 상기 촉매의 중량비는 8 내지 10wt.%인 것을 특징으로 할 수 있다.The weight ratio of the catalyst in the catalyst heater may be 8 to 10 wt.%.

또한, 상기 촉매 담지체의 재질은 알루미나이며, 상기 구 형태의 지름은 2mm인 것을 특징으로 할 수 있다.The catalyst carrier may be alumina, and the spherical shape may have a diameter of 2 mm.

또한, 상기 촉매히터는 상기 직접 메탄올 연료전지에 탈부착 가능하게 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the catalytic heater may be detachably attached to the direct methanol fuel cell.

또한, 상기 촉매히터로부터 상기 직접 메탄올 연료전지로 반응열의 공급이 필요함을 알리도록, 기설정된 온도보다 낮은 온도에서 작동하는 알림부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.The apparatus may further include an annunciator operating at a temperature lower than a predetermined temperature so as to inform that the supply of the reaction heat from the catalyst heater to the direct methanol fuel cell is required.

또한, 주변 환경의 온도 또는 상기 메탄올 수용액의 온도를 감지하는 온도센서; 및 상기 온도센서에서 감지된 온도가 기설정된 온도보다 낮은 경우 상기 직접 메탄올 연료전지로 상기 반응열을 공급하도록 상기 촉매히터를 구동하는 제어기;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.A temperature sensor for sensing the temperature of the ambient environment or the aqueous methanol solution; And a controller for driving the catalyst heater to supply the reaction heat to the direct methanol fuel cell when the temperature sensed by the temperature sensor is lower than a predetermined temperature.

또한, 상기 촉매히터에서 생성된 반응열을 선택적으로 상기 직접 메탄올 연료전지의 스택 또는 믹싱 챔버로 전달하는 열전도성 금속 소재의 열전달부가 상기 직접 메탄올 연료전지와 상기 촉매히터 사이에 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, a heat transfer portion of the thermally conductive metal material, which selectively transfers the reaction heat generated in the catalyst heater to the stack or the mixing chamber of the direct methanol fuel cell, is formed between the direct methanol fuel cell and the catalyst heater have.

또한, 상기 열전달부는 상기 스택 및 상기 믹싱 챔버에 각각 연결되며, 상기 직접 메탄올 연료전지와 상기 촉매히터에서 상기 열전달부를 제외한 나머지 영역은 상기 촉매히터에서 생성된 반응열의 전달을 제한하도록 비전도성 소재로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.The heat transfer portion is connected to the stack and the mixing chamber, and the remaining region of the direct methanol fuel cell and the catalytic heater except the heat transfer portion is formed of a nonconductive material so as to restrict transmission of reaction heat generated in the catalytic heater. .

또한, 상기 비전도성 소재는 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC), ABS수지(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene resin)를 포함하는 엔지니어링 플라스틱인 것을 특징으로 할 수 있다.The non-conductive material may be an engineering plastic including polycarbonate (PC), ABS resin (Acrylonitrile-Butadiene-Styrene resin).

한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, (a) 연료전지 시스템을 구동하는 단계; (b) 온도에 근거하여 촉매히터의 구동여부를 결정하는 단계; (c) 상기 촉매히터의 구동 결정에 따라 촉매히터의 반응열을 상기 직접 메탄올 연료전지로 공급하여 저온 환경에서 동결되는 순수 메탄올과 콘덴서에 의해 농축수를 혼합하여 생성되는 메탄올 수용액을 해동하는 단계; 및 (d) 해동된 메탄올 수용액을 연료로 사용하여 상기 연료전지 시스템의 스택이 상기 메탄올 수용액을 직접 산화시켜 전력을 생산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 저온 구동방법을 제공한다.On the other hand, another embodiment of the present invention is a fuel cell system comprising: (a) driving a fuel cell system; (b) determining whether the catalyst heater is driven based on the temperature; (c) supplying the reaction heat of the catalyst heater to the direct methanol fuel cell according to the driving decision of the catalytic heater, and distilling the aqueous methanol solution produced by mixing the concentrated water with pure methanol frozen in a low temperature environment and the condenser; And (d) directly oxidizing the methanol aqueous solution by the stack of the fuel cell system using the thawed aqueous methanol solution as a fuel to produce electric power at a low temperature of the fuel cell system .

이때, 상기 (b) 단계는, (b1) 온도 센서를 이용하여 주변 환경 또는 상기 메탄올 수용액의 온도를 측정하는 단계; 및 (b2) 측정된 온도에 근거하여 촉매히터의 구동이 필요함을 알람부를 이용하여 알리는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.The step (b) may include the steps of: (b1) measuring a temperature of the aqueous environment or the aqueous methanol solution using a temperature sensor; And (b2) informing that the catalyst heater is required to be driven based on the measured temperature by using the alarm unit.

또한, 상기 ( c) 단계는, 상기 직접 메탄올 연료전지에 탈부착 가능한 촉매히터를 구동하여 반응열을 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.The step (c) may further include generating a reaction heat by driving a catalyst heater detachably attachable to the direct methanol fuel cell.

또한, 상기 (d) 단계는, (d1) 온도 센서를 이용하여 주변 환경 또는 상기 메탄올 수용액의 온도를 측정하는 단계; (d2) 측정된 온도에 근거하여 상기 메탄올 수용액의 해동을 확인하는 단계; (d3) 확인결과, 해동이면 상기 스택이 상기 메탄올 수용액의 메탄올을 직접 산화시켜 전력을 생산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.The step (d) may further include the steps of: (d1) measuring a temperature of the aqueous environment or the aqueous solution of methanol using a temperature sensor; (d2) confirming thawing of the methanol aqueous solution based on the measured temperature; (d3) As a result of the confirmation, if the methanol is thawed, the stack directly oxidizes methanol in the methanol aqueous solution to produce electric power.

본 발명에 따르면, 촉매히터를 이용하여 저온 또는 극저온 환경에서 동결된 메탄올 수용액 연료를 해동할 수 있으므로, 상기 저온 또는 극저온 환경에서도 직접 메탄올 연료전지를 구동할 수 있다.According to the present invention, it is possible to thaw the methanol aqueous fuel solution frozen in a low-temperature or cryogenic environment using a catalyst heater, so that the methanol fuel cell can be directly driven even in the low-temperature or cryogenic environment.

또한, 본 발명의 다른 효과로서는 촉매히터에서 메탄올을 연료로 사용하므로 추가적으로 연료를 보관 또는 공급하기 위한 장치가 필요 없으며, 직접 메탄올 연료전지의 메탄올을 이용하여 상기 직접 메탄올 연료전지를 즉시 구동할 수 있다는 점을 들 수 있다.Further, as another effect of the present invention, there is no need for a device for storing or supplying fuel additionally because methanol is used as fuel in the catalyst heater, and the direct methanol fuel cell can be driven immediately using methanol of the direct methanol fuel cell Points can be mentioned.

