KR20090022521A - Sensor-less method and apparatus for controlling fuel concentration of liquid fuel cell, liquid fuel cell apparatus using the same - Google Patents

Sensor-less method and apparatus for controlling fuel concentration of liquid fuel cell, liquid fuel cell apparatus using the same Download PDF

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Abstract

A method for controlling the fuel concentration of s liquid fuel cell is provided to save the electricity used on system operation by making a simple and compact fuel cell system by using a sensor. A method for controlling the fuel concentration of s liquid fuel cell comprises a step of measuring the fuel consumption or consumption velocity of a liquid type fuel battery while changing the operation condition, and determining the fuel consumption or consumption velocity of the fuel; and a step of controlling the fuel concentration of a liquid type fuel battery by controlling the fuel supply amount or the feed rate supplied to the fuel battery corresponding to the fuel consumption or consumption velocity of the fuel.

Description

농도 센서를 사용하지 않는 액체형 연료 전지의 연료 농도 제어 방법 및 장치, 이를 이용한 액체형 연료 전지 장치{SENSOR-LESS METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING FUEL CONCENTRATION OF LIQUID FUEL CELL, LIQUID FUEL CELL APPARATUS USING THE SAME}Method and apparatus for controlling fuel concentration of a liquid fuel cell that does not use a concentration sensor, and a liquid fuel cell device using the same TECHNICAL FIELD

본 발명은 농도 센서를 사용하지 않는 액체형 연료 전지의 연료 농도 제어 방법 및 장치, 이를 이용한 액체형 연료 전지 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 연료를 공급하는 연료 순환 계통에서 연료의 농도를 제어함에 있어서, 연료의 농도를 측정하는 농도 센서를 사용하지 않고, 연료 전지의 운전 조건 특히 설정된 연료 농도에서의 연료 전지의 온도와 압력 및 출력 전류를 이용하여 연료의 소비량을 예측하고, 이를 근거로 연료 공급 부에서 연료 공급량을 조절함으로써 연료의 농도를 일정하게 유지하는 농도 센서를 사용하지 않는 액체형 연료 전지의 연료 농도 제어 방법 및 장치, 이를 이용한 액체형 연료 전지 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel concentration control method and apparatus for a liquid fuel cell that does not use a concentration sensor, and a liquid fuel cell apparatus using the same. In detail, the present invention relates to a method for controlling fuel concentration in a fuel circulation system for supplying fuel. Instead of using the concentration sensor to measure the concentration of the fuel cell, the fuel consumption is estimated using the fuel cell operating conditions, in particular, the fuel cell temperature, pressure and output current at the set fuel concentration, and based on the fuel consumption, A fuel concentration control method and apparatus for a liquid fuel cell that does not use a concentration sensor that maintains a constant concentration of fuel by adjusting a supply amount, and a liquid fuel cell apparatus using the same.

액체형 연료 전지는 메탄올, 에탄올, 포름산, 이소프로판올, 프로판올, 에틸렌글리콜, 디메틸에테르, 부탄올의 단독 또는 2 개 이상의 혼합 연료와 산소의 산화 환원 반응을 이용하여 반응물의 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환 시키는 장치로서, 연료의 에너지 밀도가 높고, 충전 시간이 필요하지 않아서 미래의 소형 이동용 전원으로 적합하다.Liquid fuel cell is a device that converts chemical energy of reactant directly into electrical energy by using redox reaction of oxygen, ethanol, formic acid, isopropanol, propanol, ethylene glycol, dimethyl ether, butanol alone or two or more mixed fuels and oxygen As a result, the energy density of the fuel is high, and no charging time is required, so it is suitable as a future small mobile power source.

아래 반응식 1 내지 3은 각각 액체형 연료 전지 중에서 메탄올을 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료 전지의 애노드(anode) 반응식, 캐소드(cathode) 반응식, 및 전체 반응식을 나타낸 것이다.Reaction Schemes 1 to 3 below show an anode reaction scheme, a cathode reaction scheme, and an overall reaction scheme of a direct methanol fuel cell using methanol as a fuel in a liquid fuel cell, respectively.

CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-, E0 = 0.043V CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e -, E 0 = 0.043V

3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O, E0 = 1.229V 3 / 2O 2 + 6H + + 6e - → 3H 2 O, E 0 = 1.229V

CH3OH + 3/2O2 → CO2 + 2H2O , E0 = 1.186V CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O, E 0 = 1.186 V

위 반응식과 같이, 직접 메탄올 연료 전지의 경우 전해질을 사이에 두고 양 전극에서 각각 메탄올 산화반응과 산소의 환원반응이 일어나며, 반응 결과 생성되는 수소 이온이 전해질을 통해 애노드에서 캐소드 측으로 이동하고, 전자는 외부 전기회로로 이동한다. 외부 전기회로로 이동하는 전자에 의해서 전자 제품을 작동시킬 수 있는 전력이 발생한다.As shown in the above scheme, in the case of the direct methanol fuel cell, methanol oxidation reaction and oxygen reduction reaction occur at both electrodes with the electrolyte in between, and the resulting hydrogen ions move from the anode to the cathode side through the electrolyte, and the electrons Move to an external electrical circuit. The electrons moving to the external electric circuit generate power to operate the electronic products.

이와 같은 직접 메탄올 연료 전지를 포함한 액체형 연료 전지에 있어서 공급되는 연료의 농도는 연료 전지 성능 및 연료의 사용 효율에 영향을 준다. The concentration of fuel supplied in a liquid fuel cell including such a direct methanol fuel cell affects fuel cell performance and fuel use efficiency.

한편, 액체형 연료는 전해질 막을 관통하여 애노드에서 캐소드로 이동하는 크로스오버 현상이 발생하고, 연료의 크로스오버는 연료 전지의 성능 저하, 연료의 사용효율 감소 등 다양한 문제를 야기한다. On the other hand, the liquid fuel crosses the electrolyte membrane and moves from the anode to the cathode. Crossover of the fuel causes various problems such as deterioration of the fuel cell performance and reduction of fuel use efficiency.

이러한 크로스오버 현상은 연료의 농도에 따라 비례한다. 예를 들어, 직접 메탄올 연료 전지의 경우 일반적으로 연료의 크로스오버를 줄이기 위해서 2M 이하의 낮은 농도로 연료를 공급한다.This crossover phenomenon is proportional to the concentration of the fuel. For example, direct methanol fuel cells typically supply fuel at low concentrations of 2M or less to reduce fuel crossover.

그런데, 연료를 희석된 용액 형태로 액체형 연료 전지 시스템 내부에서 저장 및 사용할 경우, 연료 전지 시스템 전체의 에너지 밀도(단위부피당)는 매우 낮아서 휴대용 고밀도 에너지 장치로서의 장점을 상실하게 된다. However, when the fuel is stored and used inside the liquid fuel cell system in the form of a diluted solution, the energy density (per unit volume) of the entire fuel cell system is very low, thus losing the advantages as a portable high density energy device.

따라서, 낮은 농도의 연료를 공급하면서도 시스템에서의 에너지 밀도를 높이기 위해서 연료를 재순환하여 사용한다. Therefore, fuel is recycled and used to increase energy density in the system while supplying low concentrations of fuel.

연료의 재순환은 연료 전지에서 방출되는 미반응 연료를 외부로 방출하지 않고, 연료를 보충하여 농도를 맞춘 다음 연료 전지 시스템으로 다시 공급하여 사용하는 방법이다. Recirculation of fuel is a method of replenishing fuel, adjusting its concentration, and then feeding it back to a fuel cell system without releasing unreacted fuel discharged from a fuel cell to the outside.

즉, 연료가 포함된 반응 용액을 연료 전지 스택에 공급하게 되면, 연료 전지 스택에서는 반응에 의해 연료가 소비되고, 반응용액 내의 연료농도는 감소하게 된다. 따라서, 연료의 농도를 원하는 수준으로 유지하려면 고농도의 연료를 순환 계통에 주입하여 농도를 조절해주어야 한다. That is, when the reaction solution containing fuel is supplied to the fuel cell stack, the fuel is consumed by the reaction in the fuel cell stack, and the fuel concentration in the reaction solution is reduced. Therefore, in order to maintain the concentration of the fuel to the desired level, a high concentration of fuel must be injected into the circulation system to adjust the concentration.

이를 위해 연료 전지 시스템에서는 연료 혼합 장치에 고농도의 연료를 주입하여 순환용액과 섞음으로써 반응 용액 내의 연료의 농도를 일정하게 맞춘 다음 이 용액을 연료 전지로 주입한다. To this end, in a fuel cell system, a high concentration of fuel is injected into a fuel mixing device and mixed with a circulating solution to adjust the concentration of the fuel in the reaction solution, and then the solution is injected into the fuel cell.

참고로, 기존에 사용되고 있는 대표적인 연료농도 제어 방법으로는 피드백 제어 방법이 있다. For reference, a representative fuel concentration control method that is conventionally used is a feedback control method.

상기 피드백 제어 방법은 농도 센서를 사용하여 순환 계통 내의 연료농도를 측정하고, 농도 변화를 관찰하면서 연료의 농도를 일정하게 유지시키는 데 필요한 연료 원액의 주입량을 계산하여 공급함으로써, 반응용액 내의 연료의 농도를 제어하는 방법을 말한다. The feedback control method uses a concentration sensor to measure the concentration of the fuel in the circulation system, and calculates and supplies an injection amount of the fuel stock solution required to keep the concentration of the fuel constant while observing the concentration change, thereby providing a concentration of the fuel in the reaction solution. Say how to control it.

그런데, 기존의 농도 제어 방법은 위와 같이 연료 전지로 공급되는 연료의 농도를 측정할 수 있는 농도 센서를 부착해야 하며, 센서에서 연료의 농도를 측정할 수 있도록 연료 순환 계통 내부에 별도의 시료 이송용 배관과 펌프가 필요하다. However, the existing concentration control method should be attached to a concentration sensor that can measure the concentration of the fuel supplied to the fuel cell as described above, for the separate sample transfer inside the fuel circulation system to measure the concentration of the fuel in the sensor Piping and pumps are needed.

