KR20120020499A - Method and apparatus for controlling operation of direct methanol fuel cell system - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A driving method of direct methanol type fuel cell system is provided to recover the performance of the catalyst contaminated by by-product like carbon monoxide through simple method, thereby maintaining the output electricity stably. CONSTITUTION: A driving method of direct methanol type fuel cell system comprises a step of operating a fuel cell system in the state the connection of load and the supply of air and fuel are discontinued for specific time. The direct methanol fuel cell system comprises a stack(100), a mixing tank(110) collecting and storing unreacted fuel and air, a fuel tank(120) supplying fuel to the mixing tank, and a fuel pump(121) supplying mixed fuel to the stack, and a control part(130) operating the system for specific time, and operating the system in the state the connection of load and the supply of air and fuel are discontinued for specific time.

Description

직접 메탄올형 연료전지 시스템의 운전제어방법 및 이를 채용한 직접 메탄올형 연료전지 시스템{Method and Apparatus for Controlling Operation of Direct Methanol Fuel Cell System}Operation Control Method of Direct Methanol Fuel Cell System and Direct Methanol Fuel Cell System Employing the Method {Method and Apparatus for Controlling Operation of Direct Methanol Fuel Cell System}

본 발명은 직접 메탄올형 연료전지 시스템의 운전제어방법 및 이를 채용한 직접 메탄올형 연료전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일산화탄소 등에 의해 피독된 촉매의 성능을 간단한 방법으로 회복시켜 출력 전력을 안정적으로 유지할 수 있는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 운전제어방법 및 이를 채용한 직접 메탄올형 연료전지 시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to an operation control method of a direct methanol fuel cell system and a direct methanol fuel cell system employing the same. More specifically, the output power is stably restored by recovering the performance of a catalyst poisoned by carbon monoxide in a simple manner. The present invention relates to an operation control method of a sustainable direct methanol fuel cell system and a direct methanol fuel cell system employing the same.

연료 전지(Fuel cell)는 수소 또는 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. A fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in hydrogen or hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol and natural gas into electrical energy.

이러한 연료 전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4~10배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목받고 있다. This fuel cell is a clean energy source that can replace fossil energy, and has a merit that can produce a wide range of outputs by stacking unit cells, and has an energy density of 4 to 10 times that of a small lithium battery. It is attracting attention as a compact and mobile portable power source.

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. The fuel cell may be classified into a phosphate fuel cell, a molten carbonate fuel cell, a solid oxide fuel cell, a polymer electrolyte fuel cell, an alkaline fuel cell, and the like according to the type of electrolyte used. Each of these fuel cells basically operates on the same principle, but differs in the type of fuel used, operating temperature, catalyst, and electrolyte.

상기 고분자 전해질형 연료 전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 및 천연 가스 등을 개질하기 위한 연료 개질 장치 등의 부대설비를 필요로 하는 문제점이 있다.The polymer electrolyte fuel cell has an advantage of having a high energy density and a high output, but requires attention to handling hydrogen gas and reforms fuel for reforming methane, methanol, natural gas, etc. to produce hydrogen as fuel gas. There is a problem that requires additional equipment such as a device.

직접 메탄올형 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)는 수소 이온을 전도하는 고분자막을 전해질로 사용하며 연료로서 메탄올을 애노드에 직접 사용하는 연료전지이다. DMFC는 연료 개질기를 사용하지 않고 100℃ 미만의 작동온도에서 운전되므로 휴대용이나 소형 연료전지 구조에 적합하다는 장점이 있다.Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) is a fuel cell that uses a polymer membrane that conducts hydrogen ions as an electrolyte and methanol as a fuel directly to the anode. DMFC is operated at operating temperature below 100 ℃ without using fuel reformer, so it is suitable for portable or small fuel cell structure.

일반적으로 직접 메탄올형 연료전지는 시스템 구성을 위해 스택, 연료탱크, 연료펌프 등을 구비하는데, 스택은 연료를 공급 받아 전기를 발생시키는 부분으로 막-전극 접합체(MEA: membrane electrode assembly)와 세퍼레이터(separator)로 이루어진 단위 셀이 수 내지 수십 개로 적층된 구조를 갖는다. 한편, 상기 막-전극 접합체는 고분자 전해질막과 그 양면에 접합되는 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 구성된다.In general, a direct methanol fuel cell includes a stack, a fuel tank, a fuel pump, and the like for system configuration. The stack is a part that generates electricity by receiving fuel, and is a membrane electrode assembly (MEA) and a separator ( It has a structure in which a unit cell consisting of a separator) is stacked in a number to several tens. On the other hand, the membrane-electrode assembly is composed of a polymer electrolyte membrane and an anode electrode and a cathode electrode bonded to both surfaces thereof.

이러한 직접 메탄올형 연료전지는 그 사용에 따라 촉매의 성능이 점점 떨어지는 문제가 있는데, 이는 연료전지의 작동 과정에서 발생한 일산화탄소와 같은 부생성물이 촉매를 피독시키기 때문이다. 따라서, 직접 메탄올형 연료전지의 성능을 안정적으로 유지하여 장기간 사용이 가능하게 하기 위해서는 촉매의 피독을 방지하거나 피독된 촉매를 지속적으로 원상회복시켜 촉매의 성능을 유지하여야 한다.
The direct methanol type fuel cell has a problem in that the performance of the catalyst gradually decreases with its use, because by-products such as carbon monoxide generated during the operation of the fuel cell poison the catalyst. Therefore, in order to stably maintain the performance of the direct methanol fuel cell and to enable long-term use, it is necessary to prevent the poisoning of the catalyst or to continuously restore the poisoned catalyst to its original state to maintain the performance of the catalyst.

