KR20080044426A - Fuel pump malfunction detecting method and fuel cell system using the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료펌프 오동작 감지방법이 채용된 연료전지 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.1 is a block diagram illustrating a fuel cell system employing a fuel pump malfunction detection method according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료펌프 오동작 감지방법을 설명하기 위한 순서도이다.2 is a flowchart illustrating a fuel pump malfunction detection method according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3은 도 1의 연료전지 시스템에 채용가능한 고분자 전해질형 연료전지를 설명하기 위한 분해 단면도이다.FIG. 3 is an exploded cross-sectional view illustrating a polymer electrolyte fuel cell employable in the fuel cell system of FIG. 1.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10 : 연료저장용기 12 : 레벨 센서유닛10: fuel storage container 12: level sensor unit
14 : 농도 센서유닛 20 : 연료전지 스택14 concentration sensor unit 20 fuel cell stack
30 : 연료펌프 40 : 제어장치30: fuel pump 40: control device
42 : 저장장치 44 : 전력 측정장치42: storage device 44: power measuring device
50a, 50b : 출력장치50a, 50b: output device
본 발명은 연료전지용 연료펌프의 오동작을 간단하면서 정확하게 감지할 수 있는 방법 및 이를 채용한 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a method for easily and accurately detecting malfunction of a fuel pump for a fuel cell and a fuel cell system employing the same.
연료전지는 연료 에너지를 직접 전기 에너지로 바꾸는 발전 시스템으로서, 저공해와 고효율의 이점이 있다. 특히 연료전지는 저장 및 운송이 용이한 석유 에너지, 천연가스, 메탄올 등의 에너지원을 이용하여 전기 에너지를 생성할 수 있기 때문에 차세대 에너지원으로 주목받고 있다. 이러한 연료전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 알칼리 연료전지 등으로 구분할 수 있으며, 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.A fuel cell is a power generation system that directly converts fuel energy into electrical energy, and has advantages of low pollution and high efficiency. In particular, fuel cells are attracting attention as next-generation energy sources because they can generate electrical energy using energy sources such as petroleum energy, natural gas, and methanol, which are easy to store and transport. Such fuel cells may be classified into phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, solid oxide fuel cells, polymer electrolyte fuel cells, and alkaline fuel cells according to the type of electrolyte used. The batteries operate basically on the same principle, but differ in the type of fuel used, operating temperature, catalyst and electrolyte.
직접 메탄올형 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)는 수소 이온(proton)을 전도하는 고분자막을 전해질로 사용하며 연료로써 액상의 메탄올 수용액을 애노드에 직접 공급하는 방식으로 구성되어 있다. DMFC는 복수의 단위전지(single cell)가 구조적으로 또는 전기적으로 연결된 스택(stack) 구조로 주로 제작되며, 연료 개질기를 사용하지 않고 100℃ 미만의 작동온도에서 운전되므로 휴대용이나 소형 연료전지 구조에 적합하다는 장점이 있다.Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) uses a polymer membrane that conducts hydrogen ions (proton) as an electrolyte and consists of supplying a liquid methanol aqueous solution directly to the anode as a fuel. DMFC is mainly manufactured in a stack structure in which a plurality of single cells are structurally or electrically connected, and is suitable for portable or small fuel cell structures because it is operated at an operating temperature of less than 100 ° C without using a fuel reformer. Has the advantage.
직접 메탄올형 연료전지 스택은 연료 공급 방식에 따라 연료 펌프 등과 같은 별도의 연료공급장치를 직접 이용하는 액티브 방식과, 연료 펌프를 대체할 수 있는 다른 압력원이나 삼투압 등을 이용하는 패시브 방식으로 분류할 수 있다.The direct methanol fuel cell stack can be classified into an active method using a separate fuel supply device such as a fuel pump directly according to a fuel supply method, and a passive method using another pressure source or osmotic pressure to replace the fuel pump. .
액티브 방식의 직접 메탄올형 연료전지 스택의 경우, 연료 펌프는 연료전지 의 애노드에 액상의 연료를 공급하게 되는데, 이때 연료전지 스택에서는 최적의 효율을 얻기 위하여 연료전지의 특성, 예컨대, 고분자 전해질막의 재료나 두께 등에 의한 막 특성, 애노드 전극 및 캐소드 전극의 재료나 구조나 두께 등에 의한 전극 특성, 연료가 전해질막을 투과하여 캐소드 전극측으로 이동하는 크로스오버 현상에 의한 크로스오버 특성, 액상 연료 중 수분이 전해질막을 투과하여 캐소드 측으로 이동하는 현상에 의한 수분 삼투 특성 등을 고려하여 연료 농도와 연료 공급량을 설정하게 된다.In the case of the active direct methanol fuel cell stack, the fuel pump supplies liquid fuel to the anode of the fuel cell. In this case, the fuel cell stack provides characteristics of the fuel cell such as a material of the polymer electrolyte membrane in order to obtain an optimum efficiency. Membrane characteristics by the thickness or the like, electrode characteristics by the material, structure, or thickness of the anode electrode and the cathode electrode, crossover characteristics due to the crossover phenomenon in which fuel moves through the electrolyte membrane to the cathode electrode side, and moisture in the liquid fuel The fuel concentration and the fuel supply amount are set in consideration of the water osmosis characteristic caused by the phenomenon of permeation and movement to the cathode side.