이로 인해 시스템의 복잡성이 증가하여 소형화가 어려워지며, 센서와 해당 펌프에 사용되는 전력 소비량이 증가하여 연료 전지 시스템의 에너지 효율이 감소하는 단점들이 있다.This increases the complexity of the system, making it difficult to miniaturize, and increases the power consumption of the sensor and the pump, thereby reducing the energy efficiency of the fuel cell system.

더욱이, 현재 개발된 농도 센서들은 다른 물리량을 측정하는 센서들에 비해 높은 가격대를 형성하고 있어서 이를 연료 전지 시스템에 적용할 경우 연료 전지 시스템의 제작 단가가 상승하여 휴대용 전원 장치로서의 가격 경쟁력을 유지하기가 어렵다는 문제가 있다. Furthermore, currently developed concentration sensors have a higher price point than other physical quantity sensors, and when applied to fuel cell systems, manufacturing cost of fuel cell systems increases, making it difficult to maintain price competitiveness as portable power supplies. There is a problem that is difficult.

이와 같은 문제를 해결하고자 전기화학적 반응을 이용한 농도 센서를 개발하기 위한 연구들이 진행되어 왔다. In order to solve this problem, studies have been conducted to develop a concentration sensor using an electrochemical reaction.

전기화학적 반응을 이용한 농도 센서는 기존의 농도 센서보다 낮은 가격으로 제작이 가능 하다는 장점이 있다. 하지만 시간이 지남에 따라 센서 내부의 촉매가 활성을 잃으면서 측정의 재현성이 낮아진다는 문제가 있다.The concentration sensor using the electrochemical reaction has the advantage that it can be manufactured at a lower price than the conventional concentration sensor. However, over time, there is a problem that the reproducibility of the measurement becomes low as the catalyst inside the sensor loses activity.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 농도 센서를 사용하지 않기 때문에 연료 전지 시스템이 단순, 소형화되어 시스템 작동에 소모되는 전력을 절약하고 시스템 자체의 가격도 낮출 수 있는 연료 전지의 센서 리스 농도 제어로서, 특히 농도 제어 시 촉매 피독에 의한 연료 전지의 자연적인 성능 저하에 영향을 받지 않고, 전극의 성능이 저하되거나, 운전조건 등이 변화되거나, 전기부하가 변화하는 동적 상태에서도 사용이 가능하며, 농도 제어의 오차범위가 크지 않아서 안정적인 연료 전지 운전을 보장할 수 있는, 농도 센서를 사용하지 않는 액체형 연료 전지의 연료 농도 제어 방법 및 장치, 이를 이용한 액체형 연료 전지 장치를 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is that the fuel cell system is simple and miniaturized because it does not use a concentration sensor, thereby saving power consumed in system operation and lowering the price of the system itself. As a sensorless concentration control of fuel cells, the dynamic performance of the electrode performance, the operating conditions, or the electrical load changes without being affected by the natural deterioration of the fuel cell due to the poisoning of the catalyst during concentration control. The present invention provides a method and apparatus for controlling fuel concentration of a liquid fuel cell without using a concentration sensor and a liquid fuel cell apparatus using the same, which can be used even in a state and can guarantee stable fuel cell operation because the error control range is not large. It is.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는, 액체형 연료 전지의 연료 농도를 농도 센서 없이 제어하는 방법으로서, 상기 액체형 연료 전지의 연료 소비량 또는 소비 속도를, 연료 농도를 포함하는 운전 조건을 변경하면서 측정하고, 측정된 연료 소비량 또는 소비 속도로부터 설정된 연료 농도에서의 연료의 소비량 또는 소비 속도를 결정하는 제 1 단계; 및 상기 결정된 연료의 소비량 또는 소비 속도에 대응하여 상기 연료 전지에 공급되는 연료 공급량 또는 공급 속도를 조절함으로써, 상기 액체형 연료 전지의 연료 농도를 제어하는 제 2 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 농도 센서를 사용하지 않는 액체형 연료 전지의 농도 제어 방법을 제공한다. In order to achieve the above object, in the present invention, as a method of controlling the fuel concentration of a liquid fuel cell without a concentration sensor, the fuel consumption or consumption rate of the liquid fuel cell is measured while changing the operating conditions including the fuel concentration. And a first step of determining the consumption or consumption rate of the fuel at the set fuel concentration from the measured fuel consumption or consumption rate; And a second step of controlling a fuel concentration of the liquid fuel cell by adjusting a fuel supply amount or a supply speed supplied to the fuel cell in response to the determined consumption amount or the consumption speed of the fuel. It provides a method for controlling the concentration of a liquid fuel cell that does not use.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제 1 단계에서는, 상기 연료 소비량 또는 소비 속도를 연료 전지에서의 전류 발생시 필요한 연료 소비량 또는 소비 속도; 및 연료의 크로스오버에 의한 연료 소비량 또는 소비 속도;의 합으로 결정한다.In an embodiment of the present invention, in the first step, the fuel consumption amount or the consumption rate may be determined by a fuel consumption amount or a consumption rate required when a current is generated in a fuel cell; And fuel consumption or rate of consumption due to crossover of fuel.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제 1 단계는, 상기 액체형 연료 전지의 연료 소비량 또는 소비 속도를 출력 전류, 연료 전지 내부의 온도와 압력 및 연료 농도를 변경하면서 측정함으로써, 상기 출력 전류, 연료 전지 내부의 온도와 압력 및 연료 농도를 변수로 하는 연료 소비량 또는 소비 속도의 데이터 베이스 또는 상관관계를 얻는 제 1-1 단계; 및 설정된 연료 농도 하에서 출력 전류, 연료 전지 내부의 온도와 압력을 측정하고, 상기 설정된 연료 농도, 측정된 전류, 온도 및 압력을 상기 제 1-1 단계에서 얻어진 연료 소비량 또는 소비 속도의 데이터 베이스 또는 상관관계에 대입하여, 상기 설정된 연료 농도, 측정된 전류, 온도 및 압력에서의 연료 소비량 또는 소비 속도를 결정하는 제 1-2 단계;로 이루어진다.In an embodiment of the present invention, the first step includes measuring the fuel consumption or consumption rate of the liquid fuel cell while changing the output current, the temperature and pressure inside the fuel cell, and the fuel concentration, thereby outputting the output current and the fuel cell. 1-1 step of obtaining a database or correlation of fuel consumption or consumption rate with variables of internal temperature and pressure and fuel concentration; And measuring the output current, the temperature and pressure inside the fuel cell under the set fuel concentration, and correlating the set fuel concentration, measured current, temperature and pressure with the database or correlation of the fuel consumption or consumption rate obtained in step 1-1. And the first and second steps of determining fuel consumption or consumption rate at the set fuel concentration, measured current, temperature, and pressure in relation to the relationship.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 전류 발생시 필요한 연료 소비량 또는 소비 속도를 상기 전류 측정값과 패러데이 상수를 이용하여 결정한다.In an embodiment of the present invention, the fuel consumption or consumption rate required for generating the current is determined using the current measurement value and the Faraday constant.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 연료의 크로스오버에 의한 연료 소비량 또는 소비 속도는 연료 전지의 캐소드로부터의 이산화탄소의 발생량 또는 발생 속도를 측정하여 결정한다.In an embodiment of the present invention, the fuel consumption or consumption rate due to the crossover of the fuel is determined by measuring the generation amount or the generation rate of carbon dioxide from the cathode of the fuel cell.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 이산화탄소의 발생량 또는 발생 속도는 캐소드로부터의 기체의 방출량 또는 방출 속도 및 상기 캐소드로부터의 기체 중의 이산화탄소의 농도를 측정함으로써 결정한다.In an embodiment of the invention, the amount or rate of generation of carbon dioxide is determined by measuring the amount or rate of release of gas from the cathode and the concentration of carbon dioxide in the gas from the cathode.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 캐소드로부터의 기체의 방출량 또는 방출 속도는 연료 전지에 공급하는 공기의 유량 또는 유속에서, 전류 발생으로 인하여 소비되는 산소의 유량 또는 유속을 차감하고, 연료의 크로스오버로 인하여 발생한 이산화탄소의 유량 또는 유속을 더한 후, 연료의 크로스오버로 인하여 소비된 산소의 유량 또는 유속을 차감함으로써 결정한다.In an embodiment of the present invention, the amount or rate of release of gas from the cathode subtracts the flow rate or flow rate of oxygen consumed due to the generation of current from the flow rate or flow rate of air supplied to the fuel cell, and crossovers of the fuel. It is determined by subtracting the flow rate or flow rate of the generated carbon dioxide, and then subtracting the flow rate or flow rate of oxygen consumed due to the crossover of the fuel.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제 2 단계에서는, 상기 연료 전지에 농도 적정된 연료를 공급하는 연료 혼합기의 부피 또는 액위를 일정하게 한 상태에서, 상기 결정된 연료의 소비량 또는 소비 속도와 동일한 유량 또는 유속의 연료를 상기 연료 전지 혼합기에 공급한다.In an embodiment of the present invention, in the second step, the flow rate or the same as the consumption amount or consumption rate of the determined fuel, with the volume or liquid level of the fuel mixer supplying the concentration-adjusted fuel to the fuel cell constant Fuel at a flow rate is supplied to the fuel cell mixer.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 액체형 연료는 메탄올, 에탄올, 포름산, 이소프로판올, 프로판올, 에틸렌글리콜, 디메틸에테르 및 부탄올로 이루어지는 그룹에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합 연료이다.In an embodiment of the present invention, the liquid fuel is one or more mixed fuels selected from the group consisting of methanol, ethanol, formic acid, isopropanol, propanol, ethylene glycol, dimethyl ether and butanol.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는, 액체형 연료 전지의 연료 농도를 농도 센서 없이 제어하기 위한 농도 제어 장치로서, 상기 액체형 연료 전지의 연료 소비량 또는 소비 속도를 연료 농도를 포함하는 운전 조건을 변경하면서 측정함으로써 얻어진 연료 소비량 또는 소비 속도로부터, 설정된 연료 농도에서의 연료의 소비량 또는 소비 속도를 결정하는 프로세서; 및 상기 결정된 연료의 소비량 또는 소비 속도에 대응하여 연료 공급량 또는 공급 속도에 관한 제어 신호를 상기 액체형 연료 전지의 연료 공급 부로 송출하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으 로 하는 농도 센서를 사용하지 않는 액체형 연료 전지의 농도 제어 장치를 제공한다.In order to achieve the above object, in the present invention, as a concentration control device for controlling the fuel concentration of a liquid fuel cell without a concentration sensor, changing the operating conditions including the fuel concentration or the fuel consumption or consumption rate of the liquid fuel cell; A processor that determines, from the fuel consumption or consumption rate obtained by measuring, the consumption or consumption rate of the fuel at the set fuel concentration; And a control unit which transmits a control signal relating to a fuel supply amount or a supply speed to a fuel supply unit of the liquid fuel cell in response to the determined consumption amount or the consumption speed of the fuel. Provided is a concentration control apparatus for a battery.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 프로세서는, 설정된 연료 농도에서 상기 액체형 연료 전지의 출력 전류, 연료 전지 내부의 온도와 압력을 측정하는 측정 장치에 연결되며, 상기 액체형 연료 전지의 연료 소비량 또는 소비 속도를 출력 전류, 연료 전지 내부의 온도와 압력 및 연료 농도를 변경하면서 측정함으로써 얻어진, 출력 전류, 연료 전지 내부의 온도와 압력, 연료 농도를 변수로 하는 연료 소비량 또는 소비 속도의 데이터 베이스 또는 상관관계를 축적하는 제 1 처리부; 및 상기 제 1 처리부로부터 연료 소비량 또는 소비 속도의 데이터 베이스 또는 상관관계를 호출하고, 상기 설정된 농도, 상기 측정 장치로부터 입력된 전류, 온도 및 압력을 상기 연료 소비량 또는 소비 속도의 데이터 베이스 또는 상관관계에 대입함으로써, 상기 설정된 농도에서의 연료 소비량을 결정하는 제 2 처리부;를 포함한다.In an embodiment of the invention, the processor is connected to a measuring device for measuring the output current of the liquid fuel cell, the temperature and the pressure inside the fuel cell at a set fuel concentration, and the fuel consumption or consumption rate of the liquid fuel cell. Is determined by varying the output current, temperature and pressure inside the fuel cell, and fuel concentration, and a database or correlation of fuel consumption or rate of consumption with the output current, temperature and pressure inside the fuel cell, and fuel concentration as variables. A first processor to accumulate; And calling a database or correlation of fuel consumption or consumption rate from the first processing unit, and converting the set concentration, current, temperature and pressure input from the measuring device to the database or correlation of fuel consumption or consumption rate. And a second processor configured to determine fuel consumption at the set concentration.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는, 연료 공급 부; 상기 연료 공급 부에 연결된 액체형 연료 전지; 및 상기 연료 공급 부 및 상기 액체형 연료 전지에 각각 연결된 상기한 농도 제어 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체형 연료 전지 장치를 제공한다.In order to achieve the above object, in the present invention, the fuel supply unit; A liquid fuel cell connected to the fuel supply unit; And the concentration control device connected to the fuel supply unit and the liquid fuel cell, respectively.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 연료 공급 부는, 상기 연료 원액을 저장하는 연료 원액 카트리지; 상기 연료 원액 카트리지로부터 연료 원액을 공급받고 농도 적정된 연료를 상기 액체형 연료 전지에 공급하는 연료 혼합기; 및 상기 연료 원액 카트리지로부터 상기 연료 원액을 상기 연료 혼합기로 공급하는 펌프;를 포함 하고, 상기 농도 제어 장치는 상기 연료 공급 부의 펌프에 연결된다.In an embodiment of the present invention, the fuel supply unit comprises: a fuel stock solution cartridge for storing the fuel stock solution; A fuel mixer for supplying a fuel stock solution from the fuel stock cartridge and supplying a concentration-adjusted fuel to the liquid fuel cell; And a pump for supplying the fuel stock solution from the fuel stock cartridge to the fuel mixer, wherein the concentration control device is connected to the pump of the fuel supply section.

