KR20140072805A - 농도 센서를 사용하지 않는 온도 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료 농도 및 온도 동시 제어 방법 및 제어 장치, 이를 이용한 액체형 연료전지 장치 - Google Patents

농도 센서를 사용하지 않는 온도 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료 농도 및 온도 동시 제어 방법 및 제어 장치, 이를 이용한 액체형 연료전지 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20140072805A
KR20140072805A KR1020130146674A KR20130146674A KR20140072805A KR 20140072805 A KR20140072805 A KR 20140072805A KR 1020130146674 A KR1020130146674 A KR 1020130146674A KR 20130146674 A KR20130146674 A KR 20130146674A KR 20140072805 A KR20140072805 A KR 20140072805A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel
fuel cell
temperature
cell stack
stack
Prior art date
Application number
KR1020130146674A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101635728B1 (ko
Inventor
안명기
김운조
하흥용
Original Assignee
한국과학기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술연구원 filed Critical 한국과학기술연구원
Priority to US14/093,614 priority Critical patent/US10079395B2/en
Publication of KR20140072805A publication Critical patent/KR20140072805A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101635728B1 publication Critical patent/KR101635728B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

연료전지 스택의 온도를 목표치에 맞게 유지할 수 있도록 연료의 농도와 열교환기의 열 제거 속도를 동시에 조절하여 연료의 농도를 목표치대로 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 외부 온도변화나 연료전지 성능변화에 대해서도 적절히 대응하므로써, 연료전지 운전의 안정성과 시스템의 효율을 동시에 높이면서도 기존의 무센서 농도 제어기보다 빠르고 정확하게 액체연료의 농도를 제어할 수 있다.