한편 여러 가지 원인에 의해 연료전지 스택에 공급되는 연료량이 기설정된 연료 공급량보다 적거나 또는 많게 공급되는 경우, 연료전지 스택의 출력이 감소하게 되며 특히 연료 공급량이 일정량 이하가 되면 연료전지 스택이 갑자기 동작 정지할 수 있기 때문에 연료전지 스택에 공급되는 연료량은 감시되고 엄격하게 조절되어야 한다.On the other hand, when the amount of fuel supplied to the fuel cell stack is lower or higher than the preset fuel supply amount due to various reasons, the output of the fuel cell stack is reduced, especially when the fuel supply amount is lower than a predetermined amount, the fuel cell stack suddenly operates. Since it can be stopped, the amount of fuel supplied to the fuel cell stack must be monitored and tightly controlled.
그러나, 기존의 대부분의 직접 메탄올형 연료전지 시스템에서는 연료 펌프의 동작 속도만을 제어하여 연료전지 스택에 공급되는 연료량을 제어하고 있기 때문에, 연료 펌프 내의 유로가 연료에 함유된 불순물 등에 의해 부분적으로 막히거나 연료 펌프 내의 구성요소의 마모 등에 의한 연료 펌프 자체에 이상이 발생하는 경우, 이를 미리 예측하거나 그러한 이상 발생 상태를 적절히 대응하기 어렵다는 한계가 있다.However, in most existing direct methanol fuel cell systems, only the operating speed of the fuel pump is controlled to control the amount of fuel supplied to the fuel cell stack, so that the flow path in the fuel pump is partially blocked by impurities contained in the fuel, or the like. When an abnormality occurs in the fuel pump itself due to abrasion of components in the fuel pump, there is a limit that it is difficult to predict it in advance or to cope with such an abnormal condition properly.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 새롭고도 간단한 방법으로 연료 펌프의 상태를 감시하고 연료 펌프에 이상이 발생하는 경우 이를 사용자 등에게 즉시 알릴 수 있는 연료펌프 오동작 감지방법을 제공하는 데 있다.Therefore, the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a fuel pump malfunction detection method that can monitor the status of the fuel pump in a new and simple way, and immediately notify the user, if a problem occurs in the fuel pump.
또한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전술한 연료펌프 오동작 감지방법을 채용하여 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 데 있다.In addition, the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a fuel cell system that can improve the stability of the system by employing the above-described fuel pump malfunction detection method.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 의하면, 액상의 연료를 저장하는 연료저장용기로부터 상기 연료와 산화제의 전기화학적 반응으로 전기 에너지를 생성하는 연료전지로 상기 연료를 이송하는 연료펌프에 연결된 제어장치에서 상기 연료펌프의 오동작을 감지하는 방법에 있어서, 상기 연료저장용기에 저장되는 상기 연료의 초기연료량과 상기 연료의 농도를 측정하는 단계; 상기 연료 농도에 기초하여 상기 연료펌프의 구동전압 및 파형을 선택하는 단계; 일정 시간 경과 후 상기 연료저장용기에 남은 연료 잔량을 측정하는 단계; 상기 연료펌프의 구동 전압 및 파형과 상기 일정 시간에 기초하여 상기 연료펌프를 통해 상기 연료전지로 이송되어야 하는 이송연료량을 산출하는 단계; 상기 초기연료량에서 상기 연료 잔량을 뺀 값과 상기 이송연료량의 값을 비교하고 비교된 값이 오차범위 이상인가를 판단하는 단계; 상기 판단 결과, 상기 비교된 값이 오차범위 이상이면 상기 제어장치로부터 상기 연료펌프에 인가되는 전압을 측정하고 상기 측정된 전압을 상기 설정된 구동전압과 비교하는 단계; 및 상기 비교 결과, 상기 측정된 전압이 상기 구동전압에 근접하면, 상기 연료펌프의 이상을 알리기 위한 정보를 출력하는 단 계를 포함하여 이루어지는 연료펌프의 오동작 감지방법을 제공할 수 있다.In order to achieve the above technical problem, according to an aspect of the present invention, a fuel pump for transferring the fuel from the fuel storage container for storing the liquid fuel to the fuel cell for generating electrical energy by the electrochemical reaction of the fuel and the oxidant A method for detecting a malfunction of the fuel pump in a control device connected to the method, the method comprising: measuring an initial amount of fuel and a concentration of the fuel stored in the fuel storage container; Selecting a driving voltage and a waveform of the fuel pump based on the fuel concentration; Measuring the remaining fuel remaining in the fuel storage container after a certain time; Calculating a transfer fuel amount to be transferred to the fuel cell through the fuel pump based on a driving voltage and a waveform of the fuel pump and the predetermined time; Comparing the value obtained by subtracting the remaining fuel amount from the initial fuel amount with the value of the transport fuel amount and determining whether the compared value is greater than or equal to an error range; As a result of the determination, if the compared value is greater than or equal to an error range, measuring a voltage applied to the fuel pump from the control device and comparing the measured voltage with the set driving voltage; And a step of outputting information for informing the abnormality of the fuel pump when the measured voltage is close to the driving voltage, thereby providing a malfunction detection method of the fuel pump.