또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 일회용 열원과 달리 촉매히터는 지속적으로 사용할 수 있으며, 평상시 직접 메탄올 연료전지에 부착하여 보관하다가 작동이 필요하거나 물에 젖을 수 있는 상황에서 탈착이 가능하다는 점을 들 수 있다.In addition, as another effect of the present invention, the catalyst heater can be continuously used unlike the disposable heat source, and it can be attached and detached in a situation where the methanol heater is attached to the direct methanol fuel cell, .

도 1은 일반적인 메탄올의 연소열 및 연료 해동에 필요한 메탄올 요구량의 관계를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 저온 구동 연료전지 시스템(200)의 개념도이다.
도 3은 도 2에 도시된 저온 구동 연료전지 시스템이 적용되는 직접 메탄올 연료전지의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 촉매히터의 온도 변화에 따른 연소 반응성을 확인할 수 있는 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 관련된 실험용 촉매히터의 사진예이다.
도 6은 도 5a 및 도 5b의 촉매히터를 믹싱 챔버에 부착한 사진예이다.
도 7은 도 6을 이용하여 실시된 실험 진행에 따른 믹싱 챔버 내부의 연료 온도 변화 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 시스템의 여러 구동 모드를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 시스템의 저온 구동방법을 설명하기 위한 흐름도이다.Fig. 1 is a conceptual diagram for explaining the relationship between combustion heat of general methanol and methanol required for fuel thawing.
2 is a conceptual diagram of a low temperature drive fuel cell system 200 according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a conceptual diagram of a direct methanol fuel cell to which the low temperature drive fuel cell system shown in FIG. 2 is applied.
FIG. 4 is a graph showing the combustion reactivity according to the temperature change of the catalyst heater according to an embodiment of the present invention. FIG.
5A and 5B are photographs of an experimental catalyst heater according to the present invention.
6 is a photograph showing the catalyst heater of Figs. 5A and 5B attached to the mixing chamber.
FIG. 7 is a graph of the fuel temperature change inside the mixing chamber according to the progress of the experiment performed using FIG.
8 is a flowchart illustrating various driving modes of the fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
9 is a flowchart illustrating a low-temperature driving method of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.Like reference numerals are used for similar elements in describing each drawing.

제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component. The term "and / or" includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Should not.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 저온 구동 연료전지 시스템 및 그 구동방법을 상세하게 설명하기로 한다.
Hereinafter, a low-temperature driving fuel cell system and a driving method thereof according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 일반적인 메탄올의 연소열 및 연료 해동에 필요한 메탄올 요구량의 관계를 설명하기 위한 개념도이다. 도 1을 참조하면, 메탄올의 연소반응은 화학식으로 나타낼 수 있다. 1몰의 메탄올이 완전히 연소할 때의 엔탈피 변화는 약 684kJ/mol이며, 연소열은 약 690kJ/mol이다. 이 연소열은 0℃, 1kg의 물을 열손실 없는 조건에서 최대 161℃까지 증가시킬 수 있는 열량이다.Fig. 1 is a conceptual diagram for explaining the relationship between combustion heat of general methanol and methanol required for fuel thawing. Referring to FIG. 1, the combustion reaction of methanol can be represented by the chemical formula. The change in enthalpy when 1 mole of methanol is completely combusted is about 684 kJ / mol, and the heat of combustion is about 690 kJ / mol. This heat of combustion is the amount of heat which can increase 1 kg of water at 0 캜 and up to 161 캜 under the condition without heat loss.

본 발명에서 구현하고자 하는 저온 구동 연료전지 시스템은 겨울철과 같은 저온 또는 극저온 환경(최대 약 -32℃의 극저온)에서도 직접 메탄올 연료전지를 구동할 수 있는 시스템이다. -32℃, 0.05kg의 물을 1℃까지 증가시키기 위해서는 약 6.9kJ의 열량이 필요하고 메탄올 1g당 반응열은 21kJ이므로, 약 0.5g의 메탄올을 연소시키면 동결된 메탄올 연료를 해동하고, 저온 내지 극저온에서도 직접 메탄올 연료전지를 동작시킬 수 있음을 알 수 있다.The low-temperature drive fuel cell system to be implemented in the present invention is a system capable of directly driving a methanol fuel cell even in a low-temperature or cryogenic environment (such as a cryogenic temperature of about -32 캜) such as in winter. The heat of about 6.9 kJ is required to increase 0.05 kg of water to 1 캜 at -32 캜, and the heat of reaction is 21 kJ per 1 g of methanol. Therefore, when about 0.5 g of methanol is burned, the frozen methanol fuel is thawed, It can be seen that the methanol fuel cell can be operated directly.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 저온 구동 연료전지 시스템(200)의 개념도이다. 도 2를 참조하면, 저온 구동 연료전지 시스템(200)은 연료 탱크(210), 직접 메탄올 연료 전지(201), 믹싱 챔버(230), 에어 펌프(240), 콘덴서(250), 센서(260), 촉매 히터(270) 등을 포함하여 구성된다.2 is a conceptual diagram of a low temperature drive fuel cell system 200 according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the low temperature drive fuel cell system 200 includes a fuel tank 210, a direct methanol fuel cell 201, a mixing chamber 230, an air pump 240, a condenser 250, a sensor 260, A catalyst heater 270, and the like.

직접 메탄올 연료전지(201)는 막-전극 집합체의 적층에 의해 형성되는 스택(220)과 믹싱 챔버(230)를 구비한다. 직접 메탄올 연료전지(201)는 개질 과정없이 메탄올 수용액의 메탄올을 직접 산화시켜 전기를 생산할 수 있다.The direct methanol fuel cell 201 has a stack 220 and a mixing chamber 230 formed by stacking membrane-electrode assemblies. Direct methanol fuel cell 201 can produce electricity by directly oxidizing methanol in methanol aqueous solution without reforming process.

직접 메탄올 연료전지(201)는 상온에서 별도의 열공급 없이도 작동할 수 있다. 그러나, 연료인 메탄올 수용액이 저온 내지 극저온에서 동결되므로, 메탄올 수용액을 해동하지 않으면 단시간 내에 작동할 수 없다. 따라서, 본 발명은 저온 내지 극저온에서 직접 메탄올 연료전지(201)의 구동을 위해 촉매히터(270)를 이용한다.The direct methanol fuel cell 201 can operate at room temperature without additional heat supply. However, since the methanol aqueous solution as the fuel is frozen at a low temperature to a very low temperature, the methanol aqueous solution can not be operated within a short time unless the aqueous methanol solution is thawed. Therefore, the present invention uses the catalyst heater 270 for driving the methanol fuel cell 201 directly at a low temperature or at a very low temperature.