Description

농도 센서를 사용하지 않는 온도 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료 농도 및 온도 동시 제어 방법 및 제어 장치, 이를 이용한 액체형 연료전지 장치{Method and apparatus for simultaneous controlling of fuel concentration and temperature of liquid fuel cell by sensor-less and temperature-control based feed-back control, liquid fuel cell apparatus using the same}
본 명세서는 농도 센서를 사용함이 없이 온도 제어 기반의 피드백 제어 방식을 통하여 액체형 연료전지에 공급되는 연료 농도와 연료전지의 온도를 함께 제어할 수 있는 제어 시스템과 그 제어 방법, 이를 이용한 연료전지 장치를 개시한다.
연료전지는 에너지를 저장하는 기존 2차 전지와 달리 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 발생시키는 발전시스템이다.
연료전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 고체 산화물 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 용융탄산염 연료전지, 알칼리 연료전지 등으로 분류되며, 종류에 따라 작동온도, 출력규모 및 이용분야에서 차이를 보이고 있다.
그 가운데, 고분자 전해질형 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, 이하 PEMFC)에는 연료로 수소 대신 액체형 연료를 사용하는 액체형 연료전지가 있다.
액체형 연료전지는 메탄올, 에탄올, 포름산, 이소프로판올, 프로판올, 에틸렌글리콜. 디메틸에테르, 부탄올의 단독 또는 2 개 이상의 혼합연료를 사용하고, 이 혼합 연료를 전기화학적으로 산소와 반응시켜서 반응물의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 장치로서, 연료의 에너지 밀도가 높고, 충전 시간이 필요하지 않아서 미래의 소형 이동용 전원으로 적합하다.
아래 반응식 1 내지 3은 각각 액체형 연료전지 중에서 메탄올을 연료로 사용하는 직접메탄올연료전지의 애노드(anode) 반응식, 캐소드(cathode) 반응식, 및 전체 반응식을 나타낸 것이다.
[반응식1]
CH3OH + H2O → CO2 + 6H++ 6e-, E0=0.043V
[반응식 2]
3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O, E0=1.229V
[반응식 3]
CH3OH + 3/2O2 → CO2 + 2H2O, E0=1.186V
상기 반응식과 같이, 직접메탄올연료전지의 경우 전해질을 사이에 두고 양 전극에서 각각 메탄올 산화반응과 산소의 환원반응이 일어나며, 반응 결과 생성되는 수소 이온이 전해질막을 통해 애노드에서 캐소드 측으로 이동하고, 전자는 외부 전기회로를 통해 캐소드로 이동한다.
이러한 직접메탄올연료전지를 포함한 액체형 연료전지에 있어서 연료전지에 최적화된 연료의 농도를 일정하게 공급하고, 연료전지 스택에서 배출되는 미반응연료를 재사용하는 것은 연료전지 성능 및 연료전지의 에너지 효율에 큰 영향을 준다.
즉, 상기 액체형 연료전지에서는 사용되는 액체형 연료가 고농도로 공급될 경우 전해질 막을 관통하여 애노드에서 캐소드로 이동하는 크로스오버 현상이 발생하고, 이러한 연료의 크로스오버는 연료전지의 성능 저하, 연료의 사용효율 감소 등 다양한 문제를 야기하게 된다.
상기 크로스오버 현상은 연료의 농도에 비례하는데, 연료의 농도가 연료전지의 최적 연료 농도보다 높은 경우에는 전해질막을 통해 애노드측에서 캐소드측으로 크로스오버되는 연료량이 증가하여 결국 성능을 감소시킨다. 반대로, 직접 메탄올 연료전지에서 스택의 애노드 측에 저농도의 연료가 공급되면, 애노드 측에서 연료 부족 현상이 발생하여 전압이 감소하고 성능이 낮아진다.
한편, 액체형 연료전지 장치 내부에서 연료를 희석된 용액 형태로 저장 및 사용하거나, 또는 한번 사용한 용액을 미반응 연료가 포함되어 있는 상태에서 외부로 배출하여 버리는 경우, 연료전지 장치의 에너지 효율은 매우 낮아지고, 휴대용 고밀도 전원장치로서의 장점을 상실하게 될 수 있다.
따라서, 낮은 농도의 연료를 공급하면서도 연료전지 장치의 에너지 밀도를 높이기 위해서는 연료를 재순환하여 사용해야 한다. 또한, 재순환되는 연료의 농도를 일정하게 유지하기 위해서는 고농도의 연료원액을 보충해주어야 한다.
참고로, 연료가 포함된 반응 용액 즉, 희석연료를 연료전지 스택에 공급하게 되면, 연료전지 스택에서는 반응에 의해 연료가 소비되고, 미반응된 연료가 포함된 연료 용액이 스택의 외부로 배출될 수 있다. 여기서 상기 배출된 연료용액 내의 연료농도는 목표농도보다 낮아지게 된다. 따라서, 스택에서 배출된 미반응 연료용액 중의 연료의 농도를 원하는 수준 즉, 목표농도로 유지하려면 고농도의 연료원액을 상기 스택에서 배출된 미반응연료에 추가하여 농도를 조절해주어야 한다. 즉, 연료원액을 보충하여 희석연료의 농도를 일정하게 유지시켜주어야 한다. 이를 위해 연료전지 시스템에서는 연료순환계 내에 일정부피의 연료혼합기를 설치하고, 연료전지 스택에서 배출된 미반응 연료용액을 상기 연료혼합기에 유입시킨다. 또한, 상기 연료혼합기에는 고농도의 연료원액을 주입하여 순환된 미반응용액과 섞어주어 목표농도로 적정된 희석연료를 만들고, 상기 농도 적정된 희석연료를 다시 연료전지 스택으로 공급하게 된다.
이와 관련하여, 기존에 사용되고 있는 대표적인 연료농도 제어 방법으로는 농도 센서(예컨대 메탄올 농도 센서)를 사용하는 제어 방법이 있다. 상기 제어 방법에서는 농도 센서를 사용하여 연료전지 순환 계통 내의 연료 농도를 측정하고, 농도 변화를 관찰하면서 연료의 농도를 일정하게 유지시키는 데 필요한 연료원액의 주입량을 계산하여 연료전지에 공급함으로써, 스택에 공급되는 연료의 농도를 제어한다.
도 1은 종래의 기술에 따른 농도 센서를 포함하는 연료전지 장치를 나타내는 개략도이다.
도1에 도시된 바와 같이, 농도 센서를 사용하는 연료전지 시스템은 연료혼합기(1)로부터 연료 순환 펌프(2)를 통하여 연료전지 스택(3)의 애노드로 희석연료가 공급된다.
또한, 상기 연료전지 스택(3)에는 공기 공급 블로워(4)로부터 연료전지 스택의 캐소드로 공기가 공급된다. 상기 연료혼합기(1)는 연료원액통(5)으로부터 연료원액 공급 펌프(6)를 통하여 연료원액을 공급받는다.
연료원액 공급 펌프(6)는 농도제어기(9)와 연결되어 있으며, 연료원액 공급 펌프의 농도제어기(9)에서 생성되는 신호에 따라 연료원액 공급 펌프(6)가 구동된다. 또한, 상기 연료혼합기(1)에는 연료 농도 감지 센서(17)가 연결되어 있으며, 농도센서로 연료를 공급해주는 센서펌프(16)에 의해 연료혼합기(1)에 있는 희석연료가 농도센서(17)에 공급되어 희석연료의 농도를 측정한다.
그러나, 상기와 같은 농도 제어방법은 연료전지로 공급되는 연료의 농도를 측정할 수 있는 농도 센서를 부착해야 하며, 농도 센서에서 연료의 농도를 측정할 수 있도록 연료 순환계통 내부에 별도의 시료 이송용 배관과 펌프가 필요하다.
이로 인해 상기의 농도제어방법은 연료전지 시스템이 복잡해져서 소형화가 어려우며, 농도 센서와 해당 펌프에 사용되는 전력 소비량이 증가하여 연료전지 시스템의 에너지 효율이 감소하는 단점이 있다. 더욱이, 현재 시판되고 있는 농도 센서들은 가격이 비싸고, 측정 오차가 크며, 수명이 짧아서, 이를 연료전지 시스템에 적용할 경우 연료전지 시스템의 제작 단가가 상승하고, 안정성이 떨어져 휴대용 전원 장치로서의 가격 및 품질 경쟁력을 유지하기가 어렵다는 문제가 있다.
이와 같은 문제를 해결하고자 전기화학적 반응을 이용한 농도 센서를 개발하기 위한 연구들이 진행되어 왔다.
예를 들어, 전기화학적 반응을 이용한 농도 센서는 기존의 농도 센서보다 낮은 가격으로 제작이 가능하다는 장점이 있다. 하지만 시간이 지남에 따라 센서 내부의 촉매가 활성을 잃으면서 측정의 재현성이 낮아지는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하고자 농도 센서를 사용하지 않는 농도 제어 방법의 개발이 이루어지고 있다. 예컨대 연료전지에서 소비되는 연료의 양만큼 추가로 연료원액을 공급하여 연료전지에 주입되는 연료의 농도를 일정하게 유지하도록 하는 방법이 발명된바 있다(특허문헌 1).
그러나, 본 발명자들의 연구에 따르면, 이러한 방법은 피드백 기능과 액체형 연료전지의 초기구동을 위한 농도 제어 방법이 겸비되어 있지 않아 목표농도로 상승하기 위한 시간이 오래 걸린다. 또한, 연료 응답 특성이 느리고, 외부의 환경 변화에 대한 대처능력을 가지고 있지 못한 단점들이 있다.
또 다른 방법으로서, 일정한 주기 동안에 액체 연료의 특정 양을 주입하여 이에 따른 연료전지 스택의 출력파워, 출력전압 또는 스택 온도 값의 변화를 관찰하고, 이들의 변화 차이를 기존에 측정된 기준값들과 비교하여 액체 연료의 농도를 제어하는 방법이 개발되었다(비특허문헌 1 내지 5, 특허문헌 2).
그러나, 본 발명자들의 연구에 따르면, 이 방식은 일정한 주기를 관찰해야 하는 지연시간이 존재하여 응답특성이 느리고, 정확한 농도제어가 이루어지지 않으며, 장기 운전으로 연료전지의 성능이 저하되면 농도제어 오차가 커지는 단점이 있다. 이러한 발명들은 연료전지 스택의 출력 전류와 온도가 목표치에 도달하여 일정하게 유지되는 정상상태(steady state) 조건에서 실행할 수 있는 방법들이다.
한편, 연료전지의 출력전류를 동적으로 변화시켜 연료의 농도를 제어하는 방법들도 개발이 이루어지고 있다.
이러한 방법들 중의 하나로 연료전지 출력 전류밀도의 값을 임의적으로 변화시켜 이에 따른 연료전지 출력 전압의 변화 양상을 관찰함으로써 액체 연료의 농도를 예측하는 방법이 제시되었다(비특허문헌 6, 특허문헌 3).
그러나, 본 발명자들의 연구에 따르면, 이러한 방법 역시 농도 제어와 연료전지의 정상상태운전에 있어서 상대적으로 많은 시간이 걸리는 단점이 있으며, 연료전지 스택의 온도, 출력 전압 그리고 연료의 농도에 지속적인 변동이 발생하게 된다. 또한, 연료전지의 성능 저하 시 농도제어 오차가 커지는 등의 단점이 있다.
한편, 상기의 발명들은 액체형 연료전지의 정상상태 운전조건에서 연료의 농도를 센서를 사용하지 않고 제어하는 방법들에 대한 것인데, 액체형 연료전지의 초기 구동 시에 연료의 농도를 제어하는 방법 및 출력전류밀도를 제어하는 방법에 대해서는 개발이 이루어지고 있지 않다.
액체형 연료전지 시스템의 경우 초기 구동에 있어서 연료의 농도가 상황에 따라 큰 변화폭을 가지며 제어되고, 연료전지의 운전조건이 기설정된 목표치에 도달하여 정상상태로 운전되는 데 필요한 초기 구동시간이 긴 단점이 있다.
이러한 단점을 해결하기 위해 초기 구동 구간에서 농도센서와 외기온도의 정보를 참고하여 연료공급량을 결정하고, 결정된 연료공급량을 제어하여 스택 온도를 목표온도로 상승시키는 방법이 발명되었다(특허문헌 4).
외기온도가 낮으면 원액연료의 공급속도가 높은 값으로 설정되고, 외기온도가 높으면 원액연료의 공급속도는 낮은 값으로 설정된다. 설정된 원액연료의 공급속도는 스택의 온도가 설정된 목표온도 이상으로 상승되도록 제어가 이루어진다.
하지만, 본 발명자들의 연구에 따르면, 이 방법은 초기 구동 시 연료의 농도만을 제어하는 방법에 관한 것으로서, 초기 구동 시 출력전류밀도를 제어하는 방법은 제시하고 있지 않다. 또한, 농도센서를 사용하기 때문에 센서를 사용하지 않는 농도제어 방법과는 근본적인 차이가 있으며, 운전 중에 발생할 수 있는 외기온도의 변화 또한 고려하고 있지 않다.
운전 중에 외기온도가 증가할 경우 물 저장고의 물이 고갈되는 물 부족 현상이 발생할 수 있으며, 반대로 외기온도가 감소될 경우에는 스택의 열 손실이 증가되어 연료 및 시스템의 효율이 감소될 수 있다.
한국 특허출원공개공보 제10-2009-0022521호 미국특허공보 제7910256호 미국특허출원공개공보 제2009/0110968호 미국특허공보 제7816045호
C. L. Chang, C. Y. Chen, C. C. Sung, D. H. Liou, Fuel sensor-less control of a liquid feed fuel cell system under steady load for portable applications, Journal of Power Sources, 164 (2007), 606-613 C.L. Chang, C. Y. Chen, C. C. sung, D.H. Liou, Fuel sensor-less control of a liquid feed fuel cell under dynamic loading conditions for portable power sources (I), Journal of Power Sources 182 (2008) 133-140 C.L. Chang, C.Y. Chen, C.C. Sung, D.H. Liou, C.Y. Chang, H.C. Cha, Fuel sensor-less control of a liquid feed fuel cell under dynamic loading conditions for portable power sources (II), Journal of Power Sources 195 (2010) 1427-1434 C.Y. Chen, D.H. Liu, C.L. Huang, C.L. Chang, Portable DMFC system with methanol sensor-less control, Journal of Power Sources 167 (2007) 442-449 C. Y. Chen, C. L. Chang, C. C. Sung, Operation Characteristic Analysis of a Direct Methanol Fuel Cell System Using the Methanol Sensor-less Control Method, Fuel Cells, Volume 12, Issue 5 (2012) 883-891 Kuang-Yow Lian, Chih-Min Yang, Sensor-less adaptive fuel concentration control for direct methanol fuel cells under varying load, Journal of Power Sources, 231 (2013) 239-245
본 발명은 일 측면에서, 기본적으로 농도 센서를 사용하지 않기 때문에 연료전지 장치가 단순, 소형화되어 장치 작동에 소모되는 전력을 절약하고, 장치 자체의 가격을 낮출 수 있는, 농도 센서를 사용하지 않는 피드백 제어 방식의 액체형 연료전지의 연료농도 제어방법 및 제어장치, 이를 이용한 액체형 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 다른 측면에서, 연료의 농도와 열교환기 제어에 있어서 피드백 제어기를 사용하여 열교환기의 열제거 속도와 희석연료의 농도를 동시에 조절하여, 연료전지의 성능 저하나 외부 환경에 의한 운전조건의 변화나 전기부하가 변화하는 동적 상태에서도 연료전지 스택의 온도와 스택에 공급되는 희석연료의 농도를 원하는 수준으로 일정하게 유지할 수 있으며, 농도 제어의 오차범위가 크지 않은, 농도 센서를 사용하지 않는 피드백 제어 방식의 액체형 연료전지의 연료농도 제어방법 및 제어장치, 이를 이용한 액체형 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 또 다른 측면에서, 기존의 무 센서 농도 제어 방법 예컨대 on/off 방식의 기존의 무센서 농도 제어 방법과 대비하여 오차가 적고, 보다 안정감 있으며, 응답특성이 뛰어나고 스택의 온도 제어가 용이하며, 수명이 긴, 농도 센서를 사용하지 않는 피드백 제어 방식의 액체형 연료전지의 연료농도 제어방법 및 제어장치, 이를 이용한 액체형 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 또 다른 측면에서, 연료전지 시스템에서 소비되는 연료의 양과 스택의 온도를 기준으로 하여, 스택에 공급되는 연료의 농도와 연료순환계에서 순환하는 혼합용액의 온도(열교환기의 열 제거 속도를 피드백 제어기로 조절함으로써 해당 혼합 용액의 온도를 조절)를 동시에 제어함으로써, 연료전지에 주입되는 연료의 농도와 스택의 온도를 일정하게 유지하면서 연료전지 시스템의 효율을 극대화할 수 있는, 농도 센서를 사용하지 않는 피드백 제어 방식의 액체형 연료전지의 연료농도 제어방법 및 제어장치, 이를 이용한 액체형 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 또 다른 측면에서, 열교환기의 열 제거속도를 스택의 현재온도와 목표온도를 비교하여 피드백 방식으로 제어하여, 연료순환계에서 순환하는 혼합용액의 온도를 제어하여, 외기온도의 변화에 의해 발생할 수 있는 스택의 열 손실과 연료 순환계에 순환하는 물의 손실을 최소화할 수 있는, 농도 센서를 사용하지 않는 피드백 제어 방식의 액체형 연료전지의 연료농도 제어방법 및 제어장치, 이를 이용한 액체형 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 또 다른 측면에서, 연료전지 시스템의 출력전류를 제어하는 초기구동에 있어서, 스택의 전압 변화율을 참고하여 출력전류를 안정적으로 빠르게 증가시킬 수 있는, 농도 센서를 사용하지 않는 피드백 제어 방식의 액체형 연료전지의 연료농도 제어방법 및 제어장치, 이를 이용한 액체형 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 구현예들에서는, 액체형 연료전지의 운전 조건에 따른 연료 소비량 또는 연료 소비속도를 측정하여 데이터베이스를 얻고, 상기 데이터베이스를 바탕으로 운전 조건에 따른 연료 소비식을 작성하는 단계(S1); 상기 S1 단계에서 결정된 연료 소비식에 근거하여 주어진 운전조건에서 연료 소비량 또는 소비속도를 결정하고, 결정된 연료 소비량 또는 소비속도에 해당하는 연료원액 공급 유량 또는 유속을 결정하는 단계(S2); 연료전지 스택의 목표 온도(Tf)를 설정하고, 목표 조건 제어모드 또는 현재 조건 제어모드 중의 하나를 선택하고, 이에 따라 결정되는 연료원액 공급 유량 또는 유속으로 연료원액을 연료혼합기에 공급하고, 상기 연료혼합기에서 만들어진 희석연료를 연료전지 스택에 공급하므로써 연료전지 운전을 시작하는 단계(S3); 연료전지 스택의 온도(T)가 목표 온도(Tf) 전 소정의 중간 온도(Ti)에 도달하면, 목표 조건 제어모드로 운전 조건 모드를 고정하고 이에 따라 연료원액을 공급하여 연료전지를 운전하고, 연료전지 스택의 온도(T)와 목표 온도(Tf)를 비교하여 열교환기의 열 제거 정도를 피드백 제어하여 연료전지 스택의 온도(T)가 목표 온도(Tf)로부터 설정된 오차 범위 내에서 유지되는 정상 상태가 되도록 하는 단계(S4); 및 열교환기가 최대 또는 최소로 가동되는 상태에서도 연료전지 스택의 온도(T)가 목표 온도(Tf)와 대비하여 설정된 오차 범위 밖으로 벗어나는 비정상 상태가 되면, 목표 조건 제어모드에 따라 고정되었던 상기 연료원액 공급 유량 또는 유속을 연료전지 스택의 온도(T)와 목표 온도(Tf)를 비교하여 피드백 제어함으로써 증가 또는 감소시켜, 연료전지 스택의 온도(T)를 목표 온도(Tf)로부터 설정된 오차범위 내의 정상 상태로 다시 들어가도록 제어하는 단계(S5);를 포함하는, 농도 센서를 사용하지 않는 온도 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료 농도 및 스택 온도 동시 제어방법을 제공한다.
예시적인 구현예에서, 상기 S1 단계에서, 연료 소비속도는 상기 연료전지에서 전류 발생 시 필요한 연료 소비속도 및 연료전지 운전 시 연료의 불가피한 손실 속도의 합으로 결정될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 전류 발생 시 필요한 연료 소비속도는 연료전지 구동에 따른 전류 측정값과 패러데이 상수를 이용하여 결정할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 연료전지 운전 시 연료의 불가피한 손실속도는 연료전지의 애노드에서 전해질막을 거쳐 캐소드로 연료가 투과하는 연료의 크로스오버와 연료가 통과하는 기액 분리기 또는 연료혼합기에서의 증발에 의한 연료 손실의 합으로 결정할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 S3 단계에서, 연료전지 스택의 온도(T)가 중간 온도(Ti) 보다 작으면, 열교환기의 출력량을 0으로 설정하고, 상기 S4 단계에서, 연료전지 스택의 온도(T)가 중간 온도(Ti) 보다 같거나 커지면 열교환기의 열교환을 수행하도록 할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 S4 단계에서 상기 중간온도(Ti)는 목표 온도(Tf)보다 5 내지 30℃ 낮다.
