KR20070109781A - 연료전지 시스템 운전제어 방법 및 장치와 이를 채용한직접 메탄올형 연료전지 시스템 - Google Patents

연료전지 시스템 운전제어 방법 및 장치와 이를 채용한직접 메탄올형 연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료 농도 센서를 이용하지 않고 연료전지 시스템을 능동적으로 운전제어할 수 있는 연료전지 시스템 운전제어 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템 운전제어 방법은 연료전지 스택의 출력 전압, 출력 전류 및 온도를 검출하는 단계와, 연료전지 스택의 출력값들에 대한 기준 공급연료량을 참조하여 현재 출력값에 상응하는 제1 공급연료량을 구하는 단계와, 현재 출력값에 대응하는 기준 온도와 검출된 현재 온도를 비교하는 단계와, 기준 온도와 검출된 현재 온도와의 차이에 상응하는 값으로 제1 공급연료량을 보정한 제2 공급연료량을 구하는 단계를 포함한다.
연료 전지, DMFC, 스택, 연료 농도, 공급연료량, 온도

Description

연료전지 시스템 운전제어 방법 및 장치와 이를 채용한 직접 메탄올형 연료전지 시스템{Method and Apparatus for Controlling Operation of Direct Methanol Fuel Cell System}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템 운전제어 방법을 이용하는 직접 메탄올형 연료전지 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템 운전제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 도 2의 연료전지 시스템 운전제어 방법을 도식화한 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 연료전지 시스템 운전제어 방법을 적용하기에 적합한 연료전지 스택의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템 운전제어 방법을 이용하는 또 다른 직접 메탄올형 연료전지 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 5b는 도 5a의 제어장치의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템 운전제어 방법을 추가적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 연료전지 시스템 운전제어 방법에 따른 연료전지 스택의 동적 제어 성능을 보여주는 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100: 연료전지 스택
110: 리사이클러
120: 연료저장용기
130: 산화제공급장치
140: 제어장치
본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 특히 연료 농도 검출을 위한 농도 센서를 사용하지 않고 시스템 상태 변화와 연료 공급량과의 관계 함수를 이용하여 연료전지 스택에 공급되는 연료의 농도를 안정적으로 제어할 수 있는 연료전지 시스템 운전제어 방법 및 장치와 이를 채용한 직접 메탄올형 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 연료 에너지를 직접 전기 에너지로 바꾸는 저공해와 고효율의 발전 시스템이다. 특히 연료전지는 석유에너지 이외에 천연가스, 메탄올 등의 대체 에너지를 이용하여 발전할 수 있기 때문에 차세대 에너지원으로 주목받고 있다. 연료전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 알칼리형 연료전지 등으로 구분할 수 있다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
직접 메탄올형 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)는 수소 이온을 전도하는 고분자막을 전해질로 사용하며 연료로써 메탄올을 애노드에 직접 사용하는 연료전지이다. DMFC는 연료 개질기를 사용하지 않고 100℃ 미만의 작동온도에서 운전되므로 휴대용이나 소형 연료전지 구조에 적합하다는 장점이 있다.
일반적으로 DMFC는 스택(stack)의 온도, 연료 공급량, 연료 농도 등의 시스템 상태에 따라 다른 출력 특성을 나타낸다. 특히, 연료 농도는 연료전지의 전압-전류 특성 곡선에 밀접하게 관련된 시스템 변수이다. 즉, 모든 DMFC에는 최적 효율을 얻을 수 있는 연료 농도가 존재한다. 따라서, 기존의 DMFC 시스템에서는 안정적인 운전과 운전 효율을 향상시키기 위하여 연료 농도 센서를 이용하여 최적 연료 농도를 구하고, 이 최적 연료 농도를 이용하여 시스템을 운전제어한다. 하지만, 대부분의 농도 센서는 연료 농도를 검출할 때마다 센서 감도가 감소하기 때문에 일정 시간 후에 신뢰성에 문제가 발생하고, 그로 인해 종래의 DMFC 시스템에서는 안정적인 그리고 지속적인 운전이 어렵다는 단점이 있다.
앞서 언급한 종래 기술의 단점을 해결하기 위하여, 농도 센서를 이용하지 않는 연료전지 운전제어 방법이 제안되고 있다. 예를 들면, 종래 기술의 일례로써 일본 소니(Sony)의 한국공개특허공보 제2004-93421호(2004년 11월 5일 공개), "연료전지 및 연료전지 동작 방법"이 있다. 상기 공개공보에 의하면, 연료의 상류측에 위치하는 상류측 발전부와 연료의 하류측에 위치하는 하류측 발전부의 출력 밀도를 측정하고, 상류측 발전부의 전압이 하류측 발전부의 전압보다 높은 경우 연료 농도를 높게 하는 제어를 행하고, 낮은 경우 연료 농도를 낮게 하는 제어를 행함으로써, 발전부에 농도 센서를 설치할 필요가 없어 연료전지 구성의 간소화와 소형화를 도모할 수 있다.