촉매히터(270)는 저온 환경에서 동결된 메탄올 수용액을 해동하고 직접 메탄올 연료전지를 예열하도록 반응물의 연소열을 상기 직접 메탄올 연료전지(201)로 공급한다. 보다 구체적으로, 촉매히터(270)는 도 2에 도시된 바와 같이 반응열을 스택(220)과 믹싱 챔버(230)로 공급한다.The catalyst heater 270 dissolves the methanol aqueous solution frozen in a low-temperature environment and supplies the combustion heat of the reactant to the direct methanol fuel cell 201 so as to preheat the methanol fuel cell directly. More specifically, the catalyst heater 270 supplies the reaction heat to the stack 220 and the mixing chamber 230, as shown in FIG.

촉매히터(270)는 촉매를 이용한 비화염 연소반응에서 발생하는 반응물의 연소열을 이용하는 발열장치다. 촉매히터는 비교적 낮은 온도에서 사용 가능할 뿐만 아니라, 비화염 연소로 화재의 위험이 적다.The catalyst heater 270 is a heat generating device that utilizes the heat of combustion of the reactant generated in the non-flame combustion reaction using the catalyst. Not only is the catalyst heater available at relatively low temperatures, but also the risk of fire from non-flame combustion is low.

촉매히터(270)는 직접 메탄올 연료전지(201)의 메탄올을 반응물로 이용하도록 상기 직접 메탄올 연료전지로부터 액체 메탄올을 공급받을 수 있다. 따라서, 본 발명은 사용자의 입장에서 별도의 연료를 구비할 필요가 없는 편리성을 가지고 있다.The catalytic heater 270 may be supplied with liquid methanol from the direct methanol fuel cell to utilize the methanol of the direct methanol fuel cell 201 as a reactant. Therefore, the present invention has the convenience of not requiring additional fuel from the viewpoint of the user.

촉매히터(Pt/Al2O3)는 촉매(미도시)와 촉매 담지체(미도시)를 포함한다.The catalyst heater (Pt / Al 2 O 3 ) includes a catalyst (not shown) and a catalyst carrier (not shown).

촉매는 백금으로 형성된다. 촉매는 백금 전구체(PtH6Cl·6H2O)를 이용하여 함침법에 의해 형성된다. 촉매히터에서 촉매의 중량비는 8 내지 10wt.%일 수 있다.The catalyst is formed of platinum. The catalyst is formed by impregnation using a platinum precursor (PtH 6 Cl 6H 2 O). The weight ratio of catalyst in the catalyst heater can be 8 to 10 wt.%.

촉매 담지체는 촉매의 반응면적을 확보하도록 지름 약 2mm의 구 형태를 갖는 알루미나(Al2O3)로 형성된다. 촉매 담지체에 촉매를 담지시키면, 촉매의 기계적 물성을 높일 수 있다.The catalyst carrier is formed of alumina (Al 2 O 3 ) having a spherical shape of about 2 mm in diameter to secure the reaction area of the catalyst. When the catalyst is supported on the catalyst carrier, the mechanical properties of the catalyst can be enhanced.

촉매히터(270)를 작동시키면, 반응물의 주입 즉시 가동을 시작해 수초 내지 수십초 이내에 열을 생산하며, 수분 이내에 작동을 멈추게 된다. 촉매히터는 수동으로 작동할 수도 있으며, 자동으로 작동할 수도 있다. 이하에서는 각각의 경우를 나누어서 설명한다.When the catalyst heater 270 is operated, the reaction starts immediately after the injection of the reactant, and the reaction is stopped within a few minutes, within a few seconds to several tens of seconds. The catalyst heater may be operated manually or automatically. Hereinafter, each case will be described separately.

먼저, 촉매히터(270)가 수동으로 작동하는 경우를 설명하면, 저온 구동 연료전지 시스템은 알림부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 알림부(미도시)는 촉매히터로부터 직접 메탄올 연료전지로 반응열의 공급이 필요함을 알리도록 기설정된 온도보다 낮은 온도에서 작동한다. 기설정된 온도란 예를 들어 메탄올 수용액의 동결 온도가 될 수 있다. First, when the catalyst heater 270 is manually operated, the low temperature drive fuel cell system may further include a notification unit (not shown). The notification unit (not shown) operates at a temperature lower than a predetermined temperature to notify that the supply of the reaction heat from the catalyst heater to the methanol fuel cell is required. The predetermined temperature may be, for example, the freezing temperature of the methanol aqueous solution.

알림부에서 반응열의 공급이 필요함을 알리는 방법은 여러 가지가 있을 수 있다. 소리, 빛 등 인간이 오감에 의해 인지할 수 있는 형태의 알림이라면 어느 것이나 사용될 수 있다. There are various ways of notifying the notification unit that the supply of the reaction heat is necessary. Sound, light, or any other form of notification that can be perceived by the human senses.

사용자가 알림부의 기설정된 온도보다 낮은 온도에서 직접 메탄올 연료전지를 가동하고자 하는 경우, 알림부에서는 촉매히터로부터 열공급이 필요함을 사용자에게 알리고, 사용자는 촉매히터를 가열하여 직접 메탄올 연료전지에 촉매히터의 반응열을 공급한다. 반응열을 공급받은 직접 메탄올 연료전지의 메탄올 수용액은 동결 상태에서 해동된다. 이에 따라, 사용자는 직접 메탄올 연료전지를 가동할 수 있다.When the user desires to operate the methanol fuel cell directly at a temperature lower than the preset temperature of the notification unit, the notification unit informs the user that the supply of heat is required from the catalyst heater, and the user heats the catalyst heater, Provide reaction heat. The methanol aqueous solution of the direct methanol fuel cell supplied with the reaction heat is thawed in the frozen state. Accordingly, the user can directly operate the methanol fuel cell.

다음으로, 촉매히터(270)가 자동으로 작동하는 경우를 설명하면, 직접 메탄올 연료전지는 온도센서(260)와 제어기(290)를 포함할 수 있다.Next, the case where the catalytic heater 270 is automatically operated will be described. The direct methanol fuel cell may include the temperature sensor 260 and the controller 290.