본 발명의 목적은 일산화탄소와 같은 부생성물에 의해 피독된 촉매의 성능을 간단한 방법으로 회복시켜 장시간 운전 시 출력 전력을 안정적으로 유지할 수 있는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 운전제어방법 및 이를 채용한 직접 메탄올형 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
It is an object of the present invention to recover the performance of a catalyst poisoned by by-products such as carbon monoxide in a simple manner, and to control the operation of a direct methanol fuel cell system capable of stably maintaining output power for a long time, and a direct methanol type employing the same. It is to provide a fuel cell system.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 직접 메탄올형 연료전지 시스템의 정상 운전 중 소정 시간 동안 연료와 공기의 공급 및 로드(load)의 연결을 중단시킨 상태에서 운전하는 단계(S1)를 개입시키는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올형 연료전지 시스템의 운전제어방법을 제공한다. 상기 운전제어방법에 따라, 장기 운전 시 정상 운전 단계 및 S1 단계를 반복하게 된다. In order to achieve the above object, the present invention provides a method for intervening operation (S1) in a state in which a fuel and air supply and load are disconnected for a predetermined time during a normal operation of a methanol fuel cell system. Provided is an operation control method for a direct methanol fuel cell system, characterized in that. According to the operation control method, the normal operation step and the S1 step are repeated during long term operation.

상기 연료와 공기의 공급 및 로드(load)의 연결을 중단시킨 상태에서 운전하는 단계는 시스템의 정상 운전이 2 내지 120 분 동안 진행되면 수행되는 것이 바람직하다.It is preferable that the operation of the fuel and air supply and the load are interrupted is performed when the normal operation of the system is performed for 2 to 120 minutes.

상기 연료와 공기의 공급 및 로드(load)의 연결을 중단시킨 상태에서 운전하는 단계는 5 내지 30 초 동안 수행되는 것이 바람직하다.Preferably, the operation of the fuel and air in a state in which the connection between the load and the load is stopped is performed for 5 to 30 seconds.

본 발명은 또한, 직접 메탄올형 연료전지 시스템의 정상 운전 중 소정 시간 동안 공기의 공급 및 로드(load)의 연결을 중단시킨 상태에서 운전하는 단계(S2)를 개입시키는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올형 연료전지 시스템의 운전제어방법을 제공한다. 상기 운전제어방법에 따라, 장기 운전 시 정상 운전 단계 및 S2 단계를 반복하게 된다. The present invention also provides a direct methanol fuel comprising the step (S2) of operating in a state in which the supply of air and the load are interrupted for a predetermined time during the normal operation of the direct methanol fuel cell system. An operation control method of a battery system is provided. According to the operation control method, the normal operation step and the S2 step are repeated during long term operation.

상기 공기의 공급 및 로드(load)의 연결을 중단시킨 상태에서 운전하는 단계는 시스템의 정상 운전이 2 내지 120 분 동안 진행되면 수행되는 것이 바람직하다.Operation of the air supply and the load (load) is interrupted is preferably performed when the normal operation of the system for 2 to 120 minutes.

상기 공기의 공급 및 로드(load)의 연결을 중단시킨 상태에서 운전하는 단계는 5 내지 30 초 동안 수행되는 것이 바람직하다.Operation of the air supply and the load (load) in the interrupted state is preferably performed for 5 to 30 seconds.

본 발명은 또한, 전해질막과 상기 전해질막의 양면에 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 이루어진 적어도 하나의 막-전극 어셈블리를 구비하는 스택; 상기 스택으로부터 배출되는 미반응 연료와 물을 회수 저장하는 혼합탱크; 상기 혼합탱크에 고농도 연료를 공급하는 연료탱크; 및 상기 혼합탱크에 저장된 혼합연료를 상기 스택에 공급하는 연료 펌프를 포함하는 직접 메탄올형 연료전지 시스템에 있어서, 소정 시간 동안 상기 시스템을 정상 운전시키고 소정 시간 동안 연료와 공기의 공급 및 로드의 연결을 중단시킨 상태에서 상기 시스템을 운전시키는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올형 연료전지 시스템을 제공한다.The present invention also provides a stack comprising an electrolyte membrane and at least one membrane-electrode assembly including an anode electrode and a cathode electrode positioned on both sides of the electrolyte membrane; A mixing tank for recovering and storing unreacted fuel and water discharged from the stack; A fuel tank for supplying high concentration fuel to the mixing tank; And a fuel pump for supplying the mixed fuel stored in the mixing tank to the stack, the direct methanol type fuel cell system operating the system normally for a predetermined time and supplying fuel and air for a predetermined time and connecting the rod. It provides a direct methanol fuel cell system further comprising a control unit for operating the system in a stopped state.

본 발명은 또한, 전해질막과 상기 전해질막의 양면에 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 이루어진 적어도 하나의 막-전극 어셈블리를 구비하는 스택; 상기 스택으로부터 배출되는 미반응 연료와 물을 회수 저장하는 혼합탱크; 상기 혼합탱크에 고농도 연료를 공급하는 연료탱크; 및 상기 혼합탱크에 저장된 혼합연료를 상기 스택에 공급하는 연료 펌프를 포함하는 직접 메탄올형 연료전지 시스템에 있어서, 소정 시간 동안 상기 시스템을 정상 운전시키고 소정 시간 동안 공기의 공급 및 로드의 연결을 중단시킨 상태에서 상기 시스템을 운전시키는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올형 연료전지 시스템을 제공한다.
The present invention also provides a stack comprising an electrolyte membrane and at least one membrane-electrode assembly including an anode electrode and a cathode electrode positioned on both sides of the electrolyte membrane; A mixing tank for recovering and storing unreacted fuel and water discharged from the stack; A fuel tank for supplying high concentration fuel to the mixing tank; And a fuel pump for supplying the mixed fuel stored in the mixing tank to the stack, the direct methanol fuel cell system operating the system normally for a predetermined time and stopping the supply of air and the connection of the rod for a predetermined time. It provides a direct methanol fuel cell system characterized in that it further comprises a control unit for operating the system in the state.