바람직하게, 연료펌프의 오동작 감지방법은, 측정된 전압이 구동전압에 근접하지 않으면, 시스템 이상을 알리기 위한 정보를 출력하는 단계를 추가적으로 포함할 수 있다.Preferably, the malfunction detection method of the fuel pump may further include outputting information for notifying a system abnormality if the measured voltage does not approach the driving voltage.
바람직하게, 연료펌프의 오동작 감지방법은, 상기 판단 결과 비교된 값이 오차범위 이내이면, 또 다른 일정 시간 경과 후 연료저장용기에 남은 연료 잔량을 다시 측정하고, 연료펌프의 구동 전압 및 파형과 또 다른 일정 시간에 기초하여 연료펌프를 통해 연료전지로 이송되어야 하는 이송연료량을 다시 산출하며, 초기연료량에서 다시 측정한 연료 잔량을 뺀 값과 다시 산출한 이송연료량의 값을 비교하고 비교된 값이 오차범위를 벗어났는가를 다시 판단하는 단계들을 추가적으로 포함할 수 있다.Preferably, in the malfunction detection method of the fuel pump, if the comparison result is within the error range, the remaining fuel remaining in the fuel storage container is measured again after another predetermined time, and the driving voltage and waveform of the fuel pump and Recalculate the amount of fuel that should be transferred to the fuel cell through the fuel pump on the basis of another constant time, compare the value of the calculated fuel amount by subtracting the remaining fuel amount measured from the initial fuel amount, and compare the value. The method may further include determining again whether it is out of range.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 액상의 연료를 저장하는 연료저장용기; 상기 연료와 산화제의 전기화학적 반응으로 전기 에너지를 생성하는 연료전지; 상기 연료를 이송하는 연료펌프; 및 상기 연료펌프에 연결되는 제어장치를 포함하되, 상기 제어장치는, 상기 연료저장용기에 저장되는 상기 연료의 초기연료량과 상기 연료의 농도를 측정하고; 상기 연료 농도에 기초하여 상기 연료펌프의 구동전압 및 파형을 선택하고; 일정 시간 경과 후 상기 연료저장용기에 남은 연료 잔량을 측정하고; 상기 연료펌프의 구동 전압 및 파형과 상기 일정 시간에 기초하여 상기 연료펌프를 통해 상기 연료전지로 이송되어야 하는 이송연료량을 산출하고; 상기 초기연료량에서 상기 연료 잔량을 뺀 값과 상기 이송연료량의 값을 비교하고 비교된 값이 오차 범위 이상인가를 판단하고; 상기 판단 결과, 상기 비교된 값이 오차범위 이상이면 상기 제어장치로부터 상기 연료펌프에 인가되는 전압을 측정하고 상기 측정된 전압을 상기 설정된 구동전압과 비교하고; 상기 비교 결과, 상기 측정된 전압이 상기 구동전압에 근접하면, 상기 연료펌프의 이상을 알리기 위한 정보를 출력하고; 상기 측정된 전압이 상기 구동 전압에 근접하지 않으면, 상기 제어장치 자체의 이상을 알리기 위한 정보를 출력하는 일련의 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.According to another aspect of the invention, the fuel storage container for storing the liquid fuel; A fuel cell generating electrical energy by an electrochemical reaction between the fuel and an oxidant; A fuel pump transferring the fuel; And a control device connected to the fuel pump, the control device comprising: measuring an initial fuel amount of the fuel and a concentration of the fuel stored in the fuel storage container; Select a driving voltage and a waveform of the fuel pump based on the fuel concentration; Measuring the remaining fuel remaining in the fuel storage container after a certain time; Calculating a transfer fuel amount to be transferred to the fuel cell through the fuel pump based on a driving voltage and a waveform of the fuel pump and the predetermined time; Comparing the value obtained by subtracting the remaining fuel amount from the initial fuel amount with the value of the transport fuel amount and determining whether the compared value is greater than or equal to an error range; If the comparison result is equal to or greater than the error range, measure the voltage applied from the control device to the fuel pump and compare the measured voltage with the set driving voltage; As a result of the comparison, if the measured voltage is close to the driving voltage, outputting information for indicating an abnormality of the fuel pump; When the measured voltage is not close to the driving voltage, it is possible to provide a fuel cell system, characterized in that to perform a series of operations for outputting information for informing the abnormality of the control device itself.