온도센서(260)는 저온 구동 연료전지 시스템 주변 환경의 온도 또는 메탄올 수용액의 온도를 감지한다. 그리고, 제어기(290)는 온도센서(260)에서 감지된 온도가 기설정된 온도보다 낮은 경우 직접 메탄올 연료전지로 반응열을 공급하도록 촉매히터(270)를 구동한다. 기설정된 온도는 앞서 설명한 바와 마찬가지로 메탄올 수용액의 동결 온도가 될 수 있다.The temperature sensor 260 senses the temperature of the ambient environment of the low temperature drive fuel cell system or the temperature of the methanol aqueous solution. The controller 290 drives the catalyst heater 270 to supply the reaction heat to the direct methanol fuel cell when the temperature sensed by the temperature sensor 260 is lower than a predetermined temperature. The predetermined temperature may be the freezing temperature of aqueous methanol solution as described above.

사용자가 제어기(290)의 기설정된 온도보다 낮은 온도에서 직접 메탄올 연료전지(201)를 가동하고자 하는 경우, 온도센서(260)에서 측정된 온도에 근거하여 제어기(290)는 촉매히터를 구동한다. When the user intends to operate the methanol fuel cell 201 directly at a temperature lower than the predetermined temperature of the controller 290, the controller 290 drives the catalyst heater based on the temperature measured by the temperature sensor 260. [

제어기(290)는 예를 들어, 전기적 신호를 발생시켜 촉매히터(270)를 구동할 수 있다. 촉매히터(270)의 구동에 의해 생성된 반응열은 직접 메탄올 연료전지(201)로 공급된다. 반응열을 공급받은 직접 메탄올 연료전지의 메탄올 수용액은 동결 상태에서 해동된다. 이에 따라, 직접 메탄올 연료전지는 저온 내지 극저온에서도 가동될 수 있다.The controller 290 may, for example, generate an electrical signal to drive the catalytic heater 270. The reaction heat generated by the driving of the catalyst heater 270 is directly supplied to the methanol fuel cell 201. [ The methanol aqueous solution of the direct methanol fuel cell supplied with the reaction heat is thawed in the frozen state. Accordingly, the direct methanol fuel cell can be operated at a low temperature or a very low temperature.

본 발명에서 제시하는 촉매히터(270)는 일정 공간의 대기를 전부 가열하는 것이 아니라, 직접 메탄올 연료전지의 일부 구성요소만을 선택적으로 예열하도록 형성된다. 구체적으로, 직접 메탄올 연료전지와 촉매히터는 상기 촉매히터에서 생성된 반응열을 직접 메탄올 연료전지로 전달하는 열전달부(미도시)를 구비한다. The catalyst heater 270 proposed in the present invention is formed not to completely heat the atmosphere of a certain space but to selectively preheat only a part of the components of the direct methanol fuel cell. Specifically, the direct methanol fuel cell and the catalytic heater have a heat transfer portion (not shown) for transferring the reaction heat generated in the catalytic heater directly to the methanol fuel cell.

열전달부(미도시)는 직접 메탄올 연료전지(201)에서 스택(220)과 믹싱 챔버(230)를 선택적으로 예열하도록 열전도성 금속소재로 형성되어 상기 스택과 상기 믹싱 챔버에 각각 연결된다. 그리고, 직접 메탄올 연료전지와 촉매히터에서 열전달부를 제외한 나머지 영역은 촉매히터(270)에서 생성된 반응열의 전달을 제한하도록 비전도성 소재로 형성된다. 촉매히터(270)에서 열전달부를 제외한 나머지 영역은 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC), ABS수지(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene resin) 등의 엔지니어링 플라스틱으로 형성될 수 있다. A heat transfer unit (not shown) is formed of a thermally conductive metal material to selectively preheat the stack 220 and the mixing chamber 230 in the direct methanol fuel cell 201 and is connected to the stack and the mixing chamber, respectively. In the direct methanol fuel cell and the catalytic heater, the remaining region except for the heat transfer portion is formed of a nonconductive material to restrict the transfer of reaction heat generated in the catalytic heater 270. The remaining region of the catalyst heater 270 excluding the heat transfer portion may be formed of an engineering plastic such as polycarbonate (PC), ABS resin (acrylonitrile-butadiene-styrene resin), or the like.

마찬가지로 직접 메탄올 연료전지도 촉매히터(270)에서 메탄올의 비화염 연소반응에 의해 생성된 반응열을 스택(220)과 믹싱 챔버(230)에 직접적으로 전달될 수 있는 구조를 가진다. 촉매히터(270)에서 생성된 반응열은 추가적으로 직접 메탄올 연료전지 내부의 대기를 가열할 수 있다.Similarly, the direct methanol fuel cell also has a structure in which the reaction heat generated by the non-flame combustion reaction of methanol in the catalyst heater 270 can be directly transmitted to the stack 220 and the mixing chamber 230. The reaction heat generated in the catalyst heater 270 may additionally heat the atmosphere inside the direct methanol fuel cell.

콘덴서(250)는 스택(220)의 화학 반응에 의해 생성되는 수증기 등을 응축하여 물을 생성하고 이를 믹싱 챔버(230)에 공급한다. The condenser 250 condenses water vapor or the like generated by the chemical reaction of the stack 220 to generate water and supplies it to the mixing chamber 230.

믹싱 챔버(230)는 연료 탱크(210)로부터 공급되는 순수 메탄올과 콘덴서(250)로부터 공급되는 물을 혼합하여 메탄올 수용액을 만들고, 이러한 메탄올 수용액을 스택(220)에 공급한다.The mixing chamber 230 mixes pure methanol supplied from the fuel tank 210 and water supplied from the condenser 250 to produce an aqueous methanol solution and supplies the aqueous methanol solution to the stack 220.

에어 펌프(240)는 스택(220)에 공기를 공급한다. 스택(220)의 동작 및/또는 구조에 대하여는 널리 공지되어 있으므로 본 발명의 명확한 이해를 위해 더 이상의 설명은 생략하기로 한다.The air pump 240 supplies air to the stack 220. The operation and / or the structure of the stack 220 are well known and will not be described further for the purpose of clarifying the present invention.