본 발명에 따른 센서 리스 농도 제어 방법은, 농도 센서를 사용하지 않기 때문에 연료 전지 시스템이 단순, 소형화되어 시스템 작동에 소모되는 전력이 절약되고, 시스템 자체의 가격도 낮출 수 있다. 특히, 농도 제어에 있어서, 촉매 피독에 의한 연료 전지의 자연적인 성능 저하에 영향을 받지 않고, 전극의 성능이 저하되거나, 운전조건 등이 변화되거나, 전기부하가 변화하는 동적 상태에서도 사용이 가능하며, 농도 제어의 오차범위가 크지 않아서 안정적인 연료 전지 운전을 보장할 수 있는 연료 전지의 센서 리스 농도 제어를 구현할 수 있다. Since the sensorless concentration control method according to the present invention does not use the concentration sensor, the fuel cell system can be simplified and miniaturized, thereby saving power consumed in system operation and lowering the price of the system itself. In particular, in the concentration control, it is possible to use the battery in a dynamic state in which the performance of the electrode is deteriorated, the operating conditions are changed, or the electrical load is changed, without being affected by the natural deterioration of the fuel cell due to the poisoning of the catalyst. In addition, since the error range of the concentration control is not large, it is possible to implement the sensorless concentration control of the fuel cell which can ensure stable fuel cell operation.

이하, 본 발명에 따른 농도 센서를 사용하지 않는 액체형 연료 전지의 연료 농도 제어 방법 및 장치, 이를 이용한 액체형 연료 전지 장치를 상세하게 설명한다. Hereinafter, a fuel concentration control method and apparatus for a liquid fuel cell that does not use the concentration sensor according to the present invention, and a liquid fuel cell apparatus using the same will be described in detail.

본 발명에 있어서, 연료의 원액은 반드시 100% 농도의 원액뿐만 아니라 희석이 필요한 정도의 고농도의 연료를 포함하는 의미로 사용된다.In the present invention, the stock solution of the fuel is used in the sense to include not only 100% of the stock solution but also a high concentration of fuel that requires dilution.

일정한 운전 조건에서의 연료 소비량은 해당되는 운전 조건과 서로 명확한 상관 관계를 가지면서도, 연료 전지 전극의 성능 저하와는 무관하게 항상 일정하므로, 연료 소비량을 측정하고 이를 농도 제어의 기초로 활용할 수 있다.Fuel consumption in a certain operating condition has a clear correlation with the corresponding operating conditions, but always constant regardless of the performance of the fuel cell electrode, it is possible to measure the fuel consumption and use it as a basis for the concentration control.

본 발명에서는 위와 같은 점에 근거하여 농도 센서 없이 액체형 연료 전지의 농도 제어를 수행하는 방법으로서 특히 연료 소비량을 측정하고 이를 기초로 연료 농도 제어를 수행한다. In the present invention, as a method of performing the concentration control of the liquid fuel cell without the concentration sensor on the basis of the above point, in particular, the fuel consumption is measured and the fuel concentration control is performed based on this.

도 1은 본 발명의 실시예에 있어서, 연료 소비량 예측에 기반한 연료의 공급량 결정과 이에 따른 농도 제어의 처리 과정을 보여주는 흐름도이다.1 is a flowchart illustrating a process of determining fuel supply amount and concentration control according to fuel consumption prediction according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 우선, 다양한 운전 조건 하에서 농도에 따른 연료 소비량을 측정하고, 이를 기초로 특히 농도, 전류, 온도 및 압력를 변수로 하는 연료 소비량의 데이타 베이스 또는 상관관계(함수)를 얻는다(S1). Referring to FIG. 1, first, fuel consumption according to concentration is measured under various operating conditions, and based on this, a database or correlation (function) of fuel consumption, in particular concentration, current, temperature, and pressure, is obtained (S1). ).

구체적으로, 연료의 소비량은 전류 발생시 연료 전지에서 소모되는 연료 소비량 및 액체형 연료가 전해질을 크로스오버 하는 것에 의한 연료 소비량으로 구분할 수 있다. 이는 다음 식에 의하여 표현된다. Specifically, the fuel consumption may be classified into fuel consumption consumed in the fuel cell when current is generated and fuel consumption by the liquid fuel crossovering the electrolyte. This is expressed by the following equation.

NN mm ,t, t =  = NN mm ,e, e +  + NN mm ,x, x

[Nm ,t : 단위 시간당 연료 소비량, Nm ,e : 전류 발생 시 단위 시간당 연료 소비량, Nm ,x : 크로스오버에 따른 단위 시간당 연료 소비량] [N m , t : Fuel consumption per unit time, N m , e : Fuel consumption per unit time when current is generated, N m , x : Fuel consumption per unit time due to crossover]

상기 전류 발생 시의 단위 시간당 연료 소비량은 전류의 크기에만 의존하며 그 외 다른 운전 조건과는 무관하다. 이는 다음 식으로 표현된다.The fuel consumption per unit time at the time of generation of current depends only on the magnitude of the current and is independent of other operating conditions. This is expressed by the following equation.