그러나, 전술한 종래 기술은 연료의 상류측과 하류측에 위치하는 두 개의 발전 단위를 구비하도록 연료전지 스택을 구성해야 하므로 기존의 하나의 발전 단위를 갖는 연료전지 스택에 비해 제조가 어렵다는 단점이 있다. 아울러, 단일 발전 단위를 갖는 연료전지 스택에 적용할 수 없는 한계가 있다.
따라서, 본 발명은 종래 기술의 문제점을 극복하기 위하여 농도 센서를 사용하지 않으면서 기존 구조의 직접 메탄올형 연료전지 시스템에 용이하게 적용할 수 있는 연료전지 시스템 운전제어 기술을 제공하고자 한다.
본 발명의 목적은 연료 농도를 제외한 시스템 상태 변화와 연료 공급량과의 관계 함수를 이용하여 부하의 출력 변화가 심한 경우에도 역동적인 연료 공급량 제어에 의해 연료전지 시스템을 실시간 최적 운전 상태로 제어할 수 있는 연료전지 시스템 운전제어 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 연료전지 시스템 운전제어 방법을 이용하는 직접 메탄올형 연료전지 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 의하면 연료전지 스택의 출력 전압, 출력 전류 및 온도를 검출하는 단계; 상기 연료전지 스택의 출력값들에 대한 기준 공급연료량을 참조하여 상기 검출된 출력값에 상응하는 제1 공급연료량을 구하는 단계; 상기 검출된 출력값에 대응하는 기준 온도와 상기 검출된 현재 온도를 비교하는 단계; 및 상기 기준 온도와 상기 검출된 현재 온도와의 차이에 상응하는 값으로 상기 제1 공급연료량을 보정한 제2 공급연료량을 구하는 단계를 포함하는 연료전지시스템 운전제어 방법이 제공된다.
바람직하게, 연료전지시스템 운전제어 방법은 상기 제2 공급연료량과 상기 연료전지 스택에 공급되고 있는 현재 공급연료량을 비교하는 단계; 및 상기 현재 공급연료량을 상기 제2 공급연료량으로 조절하는 단계를 더 포함한다.
상기 현재 공급연료량을 상기 제2 공급연료량으로 조절하는 단계는 상기 연료전지 스택으로 주입되는 연료의 흐름 상에 상기 연료의 농도를 원하는 농도로 높일 수 있는 또 다른 농도의 연료를 공급하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 연료전지 시스템이 탄화수소계 연료를 포함한 수소함유연료를 저장하는 연료저장용기와, 상기 연료전지 스택으로 나오는 미반응 연료와 물을 받고 상기 연료저장용기로부터 상기 수소함유연료를 받으며 상기 미반응 연료, 상기 물 및 상기 수소함유연료를 혼합하는 리사이클러를 포함하는 경우, 상기 또 다른 농도의 연료를 공급하는 단계는 상기 연료저장용기에 저장된 상기 수소함유연료를 상기 리사이클러로 공급하는 것을 포함할 수 있다.
상기 현재 공급연료량을 상기 제2 공급연료량으로 조절하는 단계는 상기 연료전지 스택으로 주입되는 연료의 흐름 상에 상기 연료의 농도를 원하는 농도로 낮 추기 위한 유체를 공급하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 연료전지 시스템이 물을 저장하는 물 탱크를 포함하는 경우, 상기 유체는 상기 물 탱크에 저장된 물을 포함할 수 있다. 다른 한편으로, 상기 연료전지 시스템이 상기 연료전지 스택으로부터 나오는 미반응 연료와 물을 받아 저장하는 리사이클러와, 상기 연료전지 스택과 상기 리사이클러를 연결하는 배관에 결합되어 상기 물의 유량을 조절하기 위한 열교환기를 포함하는 경우, 상기 연료의 농도를 원하는 농도로 낮추기 위한 유체를 공급하는 단계는 상기 연료전지 스택으로부터 상기 배관을 통해 상기 리사이클러로 이송되는 상기 물의 유량을 일정량 증가시키는 것을 포함할 수 있다.