도 3은 도 2에 도시된 저온 구동 연료전지 시스템이 적용되는 직접 메탄올 연료전지의 개념도이다. 특히, 도 3은 휴대용으로 구성된 직접 메탄올 연료전지 시스템의 개념도이다. 도 2와 중복되는 구성요소를 제외하면, 연료 탱크(210)로부터 순수 메탄올을 믹싱 챔버(230)에 공급하는 연료 펌프(331), 믹싱 챔버(230)로부터 메탄올 수용액을 스택(220)에 공급하기 위한 공급 펌프(332), 믹싱 챔버(230)와 스택(220)간 열을 교환하는 열교환기(320), 열교환기(320)를 냉각하는 팬(321), 에어 펌프(240)에 공기를 공급하는 블로어(350), 스택(220)의 화학 반응에 의해 생성되는 전기를 저장하는 배터리(310), 상기 배터리(310)로부터 출력 전압을 승압 또는 강압하는 DC/DC 컨버터(360), 온도, 전압 및/또는 전류, 연료 농도 등의 정보를 획득하여 이들 구성요소들을 제어하는 연료 전지 제어기(310) 등이 구성된다.FIG. 3 is a conceptual diagram of a direct methanol fuel cell to which the low temperature drive fuel cell system shown in FIG. 2 is applied. 3 is a conceptual diagram of a direct methanol fuel cell system configured to be portable. A fuel pump 331 for supplying pure methanol from the fuel tank 210 to the mixing chamber 230 and a methanol aqueous solution from the mixing chamber 230 to the stack 220, A heat exchanger 320 for exchanging heat between the mixing chamber 230 and the stack 220, a fan 321 for cooling the heat exchanger 320, an air pump 240 for supplying air to the air pump 240, A DC / DC converter 360 for stepping up or down an output voltage from the battery 310, a temperature sensor 360 for detecting a temperature of the battery 310, And / or a fuel cell controller 310 that acquires information such as current, fuel concentration, and the like to control these components.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 촉매히터의 온도 변화에 따른 연소 반응성을 확인할 수 있는 그래프이다. 도 4는 도 2에서 설명한 촉매히터(270)를 냉동고 내부에 위치시키고 온도에 따른 반응 여부를 확인한 결과이다. 이때, 공기 및 메탄올은 외부에서 30ml 주사기를 이용하여 수동으로 공급하였다.FIG. 4 is a graph showing the combustion reactivity according to the temperature change of the catalyst heater according to an embodiment of the present invention. FIG. FIG. 4 shows the result of checking whether the catalyst heater 270 described in FIG. 2 is positioned inside the freezer and the reaction depending on the temperature. At this time, air and methanol were supplied manually from the outside using a 30 ml syringe.

도 4를 참조하면, 냉동고 내부의 온도를 변화시키면서 촉매히터의 반응성을 검토한 결과, 온도가 하강할수록 연소 반응의 개시 속도가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 0℃와 -10℃에서는 유사한 반응속도를 나타내는 반면, -20℃에서는 반응속도 및 촉매 표면의 온도가 눈에 띄게 감소하였다. Referring to FIG. 4, as a result of examining the reactivity of the catalyst heater while changing the temperature inside the freezer, it was confirmed that the initiation rate of the combustion reaction decreases as the temperature decreases. At 0 ℃ and -10 ℃, the reaction rate was similar, but at -20 ℃, the reaction rate and catalyst surface temperature decreased remarkably.

마지막으로, -30℃의 조건에서는 상온의 공기와 같은 추가적인 열원이 없는 경우, 반응을 하지 않거나 매우 천천히 반응하는 것을 확인할 수 있었다.Finally, at -30 ° C, it was confirmed that the reaction did not occur or the reaction was very slow if there was no additional heat source such as air at room temperature.

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 관련된 실험용 촉매히터의 사진예이다. 도 5a는 촉매히터(도 2의 270)의 촉매부(510)를 촬영한 사진이고, 도 5b는 연료 확산부(520)를 촬영한 사진이다. 도 5a와 도 5b의 촉매히터는 본 발명의 효과를 입증하기 위해 실험용으로 제작된 것이므로, 본 발명에서 제안하는 촉매히터의 외형이 도 5a와 도 5b에 한정되는 것은 아니다.5A and 5B are photographs of an experimental catalyst heater according to the present invention. 5A is a photograph of the catalyst portion 510 of the catalyst heater (270 in FIG. 2), and FIG. 5B is a photograph of the fuel diffusion portion 520. Since the catalyst heater of FIGS. 5A and 5B is manufactured for the purpose of demonstrating the effect of the present invention, the outline of the catalyst heater proposed in the present invention is not limited to FIGS. 5A and 5B.

촉매부는 슬라이드 온(slide-on) 형태로 연료 확산부에 탈부착 가능하게 제작되었다. 촉매부는 구리를 이용하여 열전달을 극대화하였다. 촉매부의 상단은 다공성 구조의 알루미늄 박판을 이용하여 공기의 유입이 원활하게 이루어지도록 하였다.The catalytic portion is detachably attached to the fuel diffusion portion in a slide-on form. The catalytic part maximizes the heat transfer by using copper. The upper part of the catalytic part is made of an aluminum thin plate having a porous structure so that air can flow smoothly.

연료 확산부(520)에는 4개의 홀(521)을 제작하여 촉매부와 공기의 접촉이 잘 이루어지도록 하였으며, 내부에는 카본 글라스 재질의 솜을 충전하여 메탄올을 저장하고, 촉매부에서 발생하는 열을 견딜 수 있게 제작하였다.Four holes 521 are formed in the fuel diffusion part 520 so that the catalyst part and the air are in good contact with each other. The interior of the fuel diffusion part 520 is filled with a cotton of carbon glass to store methanol, It was made to withstand.

실험은 다음과 같이 설정하였다.The experiment was set up as follows.

우선, 저온 내지 극저온의 환경을 조성하기 위해 1M의 메탄올 30mL가 들어 있는 믹싱 챔버, 연료로 사용할 메탄올(8~10mL), 촉매부와 연료 확산부를 -32℃에서 2시간 방치한다.First, a mixing chamber containing 30 mL of 1 M methanol, 8 to 10 mL of methanol to be used as a fuel, and a catalyst portion and a fuel diffusion portion are left at -32 占 폚 for 2 hours in order to create an environment of low to extremely low temperatures.

2시간 경과 후 메탄올을 연료 확산부에 주입하고, 촉매부는 외부 화기 열원(라이터 등)을 이용해 약 15초 내지 20초간 가열한다. 예열된 촉매부를 연료 확산부에 결합한다. 결합된 촉매부와 연료 확산부를 도 6과 같이 믹싱 챔버에 부착한다.After 2 hours, methanol is injected into the fuel diffusion portion, and the catalyst portion is heated for about 15 to 20 seconds by using an external heat source (such as a lighter). And the preheated catalyst portion is coupled to the fuel diffusion portion. The combined catalytic portion and the fuel diffusion portion are attached to the mixing chamber as shown in Fig.

도 6은 도 5a 및 도 5b의 촉매히터를 믹싱 챔버에 부착한 사진예이다. 6 is a photograph showing the catalyst heater of Figs. 5A and 5B attached to the mixing chamber.