바람직하게, 제어장치는 플립플롭을 이용한 논리 회로나 마이크로프로세서의 적어도 일부 기능으로 구현될 수 있다.Preferably, the control device may be implemented with at least some functions of a logic circuit or a microprocessor using flip-flops.
바람직하게, 연료전지 시스템은 제어장치에 연결되며, 연료 농도에 상응하여 설정된 적정연료량과 이 적정연료량에 상응하여 설정된 연료펌프의 구동 전압과 파형에 대한 정보가 저장되어 있는 유량 테이블을 추가적으로 포함할 수 있다. 유량 테이블은 메모리 등의 저장장치에 저장될 수 있다.Preferably, the fuel cell system may further include a flow rate table connected to the control device, the flow rate table storing information on an appropriate fuel amount set according to the fuel concentration and driving voltage and waveform of the fuel pump set according to the appropriate fuel amount. have. The flow rate table may be stored in a storage device such as a memory.
바람직하게, 연료전지 시스템은 연료저장용기에 설치되어 초기연료량 및 연료 잔량을 측정하는 레벨 센서유닛과, 연료저장용기에 설치되어 연료의 농도를 측정하는 농도 센서유닛과, 연료펌프가 동작하는 시간을 측정하는 타이머와, 연료펌프에 인가되는 전압 및 파형을 측정하는 전압 측정장치와, 음성 및 영상 중 적어도 하나로 이루어진 경고 정보를 출력하기 위한 출력장치 중 적어도 하나를 추가적으로 포함할 수 있다.Preferably, the fuel cell system includes a level sensor unit installed in the fuel storage container to measure the initial fuel amount and fuel residual amount, a concentration sensor unit installed in the fuel storage container to measure the concentration of the fuel, and a time for the fuel pump to operate. At least one of a timer for measuring, a voltage measuring device for measuring the voltage and waveform applied to the fuel pump, and an output device for outputting warning information consisting of at least one of an audio and an image may be further included.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 연료펌프 오동작 감지방법 및 이를 채용한 연료전지 시스템을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of detecting a malfunction of a fuel pump and a fuel cell system employing the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료펌프 오동작 감지방법이 채용된 연료전지 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.1 is a block diagram illustrating a fuel cell system employing a fuel pump malfunction detection method according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 연료전지 시스템은 액상의 연료를 저장하는 연료저장용기(10), 연료저장용기(10)에 저장되는 연료량을 측정하기 위한 레벨 센서유닛(12), 연료저장용기(10)에 저장되는 연료의 농도를 측정하기 위한 농도 센서유닛(14), 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시키고 그 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 빼내는 연료전지 스택(20), 연료저장용기(10)에 저장된 연료를 연료전지 스택(20)으로 이송하는 연료펌프(30), 기설정된 제어 정보에 따라 연료저장용기(10)에 저장되는 연료량을 일정 레벨로 유지하거나 연료전지 스택(20)에 공급되는 연료 및 산화제의 공급량을 제어하고 연료 펌프(30)의 오동작을 감시하는 제어장치(40), 및 연료펌프(30)의 오동작 발생을 알리기 위한 출력장치(50a, 50b)를 포함하여 이루어진다.Referring to FIG. 1, the fuel cell system of the present embodiment includes a