본 발명의 직접 메탄올형 연료전지 시스템의 운전제어방법에 따르면, 정상 운전 중 소정 시간 동안 연료와 공기의 공급 및 로드(load)의 연결을 중단시킨 상태에서 직접 메탄올형 연료전지 시스템을 운전하는 과정을 개입시킴으로써, 일산화탄소 등에 의해 피독된 촉매의 성능을 회복시켜 주어 시스템의 성능을 안정적으로 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 시스템을 장기간 사용할 수 있는 장점이 있다.According to the operation control method of the direct methanol fuel cell system of the present invention, the process of operating the direct methanol fuel cell system in a state in which the supply of fuel and air and the load are interrupted for a predetermined time during normal operation is performed. By intervening, not only can the performance of the catalyst poisoned by carbon monoxide or the like be restored, so that the performance of the system can be stably maintained, and the system can be used for a long time.

또한, 추가적인 장치나 재료의 사용 없이 운전 방식의 제어를 통해 간단한 방법으로 촉매의 성능을 회복함으로써 비용 및 시간을 절감할 수 있는 장점이 있다.
In addition, there is an advantage that the cost and time can be reduced by restoring the performance of the catalyst in a simple manner through the control of the operation method without the use of additional equipment or materials.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 메탄올형 연료전지 시스템의 개략도이다.
도 2는 일정 전류 2.4A로 정상 운전 중 4가지 비정상 작동 모드를 개입시켰을 때 일어나는 DMFC 스택의 동적 반응에 대한 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 로드-메탄올-공기 온-오프 모드로 10000 시간 장기 운전을 성공적으로 수행한 결과를 보여 주는 그래프이다.
1 is a schematic diagram of a direct methanol fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a graph showing the experimental results of the dynamic response of the DMFC stack occurs when the constant current 2.4A through the four abnormal operating modes during normal operation.
Figure 3 is a graph showing the results of successfully performing long-term operation of 10000 hours in load-methanol-air on-off mode.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명에 따른 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어, 동일한 구성요소들에 대해서는 가능한 한 동일한 부호를 부가한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In describing the embodiments according to the present invention, detailed descriptions of related well-known configurations or functions will be omitted. In addition, in adding the reference numerals to the components of each drawing, the same reference numerals are added to the same components as much as possible.

본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다. The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary meanings and should be construed in accordance with the technical meanings and concepts of the present invention.

본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예이며, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있다.The embodiments described in the specification and the configuration shown in the drawings are preferred embodiments of the present invention, and do not represent all of the technical idea of the present invention, various equivalents and modifications that can replace them at the time of the present application are There may be.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 메탄올형 연료전지 시스템의 개략도이다. 1 is a schematic diagram of a direct methanol fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 메탄올형 연료전지 시스템은 스택(100), 혼합탱크(110), 연료탱크(120), 연료주입장치(111), 산화제공급장치(160), 연료주입장치(111)(130) 및 제어부(130)를 포함한다. Referring to FIG. 1, a direct methanol fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes a stack 100, a mixing tank 110, a fuel tank 120, a fuel injection device 111, and an oxidant supply device 160. ), The fuel injection device (111) 130 and the control unit (130).

각 구성요소를 보다 구체적으로 설명하면, 스택(100)은 애노드 전극에 공급되는 연료와 캐소드 전극에 공급되는 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기와 열을 발생시킨다. 스택(100)은 애노드 전극 및 캐소드 전극과 함께 이들 애노드 전극과 캐소드 전극을 전기적으로 분리시키고 연료로부터 얻은 프로톤(proton)을 애노드 전극으로부터 캐소드 전극으로 선택적으로 투과시키는 전해질막을 구비한다. In more detail, the stack 100 electrochemically reacts the fuel supplied to the anode electrode and the oxidant supplied to the cathode electrode to generate electricity and heat. The stack 100 includes an anode electrode and a cathode electrode together with an electrolyte membrane that electrically separates the anode electrode and the cathode electrode and selectively transmits protons obtained from the fuel from the anode electrode to the cathode electrode.

또한, 스택(100)은 애노드 전극으로의 연료 유입을 위한 애노드 유입구와 애노드 전극으로부터의 미반응 연료와 이산화탄소 등의 반응 생성물의 배출을 위한 애노드 배출구를 구비하고, 캐소드 전극으로의 산화제의 유입을 위한 캐소드 유입구와 캐소드 전극으로부터의 미반응 산화제와 물 등의 반응 생성물의 배출을 위한 캐소드 배출구를 구비한다. In addition, the stack 100 includes an anode inlet for fuel inflow to the anode electrode and an anode outlet for exhausting reaction products such as unreacted fuel and carbon dioxide from the anode electrode, and for inflow of an oxidant to the cathode electrode. And a cathode outlet for discharging reaction products such as water and unreacted oxidant from the cathode inlet and the cathode electrode.