도 7은 도 6을 이용하여 실시된 실험 진행에 따른 믹싱 챔버 내부의 연료 온도 변화 그래프이다. 도 7을 참조하면, 실험 결과, 믹싱 챔버 내부에서 동결되었던 1M 메탄올 연료의 온도는 촉매히터 내부에서 연소반응이 개시되고 35분 후 -5℃까지 증가한 것을 그래프에서 확인할 수 있었다.FIG. 7 is a graph of the fuel temperature change inside the mixing chamber according to the progress of the experiment performed using FIG. Referring to FIG. 7, the graph shows that the temperature of the 1M methanol fuel that was frozen in the mixing chamber increased to -5 ° C after 35 minutes from the start of the combustion reaction in the catalyst heater.

상기 결과에서 확인할 수 있는 바와 같이 본 발명은 직접 메탄올 연료전지의 급속 시동을 위해 단일 혹은 복수의 촉매히터를 상기 직접 메탄올 연료전지에 부착하여 사용하면, -30℃ 이하의 저온 내지 극저온의 환경에서도 상기 직접 메탄올 연료전지를 가동할 수 있다. As can be seen from the above results, when a single or a plurality of catalyst heaters are attached to the direct methanol fuel cell for rapid start-up of the direct methanol fuel cell, Direct methanol fuel cell can be operated.

일반적으로 현재 시중에 나와 있는 직접 메탄올 연료전지의 경우, 0℃ 이하에서는 시동 및/또는 운전에 제한을 두고 있거나 일회용 열원을 사용하는 장시간 예열을 통해 해동을 권장하고 있다. 따라서, 이러한 점에 비추어 보면, 본 발명의 일실시예는 단시간에 메탄올 연료를 해동하여 직접 메탄올 연료전지를 구동할 수 있는 점에서 특히 장점이 있다.Generally, for direct methanol fuel cells currently available on the market, it is recommended to start and / or operate at below 0 ° C, or thaw through long-term preheating using a disposable heat source. Therefore, in view of this, an embodiment of the present invention is particularly advantageous in that it is possible to directly drive the methanol fuel cell by thawing the methanol fuel in a short time.

직접 메탄올 연료전지는 상온에서 촉매히터의 도움 없이 즉시 사용할 수 있으나, 저온 내지 극저온 환경에서는 촉매히터로부터 반응열을 제공받아 보다 빠른 시간 내에 전력을 생산할 수 있다. The direct methanol fuel cell can be used immediately at room temperature without the aid of a catalytic heater, but in a low to very low temperature environment, the reaction heat can be supplied from the catalytic heater to produce electric power in a shorter time.

또한, 본 발명은 기존의 핫팩과 같은 일회용 열원과 달리 지속적으로 사용할 수 있는 촉매히터를 이용하며, 상기 촉매히터는 직접 메탄올 연료전지에 부착하여 보관하다가 작동이 필요하거나 물에 젖을 수 있는 상황에서 탈착할 수 있으므로 이용상의 편리성을 제공할 수 있다.In addition, the present invention utilizes a catalyst heater which can be continuously used unlike a disposable heat source such as a conventional hot pack. The catalyst heater is attached to a direct methanol fuel cell and stored, It is possible to provide convenience in use.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 시스템의 여러 구동 모드를 설명하기 위한 흐름도이다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 시스템(200)의 구동 모드(810)는 상온 시동 모드(850), 동결 방지 모드(840) 및 저온 시동 모드(830)를 포함한다.8 is a flowchart illustrating various driving modes of the fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 8, a drive mode 810 of the fuel cell system 200 according to an embodiment of the present invention includes a normal temperature start mode 850, a freeze prevention mode 840, and a cold start mode 830 .

상온 시동 모드(850)는 촉매히터의 도움 없이도 직접 메탄올 연료전지를 구동할 수 있는 모드다. 상온 시동 모드에서는 일정 시간 대기 후, 즉시 직접 메탄올 연료전지를 사용할 수 있다.The room temperature startup mode (850) is a mode that can directly drive the methanol fuel cell without the aid of a catalyst heater. In the normal temperature start mode, a direct methanol fuel cell can be used immediately after waiting for a certain time.

동결 방지 모드(840)는 연료의 동결을 방지하기 위한 모드로, 연료인 메탄올을 충분히 확보할 수 있거나, 저온에서 단기간 방치되는 경우에 작동할 수 있는 모드다.The freeze prevention mode 840 is a mode for preventing freezing of fuel, and is a mode that can be operated when sufficient methanol can be secured as fuel or when it is left for a short period at a low temperature.

저온 시동 모드(830)는 특히, 메탄올의 확보가 어려워 동결 방지 모드의 운용이 불가능하거나 저온에서 장기간 방치해야 하는 상황에서 촉매히터를 이용하는 모드다. 이 경우 예열 히터를 위한 개별 동작 모드(820)가 수행된다.The low-temperature start-up mode 830 is a mode in which the catalyst heater is used particularly in a situation in which it is difficult to secure methanol and the operation of the freeze prevention mode can not be performed or the system must be left at a low temperature for a long time. In this case, the separate operation mode 820 for the preheater is performed.

이러한 저온 시동 모드에 대하여는 도 9를 참조하여 설명한다. 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 시스템의 저온 구동방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 9를 참조하면, 연료전지 시스템의 저온 구동방법은, 연료전지 시스템(200)을 구동하는 단계(S910), 온도에 근거하여 촉매히터(도 2의 270)의 구동 여부를 결정하는 단계(S920), 촉매히터(270)의 반응열을 직접 메탄올 연료전지(도 2의 201)로 공급하는 단계(S930) 및 해동된 메탄올 수용액을 연료로 직접 메탄올 연료전지로부터 전력을 생산하는 단계(S940)를 포함한다.This low-temperature startup mode will be described with reference to FIG. 9 is a flowchart illustrating a low-temperature driving method of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 9, the low temperature driving method of the fuel cell system includes a step S910 of driving the fuel cell system 200, a step S920 of determining whether to drive the catalyst heater (270 in FIG. 2) (Step S930) of directly supplying the heat of reaction of the catalytic heater 270 to the methanol fuel cell 201 (step S930), and step S940 of producing electric power from the methanol fuel cell directly by using the thawed methanol aqueous solution do.

먼저, 연료전지 시스템을 구동하는 단계(S910)는 직접 메탄올 연료전지(201)를 이용하여 전력의 생산을 준비하는 단계이다.First, the step of driving the fuel cell system (S910) is a step of preparing the production of electric power using the direct methanol fuel cell (201).

