KR20070035856A - 연료전지 시스템과 그 제어장치 및 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료의 농도를 검출하는 연료농도센서를 이용하지 않고도 연료 농도를 간단하고 정확하게 제어할 수 있는 연료전지 시스템 및 그 제어방법과 제어장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 연료와 물이 혼합된 혼합연료 및 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 연료전지와, 연료전지에 연료를 공급하는 연료공급장치, 그리고 연료전지에서 출력되는 제1 전류 및 제1 전압이 가리키는 제1 지점이 기준 전류-전압 곡선 아래에 위치할 때, 먼저 연료의 공급량을 소정량 증가시킨 후 연료전지에서 출력되는 제2 전류 및 제2 전압이 가리키는 제2 지점의 이동 방향에 따라 연료 및 물 중 어느 하나의 공급량을 증감시키는 제어장치를 포함한다.
연료 전지, 운전, 제어, 농도, 연료, 물, 공급, 장시간 운전

Description

연료전지 시스템과 그 제어장치 및 제어방법{Control device for fuel cell system and related method}
도 1은 종래의 일반적인 연료전지 시스템의 연료 농도 변화에 따른 전류-전압 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템에 채용가능한 제어장치를 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템 제어장치를 나타내는 블록도이다.
도 5a 내지 도 5c는 도 4의 제어장치에서 구현되는 연료농도 조절방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 시스템 제어방법을 나타내는 순서도이다.
도 7a 및 도 7b는 도 6의 연료전지 시스템 제어방법에 의한 연료농도 조절방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료전지 시스템을 나타내는 블록도이 다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100: 연료전지 시스템
110: 직접 메탄올 연료전지(DMFC)
120: 연료공급장치
130: 혼합장치
140: 리사이클러(recycler)
160: 전력분배장치
170: 제어장치
180: 보조전원공급장치
미국특허 공개공보 제2005005381호
본 발명은 메탄올 농도 센서를 이용하지 않고 연료 농도를 간편하고 정확하게 제어하여 시스템의 안정적이고 지속적인 운전을 가능케 하는 연료전지 시스템, 연료전지 시스템 제어장치 및 연료전지 시스템 제어방법에 관한 것이다.
연료 전지는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템이다. 연료 전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따 라, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 알칼리 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
그 가운데, 고분자 전해질형 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)는 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 월등히 높고, 작동 온도가 낮으며, 아울러 빠른 시동 및 응답특성과 함께, 휴대용 전자기기용과 같은 이동용(transportable) 전원이나 자동차용 동력원과 같은 수송용 전원은 물론, 주택, 공공건물의 정지형 발전소와 같은 분산용 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다. 또한, 고분자 전해질형 연료전지에는 액상의 메탄올 연료를 직접 스택에 공급할 수 있는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)가 있다. 스택은 전기를 발생시키는 단위 연료전지 복수개를 적층하여 제작한 연료전지 구조를 나타낸다. 상술한 직접 메탄올 연료전지는 고분자 전해질형 연료전지와 달리 개질기를 사용하지 않기 때문에 소형화에 더욱 유리하다.
상술한 직접 메탄올 연료전지 등의 연료전지 시스템은 초기 구동 시간이 길고 이차전지 등에 비해 시스템의 부피가 크며 중량당 에너지 밀도가 작다는 단점이 있다. 따라서, 종래의 연료전지 시스템에서는 상술한 단점을 극복하기 위하여 배터리나 슈퍼캐패시터와 같은 에너지 저장 장치를 탑재한다. 이러한 시스템은 소위 하이브리드 전원공급장치로 불리운다.
한편, 상술한 직접 메탄올 연료전지는 연료전지에 공급되는 연료의 농도 변 화에 따라 그 효율에 차이를 보인다. 이것은 현상을 나타내는 이유 중의 하나는 현재 사용되는 있는 직접 메탄올 연료전지의 전해질막이 수소 이온(proton)만을 선택적으로 전달하지 못하고 연료의 크로스오버(crossover)를 허용하기 때문이다.
예를 들면, 도 1에 도시한 바와 같이, 직접 메탄올 연료전지에서 스택의 애노드측에 고농도의 연료-여기서, 혼합 연료에 함유된 연료의 몰농도가 최적 효율을 낼 수 있는 연료의 몰농도보다 높은 경우의 연료를 나타냄-가 공급되면, 전해질막을 통해 애노드측에서 캐소드측으로 크로스오버되는 연료량이 증가되고, 따라서 전해질막을 투과한 연료가 캐소드측에서 산화 반응하여 스택에서 발생시킬 수 있는 전위를 감소시킨다. 반대로, 직접 메탄올 연료전지에서 스택의 애노드측에 일정 농도 이하의 저농도의 연료-여기서, 혼합 연료에 함유된 연료의 몰농도가 최적 효율을 낼 수 있는 연료의 몰농도보다 낮은 경우의 연료를 나타냄-가 공급되면, 애노드측에서 연료 부족 현상이 발생하여 스택에서 발생시킬 수 있는 전위를 감소시킨다.
따라서, 종래의 직접 메탄올 연료전지에서는 연료전지 시스템의 장시간의 안정적인 운전을 위해 연료 농도를 일정하게 유지하는 것이 중요하다.
또 한편, 상술한 종래의 연료전지 시스템에서는 시스템의 전체적인 효율을 향상시키기 위하여 연료전지의 전기 화학적인 반응으로부터 생성되는 부산물을 재사용할 수 있도록 재처리하는 리사이클러(recycler)를 설치하여 사용하고 있다. 여기서, 부산물은 미반응 연료나 물 등을 포함한다. 예를 들면, 종래의 직접 메탄올 연료전지에서는 연료전지에서 유출되는 미반응 연료와 물을 재처리하여 재사용하기 위하여 혼합 탱크와 메탄올 농도 센서 등을 사용하고 있다. 메탄올 농도 센서는 스 택에 공급되는 연료의 메탄올 농도를 적절히 제어하기 위하여 통상 혼합 연료의 공급 경로상이나 연료나 물의 순환 경로상에 설치된다.
상술한 메탄올 농도 센서로는 수정 진동자와 같은 통상의 농도 센서가 사용될 수 있다. 하지만, 메탄올 농도 센서는 센서 자체의 오차뿐 아니라 센서의 주변 온도에 따라 검출되는 값에 차이가 있다. 따라서, 메탄올 농도 센서를 이용하는 종래의 연료전지 시스템에서는 스택에 공급되는 연료의 농도를 적절히 제어하기 위하여 검출된 농도값에 더하여 보정값, 온도 등의 변수를 고려해야 하고, 그로 인해 제어장치가 복잡해지고, 연료전지 제어를 위한 제어장치의 설계 자유도가 제한된다는 단점이 있다. 게다가, 종래의 직접 메탄올 연료전지에서는 메탄올 농도 센서의 고장시 스택에 적절한 농도의 연료를 공급할 수 없어 연료전지의 안정적인 운전 및 지속적인 운전이 거의 불가능하다.