혼합탱크(110)는 스택(100)의 애노드 전극에 혼합연료를 공급한다. 또한 혼합탱크(110)는 연료탱크(120)로부터 고농도 연료를 받아 저장하고, 스택(100)의 애노드 배출구와 캐소드 배출구를 통해 배출되는 유체로부터 미반응 연료 및 물을 회수하여 저장한다. 이 경우, 혼합탱크(110)는 스택(100)으로부터 배출되는 유체의 열 에너지를 빼앗기 위한 열교환장치에 결합되며 상기 유체 중 원하지 않는 가스를 배출하기 위한 배기구를 구비하는 것이 바람직하다. 전술한 혼합탱크(110)로는 기존의 다양한 형태와 구조를 갖는 리사이클링 장치가 용이하게 이용될 수 있다.The mixing tank 110 supplies the mixed fuel to the anode electrode of the stack 100. In addition, the mixing tank 110 receives and stores the high concentration fuel from the fuel tank 120, and recovers and stores unreacted fuel and water from the fluid discharged through the anode outlet and the cathode outlet of the stack 100. In this case, the mixing tank 110 is coupled to a heat exchanger for depriving the thermal energy of the fluid discharged from the stack 100, it is preferable to have an exhaust port for discharging the unwanted gas in the fluid. As the aforementioned mixing tank 110, a recycling apparatus having various existing shapes and structures may be easily used.

연료탱크(120)는 혼합탱크(110)에 고농도의 연료를 공급한다. 연료탱크(120)에서 공급되는 연료의 양은 펌프(121) 등을 이용하여 제어될 수 있다. 고농도 연료는 6몰 이상의 농도를 갖는 메탄올 수용액이거나 순수 메탄올을 포함한다.The fuel tank 120 supplies a high concentration of fuel to the mixing tank 110. The amount of fuel supplied from the fuel tank 120 may be controlled using the pump 121 or the like. The high concentration fuel is an aqueous methanol solution having a concentration of at least 6 moles or includes pure methanol.

연료주입장치(111)는 혼합탱크(110)에 저장된 혼합연료를 스택(100)의 애노드 전극으로 공급하며, 혼합연료의 공급량을 제어한다. 연료주입장치(111)는 연료주입장치(111)나 압축장치로 구현될 수 있다.The fuel injection device 111 supplies the mixed fuel stored in the mixing tank 110 to the anode electrode of the stack 100 and controls the supply amount of the mixed fuel. The fuel injection device 111 may be implemented as a fuel injection device 111 or a compression device.

산화제공급장치(160)는 산화제를 스택(100)의 캐소드 전극에 공급한다. 산화제로는 산소를 포함하는 공기나 순수 산소 등과 같이 캐소드 전극에서 프로톤을 적절히 환원시키고 반응 생성물로서 인체나 환경에 유해한 물질을 발생시키지 않는 재료를 이용하는 것이 바람직하다. 전술한 산화제공급장치(160)는 공기 연료주입장치(111)나 송풍장치로 구현될 수 있다.The oxidant supply device 160 supplies the oxidant to the cathode electrode of the stack 100. As the oxidizing agent, it is preferable to use a material that appropriately reduces protons at the cathode electrode, such as oxygen-containing air or pure oxygen, and does not generate substances harmful to humans or the environment as reaction products. The oxidant supply device 160 described above may be implemented as an air fuel injection device 111 or a blower.

제어부(130)는 연료와 공기의 공급 및 로드의 연결을 제어한다.
The controller 130 controls the supply of fuel and air and the connection of the rod.

본 발명의 일 실시예에 따른 직접 메탄올형 연료전지 시스템의 운전제어방법에 의하면, 상기와 같은 직접 메탄올형 연료전지 시스템의 정상 운전 중 소정 시간 동안 연료와 공기의 공급 및 로드(load)의 연결을 중단시킨 상태에서 운전하는 단계(S1)를 개입시킨다.According to an operation control method of a direct methanol fuel cell system according to an embodiment of the present invention, the fuel and air supply and load are connected for a predetermined time during the normal operation of the direct methanol fuel cell system. The step S1 of operating in the stopped state is intervened.

여기서, ‘정상 운전’이란 연료와 공기의 공급 및 로드의 연결이 정상적으로 이루어진 상태에서 운전되고 있는 상태를 말하는 것이며, ‘소정 시간’이란 정해진 바에 따른 시간을 말하는 것으로 하나의 값으로 특정된 것이 아니라 시스템의 다양한 요소들을 고려하여 임의로 정해질 수 있다.Here, 'normal operation' refers to a state in which fuel and air supply and load are normally connected, and 'predetermined time' refers to a time according to a predetermined value and is not specified as a single value. It may be arbitrarily determined in consideration of various elements of.

한편, 정상 운전 중 소정 시간 동안 연료와 공기의 공급 및 로드(load)의 연결을 중단시킨 상태에서 운전하는 단계(S1)를 개입시킨다는 것은, 정상 운전, S1 단계, 정상 운전, S1 단계, 정상 운전, S1 단계...와 같은 방식으로 정상 운전 및 S1 단계를 계속적으로 반복한다는 것을 의미한다.On the other hand, intervening the step (S1) for operating in a state in which the connection of the fuel and air and the load (load) is interrupted for a predetermined time during the normal operation, the normal operation, S1 stage, normal operation, S1 stage, normal operation This means that the normal operation and the step S1 are continuously repeated in the same manner as the step S1.