NN mm ,e, e = f(I)=I/6F = f (I) = I / 6F

[Nm ,e : 전류 발생 시 단위 시간당 연료 소비량, I : 전류, F: 패러데이 상 수][N m , e : Fuel consumption per unit time when current is generated, I: Current, F: Faraday constant]

상기 크로스오버에 의한 연료의 소비량은 다양한 운전 조건 즉, 연료 전지의 출력 전류나 전압, 연료 전지의 내부의 온도 및 압력, 연료 전지 주변의 온도 및 압력, 공급되는 연료의 유량 및 온도, 공급되는 공기의 유량 및 온도, 연료의 농도 및 유속 등에 의하여 달라진다. 참고로, 연료 전지의 주변의 온도 및 압력, 공급 연료의 온도, 공급 공기의 온도는 결국 연료 전지의 내부의 온도 및 압력으로 반영이 된다. 또한, 상기 크로스오버에 의한 연료의 소비량은 연료 전지의 구조적 특징 즉, 연료 전지의 크기와 형태, 사용한 막-전극 결합체의 종류와 크기, 전극에 사용한 촉매의 종류, 전극의 종류, 사용한 전해질 막의 종류 등에 따라서도 변할 수 있다.The consumption of fuel by the crossover is various operating conditions, that is, the output current or voltage of the fuel cell, the temperature and pressure inside the fuel cell, the temperature and pressure around the fuel cell, the flow rate and temperature of the supplied fuel, and the supplied air. Depends on the flow rate and temperature of the fuel, the concentration and flow rate of the fuel, and the like. For reference, the temperature and pressure around the fuel cell, the temperature of the supply fuel, and the temperature of the supply air are eventually reflected by the temperature and pressure inside the fuel cell. In addition, the consumption of fuel by the crossover is characterized by the structural characteristics of the fuel cell, that is, the size and shape of the fuel cell, the type and size of the membrane-electrode assembly used, the type of catalyst used for the electrode, the type of electrode, and the type of electrolyte membrane used. It may also change depending on the back.

그러나, 연료 농도 제어를 원하는 동일한 연료 전지에 있어서 연료 전지의 크기와 형태 등 연료 전지의 구조적 특성은 일정하므로, 크로스오버에 의한 연료의 소비량은 운전 조건에 의존하며 특히 다음 식으로 표현될 수 있다. However, since the structural characteristics of the fuel cell, such as the size and shape of the fuel cell, are constant in the same fuel cell for which fuel concentration control is desired, the consumption of fuel due to crossover depends on the operating conditions, and in particular, can be expressed by the following equation.

NN mm ,x, x = f(I, T, C,  = f (I, T, C, FaFa , , FcFc , P), P)

[Nm ,x : 크로스오버에 따른 단위 시간당 연료 소비량, I : 출력 전류, T : 연료 전지 내부의 온도, C : 연료 농도, Fa : 공급되는 연료의 양, Fc : 공급되는 공기의 양, P : 연료 전지 내부의 압력][N m , x : fuel consumption per unit time according to crossover, I: output current, T: temperature inside fuel cell, C: fuel concentration, Fa: amount of fuel supplied, Fc: amount of air supplied, P : Pressure inside the fuel cell]

그런데, 일반적으로 액체형 연료 전지는 고정된 연료 및 공기 공급량, 상압 조건에서 작동한다. 따라서, 결국 농도 제어를 원하는 액체형 연료 전지 시스템에 있어서, 연료의 크로스오버에 영향을 주는 운전 조건은 출력 전류와 연료 전지 내부의 온도, 연료 농도의 3개의 변수로 귀결된다. 이는 다음 식으로 표현된다.In general, however, liquid fuel cells operate at fixed fuel and air supply, and atmospheric pressure conditions. Therefore, in the liquid fuel cell system which eventually wants to control the concentration, the operating conditions affecting the crossover of the fuel result in three variables: the output current, the temperature inside the fuel cell, and the fuel concentration. This is expressed by the following equation.

NN mm ,x, x = f(I, T, C) = f (I, T, C)

[Nm ,x : 크로스오버에 따른 단위 시간당 연료 소비량, I : 출력 전류, T : 연료 전지 내부의 온도, C : 연료 농도][N m , x : fuel consumption per unit time according to crossover, I: output current, T: temperature inside fuel cell, C: fuel concentration]

한편, 연료 전지가 가압 조건에서 작동할 경우 다음 식과 같이 압력이 포함된 4개의 변수가 적용된다.On the other hand, when the fuel cell operates in the pressurized condition, four variables including pressure are applied as in the following equation.

NN mm ,x, x = f(I, T, C, P) = f (I, T, C, P)

[Nm ,x : 크로스오버에 따른 단위 시간당 연료 소비량, I : 출력 전류, T : 연료 전지 내부의 온도, C : 연료 농도, P : 연료 전지의 내부 압력][N m , x : fuel consumption per unit time according to crossover, I: output current, T: temperature inside the fuel cell, C: fuel concentration, P: internal pressure of the fuel cell]

이상의 내용을 정리하면, 상압 조건에서의 크로스오버에 의한 연료의 소비량은 출력 전류, 연료 전지 내부의 온도, 연료의 농도의 3가지 변수에 의해서 결정되고, 전류 발생시 소모되는 연료의 소비량은 전류(출력 전류)만으로 정할 수 있는 것이므로, 결국, 연료의 소비량도, 출력 전류, 연료 전지 내부의 온도, 연료 농도에 따라서 결정된다. 그리고, 가압 조건인 경우 여기에 압력 변수가 추가된다.In summary, the consumption of fuel due to crossover under atmospheric pressure is determined by three variables: the output current, the temperature inside the fuel cell, and the concentration of the fuel. The amount of fuel consumed is also determined according to the output current, the temperature inside the fuel cell, and the fuel concentration. And, in the case of pressurized conditions, a pressure variable is added thereto.

그러므로, 출력 전류, 연료 전지 내부의 온도와 압력, 연료 농도에 따라서 연료의 소비량을 사전에 측정하여 연료의 소비량에 관한 데이타 베이스 내지 상관 관계(함수)를 얻을 수 있고, 이를 이후 연료 소비량 예측의 기초로 활용할 수 있다.Therefore, the fuel consumption can be measured in advance according to the output current, the temperature and pressure inside the fuel cell, and the fuel concentration to obtain a database or correlation (function) on the fuel consumption, which is then the basis of the fuel consumption prediction. Can be utilized as

여기서, 전류 발생시 소모되는 연료의 소비량은 전류(출력 전류)만으로 정할 수 있는 것이므로 상기 연료의 소비량은 곧 크로스오버에 의한 연료의 소비량을 측정하면 정해지는데, 상기 크로스오버에 의한 연료의 소비량 측정은, 크로스오버된 연료가 캐소드 표면에서 공기 중의 산소와 반응하여 이산화탄소가 되므로, 하기 실험예와 같이, 캐소드로부터 방출되는 기체에 포함되어 있는 이산화탄소의 양을 측정함으로써 결정할 수 있다.Here, since the consumption of the fuel consumed at the time of generation of current can be determined only by the current (output current), the consumption of the fuel is determined by measuring the consumption of the fuel by the crossover, and the consumption of the fuel by the crossover is measured. Since the crossover fuel reacts with oxygen in the air at the cathode surface to become carbon dioxide, it can be determined by measuring the amount of carbon dioxide contained in the gas discharged from the cathode as in the following experimental example.

도 1을 다시 참조하면, 위와 같이 S1 단계에서 연료 소비량의 데이타 베이스 또는 상관관계(함수)를 결정한 후, 다음으로, 목표 농도를 설정하고, 설정 농도에서 출력 전류 측정 장치와 연료 전지 내부의 온도, 압력 측정 장치를 이용하여 각각의 전류, 온도 및 압력을 측정하도록 한다(S2). Referring back to FIG. 1, after determining the database or correlation (function) of the fuel consumption in step S1 as above, the target concentration is set next, and at the set concentration, the temperature of the output current measuring device and the temperature inside the fuel cell, Using a pressure measuring device to measure each current, temperature and pressure (S2).

다음으로, 위와 같이 얻어진 연료 소비량의 데이타 베이스 또는 상관관계(함수)를 호출하고, 상기 호출된 데이타 베이스 또는 상관관계(함수)에, 설정 농도, 출력 전류 및 연료 전지 내부의 온도 및 압력을 대입함으로써, 설정 농도에서의 연료 소비량을 예측할 수 있다(S3).Next, by calling the database or correlation (function) of the fuel consumption obtained as described above, and substituting the set concentration, the output current and the temperature and pressure inside the fuel cell into the called database or correlation (function). The fuel consumption at the set concentration can be predicted (S3).

다음으로, 상기 예측 소비량에 대응하여 연료를 공급함으로써 연료 농도를 제어한다(S4). Next, fuel concentration is controlled by supplying fuel corresponding to the predicted consumption amount (S4).

이에 대하여 상술하면, 연료 전지 시스템의 연료의 농도와 부피는 초기 상태 에서의 농도 및 부피에 단위시간당 발생하는 변화 누적을 더한 것에 의해서 결정된다. 이는 다음 식에 의하여 표현된다.In detail, the concentration and volume of the fuel in the fuel cell system are determined by adding the accumulation of changes occurring per unit time to the concentration and volume in the initial state. This is expressed by the following equation.

Figure 112007063442055-PAT00001
Figure 112007063442055-PAT00001

[V : 연료 부피, C : 연료 농도, Vi : 초기 연료 부피, Ci : 초기 연료 농도. t : 시간][V: fuel volume, C: fuel concentration, Vi: initial fuel volume, Ci: initial fuel concentration. t: time]

그런데, 연료 혼합기 내의 수위를 일정하게 함으로써 그 부피를 일정하게 유지하여 준다면, 즉, V=Vi가 되도록 하면, 시간에 따라 변화하는 것은 농도뿐이다. 이는 다음 식으로 표현된다. By the way, if the volume level is kept constant by making the water level in the fuel mixer constant, that is, when V = Vi, only concentration changes over time. This is expressed by the following equation.

Figure 112007063442055-PAT00002
Figure 112007063442055-PAT00002

[V : 연료 부피, C : 연료 농도, t : 시간)(V: fuel volume, C: fuel concentration, t: time)

상기 연료 농도는 초기 농도와 단위 시간당 발생하는 농도 변화의 누적에 의존한다. 이는 다음 식으로 표현된다.The fuel concentration depends on the initial concentration and the accumulation of concentration changes occurring per unit time. This is expressed by the following equation.