특히 본 실시예의 연료전지 시스템은 연료저장용기(10)에 저장되는 연료의 농도에 기초하여 선택되는 연료펌프(30)의 구동전압 및 파형에 따라 일정 시간 동안의 이송되어야 하는 연료량을 산출하고 산출된 이송연료량을 연료저장용기(10)에 저장된 연료의 변화량과 비교함으로써 간편하게 연료펌프(30)의 오동작을 감지하고 이를 사용자 등에게 경고하도록 이루어지는 것을 주된 특징으로 한다.In particular, the fuel cell system of the present embodiment calculates and calculates the amount of fuel to be transferred for a predetermined time according to the driving voltage and waveform of the
전술한 연료전지 시스템의 주요 구성요소를 좀더 구체적으로 설명하면, 연료저장용기(10)는 수소를 함유한 연료이면서 연료펌프(30)에 의해 이송량이 조절될 수 있는 액상의 연료, 예컨대, 메탄올, 에탄올, 개미산 등을 저장하기 위한 장치이다.In more detail, the main components of the fuel cell system described above, the
레벨 센서유닛(12)은 기존의 다양한 방식의 센서유닛이 사용될 수 있으며, 예컨대, 연료저장용기(10)에 저장되는 연료의 유량에 따라 변화되는 저항을 이용하여 레벨을 계측하는 레벨 센서나 서로 다른 높이의 복수의 센서를 이용하는 레벨 센서가 이용될 수 있다.The
농도 센서유닛(12)은 메탄올 수용액과 같이 본 실시예에 사용될 수 있는 액상 연료 내의 연료 농도를 측정하는 장치로서 기존의 다양한 방식의 센서유닛이 사용될 수 있으며, 예컨대, 메탄올 용액 중에서의 초음파 전파 속도가 그 농도에 의존하는 성질을 이용하여 초음파의 전파 시간으로 농도를 계측하는 메탄올 센서가 이용될 수 있다.The
연료전지 스택(20)은 액상의 연료를 직접 이용하여 전기 에너지를 생성하는 직접 메탄올형 연료전지나 직접 개미산 연료전지 등으로 구현될 수 있다. 본 실시예에서는 직접 메탄올형 연료전지를 선택하여 사용하는 것이 바람직하며, 이 경우 직접 개미산 연료전지보다 높은 에너지 밀도의 연료를 이용할 수 있는 이점이 있다.The fuel cell stack 20 may be implemented as a direct methanol fuel cell or a direct formic acid fuel cell that generates electrical energy using liquid fuel directly. In this embodiment, it is preferable to select and use a direct methanol type fuel cell, and in this case, there is an advantage of using a fuel having a higher energy density than the direct formic acid fuel cell.
연료펌프(30)는 연료저장용기(10)에서 연료를 빨아들여 연료전지 스택(20)으로 압송하는 장치로서 원동기 바람직하게는 전동기의 동력을 이용하여 액체를 이송하는 장치를 말하며, 왕복 펌프, 원심 펌프, 회전 펌프 등이 포함된다. 왕복 펌프는 원통형의 실린더에 피스톤(piston)이나 플런저(plunger)를 끼어 왕복 운동을 시 킴으로써 액체에 압력을 주어 품어 올리는 펌프이며, 원심 펌프는 날개차(impeller)를 회전시켜 액체에 회전 운동을 주고, 그 원심력의 작용으로 액체를 이송하는 펌프이고, 회전 펌프는 케이싱(casing) 속의 회전자를 회전시켜 액체를 연속적으로 이송하는 펌프이다. 왕복 펌프는 다이어프램(diaphragm)의 상하 운동으로 펌프케이스의 용적을 변화시켜 펌프 작용을 하는 다이어프램 펌프를 포함한다.The
전술한 연료펌프(30)는 제어장치(40)의 제어 신호에 의해 구동 및 정지되고 그 동작 속도가 제어된다. 또한 연료펌프(30)는 연료저장용기(10) 내부에 설치되거나 연료저장용기(10)에 일체로 결합되어 설치되거나 또는 연료저장용기(10)와 연료전지 스택(20)을 연결하는 배관에 결합되어 설치될 수 있다.The
제어장치(40)는 레벨 센서유닛(12)과 농도 센서유닛(14)으로부터 연료저장용기(10)에 저장되는 연료의 유량과 농도에 대한 정보를 제공받고, 연료 농도에 기초하여 연료전지 스택(20)에 공급할 적정 연료량을 산출하고, 산출된 적정 연료량에 상응하는 연료펌프(30)의 구동전압 및 파형을 결정한다. 적정 연료량은 연료 크로스오버 특성 등과 같은 연료전지 스택(20)의 성능에 영향을 미치는 특성들이 반영되어 설정된다. 본 실시예에서는 연료전지 스택(20)의 특성이 연료 농도에 따른 적정 연료량에 상응하여 연료펌프의 구동전압과 파형이 설정되어 있는 유량 테이블을 이용할 수 있다. 유량 테이블은 제어장치(40)에 결합되는 저장장치(42)에 저장될 수 있다. 저장장치(42)는 램(RAM), 롬(ROM), 하드디스크, 자기테이프, 플래시 메모리와 같이 전기, 자기, 광학 등을 이용하는 기존의 다양한 저장 매체가 이용될 수 있다.The