정상 운전 및 S1 단계를 반복함에 있어, 정상 운전 및 S1 단계의 진행을 일정 시간 동안 수행할 수 있는데, 정상 운전은 2 내지 120 분 동안 진행하고 S1 단계는 5 내지 30 초 동안 수행하는 것이 바람직하다. 정상 운전 시간이 상기 범위의 하한에 미달하는 경우 시스템을 구성하고 있는 연료전지스택이 정상 상태에 도달하기가 어려우며, 상기 범위의 상한을 초과하는 경우 S1 단계를 개입시키는 효과가 감소하여 바람직하지 못하다. 또한, S1 단계의 진행 시간이 상기 범위의 하한에 미달하는 경우 연료와 공기의 공급 및 로드의 연결을 중단시킨 상태에서 전압 하락을 유도할 수 있는 충분한 시간을 확보하기 어려우며, 상기 범위의 상한을 초과하는 경우 시스템 정지 시간 중 전력 공급을 위한 배터리의 용량이 지나치게 커질 수 있으므로 바람직하지 못하다.In repeating the normal operation and the step S1, the normal operation and the progression of the step S1 may be performed for a predetermined time, it is preferable that the normal operation proceeds for 2 to 120 minutes and the S1 step is performed for 5 to 30 seconds. When the normal operation time is less than the lower limit of the range, it is difficult for the fuel cell stack constituting the system to reach the steady state, and when the upper limit of the range is exceeded, the effect of intervening the S1 step is reduced, which is undesirable. In addition, when the progress time of the step S1 is less than the lower limit of the above range, it is difficult to ensure sufficient time to induce a voltage drop in the state of interrupting the supply of fuel and air and the load, exceeding the upper limit of the above range In this case, the capacity of the battery for power supply during the system down time may be too large, which is not preferable.

앞서 설명한 실시예에서는 정상 운전 중 연료와 공기의 공급 및 로드의 연결을 함께 중단시켰으나 이를 보다 단순화하여 연료의 공급은 그대로 두고 공기의 공급 및 로드의 연결만을 중단하는 방식도 적용될 수 있다. 연료와 공기의 공급 및 로드의 연결을 함께 중단하는 방식이 가장 바람직한 효과를 얻을 수 있지만, 공기의 공급 및 로드의 연결만을 중단하는 방식 역시 시스템 성능의 상당한 회복 효과를 얻을 수 있다.In the above-described embodiment, the connection between the fuel and air supply and the rod is stopped together during the normal operation, but by simplifying this, a method of stopping the supply of the air and the connection between the rod and the fuel supply as it is may be applied. While stopping the supply of fuel and air and the connection of the rods together can achieve the most desirable effect, the method of stopping only the supply of air and the connection of the rods can also provide a significant recovery of system performance.

도 2는 일정 전압 2.4V로 정상 운전 중 4가지 비정상 작동 모드를 개입시켰을 때 일어나는 DMFC 스택의 동적 반응에 대한 실험 결과를 나타낸 그래프이다. 4가지 비정상 작동 모드는 각각 로드 온-오프 모드(A), 로드-메탄올 온-오프 모드(B), 로드-공기 온-오프 모드(C), 로드-메탄올-공기 온-오프 모드(D)이다. 이 작동 모드들은 같은 온 시간(on time) 120s와 같은 오프 시간(off time) 10s를 갖는다. 단지 오프하는 데 있어서 로드만, 로드와 연료, 로드와 연료, 로드와 공기 및 연료여기서, 로드 온 시간이란 정상 운전 시간을 말하며, 로드-오프 시간이란 각각 로드의 연결이 중단된 시간을 말한다.Figure 2 is a graph showing the experimental results of the dynamic response of the DMFC stack that occurs when a constant voltage of 2.4V through four abnormal operating modes during normal operation. The four abnormal operating modes are load on-off mode (A), load-methanol on-off mode (B), load-air on-off mode (C), load-methanol-air on-off mode (D) to be. These modes of operation have an off time of 10s equal to on time 120s. In only turning off the load, the rod and fuel, the rod and fuel, the rod and the air and the fuel, the load on time means the normal operation time, the load-off time is the time when the connection of the load is interrupted.

도 2a의 데이터는 스택 성능 및 응답 거동이 각각의 비정상 작동 모드에 의해 영향을 받는다는 것을 보여준다. DMFC 스택이 로드 온-오프 모드 및 로드-메탄올 온-오프 모드에 의해 작동될 때, 스택은 5.11W의 출력 전력을 갖는다. 반면, 로드-공기 온-오프 모드 및 로드-메탄올-공기 온-오프 모드에 의해 작동될 때, 스택 성능은 6W 이상으로 증가한다. 이와 같은 성능의 향상은 공기 온-오프 과정에 의해 캐소드에서의 물의 효과적인 제거와도 관련이 있지만, 짧은 사이클링 시간 동안 1W의 성능 차이가 발생하는 것은 단지 이러한 원인만에 의한 것은 아니다. 즉, 촉매 피독(poisoning)과 해독(da-poisoning) 및 촉매 유틸리티(utility)와 같은 촉매에서의 복합적인 전기화학적 반응이 각각의 비정상 작동 모드에서 빠른 전압 변화에 의해 영향 받는다고 볼 수 있다. 이러한 가정은 이들 비정상 작동 모드에 따라 이어지는 동적인 반응 거동에 의해 뒷받침된다.The data in FIG. 2A shows that stack performance and response behavior are affected by each abnormal mode of operation. When the DMFC stack is operated in load on-off mode and load-methanol on-off mode, the stack has an output power of 5.11W. On the other hand, when operated by the load-air on-off mode and the load-methanol-air on-off mode, the stack performance increases above 6W. This improvement in performance is also related to the effective removal of water from the cathode by an air on-off process, but it is not just for this reason that a 1 W difference in performance occurs during a short cycling time. In other words, complex electrochemical reactions in catalysts such as catalyst poisoning, da-poisoning and catalyst utility can be seen to be affected by rapid voltage changes in each abnormal mode of operation. This assumption is supported by the dynamic reaction behavior following these abnormal modes of operation.