Figure 112007063442055-PAT00003
Figure 112007063442055-PAT00003

[C : 연료 농도, Ci : 초기 연료 농도, t : 시간][C: fuel concentration, Ci: initial fuel concentration, t: time]

상기 단위 시간당 발생하는 농도 변화는 단위 시간당 소비되는 연료와 공급 되는 연료에 의해서 결정되는데, 이는 다음 식으로 표현된다.The concentration change occurring per unit time is determined by the fuel consumed and the fuel supplied per unit time, which is expressed by the following equation.

∂C/∂t = (∂C / ∂t = ( NN mm ,f, f -  - NN mm ,t, t )/V) / V

[Nm ,f : 단위 시간당 공급되는 연료의 양, Nm ,t : 단위 시간당 연료 소비량][N m , f : amount of fuel supplied per unit time, N m , t : fuel consumption per unit time]

여기서, 연료 공급 펌프에 의한 연료의 공급량과 목표로 설정된 농도에서의 연료의 소비량을 일치시키면, 위 [수학식 9]에서 Nm ,f = Nm ,t로 되므로, 단위 시간당 농도 변화는 더 이상 발생하지 않는다. 이는 다음 식으로 표현된다.Here, if the supply amount of the fuel by the fuel supply pump and the consumption amount of the fuel at the target concentration are set to N m , f = N m , t in Equation 9 above , the concentration change per unit time is no longer. Does not occur. This is expressed by the following equation.

∂C/∂t = 0∂C / ∂t = 0

상기 [수학식 10]을 [수학식 7]에 대입하면, 결국 연료 공급 펌프에 의한 연료의 공급량을 앞서 S2 단계에서 예측한 설정 농도에서의 연료의 소비량과 일치시키는 경우에 C=Ci가 되므로, 설정 농도(C)를 초기 농도(Ci)로 유지할 수 있고, 나아가, 초기 농도(Ci)가 설정 농도(C)와 대비하여 높거나 낮은 경우라도, 연료 공급 양의 조절에 의하여 연료 전지 시스템에서의 연료 순환 공급 계의 연료 농도는 설정 농도로 수렴하는 방향으로 변하게 되므로, 농도 제어가 가능해지는 것이다.Substituting Equation 10 into Equation 7 results in C = Ci when the fuel supply amount by the fuel supply pump coincides with the consumption of fuel at the set concentration predicted in the step S2. The set concentration (C) can be maintained at the initial concentration (Ci), and furthermore, even if the initial concentration (Ci) is high or low compared to the set concentration (C), the fuel cell system is controlled by adjusting the fuel supply amount. Since the fuel concentration of the fuel circulation supply system changes in the direction of convergence to the set concentration, the concentration control becomes possible.

한편, 본 발명에 따른 장치는 크게 연료 공급 부, 상기 연료 공급 부에 연결된 액체형 연료 전지 및 상기 연료 공급 부 및 상기 액체형 연료 전지에 각각 연결된 상기한 바와 같이 농도 제어를 수행하는 농도 제어 장치를 포함한다.On the other hand, the apparatus according to the present invention largely includes a fuel supply unit, a liquid fuel cell connected to the fuel supply unit, and a concentration control apparatus for performing concentration control as described above connected to the fuel supply unit and the liquid fuel cell, respectively. .

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 장치를 연료 순환 공급 계통과 함께 보여주는 개략도이다.2 is a schematic view showing a fuel cell device according to an embodiment of the present invention together with a fuel circulation supply system.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 장치는 연료 혼합기(20)로부터 연료 순환 펌프(31)를 통하여 연료 전지 스택(40)으로 연료가 공급된다. 또한, 상기 연료 전지 스택(40)에는 공기 공급 펌프(32)로부터 공기가 공급된다.As shown in FIG. 2, the fuel cell apparatus according to the embodiment of the present invention is supplied with fuel from the fuel mixer 20 to the fuel cell stack 40 through the fuel circulation pump 31. In addition, the fuel cell stack 40 is supplied with air from the air supply pump 32.

상기 연료 혼합기(20)는 연료 원액 카트리지(10)로부터 연료 원액 공급 펌프(12)를 통하여 연료 원액을 공급받는다. 여기서, 상기 연료 원액 카트리지(10)는 결합부(11)에 의하여 이후의 연료 순환 계통과 결합 된다.The fuel mixer 20 receives the fuel stock solution from the fuel stock cartridge 10 through the fuel stock pump 12. Here, the fuel stock solution cartridge 10 is coupled to the subsequent fuel circulation system by the coupling portion (11).

또한, 상기 연료 혼합기(20)는 물공급 펌프(34)로부터 물을 공급받으며, 상기 물공급 펌프(34)는 상기 연료 전지 스택(40)으로부터의 물 회수 장치(33)에 연결된다. In addition, the fuel mixer 20 receives water from a water supply pump 34, which is connected to a water recovery device 33 from the fuel cell stack 40.

상기 연료 혼합기(20)에는 혼합 연료의 부피를 측정하기 위하여 장치 내의 혼합 연료의 수위를 측정하는 액위 측정 장치(22)가 장착되어 있다. The fuel mixer 20 is equipped with a liquid level measuring device 22 for measuring the level of the mixed fuel in the apparatus for measuring the volume of the mixed fuel.

상기 연료 전지 스택(40)으로부터 방출된 기체(이산화탄소 등)는 순환 계통 냉각 장치(30)를 거쳐서 상기 연료 혼합기(20)로 유입되고, 상기 연료 혼합기(20)에 장착된 방출 기체 배출부(21)를 통하여 유출된다.Gas (carbon dioxide, etc.) discharged from the fuel cell stack 40 is introduced into the fuel mixer 20 through a circulation system cooling device 30, and an emission gas discharge part 21 mounted on the fuel mixer 20 is provided. Out).

상기 연료 전지 스택(40)에는 온도 및 압력 측정 장치(41) 및 출력 전류 측정 장치(42)가 각각 장착되어 운전 조건에서의 온도 및 출력 전류를 측정한다.The fuel cell stack 40 is equipped with a temperature and pressure measuring device 41 and an output current measuring device 42, respectively, to measure temperature and output current under operating conditions.

상기 온도 및 압력 측정 장치(41) 및 출력 전류 측정 장치(42)는 농도 제어 장치(P)에 연결되어 있다.The temperature and pressure measuring device 41 and the output current measuring device 42 are connected to the concentration control device P.

상기 농도 제어 장치(P)는 프로세서와 연료 공급량 또는 공급 속도에 관한 제어 신호를 연료 원액 공급 펌프(12)로 송출하는 제어부로 이루어져 있다.The concentration control device P is composed of a processor and a control unit for transmitting a control signal relating to the fuel supply amount or the supply speed to the fuel feed liquid supply pump 12.

상기 프로세서는 다양한 운전 조건 하에서 설정 농도에 따른 연료 소비량 측정값을 기초로 얻어진 특히 농도, 출력 전류 및 연료 전지 내부의 온도, 압력을 변수로 하는 연료 소비량에 대한 데이타 베이스 및 상관관계(함수)를 축적하는 제 1 처리부와, 상기 제 1 처리부로부터 연료 소비량 또는 소비 속도의 데이터 베이스 또는 상관관계를 호출하고, 상기 설정된 농도, 상기 측정 장치로부터 입력된 출력 전류 및 연료 전지 내부의 온도와 압력을 상기 연료 소비량 또는 소비 속도의 데이터 베이스 또는 상관관계에 대입함으로써, 상기 설정된 농도에서의 연료 소비량을 결정하는 제 2 처리부로 구성된다.The processor accumulates a database and correlations (functions) for fuel consumption, in particular the concentration, output current and temperature and pressure inside the fuel cell, which are obtained on the basis of fuel consumption measurements according to set concentrations under various operating conditions. A first processing unit and a database or correlation of fuel consumption or consumption rate from the first processing unit and calling the set concentration, the output current input from the measuring device, and the temperature and pressure inside the fuel cell. Or a second processor that determines the fuel consumption at the set concentration by substituting the database or correlation of the consumption speed.

[실험예]Experimental Example

메탄올을 연료로 하는 단위전지를 사용하여 실험을 수행하였다. 상기 단위 전지는 인위적으로 온도 조절이 가능한 것을 사용하였다. 참고로, 상기 단위 전지에서, 전극 면적은 138cm2이었고, 전해질 막으로는 듀퐁사의 나피온 115를 사용하였다. 애노드 전극 촉매로는 Pt-Ru 6 mg/cm2을 사용하였고, 캐소드 전극 촉매로는 Pt 4 mg/cm2을 사용하였다. 평행한 곡사형(parallel serpentine) 타입의 유로를 사용하였고, 연료 공급 유량은 9.23 ml/min으로 하였으며, 공기 공급 유량은 1170 ml/min (건조 공기)로 하였다.The experiment was carried out using a unit cell fueled by methanol. The unit cell was used that can be artificially temperature controlled. For reference, in the unit cell, the electrode area was 138 cm 2 , and Nafion 115 manufactured by DuPont was used as the electrolyte membrane. Pt-Ru 6 mg / cm 2 was used as the anode electrode catalyst and Pt 4 mg / cm 2 was used as the cathode electrode catalyst. A parallel serpentine type flow path was used, the fuel supply flow rate was 9.23 ml / min, and the air supply flow rate was 1170 ml / min (dry air).

먼저, 전류와 온도에 따른 연료 소비량 예측을 위하여 전류와 온도가 유지 되는 운전 조건에서 연료 전지를 구동하여 연료 소비량을 측정하였다. First, in order to predict fuel consumption according to current and temperature, fuel consumption was measured by driving a fuel cell under operating conditions in which current and temperature were maintained.

앞서 설명한 바와 같이, 전류 발생 시의 연료 소비는 전류량을 통해서 파악하였고, 또한, 크로스오버에 의한 연료의 소비는 캐소드에서 방출되는 기체에 포함되어 있는 이산화탄소의 양으로 측정 가능하였다.As described above, the fuel consumption at the time of generating the current was understood through the amount of current, and the fuel consumption by the crossover could be measured by the amount of carbon dioxide contained in the gas emitted from the cathode.

