KR20140008125A - 연료 전지 장치 및 그 구동 방법, 이를 위한 복합 카트리지 - Google Patents

연료 전지 장치 및 그 구동 방법, 이를 위한 복합 카트리지 Download PDF

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Abstract

연료 전지 장치는 복수의 단위 셀을 포함하는 연료 전지 스택, 상기 연료 전지 스택에 공급되는 연료 혼합액을 저장하는 혼합기, 상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액의 잔량을 측정하는 혼합액 센서, 카트리지에 저장된 연료 혼합액을 상기 혼합기에 공급하고, 상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액을 상기 카트리지로 회수하는 혼합액 조절 펌프, 및 상기 혼합액 센서로부터 상기 혼합기에 저장되어 있는 연료 혼합액의 잔량 측정 신호를 수신하고, 상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액의 잔량이 기준량에 미달하면 상기 혼합액 조절 펌프를 구동시켜 상기 카트리지에 저장된 연료를 상기 혼합기에 공급하고, 상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액의 잔량이 기준량을 초과하면 상기 혼합액 조절 펌프를 구동시켜 상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액을 상기 카트리지로 회수시키는 제어부를 포함한다.

Description

연료 전지 장치 및 그 구동 방법, 이를 위한 복합 카트리지{FUEL CELL APPARATUS AND DRIVING METHOD THEREOF, AND COMPLEX CARTRIDGE FOR THE SAME}
본 발명은 연료 전지 장치 및 그 구동 방법, 이를 위한 복합 카트리지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 직접 메탄올 연료 전지 방식의 연료 전지 장치 및 그 구동 방법, 이를 위한 복합 카트리지에 관한 것이다.
연료 전지(fuel cell)는 수소 분자나 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템이다.
연료 전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산 연료 전지(PAFC), 용융탄산염 연료 전지(MCFC), 고체 산화물 연료 전지(SOFC), 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC), 알칼리 연료 전지(AFC) 등으로 분류된다. 각각의 연료 전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
고분자 전해질 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 고체 고분자로 만들어진 이온 교환막을 전해질로 사용하므로 전해질에 의한 부식이나 증발의 위험이 없다. 고분자 전해질 연료 전지는 출력 밀도 및 에너지 전환 효율이 높고 80℃ 이하의 낮은 온도에서 작동 가능하며, 소형화, 밀폐화가 가능하여 무공해 자동차, 가정용 발전 시스템, 이동통신 장비, 군사용 장비, 의료기기 등 매우 다양한 분야의 전원으로 사용되고 있다.
또한, 고체 고분자로 만들어진 이온 교환막을 전해질로 사용하는 연료 전지로는 직접 메탄올 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)가 있다. 직접 메탄올 연료 전지는 고분자 전해질 연료 전지와 유사하나 액상의 메탄올 연료를 직접 스택에 공급할 수 있다. 직접 메탄올 연료 전지는 고분자 전해질 연료 전지와 달리 연료에서 수소를 얻기 위한 개질기를 사용하지 않고 액상 연료를 직접 이용하며 통상 100℃ 미만의 작동온도에서 동작하기 때문에 소형 전자기기의 전원이나 휴대용 전자기기의 전원으로 적합한 장점이 있다.
액체연료인 메탄올은 물과 1:1로 반응하기 때문에 메탄올 1몰과 물 1몰의 고농도 연료를 사용하는 것이 가능하지만, 메탄올과 물이 1:1인 고농도 혼합액을 사용하는 경우 전해질막에서의 연료의 크로스오버(cross-over)로 인하여 출력이 감소하게 된다. 이 때문에, 일반적으로 직접 메탄올 연료 전지 시스템은 2~8 vol.% 정도의 저농도 메탄올 혼합액을 사용한다.
직접 메탄올 연료 전지를 고온 환경(대략 45℃이상 온도)에서 사용하거나 장기간 보관함에 따라 직접 메탄올 연료 전지 시스템 내부의 연료 혼합액이 증발하게 된다. 내부의 연료 혼합액이 부족한 상태에서 직접 메탄올 연료 전지 시스템이 운전되면 연료 전지 스택의 열화가 가속된다.
직접 메탄올 연료 전지 시스템 내부에 연료 혼합액을 보충하기 위하여 저농도 메탄올 혼합액이 담겨 있는 혼합액 보충 카트리지를 직접 메탄올 연료 전지 시스템에 장착하여 사용할 수 있다. 연료 혼합액을 보충하는 과정에서 사용자의 실수로 순수 메탄올이 담겨 있는 연료 카트리지를 직접 메탄올 연료 전지 시스템에 장착하는 경우에는 복구 불가능한 손상이 발생할 수 있다.
고온 환경에서는 대략 50 vol.%의 고농도 메탄올 혼합액이 담겨 있는 카트리지를 사용하여 직접 메탄올 연료 전지 시스템을 운전할 수 있다. 그러나, 상온 이하에서 고농도 메탄올 혼합액이 담겨 있는 카트리지를 사용하게 되면 직접 메탄올 연료 전지 시스템 내부에서 연료 혼합액의 넘침 현상이 발생할 수 있다.