예시적인 구현예에서, 상기 방법은 연료전지 구동 시, 연료전지 스택의 출력 전압 및 연료전지 스택의 온도 중 하나 이상을 기준으로 연료전지의 운전의 중지 여부를 결정하는 단계를 더 포함하되, 출력 전압(V)이 최소 출력 전압(Vmin) 보다 작아지거나, 연료전지 스택의 온도가 상한 온도를 초과하면 연료전지 운전을 중지하도록 할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 방법은 연료전지 초기 구동 시, 연료전지의 출력 전압이 0.1 내지 0.2V 미만으로 떨어지거나, 연료전지 스택의 온도가 상한 온도인 80내지 100℃를 초과하면 연료전지의 운전을 중지하도록 할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 S3 단계 및 S4 단계에서 상기 피드백 제어는 각각 독립적으로 P, PI, 또는 PID 방식 중의 어느 하나를 단독으로 또는 교대로 사용할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 방법은 연료전지의 초기 구동 시, 출력 전류의 조절을 연료 농도의 제어와 별개로 실시하거나 동시에 실시하고, 출력 전류의 조절 시, 출력전류밀도를 단계적으로 증가시키되, 출력전류밀도(I)가 최종 출력전류밀도(Ist)보다 낮은 구간에서는 출력전류밀도의 단계적 증가분(△I)을 10 내지 100 mA/cm2로 하여 경과 시간(t)이 일정 대기 시간(th)에 도달하면 상기 단계적 증가분(△I)만큼 증가시키되, 각 증가 단계에서 전류를 일정하게 유지한 상태에서 전압의 변화율(dV/dt)이 제1전압변화율(P1)에 도달하면 해당 전압 변화율(dV/dt)이 제2전압변화율(P2)에 도달하기 전까지 대기하고, 제2전압변화율(P2)에 도달하면 상기 대기시간(th)에 도달하지 않은 시점에서도 상기 단계적 증가분(△I)만큼 전류를 증가시켜 다음 단계로 넘어가도록 하며, 상기 과정을 반복하여 목표한 최종 출력 전류값에 도달하도록 출력전류를 제어하도록 할 수 있다.
한편, 본 발명의 구현예들에서는 또한, 농도 센서를 사용하지 않는 온도 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의해 액체형 연료전지의 연료 농도 및 온도를 동시에 제어하는 장치로서, 상기 장치는 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는, 운전 조건에 따라 결정된 액체형 연료전지의 연료 소비량 또는 소비 속도 데이터 베이스로부터 주어진 운전조건에서 연료 소비량 또는 소비속도를 결정하고, 해당 연료 소비량 또는 소비속도에 해당하는 연료원액 공급 유량 또는 유속을 결정하는 단계; 목표 조건 제어모드 또는 현재 조건 제어모드 중의 하나를 선택하고 이에 따라 결정되는 유량 또는 유속으로 연료원액을 공급하여 연료전지의 운전을 시작하도록 하는 단계; 연료전지 스택의 온도가 목표 온도(Tf) 전 소정의 중간 온도(Ti)에 도달하면, 목표 조건 제어모드로 운전 조건 모드를 고정하여 연료원액을 공급하도록 제어하고, 연료전지 스택의 현재 온도(T)와 목표 온도(Tf)를 비교하여 열교환기의 열 제거 정도를 피드백 제어하여 연료전지 스택의 온도(T)가 목표 온도(Tf)로부터 설정된 오차 범위 내에서 유지되는 정상상태가 되도록 제어 하는 단계; 및 열교환기가 최대 또는 최소로 가동되는 상태에서도 연료전지 스택의 온도(T)가 목표 온도(Tf)와 대비하여 설정된 오차 범위 밖으로 벗어나는 비정상 상태가 되면, 목표 조건 제어모드에 따라 고정되었던 상기 연료원액 공급 유량 또는 유속을 연료전지 스택의 온도(T)와 목표 온도(Tf)를 비교하여 피드백 제어함으로써 증가 또는 감소시켜, 연료전지 스택의 온도(T)를 목표 온도(Tf)로부터 설정된 오차범위 내의 정상 상태로 다시 들어가도록 제어하는 단계;를 포함하는 과정을 수행하도록 프로그램된, 농도 센서를 사용하지 않는 온도 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의해 액체형 연료전지의 연료 농도 및 온도를 동시에 제어하는 장치를 제공한다.
예시적인 구현예에서, 상기 프로세서는, 운전 조건에 따라 결정되는 액체형 연료전지의 연료 소비량 또는 소비 속도가 데이터 베이스화되어 있는 데이터 저장부; 상기 저장부로부터 연료 소비 속도에 관한 데이터베이스를 호출하고, 상기 호출된 데이터베이스를 기반으로 연료 소비량 또는 소비 속도를 계산하여 이에 따라 결정되는 연료원액 공급량 또는 공급 속도에 관한 신호를 연료원액 공급 수단으로 송출하는 제 1 처리부; 및 연료전지 스택의 온도 측정 장치로부터 연료전지 스택 온도(T)에 관한 정보를 수신하고, 연료전지 스택의 온도(T)를 목표 온도(Tf) 값과 비교하여 오차 값을 계산하고, 상기 오차 값에 기초하여 P, PI 또는 PID의 방식으로 제어 출력량을 계산하고, 해당 제어 출력량을 연료원액 공급 수단 및 열교환기 열 제거 정도 제어 수단 중 선택되는 하나 이상으로 송출하는 제 2 처리부를 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 제 2 처리부는, 연료전지 스택의 온도 측정 장치로부터 연료전지 스택의 온도(T)에 관한 정보를 수신하고, 연료전지 스택의 온도(T)를 목표 온도(Tf) 값과 비교하여 오차 값을 계산하고, 상기 오차 값에 기초하여 P, PI 또는 PID의 방식으로 제어 출력량을 계산하고, 해당 제어 출력량을 연료원액 공급 수단으로 송출하는 제 2-1 처리부; 및 연료전지 스택의 온도 측정 장치로부터 연료전지 스택의 온도(T)에 관한 정보를 수신하고, 연료전지 스택의 온도(T)를 목표 온도(Tf) 값과 비교하여 오차 값을 계산하고, 상기 오차 값에 기초하여 P, PI 또는 PID의 방식으로 제어 출력량을 계산하고, 해당 제어 출력량을 열 교환기의 열 제거 정도 제어 수단으로 송출하는 제 2-2 처리부를 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 프로세서는, 연료전지 구동 시, 연료전지 스택의 출력 전압 및 연료전지 스택의 온도 중 하나 이상을 기준으로 연료전지의 운전의 중지 여부를 결정하는 단계를 더 수행하고, 출력 전압(V)이 최소 출력 전압(Vmin) 보다 작아지거나, 연료전지 스택의 온도가 상한 온도를 초과하면 연료전지 운전을 중지하도록 할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 프로세서는, 연료전지 초기 구동 시 출력 전류를 추가적으로 제어하는 것으로서, 연료전지의 초기 구동 시 출력전류밀도를 단계적으로 증가시키되, 출력전류밀도(I)가 최종 출력전류밀도(Ist)보다 낮은 구간에서는 출력 전류밀도의 단계적 증가분(△I)을 10 내지 100 mA/cm2로 하여 경과 시간(t)이 일정 대기 시간(th)에 도달하면 상기 단계적 증가분(△I)만큼 증가시키고, 각 증가 단계에서 전류를 일정하게 유지한 상태에서 전압의 변화율(dV/dt)이 제1전압변화율(P1)에 도달하면 해당 전압 변화율(dV/dt)이 제2전압변화율(P2)에 도달하기 전까지 대기하고, 제2전압변화율(P2)에 도달하면 상기 대기시간(th)에 도달하지 않은 시점에서도 상기 단계적 증가분(△I)만큼 전류를 증가시켜 다음 단계로 넘어가며, 상기 과정을 반복하여 목표한 최종 출력 전류값에 도달하도록 출력전류를 제어하는 것일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 데이터 저장부는 액체형 연료전지의 출력 전류, 출력 전압, 연료전지 스택의 온도 및 압력 중에서 선택되는 하나 이상을 측정하는 측정 장치에 연결되어, 해당 측정 장치로부터 측정 값에 대한 정보를 수신하고 이에 따라 연료 소비량 또는 소비 속도를 데이터 베이스화하는 것일 수 있다.
본 발명의 구현예들에서는 또한, 액체형 연료전지 장치에 있어서, 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택에 연결된 열교환부; 상기 연료전지 스택에 희석 연료를 제공하는 연료 공급부; 상기 연료 전지 스택의 온도 측정 장치; 상기 연료 전지 스택의 출력 전압 및 전류 중 하나 이상을 측정하는 출력 측정 장치; 상기 제어 장치를 포함하고, 상기 열교환부는 연료전지 스택에 연결된 열교환기 및 상기 열교환기의 열 제거 정도를 제어하는 열 제거 정도 제어 수단을 포함하고, 상기 연료 공급부는 연료전지 스택에 희석 연료를 제공하는 연료혼합기; 및 상기 연료혼합기에 연료원액을 공급하는 연료원액 공급 수단을 포함하며, 상기 제어 장치는 상기 온도 측정 장치, 상기 열 제거 정도 제어 수단, 상기 연료원액 공급 수단 및 상기 출력 측정 장치에 연결되는 액체형 연료전지 장치를 제공한다.
예시적인 구현예에서, 상기 연료 공급부는, 연료혼합기; 상기 연료혼합기에 연결된 연료원액통; 상기 연료원액통으로부터 상기 연료혼합기에 연료원액을 제공하는 연료원액 공급 수단인 펌프;를 포함하고, 상기 펌프에 상기 제어 장치가 연결되고, 상기 열교환부는, 연료전지 스택의 애노드 출구에 연결되어 미반응 혼합 용액을 공급받고 열교환 후 온도가 낮아진 혼합용액을 연료혼합기로 공급하는 애노드 열 교환기; 연료전지 스택의 캐소드 출구에 연결되어 가습된 혼합 가스를 공급받고 열교환 후 응축된 물을 물 저장고로 공급하는 캐소드 열 교환기; 상기 열 교환기에 연결되는 열 제거 정도 제어 수단인 송풍기를 포함하고, 상기 송풍기에 상기 제어 장치가 연결될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 액체형 연료전지에 사용하는 액체 연료는 메탄올, 에탄올, 포름산, 이소프로판올, 프로판올, 에틸렌글리콜, 디메틸에테르, 부탄올, 수소, 부탄, 에탄, 프로판, 이산화탄소, 물 및 바이오연료 등의 반응물 중에서 하나 이상이 포함된 단독 또는 혼합 연료일 수 있다.
본 발명의 구현예들에 따르면, 일 측면에서, 기본적으로 농도 센서를 사용하지 않는 센서리스(sensor-less) 타입이므로 연료전지 장치가 단순, 소형화되어 장치 작동에 소모되는 전력을 절약하고, 장치 자체의 가격을 낮출 수 있다.
본 발명의 구현예들에 따르면, 다른 측면에서, 연료의 농도와 열교환기 제어에 있어서 온도 제어 기반의 피드백 제어기를 사용하여 열교환기의 열제거 속도와 희석연료의 농도를 동시에 조절하여, 연료전지의 성능 저하나 외부 환경에 의한 운전조건의 변화나 전기부하가 변화하는 동적 상태에서도 연료전지 스택의 온도와 스택에 공급되는 희석연료의 농도를 원하는 수준으로 일정하게 유지할 수 있으며, 농도 제어의 오차범위가 크지 않도록 할 수 있다.
본 발명의 구현예들에 따르면, 또 다른 측면에서, 기존의 무 센서 농도 제어 방법 예컨대 on/off 방식의 기존의 무센서 농도 제어 방법과 대비하여 오차가 적고, 보다 안정감 있으며, 응답특성이 뛰어나고 스택의 온도 제어가 용이하며 수명이 길다.
본 발명의 구현예들에 따르면, 또 다른 측면에서, 연료전지 시스템에서 소비되는 연료의 양과 스택의 온도를 기준으로 하여, 스택에 공급되는 연료의 농도와 연료순환계에서 순환하는 혼합용액의 온도를 동시에 제어함으로써, 연료전지에 주입되는 연료의 농도와 스택의 온도를 일정하게 유지하면서 연료전지 시스템의 효율을 극대화할 수 있다.
본 발명의 구현예들에 따르면, 또 다른 측면에서, 열교환기의 열 제거속도를 스택의 현재온도와 목표온도를 비교하여 피드백 방식으로 제어함으로써, 연료순환계에서 순환하는 혼합용액의 온도를 제어하여, 외기온도의 변화에 의해 발생할 수 있는 스택의 열 손실과 연료 순환계에 순환하는 물의 증발을 최소화할 수 있다.
본 발명의 구현예들에 따르면, 또 다른 측면에서, 연료전지 시스템의 출력전류를 제어하는 초기구동에 있어서, 스택의 전압 변화율을 참고하여 출력전류를 안정적으로 빠르게 증가시킬 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 농도 센서를 포함하는 액체형 연료전지 장치를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일구현예에 따른 액체형 연료전지의 연료 농도 및 온도 제어 방법을 나타내는 흐름도이다. 참고로, 도 2의 흐름도에 기재된 설명은 이해를 돕기 위한 예시이므로 이에 국한되는 것으로 해석되어서는 안된다.
도 3은 본 발명의 일구현예에 따른 액체형 연료전지의 연료 농도 제어 단계(S3 단계 내지 S5 단계)의 흐름도이다. 참고로, 도 3의 흐름도에 기재된 설명은 이해를 돕기 위한 예시이므로 이에 국한되는 것으로 해석되어서는 안된다.
도 4a는 본 발명의 일구현예의 제어 장치에서 연료 농도 및 온도 조절을 설명하기 위한 알고리즘이다. 참고로, 도 4a의 알고리즘에 기재된 설명은 이해를 돕기 위한 예시이므로 이에 국한되는 것으로 해석되어서는 안된다.
도 4b 및 4c는 본 발명의 예시적인 실시예에서 스택의 온도 변화 및 이에 대응한 온도 제어 방법 및 이에 따른 스택의 온도 변화를 표시한 그래프이다. 도 4b는 초기 구동을 포함하는 경우이고, 도 4c는 초기 구동을 포함하지 않는 경우이다. 도 4b 및 4c에서 X축은 시간(분)이고, Y축은 온도(℃)이다.
도 5a는 본 발명의 일구현예에서 출력전류밀도를 제어하여 액체형 연료 전지의 초기구동을 실시하는 알고리즘이다. 참고로, 도 5a의 알고리즘에 기재된 설명은 이해를 돕기 위한 예시이므로 이에 국한되는 것으로 해석되어서는 안된다.
도 5b는 본 발명의 일구현예에서 출력전류밀도 증가 시 시간에 따른 전압 변화(도 5b) 및 전압 변화율(도 5c)를 나타내는 그래프이다. 도 5b에서 X축은 시간(초)이고, Y축은 전압(V)이다. 도 5c에서 X축은 시간(초)이고, Y축은 전압변화율이다.
도 6은 본 발명의 일구현예에 따른 농도 센서를 포함하지 않는 액체형 연료전지 장치를 나타내는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에서 상압 조건 하에서 출력 전류 밀도와 연료전지 내부의 온도, 연료 농도 및 유량에 따른 연료 소비량을 측정한 데이터이다. 도 6에서 X축은 전류 밀도이고, Y축은 연료(메탄올) 소비 율이다.
도 8은 본 발명의 실시예에서 직접메탄올연료전지의 초기구동에 있어서 출력전류밀도를 피드백방식으로 제어하는 예를 나타내는 그래프이다. 도 8a는 P1, P2를 사용하지 않고 제어한 것이고 도 8b는 도 8a에서와 같은 알고리즘에 따라 P1, P2를 사용하여 피드백 제어한 것이다.
도 8a 및 8b에서 1번은 전압을 나타내는 그래프이고, 2번은 전압 변화율(dV/dt)을 나타내는 그래프이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 실시예에 따른 액체 연료전지의 정상상태 운전에 있어서, 연료원액이 목표조건 제어모드로 연료혼합기에 공급될 때, 열교환기의 피드백 제어기에 의해 스택의 온도가 목표온도로 일정하게 유지되고 있는 결과를 나타내는 그래프이다.
참고로, 도 9a에서 1번은 스택의 목표온도, 2번은 목표온도로부터 설정된 오차온도범위, 3번은 스택의 온도, 4번은 열교환기 출구의 온도, 5번은 스택의 연료극(애노드) 입구의 온도, 6번은 희석연료의 농도이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 실시예에 따른 액체 연료전지의 정상상태 운전에 있어서 스택의 온도가 최종목표온도로부터 점점 멀어지는 경우(연료의 농도 제어가 정확히 이루어지지 않고 있는 상황), 희석연료의 농도를 최종목표온도를 기준으로 제어하고 있는 결과를 나타내는 그래프이다.
참고로, 도 10a에서 1번은 스택의 목표온도, 2번은 목표온도로부터 설정된 오차온도범위, 3번은 스택의 온도, 4번은 열교환기 출구의 온도, 5번은 스택의 연료극(애노드) 입구의 온도, 6번은 희석연료의 농도이다.
도 10b에서 1번은 열교환기의 열제거 속도이고, 2번은 메탄올 원액의 공급속도이다.
본 명세서에서, '연료의 재순환'이란 연료전지 스택에서 방출되는 미반응 연료를 외부로 방출하지 않고, 연료혼합기에 고농도의 연료원액를 보충하여 농도를 맞춘 희석연료 (연료가 포함된 반응 용액)를 만든 다음, 상기 농도가 조절된 희석연료를 연료전지 스택에 다시 공급하여 사용하는 방법을 말한다.
본 명세서에서, '연료원액'은 연료저장고에 저장되어 있는 고농도의 연료를 의미하며, 연료의 원액은 반드시 100% 농도의 원액뿐만 아니라 고농도의 연료원액 예를 들어, 10wt.% 이상의 연료원액을 포함하며 바람직하게는 40wt.% 이상의 농도를 가지는 연료원액을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, '희석 연료'란 연료혼합기에서 소정의 값으로 농도를 조절한 다음 연료전지 스택에 공급되는 연료로서, 연료원액에 비하여 낮은 농도의 연료를 의미한다.
본 명세서에서, '목표 농도' 또는 '농도 목표치'는 스택에 공급되는 희석 연료의 연료 농도를 미리 정해진 값으로 조절하는 경우 이와 같이 정해진 목표 농도를 의미한다.
본 명세서에서, '현재 조건 제어모드'란, 연료전지 스택에 공급되는 희석 연료의 농도를 조절하는 방식의 하나로서, 연료전지의 운전이 이루어지고 농도제어가 이루어지는 현재 시점의 운전 조건(연료전지 스택의 출력 전류, 스택의 온도, 희석연료 농도, 희석연료 유속 등)에 따라 연료 소비식에 의해 결정된 연료 소비 양 또는 속도를 채택하여 연료원액의 공급 유량 또는 유속을 정하는 것이다. 참고로, 후술하지만, 예시적인 구현예에서는 중간 온도를 설정하여, 상기 중간 온도 이하에서는 연료원액 공급 유량 또는 공급 속도를 현재의 운전조건에 대응하여 연료 소비식으로 계산된 유량 또는 유속으로 공급하는 것을 말한다. 상기 중간온도 이상이 되면 최종 연료전지 운전조건 즉, 목표 운전 조건에서 소비되는 연료 소비량 또는 소비 속도 만큼의 연료원액을 공급해주게 된다.
본 명세서에서, '목표 조건 제어모드'란, 연료전지 스택에 공급되는 희석 연료의 농도를 조절하는 방식 중 하나로, 연료전지의 운전이 이루어지고 농도제어가 이루어지는 현재 시점의 운전조건(스택의 출력 전류, 스택의 온도, 희석연료 농도, 희석연료 유속 등)이 아닌, 기설정된 최종 목표 운전 조건에 따라 연료소비식에 의해 결정된 연료 소비 양 또는 속도를 채택하여 연료원액의 공급 유량 또는 유속을 정하는 것이다. 참고로, 후술하지만, 예시적인 구현예에서는 연료전지 스택의 현재온도 및 출력 전류에 관계없이 최종 목표 운전 조건에서 연료 소비식에 의해 결정된 유량 또는 유속으로 연료원액을 공급할 수 있다.
본 명세서에서, '운전 조건'은 연료전지의 운전 조건으로서, 예컨대 연료전지 스택에 공급되는 연료의 농도, 연료의 유량 또는 유속, 연료전지 스택의 온도, 연료전지의 출력전류, 출력 전압에서 선택되는 하나 이상의 조건을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, '초기 구동'이란 연료전지 스택이 운전 시작 후 목표한 출력전류에 도달하지 않았거나 또는 연료전지 스택의 목표 온도로부터 설정된 오차 범위 내에 이르기 전의 운전 상태를 의미한다.
본 명세서에서, '정상상태'란 연료전지 스택의 출력전류가 목표치에 도달하고 또한, 연료전지 스택이 목표 온도로부터 설정된 오차 범위 내에 있도록 운전되는 상태를 의미한다.
본 명세서에서, '비정상상태'란 연료전지 스택의 온도가 목표온도로부터 설정된 오차범위(%) 밖으로 벗어난 경우를 말한다.
이하, 본 발명의 구현예들을 상세하게 설명한다.
본 발명의 구현예들에서는, 연료전지 시스템의 연료순환 장치에서, 농도 측정 센서를 사용하지 않고 연료의 농도를 제어하여 재순환하되, 연료전지 단위 셀 또는 스택(이하, '연료전지 스택' 또는 '스택'으로 표시함)의 온도를 목표치대로 유지할 수 있도록 연료전지에 공급되는 연료의 농도와 연료순환계에서 순환하는 혼합용액의 온도를 동시에 제어한다.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는 일측면에서 스택에 공급되는 희석연료의 농도를 제어하기 위해 연료혼합기에 공급되는 연료원액의 공급량(유량) 또는 공급 속도(유속)를 제어한다(농도 제어). 또한, 스택의 온도를 제어하기 위해 스택에 공급되는 희석연료의 농도를 제어하거나 또는 열교환기의 열교환 속도 예컨대 열 제거속도를 제어한다(온도 제어).
상기 농도 제어에 대하여 예를 들어 설명하면, 현재 운전조건 또는 목표 운전조건으로 계산된 연료 소비량 또는 소비 속도에 따라 연료원액 공급 수단의 공급량 또는 공급속도를 결정하고, 이에 따라 연료원액을 연료혼합기에 공급하면서 연료전지 초기 구동을 시작하여, 연료전지 스택의 온도가 미리 정해진 중간온도에 도달하도록 한다.
연료전지 스택의 온도가 상기 중간온도에 도달하면 연료원액의 공급량 또는 공급 속도는 목표 조건 제어모드로 고정되고, 이 시점부터 연료전지 스택의 정상상태 운전이 이루어진다. 이와 같은 정상상태 운전에서는 연료혼합기에 공급되는 연료원액의 공급량은 목표 조건으로 계산된 연료소비량과 동일하며, 이와 같은 방식의 농도 제어에 의해 상기 스택에 공급되는 희석 연료의 농도는 목표 농도의 오차범위 내에서 일정하게 유지될 수 있다.
한편, 갑작스러운 외기온도의 변화 또는, 연료의 농도 제어가 정확히 이루어지지 않는 경우에 있어서는 스택의 온도가 목표온도로부터 점점 멀어져 기설정된 오차범위(%) 밖으로 벗어날 수 있다.
연료전지 스택의 온도가 기설정된 목표온도의 오차범위(%) 밖으로 벗어나는 경우에는, 열 교환기를 피드백 제어하는 동시에, 기존에 설정된 연료원액의 공급량 또는 공급 속도를 피드백 제어 방식을 통해 증가 또는 감소시켜 연료전지 스택에 주입되는 희석 연료의 농도를 조절하기 시작한다.