본 발명의 목적은 메탄올 농도 센서를 이용하지 않고도 직접 메탄올 연료전지에 공급되는 연료의 농도를 제어하여 시스템의 안정적이고 지속적인 운전을 가능케 하는 연료전지 시스템 제어방법과 이를 채용한 연료전지 시스템 제어장치 및 연료전지 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 메탄올 농도 센서를 채용한 직접 메탄올 연료전지에서 메탄올 농도 센서가 고장난 경우에도 메탄올 농도를 용이하게 제어할 수 있는 연료전지 시스템 제어방법과 이를 채용한 연료전지 시스템 제어장치 및 연료전지 시스템을 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 실시예에 의하면, 연료와 물이 혼합된 혼합연료 및 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 연료전지; 연료전지에 연료를 공급하는 연료공급장치; 및 연료전지로부터 출력되는 제1 전류 및 제1 전압이 가리키는 제1 지점이 기준 전류-전압 곡선 아래에 위치할 때, 먼저 연료의 공급량을 소정량 증가시킨 후, 연료전지에서 출력되는 제2 전류 및 제2 전압이 가리키는 제2 지점의 이동 방향에 따라 연료 및 물 중 어느 하나의 공급량을 증감시키는 제어장치를 포함하는 연료전지 시스템이 제공된다.
바람직하게, 제어장치는, 연료전지의 온도를 감지하는 온도감지부; 연료전지에서 출력되는 전류 및 전압을 감지하는 출력감지부; 제1 지점이 기감지된 온도에 상응하는 기준 전류-전압 곡선 아래에 위치하는가를 판단하고, 제2 지점이 제1 지점으로부터 기준 전류-전압 곡선에 근접하였는가 또는 멀어졌는가를 판단하는 비교연산부; 및 비교연산부의 출력에 응답하여 연료의 공급량을 소정량 증가시키기 위한 제1 제어신호, 및 연료 및 물 중 적어도 어느 하나의 공급량을 조절하기 위한 제2 제어신호를 발생시키는 제어신호 발생부를 포함한다.
또한, 제어장치는, 복수의 온도에 상응하는 복수의 기준 전류-전압 곡선을 저장하는 메모리, 및 메모리에 엑세스하여 제어 작업을 수행하는 프로세서를 포함한다. 프로세서는 제2 지점이 기준 전류-전압 곡선측에 접근하면, 연료의 공급량을 일정량 증가시키고, 제2 지점이 기준 전류-전압 곡선으로부터 멀어지면, 물의 공급량을 일정량 증가시킨다. 다른 한편으로, 프로세서는 제2 지점이 기준 전류-전압 곡선측에 접근하면, 물의 공급량을 일정량 감소시키고, 제2 지점이 기준 전류-전압 곡선으로부터 멀어지면, 연료의 공급량을 일정량 감소시킨다. 또 다른 한편으로, 프로세서는 제2 지점이 기준 전류-전압 곡선측에 접근하면, 연료의 공급량을 일정량 증가시키고 물의 공급량을 일정량 감소시키며, 제2 지점이 기준 전류-전압 곡선으로부터 멀어지면, 연료의 공급량을 일정량 감소시키고 물의 공급량을 일정량 증가시킨다.
본 발명의 제2 실시예에 의하면, 연료와 물이 혼합된 혼합연료 및 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 직접 메탄올형 연료전지와, 연료 및 상기 물의 공급량을 조절하는 제1 및 제2 유량조절장치를 구비한 연료전지 시스템을 제어하는 제어장치에 있어서, 기준 전류-전압 곡선을 저장하는 메모리; 및 메모리에 엑세스하는 프로세서를 포함하되, 프로세서는, 연료전지에서 출력되는 제1 전류 및 제1 전압이 가리키는 제1 지점이 기준 전류-전압 곡선 아래에 위치할 때, 먼저 연료의 공급량을 소정량 증가시킨 후, 연료전지에서 출력되는 제2 전류 및 제2 전압이 가리키는 제2 지점의 이동 방향에 따라 연료 및 물 중 어느 하나의 공급량을 증감시키는 연료전지 시스템 제어장치가 제공된다.
바람직하게, 메모리는 연료전지의 복수의 온도에 상응하는 복수의 기준 전류-전압 곡선을 저장하며, 프로세서는 감지된 연료전지의 온도에 따라 선택되는 기준 전류-전압 곡선을 이용한다.
본 발명의 제3 실시예에 의하면, 연료와 물이 혼합된 혼합연료를 이용하는 연료전지 및 상기 연료전지에 혼합연료를 공급하는 연료공급부에 결합된 제어장치에서 연료전지 및 연료공급부를 포함한 연료전지 시스템을 제어하는 방법에 있어서, 연료전지에서 출력되는 제1 전류 및 제1 전압을 감지하는 제1 단계; 제1 전류 및 제1 전압이 가리키는 제1 지점이 연료전지의 기준 전류-전압 곡선 아래에 위치하는가를 판단하는 제2 단계; 제1 지점이 기준 전류-전압 곡선 아래에 위치하면, 연료의 공급량을 소정량 증가시키는 제3 단계; 및 제1 지점으로부터 연료전지로부터 감지된 제2 전류 및 제2 전압이 가리키는 제2 지점의 이동 방향에 따라 연료전지에 공급되는 혼합연료 내의 연료 및 물 중 적어도 어느 하나를 증감시키는 제4 단계를 포함하는 연료전지 시스템 제어방법이 제공된다.
바람직하게, 제4 단계는, 제2 지점이 기준 전류-전압 곡선측에 근접하였는가 멀어졌는가를 판단하는 단계; 제2 지점이 기준 전류-전압 곡선측에 근접하였으면, 연료의 공급량을 일정량 증가 및/또는 상기 물의 공급량을 일정량 감소시키는 단계; 제2 지점이 기준 전류-전압 곡선으로부터 멀어졌으면, 연료의 공급량을 일정량 감소 및/또는 물의 공급량을 일정량 증가시키는 단계; 연료전지로부터 감지된 제3 전류 및 제3 전압이 가리키는 제3 지점이 기준 전류-전압 곡선의 허용범위에 위치하는가를 판단하는 단계; 및 제3 지점이 허용범위에 위치하면, 연료 및 물의 공급율을 변경 저장하는 단계를 포함한다.
또한, 상술한 제어방법은 연료전지의 온도를 감지하는 단계를 추가적으로 포함하며, 이 경우 기준 전류-전압 곡선은 복수의 기준 전류-전압 곡선들 중 기감지 된 연료전지의 온도에 따라 선택된다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 요소를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 도면상에서 동일 부호는 유사하거나 동일한 요소를 지칭한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은 혼합연료 내의 연료농도를 검출하는 농도 센서를 이용하지 않고도 혼합연료 내의 연료농도를 원하는 농도로 간단하게 제어하여 연료전지 시스템의 안정적이고 지속적인 운전을 가능케 한다. 이를 위해, 연료전지 시스템(100)은 연료전지(110), 연료공급장치(120), 혼합장치(130), 리사이클러(recycler, 140), 전력분배장치(150), 보조전원공급장치(160) 및 제어장치(170)를 구비한다.