사용자는 주변 온도에 맞추어 저농도 메탄올 혼합액이 담겨 있는 카트리지나 고농도 메탄올 혼합액이 담겨 있는 카트리지를 구분하여 사용하여야 하는 불편함이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 연료 혼합액의 부족 및 넘침 현상을 방지하여 연료 전지 시스템을 안정적으로 운전할 수 있는 연료 전지 장치 및 그 구동 방법, 이를 위한 복합 카트리지를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 장치는 복수의 단위 셀을 포함하는 연료 전지 스택, 상기 연료 전지 스택에 공급되는 연료 혼합액을 저장하는 혼합기, 상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액의 잔량을 측정하는 혼합액 센서, 카트리지에 저장된 연료 혼합액을 상기 혼합기에 공급하고, 상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액을 상기 카트리지로 회수하는 혼합액 조절 펌프, 및 상기 혼합액 센서로부터 상기 혼합기에 저장되어 있는 연료 혼합액의 잔량 측정 신호를 수신하고, 상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액의 잔량이 기준량에 미달하면 상기 혼합액 조절 펌프를 구동시켜 상기 카트리지에 저장된 연료를 상기 혼합기에 공급하고, 상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액의 잔량이 기준량을 초과하면 상기 혼합액 조절 펌프를 구동시켜 상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액을 상기 카트리지로 회수시키는 제어부를 포함한다.
상기 연료 전지 스택에서 배출되는 미반응 공기 및 미반응 연료를 액체와 기체로 분리하는 기액 분리기를 더 포함할 수 있다.
상기 기액 분리기에서 분리된 기체를 응축하여 미반응 연료를 회수하는 응축기를 더 포함할 수 있다.
상기 카트리지의 아웃렛 커넥터와 접속하는 인렛 커넥터, 및 상기 카트리지의 종류를 식별하는 식별 센서를 포함하는 카트리지 장착부를 더 포함할 수 있다.
상기 혼합액 조절 펌프, 상기 응축기 및 상기 인렛 커넥터에 연결되는 제1 혼합액 조절 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 식별 센서는 식별 버튼을 포함하고, 상기 카트리지 장착부에 카트리지가 장착될 때 상기 식별 버튼이 눌러지는지 여부로 장착되는 카트리지의 종류를 식별할 수 있다.
상기 카트리지 장착부에는 저농도 연료 혼합액과 순수 연료를 저장하는 복합 카트리지 및 저농도 연료 혼합액을 저장하는 단일 카트리지 중 어느 하나가 장착될 수 있다.
상기 복합 카트리지 및 상기 단일 카트리지 중 어느 하나는 상기 식별 버튼이 삽입되는 버튼 홈을 구비할 수 있다.
상기 복합 카트리지는 저농도 연료 혼합액이 저장되는 혼합액 저장부, 순수 연료가 저장되는 연료 저장부, 상기 인렛 커넥터에 접속되는 아웃렛 커넥터, 및 상기 혼합액 저장부와 상기 연료 저장부 중 어느 하나를 상기 아웃렛 커넥터와 소통시키는 제2 혼합액 조절 밸브를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 혼합기에 연료를 공급할 때 상기 제2 혼합액 조절 밸브를 제어하여 상기 혼합액 저장부와 상기 아웃렛 커넥터를 소통시킬 수 있다.
상기 제어부는 상기 혼합기로부터 연료 혼합액을 회수할 때 상기 제2 혼합액 조절 밸브를 제어하여 상기 혼합액 저장부와 상기 아웃렛 커넥터를 소통시킬 수 있다.
상기 혼합액 센서는 상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액의 농도를 측정하여 상기 제어부에 농도 측정 정보를 상기 제어부에 전달하고, 상기 제어부는 상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액의 농도가 기준 농도보다 낮으면 상기 제2 혼합액 조절 밸브를 제어하여 상기 연료 저장부와 상기 아웃렛 커넥터를 소통시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 복합 카트리지는 저농도 연료 혼합액이 저장되는 혼합액 저장부, 순수 연료가 저장되는 연료 저장부, 연료 전지 장치의 카트리지 장착부에 접속되는 커넥터, 및 상기 혼합액 저장부와 상기 연료 저장부 중 어느 하나를 상기 커넥터와 소통시키는 조절 밸브를 포함한다.
상기 연료 전지 장치에 장착되면, 상기 조절 밸브는 상기 연료 전지 장치와 전기적으로 연결되어 상기 연료 전지 장치의 제어에 따라 상기 혼합액 저장부와 상기 연료 저장부 중 어느 하나를 상기 커넥터와 소통시키는 3방 밸브일 수 있다.
카트리지의 종류를 식별하기 위해 상기 연료 전지 장치의 카트리지 장착부에 마련되는 식별 버튼이 삽입되는 버튼 홈을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 저농도 연료 혼합액을 저장하고 있는 혼합액 저장부 및 순수 연료를 저장하고 있는 연료 저장부를 포함하는 복합 카트리지를 이용하는 연료 전지 장치의 구동 방법은 혼합기에 저장된 연료 혼합액의 잔량을 확인하는 단계, 상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액이 기준량에 미달하는지 여부를 판단하는 단계, 상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액이 기준량에 미달하면 상기 혼합액 저장부로부터 상기 혼합기로 저농도 연료 혼합액을 이동시켜 상기 혼합기의 연료 혼합액을 보충하는 단계, 상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액이 기준량을 초과하는지 여부를 판단하는 단계, 및 상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액이 기준량을 초과하면 상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액을 상기 혼합액 저장부로 이동시켜 상기 혼합기의 연료 혼합액을 회수하는 단계를 포함한다.