즉, 연료전지 스택의 온도가 오차범위 이상으로 높아지면 연료원액의 공급량 또는 공급 속도를 감소시키고, 상기의 오차범위를 벗어나 낮아지면 연료원액의 공급량 또는 공급 속도를 증가시킨다.
만약, 오차범위를 벗어나 있던 연료전지 스택의 온도가 기설정된 오차범위 내로 들어와 다시 정상적으로 제어되는 경우에 있어서는, 연료혼합기에 공급되는 연료원액의 공급량 또는 공급속도를 목표 운전 조건 값으로 다시 고정하고, 연료원액 공급량 또는 공급 속도에 대한 피드백 제어를 중단한다.
참고로, 기존의 기술은 연료소비식에 의해 결정된 연료의 양을 수동적으로 스택에 공급한다. 반면, 본 발명의 구현예들에서는 연료원액의 공급량 또는 공급 속도를 결정함에 있어서 스택의 온도를 바탕으로 피드백 방식을 통해 능동적으로 희석 연료의 농도를 제어하므로, 농도센서를 사용하지 않고도 빠르고 정확하게 연료의 농도를 제어할 수 있다.
한편, 상기 온도 제어에 대하여 예를 들어 설명하면, 연료전지 스택에 연결된 열교환기의 열 교환 속도(예컨대, 연료전지 스택의 애노드 출구에 연결되어 있는 열교환기의 열 제거 속도)를 피드백 제어 방식으로 제어하여 연료순환계를 흐르는 혼합용액의 온도를 조절함으로써, 상기 스택의 온도를 제어한다. 이러한 제어 방식은 연료의 농도 제어와는 상관없이 열교환기를 사용하여 스택의 온도를 목표온도로 유지되도록 제어한다는 점에서 농도 제어 기반의 방식과는 분명한 차이가 있다.
상기의 온도 제어를 기반으로 하는 제어방법은 외기온도의 변화에 의해 발생할 수 있는 연료전지 스택의 열 손실과 연료순환계에서 순환하는 물의 손실을 최소화할 수 있다는 점에서 큰 장점을 가지고 있다.
즉, 외기온도가 증가하여 연료전지 스택의 온도가 증가하는 경우에 있어서는, 연료순환계에서 순환하는 희석 연료의 온도가 증가되어 연료혼합기와 물저장 탱크에서 증발되는 물의 양이 증가되고 또한, 스택의 애노드에서 캐소드로 크로스오버에 의한 물의 손실이 증가될 수 있다. 이렇게 되면 스택에 공급되는 희석연료의 농도가 증가되어 스택온도가 증가되고, 경우에 따라서는 과열에 의해 스택운전의 비상 종료를 야기할 수 있다. 따라서, 이러한 경우에 있어서는, 열교환기의 열교환 정도 예컨대 열 제거속도를 증가시켜 연료순환계에서 순환하는 희석연료의 온도를 낮추어 스택의 온도를 감소시켜야 한다.
상기의 경우와는 반대로, 외기온도가 감소하여 연료전지 스택의 운전온도가 감소할 경우에는, 연료전지 스택이나 연료순환계에서 발생하는 열 손실이 증가되어 연료전지 스택의 온도가 낮아져서 연료전지 스택의 성능이 낮아질 수 있으며, 이에 따라 연료전지 시스템의 효율이 감소될 수 있다. 이러한 경우에 있어서는, 열교환기의 열교환 정도 예컨대 열 제거 속도를 감소시켜, 외기온도 저하에 의한 스택의 열 손실을 보충해주어야 한다.
본 발명의 구현예들에서는 이와 같이 열교환기의 열교환 속도 예컨대 열 제거속도를 연료전지 스택의 현재온도와 목표온도를 비교하여 피드백 방식으로 제어하므로써, 외기온도의 변화에 의해 발생할 수 있는 상기의 문제들을 최소화할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일구현예에 따른 액체형 연료전지의 연료 농도 및 스택 온도 제어 방법을 나타내는 흐름도이다. 참고로, 도 2의 흐름도에 기재된 설명은 이해를 돕기 위한 예시이므로 이에 국한되는 것으로 해석되어서는 안된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 예시적인 일구현예에 따른 연료 농도 제어 방법은, S1 내지 S5 단계를 포함할 수 있다.
S1 단계는 액체형 연료전지에 있어서 운전조건 즉, 연료 농도, 연료의 유량 또는 유속, 연료전지 스택의 온도 및 연료전지의 출력전류를 변경하면서 연료 소비량 또는 연료 소비속도를 측정하여 데이터베이스를 만든 후, 상기 데이터베이스를 활용하여 상기 운전 조건 즉, 연료 농도, 연료의 유량 또는 유속, 연료전지 스택의 온도 및 연료전지의 출력전류를 변수로 하는 연료소비식을 작성하는 단계이다.
S2 단계는, 상기 S1 단계에서 결정된 연료소비식에 근거하여 주어진 연료전지의 운전조건에서 연료 소비속도(F)를 결정하고, 이로부터 연료원액의 공급 양 또는 공급 속도 예컨대 연료원액 공급 수단인 연료원액 공급 펌프의 펌핑속도(p)를 결정한다.
S 3 단계에서는, 연료전지 스택의 목표 온도를 설정하고, 목표조건 제어모드 또는 현재 조건 제어모드 중의 하나를 선택하여 연료혼합기에 공급되는 연료원액의 공급량 또는 공급 속도를 결정하고 연료전지 시스템을 구동한다.
즉, S2 단계에서 정해진 연료원액 공급 양 또는 공급 속도(예컨대, 연료원액 펌프의 펌핑 속도)로 연료원액을 연료혼합기에 공급하여 희석연료의 농도를 제어하면서 상기 연료전지 시스템을 구동하되, 상기 펌핑 속도는 목표조건 제어모드 또는 현재조건 제어모드 중의 하나를 선택하여 운전한다. 이에 따라,　상기 연료전지 스택의 온도가 목표온도에 도달하도록 상기 연료전지 스택에 공급되는 연료의 농도를 조절하면서 연료전지 시스템을 구동할 수 있다.
S4 단계에서는, 스택의 온도(T)가 중간온도(Ti)에 도달한 경우(T≥Ti), 목표조건 제어모드를 기반으로 하여 소비식으로부터 계산된 연료원액의 공급 양 또는 공급 속도로 연료원액을 연료혼합기에 공급하고, 열교환기의 열 제거속도는 피드백 제어 방식으로 제어하여 스택의 현재온도가 목표온도로 유지될 수 있도록 연료순환계의 혼합용액의 온도를 조절한다.
즉, S3 단계에서의 제어모드가 무엇이었건, 스택의 현재온도가 중간온도(Ti)에 도달하면, 이제는 목표 조건 제어모드를 기반으로 하여 연료원액 펌핑 속도를 계산하고, 상기 계산된 펌핑속도로 연료원액을 연료혼합기에 일정하게 공급함으로써 상기 스택에 공급되는 희석연료의 농도와 상기 스택의 온도를 목표치에 도달하게 한다. 또한, 상기 스택의 온도가 목표치의 오차범위 이내에 들어오는 정상상태 운전에서는 상기 열교환기를 피드백 방식으로 제어하여 연료순환계를 흐르는 희석연료의 온도를 조절함으로써 스택의 온도가 상기 목표치의 오차범위 이내에서 유지되도록 운전한다.
한편, S5 단계에서는, 상기의 열교환기를 최대 또는 최소로 가동시킨 상태(즉, 열교환기의 열제거 속도가 0 또는 100%)임에도 불구하고, 상기 스택의 현재온도가 목표온도의 오차범위(%) 밖으로 벗어나는 경우에는, 피드백 제어를 통해 상기 연료원액 공급펌프의 펌핑속도를 조절하여 상기 스택에 공급되는 희석연료의 농도를 추가적으로 증가 또는 감소시키므로서 상기 스택의 온도가 목표치의 오차범위 내로 들어오도록 제어한다.
이하에서, S1 단계 내지 S5 단계에 대하여 더욱 상술한다.
일구현예에서, 상기 S1 단계에서는, 농도 센서 없이 연료전지 스택의 온도가 목표치에 도달하도록 연료농도를 제어하되, 상기 농도 제어를 위하여 연료순환계통에 공급하는 연료원액의 유량 또는 유속을, 연료전지 운전 조건에 따른 연료전지 스택에서의 연료소비량을 계산하여 결정한다.
관련하여, 일정한 운전조건에서의 연료전지 스택의 연료 소비량은 해당되는 운전조건에 대응하는 관계를 가지면서도, 연료전지 전극의 성능 즉, 스택의 성능 저하와는 무관하게 항상 일정하므로, 상기 연료전지 스택에서의 주어진 운전조건 하에서 연료 소비량을 측정하는 것이 가능하며, 상기 측정된 연료소비량 또는 소비속도를 데이터베이스화하여 연료농도 제어에 활용할 수 있다.
구체적으로, 일구현예에 있어서, 상기 S1 단계에서는, 액체형 연료전지의 연료 소비속도를 연료전지의 운전조건인 출력 전류밀도, 연료전지 내부의 온도, 연료(희석 연료)의 농도 및 유량 또는 유속을 변수로 하여 측정하고, 이를 데이터베이스화 하며, 상기 산출된 데이터베이스를 근거로 연료소비식을 작성한다.
일구현예에 있어서, 상기 S1 단계에서의 상기 연료 소비속도는, 상기 연료전지에서 전류 발생 시 필요한 연료 소비속도 및 연료전지 운전 시 연료의 불가피한 손실속도의 합으로 결정될 수 있다.
또한, 일구현예에서, 상기 연료의 불가피한 손실 속도는 연료의 크로스 오버에 의한 손실 및 증발에 의한 손실에 의해 결정될 수 있다. 즉, 연료의 불가피한 손실 속도는 연료전지의 애노드에서 전해질막을 거쳐 캐소드로 연료가 투과하는 연료의 크로스오버와 스택의 애노드 출구에서 배출된 미반응 연료가 통과하는 기액 분리기 및/또는 연료혼합기에서의 증발에 의한 연료 손실에 인한 것의 합으로 결정될 수 있으며, 특히 연료의 크로스오버에 의한 것이 가장 큰 비중을 차지한다.
또한, 일구현예에서, 상기 전류 발생 시 필요한 연료 소비속도는 연료전지구동에 따른 전류 측정 값과 패러데이 상수를 이용하여 결정될 수 있다.
일례로서, 액체형 연료전지에 있어서, 연료를 메탄올로 하는 경우 다음의 식에 따라 연료 소비량을 계산할 수 있다.
[수학식 1]
N m ,t = N m ,e + N m ,x + N m ,v
[N m ,t : 연료전지에서 단위 시간당의 총 연료 소비량, N m ,e : 애노드에서 전류 발생 반응에 의한 단위 시간당 연료 소비량, N m ,x : 크로스오버에 의한 단위 시간당 연료 소비량, N m ,v : 연료순환시스템 내에서 증발에 의한 연료 손실량]
상기 전류 발생 시의 단위 시간당 연료 소비량은 전류의 크기에만 의존하며, 그 외 다른 운전조건과는 무관하다. 이는 다음 식으로 표현된다.
[수학식 2]
N m ,e = f(I) = I/6F
[N m ,e : 전류 발생 시 단위 시간당 연료 소비량, I : 전류, F : 패러데이 상수]
상기 전해질막을 통한 크로스오버에 의한 연료의 소비량은, 주어진 연료전지 스택의 운전조건 즉, 연료전지의 출력 전류밀도, 연료전지 내부의 온도 및 압력, 애노드에 공급되는 연료의 농도 및 유량 또는 유속, 캐소드에 공급되는 공기의 유속 등에 의하여 달라진다. 또한, 상기 크로스오버에 의한 연료의 소비량은 연료전지의 구조적 특징 즉, 연료전지의 크기와 형태, 사용한 막-전극 결합체의 종류와 크기, 전극에 사용한 촉매의 종류, 전극의 종류, 사용한 전해질 막의 종류, 분리판의 구조 등에 따라서도 변할 수 있다.
그러나, 특정 연료전지에 있어서 연료전지의 크기와 형태 등 연료전지의 구조적 특성은 일정하므로, 크로스오버에 의한 연료 소비량은 운전조건에 의존하며, 특히 다음 식으로 표현될 수 있다.
[수학식 3]
N m ,x = f(I, T, C, F a , F c , P)
[N m ,x : 크로스오버에 따른 단위 시간당 연료 소비량, I : 출력 전류 밀도, T : 연료전지 스택의 온도, C : 연료(희석 연료) 농도(wt% 또는 mol/L), Fa : 공급되는 연료의 유량 또는 유속, Fc : 공급되는 공기의 유속, P : 연료전지 내부의 압력]
일반적으로 연료전지는 정상 상태에서는 고정된 연료 및 공기 공급 속도, 고정된 온도, 상압 조건에서 작동한다. 따라서, 연료전지 스택에 있어서 전해질막을 통한 연료의 크로스오버에 영향을 주는 운전조건은 출력 전류밀도와 연료전지 내부의 온도, 연료(희석 연료) 농도 및 연료유속의 4개의 변수로 귀결되며, 다음 식으로 표현된다.
[수학식 4]
N m ,x = f(I, T, C, F a )
[N m ,x : 크로스오버에 따른 단위 시간당 연료 소비량, I : 출력 전류 밀도, T : 연료전지 스택의 온도, C : 연료 농도(wt% 또는 mol/L), Fa: 공급되는 연료의 유량 또는 유속]
주어진 연료전지 시스템 내에서 있어서 연료순환시스템 내에서 증발에 의한 연료 손실은 대부분이 연료혼합기나 기액분리기에서 일어나며, 상기 손실량은 연료혼합기나 기액분리기 내 희석연료의 온도(T m )와 연료전지 시스템을 둘러싼 외기 온도(T e ) 그리고, 희석연료의 유속(F a )에 의존하며, 특히 다음 식으로 표현될 수 있다.
[수학식 5]
N m ,v = f( T m , T e , F a )
상기 연료손실량은 열역학적인 계산과 실제 측정에 의해 얻어진다. 그러나, 상기의 증발에 의한 연료손실량은 다른 요인에 의한 연료소비량에 비해 상대적으로 매우 작으며, 또한 응축기를 달아서 증발손실량을 최소화할 수 있기 때문에 연료소비량을 계산할 때 무시할 수 있다.
이상의 내용을 정리하면, 상압 조건에서의 크로스오버에 의한 연료의 소비량은 출력 전류 밀도, 연료전지 스택의 내부 온도, 연료(희석 연료)의 농도 및 유량 또는 유속과 같은 4가지 변수에 의해서 결정되고, 전류 발생 시 소모되는 연료의 소비속도는 전류량(출력 전류 밀도)만으로 정할 수 있는 것이므로, 연료의 전체 소비속도는 출력 전류밀도, 연료전지 내부의 온도, 연료(희석 연료) 농도 및 유량 또는 유속에 따라서 결정될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일구현예에서는 미리 출력 전류밀도, 연료전지 스택의 온도, 연료(희석 연료)의 농도 및 유량 또는 유속과 같은 운전조건을 변화시켜 가면서 연료 소비속도를 측정하여 데이터베이스를 만들고, 이를 바탕으로 상기 운전조건을 변수로 한 연료소비식을 얻으며, 이를 사용하여 연료전지의 특정 운전조건에서 연료소비 속도를 예측하게 된다. 증발에 의한 연료손실량이 무시할 수 없을 만큼 큰 경우에는 이 값을 측정하여 총 연료소비 속도를 보정할 수 있다.
일구현예에서, 상기 S2 단계에서는 상기와 같이 S1 단계에서 결정된 연료 소비식에 근거하여, 주어진 연료전지의 운전조건에서 연료 소비속도를 결정하게 되는데, 이때 주어진 운전조건에 대하여 계산된 연료 소비속도(N m ,t )에 따라 연료원액의 공급량 또는 공급 속도 예컨대 연료원액 펌프의 펌핑속도(p)를 결정할 수 있다.
일구현예에 있어서 상기 S3 단계는, 연료전지 스택의 목표온도를 설정하고, 상기 연료전지를 구동하되, 상기 연료전지 스택이 목표온도에 도달하도록 도 3에 도시된 바와 같이 2가지 방법 즉, 현재조건 제어모드 또는 목표조건 제어모드 중의 하나를 선택하여 연료혼합기에 연료원액을 공급하므로써 스택에 공급되는 희석연료의 농도를 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일구현예에 따른 농도 센서를 사용하지 않는 액체형 연료전지의 연료 농도 및 온도 제어 단계(S3 내지 S5 단계)의 흐름도이다. 참고로, 도 3의 흐름도에 기재된 설명은 이해를 돕기 위한 예시이므로 이에 국한되는 것으로 해석되어서는 안된다.
제1 방법인 목표조건 제어모드(target operating-condition mode)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 연료전지의 초기 구동 시부터 연료혼합기에 연료원액을 보충함에 있어서, 스택의 현재온도 및 출력전류에 관계없이 최종 목표운전조건에서 소비되는 양(속도) 만큼의 펌핑 속도로 연료원액을 보충해주는 방법이다(하기 수학식 6 참조).
[수학식 6]
p(T, I) = p(Tf, If):
(여기서, T =　 스택의 현재 온도; Tf =　 스택의 최종 목표온도; I = 스택의 현재 출력전류; If = 스택의 최종 목표출력전류)
제2 방법인 현재조건 제어모드(present operating-condition mode)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 중간온도(Ti)를 설정하여, 상기 중간온도 미만에서는 연료원액 공급속도를 현재의 운전조건(T, I)에 대응하여 계산된 속도로 공급하고, 상기 중간온도 이상이 되면 최종 연료전지 운전조건(Tf, If)에서 소비되는 연료 소비속도 만큼의 연료원액을 공급해주는 방법이다(하기 수학식 7 참조).
[수학식 7]
if T < Ti, p(T, I) = p(T, I);
if T ≥ Ti, p(T, I) = p(Tf, If)
여기서 p =연료원액 펌프의 펌핑 속도로서 온도(T)와 전류 밀도(I)의 함수이다.
일구현예에서, 상기 중간온도(Ti)는 상기 최종목표온도보다 5 내지 30℃ 낮은 것이 바람직하다.
상기 제2 방법인 현재조건 제어모드는 연료전지 스택의 초기 구동 시, 연료혼합기의 연료 농도가 충분한 경우에 사용하면 바람직하다. 일구현예에서, 상기 충분한 연료의 농도란 0.5M 이상의 값을 의미한다. 반면, 상기 제1 방법인 목표조건 제어모드는 연료전지 스택의 초기 구동 시, 연료혼합기에 보충되는 연료원액의 공급 속도가 제2 방법보다 상대적으로 높고, 따라서 스택에 공급되는 희석연료의 농도가 더 높으므로, 최종 목표농도, 출력전류 및 온도에 도달하는 시간을 단축하고자 때 사용하는 것이 바람직하다.
일구현예에서, 상기 S3 단계에서는, 연료전지 스택의 온도가 목표온도로 상승하는 동안(예컨대, 연료전지 스택의 온도가 중간 온도 미만인 경우)에는 열교환기의 제어 신호를‘0’으로 설정하여 열교환기를 사용하지 않도록 함으로써 스택의 온도가 최종 목표온도에 도달하는데 소요되는 시간을 단축하는 것이 바람직하다.
일구현예에서, 상기 S4 단계에서는, 스택에 공급되는 연료의 농도가 일정하게 유지되는 정상상태 운전에서, 스택의 현재 온도가 목표온도와 동일하게 유지되도록 열교환기의 열제거 속도를 제어기로 조절한다. 연료전지 스택의 현재온도가 목표치보다 낮은 경우에는 열교환기의 열제거 속도를 감소시켜 연료순환계에서 순환하는 혼합용액의 온도를 높여주고, 현재온도가 목표치보다 높은 경우에는 열교환기의 열제거 속도를 증가시켜 상기 혼합용액의 온도를 낮춤으로서 상기 스택의 온도를 제어한다(피드백 제어). 여기서, 열교환기의 열 제거 속도는 예컨대 열교환기의 송풍기(fan) 속도를 조절하는 것일 수 있다.
상기 연료전지 스택의 온도는 상기 연료순환계에 연결되어 있는 열교환기의 크기와 성능에 의해 영향을 받게 되므로, 상기 연료전지 스택의 크기와 특성에 맞추어 상기 열교환기의 크기와 성능을 결정하는 것이 바람직하다.
일구현예에서, 상기 S5 단계에서는, 열교환기의 출력이 최소 또는 최대인 상태임에도 불구하고 연료전지 스택의 온도가 증가 또는 감소하여 목표치로부터 설정된 범위(%) 밖으로 벗어나는 경우, 상기의 S4 단계에서 기존에 공급되고 있던 연료원액의 공급량 또는 공급 속도(즉, 목표조건 제어모드에 따른 연료원액의 공급량 또는 공급 속도)를 피드백 제어 방식으로 추가적으로 증가 또는 감소시켜 스택에 주입되는 연료의 농도를 조절함으로써, 상기 스택의 온도가 상기 설정된 범위 내로 들어오도록 제어한다.
여기서, 상기 스택의 온도가 목표치로부터 설정된 범위(%) 밖으로 벗어나는 경우는 예컨대 외기온도가 순간적으로 급격히 변화하여 스택으로부터의 직접적인 방열량이 크게 변하거나, 다른 요인에 의해 연료순환계에서 순환하는 혼합용액의 온도가 크게 변화하거나 또는, 혼합용액의 농도제어가 일정하게 이루어지지 않는 돌발 상황(시스템에 물리적 결함이 발생한 경우)에 의해 발생할 수 있다.
이러한 비정상 상황이 발생하는 경우는, S4 단계에서 열교환기 출력량의 제어가 0% 또는 100%로 이루어지는 상황임에도 불구하고 스택의 현재 온도가 목표 값으로부터 설정된 범위 내로 유지되지 못하게 된다. 따라서, S4 단계에서는 피드백 제어기를 통해 상기 연료원액 공급 양 또는 속도 예컨대, 연료원액 공급 펌프의 펌핑속도를 추가적으로 증가(스택의 현재 온도가 설정 범위를 벗어나 감소한 경우) 또는 감소(스택의 현재 온도가 설정 범위를 벗어나 증가한 경우)시키도록 조절하여 상기 스택에 공급되는 희석연료의 농도를 추가적으로 증가 또는 감소시키므로서 상기 스택의 온도가 목표치의 오차범위 내로 들어오도록 제어한다.
즉, 열 교환기를 사용한 스택의 온도 제어 방식이 진행될 때, 추가적으로 연료원액 공급 수단의 제어가 실행되는 것이다. 여기서 열교환기와 연료원액 공급펌프는 각기 다른 피드백 제어기에 의해 동시에 제어될 수 있다.
도 4a는 본 발명의 일구현예에 따른 제어장치에서 구현되는 연료농도 조절방법을 설명하기 위한 알고리즘의 개략도이다. 참고로, 도 4a의 알고리즘에 기재된 설명은 이해를 돕기 위한 예시이므로 이에 국한되는 것으로 해석되어서는 안된다.
일구현예에 있어서, 상기의 S3 단계 이후 실행되는 단계들에 있어서 상기 연료전지 스택의 온도 및 농도제어 방법은 도 4a의 알고리즘으로 설명할 수 있다. 도4a의 알고리즘은 크게 2 부분으로 나뉘어진다. 하나는 스택에 공급되는 희석연료의 농도를 제어하기 위해 연료혼합기에 공급되는 연료원액의 유량 또는 유속을 피드백 제어하는 방법에 대한 것이고(원액펌프에 의한 농도 제어), 둘은 스택의 온도를 제어하기 위해 열교환기를 피드백 제어하는 방법(열교환기에 의한 온도 제어)에 대한 것이다.
일구현예에서, 액체형 연료전지의 연료 농도 제어 방법은, 현재 또는 목표조건 제어모드로 계산된 연료소비량 (N m ,t )에 따라 연료원액 펌프의 펌핑속도(p)를 결정하고, 상기 결정된 펌핑속도로 연료원액을 연료혼합기에 공급하면서 연료전지 초기 구동을 시작하여, 상기 연료전지 스택의 온도(T)가 중간온도(Ti)에 도달하도록 한다(도 4a 참조).
상기 온도 제어를 기반으로 한 S4 단계의 실행에 있어서는, 스택의 온도(T)가 상기 중간온도(Ti)에 도달하는 경우(T≥Ti)에 목표조건 제어모드를 기반으로 하여 소비식으로부터 계산된 연료원액의 유량(공급량) 또는 유속(공급 속도)로 연료원액을 연료혼합기에 공급하고, 열교환기의 열 제거속도는 피드백 제어 방식으로 제어하여 스택의 현재온도가 목표온도로 유지될 수 있도록 연료순환계의 혼합용액의 온도를 조절하기 시작한다(도 4a 참조).
참고로, 본 발명의 구현예들에서는 열교환기의 열 제거 속도와 연료원액의 펌핑속도의 제어를 위하여 피드백 제어를 수행한다. 피드백 제어를 수행하기 위한 피드백 제어는 제어 장치(도 6의 18)가 수행하도록 프로그램 될 수 있다.