또한 제어장치(40)는 연료펌프(30)에 인가되는 전압 및 파형을 감지하며, 특히 펄스폭 변조(PWM) 방식과 같이 연료펌프(30)의 전압 및 전류 파형이 고주파인 경우에도 평균 또는 실효(RMS) 출력을 감지한다. 이를 위해, 본 발명의 연료전지 시스템에서는 연료펌프(30)와 제어장치(40)에 결합되는 전력 측정장치(44)를 추가적으로 구비할 수 있다. 전력 측정장치(44)는 아날로그 디지털 컨버터로 구현될 수 있으며, 아울러 전술한 아날로그 디지털 컨버터는 마이크로컨트롤러(microcontroller)와 같은 제어장치(40)의 입력단이나 일부 기능으로써 구현될 수 있다. 전술한 제어장치(40)는 플립플롭(flipflop)을 이용한 논리 회로나 마이크로프로세서의 적어도 일부 기능으로 구현될 수 있다.In addition, the
또한, 제어장치(40)는 연료펌프(30)의 이상을 감지한 경우, 제어장치(40)에 연결되어 있는 출력장치, 예컨대, 음성 출력장치(50a) 및/또는 영상 출력장치(50b)를 통해 또 다른 시스템이나 사용자 등에게 이를 알린다. 따라서 본 발명에 의하면 연료펌프(30) 내부 구성요소의 마모나 연료펌프(30) 내부 유로를 막는 불순물 등의 원인에 의해 연료펌프(30)가 오동작을 발생하는 경우, 이를 신속하게 발견하여 사용자 등에게 경고하는 것이 가능하다. 이와 같이, 본 발명은 간단한 연료펌프 오동작 감지방법을 통해 연료 펌프(30)의 오동작을 감지하여 경고함으로써 연료전지 시스템의 안전성과 수명에 대한 악영향을 방지할 수 있고, 그것에 의해 연료전지 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.In addition, when the
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료펌프 오동작 감지방법을 설명하기 위한 순서도이다.2 is a flowchart illustrating a fuel pump malfunction detection method according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 1 및 도 2를 참조하면, 먼저 제어장치(40)는 연료저장용기(10)에 설치된 레벨 센서유닛(12)과 농도 센서유닛(14)을 통해 연료저장용기(10) 내에 저장되는 연료의 초기 연료량(F_v1)과 농도를 감지한다(S10).Referring to FIGS. 1 and 2, first, the
다음, 감지된 연료 농도에 상응하는 적정 연료량에 기초하여 연료펌프(30)의 구동 전압 및 파형을 선택한다(S12). 여기서 적정 연료량은 연료전지 스택(20)의 특성을 고려하여 연료 농도에 상응하여 기설정된 바람직한 연료 공급량을 의미한다. 본 발명에서는 바람직한 연료 공급량에 상응하는 연료 공급 속도와 유량을 유량 테이블에 저장하고, 이 유량 테이블을 이용하여 연료펌프의 구동전압과 파형을 결정하도록 이루어진다. 전술한 구성에 의하면, 연료 농도에 따라 연료 공급 속도와 유량을 능동적으로 제어함으로써 연료 공급 측면에서 볼 때 연료전지 스택(20)이 최적 조건에서 운전되도록 할 수 있다.Next, the driving voltage and the waveform of the
다음, 제어장치(40)는 일정 시간 경과 후에 레벨 센서유닛(12)을 통해 연료저장용기(10)에 저장되어 있는 연료 레벨 즉 연료 잔량(F_v2)을 감지한다(S14). 그리고 기설정된 연료펌프(30)의 구동 전압과 파형 그리고 전술한 일정 시간에 기초하여 연료펌프(30)를 통해 연료저장용기(10)로부터 연료전지 스택(20)으로 이송되어야 하는 이송연료량(F_pump)을 산출한다(S16).Next, the
다음, 제어장치(40)는 이전 단계들에서 얻은 값들, 초기 연료량(F_v1), 연료 잔량(F_v2), 이송연료량(F_pump)을 이용하여 연료저장용기(10) 내의 연료 변화량(F_v1-F_v2)과 이송연료량(F_pump)의 차에 대한 절대값이 임의의 오차값(F_e1) 이상인가를 판단한다(S18). 판단 결과, 임의의 오차값(F_e1)보다 작으면, 제어장 치(40)는 또 다른 일정 시간 후에 레벨 센서유닛(12)을 통해 연료저장용기(10)에 남은 연료 잔량을 다시 감지하고, 연료저장용기(10) 내의 연료 변화량과 연료펌프(30)에 의해 이송되어야 하는 이송연료량을 기초로 연료펌프(30)가 오동작하는가를 감시하기 위한 과정을 재차 수행한다. 이때, 또 다른 일정 시간은 이전의 일전 시간과 현재의 일정 시간을 더한 누적된 시간이 될 수 있다.Next, the
하지만 상기 판단 결과, 절대값이 임의의 오차값(F_e1) 이상이면, 제어장치(40)는 전력 측정장치(44)를 통해 연료펌프(30)에 인가되는 실제 전압을 감지한다(S20). 그리고 제어장치(40)는 연료 농도에 기초하여 유량 테이블로부터 얻은 연료펌프의 구동전압과 실제 전압의 차에 대한 절대값이 또 다른 임의의 오차값(F_e2)보다 작은가를 판단한다(S22). 판단 결과, 절대값이 임의의 오차값(F_e2)보다 작으면, 연료펌프(30)에 오동작하고 있는 것을 판단하고 출력장치(50a, 50b) 등을 통해 연료펌프(30)의 이상을 경고한다. 그리고 상기 판단 결과, 절대값이 임의의 오차값(F_e2) 이상이면, 출력장치(50a, 50b) 등을 통해 시스템 이상을 경고한다(S26).However, as a result of the determination, if the absolute value is equal to or greater than a certain error value F_e1, the