상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액의 잔량을 확인하는 단계는, 상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액의 농도를 확인하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 혼합기에 연료 혼합액을 보충하는 단계는, 상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액의 농도가 기준 농도보다 낮으면, 상기 연료 저장부로부터 상기 혼합기로 순수 연료를 이동시켜 상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액의 농도를 기준 농도에 도달시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 혼합기의 연료 혼합액을 보충하는 단계 및 상기 혼합기의 연료 혼합액을 회수하는 단계는 상기 연료 전지 장치에 포함된 연료 전지 스택이 운전되는 동안 반복하여 수행될 수 있다.
연료 전지 시스템의 물 부족 및 물 넘침 현상을 방지하여 연료 전지 시스템이 안정적으로 운전될 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 연료 전지 시스템(100)은 고체 고분자로 만들어진 이온 교환막을 전해질로 사용하고 메탄올 연료를 직접 연료 전지 스택에 공급하여 전기 에너지를 발생시키는 직접 메탄올 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 방식을 채용하는 것으로 가정한다. 연료 전지 시스템(100)은 메탄올뿐만 아니라 에탄올이나 천연가스, LPG 등과 같은 액상 또는 기체 상태의 탄화수소계 연료를 이용할 수도 있다.
연료 전지 시스템(100)은 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지 장치(110) 및 연료 전지 장치(110)에 연료를 공급하기 위한 카트리지를 포함한다. 연료 전지 장치(110)에 연료를 공급하기 위한 카트리지로는 저농도 연료 혼합액 및 순수 연료를 저장하고 있는 복합 카트리지(120), 및 저농도 연료 혼합액을 저장하고 있는 단일 카트리지(130)가 있다.
연료 전지 장치(110)는 연료 전지 스택(10), 기액 분리기(20), 응축기(30), 혼합기(40), 연료 펌프(41), 산화제 펌프(42), 혼합액 센서(43), 혼합액 조절 펌프(50), 제1 혼합액 조절 밸브(51), 카트리지 장착부(60), 식별 센서(61), 식별 버튼(62), 인렛 커넥터(inlet connector)(64) 및 제어부(70)를 포함한다.
연료 전지 스택(10)은 연료와 산화제의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 단위 셀을 포함한다. 복수의 단위 셀 중 하나의 단위 셀(11)은 연료와 산화제 중의 산소를 산화/환원시키는 막-전극 집합체(MEA; Membrane Electrode assembly)(11b) 및 연료와 산화제를 막-전극 집합체(11b)로 공급하기 위한 세퍼레이터(바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)(separator)(11a, 11c)를 포함한다. 단위 셀(11)은 막-전극 집합체(11b)를 중심에 두고 양측에 세퍼레이터(11a, 11c)가 각각 배치된 구조를 갖는다. 막-전극 집합체(11b)는 중앙에 배치된 전해질막과 전해질막의 일측에 배치된 캐소드 전극과 전해질막의 타측에 배치된 애노드 전극을 포함한다. 세퍼레이터(11a, 11c)를 통해 캐소드 전극에는 산화제가 공급되며, 애노드 전극에는 연료가 공급된다.
기액 분리기(20)는 연료 전지 스택(10)에서 배출되는 미반응 공기 및 미반응 연료를 액체와 기체로 분리한다. 연료 전지 스택(10)에서 배출되는 미반응 공기에는 수분이 포함된다. 기액 분리기(20)에서 분리된 액체는 혼합기(40)로 보내지고, 분리된 기체는 응축기(30)로 보내진다. 기액 분리기(20)는 원심분리형 또는 일렉트로키네틱 펌프(electrokinetic pump) 등으로 이루어질 수 있다.
응축기(30)는 기액 분리기(20)에서 분리된 기체를 응축하여 미반응 연료를 회수한다. 응축기(30)에서 회수된 미반응 연료는 제1 혼합액 조절 밸브(51) 및 혼합액 조절 펌프(50)를 통해 혼합기(40)로 보내진다.
혼합기(40)에는 기액 분리기(20)에서 배출된 액체가 유입된다. 기액 분리기(20)에서 배출되는 액체는 미반응 연료와 수분이 혼합된 상태이다. 그리고, 혼합기(40)에는 복합 카트리지(120)로부터 공급되는 저농도 연료 혼합액 또는 순수 연료가 유입되거나, 단일 카트리지(130)로부터 공급되는 저농도 연료 혼합액이 유입된다. 그리고 혼합기(40)에는 응축기(30)에서 회수된 미반응 연료가 유입된다. 따라서 기액 분리기(20)에서 배출되는 미반응 연료와 수분, 복합 카트리지(120) 또는 단일 카트리지(130)로부터 공급되는 연료 혼합액, 응축기(30)에서 회수된 미반응 연료가 혼합기(40)에서 적정한 농도의 연료 혼합액으로 혼합된다.
연료 펌프(41)는 혼합기(40)에 연결 설치되어 소정의 펌핑력으로 혼합기(40)에 저장된 연료 혼합액을 혼합기(40)에서 배출시킨다. 연료 펌프(41)에 의해 혼합기(40)에서 배출된 연료 혼합액은 연료 전지 스택(10)에 공급된다.
산화제 펌프(42)는 연료 전지 스택(10)에 산화제를 공급한다. 산화제 펌프(42)는 소정의 펌핑력으로 외부 공기를 흡입하여 연료 전지 스택(10)에 공급할 수 있다.
혼합액 센서(43)는 혼합기(40)에 저장된 연료 혼합액의 농도 및 잔량을 측정한다. 혼합액 센서(43)는 혼합기(40)에 저장된 연료 혼합액의 농도 및 잔량의 측정 정보를 제어부(70)에 전달한다.