상기 연료전지 시스템이 탄화수소계 연료를 포함한 수소함유연료를 저장하는 연료저장용기와, 상기 연료전지 스택으로 나오는 미반응 연료와 물을 받고 상기 연료저장용기로부터 상기 수소함유연료를 받으며 상기 미반응 연료, 상기 물 및 상기 수소함유연료를 혼합하는 리사이클러와, 상기 연료전지 스택과 상기 리사이클러를 연결하는 배관에 결합되어 상기 물의 유량을 조절하기 위한 열교환기와, 상기 리사이클러에 저장되는 연료의 레벨을 검출하도록 설치되는 레벨센서를 포함하는 경우, 상기 방법은, 상기 리사이클러에 저장되는 상기 연료의 레벨을 검출하는 단계; 및 상기 검출된 연료 레벨이 기준 연료 레벨 미만일 때, 상기 검출된 연료 레벨이 상기 기준 연료 레벨 이상이 되도록 상기 연료저장용기로부터 상기 리사이클러로 공급되는 상기 수소함유연료의 공급량 및 상기 연료전지 스택으로부터 상기 리사이클러로 유입되는 상기 물의 유입량을 증가시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 전해질막과 상기 전해질막의 양면에 접합되 는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 구비한 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 시스템의 운전제어 장치에 있어서, 상기 연료전지 스택의 출력값들에 대한 기준 공급연료량 및 기준 온도에 대한 정보를 저장하는 메모리; 및 상기 연료전지 스택의 현재 출력 전압 및 출력 전류와 현재 온도를 검출하는 센서에 결합되며, 상기 센서를 통해 감지된 정보와 상기 메모리에 저장되는 정보를 토대로 일련의 과정을 수행하는 프로세서를 포함하되, 상기 프로세서는 상기 검출된 출력값에 상응하는 제1 공급연료량을 구하고, 상기 기준 온도와 상기 현재 온도와의 차이에 상응하는 값으로 상기 제1 공급연료량을 보정한 제2 공급연료량을 구하는 연료전지시스템 운전제어 장치가 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 전해질막과 상기 전해질막의 양면에 부착되는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 구비하며 상기 애노드 전극으로 공급되는 연료와 상기 캐소드 전극으로 공급되는 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택으로의 현재 공급연료량, 상기 연료전지 스택의 현재 출력 전압 및 출력 전류와 현재 온도를 검출하는 센서; 상기 애노드 전극으로 공급되는 연료의 농도를 원하는 농도로 높일 수 있는 또 다른 농도의 연료를 저장하는 연료저장용기; 상기 연료저장용기로부터 이송되는 상기 또 다른 농도의 연료와, 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 미반응연료 및 물을 혼합하여 저장하고, 저장된 연료를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 리사이클러; 상기 연료전지 스택의 출력값들에 대한 기준 공급연료량 및 기준 온도에 대한 정보를 저장하는 메모리; 및 상기 검출된 출력값에 상응하는 제1 공급연료량을 구하고, 상 기 기준 온도와 상기 현재 온도와의 차이에 상응하는 값으로 상기 제1 공급연료량을 보정한 제2 공급연료량을 구하는 제어장치를 포함하는 연료전지 시스템이 제공된다.
바람직하게, 상기 출력값은 출력전류값 또는 상기 연료전지 스택의 출력 전압 및 출력 전류에 의해 결정되는 출력전력값을 포함한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 아래에서 설명하는 실시 예는 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것은 아니며, 단지 예시로 제시된 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 운전제어 방법을 이용하는 직접 메탄올형 연료전지 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 1을 참조하면, 직접 메탄올형 연료전지 시스템(이하 DMFC 시스템이라 한다)은 연료전지 스택(100), 리사이클러(110), 물탱크(119), 연료저장용기로서의 연료탱크(120), 및 제어장치(140)를 구비한다. 또한 DMFC 시스템은 스택(100)의 캐소드에 공기, 산소 등의 산화제를 공급하기 위한 산화제공급장치(130)를 구비한다.
스택(100)은 애노드와 캐소드 사이에 이온 교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하며, 애노드와 캐소드에 공급되는 연료와 산화제의 전기화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킨다.
리사이클러(110)는 스택(100)으로부터 배출되는 미반응 연료와 물을 저장하고, 저장된 연료를 순환시켜 다시 스택으로 공급한다. 또한 리사이클러(110)는 연 료펌프(122)를 통해 연료탱크(120)로부터 연료를 받아 저장한다. 리사이클러(110)에 저장되는 연료는 스택(100)으로부터 배출된 미반응 연료 및 물과, 연료탱크(120)로부터 공급된 연료가 혼합된 혼합연료가 된다.
제어장치(140)는 스택(110)의 전압(V), 전류(I) 및 온도(T)를 감지하고, 이들 전압, 전류 및 온도의 변화 즉 시스템 상태의 변화에 따라 연료탱크(120)로부터 리사이클러(110)로 공급되는 연료의 공급량을 조절하기 위하여 연료펌프(122)의 동작을 제어한다.
또한 DMFC 시스템은 리사이클러(110)에 저장된 혼합연료를 스택(100)의 애노드에 공급하는 주입펌프(112)와, 스택(100)의 애노드로부터 배출되는 유체 중 이산화탄소와 같은 원하지 않는 기체를 배출하고 미반응 연료를 리사이클러(11)로 전달하는 트랩(114)과, 스택(100)의 캐소드로부터 배출되는 유체를 응축시키고 원하지 않는 기체를 배출하기 위한 응축기(116)와 트랩(117), 및 스택(100)의 캐소드로부터 배출되고 리사이클러(110)로 유입되는 물의 양을 조절하기 위한 유량조절장치(118, 118a)를 구비한다. 제어장치(140)는 스택(110)의 전압(V), 전류(I) 및 온도(T)를 감지하고, 이들 전압, 전류 및 온도의 변화 즉 시스템 상태의 변화에 따라 물탱크(119)로부터 리사이클러(110)로 공급되는 물 및/또는 스택(100)으로부터 나와 리사이클러(110)로 흘러들어가는 물의 유입량을 조절하기 위하여 유량조절장치(118, 118a)의 개도 또는 동작시간을 제어한다.