보다 구체적으로, 연료전지(110)는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 전기발생부 또는 발전시스템을 포함한다. 연료전지(110)의 애노드측에는 연료가 공급되고, 캐소드측에는 산화제가 공급된다. 연료는 수소가스, 천연가스, 메탄올, 석탄, 석유, 바이오매스가스, 매립지 가스 등을 포함하며, 산화제는 공기나 산소가스 등을 포함한다.
연료전지(110)로는 직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC)가 사용되는 것이 바람직하다. 직접 메탄올 연료전지는 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)로 이루어진 단위 연료전지 복수개가 세퍼레이터(separator)를 사이에 두고 적층된 구조를 가진다. 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질막의 양측에 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조를 가진다. 상술한 구조는 소위 스택(stack)으로 불리운다.
상술한 구성에서, 연료전지(110)의 애노드측 촉매층에 연료가 공급되면 연료는 촉매층에서 전기화학적 반응을 일으키면서 수소 이온(proton, H+)과 전자(e-)로 이온화되며 산화된다. 이온화된 수소 이온은 애노드측 촉매층에서 고분자 전해질막을 통과하여 캐소드측 촉매층으로 이동하고, 전자는 외부 도선을 통해 캐소드측 촉매층으로 이동하게 된다. 캐소드측 촉매층으로 이동한 수소 이온은 캐소드측 촉매층에 공급되는 공기 중의 산소와 전기화학적 환원반응을 일으켜 반응열과 물을 발생시킨다. 그리고 전자의 이동으로 전기 에너지가 발생된다. 상술한 연료전지(110)의 반응을 나타내면 다음과 같다.
애노드측 : CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-
캐소드측 : 6H+ + 3/2O2 + 6e- → 3H2O
전체반응 : CH3OH + 3/2O2 → 2H2O + CO2
직접 메탄올 연료전지(110)의 애노드측에 공급되는 연료는 물과 연료가 혼합된 혼합연료가 된다. 예컨대, 혼합연료는 메탄올과 물이 일정 비율로 혼합되어 연료가 일정 몰농도로 함유된 연료가 된다. 연료전지(110)와 혼합장치(130) 사이에 설치된 펌프(112)를 이용하면, 혼합연료의 공급량을 임의로 조절하는 것이 가능하다. 그리고, 연료전지(110)의 캐소드측에 결합설치되는 공기 펌프(114)를 이용하면, 연료전지(110)에 공급되는 공기의 공급량을 임의로 조절하는 것이 가능하다.
연료공급장치(120)는 연료전지(110)에 공급할 연료를 저장한다. 연료공급장치(120)는 연료탱크와 같은 연료저장용기나 교체가 용이한 카트리지 방식의 연료저장용기를 포함한다. 연료공급장치(120)에 저장되는 연료는 물 등이 혼합된 혼합연료이거나 물 등이 혼합되지 않는 순수 연료를 포함한다. 혼합연료인 경우, 연료공급장치(120)에 저장되는 연료는 연료전지(110)에 공급되는 혼합연료보다 연료의 몰농도가 높은 고농도 혼합연료가 된다. 그리고, 연료공급장치(120)와 혼합장치(130) 사이에 설치되는 펌프(122)를 이용하면, 연료공급장치(120)로부터 혼합장치(130)에 공급되는 연료의 공급량을 임의로 조절하는 것이 가능하다.
혼합장치(130)는 연료공급장치(120) 등으로부터 유입되는 연료와 물을 혼합하고 저장한다. 혼합장치(130)로 유입되는 연료는 연료전지(110)로부터 유출되고 연료순환장치를 통해 혼합장치(130)로 유입되는 미반응 연료를 포함한다. 여기서, 연료순환장치는 연료전지(110)와 혼합장치(130)에 연결된 배관(116)을 구비한다. 그리고, 혼합장치(130)로 유입되는 물은 연료전지(110)부터 유출되고 리사이클러(140)를 통해 혼합장치(130)로 유입되는 수증기나 물을 포함한다. 예컨대, 연료전지(110)의 캐소드측에 발생한 물의 대략 1/3을 회수하여 애노드측에 공급하면 연료에 처음부터 물을 혼합할 필요가 없다.
또한, 상술한 혼합장치(130)를 사용하면, 동일한 체적의 연료를 이용하는 경우, 고농도의 연료를 사용할 수 있기 때문에 희석연료(물이 혼합된 연료)에 비해 장시간 발전이 가능하게 된다. 예를 들면, 순수 메탄올 연료가 약 0.124372㎖/min만큼 요구되는 12W의 직접 메탄올 연료전지의 경우, 10몰의 혼합연료는 대략 0.310929㎖/min가 필요하고, 1몰의 혼합연료는 대략 3.109292㎖/min가 필요하다. 이처럼, 동일 체적의 연료라면, 고농도의 연료를 사용하는 것이 장시간 운전에 유리하다. 아울러, 동일 발전 시간이라면, 연료공급장치(연료탱크)의 크기를 작게 할 수 있다.
리사이클러(140)는 연료전지(110)의 캐소드측에 연결된 배관(118)을 통해 유출되는 수증기를 일정량 강제 응축시킨다. 예를 들면, 리사이클러(140)는 수증기로부터 열을 빼앗을 수 있는 금속 배관과, 이 금속 배관의 외부에서 금속 배관을 강제 공냉시키는 팬으로 구성될 수 있다. 물론, 리사이클러(140)는 적용가능한 다양한 열교환기 또는 응축기(condenser)로 구성될 수 있다. 그리고, 연료전지(110)와 혼합장치(130) 사이에 설치되는 리사이클러(140)를 이용하면, 혼합장치(130)에 공급되는 물의 공급량을 임의로 조절하는 것이 가능하다.
전력분배장치(150)는 연료전지(110)의 출력을 부하에 전달한다. 전력분배장 치(150)는 필요한 경우 연료전지(110)의 출력을 부하에서 요구하는 전력에 맞추어 변환한다. 예를 들면, 전력분배장치(150)는 DC-DC 변환기, DC-AC 변환기 등으로 구성될 수 있다.
또한, 전력분배장치(150)는 보조전원공급장치(160)의 출력을 부하에 전달한다. 전력분배장치(150)는 연료전지(110)의 출력과 보조전원공급장치(160)의 출력을 조합하여 부하에 공급하거나 두 출력 중 하나를 선택적으로 공급한다. 또한, 전력분배장치(150)는 연료전지(110)의 출력의 부하에 공급하면서 잉여전력을 보조전원공급장치(160)에 공급한다. 이 경우, 보조전원공급장치(160)는 충전가능한 장치가 된다.