혼합액 조절 펌프(50)는 혼합기(40)와 제1 혼합액 조절 밸브(51) 사이에 설치된다. 혼합액 조절 펌프(50)는 응축기(30)에서 회수된 미반응 연료, 복합 카트리지(120) 또는 단일 카트리지(130)에 저장된 연료 혼합액을 소정의 펌핑력으로 혼합기(40)에 공급한다. 그리고 혼합액 조절 펌프(50)는 혼합기(40)에 저장된 연료 혼합액을 소정의 펌핑력으로 복합 카트리지(120)로 회수한다.
제1 혼합액 조절 밸브(51)는 혼합액 조절 펌프(50), 응축기(30) 및 인렛 커넥터(64)에 연결되는 3방 밸브(three way valve)이다. 제1 혼합액 조절 밸브(51)는 제어부(70)의 제어에 따라 응축기(30)와 혼합액 조절 펌프(50)를 서로 소통시키거나 응축기(30)와 인렛 커넥터(64)를 서로 소통시킨다.
인렛 커넥터(64)는 복합 카트리지(120)에 구비되는 아웃렛 커넥터(124) 또는 단일 카트리지(130)에 구비되는 아웃렛 커넥터(134)에 접속한다.
카트리지 장착부(60)는 복합 카트리지(120) 및 단일 카트리지(130)가 탈착 가능하도록 구성된다. 카트리지 장착부(60)에는 식별 센서(61), 식별 버튼(62) 및 인렛 커넥터(64)가 마련된다.
식별 센서(61)는 카트리지 장착부(60)에 마련되어 카트리지의 장착 여부를 식별하여 제어부(70)에 카트리지 장착 신호를 전달한다.
그리고 식별 센서(61)는 카트리지 장착부(60)에 장착되는 카트리지의 종류를 식별하여 제어부(70)에 카트리지 식별 신호를 전달한다. 카트리지 식별 신호는 카트리지 장착부(60)에 장착된 카트리지가 복합 카트리지(120) 및 단일 카트리지(130) 중 어느 하나임을 지시하는 신호이다. 식별 센서(61)에는 식별 버튼(62)이 설치되고, 카트리지의 장착시에 식별 버튼(62)이 눌러지는지 여부로 장착되는 카트리지의 종류를 식별할 수 있다.
이를 위해, 단일 카트리지(130)에는 식별 버튼(62)이 삽입되는 버튼 홈(135)이 구비되고, 복합 카트리지(120)에는 버튼 홈이 구비되지 않을 수 있다. 카트리지 장착부(60)에 복합 카트리지(120)가 장착되는 경우, 식별 버튼(62)이 눌러지게 되고, 식별 센서(61)는 카트리지 식별 신호를 ON 신호로 제어부(70)에 전달한다. 카트리지 장착부(60)에 단일 카트리지(130)가 장착되는 경우, 식별 버튼(62)은 버튼 홈(135)에 삽입되므로 식별 버튼(62)은 눌러지지 않고, 식별 센서(61)는 카트리지 식별 신호를 OFF 신호로 제어부(70)에 전달한다.
여기서는 단일 카트리지(130)에 버튼 홈(135)이 구비되고 복합 카트리지(120)에는 버튼 홈이 구비되지 않는 경우를 예시하였으나, 이와 반대로 단일 카트리지(130)에 버튼 홈이 구비되지 않고 복합 카트리지(120)에 버튼 홈이 구비되도록 할 수도 있다.
또한, 식별 센서(61)가 식별 버튼(62)을 이용하여 장착되는 카트리지의 종류를 식별하는 것을 예시하였으나, 식별 센서(61)로는 리미트 센서, 광전 센서, 근접 센서, 자기장 센서, 압력 센서, 적외선 센서 등 다양한 종류의 센서가 채용될 수 있다.
제어부(70)는 연료 펌프(41), 산화제 펌프(42), 혼합액 조절 펌프(50), 제1 혼합액 조절 밸브(51)의 각 동작을 제어한다. 구체적으로 제어부(70)는 혼합액 센서(43)로부터 혼합기(40)에 저장된 연료 혼합액의 농도 및 잔량의 측정 신호를 수신하고, 식별 센서(61)로부터 카트리지의 장착 신호 및 카트리지 식별 신호를 수신한다. 제어부(70)는 수신된 신호를 기반으로 혼합기(40)에 일정 농도 및 일정량의 연료 혼합액이 저장되도록 한다. 제어부(70)가 혼합기(40)에 일정 농도 및 일정량의 연료 혼합액이 저장되도록 연료 펌프(41), 산화제 펌프(42), 혼합액 조절 펌프(50), 제1 혼합액 조절 밸브(51)의 각 동작을 제어하는 구체적인 동작 설명은 도 2에서 후술한다.
복합 카트리지(120)는 혼합액 저장부(121), 연료 저장부(122), 제2 혼합액 조절 밸브(123) 및 아웃렛 커넥터(outlet connector)(124)를 포함한다.
혼합액 저장부(121)에는 저농도 연료 혼합액이 저장된다. 직접 메탄올 연료 전지 시스템에서 혼합액 저장부(121)에는 2~8 vol.% 정도의 저농도 메탄올 혼합액이 저장될 수 있다.
연료 저장부(122)에는 순수 연료가 저장된다. 직접 메탄올 연료 전지 시스템에서 연료 저장부(122)에는 순수 메탄올이 저장될 수 있다.