이러한 피드백 제어에서는 예컨대 P(Proportional), PI(Proportional Integral) 또는 PID(Proportional Integral Derivative)형 제어 방식을 사용하고, 바람직하게는 PID 피드백 제어 방식을 사용한다. PID 피드백 제어 방식은 실제 응용분야에서 가장 많이 사용되는 대표적인 형태의 피드백 제어 방식이다.
상기 피드백 제어는 연료전지 스택의 온도를 측정하여 이를 스택의 목표온도(Tf, final target temperature)와 비교하여 오차(error)를 계산하고, 이 오차 값을 이용하여 열교환기의 출력량 및/또는 연료원액 공급펌프의 연료공급 양 또는 속도를 조절하는데 필요한 제어 값을 계산하는 구조로 되어 있다(도 4a 참조).
상기의 오차 값은 스택의 최종목표온도(Tf)와 상기 스택의 현재 온도(T)를 비교하여 얻어지고, 식으로 표현하면 아래와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 8]
e(t) = T f - T
[e(t) : 온도 오차,　 Tf: 연료전지 스택의 최종 목표온도, T: 연료전지 스택의 현재온도]　
상기의 오차는 피드백 제어의 출력량을 계산하는데 있어서, 비례, 적분, 미분항에서 모두 사용되어지는 값으로서, 표준적인 형태의 PID 피드백 제어 방식은 아래의 식에서 나타낸 3개의 항을 더하여 제어 값을 계산하도록 구성이 되어 있다.
[수학식 9]
Figure pat00001
[u(t):　제어기에서 계산된 출력량, K p : 비례계수, e(t): 오차 , K i : 적분계수,　　　　　　 K d : 미분계수]
이와 같이 PID 피드백 제어 방식의 출력량은 각각 오차값, 오차값의 적분(integral), 오차값의 미분(derivative)에 비례한다. 비례항은 현재 상태에서의 스택의 목표 온도와 현재 온도를 비교하여 얻어지는 오차값의 크기에 비례한 제어작용을 담당하고, 적분항은 정상상태(steady-state)에서 발생하는 오차(off-set)를 없애주어 제어정확도를 높이는 역할을 담당하며, 미분항은 출력값의 급격한 변화에 제동을 걸어 오버슛(overshoot)을 줄이고, 오차신호의 변화를 억제하여 스택 운전의 안정성을 향상시키는 역할을 한다.
피드백 제어 방식은 상기 PID 피드백 제어의 경우와 같이 비례-적분-미분항을 모두 사용하는 표준식의 형태로 사용하기도 하지만, 경우에 따라서는 약간 변형된 형태로도 사용이 가능하다. 비례항만을 가지거나, 혹은 비례-적분, 비례-미분항만을 가진 제어기의 형태로 단순화하여 사용할 수도 있는데, 이때는 각각 P, PI, PD 제어기라고 불린다.
피드백 제어 방식의 출력량은 특정 제어범위를 지정함으로써, 출력량의 상한, 또는 하한 값을 설정할 수 있는데, 이러한 상기의 설정 조건은 온도 인식 센서 또는 목표온도의 설정 오류가 발생한 경우에 오차 값이 지나치게 높아지거나, 또는, 작아짐에 따라 발생할 수 있는 제어기 출력량 포화(controller output saturation)를 대처할 수 있다. 제어기의 출력량은 실시간으로 전송되는 오차 값에 의해 계속적으로 변화된다. 이때, 전송된 오차를 제어기가 즉각적으로 처리하지 못하고, 지체할 경우, 이 오차는 적분항에 의해 점점 커지게 되고, 적분 출력량이 계속적으로 증가하게 되어 결국 포화상태에 이르게 된다. 이때 특정 제어범위를 지정하는 것은 상기 출력량이 증가, 또는, 감소되어야 함에도 불구하고 계속 하한, 또는, 상한값을 출력하는 경우에 바람직하게 사용될 수 있으며, 상기 출력량의 특정 제어범위의 설정 방법을 식으로 표현했을 때 다음과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 10]
Figure pat00002
[u(t) :　제어기에서 계산된 출력량, u max : 출력량의 상한값, u min : 출력량의 하한값]
상기 상한값 또는 하한값은 운전조건을 기준으로 하여 계산된 출력량의 100 ± α (α　 = 1~50% 또는 20~50%)로 설정하는 것이 바람직하다.
이하에서 좀 더 구체적인 예를 들어 S4 및 S5 단계를 설명한다.
도 4b 및 4c는 본 발명의 예시적인 실시예에서 스택의 온도 변화 및 이에 대응한 온도 제어 방법 및 이에 따른 스택의 온도 변화를 표시한 그래프로서, 도 4b는 초기 구동을 포함하는 경우이고, 도 4c는 초기 구동을 포함하지 않는 경우이다. 도 4b 및 4c에서 X축은 시간(분)이고, Y축은 온도(℃)이다. 도 4b 및 4c에서는 열교환기 제어 범위를 65℃의 2% 이내로 지정하였으며, 스택의 현재 온도가 목표 값으로부터 설정된 특정 범위(즉, 여기서는 2%)를 벗어나는 경우를 보여준다. 이해를 돕고자, 도 4b, 4c를 전술한 도 4a와 함께 설명한다.
스택의 중간온도(Ti)를 60℃로 설정하고, 최종 목표온도(Tf)를 65℃로 설정한 경우, 스택의 온도가 중간온도(Ti)로 설정된 60℃에 도달하면(T≥60℃), 연료혼합기에 공급되는 연료원액의 공급량 또는 공급속도를 최종 목표운전조건에 해당하는 값(목표조건 제어모드)으로 전환하여 고정한다. 이렇게 하면, 스택에 공급되는 혼합용액의 연료 농도는 일정하게 유지된다. 이때 스택의 온도는 열교환기의 열제거 속도를 피드백 제어기로 제어하여 연료순환계의 혼합용액 온도를 조절함으로써 최종 목표온도(Tf)로 설정된 65℃와 동일하게 유지되도록 한다(도4b, c 참조).
앞서 설명한 바와 같이, 정상상태 운전이라 함은, 연료전지 스택의 출력전류가 기설정된 목표치에 도달되어 있고, 연료전지 스택의 온도가 기설정된 최종 목표온도(Tf)의 오차범위 이내에서 유지되도록 제어되며, 상기의 연료펌프 제어와 동시에 또는 단독으로 상기 열교환기를 제어하여 상기 스택의 온도를 목표값으로 유지하는 것이 가능한 운전상태를 일컫는다.
한편, 상기 S4 단계에서는 상기 연료전지 스택의 정상 운전에 있어서, 갑작스러운 외기온도의 변화가 있거나 또는, 연료의 농도 제어가 정확히 이루어지지 않는 경우에 있어서 스택의 온도가 상기의 목표온도로부터 점점 멀어질 수 있다(도 4b, 4c 참고). 이는 피드백 제어기로부터 열교환기의 열 제거속도가 0 또는 100%임에도 불구하고, 상기 연료전지 스택의 온도가 기설정된 목표온도로부터의 오차범위 내에서 제어되지 않는 경우를 의미한다.
본 발명의 일구현에 있어서, S5 단계에서는 상기의 특정 상황에 있어서, 열교환기의 열 제거속도가 0 또는 100%임에도 불구하고 스택의 온도가 목표온도로부터 설정된 오차범위(%)밖으로 벗어난 경우, 기존에 공급되고 있는 연료의 양을 피드백 제어기로 증가 또는 감소시켜 스택에 주입되는 연료의 농도를 조절하는 방법에 의해 S5 단계를 수행한다(도 4a 참고).
상기 S5 단계에서는 서로 다른 피드백 제어기에 의해 열교환기와 연료원액 공급펌프의 출력량이 동시에 제어된다. 만약, 연료전지 스택의 온도가 상기의 목표온도로부터 설정된 오차범위(%)내에서 제어된다면 다시 열교환기의 PID 피드백 제어기만으로 스택의 온도를 제어하게 된다. 이때, 목표온도로부터 설정된 오차범위(α)는 2에서 10%, 바람직하게는 2에서 5%로 하는 것이 좋다.
본 발명의 예시적인 실시예인 도 4b에서는 최종 목표온도를 65℃로 하고 상기 오차범위를 2%로 지정하여, 하한값과 상한값이 각각 63.7℃, 그리고, 66.3℃로 설정된 것을 보여준다. 만약 연료전지 스택의 온도가 상기 하한값(63.7℃)보다 낮아지는 경우, 연료원액 공급펌프의 피드백 제어기는 연료공급 속도를 기존에 설정된 값보다 증가시키게 된다. 여기에서 상기‘기존에 설정된 값’이라 함은 목표 조건을 기준으로 하여 계산된 연료공급 속도(목표조건 제어모드)를 가리킨다. 이때 상기의 증가되는 연료공급 속도는 스택의 목표온도와 현재온도를 비교하여 피드백 제어기로부터 계산되고 결정된다.
본 실시예의 도 4c는 상기의 도 4b와 반대되는 상황을 설명하는 도면으로서, 연료전지 스택의 온도가 상한값(66.7℃)보다 높아진 경우, 연료원액 공급펌프의 피드백 제어기는 목표조건 제어모드를 기준으로 하여 설정된 속도보다 연료공급 속도를 더 감소시키게 된다.
본 실시예의 도 4b 내지 도 4c의 도면에 따르면, 스택의 온도가 목표온도에 가까워져 기설정한 오차범위(%) 내에서 제어되는 경우, 상기의 S5 단계에 기반한 비상상태 제어방법을 중지하고, 다시 S4 단계에서와 같이 열교환기만을 사용하는 정상상태 제어 방법만을 사용하여 스택의 온도를 제어하기 시작한다.
여기서, 상기의　 비정상 상태 온도 제어방법에 의하면 열 교환기를 사용한 스택의 온도 제어 방식이 진행될 때, 추가적으로 연료원액 공급펌프의 제어가 실행될 수 있으며, 열교환기와 연료원액 공급펌프가 각기 다른 피드백 제어기에 의해 동시에 제어될 수 있다. 이때 변화하는 연료원액 공급펌프의 출력량은 정상상태 제어과정에서 설정된 연료원액 공급펌프의 출력량으로부터 증가 또는 감소시키므로서 스택에 공급되는 연료의 농도를 제어한다.
일구현예에서, 연료전지 구동 시 상기 연료전지 스택의 출력전압 및/또는 스택온도를 파악하여 연료전지의 운전의 중지 여부를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
즉, 예컨대 연료전지 정상상태 운전 시, 연료전지 스택의 출력전압이 하한치(Vmin) 이하로 떨어지는 지 여부를 점검하고, 상기 연료전지의 출력전압이 하한치 이하로 떨어지면 연료전지 시스템의 구동을 멈춘다.
일구현예에서, 상기 연료전지 운전 중에는 항상 상기 스택의 출력전압을 감시하여 전압이 최저 한계값(이하 하한 전압) 이하로 낮아지면, 연속해서 5회 이상 반복하여 전압을 측정하고, 상기 전압이 계속해서 감소하면 연료전지 시스템의 운전을 중지한다.
일구현예에서, 상기 하한 전압은 단위전지 당 0.1 내지 0.3V 바람직하게는 0.1내지 0.2V로 정한다.
또한, 일구현예에서 정상상태 운전 상태에서 스택의 온도가 최대 한계값(이하 상한 온도)를 넘어서 계속해서 상승하고, 연료원액 공급속도를 목표 운전조건에 대응하는 속도 이하로 낮추었음에도 불구하고 온도가 감소하지 않고 계속 상승하면 상기 연료전지 시스템의 운전을 중지시킨다. 일구현예에서, 상한 온도는 80 내지 100℃, 바람직하게는 85 내지 95℃로 한다.
일구현예에서, 상기 S4와 S5단계에서 각각 사용되는 피드백 제어는 서로 다른 PID 값들(비례, 적분, 미분계수)이 설정되어 제어가 이루어질 수 있다. 이때 상기 제어기에서 출력되는 출력량은 상기의 PID 값들에 의해 영향을 받는다. 상기 PID 값들은 연료전지 스택의 면적, 크기 및 성능에 따라 해당 조건에 맞는 값들로 적절하게 설정되어야 한다.
한편, 상기 PID 값들을 연료전지에서 원하는 동작을 얻을 수 있도록 적절한 값으로 설정하는 것을 튜닝이라고 한다. 상기 튜닝 방법에는 대표적으로 Ziegler & Nichols의 튜닝법을 포함하여 다른 여러 방법들이 존재하지만 실제로 상기 튜닝법들을 PID 피드백 제어기에 적용하는 데는 여러 어려움들이 있다. 튜닝 공식의 대부분이 프로세스 게인, 지연시간, 시정수 등의 프로세스 특성 파라미터를 이용하고 있지만, 실제로 이 값들을 구하는 것이 쉽지 않기 때문이다.
유일하게 Ziegler & Nichols의 튜닝법이 상기의 파라미터들을 사용하지 않고도 제어 루프를 지속 진동(sustained oscillation)으로 가져가 이때의 게인과 지속 진동 주기로부터 PID변수들을 결정할 수 있지만, 실제 플랜트에서 상기의 제어 루프를 안정 한계로 가져가는 데에는 어려움 있다.
이때 상기 PID 값들을 자동으로 설정해주는 오토튜닝기능을 사용한다면, 실험적으로 연료전지 스택을 구동하여 PID 값들을 일일이 계산하여 설정해주지 않아도 자동적으로 PID 값들을 결정하고, 이를 PID 피드백 제어기에 적용하여 상기의 어려움 없이도 연료전지를 구동할 수 있다.
이러한 오토튜닝기능은 별도로 제공되는 오토튜닝기능이 설치된 PID 피드백 제어기를 사용하여 PID 값들을 설정할 수 있다. 따라서, 일구현예에서, 바람직하게는 오토 튜닝 기능을 가지는 PID 피드백 제어기를 사용하도록 한다.
한편, 일구현예에서 상기 연료전지 스택의 초기 구동 시 출력전류를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 연료전지 스택의 초기 구동 시 출력전류의 제어는 연료농도의 제어와 별개로 실시하거나 동시에 실행하고, 출력전류 상승에 따른 상기 연료전지 스택의 전압 변화율을 관찰하면서 출력전류를 피드백 방식으로 천천히 증가시킬 수 있다.
연료전지 시스템을 켠 다음 운전을 시작하는 초기 구동 시에는 스택이 생산하는 최초의 전류는 0 mA/cm2 이고, 스택의 온도는 상온과 같다. 따라서, 출력전류를 최종 목표 전류로 갑자기 증가시키면 전압이 0 V로 떨어지고 연료전지에 무리가 가해져서 문제가 생기게 되므로, 출력전류를 천천히 상승시켜야 한다.
출력 전류밀도(I)가 최종 출력 전류밀도(Ist)보다 낮은 구간에서는 출력 전류밀도를 0에서부터 △I (mA/cm2) 만큼씩 올리고, 각 전류값에서 일정 대기시간(th)(holding time) 동안 머무른 다음(즉, 경과 시간이 대기 시간에 도달하도록 대기), 다시 △I 만큼 증가시켜 다음 전류밀도 단계로 넘어가며, 이러한 과정을 반복하여 최종 목표 전류밀도 (Ist)까지 상승시키게 된다. 예컨대 출력 전류밀도의 단계적 증가분(△I)은 단위셀의 전극 면적을 기준으로 하여 5 내지 100 mA/cm2로 하여 단계적으로 천천히 올리게 되며, 바람직하게는 20 내지 50mA/cm2씩 올리게 된다.
상기와 같은 연료전지 운전 시작 단계에서 전류를 증가시키는 과정은 상기한 스택 온도 및 연료 농도를 제어하는 과정과는 별도의 알고리즘을 사용하여 실시하게 되며, 예를 들어 도 5a에 제시된 알고리즘과 같이 시행된다.
도 5a는 본 발명의 일구현예에서 출력전류밀도를 제어하여 액체형 연료 전지의 초기구동을 실시하는 알고리즘이다. 참고로, 도 5a의 알고리즘에 기재된 설명은 이해를 돕기 위한 예시이므로 이에 국한되는 것으로 해석되어서는 안된다.
도 5b는 본 발명의 일구현예에서 출력전류밀도 증가 시 시간에 따른 전압 변화(도 5b) 및 전압 변화율(도 5c)를 나타내는 그래프이다. 도 5b에서 X축은 시간(초)이고, Y축은 전압(V)이다. 도 5c에서 X축은 시간(초)이고, Y축은 전압변화율이다.
도 5a 내지 5c를 참조하여 상술한다. 연료전지 시스템의 시작에 앞서서, 우선 출력전류의 △I와　 각 출력전류 단계에서의 대기 시간(th)(holding time)을 설정해 준다. 상기의 대기시간은 출력전류가 각 전류값에서 머물러 있는 시간이며, 경과 시간(t, t=각 전류값에서의 경과 시간, 전류가 변화되면 t는 0으로 다시 설정됨)이 시간이 대기 시간(th)(holding time)에 도달하면 △I만큼 상승시키게 된다.　
출력 전류 밀도 제어기는 각 전류의 단계가 시작됨과 동시에 경과시간을 인식하여 상기 경과시간이 상기 대기시간에 도달한 경우, 출력전류밀도를 △I만큼 상승시킨다.
그런데 이때 전류를 상승시키면 스택의 전압에 변화가 생기게 되는데, 도 5b에 도시된 바와 같이 전류 증가 시 처음에는 전압이 급격히 감소하였다가 다시 급격히 상승하고, 이어서 천천히 전압이 증가하면서 정상상태의 전압에 도달하게 된다.
도 5c에 예시된 바와 같이, 전압의 변화율(dV/dt)(V=전압, t=시간(초)은 전압의 변화와는 다르게, 전류 변화 초기에는 급격히 감소하였다가 최저점 도달 후 다시 급격히 상승한 다음에, 다시 천천히 감소하여서 0의 값으로 수렴하게 된다. 이때 상기의 전압변화율은 두 개의 지점을 지나게 된다.
즉, 첫 번째는 단계별 전류 증가분에 의해 전압이 급격히 감소하였다가 다시 급격히 상승하는 지점에서의 전압변화율 (제1 전압 변화율; P1)이고, 두 번째는 전압기울기가 충분히 감소하여 0에 가까운 지점에 있는 값(제2 전압 변화율; P2)이다. 상기 제1 전압변화율은 상기 제2 전압변화율보다 높은 것이 바람직하다.
상기의 P1은 P2보다 크며, 이 값들은 실험을 통해 전압의 기울기 변화를 보면서 임의로 적당한 값으로 결정할 수 있다. 상기의 P1을 설정하는 이유는, P2 값만으로 전류의 안정화 여부를 판단하게 되면 경우에 따라서는 스택의 전류가 안정화되지 않았음에도 불구하고 여러 가지 요인으로 인해 전압기울기가 일시적으로 P2보다 낮은 값을 가질 수 있게 되고, 이 경우 전류가 다음 단계로 상승하게 된다. 이렇게 되면 각 전류단계에서 전압이 안정화되기 위한 충분한 대기시간 없이 전류가 급속히 증가할 수 있으며, 이로 인해 연료전지 스택에 무리가 가해져 문제가 생길 수 있다.
따라서, 전압 변화율 P1과 P2를 설정하고, 이 두 값을 지난 경우에만 전류를 상승시키게 되면 안정적으로 스택을 운전할 수 있다.　이때 상기의 여러 가지 요인들이란 스택에 공급되는 연료농도의 급격한 변화, 전압 측정 장치의 오류; 전극 내에서 반응물과 생성물의 일시적인 물질전달 저항 증가; 캐소드에서 물이 고이는 홍수현상; 연료전지 구성 부품 간의 전기적 접촉저항 증가 등이 해당 될 수 있다.
상기의 dV/dt가 P1을 통과하고 P2보다 큰 구간에서는 아직 전압 변화가 큰 상태이므로 전류를 현재와 같이 유지하게 되고, 상기 전압변화율이 P2보다 작으면 전압이 거의 정상상태에 도달되어 연료전지가 안정된 상태이므로, 대기 시간 도달 전이라도 다시 출력전류를 ΔI 만큼 증가시키게 된다. 이러한 과정을 반복하면서 전류를 상승시켜 출력전류가 최종 목표값에 도달되도록 한다.
상기 전압의 측정구간은 약 0.1 내지 0.2초이므로, 상기와 같은 미세 시간 구간에서는 전압값이 매우 심하게 변동이 있기 때문에 하나의 전압 값을 구하기 위해서는 2 내지 10초 동안 측정한 전압값들의 평균치를 대표 전압 값으로 사용한다. 상기 P1과 P2값은 연료전지의 크기, 종류 및 특성, 그리고 운전조건에 따라 달라지므로 해당 연료전지와 운전조건에 맞게 실험을 통해 결정한다. 예를 들어, 상기 P1 값은 0.030 이상, 또는 0.03 내지 0.10 범위를 가지는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.04내지 0.05를 갖도록 하는 것이 유리하다. P2 값은 0.03 내지 0.005의 범위가 바람직하며, 더 바람직하게는 0.020 내지 0.025를 갖도록 하는 것이 유리하다.
구체적으로 출력 전류를 제어하는 과정을 예시해 보면 다음과 같다.
즉, 일구현예에서, 출력전류밀도를 천천히 증가시키는데 있어서, 출력전류밀도(I)가 최종 출력전류밀도(Ist)보다 낮은 구간에서는 출력 전류밀도의 단계적 증가분(△I)을 예컨대 10 내지 100 mA/cm2로 하여 경과 시간(t)이 일정 대기 시간(th)에 도달하면 단계적 증가분(△I)만큼 증가시킨다.
각 증가 단계에서 전류를 일정하게 유지한 상태에서 전압의 변화율(dV/dt)이 제 1지점(제1전압변화율)에 해당하는 0.03 이상이 되면 상기 전압 변화율이 제2지점인 0.025 이하가 될 때까지 다시 대기한다. 상기 전압 변화율이 제2지점(제2전압변화율)에 도달하여 0.025 내지 0.01V/sec 이하가 되면 정해진 양만큼 다시 전류를 증가시켜 다음 단계로 넘어가며, 이러한 과정을 반복하여 목표한 최종 출력 전류값에 도달하도록 출력전류를 조절하는 것이 바람직하다.
본 발명의 구현예들에서는, 또한 농도 센서를 사용하지 않는 온도 제어 기반 피드백 제어 방식을 통한 액체형 연료전지의 연료 농도 제어장치(이하, 농도 및 온도 제어 장치)를 제공한다(하기 도 6의 18 참조).
도 6은 본 발명의 일구현예에 따른 농도 센서를 포함하지 않는 연료전지 장치를 나타내는 개략도로서, 연료 농도 감지 센서를 사용하지 않는 연료순환 공급계통과 연료전지 장치를 보여준다. 도 6에서 농도 감지 센서와 이를 위한 펌프를 제외한 모든 부품 설명의 번호는 설명의 편의를 위하여 도1과 동일하게 하였다.
본 발명의 일구현예에 따른 연료전지 시스템은 상기한 바와 같이 농도 센서를 사용하지 않는 센서리스 방식이므로, 연료 전지 시스템이 단순 소형화되어 시스템 작동에 소모되는 전력이 절약되고, 시스템 자체의 가격도 낮출 수 있다.
도 6을 참조하면, 해당 연료전지 시스템은 연료혼합기(1)로부터 연료 순환 펌프(2)를 통하여 연료전지 스택(3)의 애노드로 희석연료가 공급된다. 또한, 상기 연료전지 스택(3)에는 공기 공급 블로워(4)로부터 연료전지 스택의 캐소드로 공기가 공급된다. 상기 연료혼합기(1)는 연료원액통(5)으로부터 연료원액 공급 펌프(6)를 통하여 연료원액을 공급받는다.
또한, 연료혼합기(1)는 물저장고(7)로부터 물공급 펌프(8)를 통해 물을 공급받으며, 상기 물저장고(7)는 상기 연료전지 스택(3)의 캐소드 출구쪽에 설치되어 있는 열교환기형 물응축기(12)에 연결된다.
상기 연료혼합기(1)에는 혼합연료의 부피를 일정하게 유지하기 위해 혼합연료의 수위를 측정하는 액위 측정 장치(10)가 장착되어 있다.
상기 연료혼합기(1)에서 연료전지 스택(3)의 애노드로 공급된 희석연료는 반응 후 연료농도가 낮아진 상태로 스택으로부터 다시 배출되어 열교환기(11)를 통과하면서 온도를 낮추게 되고, 다시 기액분리기가 설치되어 있는 연료혼합기(1)에 주입된다.
상기 연료혼합기(1)에는 연료원액 공급 펌프(6)가 연결되어 있어서 연료전지 스택(3)에서 소비된 양만큼의 연료를 연료혼합기(1)에 공급하여 연료혼합기 내의 희석연료의 농도를 목표치대로 맞추게 된다.