한편, 연료펌프(30)의 이상을 알리는 방법으로는 유무선 통신을 통해 사용자의 휴대단말 등에 알리는 기존의 방법도 고려될 수 있다.On the other hand, as a method of notifying the abnormality of the
본 실시예의 연료펌프 오동작 감지방법에 의하면, 연료펌프의 동작에 의해 연료저장용기로부터 연료전지 스택으로 이송되어야 하는 연료량과 연료저장용기 내의 연료 변화량을 비교하여 연료펌프가 정상적으로 동작하는가를 간단하면서 정확하게 판단할 수 있다.According to the fuel pump malfunction detection method of the present embodiment, it is possible to easily and accurately determine whether the fuel pump operates normally by comparing the amount of fuel to be transferred from the fuel storage container to the fuel cell stack by the operation of the fuel pump and the fuel change amount in the fuel storage container. can do.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 채용가능한 고분자 전해질형 연료전지를 설명하기 위한 분해 단면도이다.3 is an exploded cross-sectional view illustrating a polymer electrolyte fuel cell employable in a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 고분자 전해질형 연료전지는 직접 메탄올형 연료전지 스택으로 구현되는 것이 바람직하며, 원하는 출력 전압 및 출력 전류를 얻기 위하여 통상 복수의 단위전지를 구조적으로 적층하거나 전기적으로 직렬 연결한 구조를 가질 수 있다. 본 실시예에서는 하나의 단위전지로 이루어지는 간단한 구조의 연료전지를 예를 들어 설명한다.Referring to FIG. 3, the polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment is preferably implemented as a direct methanol fuel cell stack. In order to obtain a desired output voltage and output current, a plurality of unit cells are structurally stacked or electrically series. It can have a connected structure. In this embodiment, a fuel cell having a simple structure consisting of one unit cell will be described as an example.
연료전지 스택을 구성하는 단위전지는 기본적으로 고분자 전해질막(21)과 이 전해질막(21)의 양면에 접합되는 애노드 전극(22) 및 캐소드 전극(23)을 포함하여 이루어진다. 전해질막(21), 애노드 전극(22) 및 캐소드 전극(23)으로 이루어지는 단위전지의 기본 구조는 막-전극 어셈블리라고 불리운다. 애노드 전극(22)과 캐소드 전극(23)은 전기화학적 반응성, 이온 전도성, 전자 전도성, 연료 전달성, 부산물 전달성, 계면 안정성 등에 대한 성능 향상을 위해 금속촉매층(22a; 23a)과 확산층(diffusion layer)(22b; 23b)을 각각 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.The unit cell constituting the fuel cell stack basically includes a
또한 연료전지 스택은 애노드 전극(22)에 연료를 공급하기 위한 유동유로(flow field)(25a)가 설치된 애노드 플레이트(25)와, 캐소드 전극(23)에 산화제를 공급하기 위한 유동유로(26a)가 설치된 캐소드 플레이트(26)를 포함할 수 있다. 애노드 플레이트(25)와 캐소드 플레이트(26)는 양면에 유동유로(25a, 26a)가 노출되는 하나의 바이폴라 플레이트로 제작될 수 있고, 한 쌍의 엔드 플레이트(27, 28)에 의해 구조적으로 적층될 때, 전술한 바이폴라 플레이트는 전기발생유닛 내에서 적층된 단위전지들 사이에 게재되어 사용될 수 있다.In addition, the fuel cell stack includes an
전술한 연료전지 스택의 작동원리를 설명하면 다음과 같다.The operation principle of the fuel cell stack described above is as follows.