제2 혼합액 조절 밸브(123)는 혼합액 저장부(121), 연료 저장부(122) 및 아웃렛 커넥터(124)에 연결되는 3방 밸브이다. 복합 카트리지(120)가 카트리지 장착부(60)에 장착되면, 제2 혼합액 조절 밸브(123)는 제어부(70)와 전기적으로 연결되고, 제어부(70)의 제어에 따라 혼합액 저장부(121)와 아웃렛 커넥터(124)를 서로 소통시키거나 연료 저장부(122)와 아웃렛 커넥터(124)를 서로 소통시킨다.
복합 카트리지(120)의 아웃렛 커넥터(124)는 연료 전지 장치(110)에 구비되는 인렛 커넥터(64)에 접속한다.
단일 카트리지(130)는 혼합액 저장부(131), 제3 혼합액 조절 밸브(133), 아웃렛 커넥터(134) 및 버튼 홈(135)을 포함한다.
혼합액 저장부(131)에는 저농도 연료 혼합액이 저장된다. 직접 메탄올 연료 전지 시스템에서 혼합액 저장부(131)에는 2~8 vol.% 정도의 저농도 메탄올 혼합액이 저장될 수 있다.
단일 카트리지(130)가 카트리지 장착부(60)에 장착되면, 제3 혼합액 조절 밸브(133)는 제어부(70)와 전기적으로 연결되고, 제어부(70)의 제어에 따라 혼합액 저장부(131)와 아웃렛 커넥터(124)를 서로 소통시킨다.
단일 카트리지(130)의 아웃렛 커넥터(134)는 연료 전지 장치(110)에 구비되는 인렛 커넥터(64)에 접속한다.
버튼 홈(135)은 단일 카트리지(130)가 카트리지 장착부(60)에 장착될 때 식별 버튼(62)이 삽입될 수 있도록 카트리지 장착부(60)와의 접촉면에 마련된다.
이제, 연료 전지 시스템(100)이 혼합기(40)에 일정 농도 및 일정량의 연료 혼합액이 저장되도록 하는 동작에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 연료 전지 장치(110)에 전원이 ON 된다(S10).
연료 전지 장치(110)에 전원이 ON 되면, 제어부(70)는 식별 센서(61)로부터 카트리지 장착 신호를 수신하여 카트리지의 장착 여부를 판별한다. 카트리지 장착부(60)에 카트리지가 창착된 경우, 제어부(70)는 카트리지 식별 신호가 ON 신호인지 여부를 판단한다(S15). 카트리지 장착부(60)에 복합 카트리지(120)가 장착되면, 식별 버튼(62)이 눌러지게 되고, 식별 센서(61)가 카트리지 식별 신호를 ON 신호로 제어부(70)에 전달한다. 카트리지 장착부(60)에 단일 카트리지(130)가 장착되면, 식별 버튼(62)은 버튼 홈(135)에 삽입되어 눌러지지 않고, 식별 센서(61)가 카트리지 식별 신호를 OFF 신호로 제어부(70)에 전달한다.
카트리지 식별 신호가 OFF 신호로 수신되면, 제어부(70)는 저농도 연료 혼합액을 저장하고 있는 단일 카트리지(130)가 카트리지 장착부(60)에 장착된 것으로 판단한다. 제어부(70)는 단일 카트리지(130)에 저장된 저농도 연료 혼합액으로 혼합기(40)에 연료 혼합액을 보충하는 과정을 수행한다(S20).
단일 카트리지(130)에 저장된 저농도 연료 혼합액으로 혼합기(40)에 연료 혼합액을 보충하는 과정은 다음과 같이 수행될 수 있다.
제어부(70)는 혼합액 센서(43)로부터 혼합기(40)에 저장된 연료 혼합액의 농도 및 잔량의 측정 신호를 수신하고, 혼합기(40)에 저장된 연료 혼합액이 부족한지 여부를 판단한다. 혼합기(40)에 저장된 연료 혼합액이 부족한 경우, 제어부(70)는 제1 혼합액 조절 밸브(51)를 제어하여 혼합액 조절 펌프(50)와 인렛 커넥터(64)를 소통시키고, 제3 혼합액 조절 밸브(133)를 제어하여 혼합액 저장부(131)와 아웃렛 커넥터(134)를 소통시킨다. 제어부(70)는 혼합액 조절 펌프(50)를 구동시켜 단일 카트리지(130)의 혼합액 저장부(131)에 저장된 저농도 연료 혼합액을 혼합기(40)로 이동시킨다. 제어부(70)는 혼합액 센서(43)를 이용하여 혼합기(40)의 연료 혼합액의 잔량이 기준량에 도달하는지 여부를 모니터링한다. 제어부(70)는 혼합기(40)에 기준량의 연료 혼합액이 보충되면 혼합액 조절 펌프(50)의 구동을 중단시킨다.
혼합기(40)에 저장된 연료 혼합액이 부족하지 않은 경우, 단일 카트리지(130)에 저장된 저농도 연료 혼합액으로 혼합기(40)에 연료 혼합액을 보충하는 과정(S20)은 수행되지 않을 수 있다.
카트리지 식별 신호가 ON 신호로 수신되면, 제어부(70)는 복합 카트리지(120)가 카트리지 장착부(60)에 장착된 것으로 판단한다.
제어부(70)는 혼합액 센서(43)로부터 혼합기(40)에 저장된 연료 혼합액의 농도 및 잔량의 측정 신호를 수신하여 혼합기(40)에 저장된 연료 혼합액의 농도 및 잔량을 확인한다(S25). 혼합기(40)에는 응축기의 미반응 연료와 함께 수분이 공급될 수 있고, 이에 따라 혼합기(40)에 저장된 연료 혼합액의 농도는 점자 낮아질 수 있다. 제어부(70)는 혼합기(40)에 저장된 연료 혼합액의 농도가 기준 농도보다 낮은지 여부를 확인할 수 있다. 그리고 제어부(70)는 혼합기(40)에 저장된 연료 혼합액의 잔량이 기준량보다 적은지 많은지 여부를 확인할 수 있다.