이어서, 온도에 근거하여 촉매히터(270)의 구동 여부를 결정하는 단계(S920)는 도 8에서 설명한 3가지 연료전지 시스템의 시동 모드 중 저온 시동 모드로 진입하는 단계다. 이 단계에서는 주변 환경 또는 메탄올 수용액의 온도를 측정하고, 측정된 온도에 근거하여 촉매히터의 구동이 필요함을 사용자에게 알린다.Next, the step of determining whether to drive the catalyst heater 270 based on the temperature (S920) is a step of entering the low temperature starting mode among the starting modes of the three fuel cell systems shown in FIG. In this step, the ambient temperature or the aqueous methanol solution is measured, and the user is informed of the necessity of driving the catalyst heater based on the measured temperature.

다음으로, 촉매히터의 반응열을 직접 메탄올 연료전지로 공급하는 단계(S930)에서는 직접 메탄올 연료전지(201)에 탈부착 가능한 촉매히터(270)를 구동하여 반응열을 생성하고, 촉매히터를 직접 메탄올 연료전지에 부착한다. 촉매히터로부터 반응열을 공급받으면, 저온 환경에서 동결된 메탄올 수용액이 해동된다.Next, in step S930 of supplying the reaction heat of the catalyst heater directly to the methanol fuel cell, a reaction heat is generated by driving the catalytic heater 270 detachably attachable to the direct methanol fuel cell 201, and the catalyst heater is directly connected to the methanol fuel cell . When the reaction heat is supplied from the catalyst heater, the methanol aqueous solution frozen in a low temperature environment is thawed.

마지막으로, 직접 메탄올 연료전지(201)로부터 전력을 생산하는 단계(S940)에서는 주변 환경 또는 메탄올 수용액의 온도를 측정하고, 측정된 온도에 근거하여 메탄올 수용액의 해동이 확인되면 메탄올 수용액의 메탄올을 직접 산화시켜 전력을 생산한다.Finally, in step S940 of generating power from the direct methanol fuel cell 201, the ambient temperature or the temperature of the methanol aqueous solution is measured, and if thawing of the aqueous methanol solution is confirmed based on the measured temperature, Oxidation produces electricity.

이상에서 설명된 저온 구동 연료전지 시스템 및 연료전지 시스템의 저온 구동방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.The low-temperature drive fuel cell system and the low-temperature drive method of the fuel cell system described above are not limited to the configurations and the methods of the embodiments described above, but the embodiments can be applied to all or some of the embodiments May be selectively combined.

200: 저온 구동 연료전지 시스템
201: 직접 메탄올 연료전지
210: 연료 탱크 220: 스택
230: 믹싱 챔버 240: 에어 펌프
250: 콘덴서 260: 온도 센서
270: 촉매 히터 290: 제어기
310: 연료 전지 제어기
320: 열 교환기
321: 팬
331: 연료 펌프 332: 공급 펌프
340: 배터리 350: 블로어
360: DC/DC(Direct Current/Direct Current) 컨버터
510: 촉매부
520: 연료 확산부200: Low temperature drive fuel cell system
201: Direct methanol fuel cell
210: Fuel tank 220: Stack
230: mixing chamber 240: air pump
250: Capacitor 260: Temperature sensor
270: catalyst heater 290: controller
310: Fuel cell controller
320: Heat exchanger
321: Fan
331: fuel pump 332: feed pump
340: Battery 350: Blower
360: DC / DC (Direct Current / Direct Current) converter
510:
520: fuel diffusion portion

Claims (16)