또한, 전력분배장치(150)는 전력 변환 등의 처리과정에서 연료전지(110)의 출력을 일정량 감소시킨다. 따라서, 전력분배장치(130)는 고효율의 장치를 사용하는 것이 바람직하다.
보조전원공급장치(160)는 제어장치(170), 부하 등에 필요한 전력을 공급한다. 예를 들면, 보조전원공급장치(160)는 연료전지(110)의 초기 구동시 전력분배장치(150)를 통해 제어장치(170)와 연료전지(110)의 주변장치(펌프 등)에 전력을 공급한다. 보조전원공급장치(160)로는 배터리, 캐패시터, 슈퍼캐패시터 등이 이용된다.
보조전원공급장치(160) 중 배터리는 연료전지(110)에서 출력되는 전기에너지 등에 의해 충전되고, 충전된 전기에너지를 방전시키는 이차전지를 포함한다. 이차전지로는 니켈 수소(Ni-MH), 리튬계 이차전지 등이 사용될 수 있다. 리튬계 이차전 지로는 리튬이온 이차전지, 리튬이온 고분자 이차전지, 리튬고분자 이차전지(리튬폴리머 이차전지)가 있다.
제어장치(170)는 스택 구조의 연료전지(110)에 충분한 양의 혼합연료와 산화제가 공급되도록 연료전지(110)의 애노드측에 결합된 펌프(112)와 연료전지(110)의 캐소드측에 결합된 산화제공급장치, 예컨대, 공기펌프(114)를 제어한다. 제어장치(170)는 필요한 제어신호(CS1, CS2)를 발생시키고, 발생된 제어신호(CS1, CS2)를 펌프(112)와 공기펌프(114)에 인가한다. 상술한 펌프나 공기펌프는 그것을 통과하는 유량을 조절할 수 있는 유량조절장치의 일례이다.
또한, 제어장치(170)는 일정 용량의 저장부를 구비한다. 제어장치(170)의 저장부에는 연료전지(110)의 고부하에 가까운 운전상태에서 출력되는 전류 및 전압을 검출하고, 검출된 전류 및 전압을 이용하여 기준이 되는 연료 농도를 산출하고, 산출된 기준 연료농도와 그 때의 전류-전압 곡선을 기준 전류-전압 곡선으로 설정한 정보가 저장된다. 그리고 저장부에 저장되는 기준 연료농도와 기준 전류-전압 곡선은 온도에 따라 다른 출력 특성을 나타내는 연료전지에 적합하도록 복수의 온도에 상응하는 복수의 상기 정보를 포함한다.
또한, 제어장치(170)는 연료전지(110)의 온도를 감지한다. 연료전지(110)의 온도는 초기 구동시 연료전지(110)의 정상구동 시점을 확인하거나 정상 구동시 최적 효율의 운전상태를 유지하기 위한 정보 등으로 이용된다. 이를 위해, 연료전지(110)에는 서미스터(thermistor) 등의 온도검출장치가 설치된다. 제어장치(170)는 온도검출장치로부터 검출된 검출신호(DS1)를 받는다.
또한, 제어장치(170)는 연료전지(110)에서 출력되는 전류 및 전압을 감지한다. 연료전지(110)에서 출력되는 전류 및 전압을 이용하면, 연료전지(110)에 공급되는 혼합연료의 농도가 최적 효율에서 측정한 기준농도에 근접한가 아닌가를 알 수 있다. 예를 들면, 제어장치(170)는 전력분배장치(160)를 통해 연료전지(110)의 출력 전류 및 출력 전압을 감지한다. 이 경우, 제어장치(170)는 전력분배장치(160)로부터 연료전지(110)의 출력단자에서 검출한 전류 및 전압에 대한 검출신호(DS2)를 받는다.
또한, 제어장치(170)는 연료공급장치(120)로부터 혼합장치(130)에 공급되는 연료의 공급량을 조절하기 위해 제어신호(CS3)를 발생시키고, 발생된 제어신호(CS3)를 펌프(122)에 인가한다. 그리고, 제어장치(170)는 연료전지(110)의 캐소드측에서 유출되는 수증기의 응축율을 조절하기 위해 제어신호(CS4)를 발생시키고, 발생된 제어신호(CS4)를 예컨대, 리사이클러(140)의 팬에 인가한다. 한편, 제어장치(170)는 혼합장치(130)에 설치된 레벨측정장치 예컨대 레벨센서로부터 혼합연료의 레벨에 대한 검출신호(DS3)를 받고, 그 검출신호(DS3)에 따라 연료 공급량 및/또는 물 공급량을 조절할 수 있다.
본 실시예에서, 제어장치(170)는 연료전지(110)에서 출력되는 전류 및 전압을 감지하고, 감지된 전류 및 전압이 가리키는 지점(전력곡선 상의 지점)이 기저장된 기준 전류-전압 곡선의 허용범위에서 벗어나 있는가를 판단하고, 벗어난 경우, 먼저 연료를 소정량 추가공급하여 연료전지(110)의 전류 및 전압이 가리키는 지점의 변화(이동 방향)에 따라 연료 또는 물의 공급량의 조절하여 혼합연료의 농도를 빠르고 정확하게 최적화한다. 제어장치(170)의 구성과 제어방법에 관하여는 아래의 상세한 설명에서 보다 구체적으로 언급될 것이다.
상술한 구성에 따르면, 메탄올 농도 센서를 사용하지 않고도 연료전지에 적합한 최적의 연료농도를 신속하고 정확하게 제어하는 것이 가능하다. 즉, 순환되는 물의 양이 변화되거나 다른 몰농도의 연료를 사용하는 경우와 같이 연료전지에 유입되는 혼합연료의 농도가 변화되는 경우에도 메탄올 농도 센서 없이 간단하고 정확하게 연료전지에 공급되는 혼합연료의 농도를 최적화시킬 수 있다. 따라서, 메탄올 농도 센서를 이용하지 않고도 연료전지 시스템의 장시간의 안정적인 운전이 가능하다. 아울러, 메탄올 농도 센서가 탑재된 연료전지 시스템에서는 메탄올 농도 센서가 고장난 경우에도 연료전지 시스템의 지속적이고 안정적인 운전을 가능케 한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템에 채용가능한 제어장치를 나타내는 블록도이다. 아래에서 설명하는 제어장치(200)는 제1 실시예의 제어장치(170)에 대응된다.
도 3을 참조하면, 제어장치(200)는 연료전지의 온도, 전류, 전압을 감지하고, 감지된 전압과 전류가 가리키는 지점이 기준 전류-전압 곡선에 근접하도록 연료 및/또는 물의 공급량을 조절한다. 이것은 연료전지가 최적 효율로 운전될 수 있도록 하기 위한 것이다.