제어부(70)는 혼합기(40)에 저장된 연료 혼합액이 부족한지 여부를 판단한다(S30). 즉, 제어부(70)는 혼합기(40)에 저장된 연료 혼합액이 기준량에 미달하는지 여부를 판단한다.
혼합기(40)에 저장된 연료 혼합액이 부족한 경우, 제어부(70)는 복합 카트리지(120)에 저장된 저농도 연료 혼합액 및 순수 연료로 혼합기(40)에 연료 혼합액을 보충하는 과정을 수행한다(S35).
복합 카트리지(120)에 저장된 저농도 연료 혼합액 및 순수 연료로 혼합기(40)에 연료 혼합액을 보충하는 과정은 다음과 같이 수행될 수 있다.
혼합기(40)에 저장된 연료 혼합액의 농도가 기준 농도보다 낮은 경우, 제어부(70)는 제1 혼합액 조절 밸브(51)를 제어하여 혼합액 조절 펌프(50)와 인렛 커넥터(64)를 소통시키고, 제2 혼합액 조절 밸브(123)를 제어하여 연료 저장부(122)와 아웃렛 커넥터(124)를 소통시킨다. 그리고 제어부(70)는 혼합액 조절 펌프(50)를 구동시켜 연료 저장부(122)에 저장된 순수 연료를 혼합기(40)로 이동시켜 혼합기(40)의 연료 혼합액의 농도가 기준 농도에 도달하도록 한다. 이때, 제어부(70)는 혼합액 센서(43)의 농도 측정 신호를 모니터링하여 혼합기(40)의 연료 혼합액의 농도가 기준 농도에 도달하는지 여부를 확인할 수 있다. 혼합기(40)에 저장된 연료 혼합액의 농도가 기준 농도보다 낮지 않은 경우, 순수 연료를 혼합기(40)로 이동시키는 과정은 수행되지 않는다.
혼합기(40)에 저장된 연료 혼합액의 농도가 기준 농도에 도달하면, 제어부(70)는 제2 혼합액 조절 밸브(123)를 제어하여 혼합액 저장부(121)와 아웃렛 커넥터(124)를 소통시킨다. 그리고 제어부(70)는 혼합액 조절 펌프(50)를 구동시켜 혼합액 저장부(121)에 저장된 저농도 연료 혼합액을 혼합기(40)로 이동시킨다. 제어부(70)는 혼합액 센서(43)의 잔량 측정 신호를 모니터링하여 혼합기(40)의 연료 혼합액의 잔량이 기준량에 도달하는지 여부를 확인하고, 혼합기(40)에 기준량의 연료 혼합액이 보충되면 혼합액 조절 펌프(50)의 구동을 중단시킨다.
혼합기(40)에 연료 혼합액을 보충하는 과정이 종료되면, 제어부(70)는 연료 전지 스택(10)을 정상 운전하여 전기 에너지를 생산한다(S50). 제어부(70)는 연료 전지 스택(10)을 정상 운전하면서 동시에 혼합기(40)에 연료 혼합액을 보충하는 과정을 수행할 수도 있다.
직접 메탄올 연료 전지 방식에 따라 연료 전지 스택(10)이 운전됨에 따라 연료 전지 스택(10)의 애노드 전극에서는 화학식 1과 같이 메탄올과 물의 반응에 의해 이산화탄소, 수소이온 및 전자가 생성된다.
Figure pat00001
연료 전지 스택(10)의 애노드 전극에서 생성된 수소이온은 전해질막을 통해 캐소드 전극으로 전달된다. 캐소드 전극에서는 화학식 2와 같이 수소이온, 외부 회로를 통해 전달된 전자 및 산소 간의 반응에 의해 물이 생성된다.
Figure pat00002
직접 메탄올 연료 전지 방식에 따른 연료 전지 스택(10)의 전체 반응은 화학식 3과 같이 메탄올과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소를 생성하는 반응이다.
Figure pat00003
화학식 3에서와 같이, 메탄올 1분자가 산소와 반응하여 2몰의 물을 생성한다.
연료 전지 스택(10)이 운전됨에 따라 생성된 물은 기액 분리기(20)를 통해 혼합기(40)로 보내어진다. 이에 따라, 혼합기(40)에 저장된 연료 혼합액의 농도가 낮아지고 연료 혼합액이 기준량보다 많아질 수 있다.
한편, 혼합기(40)에 저장된 연료 혼합액이 부족하지 않은 경우, 제어부(70)는 혼합기(40)의 연료 혼합액의 잔량이 과다한지 여부를 판단한다(S40). 즉, 제어부(70)는 혼합액 센서(43)로부터 혼합기(40)의 연료 혼합액의 잔량이 기준량보다 많아지는지 여부를 모니터링한다.
혼합기(40)의 연료 혼합액의 잔량이 과다한 경우, 제어부(70)는 혼합기(40)로부터 연료 혼합액을 회수하는 과정을 수행한다(S45).
혼합기(40)로부터 연료 혼합액을 회수하는 과정은 다음과 같이 수행될 수 있다.