상기 연료전지 스택(3)의 애노드에서 생성된 기체(이산화탄소 등)는 미반응연료와 함께 순환계통의 열교환기(11)를 거쳐서 상기 연료혼합기(1)로 유입되고, 상기 연료혼합기(1)에 장착된 기액분리기를 거친 다음 방출 기체 배출부(13)를 통하여 외부로 유출된다.
상기 연료전지 스택(3)에는 온도 측정 장치(14), 전압 및 출력전류 측정 장치(15)가 각각 장착되어 있어서 상기 연료전지의 온도, 전압 및 출력 전류밀도를 측정한다.
상기 열교환기(11)와 온도 측정 장치(14), 전압 및 출력 전류밀도 측정장치(15)는 제어 장치(18)에 연결되어 있어, 상기 열교환기의 열제거 속도와 연료전지 스택에서의 연료소비량 또는 소비속도를 계산하는데 활용된다.
상기 제어 장치(18)는 후술하는 바와 같이 연료원액 공급 펌프, 열교환기, 출력 전류를 제어할 수 있다.
일구현예에서, 상기 제어 장치(18)는, 프로세서(또는 마이크로프로세서)를 포함한다. 이러한 프로세서는 컴퓨터 장치와 결합되는 장치일 수 있다. 상기 프로세서는 전술한 농도 및 온도 동시 제어 과정을 수행할 수 있다.
예컨대, 상기 프로세서는 다음을 수행할 수 있다.
즉, 상기 프로세서는, 운전 조건에 따라 결정된 액체형 연료전지의 연료 소비량 또는 소비 속도 데이터 베이스로부터 주어진 운전조건에서 연료 소비량 또는 소비속도를 결정하고, 해당 연료 소비량 또는 소비속도에 해당하는 연료원액 공급 유량 또는 유속을 결정하는 단계; 목표 조건 제어모드 또는 현재 조건 제어모드 중의 하나를 선택하고 이에 따라 결정되는 유량 또는 유속으로 연료원액을 공급하여 연료전지의 운전을 시작하도록 하는 단계; 연료전지 스택의 온도가 목표 온도(Tf)보다 낮은 소재 중간 온도(Ti)에 도달하면, 목표 조건 제어모드로 운전 모드를 고정하여 연료원액을 공급하도록 제어하고, 연료전지 스택의 현재 온도(T)와 목표 온도(Tf)를 비교하여 열교환기의 열 교환 정도(열 제거 정도 또는 열 제거 속도, 이하 동일)를 피드백 제어하여 연료전지 스택의 온도(T)가 목표 온도(Tf)로부터 설정된 오차 범위 내에서 유지되는 정상 상태가 되도록 제어 하는 단계; 및 열교환기가 최대 또는 최소로 가동되는 상태에서도 연료전지 스택의 온도(T)가 목표 온도(Tf)와 대비하여 설정된 오차 범위 밖으로 벗어나는 비정상 상태가 되면, 목표 조건 제어모드에 따라 고정되었던 상기 연료원액 공급 유량 또는 유속을 연료전지 스택의 온도(T)와 목표 온도(Tf)를 비교하여 피드백 제어함으로써 증가 또는 감소시켜, 연료전지 스택의 온도(T)를 목표 온도(Tf)로부터 설정된 오차범위 내의 정상 상태로 다시 들어가도록 제어하는 단계;를 수행하도록 프로그램될 수 있다.
일구현예에서, 상기 프로세서는, 운전 조건에 따라 결정되는 액체형 연료전지의 연료 소비량 또는 소비 속도가 데이터 베이스화되어 있는 데이터 저장부; 상기 저장부로부터 연료 소비 속도에 관한 데이터베이스를 호출하고, 상기 데이터베이스를 기반으로 연료 소비량 또는 소비 속도를 계산하여 이에 따라 결정되는 연료원액 공급량 또는 공급 속도에 관한 신호를 연료원액 공급 수단(예컨대, 연료원액 공급 펌프)으로 송출하는 제 1 처리부; 및 연료전지 스택의 온도 측정 장치로부터 현재 온도에 관한 신호를 수신하고, 연료전지 스택의 현재 온도를 목표 온도 값과 비교하여 오차 값을 계산하고, 상기 오차 값에 기초하여 P, PI 또는 PID 방식으로 제어 출력량을 계산하고, 해당 제어 출력량을 연료원액 공급 수단(예컨대, 연료원액 공급 펌프) 및/또는 열교환기 열 교환 속도 제어 수단(예컨대, 열교환기의 팬)으로 송출하는 제 2 처리부(피드백 제어부)를 포함할 수 있다.
일구현예에서, 상기 제 2 처리부(피드백 제어부)는, 연료전지 스택의 온도 측정 장치로부터 현재 온도에 관한 신호를 수신하고, 연료전지 스택의 현재 온도를 목표 온도 값과 비교하여 오차 값을 계산하고, 상기 오차 값에 기초하여 P, PI 또는 PID 방식으로 제어 출력량을 계산하고, 해당 제어 출력량을 연료원액 공급 수단(예컨대, 연료원액 공급 펌프)으로 송출하는 제 2-1 처리부(농도 피드백 제어부); 및 연료전지 스택의 온도 측정 장치로부터 현재 온도에 관한 신호를 수신하고, 연료전지 스택의 현재 온도를 목표 온도 값과 비교하여 오차 값을 계산하고, 상기 오차 값에 기초하여 P, PI 또는 PID 방식으로 제어 출력량을 계산하고, 해당 제어 출력량을 열 교환 속도 제어 수단(예컨대, 열교환기의 팬)으로 송출하는 제 2-2 처리부(온도 피드백 제어부)를 포함할 수 있다.
일구현예에서, 상기 프로세서는 연료전지 초기 구동 시 출력 전류를 제어하는 제 3 처리부(출력 전류 제어부)를 더 구비할 수 있다. 상기 제 3 처리부는 연료전지의 초기 구동 시 출력전류밀도를 단계적으로 증가시키되, 출력전류밀도(I)가 최종 출력전류밀도(Ist)보다 낮은 구간에서는 출력 전류밀도의 단계적 증가분(△I)을 5내지 100 mA/cm2로 하여 증가시키고, 각 증가 단계에서 전류를 일정하게 유지한 상태에서 전압의 변화율(dV/dt)이 제1전압변화율(P1)에 도달하면 해당 전압 변화율(dV/dt)이 제2전압변화율(P2)에 도달하기 전까지 대기하고, 제2전압변화율(P2)에 도달한 후 다시 전류를 증가시켜 다음 증가 단계로 넘어가도록 하며, 이러한 과정을 반복하여 목표한 최종 출력 전류값에 도달하도록 출력전류를 제어할 수 있다.
일구현예에서, 상기 데이터 저장부는 액체형 연료전지의 출력 전류, 출력 전압, 연료전지 스택의 온도 및 압력을 측정하는 측정 장치에 연결되어 해당 측정 장치로부터 측정 값에 대한 정보를 수신할 수 있다.
한편, 일구현예에 따르면, 상기 액체형 연료전지 장치는, 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택에 연결된 열교환부; 상기 연료전지 스택에 희석 연료를 제공하는 연료 공급부; 상기 연료전지 스택의 온도 측정 장치; 상기 연료 전지 스택의 출력 전압 및 전류 중 하나 이상을 측정하는 출력 측정 장치; 상기 제어 장치(18)를 포함한다(도 6 참조).
상기 열교환부는 연료전지 스택에 연결된 열교환기 및 상기 열교환기의 열 교환 정도를 제어하는 열 제거 정도 제어 수단을 포함하고, 상기 연료 공급부는 연료전지 스택에 희석 연료를 제공하는 연료혼합기; 및 상기 연료혼합기에 연료원액을 공급하는 연료원액 공급 수단을 포함할 수 있다. 또한 상기 제어 장치는 상기 온도 측정 장치, 상기 열 제거 정도 제어 수단, 상기 연료원액 공급 수단 및 상기 출력 측정 장치에 연결될 수 있다.
일구현예에서, 상기 열 교환부는 보다 구체적으로 애노드 측과 캐소드 측에 각각 연결되는 열교환기를 포함할 수 있다(11, 12). 즉, 상기 열교환부는, 연료전지 스택의 애노드 출구에 연결되어 고온의 미반응 혼합용액을 공급받고 열교환 후 온도가 낮아진 혼합용액을 연료혼합기로 공급하는 애노드 열 교환기(11); 연료전지 스택의 캐소드 출구에 연결되어 가습된 혼합 가스를 공급받고 열교환 후 응축된 물을 물 저장고로 공급하는 캐소드 열 교환기(12);를 포함할 수 있다.
또한, 상기 열교환기는 상기 열교환기들로 공급된 혼합 용액 또는 가습된 혼합 가스로부터 열을 빼앗을 수 있도록 고안된 열 교환 수단(예컨대 금속 배관과 금속 핀(fin): 참고로 설명하면, 금속 핀은 금속 배관을 둘러싸고 있는 얇은 판들이다. 이러한 판들이 금속 배관에 다닥다닥 붙어 있어서 금속의 비표면적을 크게 해주고, 공기가 금속에 닿는 면적을 크게 해줘서 열교환속도를 증가시켜 줄 수 있다). 상기 열교환 수단으로부터 열을 제거하는 수단(예컨대, 상기 열 교환 수단들로부터 열을 제거하기 위해 공기를 불어주는 송풍기(air blowing fan))을 포함할 수 있다.
상기 애노드 측 열교환기를 통과하면서 온도가 낮아진 혼합용액은 연료혼합기로 공급되고, 상기 캐소드 열교환기에서 응축된 물은 물 저장고로 공급되며, 상기 캐소드 열교환기에서 물이 제거된 기체는 외부로 배출된다.
일구현예에서, 상기 애노드 열 교환기(11)의 열제거 수단인 열교환기용 송풍기에 상기 제어 장치(18)가 연결될 수 있다.
일구현예에서, 상기 연료 공급부는 연료혼합기(1), 상기 연료혼합기에 연결된 연료원액통(5), 상기 연료원액통(5)으로부터 상기 연료혼합기에 연료원액을 제공하는 연료원액 공급 수단 예컨대 펌프(6)로 구성될 수 있다. 해당 펌프(6)에 상기한 제어 장치(18)가 연결될 수 있다. 상기 연료 공급부에서는 연료전지 스택(3)으로부터 유출된 미반응 연료를 모아서 연료혼합기(1)로 제공하여, 연료혼합기(1) 내에서 농도 적정된 희석연료를 연료전지 스택(3)으로 재공급할 수 있다.
한편, 일구현예에서, 상기 액체형 연료전지에 사용하는 액체 연료는 메탄올, 에탄올, 포름산, 이소프로판올, 프로판올, 에틸렌글리콜, 디메틸에테르, 부탄올, 수소, 부탄, 에탄, 프로판, 이산화탄소, 물 및 바이오연료 등의 반응물 중에서 하나 이상이 포함된 단독 또는 혼합연료일 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.
연료의 소비량 및 소비식 결정
메탄올을 연료로 하는 직접메탄올연료전지의 단위전지를 사용하여 실험을 수행하였다. 상기 단위전지는 인위적으로 온도 조절이 가능한 것을 사용하였다. 참고로, 상기 단위 전지에서, 전극 면적은 150 cm2이고, 전해질 막으로는 듀퐁(DuPont) 사의 나피온 115를 사용하였다. 애노드 전극 촉매로는 Pt-Ru 6 mg/cm2, 캐소드 전극 촉매로는 Pt 2mg/cm2을 사용하였다. 상기 단위전지에 사용한 분리판은 평행한 곡사형(parallel serpentine) 타입의 유로를 사용하였고, 연료로는 1M(mol/L) 메탄올을 사용하고, 연료 공급 유량은 5.95, 8.78, 11.7 ml/min으로 하였으며, 공기 공급 유량은 747, 1118, 1492 ml/min (건조 공기)로 하였다. 반쪽전지 구동 시 질소 혹은 수소 유량은 공기 공급 유량과 동일하게 하였다.
먼저, 전류와 온도, 농도, 유량에 따른 연료 소비속도 데이터베이스 구축을 위하여 상기 운전 조건을 차례로 변화시키면서 연료전지를 구동하고, 이때 각 운전조건에서 연료 소비량을 측정하였다.
전류 발생 시의 연료 소비는 상기에 제시된 식과 같이 스택의 출력 전류량을 통해서 계산하였고, 연료 크로스오버에 의한 연료의 소비는 캐소드에서 방출되는 기체에 포함되어 있는 이산화탄소의 농도를 통해 측정하였다.
상기 연료크로스오버에 의한 캐소드에서의 이산화탄소 발생량과 애노드에서 생성된 이산화탄소가 크로스오버되어 캐소드로 넘어온 것의 양은 단위전지 및 반쪽전지를 사용하여 측정하였다.
연료전지 구동 시 캐소드에서 방출되는 기체의 유량은, 상기 연료전지 캐소드에 공급하는 기체 즉, 순수 산소 혹은 공기의 유량을 측정한 후, 이 측정값에서 전류 발생 시의 산소 소비량을 차감하고, 크로스오버된 메탄올을 산화시키는 데 사용된 산소 소비량을 차감하고, 애노드에서 캐소드로 크로스오버된 이산화탄소량을 더하여 계산할 수 있다. 즉, 캐소드 출구에서 측정된 이산화탄소의 양(유출속도)은 애노드에서 캐소드로 크로스오버된 메탄올이 산화되어 발생된 이산화탄소와 애노드에서　 생성된 이산화탄소가 캐소드로 크로스오버된 것의 합으로 나타난다. 여기서, 질소와 산소가 확산에 의해 캐소드에서 애노드로 이동하는 양은 무시하였다.
도 7은 본 발명의 실시예에 있어서, 상압 조건 하에서 출력 전류밀도와 연료전지 내부의 온도, 그리고 연료 농도에 따른 연료(메탄올)의 소비량을 측정한 자료이다. 참고로, 도 7에서 온도는 40, 60, 80℃로 하였고, 메탄올 연료의 농도는 0.4, 0.8, 1.2 M(mol/L)로 하였으며, 출력 전류밀도는 0A에서 시작하여 5A씩 증가시키며 전압이 0.3V 이하 도달 시 정지하였다.
도 7을 참조하면, 전 범위에 걸쳐 전체 메탄올 소비량은 전류에 선형적인 관계를 나타낸다. 이 결과에 기초하여 설정 농도 및 전류, 온도, 유량 조건에서 연료의 소비량과 연료소비식을 결정할 수 있다.
출력 전류 제어
직접메탄올연료전지 스택을 제작하여 본 발명의 구현예들에 따른 제어 장치의 성능을 평가하였다. 상기 스택은 전극면적 150 cm2이고 단위전지 20개로 구성되어 있다.
먼저 본 발명의 실시예에 있어서, 출력전류 상승 폭(ΔI)을 5A로 설정하고, 개회로전압(open circuit voltage, OCV) 상태에서의 대기시간(th)을 2분, 다른 출력 전류 값들에서의 대기시간은 3분으로 설정하여, 연료전지 스택의 구동 초기에서부터 출력전류 상승에 의해 변화하는 상기 스택의 전압과 dV/dt의 변화를 관찰하였다.
이때 상기 연료전지 스택에 공급되는 연료의 농도를 유지하기 위해 현재조건 제어모드(present operating condition mode)에 해당되는 연료소비속도 만큼의 연료원액을 연료혼합기에 공급하였다.　
도 8은 본 발명의 실시예에서 직접메탄올연료전지의 초기구동에 있어서 출력전류밀도를 피드백방식으로 제어하는 예를 나타내는 그래프이다. 도 8a는 P1, P2를 사용하지 않고 제어한 것이고 도 8b는 도 8a에서와 같은 알고리즘에 따라 P1, P2를 사용하여 피드백 제어한 것이다.
도 8a 및 8b에서 1번은 전압을 나타내는 그래프이고, 2번은 전압 변화율(dV/dt)을 나타내는 그래프이다.
도 8a의 결과를 보면, 초기 구동이 시작된 이후에 연료전지의 출력전류가 정상적으로 0A에서 목표출력전류 값인 25A로 한번에 5A씩 단계적으로 상승되었으며, 이에 따라 전압도 단계적으로 감소한 것을 볼 수 있다.
이때 25A에 도달되는데 걸린 총 시간은 정확히 14분이었다. 이러한 이유는 상기의 출력전류 상승을 위한 대기시간을 설정하는데 있어서, 개회로전압(OCV)상태에서의 대기시간을 2분, 다른 출력전류 값들에서의 대기시간을 3분으로 설정하였기 때문이다.
상기 대기시간에서 설정된 2분과 3분이라는 값들은 실험을 통해 정해진 값들로서, 도 8a에서 보면 출력전류 값이 △I (5V) 만큼 상승한 후에 전압이 안정화된 상태에 접어들어 dV/dt가 매우 낮게 유지됨에도 불구하고, 불필요하게 동일한 출력전류 값에서 오랫동안 대기하고 있다. 이로 인해 출력전류 상승뿐만 아니라 연료전지의 온도 상승 또한 느리게 이루어져 상기 연료전지의 정상 운전을 위한 목표온도에 도달하는 시간을 증가시키게 된다.
이러한 문제점을 보완하기 위해, 개회로전압상태에서의 대기시간은 상기의 도 8a에서와 동일하게 2분으로 설정하고, 다른 출력전류 값들에서의 기본적인 대기시간은 3분으로 설정하였으나, 출력전류 상승 시에는 상기 도 5a에서 설명한 바와 같은 피드백 기능의 출력전류밀도 상승을 위한 제어 알고리즘을 사용하였다.
도 8b는 이러한 조건에서 얻은 실험결과로서, 목표출력전류 값으로 상승하는데 총 9분이 소요되어, 상기의 도 8a에서 소요된 14분에 비해 약 5분이 짧아졌다. 즉, 상기 도 5a에 제시된 개량된 알고리즘에서와 같이, 출력전류가 개회로전압 상태에서 △I만큼 상승된 이후부터 dV/dt를 인식하여 상기 dV/dt가 P1과 P2를 통과하는 경우에 한하여 출력전류를 △I만큼 상승시킨 것이다. 만약 P1과 P2를 통과하지 못하면 3분 후에 자동적으로 출력전류가 상승된다.
이때의 결과는 상기의 도 8a에서와 다르게 각 출력전류 값에서 오랫동안 불필요하게 대기하지 않고 최종 목표 출력전류 값으로 빠르게 상승되었다는 것을 알 수 있다.
이때 상기의 실험예에서 상기 알고리즘에 기입된 설정 값, P1과 P2는 각각 0.05와 0.02로 하였다. 이때 출력전류 상승뿐만 아니라 연료전지의 온도 상승 또한 빠르게 이루어져 상기 연료전지의 정상 운전을 위한 목표온도에 도달하는 시간을 감소시키게 된다. 상기 도 8b의 실험 결과는 도8a와 동일한 실험 조건에서 진행되었으며, 이때 연료전지 스택에 공급되는 연료의 농도는 현재조건 제어모드(present operating condition mode)에 해당되는 연료소비속도 만큼의 연료원액을 연료혼합기에 공급하므로서 도8a의 실험조건과 동일하게 하였다.
무센서 농도 및 온도 동시 제어
액체 연료전지의 정상상태 운전에 있어서는, 열교환기의 열제거 속도에 의해 스택의 온도가 목표 값으로 일정하게 유지되어지며, 연료혼합기에 공급되는 원액연료의 공급속도는 목표운전조건(목표조건 제어모드)으로 설정된 소비속도에 의해 일정하게 유지된다. 따라서 상기 정상상태 운전에 있어서, 희석연료의 농도는 일정한 값으로 유지되어진다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 실시예에 따른 액체 연료전지의 정상상태 운전에 있어서, 연료원액이 목표조건 제어모드로 연료혼합기에 공급될 때, 열교환기의 피드백 제어기에 의해 스택의 온도가 목표온도로 일정하게 유지되고 있는 결과를 나타내는 그래프이다.
참고로, 도 9a에서 1번은 스택의 목표온도, 2번은 목표온도로부터 설정된 오차온도범위, 3번은 스택의 온도, 4번은 열교환기 출구의 온도, 5번은 스택의 연료극(애노드) 입구의 온도, 6번은 희석연료의 농도이다.
도 9a는 이때 변화하는 열교환기 출구 및 연료전지 스택의 애노드 입출구의 온도와 스택에 공급되는 희석연료의 메탄올 농도의 변화를 보여준다. 스택의 목표온도는 65℃이고, 스택 온도의 제어범위는 63.7℃로부터 66.3℃로 설정(목표온도로부터 ±2%)되었다. 상기에 설정된 목표온도 및 설정 범위는 도 9a에서 점선으로 표시하였다. 도 9a는 스택의 온도가 열교환기의 피드백 제어기에 의해 목표온도인 65℃로 일정하게 제어되고 있는 결과를 보여준다. 열교환기 피드백 제어기에 의한 열제거 속도의 변화는 도 9b에 나타내었다.
열교환기의 열제거 속도는 80과 100% 사이의 값을 가지며 피드백 제어기의 피드백 제어를 통하여 변화하고 있다(도 9b). 이러한 변화는 연료전지 스택의 현재 온도와 목표온도를 비교하여 피드백 제어기에 의해 결정되어진다. 이때 연료혼합기에 공급되는 원액 연료의 공급속도는 목표운전조건으로 설정된 소비속도로 일정하게 유지되고 있는 상황이다. 따라서, 희석연료의 농도는 목표운전조건으로 설정된 연료원액의 소비속도에 의해 2.9wt%로 일정하게 유지되고 있다.　
일반적으로, 열교환기의 열제거 속도는 70~90% 범위 내에서 유동적으로 변화시키며 스택의 온도를 목표온도로 제어하는 것이 바람직하다. 열교환기의 열제거 속도가 극단적인 값인 0 또는 100%로 일정하게 유지되는 경우에 있어서는, 원액연료의 피드백 제어기의 피드백 제어에 의한 추가적인 스택의 온도 제어가 필요하게 된다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 실시예에 따른 액체 연료전지의 정상상태 운전에 있어서 스택의 온도가 최종목표온도로부터 점점 멀어지는 경우(연료의 농도 제어가 정확히 이루어지지 않고 있는 상황), 희석연료의 농도를 최종목표온도를 기준으로 제어하고 있는 결과를 나타내는 그래프이다.
참고로, 도 10a에서 1번은 스택의 목표온도, 2번은 목표온도로부터 설정된 오차온도범위, 3번은 스택의 온도, 4번은 열교환기 출구의 온도, 5번은 스택의 연료극(애노드) 입구의 온도, 6번은 희석연료의 농도이다.
도 10b에서 1번은 열교환기의 열제거 속도이고, 2번은 메탄올 원액의 공급속도이다.
도 10a에서는 100% 구동되는 열교환기의 제어에도 불구하고 스택의 온도가 목표온도보다 2% 높은 상한 값(66.3℃) 이상으로 증가된 경우의 제어결과를 보여준다. 이러한 경우에는 열교환기만으로는 상기 스택의 온도를 낮출 수 없기 때문에 스택에 공급되는 희석연료의 농도를 낮추어야 하며, 이를 위해서는 연료혼합기에 공급되는 연료원액의 양을 줄여야 한다.
도 10b에서는 피드백 제어기에 의해 연료원액 공급펌프의 출력량이 변화하고 있는 것을 보여준다. 스택의 온도가 66.3℃ 이상으로 증가하는 시점에서 상기 연료원액 공급펌프의 출력량이 100으로부터 음의 방향으로 2차례이상 반복적으로 감소되었다.
이로 인해, 상기 스택에 공급되는 연료의 농도는 3.0~3.4wt% 범위 내에서 제어가 이루어지고, 스택의 온도가 더 이상 높은 값으로 증가하지 않고 주어진 오차범위 내에서 제어되고 있는 것을 볼 수 있다. 이때 상기 원액펌프는 80~120%의 출력량 범위 내에서 제어되고 있다. 출력량이 100% 이하로 감소되는 경우에 있어서는 목표 운전조건으로 설정된 연료 공급속도(100%)보다 낮은 연료 공급속도로 연료원액을 연료혼합기에 공급하고 있다는 것을 의미한다.
　이상의 결과로부터 본 발명의 구현예들의 방법 및 장치를 사용하면, 농도 센서를 사용하지 않는 온도 제어 기반의 피드백 제어에 의하여 연료의 농도와 스택의 온도가 일정한 범위 내에서 유지됨을 확인하였다. 또한, 상기 열교환기의 열제거 속도와 연료원액 공급펌프의 펌핑속도를 각기 다른 PID 피드백 제어를 통하여 적절하게 조절함으로써 연료의 농도와 온도를 정밀하게 제어하면서 연료전지를 구동하는 것이 가능함을 알 수 있다.
1: 연료혼합기
2: 희석연료 공급 펌프
3: 연료전지 스택
4: 공기 블로워
5: 연료원액통
6: 연료원액 공급 펌프
7: 물 저장통
8: 물 공급 펌프
9: 농도 센서를 사용하는 농도 제어기
10: 액위 측정 장치
11: 연료극 열교환기
12: 공기극 열교환기
13: 이산화탄소 기체 배출부
14: 온도 측정 장치
15: 전압 측정 및 출력 전류 제어 장치
16: 센서 펌프(희석 연료를 농도 센서에 공급하기 위한 것)
17: 메탄올 농도 센서
18: 농도 센서를 사용하지 않는 액체형 연료전지의 연료 농도 제어 장치