제어장치(200)는 연료전지의 온도를 감지하는 온도감지부(210), 연료전지의 전류 및 전압을 감지하는 출력감지부(220), 연료전지의 기준 전류-전압 곡선을 저장하는 저장부(230), 감지된 전류 및 전압이 가리키는 지점이 기준 전류-전압 곡선의 허용범위에서 벗어났는가 아닌가 또는 근접했는가 아닌가를 판단하는 비교연산부(240), 및 감지된 전류 및 전압에 기초한 판단에 따라 연료농도를 제어하기 위한 제어신호를 발생시키는 신호발생부(250)를 구비한다.
상술한 구성에 의하면, 제어장치(200)는 연료전지로부터 감지된 전류 및 전압에 따라 연료의 공급량을 조정할 수 있는 펌프와, 물의 공급량을 조정할 수 있는 팬 또는 펌프를 제어하여 혼합연료의 몰농도를 임의로 조절할 수 있다. 이러한 제어장치(200)는 마이크로프로세서와 메모리로 구성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템 제어장치를 나타내는 블록도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 제어장치(300)는 신호의 실시간 처리가 가능한 마이크로프로세서(310)와, 이 프로세서에 결합되며 프로그램이 저장되는 메모리 시스템(330)으로 이루어진다.
프로세서(310)는 계산을 수행하기 위한 ALU(Arithmetic Logic Unit, 314)와, 데이터 및 명령어의 일시적인 저장을 위한 레지스터(316) 및 연료전지 시스템의 동작을 제어하기 위한 컨트롤러(318)를 포함한다. 프로세서(310)는 디지털(Digital) 사의 알파(Alpha), MIPS 테크놀로지, NEC, IDT, 지멘스(Siemens) 등의 MIPS, 인텔(Intel)과 사이릭스(Cyrix), AMD 및 넥스젠(Nexgen)을 포함하는 회사의 x86 및 IBM 과 모토롤라(Motorola)의 파워PC(PowerPC)와 같이 다양한 아키텍처(Architectrue)를 갖는 프로세서 중 적어도 하나를 포함한다.
메모리 시스템(330)은 일반적으로 RAM(Random Access Memory)과 ROM(Read Only Memory)과 같은 저장 매체 형태인 고속의 메인 메모리와, 플로피 디스크, 하드 디스크, 자기 테이프, CD-ROM, 플래시 메모리 등의 장기(long time) 저장 매체 형태의 보조 메모리 및 전기, 자기, 광학이나 그 밖의 저장 매체을 이용하여 데이터를 저장하는 장치를 포함한다. 여기서, 메인 메모리는 디스플레이 장치를 통하여 이미지를 디스플레이 하는 비디오 메모리를 포함할 수 있다. 또한, 메모리 시스템(330)은 소정 루틴을 수행하도록 이루어진 제작된 소자, 예컨대, 플립플롭을 포함한다.
메모리 시스템(330)에는 기준 전류-전압 곡선을 저장하는 룩업테이블(332, 334)이 저장된다. 바람직하게, 룩업테이블(332, 334)에는 연료전지스택(354)의 온도 변화에 따른 복수의 기준 전류-전압 곡선이 저장된다. 여기서, 기준 전류-전압 곡선은 연료전지스택의 특정 온도에서 최적 효율을 나타내는 연료전지스택(354)의 출력 전류 및 전압에 기초하여 작성된 전류-전압 곡선을 말한다.
상술한 구성에 의해, 프로세서(310)는 스택 구조의 연료전지나 보조전원공급장치 또는 상용 전원 등의 전원공급장치(349)로부터 전원을 받고, 연료전지스택(347)의 출력 전류 및 전압을 감지하며, 온도 센서(341)로부터 연료전지스택의 온도에 대한 검출신호를 받는다. 이때, 검출신호는 증폭기(343)를 통해 프로세서(310)에 입력된다. 그리고, 프로세서(310)는 혼합장치에 설치된 레벨센서(345)로부 터 혼합연료의 레벨에 대한 검출신호를 받는다. 프로세서(310)에 입력된 신호는 예컨대 소정 비트의 아날로그 디지털 변환기로 이루어진 입력단(312)을 통해 프로세서(310)에 인식된다.
다음, 프로세서(310)는, 프로그램이나 소정 루틴을 수행하도록 이루어진 메모리 시스템(330)을 통해, 연료전지에서 출력되는 제1 전류 및 제1 전압이 가리키는 제1 지점이 기준 전류-전압 곡선 아래에 위치할 때, 먼저 연료의 공급량을 소정량 증가시킨 후 연료전지에서 출력되는 제2 전류 및 제2 전압이 가리키는 제2 지점의 이동 방향(제1 지점으로부터의 이동 방향)에 따라 제1 펌프(351) 및/또는 리사이클러(353) 내의 팬을 제어하여 연료 및 물 중 어느 하나의 공급량을 조절한다.
구체적으로, 도 6a에 도시한 바와 같이, 혼합연료의 농도가 적정 농도보다 낮은 저농도로 변하여 상기 제1 지점이 기준 전류-전압 곡선 아래에 위치하는 경우, 소정량의 연료가 주입되면, 상기 제2 지점은 기준 전류-전압 곡선에 근접하는 방향으로 이동한다. 이 경우, 제어장치(300)는 제2 지점의 이동 방향을 감지하여 혼합연료가 저농도임을 확인하고, 연료전지의 출력 전류와 전압을 계속 감지하면서 일정량의 연료를 추가 공급하여 연료전지의 출력 전류와 전압이 가리키는 지점이 기준 전류-전압 곡선에 일치하도록 시스템을 제어한다.
한편, 도 6b에 도시한 바와 같이, 혼합연료가 농도가 적정 농도보다 낮은 저농도로 변한 상태에서 물을 추가적으로 공급하면, 연료 부족이 발생되어 연료전지의 출력이 급격히 악화될 수 있다. 심한 경우, 연료전지의 운전이 정지될 수 있다.
다른 한편으로, 도 6c에 도시한 바와 같이, 혼합연료의 농도가 적정 농도보 다 높은 고농도로 변하여 상기 제1 지점이 기준 전류-전압 곡선 아래에 위치하는 경우, 소정량의 연료가 주입되면, 상기 제2 지점은 기준 전류-전압 곡선으로부터 조금더 멀어진다. 이 경우, 제어장치(300)는 제2 지점의 이동 방향을 감지하여 혼합연료가 고농도임을 확인하고, 연료전지의 출력 전류와 전압을 계속 감지하면서 일정량의 물을 추가 공급하여 연료전지의 출력 전류와 전압이 가리키는 지점이 기준 전류-전압 곡선에 일치하도록 시스템을 제어한다.