제어부(70)는 제1 혼합액 조절 밸브(51)를 제어하여 혼합액 조절 펌프(50)와 인렛 커넥터(64)를 소통시킨다. 그리고 제어부(70)는 제2 혼합액 조절 밸브(123)를 제어하여 혼합액 저장부(121)와 아웃렛 커넥터(124)를 소통시킨다. 제어부(70)는 혼합액 조절 펌프(50)를 구동시켜 혼합기(40)에 저장된 연료 혼합액을 혼합액 저장부(121)로 이동시킨다. 제어부(70)는 혼합액 센서(43)의 잔량 측정 신호를 모니터링하여 혼합기(40)의 연료 혼합액의 잔량이 기준량에 도달하는지 여부를 확인할 수 있다. 제어부(70)는 혼합기(40)의 연료 혼합액의 잔량이 기준량에 도달하면 혼합액 조절 펌프(50)의 구동을 중단시킨다.
혼합기(40)로부터 연료 혼합액을 회수하는 과정에서도 혼합기(40)에 저장된 연료 혼합액의 농도를 기준 농도에 맞출 수 있다. 이는 혼합기(40)에 연료 혼합액을 보충하는 과정에서 혼합기(40)의 연료 혼합액의 농도를 기준 농도에 도달시키는 방식과 동일하게 수행될 수 있다.
혼합기(40)로부터 연료 혼합액을 회수하는 과정이 종료되면, 제어부(70)는 연료 전지 스택(10)을 정상 운전한다(S50). 제어부(70)는 연료 전지 스택(10)을 정상 운전하면서 동시에 혼합기(40)로부터 연료 혼합액을 회수하는 과정을 수행할 수도 있다.
제어부(70)는 연료 전지 스택(10)의 운전 중에 수시로 연료 전지 장치(110)의 운전이 정지되는지 여부를 판단한다(S55). 제어부(70)는 연료 전지 장치(110)에 전원이 OFF 되는지 여부를 수시로 확인하고, 연료 전지 장치(110)의 전원이 OFF 되지 않으면 카트리지 식별 신호가 ON 신호인지 여부를 판단하는 과정(S15)부터 재수행한다. 즉, 혼합기(40)에 연료 혼합액을 보충하는 과정(S35) 및 혼합기(40)로부터 연료 혼합액을 회수하는 과정(S45)은 연료 전지 스택(10)이 운전되는 동안 반복하여 수행될 수 있다.
연료 전지 장치(110)의 전원이 OFF 되면, 제어부(70)는 연료 전지 스택(10)의 운전을 정지시킨다(S60).
이와 같이, 복합 카트리지(120)를 이용하여 혼합기(40)에 연료 혼합액이 부족한 경우에 연료 혼합액을 보충하고, 혼합기(40)에 연료 혼합액이 과다한 경우에 연료 혼합액을 복합 카트리지(120)의 혼합액 저장부(121)로 회수하여 혼합기(40)에 기준량만큼의 연료 혼합액이 유지되도록 할 수 있다. 또한, 혼합기(40)에 연료 혼합액을 보충하는 과정 및 혼합기(40)로부터 연료 혼합액을 회수하는 과정에서 복합 카트리지(120)의 연료 저장부(122)에 저장된 순수 연료를 혼합기(40)에 공급하여 혼합기(40)에 저장된 연료 혼합액의 농도가 기준 농도로 유지되도록 할 수 있다.
저농도 연료 혼합액이 저장된 단일 카트리지(130)를 이용하는 경우에는 혼합기(40)에 단일 카트리지(130)에서 저농도 연료 혼합액으로 혼합기(40)에 연료 혼합액을 보충하는 과정을 수행할 수 있으나, 혼합기(40)에 연료 혼합액이 과다한 경우 연료 혼합액을 회수하는 과정을 수행할 수 없다. 따라서, 혼합기(40)에는 연료 혼합액이 과다하여 연료 혼합액의 넘침 현상이 발생할 수 있으며, 이를 방지하기 위해 연료 전지 장치(110)는 과도한 연료 혼합액을 배출시킬 수 있는 별도의 배출수단이나 저장수단을 구비하여야 한다.
그러나, 혼합액 저장부(121) 및 연료 저장부(122)를 포함하는 복합 카트리지(120)를 이용함으로써 연료 전지 장치(110)는 별도의 배출수단이나 저장수단을 구비할 필요가 없다.