Claims (19)

  1. 액체형 연료전지의 운전 조건에 따른 연료 소비량 또는 연료 소비속도를 측정하여 데이터베이스를 얻고, 상기 데이터베이스를 바탕으로 운전 조건에 따른 연료 소비식을 작성하는 단계(S1);
    상기 S1 단계에서 결정된 연료 소비식에 근거하여 주어진 운전조건에서 연료 소비량 또는 소비속도를 결정하고, 결정된 연료 소비량 또는 소비속도에 해당하는 연료원액 공급 유량 또는 유속을 결정하는 단계(S2);
    연료전지 스택의 목표 온도(Tf)를 설정하고, 목표 조건 제어모드 또는 현재 조건 제어모드 중의 하나를 선택하고, 이에 따라 결정되는 연료원액 공급 유량 또는 유속으로 연료원액을 연료혼합기에 공급하고, 상기 연료혼합기에서 만들어진 희석연료를 연료전지 스택에 공급하므로써 연료전지 운전을 시작하는 단계(S3);
    연료전지 스택의 온도(T)가 목표 온도(Tf) 전 소정의 중간 온도(Ti)에 도달하면, 목표 조건 제어모드로 운전 조건 모드를 고정하고 이에 따라 연료원액을 공급하여 연료전지를 운전하고, 연료전지 스택의 온도(T)와 목표 온도(Tf)를 비교하여 열교환기의 열 제거 정도를 피드백 제어하여 연료전지 스택의 온도(T)가 목표 온도(Tf)로부터 설정된 오차 범위 내에서 유지되는 정상 상태가 되도록 하는 단계(S4); 및
    열교환기가 최대 또는 최소로 가동되는 상태에서도 연료전지 스택의 온도(T)가 목표 온도(Tf)와 대비하여 설정된 오차 범위 밖으로 벗어나는 비정상 상태가 되면, 목표 조건 제어모드에 따라 고정되었던 상기 연료원액 공급 유량 또는 유속을 연료전지 스택의 온도(T)와 목표 온도(Tf)를 비교하여 피드백 제어함으로써 증가 또는 감소시켜, 연료전지 스택의 온도(T)를 목표 온도(Tf)로부터 설정된 오차범위 내의 정상 상태로 다시 들어가도록 제어하는 단계(S5);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 농도 센서를 사용하지 않는 온도 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료 농도 및 스택 온도 동시 제어방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 S1 단계에서, 연료 소비속도는 상기 연료전지에서 전류 발생 시 필요한 연료 소비속도 및 연료전지 운전 시 연료의 불가피한 손실 속도의 합으로 결정되는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전류 발생 시 필요한 연료 소비속도는 연료전지 구동에 따른 전류 측정값과 패러데이 상수를 이용하여 결정하는 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 연료전지 운전 시 연료의 불가피한 손실속도는 연료전지의 애노드에서 전해질막을 거쳐 캐소드로 연료가 투과하는 연료의 크로스오버 및 연료가 통과하는 기액 분리기 또는 연료혼합기에서의 증발에 의한 연료 손실의 합으로 결정하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 S3 단계에서, 연료전지 스택의 온도(T)가 중간 온도(Ti) 보다 작으면, 열교환기의 출력량을 0으로 설정하고,
    상기 S4 단계에서, 연료전지 스택의 온도(T)가 중간 온도(Ti) 보다 같거나 커지면 열교환기의 열교환을 수행하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 S4 단계에서 중간온도(Ti)는 목표 온도(Tf)보다 5 내지 30℃ 낮은 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 방법은 연료전지 구동 시, 연료전지 스택의 출력 전압 및 연료전지 스택의 온도 중 하나 이상을 기준으로 연료전지의 운전의 중지 여부를 결정하는 단계를 더 포함하되,
    출력 전압(V)이 최소 출력 전압(Vmin) 보다 작아지거나, 연료전지 스택의 온도가 상한 온도를 초과하면 연료전지 운전을 중지하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 방법은 연료전지 초기 구동 시, 연료전지의 출력 전압이 0.1 내지 0.2V 미만으로 떨어지거나, 연료전지 스택의 온도가 상한 온도인 80내지 100℃를 초과하면 연료전지의 운전을 중지하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 S3 단계 및 S4 단계에서 상기 피드백 제어는 각각 독립적으로 P, PI, 또는 PID 방식 중의 어느 하나를 단독으로 또는 교대로 사용하는 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은 연료전지 초기 구동 시, 출력 전류의 조절을 연료 농도의 제어와 별개로 실시하거나 동시에 실시하고, 출력 전류의 조절 시,
    출력전류밀도를 단계적으로 증가시키되, 출력전류밀도(I)가 최종 출력전류밀도(Ist)보다 낮은 구간에서는 출력전류밀도의 단계적 증가분(△I)을 10 내지 100 mA/cm2로 하여 경과 시간(t)이 일정 대기 시간(th)에 도달하면 상기 단계적 증가분(△I)만큼 증가시키되,
    각 증가 단계에서 전류를 일정하게 유지한 상태에서 전압의 변화율(dV/dt)이 제1전압변화율(P1)에 도달하면 해당 전압 변화율(dV/dt)이 제2전압변화율(P2)에 도달하기 전까지 대기하고, 제2전압변화율(P2)에 도달하면 상기 대기 시간(th)에 도달하지 않은 시점에서도 상기 단계적 증가분(△I)만큼 전류를 증가시켜 다음 단계로 넘어가도록 하며,
    이 과정을 반복하여 목표한 최종 출력 전류값에 도달하도록 출력전류를 제어하는 방법.
  11. 농도 센서를 사용하지 않는 온도 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의해 액체형 연료전지의 연료 농도 및 온도를 동시에 제어하는 장치로서,
    상기 장치는 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는,
    운전 조건에 따라 결정된 액체형 연료전지의 연료 소비량 또는 소비 속도 데이터 베이스로부터 주어진 운전조건에서 연료 소비량 또는 소비속도를 결정하고, 해당 연료 소비량 또는 소비속도에 해당하는 연료원액 공급 유량 또는 유속을 결정하는 단계;
    목표 조건 제어모드 또는 현재 조건 제어모드 중의 하나를 선택하고 이에 따라 결정되는 유량 또는 유속으로 연료원액을 공급하여 연료전지의 운전을 시작하도록 하는 단계;
    연료전지 스택의 온도가 목표 온도(Tf) 전 소정의 중간 온도(Ti)에 도달하면, 목표 조건 제어모드로 운전 조건 모드를 고정하여 연료원액을 공급하도록 제어하고, 연료전지 스택의 현재 온도(T)와 목표 온도(Tf)를 비교하여 열교환기의 열 제거 정도를 피드백 제어하여 연료전지 스택의 온도(T)가 목표 온도(Tf)로부터 설정된 오차 범위 내에서 유지되는 정상상태가 되도록 제어 하는 단계; 및
    열교환기가 최대 또는 최소로 가동되는 상태에서도 연료전지 스택의 온도(T)가 목표 온도(Tf)와 대비하여 설정된 오차 범위 밖으로 벗어나는 비정상 상태가 되면, 목표 조건 제어모드에 따라 고정되었던 상기 연료원액 공급 유량 또는 유속을 연료전지 스택의 온도(T)와 목표 온도(Tf)를 비교하여 피드백 제어함으로써 증가 또는 감소시켜, 연료전지 스택의 온도(T)를 목표 온도(Tf)로부터 설정된 오차범위 내의 정상 상태로 다시 들어가도록 제어하는 단계;를 포함하는 과정을 수행하도록 프로그램된 것을 특징으로 하는, 농도 센서를 사용하지 않는 온도 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의해 액체형 연료전지의 연료 농도 및 온도를 동시에 제어하는 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 프로세서는, 운전 조건에 따라 결정되는 액체형 연료전지의 연료 소비량 또는 소비 속도가 데이터 베이스화되어 있는 데이터 저장부;
    상기 저장부로부터 연료 소비 속도에 관한 데이터베이스를 호출하고, 상기 호출된 데이터베이스를 기반으로 연료 소비량 또는 소비 속도를 계산하여 이에 따라 결정되는 연료원액 공급량 또는 공급 속도에 관한 신호를 연료원액 공급 수단으로 송출하는 제 1 처리부; 및
    연료전지 스택의 온도 측정 장치로부터 연료전지 스택 온도(T)에 관한 정보를 수신하고, 연료전지 스택의 온도(T)를 목표 온도(Tf) 값과 비교하여 오차 값을 계산하고, 상기 오차 값에 기초하여 P, PI 또는 PID의 방식으로 제어 출력량을 계산하고, 해당 제어 출력량을 연료원액 공급 수단 및 열교환기 열 제거 정도 제어 수단 중 선택되는 하나 이상으로 송출하는 제 2 처리부를 포함하는 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 처리부는, 연료전지 스택의 온도 측정 장치로부터 연료전지 스택의 온도(T)에 관한 정보를 수신하고, 연료전지 스택의 온도(T)를 목표 온도(Tf) 값과 비교하여 오차 값을 계산하고, 상기 오차 값에 기초하여 P, PI 또는 PID의 방식으로 제어 출력량을 계산하고, 해당 제어 출력량을 연료원액 공급 수단으로 송출하는 제 2-1 처리부; 및
    연료전지 스택의 온도 측정 장치로부터 연료전지 스택의 온도(T)에 관한 정보를 수신하고, 연료전지 스택의 온도(T)를 목표 온도(Tf) 값과 비교하여 오차 값을 계산하고, 상기 오차 값에 기초하여 P, PI 또는 PID의 방식으로 제어 출력량을 계산하고, 해당 제어 출력량을 열 교환기의 열 제거 정도 제어 수단으로 송출하는 제 2-2 처리부를 포함하는 장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 프로세서는, 연료전지 구동 시, 연료전지 스택의 출력 전압 및 연료전지 스택의 온도 중 하나 이상을 기준으로 연료전지의 운전의 중지 여부를 결정하는 단계를 더 수행하고,
    출력 전압(V)이 최소 출력 전압(Vmin) 보다 작아지거나, 연료전지 스택의 온도가 상한 온도를 초과하면 연료전지 운전을 중지하는 장치.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 프로세서는, 연료전지 초기 구동 시 출력 전류를 추가적으로 제어하는 것으로서,
    연료전지의 초기 구동 시 출력전류밀도를 단계적으로 증가시키되, 출력전류밀도(I)가 최종 출력전류밀도(Ist)보다 낮은 구간에서는 출력 전류밀도의 단계적 증가분(△I)을 10 내지 100 mA/cm2로 하여 경과 시간(t)이 일정 대기 시간(th)에 도달하면 상기 단계적 증가분(△I)만큼 증가시키고,
    각 증가 단계에서 전류를 일정하게 유지한 상태에서 전압의 변화율(dV/dt)이 제1전압변화율(P1)에 도달하면 해당 전압 변화율(dV/dt)이 제2전압변화율(P2)에 도달하기 전까지 대기하고, 제2전압변화율(P2)에 도달하면 상기 대기 시간(th)에 도달하지 않은 시점에서도 상기 단계적 증가분(△I)만큼 전류를 증가시켜 다음 단계로 넘어가며,
    상기 과정을 반복하여 목표한 최종 출력 전류값에 도달하도록 출력전류를 제어하는 장치.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 데이터 저장부는 액체형 연료전지의 출력 전류, 출력 전압, 연료전지 스택의 온도 및 압력 중에서 선택되는 하나 이상을 측정하는 측정 장치에 연결되어, 해당 측정 장치로부터 측정값에 대한 정보를 수신하고 이에 따라 연료 소비량 또는 소비 속도를 데이터 베이스화하는 장치.
  17. 액체형 연료전지 장치에 있어서,
    연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택에 연결된 열교환부;
    상기 연료전지 스택에 희석 연료를 제공하는 연료 공급부;
    상기 연료 전지 스택의 온도 측정 장치;
    상기 연료 전지 스택의 출력 전압 및 전류 중 하나 이상을 측정하는 출력 측정 장치;
    제 11 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 제어 장치를 포함하고,
    상기 열교환부는 연료전지 스택에 연결된 열교환기 및 상기 열교환기의 열 제거 정도를 제어하는 열 제거 정도 제어 수단을 포함하고,
    상기 연료 공급부는 연료전지 스택에 희석 연료를 제공하는 연료혼합기; 및 상기 연료혼합기에 연료원액을 공급하는 연료원액 공급 수단을 포함하며,
    상기 제어 장치는 상기 온도 측정 장치, 상기 열 제거 정도 제어 수단, 상기 연료원액 공급 수단 및 상기 출력 측정 장치에 연결되는 액체형 연료전지 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 연료 공급부는, 연료혼합기; 상기 연료혼합기에 연결된 연료원액통; 상기 연료원액통으로부터 상기 연료혼합기에 연료원액을 제공하는 연료원액 공급 수단인 펌프;를 포함하고, 상기 펌프에 상기 제어 장치가 연결되고,
    상기 열교환부는, 연료전지 스택의 애노드 출구에 연결되어 미반응 혼합 용액을 공급받고 열교환 후 온도가 낮아진 혼합용액을 연료혼합기로 공급하는 애노드 열 교환기; 연료전지 스택의 캐소드 출구에 연결되어 가습된 혼합 가스를 공급받고 열교환 후 응축된 물을 물 저장고로 공급하는 캐소드 열 교환기; 상기 열 교환기에 연결되는 열 제거 정도 제어 수단인 송풍기를 포함하고, 상기 송풍기에 상기 제어 장치가 연결되는 장치.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 액체형 연료전지에 사용하는 액체 연료는 메탄올, 에탄올, 포름산, 이소프로판올, 프로판올, 에틸렌글리콜, 디메틸에테르, 부탄올, 수소, 부탄, 에탄, 프로판, 이산화탄소, 물 및 바이오연료 등의 반응물 중에서 하나 이상이 포함된 단독 또는 혼합연료인 장치.
KR1020130146674A 2012-11-30 2013-11-28 농도 센서를 사용하지 않는 온도 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료 농도 및 온도 동시 제어 방법 및 제어 장치, 이를 이용한 액체형 연료전지 장치 KR101635728B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/093,614 US10079395B2 (en) 2012-11-30 2013-12-02 Method and apparatus for simultaneous controlling of fuel concentration and temperature of liquid fuel by sensor-less and temperature-control based feed-back control, liquid fuel cell apparatus using the same