도 2b 및 2c에 도시된 바와 같이, 생산된 스택 전류는 각각의 비정상 작동 모드들에 따라 변화한다. 더하여, 각 비정상 작동 모드들은 차이나는 전류(도 2b) 및 전압 반응 거동(도 2c)을 나타낸다. 스택 전류 반응과 관련하여, 스택이 로드 온-오프 모드 및 로드-메탄올 온-오프 모드에 의해 작동될 때, 전류는 일시적 단계(transient stage) 없이 정상상태(steady state)에 도달한다. 반대로, 로드-공기 온-오프 모드 및 로드-메탄올-공기 온-오프 모드에 의해 작동될 때, 스택은 오버슈팅(overshooting) 및 휴지(relaxation) 과정을 거친다. 로드-메탄올-공기 온-오프 모드 및 로드-공기 온-오프는 초기 단계에서 점점 전류를 증가시키고, 그 후 스택은 정상상태로 돌아간다. CO와 같은 물질의 산화를 통한 전극 표면의 해독에 의해 전류를 증가시킬 수 있고, 또한 메탄올 산화 반응을 위한 자유 표면 사이트(free surface site)를 증가시킬 수 있다. 그러므로, 로드-공기 온-오프 모드 및 로드-메탄올-공기 온-오프 모드는 촉매의 활성 사이트를 증가시키는 데 매우 효과적이다. As shown in Figures 2B and 2C, the stack current produced varies with each abnormal operating mode. In addition, each abnormal operating mode exhibits different currents (FIG. 2B) and voltage response behavior (FIG. 2C). With respect to the stack current response, when the stack is operated in load on-off mode and load-methanol on-off mode, the current reaches a steady state without a transient stage. Conversely, when operated by the load-air on-off mode and the load-methanol-air on-off mode, the stack undergoes overshooting and relaxation. The load-methanol-air on-off mode and load-air on-off gradually increase the current at an early stage, after which the stack returns to normal. Current can be increased by detoxification of the electrode surface through oxidation of a material such as CO, and can also increase the free surface site for the methanol oxidation reaction. Therefore, the load-air on-off mode and the load-methanol-air on-off mode are very effective for increasing the active site of the catalyst.

이들 현상은 로드 오프 상태 동안의 스택 전압 거동으로부터 더욱 확실히 알 수 있다. 스택이 로드 온-오프 모드, 로드-메탄올 온-오프 모드의 오프 상태일 때, 전압은 개방 회로값으로 돌아간다. 반대로, 로드-공기 온-오프 모드 및 로드-메탄올-공기의 오프 상태에서는 0.5V로 떨어진다(도 2c 참조). 높은 양의 포텐셜에서, 백금의 산화에 의해 백금 옥사이드 층이 형성되거나 탄소 담지체의 부식이 일어나고 그것은 백금 활성 사이트의 수를 감소시킨다. 한편, 캐소드에서의 낮은 포텐셜은 백금 촉매의 표면 산화층을 감소시키고 빠르게 캐소드에서의 산소를 소비한다. 그리고, 그에 의해 DMFC 캐소드의 성능을 회복시킨다. 그러므로, 로드 오프 상태에서 전압 하락은 촉매 표면의 해독을 증진시키고, 이러한 현상은 로드-공기 온-오프 모드 및 로드-메탄올-공기 온-오프 모드에서 스택의 성능을 증대시킨다.These phenomena are more evident from the stack voltage behavior during the load off state. When the stack is off in load on-off mode, load-methanol on-off mode, the voltage returns to an open circuit value. Conversely, in the off state of the load-air on-off mode and the load-methanol-air, it drops to 0.5V (see FIG. 2C). At high amounts of potential, the oxidation of platinum forms a platinum oxide layer or corrosion of the carbon carrier, which reduces the number of platinum active sites. On the other hand, the low potential at the cathode reduces the surface oxide layer of the platinum catalyst and quickly consumes oxygen at the cathode. Then, the performance of the DMFC cathode is restored. Therefore, the voltage drop in the load off state promotes detoxification of the catalyst surface, and this phenomenon increases the stack performance in the load-air on-off mode and the load-methanol-air on-off mode.

로드-공기 온-오프 모드 및 로드-메탄올-공기 온-오프 모드가 적용되었을 때, 스택은 로드-온 단계에서 2~3초 동안 낮은 전압을 유지한다. 더하여, 로드-공기 온-오프 모드 및 로드-메탄올-공기 온-오프 모드가 사용될 때 캐소드에서의 공기 공급은 2~3초 동안 지연된다. 그러므로, 캐소드에서의 즉각적인 공기 부족은 표면 옥사이드의 환원을 위해 요구되는 캐소드 포텐셜을 낮출 수 있다. 게다가, 스택으로의 공기 공급 흐름이 지연될지라도 스택은 높은 전류를 생산한다. 이러한 현상은 스택 채널 또는 전극의 다공층에 있는 잔류 공기가 반응에 참여하기 때문에 그리고 양쪽 전극에서의 전기 이중층에서 더 높은 전류를 방전하기 때문에 일어날 수 있다.When the load-air on-off mode and the load-methanol-air on-off mode are applied, the stack maintains a low voltage for 2-3 seconds in the load-on phase. In addition, the air supply at the cathode is delayed for 2-3 seconds when the load-air on-off mode and the load-methanol-air on-off mode are used. Therefore, the immediate lack of air at the cathode can lower the cathode potential required for the reduction of surface oxides. In addition, the stack produces high currents even if the air supply flow to the stack is delayed. This phenomenon can occur because residual air in the stack layer or the porous layer of the electrode participates in the reaction and because it discharges higher current in the electrical double layer at both electrodes.