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10 : 연료 전지 스택 60 : 카트리지 장착부
20 : 기액 분리기 61 : 식별 센서
30 : 응축기 62 : 식별 버튼
40 : 혼합기 70 : 제어부
41 : 연료 펌프 100 : 연료 전지 시스템
42 : 산화제 펌프 110 : 연료 전지 장치
43 : 혼합액 센서 120 : 복합 카트리지
50 : 혼합액 조절 펌프 130 : 단일 카트리지
51 : 제1 혼합액 조절 밸브

Claims (19)

  1. 복수의 단위 셀을 포함하는 연료 전지 스택;
    상기 연료 전지 스택에 공급되는 연료 혼합액을 저장하는 혼합기;
    상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액의 잔량을 측정하는 혼합액 센서;
    카트리지에 저장된 연료 혼합액을 상기 혼합기에 공급하고, 상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액을 상기 카트리지로 회수하는 혼합액 조절 펌프; 및
    상기 혼합액 센서로부터 상기 혼합기에 저장되어 있는 연료 혼합액의 잔량 측정 신호를 수신하고, 상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액의 잔량이 기준량에 미달하면 상기 혼합액 조절 펌프를 구동시켜 상기 카트리지에 저장된 연료를 상기 혼합기에 공급하고, 상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액의 잔량이 기준량을 초과하면 상기 혼합액 조절 펌프를 구동시켜 상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액을 상기 카트리지로 회수시키는 제어부를 포함하는 연료 전지 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택에서 배출되는 미반응 공기 및 미반응 연료를 액체와 기체로 분리하는 기액 분리기를 더 포함하는 연료 전지 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 기액 분리기에서 분리된 기체를 응축하여 미반응 연료를 회수하는 응축기를 더 포함하는 연료 전지 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 카트리지의 아웃렛 커넥터와 접속하는 인렛 커넥터; 및
    상기 카트리지의 종류를 식별하는 식별 센서;
    를 포함하는 카트리지 장착부를 더 포함하는 연료 전지 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 혼합액 조절 펌프, 상기 응축기 및 상기 인렛 커넥터에 연결되는 제1 혼합액 조절 밸브를 더 포함하는 연료 전지 장치.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 식별 센서는 식별 버튼을 포함하고, 상기 카트리지 장착부에 카트리지가 장착될 때 상기 식별 버튼이 눌러지는지 여부로 장착되는 카트리지의 종류를 식별하는 연료 전지 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 카트리지 장착부에는 저농도 연료 혼합액과 순수 연료를 저장하는 복합 카트리지 및 저농도 연료 혼합액을 저장하는 단일 카트리지 중 어느 하나가 장착되는 연료 전지 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 복합 카트리지 및 상기 단일 카트리지 중 어느 하나는 상기 식별 버튼이 삽입되는 버튼 홈을 구비하는 연료 전지 장치.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 복합 카트리지는
    저농도 연료 혼합액이 저장되는 혼합액 저장부;
    순수 연료가 저장되는 연료 저장부;
    상기 인렛 커넥터에 접속되는 아웃렛 커넥터; 및
    상기 혼합액 저장부와 상기 연료 저장부 중 어느 하나를 상기 아웃렛 커넥터와 소통시키는 제2 혼합액 조절 밸브를 포함하는 연료 전지 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 혼합기에 연료를 공급할 때 상기 제2 혼합액 조절 밸브를 제어하여 상기 혼합액 저장부와 상기 아웃렛 커넥터를 소통시키는 연료 전지 장치.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 혼합기로부터 연료 혼합액을 회수할 때 상기 제2 혼합액 조절 밸브를 제어하여 상기 혼합액 저장부와 상기 아웃렛 커넥터를 소통시키는 연료 전지 장치.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 혼합액 센서는 상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액의 농도를 측정하여 상기 제어부에 농도 측정 정보를 전달하고,
    상기 제어부는 상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액의 농도가 기준 농도보다 낮으면 상기 제2 혼합액 조절 밸브를 제어하여 상기 연료 저장부와 상기 아웃렛 커넥터를 소통시키는 연료 전지 장치.
  13. 저농도 연료 혼합액이 저장되는 혼합액 저장부;
    순수 연료가 저장되는 연료 저장부;
    연료 전지 장치의 카트리지 장착부에 접속되는 커넥터; 및
    상기 혼합액 저장부와 상기 연료 저장부 중 어느 하나를 상기 커넥터와 소통시키는 조절 밸브를 포함하는 복합 카트리지.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 연료 전지 장치에 장착되면, 상기 조절 밸브는 상기 연료 전지 장치와 전기적으로 연결되어 상기 연료 전지 장치의 제어에 따라 상기 혼합액 저장부와 상기 연료 저장부 중 어느 하나를 상기 커넥터와 소통시키는 3방 밸브인 복합 카트리지.
  15. 제13 항에 있어서,
    카트리지의 종류를 식별하기 위해 상기 연료 전지 장치의 카트리지 장착부에 마련되는 식별 버튼이 삽입되는 버튼 홈을 더 포함하는 복합 카트리지.
  16. 저농도 연료 혼합액을 저장하고 있는 혼합액 저장부 및 순수 연료를 저장하고 있는 연료 저장부를 포함하는 복합 카트리지를 이용하는 연료 전지 장치의 구동 방법에 있어서,
    혼합기에 저장된 연료 혼합액의 잔량을 확인하는 단계;
    상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액이 기준량에 미달하는지 여부를 판단하는 단계;
    상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액이 기준량에 미달하면 상기 혼합액 저장부로부터 상기 혼합기로 저농도 연료 혼합액을 이동시켜 상기 혼합기의 연료 혼합액을 보충하는 단계;
    상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액이 기준량을 초과하는지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액이 기준량을 초과하면 상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액을 상기 혼합액 저장부로 이동시켜 상기 혼합기의 연료 혼합액을 회수하는 단계를 포함하는 연료 전지 장치의 구동 방법.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액의 잔량을 확인하는 단계는,
    상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액의 농도를 확인하는 단계를 포함하는 연료 전지 장치의 구동 방법.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 혼합기에 연료 혼합액을 보충하는 단계는,
    상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액의 농도가 기준 농도보다 낮으면, 상기 연료 저장부로부터 상기 혼합기로 순수 연료를 이동시켜 상기 혼합기에 저장된 연료 혼합액의 농도를 기준 농도에 도달시키는 단계를 포함하는 연료 전지 장치의 구동 방법.
  19. 제16 항에 있어서,
    상기 혼합기의 연료 혼합액을 보충하는 단계 및 상기 혼합기의 연료 혼합액을 회수하는 단계는 상기 연료 전지 장치에 포함된 연료 전지 스택이 운전되는 동안 반복하여 수행되는 연료 전지 장치의 구동 방법.
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