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120138495 2012-11-30
KR20120138495 2012-11-30

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140072805A true KR20140072805A (ko) 2014-06-13
KR101635728B1 KR101635728B1 (ko) 2016-07-21

Family

ID=51126567

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130146674A KR101635728B1 (ko) 2012-11-30 2013-11-28 농도 센서를 사용하지 않는 온도 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료 농도 및 온도 동시 제어 방법 및 제어 장치, 이를 이용한 액체형 연료전지 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101635728B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160063747A (ko) * 2014-11-27 2016-06-07 한국과학기술연구원 농도 센서를 사용하지 않는 전압진폭 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료농도 제어 방법 및 제어 장치, 이를 이용한 액체형 연료전지 장치
CN114639850A (zh) * 2020-12-16 2022-06-17 中国科学院大连化学物理研究所 一种液体燃料电池浓度优化控制方法
CN115579492A (zh) * 2022-10-31 2023-01-06 上海汉翱新能源科技有限公司 一种氢燃料电池工作温度控制方法和系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006318715A (ja) * 2005-05-11 2006-11-24 Nec Corp 固体高分子型燃料電池及び固体高分子型燃料電池の運転方法
KR20090022521A (ko) 2007-08-30 2009-03-04 한국과학기술연구원 농도 센서를 사용하지 않는 액체형 연료 전지의 연료 농도제어 방법 및 장치, 이를 이용한 액체형 연료 전지 장치
US20090110968A1 (en) 2007-10-30 2009-04-30 Krewer Ulrike Method and apparatus for controlling fuel concentration in direct liquid fuel cell
US7816045B2 (en) 2004-04-07 2010-10-19 Yamaha Hatsudoki Kabushiki Kaisha Fuel cell system and control method therefor
US7910256B2 (en) 2008-07-11 2011-03-22 Institute Of Nuclear Energy Research Atomic Energy Council, Executive Yuan Method for supplying fuel to fuel cell

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7816045B2 (en) 2004-04-07 2010-10-19 Yamaha Hatsudoki Kabushiki Kaisha Fuel cell system and control method therefor
JP2006318715A (ja) * 2005-05-11 2006-11-24 Nec Corp 固体高分子型燃料電池及び固体高分子型燃料電池の運転方法
KR20090022521A (ko) 2007-08-30 2009-03-04 한국과학기술연구원 농도 센서를 사용하지 않는 액체형 연료 전지의 연료 농도제어 방법 및 장치, 이를 이용한 액체형 연료 전지 장치
US20090110968A1 (en) 2007-10-30 2009-04-30 Krewer Ulrike Method and apparatus for controlling fuel concentration in direct liquid fuel cell
US7910256B2 (en) 2008-07-11 2011-03-22 Institute Of Nuclear Energy Research Atomic Energy Council, Executive Yuan Method for supplying fuel to fuel cell

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
C. L. Chang, C. Y. Chen, C. C. Sung, D. H. Liou, Fuel sensor-less control of a liquid feed fuel cell system under steady load for portable applications, Journal of Power Sources, 164 (2007), 606-613
C. Y. Chen, C. L. Chang, C. C. Sung, Operation Characteristic Analysis of a Direct Methanol Fuel Cell System Using the Methanol Sensor-less Control Method, Fuel Cells, Volume 12, Issue 5 (2012) 883-891
C.L. Chang, C. Y. Chen, C. C. sung, D.H. Liou, Fuel sensor-less control of a liquid feed fuel cell under dynamic loading conditions for portable power sources (I), Journal of Power Sources 182 (2008) 133-140
C.L. Chang, C.Y. Chen, C.C. Sung, D.H. Liou, C.Y. Chang, H.C. Cha, Fuel sensor-less control of a liquid feed fuel cell under dynamic loading conditions for portable power sources (II), Journal of Power Sources 195 (2010) 1427-1434
C.Y. Chen, D.H. Liu, C.L. Huang, C.L. Chang, Portable DMFC system with methanol sensor-less control, Journal of Power Sources 167 (2007) 442-449
Kuang-Yow Lian, Chih-Min Yang, Sensor-less adaptive fuel concentration control for direct methanol fuel cells under varying load, Journal of Power Sources, 231 (2013) 239-245

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160063747A (ko) * 2014-11-27 2016-06-07 한국과학기술연구원 농도 센서를 사용하지 않는 전압진폭 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료농도 제어 방법 및 제어 장치, 이를 이용한 액체형 연료전지 장치
US9911996B2 (en) 2014-11-27 2018-03-06 Korea Institute Of Science And Technology Method and apparatus for controlling fuel concentration of liquid fuel cell by sensor-less and voltage amplitude-control based feed-back control, and liquid fuel cell apparatus using the same
CN114639850A (zh) * 2020-12-16 2022-06-17 中国科学院大连化学物理研究所 一种液体燃料电池浓度优化控制方法
CN114639850B (zh) * 2020-12-16 2024-03-12 中国科学院大连化学物理研究所 一种液体燃料电池浓度优化控制方法
CN115579492A (zh) * 2022-10-31 2023-01-06 上海汉翱新能源科技有限公司 一种氢燃料电池工作温度控制方法和系统
CN115579492B (zh) * 2022-10-31 2023-12-22 上海汉翱新能源科技有限公司 一种氢燃料电池工作温度控制方法和系统

Also Published As

Publication number Publication date
KR101635728B1 (ko) 2016-07-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100699371B1 (ko) 직접 메탄올형 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법
US8263282B2 (en) Fuel cell system and control method thereof
EP2915209B1 (en) Fuel cell humidification management method&amp;system
US7348083B2 (en) Fuel cell system
JP2007220538A (ja) 燃料電池システム
KR101635728B1 (ko) 농도 센서를 사용하지 않는 온도 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료 농도 및 온도 동시 제어 방법 및 제어 장치, 이를 이용한 액체형 연료전지 장치
KR101309154B1 (ko) 연료 전지 시스템의 구동 방법
US8968954B2 (en) Fuel cell system and method of controlling reaction condition of fuel in fuel cell
US20150037700A1 (en) Fuel cell system and control method of fuel cell system
KR101423853B1 (ko) 연료 전지 시스템
KR101670727B1 (ko) 농도 센서를 사용하지 않는 전압진폭 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료농도 제어 방법 및 제어 장치, 이를 이용한 액체형 연료전지 장치
JP2007141744A (ja) 燃料電池システム
JP2006073486A (ja) 燃料電池発電装置の運転方法及び燃料電池発電装置
US7531259B2 (en) Fuel cell cooling and water management system
US10079395B2 (en) Method and apparatus for simultaneous controlling of fuel concentration and temperature of liquid fuel by sensor-less and temperature-control based feed-back control, liquid fuel cell apparatus using the same
JP2006032210A (ja) 燃料電池の運転方法
US20080152968A1 (en) Controlling oxidant flows in a fuel cell system
US20080152964A1 (en) Technique and apparatus to regulate a reactant stoichiometric ratio of a fuel cell system
JP2008027606A (ja) 燃料電池システム
KR101301810B1 (ko) 연료전지 시스템
JP2005317437A (ja) 燃料電池システムおよび装置
Cho et al. Performance analysis of direct methanol fuel cell for optimal operation
JP2010192208A (ja) 燃料電池装置および燃料電池装置の燃料制御方法
WO2015011790A1 (ja) 燃料電池発電システム
JP2011216307A (ja) 燃料電池システムの起動方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
GRNT Written decision to grant