위에 기술한 바에 따르면, 프로세서(310)가 연료 및 물 중 어느 하나의 공급량을 조절하는 방법 중의 하나는 연료의 공급량을 소정량 증가시킨 후에 상기 제2 지점이 기준 전류-전압 곡선측에 접근하면, 연료의 공급량을 일정량 증가시키고, 제2 지점이 기준 전류-전압 곡선으로부터 멀어지면, 물의 공급량을 일정량 증가시키는 일련의 과정을 수행하는 것이다. 다른 방법으로는, 연료의 공급량을 소정량 증가시킨 후에 상기 제2 지점이 기준 전류-전압 곡선측에 접근하면, 물의 공급량을 일정량 감소시키고, 제2 지점이 기준 전류-전압 곡선으로부터 멀어지면, 연료의 공급량을 일정량 감소시키는 일련의 과정을 수행하는 것이다. 또 다른 방법으로는, 연료의 공급량을 소정량 증가시킨 후에 상기 제2 지점이 기준 전류-전압 곡선측에 접근하면, 연료의 공급량을 일정량 증가시키고 동시에 물의 공급량을 일정량 감소시키며, 제2 지점이 기준 전류-전압 곡선으로부터 멀어지면, 연료의 공급량을 일정량 감소시키고 동시에 물의 공급량을 일정량 증가시키는 일련의 과정을 수행하는 것이다.
상술한 제1 펌프(351)는 예컨대 연료를 혼합장치에 공급하는 펌프에 대응된 다. 그리고, 프로세서(310)는 연료전지에 혼합연료를 공급하는 펌프와 공기를 공급하는 공기펌프에 대응하는 제2 및 제3 펌프(355, 357)를 제어한다.
상술한 구성에 의하면, 본 실시예에 따른 제어장치는 메탄올 농도 센서와 같이 연료의 농도를 검출하는 연료농도 센서를 이용하지 않고도 연료전지스택의 출력 전류 및 전압만을 이용하여 연료전지스택에 공급되는 혼합연료의 농도를 최적 효율을 나타내는 농도로 간편하게 조절할 수 있다.
다시 말해서, 종래의 직접 메탄올 연료전지에서는 연료전지 시스템의 출력이 적정 출력보다 낮아지면, 기본적으로 혼합연료의 몰농도 변화를 예상할 수 있는데, 그러한 경우, 메탄올 농도 센서가 없거나 고장나면, 혼합연료의 몰농도 변화를 알 수 없어 연료전지 시스템의 장시간의 안정적인 운전이 불가능하였다. 하지만, 본 발명에서는 직접 메탄올 연료전지의 출력이 적정 출력보다 낮아졌을 때, 소정량의 연료를 추가공급하고, 연료전지의 출력 변화에 따라 혼합연료의 농도 변화를 정확하게 판단함으로써, 간단하고 정확하게 혼합연료의 농도를 적정 농도로 조절할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 연료 농도 센서를 이용하지 않고도 직접 메탄올 연료전지의 장시간의 안정적인 운전이 가능해진다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 시스템 제어방법을 나타내는 순서도이다.
도 6을 참조하면, 먼저 연료전지 시스템의 제어장치에서는 직접 메탄올 연료전지에서 출력되는 전류(I) 및 전압(V)을 감지한다(510).
다음, 감지된 전류와 전압이 기준 전류-전압(I-V) 곡선 아래에 위치하는가를 판단한다(520). 다시 말해서, 감지된 전류와 전압이 가리키는 지점(또는 전력점)이 기준 전류-전압 곡선 아래에 위치하는가를 판단한다. 여기서, 기준 전류-전압 곡선은 연료전지의 최대 출력 부근에서 설정되므로 이하의 설명에서는 감지된 전류와 전압이 가리키는 지점이 기준 전류-전압 곡선 위에 위치하는 것은 고려하지 않는다.
상기 판단(520) 방법 중의 하나는 감지된 전류와 전압에서 감지된 전류와 실질적으로 동일한 기준 전류에 상응하는 기준 전압을 기준 전류-전압 곡선에서 검출하여 감지된 전압과 비교하고, 동시에 감지된 전압과 실질적으로 동일한 기준 전압에 상응하는 기준 전류를 기준 전류-전압 곡선에서 검출하여 감지된 전류와 비교하는 것이다. 상기 비교 결과, 감지된 전류 및 전압이 비교된 기준 전류 및 기준 전압보다 작으면, 감지된 전류 및 전압이 기준 전류-전압 곡선 아래에 있다는 것을 알 수 있다.
그리고, 실질적으로 동일한 기준 전류와 실질적으로 동일한 기준 전압은 기준 전류와 기준 전압이 일정한 허용범위를 갖는다는 것을 의미한다. 예를 들면, 감지된 전류 및 전압이 232㎃, 4.25V일 때, 동일한 기준 전압에서 기준 전류가 235㎃이면, 감지된 전류가 235㎃~230㎃의 범위에 있으면, 제어장치는 감지된 전류가 기준 전류의 허용범위 내에 있다고 판단하는 것이다. 감지된 전압에 대하여도 감지된 전류의 경우와 유사하게 적용된다.
다음, 제어장치는 먼저 소정량의 연료를 추가공급한다(530). 소정량의 연료 는 연료전지의 출력을 변화시킬 수 있는 최소의 연료량으로 실험적으로 설정된다. 예를 들면, 소정량의 연료는, 출력 12W의 직접 메탄올 연료전지에 메탄올 농도 1몰의 혼합연료가 공급되고 있는 경우, 혼합탱크에 공급되는 순수 메탄올의 분당 공급량을 소정 범위 예컨대 0%를 초과하고 10% 이하의 범위에서 증가시킨 연료량을 나타낸다. 만일, 소정량의 연료가 추가공급된 후에도 연료전지의 출력이 변화되지 않으면, 소정량 연료의 추가 공급을 2, 3회 반복 수행할 수 있다.
다음, 제어장치는 연료전지로부터 다시 감지된 전류 및 전압이 가리키는 지점이 기준 전류-전압 곡선에 근접하도록 이동하였가를 판단한다(540). 다시 말해서, 도 7a에 도시한 바와 같이, 제어장치는 일정 허용범위(Z)를 갖는 기준 전류-전압 곡선(D)에 대하여 측정된 전류와 전압(measured I, V)이 가리키는 지점(A)이 제1 이동 지점(B)와 같이 근접하게 이동하였는가 또는 제2 이동 지점(C)과 같이 더 멀게 이동하였는가를 판단한다. 상기 판단(540) 방법 중 하나는 예를 들어 동일한 전압하에서 감지된 전류와 기준 전류의 차가 감소하고 동시에 동일한 전류하에서 감지된 전압과 기준 전압의 차가 감소하였는가 비교하는 방식을 수행될 수 있다.