애노드 전극(22)에 수소함유연료가 공급되고 캐소드 전극(23)에 산화제가 공급되면, 애노드측 금속촉매층(22a)에서 생성된 수소 이온은 고분자 전해질막(21)을 통해 캐소드 전극(23) 측으로 이동하며, 캐소드측 금속촉매층(23a)에서는 수소이온과 산소 그리고 전자가 반응하여 물을 생성시키게 된다. 한편, 애노드측 금속촉매층(22a)에서 생성된 전자는 외부 회로를 통해 캐소드 전극(23) 측으로 이동하면서 화학반응을 통해 얻어진 자유에너지의 변화량을 전기 에너지로 전환하게 된다. 전체 반응식은 수소함유연료가 메탄올인 경우 아래의 반응식 1과 같이 메탄올과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소를 생성시키게 된다. 또한, 연료전지 스택에서는 메탄올 수용액이 고분자 전해질막(21)을 통해 애노드 전극(22) 측으로부터 캐소드 전극(23) 측으로 이동하는 크로스오버 현상이 발생하게 된다. 이러한 크로스오버 현상은 현재의 고분자 전해질막(21)의 제작상의 기술적 한계로 인한 것이다.When the hydrogen-containing fuel is supplied to the
캐소드 : 3/2O2 + 6H+ + 6e- -> 3H2O Cathode: 3 / 2O 2 + 6H + + 6e - -> 3H 2 O
전체 : CH3OH + 3/2O2 -> CO2 + 2H2OTotal: CH 3 OH + 3 / 2O 2- > CO 2 + 2H 2 O
한편, 현재 사용할 수 있는 모든 연료전지 스택에서는 크로스오버 현상이 발 생되므로, 본 발명에 따른 연료전지 시스템에서는 연료전지 스택에서 소모되는 연료량과 함께 크로스오버량을 고려하여 최적의 연료 농도를 설정하고 이를 유지하기 위한 수단을 추가적으로 구비할 수 있다.On the other hand, crossover occurs in all fuel cell stacks that are currently available. In the fuel cell system according to the present invention, the optimum fuel concentration is set in consideration of the amount of fuel consumed in the fuel cell stack and the crossover amount. Means for retaining may be additionally provided.
또 한편, 본 실시예에 따른 연료전지 시스템에서는 시스템 효율을 향상시키기 위하여 연료펌프와 연료전지 스택에 결합되는 리사이클링(recycling) 수단을 추가적으로 구비할 수 있다. 리사이클링 수단은 연료 또는 물을 재사용하기 위한 장치를 포함한다.In addition, the fuel cell system according to the present exemplary embodiment may further include a recycling means coupled to the fuel pump and the fuel cell stack in order to improve system efficiency. The recycling means comprises a device for reusing fuel or water.
본 발명은 연료펌프에 의해 연료전지 스택에 공급되는 연료의 원하지 않는 변화를 예측할 수 있으므로, 시스템이 원하지 않는 조건에서 운전되는 것을 방지할 수 있고, 따라서 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있는 장점을 가진다.The present invention can anticipate undesired changes in the fuel supplied to the fuel cell stack by the fuel pump, thereby preventing the system from operating under undesired conditions and thus improving the stability of the system.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and it is common in the art that various substitutions, modifications, and changes can be made without departing from the technical spirit of the present invention. It will be evident to those who have knowledge of.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 간단한 구성과 방법에 의해 연료저장용기에 저장된 연료를 연료전지 스택에 공급하는 연료펌프의 오동작을 감지할 수 있으므로 연료펌프에 의해 시스템의 운전 조건이 악화되는 것을 사전에 방지할 수 있다. 아울러, 일정 조건에서 최적의 성능을 발휘하는 연료전지 스택 및 연료전지 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.As described above, according to the present invention, since the malfunction of the fuel pump for supplying fuel stored in the fuel storage container to the fuel cell stack can be detected by a simple configuration and method, the operating condition of the system is deteriorated by the fuel pump. You can prevent it in advance. In addition, it is possible to improve the reliability of the fuel cell stack and the fuel cell system exhibiting optimal performance under certain conditions.
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