전술한 DMFC 시스템의 운전제어 과정을 도 2, 도 3, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 운전제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 먼저 DMFC 시스템의 제어장치에서 연료전지 스택의 출력 전압, 출력 전류 및 온도를 소정 시간 간격을 두고 검출한다(S10).
다음, 검출된 출력값에 대응하는 제1 공급연료량을 획득한다(S20). 본 단계는 연료전지 스택의 출력 전류 또는 출력 전력에 대한 기준 공급연료량을 참조하여 이전 단계에서 검출된 출력값에 상응하는 공급연료량을 1차적으로 계산 또는 추출하기 위한 것이다. 여기서, 출력값은 연료전지 스택의 출력전류값 또는 연료전지 스택의 출력 전압 및 출력 전류에 의해 결정되는 출력전력값을 포함한다.
다음, 검출된 출력 전력에 상응하는 연료전지 스택의 기준 온도와 검출된 스택 온도의 차이에 상응하는 보정값을 획득한다(S30). 본 단계는 정확한 운전제어를 위하여 1차적으로 획득한 공급연료량을 보정할 수 있는 값을 얻기 위한 것이다.
다음, 앞서 획득한 제1 공급연료량에 보정값을 적용하여 제2 공급연료량을 획득한다(S40). 본 단계는 검출된 출력값에 대응하는 기준 스택 온도와 검출된 스택 온도와의 차이에 상응하는 값으로 보정한 공급연료량을 계산 또는 추출하기 위한 것이다.
다음으로, 획득한 제2 공급연료량에 따라 연료탱크로부터 리사이클러로 공급되는 연료의 공급량 및/또는 리사이클러로 공급되는 물의 공급량을 제어한다(S50). 본 단계는 전술한 단계들(S20, S30 및 S40)에서 획득한 변화된 연료 공급량을 현재의 연료 공급량에 반영하기 위한 것이다.
전술한 연료전지 운전제어 방법을 도식화하면 도 3과 같다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명은 제어장치의 제1 제어부에서 스택 출력의 상태 변화에 따른 제1 공급연료량을 계산 또는 추출하고, 제2 제어부에서 스택 온도의 상태 변화에 따른 보정값으로 제1 공급연료량을 보정하여 제2 공급연료량을 계산 또는 추출한 후, 제2 공급연료량을 토대로 현재 스택에 공급되는 연료의 공급량을 제어한다. 제1 제어부 및 제2 제어부는 메모리에 저장된 정보 및/또는 프로그램을 이용하여 순차적으로 동작하는 제어장치의 기능부로서, 마이크로프로세서의 적어도 일부 기능부나 플립플롭을 이용한 논리 회로로 구현될 수 있다.
도 4a는 연료전지 스택의 출력 전력에 대한 연료공급속도의 변화를 선형적으로 표현한 예이다.
도 4a에 도시한 바와 같이, 연료전지 스택의 출력 전력에 대한 연료공급속도는 선형적으로 표현할 수 있다. 여기서 출력 전력은 전압 및 전류의 곱에 의해 결정된다. 전술한 출력 전력에 대한 연료공급속도는 연료전지 스택의 출력 전류에 대한 연료공급속도로 대체될 수 있다. 또한 연료공급속도는 연료전지 스택에 공급되는 연료의 농도가 일정하다고 가정할 때, 공급연료량에 대응된다. 전술한 출력 전력 및 연료공급속도의 관계를 이용하면, 연료전지 스택의 출력 전류 또는 출력 전력에 대한 제1 공급연료량을 구할 수 있다.
도 4b는 연료전지 스택의 출력 전력에 대한 스택 온도의 변화를 선형적으로 표현한 예이다.
도 4b에 도시한 바와 같이, 연료전지 스택의 출력 전력에 대한 스택 온도는 선형적으로 표현될 수 있다. 따라서 스택의 출력 전력에 대응하는 현재 온도와 기준 온도와의 차이를 공급연료량을 보정하기 위한 값으로 이용할 수 있다. 전술한 출력 전력 및 온도의 관계를 이용하면, 앞서 구한 제1 공급연료량을 보정하여 연료전지 스택에 공급하고자하는 제2 공급연료량을 구할 수 있다.
전술한 실시예에서는 설명의 편의상 스택의 출력 전력에 대한 스택의 온도가 선형적 또는 1차 함수 형태로 변화하는 예를 설명하였지만, 본 발명은 그러한 예로 한정되지 않고, 스택의 출력 전류 또는 출력 전력에 대한 스택의 온도가 2차, 3차, 지수, 로그 함수 형태로 변화하는 경우도 포함할 수 있다.