도 2d는 온-오프 상태에서의 DMFC 스택의 전압 반응을 보여 준다. 측정은 보다 더 상세한 전압 거동을 관찰하기 위하여 0.02s의 짧은 샘플링 시간 동안에 이루어졌다. 스택이 2.4V의 일정 전압에서 작동됨에도 불구하고 전압 반응에서 일시적인 오버슈팅 거동(약 16 내지 18s)이 나타난다. 이러한 일시적 거동은 흡수된 피독 물질을 산화시키는 높은 오버 포텐셜에 기인한다. 그리고 오버슈팅은 과도한 촉매 표면의 피독으로부터 발생한다. 이러한 결과는, 오프 상태 동안 로드 온-오프 모드 및 로드-메탄올 온-오프 모드는 촉매의 피독을 야기하고, 반면 로드 공기 온-오프 모드 및 로드-메탄올-공기 온-오프 모드는 촉매 해독을 야기한다는 것을 나타낸다. 그러므로, 도 2의 모든 데이터는 로드-공기 온-오프 모드 및 로드-메탄올-공기 온-오프 모드는 로드 온-오프 모드 및 로드-메탄올 온-오프 모드에 비해 DMFC 스택에 대한 훨씬 우수한 작동 모드라는 것을 증명한다.2D shows the voltage response of the DMFC stack in the on-off state. Measurements were made during a short sampling time of 0.02 s to observe more detailed voltage behavior. Although the stack is operated at a constant voltage of 2.4V, transient overshooting behavior (about 16-18s) occurs in the voltage response. This transient behavior is due to the high overpotential that oxidizes the absorbed poisoning material. And overshooting results from excessive poisoning of the catalyst surface. This result indicates that the load on-off mode and the load-methanol on-off mode during the off state cause poisoning of the catalyst, while the load air on-off mode and the load-methanol-air on-off mode cause catalyst detoxification. Indicates that Therefore, all data in FIG. 2 indicate that the load-air on-off mode and the load-methanol-air on-off mode are much better operating modes for the DMFC stack compared to the load on-off mode and load-methanol on-off mode. Prove that.

로드-메탄올-공기 온-오프 모드를 개입시켰을 때 시스템의 성능이 장기 운전 동안 얼마나 효과적으로 유지되는지를 확인하기 위하여 로드-메탄올-공기 온-오프 모드를 개입시켜 10000시간 동안 장기 운전을 실시하였다. 위 실험에서 정상 운전 시간(로드 온 시간)은 30분, 비정상 운전 시간(로드 오프 시간)은 10초로 하여 정상 운전 및 비정상 운전을 반복하였다. Long-term operation was performed for 10,000 hours through the load-methanol-air on-off mode to confirm how effectively the performance of the system was maintained during the long-term operation when the load-methanol-air on-off mode was intervened. In the above experiment, the normal operation time (load on time) was 30 minutes and the abnormal operation time (load off time) was 10 seconds, and the normal operation and abnormal operation were repeated.

도 3는 위 실험 결과를 나타내는 그래프로서, 이를 통하여 로드-메탄올-공기 온-오프 모드를 개입시킴으로써 시스템의 성능을 지속적으로 유지시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.Figure 3 is a graph showing the results of the above experiment, it can be seen that through the load-methanol-air on-off mode can maintain the performance of the system continuously.

Claims (12)