막-전극 집합체의 적층에 의해 형성되어 메탄올을 직접 산화시켜 전기를 생성하는 스택과, 순수 메탄올과 콘덴서에 의한 농축수를 혼합하여 메탄올 수용액을 생성하는 믹싱 챔버를 갖는 직접 메탄올 연료전지; 및
반응물의 연소열을 상기 직접 메탄올 연료전지에 공급하여 저온 환경에서 동결되는 상기 메탄올 수용액을 해동하고 상기 스택을 예열하는 촉매히터;를 포함하며,
상기 촉매히터는 상기 직접 메탄올 연료전지의 메탄올을 상기 반응물로 이용하도록 상기 직접 메탄올 연료전지로부터 액체 메탄올을 직접 공급받고,
상기 촉매히터는 촉매를 이용한 비화염 연소반응에서 발생하는 반응물의 연소열을 이용하여 비교적 낮은 온도에서도 사용가능하며,
상기 촉매히터는, 백금으로 형성되는 촉매; 및 상기 촉매의 반응면적을 확보하도록 구 형태로 형성되는 촉매 담지체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 구동 연료전지 시스템.
A direct methanol fuel cell having a stack formed by stacking membrane-electrode assemblies to directly oxidize methanol to generate electricity, and a mixing chamber for mixing the concentrated water with pure methanol and condenser to produce an aqueous methanol solution; And
And a catalytic heater for supplying combustion heat of the reactant to the direct methanol fuel cell to thaw the methanol aqueous solution to be frozen in a low temperature environment and preheat the stack,
Wherein the catalyst heater is directly supplied with liquid methanol from the direct methanol fuel cell to utilize the methanol of the direct methanol fuel cell as the reactant,
The catalyst heater can be used at a relatively low temperature by using the heat of combustion of the reactant generated in the non-flame combustion reaction using the catalyst,
The catalyst heater includes a catalyst formed of platinum; And a catalyst carrier formed in a spherical shape to secure a reaction area of the catalyst.
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 촉매는 백금 전구체(PtH6Cl·6H2O)를 이용하여 함침법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 저온 구동 연료전지 시스템.
The method according to claim 1,
The catalyst is a platinum precursor (PtH 6 Cl · 6H 2 O ) and also driving a low temperature fuel cell system, characterized in that formed by a precipitation method using a.
제 1 항에 있어서,
상기 촉매히터에서 상기 촉매의 중량비는 8 내지 10wt.%인 것을 특징으로 하는 저온 구동 연료전지 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the weight ratio of the catalyst in the catalyst heater is 8 to 10 wt.%.
제 1 항에 있어서,
상기 촉매 담지체의 재질은 알루미나이며, 상기 구 형태의 지름은 2mm인 것을 특징으로 하는 저온 구동 연료전지 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the catalyst carrier is made of alumina and the spherical shape has a diameter of 2 mm.
제 1 항에 있어서,
상기 촉매히터는 상기 직접 메탄올 연료전지에 탈부착 가능하게 형성되는 것을 특징으로 하는 저온 구동 연료전지 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the catalyst heater is detachably attached to the direct methanol fuel cell.
제 1 항에 있어서,
상기 촉매히터로부터 상기 직접 메탄올 연료전지로 반응열의 공급이 필요함을 알리도록, 기설정된 온도보다 낮은 온도에서 작동하는 알림부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 구동 연료전지 시스템.
The method according to claim 1,
Further comprising an annunciator operating at a temperature lower than a predetermined temperature so as to inform that the supply of the heat from the catalyst heater to the direct methanol fuel cell is required.
제 1 항에 있어서,
주변 환경의 온도 또는 상기 메탄올 수용액의 온도를 감지하는 온도센서; 및
상기 온도센서에서 감지된 온도가 기설정된 온도보다 낮은 경우 상기 직접 메탄올 연료전지로 반응열을 공급하도록 상기 촉매히터를 구동하는 제어기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 구동 연료전지 시스템.
The method according to claim 1,
A temperature sensor for sensing a temperature of the surrounding environment or a temperature of the methanol aqueous solution; And
And a controller for driving the catalyst heater to supply the reaction heat to the direct methanol fuel cell when the temperature sensed by the temperature sensor is lower than a preset temperature.
제 1 항에 있어서,
상기 촉매히터에서 생성된 반응열을 선택적으로 상기 직접 메탄올 연료전지의 스택 또는 믹싱 챔버로 전달하는 열전도성 금속 소재의 열전달부가 상기 직접 메탄올 연료전지와 상기 촉매히터 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 저온 구동 연료전지 시스템.
The method according to claim 1,
Characterized in that a heat transfer portion of a thermally conductive metal material which selectively transfers the reaction heat generated in the catalyst heater to the stack or mixing chamber of the direct methanol fuel cell is formed between the direct methanol fuel cell and the catalyst heater Battery system.
제 10 항에 있어서,
상기 열전달부는 상기 스택 및 상기 믹싱 챔버에 각각 연결되며,
상기 직접 메탄올 연료전지와 상기 촉매히터에서 상기 열전달부를 제외한 나머지 영역은 상기 촉매히터에서 생성된 반응열의 전달을 제한하도록 비전도성 소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 저온 구동 연료전지 시스템.
11. The method of claim 10,
Wherein the heat transfer portion is connected to the stack and the mixing chamber,
Wherein the remaining region of the direct methanol fuel cell and the catalyst heater excluding the heat transfer portion is formed of a nonconductive material so as to restrict the transfer of reaction heat generated in the catalyst heater.
제 11 항에 있어서,
상기 비전도성 소재는 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC), ABS수지(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene resin)를 포함하는 엔지니어링 플라스틱인 것을 특징으로 하는 저온 구동 연료전지 시스템.
12. The method of claim 11,
Wherein the nonconductive material is an engineering plastic including polycarbonate (PC), ABS resin (Acrylonitrile-Butadiene-Styrene resin).
(a) 연료전지 시스템을 구동하는 단계;
(b) 온도에 근거하여 촉매히터의 구동여부를 결정하는 단계;
(c) 상기 촉매히터의 구동 결정에 따라 촉매히터의 반응열을 직접 메탄올 연료전지로 공급하여 저온 환경에서 동결되는 순수 메탄올과 콘덴서에 의해 농축수를 혼합하여 생성되는 메탄올 수용액을 해동하고 상기 연료전지 시스템의 스택을 예열하하는 단계; 및
(d) 해동된 메탄올 수용액을 연료로 사용하여 상기 연료전지 시스템의 스택이 상기 메탄올 수용액을 직접 산화시켜 전력을 생산하는 단계;를 포함하며,
상기 촉매히터는 상기 직접 메탄올 연료전지의 메탄올을 반응물로 이용하도록 상기 직접 메탄올 연료전지로부터 액체 메탄올을 직접 공급받고,
상기 촉매히터는 촉매를 이용한 비화염 연소반응에서 발생하는 반응물의 연소열을 이용하여 비교적 낮은 온도에서도 사용가능하며,
상기 촉매히터는, 백금으로 형성되는 촉매; 및 상기 촉매의 반응면적을 확보하도록 구 형태로 형성되는 촉매 담지체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 저온 구동방법.
(a) driving a fuel cell system;
(b) determining whether the catalyst heater is driven based on the temperature;
(c) supplying the reaction heat of the catalytic heater to the methanol fuel cell directly by driving the catalytic heater according to the driving decision of the catalytic heater, defrosting the methanol aqueous solution produced by mixing the concentrated methanol with the pure methanol frozen in the low temperature environment, Preheating the stack of stacks; And
(d) directly oxidizing the methanol aqueous solution by the stack of the fuel cell system using the thawed methanol aqueous solution as a fuel to produce electric power,
Wherein the catalyst heater is directly supplied with liquid methanol from the direct methanol fuel cell to use the methanol of the direct methanol fuel cell as a reactant,
The catalyst heater can be used at a relatively low temperature by using the heat of combustion of the reactant generated in the non-flame combustion reaction using the catalyst,
The catalyst heater includes a catalyst formed of platinum; And a catalyst carrier formed in a spherical shape to secure a reaction area of the catalyst.
제 13 항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
(b1) 온도 센서를 이용하여 주변 환경 또는 상기 메탄올 수용액의 온도를 측정하는 단계; 및
(b2) 측정된 온도에 근거하여 촉매히터의 구동이 필요함을 알람부를 이용하여 알리는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 저온 구동방법.
14. The method of claim 13,
The step (b)
(b1) measuring the ambient environment or the temperature of the methanol aqueous solution using a temperature sensor; And
(b2) informing the necessity of driving the catalyst heater based on the measured temperature by using the alarm unit.
제 13 항에 있어서,
상기 ( c) 단계는,
상기 직접 메탄올 연료전지에 탈부착 가능한 촉매히터를 구동하여 반응열을 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 저온 구동방법.14. The method of claim 13,
The step (c)
And generating a reaction heat by driving a catalyst heater detachably attachable to the direct methanol fuel cell. 제 13 항에 있어서,
상기 (d) 단계는,
(d1) 온도 센서를 이용하여 주변 환경 또는 상기 메탄올 수용액의 온도를 측정하는 단계;
(d2) 측정된 온도에 근거하여 상기 메탄올 수용액의 해동을 확인하는 단계;
(d3) 확인결과, 해동이면 상기 스택이 상기 메탄올 수용액의 메탄올을 직접 산화시켜 전력을 생산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 저온 구동방법.14. The method of claim 13,
The step (d)
(d1) measuring the ambient environment or the temperature of the methanol aqueous solution using a temperature sensor;
(d2) confirming thawing of the methanol aqueous solution based on the measured temperature;
(d3) As a result, when the fuel cell is thawed, the stack directly oxidizes the methanol in the aqueous methanol solution to produce electric power.
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