전술한 스택의 출력 전류 또는 출력 전력에 대한 공급연료량과 온도의 특성은 일반적인 스택에서 쉽게 볼 수 있는 특성이며, 본 발명에서는 이러한 스택의 출력값에 대한 공급연료량과 온도의 관계를 이용하여 농도 센서 없이도 정밀한 운전제어가 가능한 연료전지 시스템을 제공할 수 있다. 다시 말하면, 부하의 요구 전력이 심하게 변화하는 경우, 부하의 요구 전력에 응하여 연료전지 스택이 역동적인 출력 전력을 생산할 수 있도록 스택에 공급되는 연료의 공급량을 용이하게 제어하는 것이 가능하다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 운전제어 방법을 이용하는 또 다른 구성의 직접 메탄올형 연료전지 시스템을 나타내는 도면이다. 도 5b는 도 5a의 제어장치의 일례를 나타내는 개략도이다.
이하의 설명에서 앞서 설명한 DMFC의 구성과 동일하거나 유사한 구성에 대한 상세한 설명은 중복을 피하기 위하여 생략한다.
도 5a를 참조하면, 본 실시예의 DMFC 시스템은 연료전지 스택(200), 리사이클러(recycler)(210), 연료탱크(220), 산화제공급장치(230), 제어장치(240), 및 보조전원(250)을 구비한다. 또한 DMFC 시스템은 리사이클러(210)에 저장된 혼합연료를 스택(200)의 애노드에 공급하는 주입펌프(212)와, 연료탱크(220)에 저장된 연료를 리사이클러(210)에 공급하기 위한 연료펌프(222)를 구비한다. 또한, DMFC 시스템은 리사이클러(210) 내부에 저장되는 혼합연료의 레벨을 검출하기 위한 레벨 센서(215), 스택(200)의 캐소드에서 배출되는 물의 응축량을 조절하기 위한 팬(213), 및 부하(260)에 전력을 공급하기 위한 보조전원(250)을 구비한다. 또한, 본 DMFC 시스템은 스택(200)의 전압(V1), 전류(I1) 및 온도(T)를 검출하는 센서와 보조전원(250)의 전압(V2) 및 전류(I2)를 검출하는 센서를 구비한다.
제어장치(240)는 스택(110)의 전압(V1), 전류(I1) 및 온도(T)를 감지하고, 보조전원(250)의 전압(V2) 및 전류(I2)를 감지하며, 리사이클러(210)에 저장된 혼합연료의 레벨을 감지한다. 그리고, 제어장치(240)는 감지된 시스템 상태 변화에 따라 연료 탱크(220)로부터 리사이클러(210)에 공급되는 연료의 공급량을 조절하거나, 스택(200)의 캐소드로부터 배출된 물의 응축량을 조절하거나, 스택(200)의 캐소드에 공급되는 산화제(예컨대 공기)의 공급량을 조절한다.
전술한 제어장치(240)는 도 5b에 도시한 바와 같이 적어도 연료전지 스택(200)에 관련된 정보, 예컨대, 스택(110)의 출력 전류 또는 출력 전력에 따른 공급연료량 및 온도 등과 같은 스택 특성 정보를 저장하는 메모리와, 이 메모리에 결합되며 메모리에 저장된 정보를 토대로 시스템의 동작을 제어하는 프로세서를 포함 할 수 있다.
본 실시예의 연료전지 운전제어 방법은 기본적으로 도 2를 참조하여 앞서 설명한 연료전지 운전제어 방법에 따라 동작한다. 다만, 본 실시예에 따른 연료전지 운전제어 방법은 앞서 설명한 연료전지 운전제어 방법에 더하여 보완적인 운전제어 방법을 더 포함한다.
보완적인 방법의 일례로써 제어장치(240)는 앞서 획득한 제1 및 제2 공급연료 변화량에 따라 연료 공급량을 제어하면서 산화제공급장치(230)를 제어하여 스택(200)의 캐소드에 공급되는 산화제의 공급량을 조절함으로써 실질적으로 스택(200)에서 소비되는 연료량을 변화시켜 공급연료량이 제어되도록 구현될 수 있다.
또한 본 발명은 2차 전지 등의 보조전원(250)에 비해 부하의 요구 전력 변화에 느리게 적응하는 연료전지 시스템에서 제어장치(240)가 보조전원의 출력 전압 및 전류를 검출하고, 이를 참조하여 연료전지 시스템의 출력을 제어함으로써, 실제 부하의 요구 전력에 더욱 역동적으로 대응할 수 있도록 연료전지 시스템을 제어할 수 있다. 다시 말하면, 부하의 요구 전력이 심하게 변화하는 경우, 부하의 요구 전력에 응하여 보조전원과 함께 연료전지 스택이 역동적인 출력 전력을 생산할 수 있도록 스택에 공급되는 연료의 공급량을 용이하게 제어하는 것이 가능하다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템 제어방법을 추가적으로 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 전술한 일 실시예에 따른 연료전지 운전제어 방법에 대한 보완적 인 운전제어 방법으로써, 상기 연료전지 운전제어 방법에 의해 획득한 제2 공급연료량을 이용하여 연료탱크(220)로부터 리사이클러(210)로 공급되는 연료의 공급량을 제어하거나, 스택(200)의 캐소드로부터 리사이클러(210)로 유입되는 물의 유량 또는 응축량을 조절하기에 앞서, 리사이클러(210)에 저장되는 연료의 레벨이 일정 레벨 이상이 되도록 구현될 수 있다.