상기 판단(540)에 의하면, 제어장치는 측정된 전류와 전압이 가리키는 지점(A)의 이동 방향에 따라 연료전지에 공급되는 있는 혼합연료의 농도가 적정 농도보다 높은 고농도로 변화되어 있는 상태인가 아니면 적정 농도보다 낮은 저농도로 변화되어 있는 상태인가를 결정한다. 즉, 연료전지의 출력 감소 후 소정량의 연료가 추가 공급됨에 따라 연료전지의 출력이 A지점으로부터 B지점으로 이동하면, 제어장치는 혼합연료의 농도가 저농도 상태의 연료라고 판단하고, 연료전지의 출력이 A지 점으로부터 C지점으로 이동하면, 제어장치는 혼합연료의 농도가 고농도 상태의 연료라고 판단한다.
상기 판단(540) 결과, 감지된 전류와 전압이 기준 전류-전압 곡선에 근접하였으면, 제어장치는 감지된 전류와 전압이 기준 전류-전압 곡선의 허용범위 내에 위치하는가를 판단한다(545).
상기 판단(545) 결과, 감지된 전류와 전압이 가리키는 지점이 허용범위 내에 위치하지 않으면, 제어장치는 혼합연료의 농도를 적정 농도로 높이기 위해 일정량의 연료를 추가적으로 공급한다(550). 물론, 본 단계에서 물의 공급량을 일정량 감소시키거나 연료의 공급량을 일정량 늘리면서 물의 공급량을 일정량 감소시키는 것도 가능하다. 다음, 연료전지의 전류 및 전압을 다시 감지하고, 감지된 전류와 전압이 기준 전류-전압 곡선의 허용범위 내에 위치하는가를 판단한다(560). 상기 판단(560) 결과, 허용범위 내에 위치하면, 현재 연료전지에 공급되고 있는 연료 및 물의 공급율을 변경 저장한다(590). 그리고 상기 제어과정을 종료한다. 한편, 상기 판단(545) 결과, 소정량의 연료를 공급한 후 연료전지로부터 감지된 전류와 전압이 허용범위 내에 위치하면, 현재 연료전지에 공급되고 있는 연료 및 물의 공급율을 변경 저장한다(590). 그리고 상기 제어과정을 종료한다.
한편, 상기 판단(540) 결과, 감지된 전류와 전압이 가리키는 지점이 기준 전류-전압 곡선에 근접하지 않으면, 제어장치는 혼합연료의 농도를 적정 농도로 낮추기 위해 일정량의 물을 추가적으로 공급한다(570). 물론, 본 단계에서 연료의 공급량을 일정량 감소시키거나 물의 공급량을 일정량 늘리면서 연료의 공급량을 일정량 감소시키는 것도 가능하다. 다음, 연료전지의 전류 및 전압을 다시 감지하고, 감지된 전류와 전압이 기준 전류-전압 곡선의 허용범위 내에 위치하는가를 판단한다(580). 상기 판단(580) 결과, 감지된 전류와 전압이 가리키는 지점이 허용범위 내에 위치하면, 현재 연료전지에 공급되고 있는 연료 및 물의 공급율을 변경 저장한다(590). 그리고 상기 제어과정을 종료한다.
만일, 도 7b에 도시한 바와 같이, 상기 단계(570)의 수행에도 불구하고, 연료전지의 출력이 가리키는 C지점이 제1 지점(C1)으로 정상적으로 이동하지 않고, 제2 지점(C2)으로 이동하는 경우, 즉 정상적인 제어가 수행될 수 없는 상태인 경우, 제어장치는 경보를 발생시키고 필요시 연료전지의 운전을 정지시킨다.
상술한 제어방법에서 기준 전류-전압 곡선은 연료전지를 제작시 설정되거나 연료전지의 사용 중에 설정될 수 있다. 연료전지의 사용 중에 기준 전류-전압 곡선을 설정하는 방법으로는 배터리와의 조합에 의한 고부하 운전 직후 배터리를 분리시킨 상태에서 연료전지의 출력 전류 및 전압을 측정함으로써, 최적 효율에 근접한 연료전지의 출력 전류 및 출력 전압을 측정할 수 있다. 이와 같이, 본 발명은 상술한 방법으로 측정한 전류와 전압을 기준 전류와 기준 전압으로 변경 설정함으로써 연료전지의 장시간 운전에 따른 변화에도 용이하게 적용할 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 실시예로 한정되지 않는다. 예를 들면, 연료와 물은 직접 메탄올 연료전지에 독립적으로 유입된 후 혼합될 수 있다. 이 경우, 연료전지는 연료와 물이 적절히 혼합될 수 있는 구조를 갖고, 혼합 장치는 생략될 수 있다. 또한, 연료공급장치는 원격지의 연료 저장소로부터 복수의 연료전지에 연료를 공급 하는 연료이송관과 체크 밸브 등을 포함할 수 있다. 또한, 물은 별도의 물공급장치 및/또는 펌프 등을 통해 혼합장치에 공급되거나 연료전지에 직접 공급될 수 있다. 또한, 연료공급장치가 자체적으로 일정 압력을 갖고 연료를 공급할 수 있는 경우, 상술한 펌프는 예컨대, 밸브와 밸브제어장치, 송풍기 등으로 대체될 수 있다. 그리고, 연료전지(110)에는 전체적인 효율 향상을 위해 열교환기, 가습기, 냉각장치 등의 주변장치가 추가적으로 설치될 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
본 발명에 의하면, 메탄올 농도 센서를 이용하지 않고도 직접 메탄올 연료전지에 공급되는 연료의 농도를 제어하여 시스템의 안정적이고 지속적으로 운전할 수 있다. 또한, 메탄올 농도 센서를 채용한 직접 메탄올 연료전지에서 메탄올 농도 센서가 고장난 경우에도 연료 농도를 용이하게 제어하여, 연료전지 시스템의 장시간의 안정적인 운전을 구현할 수 있다.