직접 메탄올형 연료전지 시스템의 정상 운전 중 소정 시간 동안 연료와 공기의 공급 및 로드(load)의 연결을 중단시킨 상태에서 운전하는 단계를 개입시키는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올형 연료전지 시스템의 운전제어방법.
Operation control method of the direct methanol fuel cell system characterized in that the step of operating in a state in which the supply of fuel and air and the load (load) is interrupted for a predetermined time during the normal operation of the direct methanol fuel cell system. .
제1항에 있어서,
상기 연료와 공기의 공급 및 로드(load)의 연결을 중단시킨 상태에서 운전하는 단계는 시스템의 정상 운전이 2 내지 120 분 동안 진행되면 수행되는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올형 연료전지 시스템의 운전제어방법.
The method of claim 1,
The operation control method of the direct methanol fuel cell system, characterized in that the operation of the fuel and air supply and the load (load) is stopped when the normal operation of the system proceeds for 2 to 120 minutes .
제2항에 있어서,
상기 연료와 공기의 공급 및 로드(load)의 연결을 중단시킨 상태에서 운전하는 단계는 5 내지 30 초 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올형 연료전지 시스템의 운전제어방법.
The method of claim 2,
And operating in a state in which the fuel and air supply and the load are interrupted, the operation of the direct methanol fuel cell system according to claim 5, wherein the operation is performed for 5 to 30 seconds.
직접 메탄올형 연료전지 시스템의 정상 운전 중 소정 시간 동안 공기의 공급 및 로드(load)의 연결을 중단시킨 상태에서 운전하는 단계를 개입시키는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올형 연료전지 시스템의 운전제어방법.
A method of controlling the operation of a direct methanol fuel cell system, characterized in that the step of operating in a state in which the supply of air and the connection of the load (load) is interrupted for a predetermined time during the normal operation of the direct methanol fuel cell system.
제4항에 있어서,
상기 공기의 공급 및 로드(load)의 연결을 중단시킨 상태에서 운전하는 단계는 시스템의 정상 운전이 2 내지 120 분 동안 진행되면 수행되는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올형 연료전지 시스템의 운전제어방법.
The method of claim 4, wherein
Operating in a state in which the supply of air and the connection of the loads are interrupted, wherein the normal operation of the system is performed for 2 to 120 minutes.
제5항에 있어서,
상기 공기의 공급 및 로드(load)의 연결을 중단시킨 상태에서 운전하는 단계는 5 내지 30 초 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올형 연료전지 시스템의 운전제어방법.
The method of claim 5,
Operating in a state in which the supply of air and the connection of the load (load) is stopped operating method of the direct methanol fuel cell system, characterized in that performed for 5 to 30 seconds.
전해질막과 상기 전해질막의 양면에 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 이루어진 적어도 하나의 막-전극 어셈블리를 구비하는 스택;
상기 스택으로부터 배출되는 미반응 연료와 물을 회수 저장하는 혼합탱크;
상기 혼합탱크에 고농도 연료를 공급하는 연료탱크; 및
상기 혼합탱크에 저장된 혼합연료를 상기 스택에 공급하는 연료 펌프를 포함하는 직접 메탄올형 연료전지 시스템에 있어서,
소정 시간 동안 상기 시스템을 정상 운전시키고 소정 시간 동안 연료와 공기의 공급 및 로드의 연결을 중단시킨 상태에서 상기 시스템을 운전시키는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올형 연료전지 시스템.
A stack comprising an electrolyte membrane and at least one membrane-electrode assembly comprising an anode electrode and a cathode electrode positioned on both sides of the electrolyte membrane;
A mixing tank for recovering and storing unreacted fuel and water discharged from the stack;
A fuel tank for supplying high concentration fuel to the mixing tank; And
In the direct methanol fuel cell system comprising a fuel pump for supplying the mixed fuel stored in the mixing tank to the stack,
And a control unit for operating the system in a state in which the system is normally operated for a predetermined time and the connection between the fuel and air supply and the load is stopped for a predetermined time.
제7항에 있어서,
상기 제어부는 상기 시스템을 2 내지 120 분 동안 정상 운전시킨 후 상기 연료와 공기의 공급 및 로드(load)의 연결을 중단시킨 상태에서 상기 시스템을 운전하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올형 연료전지 시스템.
The method of claim 7, wherein
The control unit is a direct methanol fuel cell system, characterized in that for operating the system for 2 to 120 minutes after the normal operation of the fuel and air supply and the load (load) is disconnected.
제8항에 있어서,
상기 제어부는 상기 시스템을 정상 운전시킨 후 상기 연료와 공기의 공급 및 로드(load)의 연결을 중단시킨 상태에서 5 내지 30 초 동안 상기 시스템을 운전하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올형 연료전지 시스템.
The method of claim 8,
And the control unit operates the system for 5 to 30 seconds after the normal operation of the system and the connection of the fuel and air to the load and the load are interrupted.
전해질막과 상기 전해질막의 양면에 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 이루어진 적어도 하나의 막-전극 어셈블리를 구비하는 스택;
상기 스택으로부터 배출되는 미반응 연료와 물을 회수 저장하는 혼합탱크;
상기 혼합탱크에 고농도 연료를 공급하는 연료탱크; 및
상기 혼합탱크에 저장된 혼합연료를 상기 스택에 공급하는 연료 펌프를 포함하는 직접 메탄올형 연료전지 시스템에 있어서,
소정 시간 동안 상기 시스템을 정상 운전시키고 소정 시간 동안 공기의 공급 및 로드의 연결을 중단시킨 상태에서 상기 시스템을 운전시키는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올형 연료전지 시스템.
A stack comprising an electrolyte membrane and at least one membrane-electrode assembly comprising an anode electrode and a cathode electrode positioned on both sides of the electrolyte membrane;
A mixing tank for recovering and storing unreacted fuel and water discharged from the stack;
A fuel tank for supplying high concentration fuel to the mixing tank; And
In the direct methanol fuel cell system comprising a fuel pump for supplying the mixed fuel stored in the mixing tank to the stack,
And a control unit for operating the system in a state in which the system is normally operated for a predetermined time and the supply of air and the load are interrupted for a predetermined time.
제10항에 있어서,
상기 제어부는 상기 시스템을 2 내지 120 분 동안 정상 운전시킨 후 상기 공기의 공급 및 로드(load)의 연결을 중단시킨 상태에서 상기 시스템을 운전하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올형 연료전지 시스템.
The method of claim 10,
The control unit is a direct methanol fuel cell system, characterized in that for operating the system in a state in which the supply of the air and the load (load) is stopped after the normal operation of the system for 2 to 120 minutes.
제11항에 있어서,
상기 제어부는 상기 시스템을 정상 운전시킨 후 상기 공기의 공급 및 로드(load)의 연결을 중단시킨 상태에서 5 내지 30 초 동안 상기 시스템을 운전하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올형 연료전지 시스템.
The method of claim 11,
The control unit is a direct methanol fuel cell system, characterized in that for operating the system for 5 to 30 seconds in a state in which the supply of air and the load (load) is stopped after the normal operation of the system.
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