도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명은 제어장치(240)의 제3 제어부에서 앞서 획득한 제2 공급연료 변화량에 대응하여 스택(200)의 캐소드로부터 리사이클러(210)로 유입되는 물의 양을 조절함으로써, 리사이클러(210)에 저장되는 연료 레벨을 일정 레벨 이상으로 제어하면서 앞서 설명한 제1 제어부 및 제2 제어부에 의한 프로세스를 수행하도록 구현될 수 있다.
도 7은 본 발명의 연료전지 운전제어 방법에 따른 연료전지 스택의 동적 제어 성능을 나타내는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 스택에 공급되는 연료 공급량의 증가 및 감소의 변화에 따라 스택의 출력 전력이 증가 및 감소하는 것을 알 수 있다. 이처럼, 본 발명에 따른 연료전지 운전제어 방법을 이용하면, 부하에서 요구하는 전력에 대응하여 종래 기술에 비해 스택의 출력 전력이 역동적으로 변화하도록 연료 공급량을 제어할 수 있다.
본 발명은 기존의 DMFC 시스템 구조를 그대로 적용할 수 있는 연료전지 운전제어 방법이며, DMFC의 시스템 상태 변화에 따라 연료 공급량을 조절함으로써 연료전지 시스템이 최적 운전 상태를 손쉽게 제어할 수 있는 장점을 가진다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 운전제어 방법 및 이를 이용하는 직접 메탄올형 연료전지 시스템은, 시스템 상태 변화 특히 부하의 출력 특성에 변화가 심한 경우에도 부하 출력 변화에 응하여 실시간으로 또는 역동적으로 연료전지의 출력을 제어할 수 있다. 아울러, 농도 센서 등의 추가적인 구성을 필요로 하지 않기 때문에 기존의 직접 메탄올형 연료전지 시스템에 간편하게 적용할 수 있는 이점이 있다.

Claims (23)

  1. 연료전지 스택의 출력 전압, 출력 전류 및 온도를 검출하는 단계;
    상기 연료전지 스택의 출력값들에 대한 기준 공급연료량을 참조하여 상기 검출된 출력값에 상응하는 제1 공급연료량을 구하는 단계;
    상기 검출된 출력값에 대응하는 기준 온도와 상기 검출된 온도를 비교하는 단계; 및
    상기 기준 온도와 상기 검출된 온도와의 차이에 상응하는 값으로 상기 제1 공급연료량을 보정한 제2 공급연료량을 구하는 단계를 포함하는 연료전지시스템 운전제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 공급연료량과 상기 연료전지 스택에 공급되고 있는 현재 공급연료량을 비교하는 단계; 및
    상기 현재 공급연료량을 상기 제2 공급연료량으로 조절하는 단계를 더 포함하는 연료전지시스템 운전제어 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 현재 공급연료량을 상기 제2 공급연료량으로 조절하는 단계는 상기 연료전지 스택으로 주입되는 연료의 흐름 상에 상기 연료의 농도를 원하는 농도로 높 일 수 있는 또 다른 농도의 연료를 공급하는 단계를 포함하는 연료전지시스템 운전제어 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은 탄화수소계 연료를 포함한 수소함유연료를 저장하는 연료저장용기와, 상기 연료전지 스택으로 나오는 미반응 연료와 물을 받고 상기 연료저장용기로부터 상기 수소함유연료를 받으며 상기 미반응 연료, 상기 물 및 상기 수소함유연료를 혼합하는 리사이클러를 포함하며,
    상기 또 다른 농도의 연료를 공급하는 단계는 상기 연료저장용기에 저장된 상기 수소함유연료를 상기 리사이클러로 공급하는 것을 포함하는 연료전지시스템 운전제어 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 현재 공급연료량을 상기 제2 공급연료량으로 조절하는 단계는 상기 연료전지 스택으로 주입되는 연료의 흐름 상에 상기 연료의 농도를 원하는 농도로 낮추기 위한 유체를 공급하는 단계를 포함하는 연료전지시스템 운전제어 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은 물을 저장하는 물 탱크를 포함하며,
    상기 유체는 상기 물 탱크에 저장된 물을 포함하는 연료전지시스템 운전제어 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은 상기 연료전지 스택으로부터 나오는 미반응 연료와 물을 받아 저장하는 리사이클러와, 상기 연료전지 스택과 상기 리사이클러를 연결하는 배관에 결합되어 상기 물의 유량을 조절하기 위한 열교환기를 포함하며,