상기 이산화탄소의 양은 방출되는 기체의 유량과 이산화탄소의 농도를 측정하여 계산하였다. 즉, 상기 방출되는 기체의 유량은 공급하는 기체 (산소 + 질소)의 유량을 측정한 후, 이 측정값에서 전류 발생 시의 산소 소비량을 차감하고, 크로스오버에 의한 산소 소비량을 차감하고, 크로스오버에 의한 이산화탄소 발생량을 더하여 계산하였다. 여기서, 질소와 산소가 확산에 의해 캐소드 극에서 전해질 막을 관통하여 애노드 극으로 이동하는 양은 미미하므로 무시하였다. The amount of carbon dioxide was calculated by measuring the flow rate of the gas discharged and the concentration of carbon dioxide. That is, the flow rate of the discharged gas measures the flow rate of the gas (oxygen + nitrogen) to be supplied, and then subtracts the oxygen consumption at the time of current generation from this measured value, subtracts the oxygen consumption due to crossover, and crossovers Calculated by adding the amount of carbon dioxide generated by. Here, the amount of nitrogen and oxygen that migrates from the cathode pole through the electrolyte membrane to the anode pole by diffusion is negligible.

메탄올을 연료로 하는 연료 전지의 경우 크로스오버에 의한 이산화탄소 발생량은 다음과 같이 계산된다. 먼저, 메탄올을 연료로 사용하는 경우에 크로스오버 반응은 다음 반응식과 같다.In the case of a fuel cell using methanol as a fuel, the amount of carbon dioxide generated by crossover is calculated as follows. First, when methanol is used as a fuel, the crossover reaction is shown in the following reaction formula.

CH3OH + 3/2 O2 -> CO2 + 2H2O CH 3 OH + 3/2 O 2- > CO 2 + 2H 2 O

상기 반응식으로부터 알 수 있듯이, 한 개의 이산화탄소가 발생하면 1.5개의 산소가 소비된다. 모든 기체를 이상 기체로 가정하면, 메탄올 크로스오버로 인하여 소비된 산소의 양은 1.5×메탄올 크로스오버로 인하여 발생한 이산화탄소의 양(Nm-co2)이 되고, 상기 메탄올 크로스오버로 인하여 발생한 이산화탄소의 양(Nm- co2)이 곧 연료인 메탄올의 크로스오버에 의한 소비량이 된다.As can be seen from the reaction scheme, when one carbon dioxide is generated, 1.5 oxygen are consumed. Assuming all gases are ideal gases, the amount of oxygen consumed due to methanol crossover becomes the amount of carbon dioxide generated by 1.5 × methanol crossover (Nm-co 2 ), and the amount of carbon dioxide generated due to methanol crossover ( Nm-co 2 ) is the consumption by the crossover of methanol as a fuel.

방출되는 전체 기체 량(Ntotal)은 공급된 산소량(Fo2)에 공급된 질소량(Fn2)을 더한 후, 전력 발생으로 인하여 소비된 산소량(l/4F; I는 전류이고, F는 패러데이 상수이다)을 차감한 후, 0.5×메탄올 크로스오버로 인한 이산화탄소 발생량(Nm-co2)[메탄올 크로스오버에 의한 산소 소비량(=1.5×메탄올 크로스오버로 인한 이산화탄소 발생량)-메탄올 크로스오버에 의한 이산화탄소 발생량]을 차감하여 구한다.The total amount of gas released (Ntotal) is the amount of oxygen supplied (Fo 2 ) plus the amount of nitrogen supplied (Fn 2 ), and then the amount of oxygen consumed due to power generation (l / 4F; I is the current and F is the Faraday constant ) After deducting), the amount of carbon dioxide generated due to 0.5 × methanol crossover (Nm-co 2 ) [the amount of oxygen consumed by methanol crossover (= 1.5 amount generated by methanol crossover) —the amount of carbon dioxide generated by methanol crossover] Obtain by subtracting

따라서, 방출되는 전체 기체 량(Ntotal)에 대한 메탄올 크로스오버에 의한 이산화탄소의 발생량(Nm-co2)의 비율(Xco2)은 곧 다음 식으로 표현된다.Therefore, the ratio (Xco 2 ) of the generation amount of carbon dioxide (Nm-co 2 ) by methanol crossover to the total amount of gas (Ntotal) emitted is expressed by the following equation.

Figure 112007063442055-PAT00004
Figure 112007063442055-PAT00004

[Nm-co2 : 연료 전지에서 방출되는 이산화탄소의 유량 (단위 : mol/min), Xco2 : 연료 전지에서 방출되는 기체 중 이산화탄소의 부피 분율, Fo2 : 공급된 산소의 유량(단위 : mol/min), Fn2 : 공급된 질소의 유량(단위 : mol/min), I : 전류(단위 : C/sec; 여기서는, 메탄올 크로스 오버에 대한 영향을 알아보기 위하여 인가 전류 값으로 함), F : 패러데이 상수(단위 : C/mol)][Nm-co 2 : Flow rate of carbon dioxide emitted from fuel cell (unit: mol / min), Xco 2 : volume fraction of carbon dioxide in gas emitted from fuel cell, Fo 2 : Flow rate of supplied oxygen (unit: mol / min), Fn 2 : Flow rate of supplied nitrogen (unit: mol / min), I: current (unit: C / sec; here, applied current value to determine the effect on methanol crossover), F: Faraday constant (unit: C / mol)]

위 식을 메탄올 크로스오버에 의한 이산화탄소의 발생량(Nm-co2)에 대하여 표현하면 다음의 식이 된다.When the above expression is expressed with respect to the amount of carbon dioxide generated by methanol crossover (Nm-co 2 ), the following equation is obtained.

Figure 112007063442055-PAT00005
Figure 112007063442055-PAT00005

앞서 설명한 바와 같이, 전류 발생 시의 연료 소비량(I/6F)과 이산화탄소 측정으로 얻은 크로스오버에 의한 연료 소비량의 합이 전체 연료 소비량이 된다. As described above, the sum of the fuel consumption (I / 6F) at the time of generation of current and the fuel consumption by the crossover obtained by the carbon dioxide measurement is the total fuel consumption.

각각의 전류와 온도에서의 전체 연료 소비량 측정을 통해서 운전 조건 변화에 따른 연료 소비량의 데이터를 확보하고 상관 관계를 확인하였다.Through the measurement of the total fuel consumption at each current and temperature, data of fuel consumption according to the change of operating conditions were obtained and correlated.

도 3은 본 발명의 실시예에 있어서, 상압 조건 하에서 출력 전류와 연료 전지 내부의 온도, 연료 농도에 따른 연료의 소비량을 측정한 자료이다. 참고로, 도 3에서 온도는 40℃, 60℃, 80℃로 하였고, 농도는 0.4 몰, 0.8 몰, 1.2 몰로 하였으며, 출력 전류는 0A에서 시작하여 4A씩 증가시키며 전압 0.4 V이하 도달시 정지하였다. FIG. 3 is data of measuring fuel consumption according to an output current, a temperature inside a fuel cell, and a fuel concentration in an atmospheric pressure condition. For reference, in FIG. 3, the temperature was 40 ° C., 60 ° C., 80 ° C., and the concentrations were 0.4 mole, 0.8 mole, and 1.2 mole. The output current started at 0 A, increased by 4 A, and stopped when the voltage reached 0.4 V or less. .

도 3을 참조하면, 대부분 경우에 출력 전류 증가에 따라서 연료인 메탄올 소비량이 선형적으로 증가함을 알 수 있었다. 즉, 이 결과에 기초하여 설정 농도 및 주어진 전류와 온도에서 연료인 메탄올의 소비량을 결정할 수 있다.Referring to FIG. 3, in most cases, the consumption of methanol as fuel increases linearly with the increase of the output current. That is, based on this result, it is possible to determine the consumption of methanol as fuel at the set concentration and at a given current and temperature.

한편, 본 발명에 따르면, 초기 농도와 목표 농도가 동일한 경우 농도 유지뿐만 아니라 초기 농도에서 오차 발생시 목표 농도로의 수렴도 가능하게 된다. Meanwhile, according to the present invention, when the initial concentration and the target concentration are the same, not only the concentration is maintained but also the convergence to the target concentration when an error occurs in the initial concentration is possible.

즉, 본 발명에 따른 농도 제어에서는 실제 농도가 목표 농도라고 가정하고, 그 조건에서의 메탄올 소비량을 계산한다. 따라서 초기 농도가 목표 농도보다 낮을 때에는 농도 유지에 필요한 것보다 많은 양의 메탄올이 공급된다. 반대로 초기 농 도가 목표 농도보다 높을 때는 농도 유지에 필요한 것보다 적은 양의 메탄올이 공급된다. 결국 초기 농도가 목표 농도에서 벗어나 있어도 실제 농도는 점점 목표 값으로 수렴하게 된다.That is, in the concentration control according to the present invention, it is assumed that the actual concentration is the target concentration, and the methanol consumption under the conditions is calculated. Therefore, when the initial concentration is lower than the target concentration, a larger amount of methanol is supplied than necessary to maintain the concentration. Conversely, when the initial concentration is higher than the target concentration, less methanol is supplied than is necessary to maintain the concentration. As a result, even if the initial concentration is out of the target concentration, the actual concentration gradually converges to the target value.

도 4는 본 발명의 실시예에 있어서, 상압 조건 하에서 개회로 상태에서 연료의 농도가 목표 농도에 도달하는 것을 보여주는 그래프이다. 참고로, 도 4에 있어서, 온도는 60℃로 하였고, 설정 농도는 0.8 몰로 하였으며, 초기 농도는 0.6 몰로 하였다.4 is a graph showing that, in an embodiment of the present invention, the concentration of fuel reaches a target concentration in an open circuit under atmospheric pressure. For reference, in FIG. 4, the temperature was 60 ° C., the set concentration was 0.8 mol, and the initial concentration was 0.6 mol.