Claims (23)

  1. 연료와 물이 혼합된 혼합연료 및 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 연료전지;
    상기 연료전지에 상기 연료를 공급하는 연료공급장치; 및
    상기 연료전지로부터 출력되는 제1 전류 및 제1 전압이 가리키는 제1 지점이 기준 전류-전압 곡선 아래에 위치할 때, 먼저 상기 연료의 공급량을 소정량 증가시킨 후, 상기 연료전지에서 출력되는 제2 전류 및 제2 전압이 가리키는 제2 지점의 이동 방향에 따라 상기 연료 및 물 중 어느 하나의 공급량을 증감시키는 제어장치를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어장치는,
    상기 연료전지의 온도를 감지하는 온도감지부;
    상기 연료전지에서 출력되는 전류 및 전압을 감지하는 출력감지부;
    상기 제1 지점이 상기 감지된 온도에 상응하는 기준 전류-전압 곡선 아래에 위치하는가를 판단하고, 상기 제2 지점이 상기 제1 지점으로부터 상기 기준 전류-전압 곡선에 근접하였는가 멀어졌는가를 판단하는 비교연산부; 및
    상기 비교연산부의 출력에 응답하여 상기 연료의 공급량을 소정량 증가시키기 위한 제1 제어신호, 및 상기 연료 및 물 중 적어도 어느 하나의 공급량을 조절 하기 위한 제2 제어신호를 발생시키는 제어신호 발생부를 포함하는 연료전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 제어신호에 응답하여, 상기 연료의 공급량을 조절하는 제1 유량조절장치 및 상기 물의 공급량을 조절하는 제2 유량조절장치를 추가적으로 포함하는 연료전지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어장치는, 복수의 온도에 상응하는 복수의 기준 전류-전압 곡선을 저장하는 메모리, 및 상기 메모리에 엑세스하여 제어 작업을 수행하는 프로세서를 포함하는 연료전지 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 제2 지점이 상기 기준 전류-전압 곡선측에 접근하면, 상기 연료의 공급량을 일정량 증가시키고, 상기 제2 지점이 상기 기준 전류-전압 곡선으로부터 멀어지면, 상기 물의 공급량을 일정량 증가시키는 연료전지 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 제2 지점이 상기 기준 전류-전압 곡선측에 접근하면, 상기 물의 공급량을 일정량 감소시키고, 상기 제2 지점이 상기 기준 전류-전압 곡선으로부터 멀어지면, 상기 연료의 공급량을 일정량 감소시키는 연료전지 시스템.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 제2 지점이 상기 기준 전류-전압 곡선측에 접근하면, 상기 연료의 공급량을 일정량 증가시키고 상기 물의 공급량을 일정량 감소시키며, 상기 제2 지점이 상기 기준 전류-전압 곡선으로부터 멀어지면, 상기 연료의 공급량을 일정량 감소시키고 상기 물의 공급량을 일정량 증가시키는 연료전지 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료공급장치와 상기 연료전지에 결합되며, 상기 혼합연료를 저장하는 혼합장치를 추가적으로 포함하는 연료전지 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 혼합장치는 상기 혼합연료의 레벨을 측정하는 레벨측정장치를 구비하는 연료전지 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 연료전지에서 전기화학적인 반응의 부산물로서 유출되는 수증기 및 물을 상기 혼합장치에 공급하는 리사이클러를 추가적으로 포함하는 연료전지 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 리사이클러는 상기 제어장치에 의해 제어되며, 상기 수증기의 응축량을 조절하는 제1 유량조절장치를 구비하는 연료전지 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어장치에 의해 제어되며, 상기 연료의 공급량을 조절하는 제2 유량조절장치를 추가적으로 포함하는 연료전지 시스템.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 연료전지로부터 유출되는 미반응 연료를 상기 혼합장치에 전달하는 연료순환장치를 추가적으로 포함하는 연료전지 시스템.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 혼합장치에 상기 물을 공급하는 물공급장치를 추가적으로 포함하는 연료전지 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 연료의 공급량을 조절하는 제1 유량조절장치 및 상기 물의 공급량을 조절하는 제2 유량조절장치를 추가적으로 포함하는 연료전지 시스템.
  16. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어장치에 의해 제어되며, 상기 연료전지에 상기 혼합연료를 공급하는 연료공급수단 및 상기 연료전지에 상기 산화제를 공급하는 산화제공급수단을 추가적으로 포함하는 연료전지 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 연료전지의 출력을 부하에 공급하는 전력분배장치를 추가적으로 포함하는 연료전지 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 전력분배장치에 결합되며, 상기 제어장치 및 상기 부하에 전력을 공급하는 보조전원공급장치를 추가적으로 포함하는 연료전지 시스템.
  19. 연료와 물이 혼합된 혼합연료 및 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 직접 메탄올형 연료전지와 상기 연료 및 상기 물의 공급량을 조절하는 제1 및 제2 유량조절장치를 구비한 연료전지 시스템을 제어하는 제어장치에 있어서,
    기준 전류-전압 곡선을 저장하는 메모리; 및
    상기 메모리에 엑세스하는 프로세서를 포함하되,
    상기 프로세서는, 상기 연료전지에서 출력되는 제1 전류 및 제1 전압이 가리키는 제1 지점이 상기 기준 전류-전압 곡선 아래에 위치할 때, 먼저 상기 연료의 공급량을 소정량 증가시킨 후, 상기 연료전지에서 출력되는 제2 전류 및 제2 전압이 가리키는 제2 지점의 이동 방향에 따라 상기 연료 및 물 중 어느 하나의 공급량을 증감시키는 연료전지 시스템 제어장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 메모리는 상기 연료전지의 복수의 온도에 상응하는 복수의 상기 기준 전류-전압 곡선을 저장하며,
    상기 프로세서는 상기 연료전지의 온도에 따라 선택된 상기 기준 전류-전압 곡선을 이용하는 연료전지 시스템 제어장치.
  21. 연료와 물이 혼합된 혼합연료를 이용하는 연료전지 및 상기 연료전지에 상기 혼합연료를 공급하는 연료공급부에 결합된 제어장치에서 상기 연료전지 및 상기 연료공급부를 포함한 연료전지 시스템을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 연료전지에서 출력되는 제1 전류 및 제1 전압을 감지하는 제1 단계;
    상기 제1 전류 및 제1 전압이 가리키는 제1 지점이 상기 연료전지의 기준 전류-전압 곡선 아래에 위치하는가를 판단하는 제2 단계;
    상기 제1 지점이 상기 기준 전류-전압 곡선 아래에 위치하면, 상기 연료의 공급량을 소정량 증가시키는 제3 단계; 및
    상기 제1 지점으로부터 상기 연료전지로부터 감지된 제2 전류 및 제2 전압이 가리키는 제2 지점의 이동 방향에 따라 상기 연료전지에 공급되는 혼합연료 내의 연료 및 물 중 적어도 어느 하나를 증감시키는 제4 단계를 포함하는 연료전지 시스템 제어방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제4 단계는,
    상기 제2 지점이 상기 기준 전류-전압 곡선측에 근접하였는가 멀어졌는가를 판단하는 단계;
    상기 제2 지점이 상기 기준 전류-전압 곡선측에 근접하였으면, 상기 연료의 공급량을 일정량 증가 및/또는 상기 물의 공급량을 일정량 감소시키는 단계;
    상기 제2 지점이 상기 기준 전류-전압 곡선으로부터 멀어졌으면, 상기 연료의 공급량을 일정량 감소 및/또는 상기 물의 공급량을 일정량 증가시키는 단계;
    상기 연료전지로부터 감지된 제3 전류 및 제3 전압이 가리키는 제3 지점이 상기 기준 전류-전압 곡선의 허용범위에 위치하는가를 판단하는 단계; 및
    상기 제3 지점이 상기 허용범위에 위치하면, 상기 연료 및 물의 공급율을 변경 저장하는 단계를 포함하는 연료전지 시스템 제어방법.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 연료전지의 온도를 감지하는 단계를 추가적으로 포함하며,
    상기 기준 전류-전압 곡선은 복수의 기준 전류-전압 곡선들 중 상기 온도에 따라 선택되는 연료전지 시스템 제어방법.
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