    상기 연료의 농도를 원하는 농도로 낮추기 위한 유체를 공급하는 단계는 상기 연료전지 스택으로부터 상기 배관을 통해 상기 리사이클러로 이송되는 상기 물의 유량을 일정량 증가시키는 것을 포함하는 연료전지시스템 운전제어 방법.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은 탄화수소계 연료를 포함한 수소함유연료를 저장하는 연료저장용기와, 상기 연료전지 스택으로 나오는 미반응 연료와 물을 받고 상기 연료저장용기로부터 상기 수소함유연료를 받으며 상기 미반응 연료, 상기 물 및 상기 수소함유연료를 혼합하는 리사이클러와, 상기 연료전지 스택과 상기 리사이클러를 연결하는 배관에 결합되어 상기 물의 유량을 조절하기 위한 열교환기와, 상기 리사이클러에 저장되는 연료의 레벨을 검출하도록 설치되는 레벨센서를 포함하며,
    상기 방법은,
    상기 리사이클러에 저장되는 상기 연료의 레벨을 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 연료 레벨이 기준 연료 레벨 미만일 때, 상기 검출된 연료 레벨 이 상기 기준 연료 레벨 이상이 되도록 상기 연료저장용기로부터 상기 리사이클러로 공급되는 상기 수소함유연료의 공급량 및 상기 연료전지 스택으로부터 상기 리사이클러로 유입되는 상기 물의 유입량을 증가시키는 단계를 더 포함하는 연료전지시스템 운전제어 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력값은 상기 연료전지 스택의 출력전류값 또는 상기 연료전지 스택의 출력 전압 및 출력 전류에 의해 결정되는 출력전력값을 포함하는 연료전지시스템 운전제어 방법.
  10. 전해질막과 상기 전해질막의 양면에 접합되는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 구비한 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 시스템의 운전제어 장치에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 출력값들에 대한 기준 공급연료량 및 기준 온도에 대한 정보를 저장하는 메모리; 및
    상기 연료전지 스택에 대한 현재 공급연료량, 상기 연료전지 스택의 현재 출력 전압 및 출력 전류와 현재 온도를 검출하는 센서에 결합되며, 상기 센서를 통해 감지된 정보와 상기 메모리에 저장되는 정보를 토대로 일련의 과정을 수행하는 프로세서를 포함하되,
    상기 프로세서는 상기 현재 출력값에 상응하는 제1 공급연료량을 구하고, 상기 기준 온도와 상기 현재 온도와의 차이에 상응하는 값으로 상기 제1 공급연료량 을 보정한 제2 공급연료량을 구하는 연료전지시스템 운전제어 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 제2 공급연료량과 상기 연료전지 스택에 공급되고 있는 현재 공급연료량을 비교하고, 상기 현재 공급연료량을 상기 제2 공급연료량으로 조절하는 프로세스를 추가적으로 수행하는 연료전지시스템 운전제어 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 현재 공급연료량을 상기 제2 공급연료량으로 조절하는 프로세스는 상기 연료전지 스택으로 주입되는 연료의 흐름 상에 상기 연료의 농도를 원하는 농도로 높일 수 있는 또 다른 농도의 연료를 공급하는 프로세스를 포함하는 연료전지시스템 운전제어 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은 탄화수소계 연료를 포함한 수소함유연료를 저장하는 연료저장용기와, 상기 연료전지 스택으로 나오는 미반응 연료와 물을 받고 상기 연료저장용기로부터 상기 수소함유연료를 받으며 상기 미반응 연료, 상기 물 및 상기 수소함유연료를 혼합하는 리사이클러를 포함하며,
    상기 연료의 농도를 원하는 농도로 높일 수 있는 또 다른 농도의 연료를 공급하는 프로세스는 상기 또 다른 농도의 연료로서 상기 연료저장용기에 저장된 상 기 수소함유연료를 상기 리사이클러로 공급하는 것을 포함하는 연료전지시스템 운전제어 장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 현재 공급연료량을 상기 제2 공급연료량으로 조절하는 프로세스는 상기 연료전지 스택으로 주입되는 연료의 흐름 상에 상기 연료의 농도를 원하는 농도로 낮추기 위한 유체를 공급하는 프로세스를 포함하는 연료전지시스템 운전제어 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은 상기 연료전지 스택으로부터 나오는 미반응 연료와 물을 받아 저장하는 리사이클러와, 상기 연료전지 스택과 상기 리사이클러를 연결하는 배관에 결합되어 상기 물의 유량을 조절하기 위한 열교환기를 포함하며,
    상기 연료의 농도를 원하는 농도로 낮추기 위한 유체를 공급하는 프로세스는 상기 연료전지 스택으로부터 상기 배관을 통해 상기 리사이클러로 이송되는 상기 물의 유량을 일정량 증가시키는 것을 포함하는 연료전지시스템 운전제어 장치.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은 탄화수소계 연료를 포함한 수소함유연료를 저장하는 연료저장용기와, 상기 연료전지 스택으로 나오는 미반응 연료와 물을 받고 상기 연료저장용기로부터 상기 수소함유연료를 받으며 상기 미반응 연료, 상기 물 및 상기 수소함유연료를 혼합하는 리사이클러와, 상기 연료전지 스택과 상기 리사이클러를 연결하는 배관에 결합되어 상기 물의 유량을 조절하기 위한 열교환기와, 상기 리사이클러에 저장되는 연료의 레벨을 검출하도록 설치되는 레벨센서를 포함하며,