도 4를 참조하면, 시작 농도가 0.6M인 상태에서 연료의 농도가 설정 농도인 0.8 M로 수렴하는 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 4, it was confirmed that the concentration of the fuel converged to the set concentration of 0.8 M while the starting concentration was 0.6 M. FIG.

도 5는 본 발명의 실시예에 있어서, 상압 조건 하에서 연료의 설정 농도를 0.4M로 하였을 때, 출력 전류의 크기가 0 mA/cm2에서 110 mA/cm2까지 변하는 조건에서 연료의 농도가 유지되는 것을 보여주는 그래프이다. 참고로, 도 5에 있어서, 온도는 60℃로 하였고, 설정 농도는 0.4 몰로 하였다.5 is an embodiment of the present invention, the fuel concentration is maintained under the condition that the magnitude of the output current changes from 0 mA / cm 2 to 110 mA / cm 2 when the set concentration of the fuel 0.4M under atmospheric pressure conditions This graph shows what happens. For reference, in FIG. 5, the temperature was 60 ° C. and the set concentration was 0.4 mol.

도 5를 참조하면, 설정 농도 0.4M에서는 농도 제어에 의해서 연료 원액과 물이 공급되면서 농도는 설정 값 근처에서 요동하였다. 출력 전류가 증가할수록 실제 농도가 설정 농도보다 높아지는 것을 확인할 수 있었으며, 출력 전류 밀도 100 mA/cm2에서는 0.52M까지 증가하였다. 도 5의 그래프 중 확대 그래프를 통해서 보면 연료 농도의 급격한 감소는 연료 혼합 용기의 수위 유지를 위한 물공급에 의한 것임을 알 수 있다. 낮아진 농도는 물공급이 중지된 이후에 점차 높아졌다. Referring to FIG. 5, the concentration fluctuated near the set value while the fuel stock solution and the water were supplied by the concentration control at the set concentration 0.4M. As the output current increased, the actual concentration was higher than the set concentration, and the output current density increased to 0.52M at 100 mA / cm 2 . In the enlarged graph of the graph of Figure 5 it can be seen that the sharp decrease in fuel concentration is due to the water supply for maintaining the water level of the fuel mixing vessel. The lowered concentration gradually increased after the water supply was stopped.

도 6은 본 발명의 실시예에 있어서, 상압 조건 하에서 연료의 설정 농도를 0.8M로 하였을 때, 출력 전류의 크기가 0 mA/cm2에서 110 mA/cm2까지 변하는 조건에서 연료의 농도가 유지되는 것을 보여주는 그래프이다. 참고로, 도 6에 있어서, 온도는 60℃로 하였고, 설정 농도는 0.8 몰로 하였다.FIG. 6 shows that the fuel concentration is maintained under the condition that the magnitude of the output current varies from 0 mA / cm 2 to 110 mA / cm 2 when the set concentration of the fuel is 0.8 M under atmospheric pressure. This graph shows what happens. For reference, in FIG. 6, the temperature was 60 ° C. and the set concentration was 0.8 mol.

도 6을 참조하면, 설정 농도 0.8 M에서도 변화의 경향성은 도 5의 0.4M 실험에서와 거의 비슷하였으며, 요동의 크기만 좀 더 컸다. 이 경우에도 마찬가지로 전류가 증가할수록 설정 농도보다 높은 농도를 유지하였으며, 전류 밀도 110 mA/cm2에서 농도는 1.0M까지 증가하였다.Referring to FIG. 6, the trend of change even at the set concentration of 0.8 M was almost similar to that of the 0.4 M experiment of FIG. 5, and only the magnitude of the fluctuation was larger. In this case, as the current increased, the concentration was maintained higher than the set concentration, and the concentration increased to 1.0 M at the current density of 110 mA / cm 2 .

이상의 결과로부터 본 발명의 센서 리스 농도 제어에 의해서 연료의 농도는 연료 전지 운전에 따라서 만족스러운 수준에서 유지되는 것을 확인할 수 있었고, 특히 출력 전류가 증가할수록 설정 농도와 실제 농도의 오차는 증가하였지만, 오차의 크기는 최대 20%를 넘지 않으면서 농도가 유지되는 것을 확인할 수 있었다.From the above results, it was confirmed by the sensorless concentration control of the present invention that the fuel concentration was maintained at a satisfactory level according to the fuel cell operation. In particular, as the output current increased, the error between the set concentration and the actual concentration increased. The size of was confirmed that the concentration is maintained without exceeding 20%.

도 1은 본 발명의 실시예에 있어서, 연료 소비량 예측에 기반한 연료의 공급량 결정과 이에 따른 농도 제어의 처리 과정을 보여주는 흐름도이다.1 is a flowchart illustrating a process of determining fuel supply amount and concentration control according to fuel consumption prediction according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 장치를 그 연료 순환 계통과 함께 보여주는 개략도이다.2 is a schematic view showing a fuel cell device according to an embodiment of the present invention together with its fuel circulation system.

도 3은 본 발명의 실시예에 있어서, 상압 조건 하에서, 출력 전류와 연료 전지 내부의 온도, 연료 농도에 따른 연료의 소비량을 측정한 자료이다.FIG. 3 is a measurement data of fuel consumption according to an output current, a temperature inside a fuel cell, and a fuel concentration in an atmospheric pressure condition in an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 실시예에 있어서, 상압 조건 하에서, 개회로 상태에서 연료의 농도가 목표 농도에 도달하는 것을 보여주는 그래프이다.4 is a graph showing that the concentration of the fuel reaches the target concentration in the open loop state under the atmospheric pressure condition in the embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 실시예에 있어서, 상압 조건 하에서, 연료의 설정 농도를 0.4M로 하였을 때, 출력 전류의 크기가 0 mA/cm2에서 110 mA/cm2까지 변하는 조건에서 연료의 농도가 유지되는 것을 보여주는 그래프이다. 5 is an embodiment of the present invention, the fuel concentration in the condition that the output current is changed from 0 mA / cm 2 to 110 mA / cm 2 when the set concentration of the fuel is 0.4M, under atmospheric pressure conditions A graph showing what is kept.

도 6은 본 발명의 실시예에 있어서, 상압 조건 하에서, 연료의 설정 농도를 0.8M로 하였을 때, 출력 전류의 크기가 0 mA/cm2에서 110 mA/cm2까지 변하는 조건에서 연료의 농도가 유지되는 것을 보여주는 그래프이다. 6 is an embodiment of the present invention, when the set concentration of the fuel is 0.8M under atmospheric pressure conditions, the concentration of the fuel under the condition that the magnitude of the output current varies from 0 mA / cm 2 to 110 mA / cm 2 A graph showing what is kept.

*주요 도면 부호의 설명** Description of Major Reference Marks *

10 : 연료 원액 카트리지 11 : 카트리지와 연료 순환 계통 결합부10: fuel stock cartridge 11: cartridge and fuel circulation system coupling portion

12 : 연료 원액 공급 펌프 20 : 연료 혼합기12: fuel feed pump 20: fuel mixer

21 : 이산화탄소 방출부 22 : 액위 측정 장치21: carbon dioxide emitter 22: liquid level measuring device

30 : 순환 계통 냉각 장치 31 : 연료 순환 펌프30: circulation system cooling device 31: fuel circulation pump

32 : 공기 공급 펌프 33 : 물 회수 장치32: air supply pump 33: water recovery device

34 : 물공급 펌프 40 : 연료 전지 스택34: water supply pump 40: fuel cell stack

41 : 온도 및 압력 측정 장치 42 : 출력 전류 측정 장치41: temperature and pressure measuring device 42: output current measuring device

P : 농도 제어 장치P: concentration control device

Claims (13)

액체형 연료 전지의 연료 농도를 농도 센서 없이 제어하는 방법으로서, A method of controlling the fuel concentration of a liquid fuel cell without a concentration sensor, 상기 액체형 연료 전지의 연료 소비량 또는 소비 속도를, 연료 농도를 포함하는 운전 조건을 변경하면서 측정하고, 측정된 연료 소비량 또는 소비 속도로부터 설정된 연료 농도에서의 연료의 소비량 또는 소비 속도를 결정하는 제 1 단계; 및 A first step of measuring the fuel consumption or consumption rate of the liquid fuel cell while changing operating conditions including fuel concentration, and determining the consumption or consumption rate of fuel at the set fuel concentration from the measured fuel consumption or consumption rate ; And 상기 결정된 연료의 소비량 또는 소비 속도에 대응하여 상기 연료 전지에 공급되는 연료 공급량 또는 공급 속도를 조절함으로써, 상기 액체형 연료 전지의 연료 농도를 제어하는 제 2 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 농도 센서를 사용하지 않는 액체형 연료 전지의 농도 제어 방법.And controlling a fuel concentration of the liquid fuel cell by adjusting a fuel supply amount or a supply speed supplied to the fuel cell in response to the determined consumption amount or consumption rate of the fuel. Concentration control method for an unused liquid fuel cell. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제 1 단계에서는, 상기 연료 소비량 또는 소비 속도를 연료 전지에서의 전류 발생시 필요한 연료 소비량 또는 소비 속도; 및 연료의 크로스오버에 의한 연료 소비량 또는 소비 속도;의 합으로 결정하는 것을 특징으로 하는 농도 센서를 사용하지 않는 액체형 연료 전지의 농도 제어 방법.In the first step, the fuel consumption or consumption rate may be determined by the fuel consumption or consumption rate required for generating current in the fuel cell; And a fuel consumption amount or a consumption rate due to the crossover of the fuel; and the concentration control method of the liquid fuel cell without using the concentration sensor. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 단계는, The method of claim 2, wherein the first step, 상기 액체형 연료 전지의 연료 소비량 또는 소비 속도를 출력 전류, 연료 전지 내부의 온도와 압력 및 연료 농도를 변경하면서 측정함으로써, 상기 출력 전류, 연료 전지 내부의 온도와 압력 및 연료 농도를 변수로 하는 연료 소비량 또는 소비 속도의 데이터 베이스 또는 상관관계를 얻는 제 1-1 단계; 및 By measuring the fuel consumption or consumption rate of the liquid fuel cell while changing the output current, the temperature and pressure inside the fuel cell, and the fuel concentration, the fuel consumption using the output current, the temperature and pressure inside the fuel cell, and the fuel concentration as variables Or step 1-1 of obtaining a database or correlation of rate of consumption; And 설정된 연료 농도 하에서 출력 전류, 연료 전지 내부의 온도와 압력을 측정하고, 상기 설정된 연료 농도, 측정된 전류, 온도 및 압력을 상기 제 1-1 단계에서 얻어진 연료 소비량 또는 소비 속도의 데이터 베이스 또는 상관관계에 대입하여, 상기 설정된 연료 농도, 측정된 전류, 온도 및 압력에서의 연료 소비량 또는 소비 속도를 결정하는 제 1-2 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 농도 센서를 사용하지 않는 액체형 연료 전지의 농도 제어 방법.Measure the output current, temperature and pressure inside the fuel cell under the set fuel concentration, and use the set fuel concentration, measured current, temperature and pressure as a database or correlation of the fuel consumption or consumption rate obtained in step 1-1. Controlling the concentration of the liquid fuel cell without using a concentration sensor, characterized in that consisting of; the first to second steps to determine the fuel consumption or consumption rate at the set fuel concentration, measured current, temperature and pressure Way. 제 2 항에 있어서, The method of claim 2, 상기 전류 발생시 필요한 연료 소비량 또는 소비 속도를 상기 전류 측정값과 패러데이 상수를 이용하여 결정하는 것을 특징으로 하는 농도 센서를 사용하지 않는 액체형 연료 전지의 농도 제어 방법.The method of controlling the concentration of a liquid fuel cell without using a concentration sensor, characterized in that for determining the fuel consumption or consumption rate required for the current generation using the current measurement value and the Faraday constant. 제 2 항에 있어서, The method of claim 2, 상기 연료의 크로스오버에 의한 연료 소비량 또는 소비 속도는 연료 전지의 캐소드로부터의 이산화탄소의 발생량 또는 발생 속도를 측정하여 결정하는 것을 특징으로 하는 농도 센서를 사용하지 않는 액체형 연료 전지의 농도 제어 방법.The fuel consumption amount or the consumption rate due to the crossover of the fuel is determined by measuring the generation amount or the generation rate of carbon dioxide from the cathode of the fuel cell, the concentration control method of a liquid fuel cell without using a concentration sensor. 제 5 항에 있어서, The method of claim 5, wherein 상기 이산화탄소의 발생량 또는 발생 속도는 캐소드로부터의 기체의 방출량 또는 방출 속도 및 상기 캐소드로부터의 기체 중의 이산화탄소의 농도를 측정함으로써 결정하는 것을 특징으로 하는 농도 센서를 사용하지 않는 액체형 연료 전지의 농도 제어 방법.Wherein the amount or rate of generation of carbon dioxide is determined by measuring the amount or rate of release of gas from the cathode and the concentration of carbon dioxide in the gas from the cathode. 제 6 항에 있어서, The method of claim 6, 상기 캐소드로부터의 기체의 방출량 또는 방출 속도는 연료 전지에 공급하는 공기의 유량 또는 유속에서, 전류 발생으로 인하여 소비되는 산소의 유량 또는 유속을 차감하고, 연료의 크로스오버로 인하여 발생한 이산화탄소의 유량 또는 유속을 더한 후, 연료의 크로스오버로 인하여 소비된 산소의 유량 또는 유속을 차감함으로써 결정하는 것을 특징으로 하는 농도 센서를 사용하지 않는 액체형 연료 전지의 농도 제어 방법.The discharge amount or discharge rate of the gas from the cathode subtracts the flow rate or flow rate of oxygen consumed due to the generation of current from the flow rate or flow rate of the air supplied to the fuel cell, and the flow rate or flow rate of carbon dioxide generated due to the crossover of the fuel And adding, followed by determining by subtracting the flow rate or flow rate of the oxygen consumed due to the crossover of the fuel. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제 2 단계에서는, 상기 연료 전지에 농도 적정된 연료를 공급하는 연료 혼합기의 부피 또는 액위를 일정하게 한 상태에서, 상기 결정된 연료의 소비량 또는 소비 속도와 동일한 유량 또는 유속의 연료를 상기 연료 전지 혼합기에 공급하는 것을 특징으로 하는 농도 센서를 사용하지 않는 액체형 연료 전지의 농도 제어 방법.In the second step, the fuel cell mixer is a fuel having a flow rate or flow rate equal to the consumption or consumption rate of the determined fuel, while the volume or liquid level of the fuel mixer for supplying the fuel with the concentration appropriate to the fuel cell is constant. A concentration control method for a liquid fuel cell that does not use a concentration sensor, characterized in that the supply to the. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 1 to 8, 상기 액체형 연료는 메탄올, 에탄올, 포름산, 이소프로판올, 프로판올, 에틸렌글리콜, 디메틸에테르 및 부탄올로 이루어지는 그룹에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합 연료인 것을 특징으로 하는 농도 센서를 사용하지 않는 액체형 연료 전지의 농도 제어 방법. The liquid fuel is a concentration control method of a liquid fuel cell without using a concentration sensor, characterized in that one or two or more mixed fuels selected from the group consisting of methanol, ethanol, formic acid, isopropanol, propanol, ethylene glycol, dimethyl ether and butanol. . 액체형 연료 전지의 연료 농도를 농도 센서 없이 제어하기 위한 농도 제어 장치로서, A concentration control device for controlling the fuel concentration of a liquid fuel cell without a concentration sensor, 상기 액체형 연료 전지의 연료 소비량 또는 소비 속도를 연료 농도를 포함하는 운전 조건을 변경하면서 측정함으로써 얻어진 연료 소비량 또는 소비 속도로부터, 설정된 연료 농도에서의 연료의 소비량 또는 소비 속도를 결정하는 프로세서; 및A processor for determining the consumption or consumption rate of the fuel at the set fuel concentration from the fuel consumption or consumption rate obtained by measuring the fuel consumption or consumption rate of the liquid fuel cell while changing the operating condition including the fuel concentration; And 상기 결정된 연료의 소비량 또는 소비 속도에 대응하여 연료 공급량 또는 공급 속도에 관한 제어 신호를 상기 액체형 연료 전지의 연료 공급 부로 송출하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 농도 센서를 사용하지 않는 액체형 연료 전지의 농도 제어 장치.And a control unit for transmitting a control signal relating to the fuel supply amount or the supply speed to the fuel supply unit of the liquid fuel cell in response to the determined consumption amount or the consumption speed of the fuel. Concentration control device. 제 10 항에 있어서, The method of claim 10, 상기 프로세서는, 설정된 연료 농도에서 상기 액체형 연료 전지의 출력 전류, 연료 전지 내부의 온도와 압력을 측정하는 측정 장치에 연결되며, The processor is connected to a measuring device for measuring the output current of the liquid fuel cell, the temperature and the pressure inside the fuel cell at a set fuel concentration, 상기 액체형 연료 전지의 연료 소비량 또는 소비 속도를 출력 전류, 연료 전지 내부의 온도와 압력 및 연료 농도를 변경하면서 측정함으로써 얻어진, 출력 전류, 연료 전지 내부의 온도와 압력, 연료 농도를 변수로 하는 연료 소비량 또는 소비 속도의 데이터 베이스 또는 상관관계를 축적하는 제 1 처리부; 및 Fuel consumption using the output current, temperature and pressure inside the fuel cell, and fuel concentration as variables by measuring the fuel consumption or consumption rate of the liquid fuel cell while changing the output current, temperature and pressure inside the fuel cell, and fuel concentration. Or a first processing unit that accumulates a database or correlation of consumption rate; And 상기 제 1 처리부로부터 연료 소비량 또는 소비 속도의 데이터 베이스 또는 상관관계를 호출하고, 상기 설정된 농도, 상기 측정 장치로부터 입력된 전류, 온도 및 압력을 상기 연료 소비량 또는 소비 속도의 데이터 베이스 또는 상관관계에 대입함으로써, 상기 설정된 농도에서의 연료 소비량을 결정하는 제 2 처리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 농도 센서를 사용하지 않는 액체형 연료 전지의 농도 제어 장치.Invoke a database or correlation of fuel consumption or consumption rate from the first processing unit, and substitute the set concentration, current, temperature and pressure input from the measuring device into the database or correlation of fuel consumption or consumption rate. And a second processor configured to determine the fuel consumption at the set concentration. 연료 공급 부; Fuel supply section; 상기 연료 공급 부에 연결된 액체형 연료 전지; 및A liquid fuel cell connected to the fuel supply unit; And 상기 연료 공급 부 및 상기 액체형 연료 전지에 각각 연결된 제 10 항 또는 제 11 항에 의한 농도 제어 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체형 연료 전지 장치. And a concentration control device according to claim 10 or 11 respectively connected to the fuel supply unit and the liquid fuel cell. 제 12 항에 있어서, 상기 연료 공급 부는,The method of claim 12, wherein the fuel supply unit, 상기 연료 원액을 저장하는 연료 원액 카트리지;A fuel stock cartridge for storing the fuel stock solution; 상기 연료 원액 카트리지로부터 연료 원액을 공급받고 농도 적정된 연료를 상기 액체형 연료 전지에 공급하는 연료 혼합기; 및A fuel mixer for supplying a fuel stock solution from the fuel stock cartridge and supplying a concentration-adjusted fuel to the liquid fuel cell; And 상기 연료 원액 카트리지로부터 상기 연료 원액을 상기 연료 혼합기로 공급하는 펌프;를 포함하고, A pump for supplying the fuel stock solution from the fuel stock cartridge to the fuel mixer; 상기 농도 제어 장치는 상기 연료 공급 부의 펌프에 연결되는 것을 특징으로 하는 액체형 연료 전지 장치.And the concentration control device is connected to a pump of the fuel supply unit.
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