    상기 프로세서는, 상기 리사이클러에 저장되는 상기 연료의 레벨을 검출하고, 상기 검출된 연료 레벨이 기준 연료 레벨 미만일 때, 상기 검출된 연료 레벨이 상기 기준 연료 레벨 이상이 되도록 상기 연료저장용기로부터 상기 리사이클러로 공급되는 상기 수소함유연료의 공급량 및 상기 연료전지 스택으로부터 상기 리사이클러로 유입되는 상기 물의 유입량을 증가시키는 프로세스를 추가적으로 수행하는 연료전지시스템 운전제어 장치.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 출력값은 상기 연료전지 스택의 출력전류값 또는 상기 연료전지 스택의 출력 전압 및 출력 전류에 의해 결정되는 출력전력값을 포함하는 연료전지시스템 운전제어 장치.
  18. 전해질막과 상기 전해질막의 양면에 부착되는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 구비하며 상기 애노드 전극으로 공급되는 연료와 상기 캐소드 전극으로 공급되는 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택으로의 현재 공급연료량, 상기 연료전지 스택의 현재 출력 전압 및 출력 전류와 현재 온도를 검출하는 센서;
    상기 애노드 전극으로 공급되는 연료의 농도를 원하는 농도로 높일 수 있는 또 다른 농도의 연료를 저장하는 연료저장용기;
    상기 연료저장용기로부터 이송되는 상기 또 다른 농도의 연료와, 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 미반응연료 및 물을 혼합하여 저장하고, 저장된 연료를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 리사이클러;
    상기 연료전지 스택의 출력값들에 대한 기준 공급연료량 및 기준 온도에 대한 정보를 저장하는 메모리; 및
    상기 연료전지 스택의 현재 출력값에 상응하는 제1 공급연료량을 구하고, 상기 기준 온도와 상기 현재 온도와의 차이에 상응하는 값으로 상기 제1 공급연료량을 보정한 제2 공급연료량을 구하는 제어장치를 포함하는 연료전지 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제어장치는 상기 제2 공급연료량과 상기 연료전지 스택에 공급되고 있는 현재 공급연료량을 비교하고, 상기 현재 공급연료량을 상기 제2 공급연료량으로 조절하는 프로세스를 추가적으로 수행하는 연료전지 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 현재 공급연료량을 상기 제2 공급연료량으로 조절하는 프로세스는 상기연료저장용기로부터 상기 리사이클러로 공급되는 상기 또 다른 농도의 연료의 공급량을 일정량 증가시키는 것을 포함하는 연료전지 시스템.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은 상기 연료전지 스택과 상기 리사이클러를 연결하는 배관에 결합되어 상기 물의 유량을 조절하기 위한 열교환기를 더 포함하며,
    상기 현재 공급연료량을 상기 제2 공급연료량으로 조절하는 프로세스는 상기 애노드 전극으로 공급되는 상기 연료의 농도를 원하는 농도로 낮추기 위하여 상기 연료전지 스택으로부터 상기 배관을 통해 상기 리사이클러로 이송되는 상기 물의 유량을 일정량 증가시키는 것을 포함하는 연료전지 시스템.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은 상기 연료전지 스택과 상기 리사이클러를 연결하는 배관에 결합되어 상기 물의 유량을 조절하기 위한 열교환기와, 상기 리사이클러에 저장되는 연료의 레벨을 검출하도록 설치되는 레벨센서를 더 포함하며,
    상기 제어장치는, 상기 리사이클러에 저장되는 상기 연료의 레벨을 검출하고, 상기 검출된 연료 레벨이 기준 연료 레벨 미만일 때, 상기 검출된 연료 레벨이 상기 기준 연료 레벨 이상이 되도록 상기 연료저장용기로부터 상기 리사이클러로 공급되는 상기 수소함유연료의 공급량 및 상기 연료전지 스택으로부터 상기 리사이클러로 유입되는 상기 물의 유입량을 증가시키는 프로세스를 추가적으로 수행하는 연료전지 시스템.
  23. 제 18 항에 있어서,
    상기 출력값은 상기 연료전지 스택의 출력전류값 또는 상기 연료전지 스택의 출력 전압 및 출력 전류에 의해 결정되는 출력전력값을 포함하는 연료전지 시스템.
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