KR20160063747A - 농도 센서를 사용하지 않는 전압진폭 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료농도 제어 방법 및 제어 장치, 이를 이용한 액체형 연료전지 장치 - Google Patents

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

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Abstract

액체형 연료전지의 운전 조건하에서 희석연료농도의 변화에 따른 출력 전압진폭(Vamp) 및 스택의 운전 온도(T)를 측정하여, 희석연료농도와 전압진폭(Vamp)의 상관관계를 구축하는 제1단계; 희석연료농도와 전압진폭(Vamp)사이의 상관관계를 기반으로 목표 전압진폭(Vst-amp) 및 연료전지 스택의 목표운전온도(Tst)를 포함하는 실제 운전조건을 설정하는 제 2단계; 및 실제 운전조건을 기준으로 하여 연료전지를 운전하되, 전압진폭 측정 구간(tst)에 따라 연료전지의 출력 전압(Vi)이 요동하는 전압진폭(Vamp)을 측정하고, 측정된 전압진폭(Vamp) 값이 목표 전압진폭(Vst-amp)에 도달하도록 연료원액의 공급량(PMeOH)을 결정하여 연료혼합기에 공급하는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 농도 센서를 사용하지 않는 전압진폭 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료농도 제어방법이 제공된다.

Description

농도 센서를 사용하지 않는 전압진폭 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료농도 제어 방법 및 제어 장치, 이를 이용한 액체형 연료전지 장치{METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING FUEL CONCENTRATION OF LIQUID FUEL CELL BY SENSOR-LESS AND VOLTAGE AMPLITUDE-CONTROL BASED FEED-BACK CONTROL, LIQUID FUEL CELL APPARATUS USING THE SAME}
본 명세서는 농도 센서를 사용함이 없이 연료전지 스택의 전압이 요동하는 진폭을 기반으로 하여 액체형 연료전지에 공급되는 연료 농도를 제어할 수 있는 제어 시스템과 그 제어 방법, 이를 이용한 연료전지 장치에 관한 것이다.
21세기 인류가 직면하고 있는 가장 큰 문제 중의 하나는 에너지 자원의 한계성과 지구의 환경오염이다. 이를 해결할 수 있는 대안으로서, 연료전지는 에너지 고갈과 환경문제를 동시에 해결할 수 있는 차세대 에너지원으로 각광받고 있다. 연료전지는 전해질 종류 및 특성에 따라 크게 용융탄산염 연료전지(molten carbonate fuel cell, MCFC), 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC), 고분자 전해질 연료전지(Polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)등으로 분류된다. 이 중에서도, 직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC)는 액체형 연료를 사용하고, 연료에 대한 공급 및 저장이 간편하여 배터리를 대체하거나 소형 또는 휴대용 전원으로서 집중적으로 연구되고 있다.
이러한 직접메탄올연료전지를 포함한 액체형 연료전지에서는 최적화된 연료의 농도를 일정하게 공급하고, 연료전지 스택에서 배출되는 미반응 연료를 재사용하여 연료전지의 성능 및 에너지 효율을 높이는 것이 중요하다.
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 연료 전지 순환 계통 내의 연료 농도를 측정하고, 농도 변화를 관찰하면서 연료의 농도를 일정하게 유지시키는데 필요한 연료원액의 주입량을 계산하여 연료전지에 공급함으로써, 스택에 공급되는 연료의 농도를 제어한다.
도 1은 종래의 기술에 따른 농도 센서를 포함하는 연료전지 장치를 나타내는 개략도이다.
도 1에 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, 이러한 방법은 농도 센서와 센서에 부착되어야 하는 펌프가 필요하여 전력 소비량 증가에 따른 연료전지 시스템의 에너지 효율 감소와 시스템의 부피가 커지는 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 및 소형 전원 장치로서의 가격 및 품질 경쟁력을 유지하기가 어렵다는 문제가 있다.
이와 같은 문제를 해결하고자 농도 센서를 사용하지 않는 농도 제어 방법의 개발이 이루어지고 있다. 예를 들어, 연료전지에서 소비되는 연료의 양만큼 추가로 연료 원액을 공급해주는 방법(특허문헌 1), 연료 원액의 공급량과 열교환기의 냉각속도를 동시에 제어하여 연료전지 스택의 운전 온도(T)를 제어하는 방법(특허문헌 2), 연료전지 출력 전류밀도의 값을 임의적으로 변화시키고, 이에 따른 출력 전압의 변화 양상을 관찰하여 액체 연료의 농도를 예측하는 방법(특허문헌 3) 등이 개발되었다.
하지만, 이러한 방법들은 센서를 사용하지 않는 농도 제어 방법에 필요한 연료 소비량 데이터베이스의 구축에 오랜 시간이 소요된다는 단점이 있으며, 단순히 연료의 농도를 일정하게 유지하는데 주안점을 두고 있기 때문에 외부온도 변화에 대한 연료 농도의 능동적인 제어가 불가능하다는 단점이 있다. 또한, 출력 전류밀도를 변화시킬 때 연료전지 스택의 운전 온도(T), 출력 전압 그리고 연료의 농도에 지속적인 변동이 발생하게 되고 또한, 장기 운전에 따른 연료전지의 성능 저하 시 출력전압이 감소하기 때문에 농도제어에 오차가 커지는 등의 단점이 있다.
한국 특허출원공개공보 제10-2009-0022521호 미국 특허출원공개공보 제2014/0154599호 미국 특허출원공개공보 제2009/0110968호
본 발명은 일 측면에서, 농도 센서를 사용하지 않기 때문에 연료전지 장치가 단순, 소형화되므로, 장치 작동에 소모되는 전력을 절약하고, 장치 자체의 가격을 낮출 수 있는, 농도 센서를 사용하지 않는 전압진폭 제어 기반의 피드백 제어 방식의 액체형 연료전지의 연료농도 제어방법 및 제어장치, 이를 이용한 액체형 연료전지 장치를 제공한다.
본 발명은 다른 측면에서, 연료전지의 운전 중에서 발생하는 전압요동의 정도(전압진폭)가 연료전지 스택에 공급되는 희석연료의 농도에 비례하여 증가한다는 점을 착안하여, 전압진폭을 피드백하여 연료전지 스택에 공급되는 메탄올 연료의 농도를 제어할 수 있는 농도 센서를 사용하지 않는 전압진폭 피드백 제어 방식의 연료농도 제어방법 및 제어장치, 이를 이용한 액체형 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 스택의 운전 중에 발생하는 전압진폭을 조절함으로써 외부 환경에 의한 운전 조건의 변화나 전기부하가 변화하는 동적 상태에서도 연료전지 스택에 공급되는 희석연료의 농도를 원하는 수준으로 일정하게 유지할 는 농도센서를 사용하지 않는 전압진폭 피드백 제어 방식의 연료농도 제어방법 및 제어장치, 이를 이용한 액체형 연료전지 장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 장기운전에서 발생할 수 있는 홍수현상(water flooding)을 최소화하여 연료전지 스택의 안정성과 수명을 증가시킬 수 있고, 외부온도의 변화에 의해 발생할 수 있는 스택의 불안정성을 최소화함으로써 연료전지 시스템의 효율을 극대화 할 수 있는 농도 센서를 사용하지 않는 전압진폭 피드백 제어 방식의 액체형 연료전지의 연료농도 제어방법 및 제어장치, 이를 이용한 액체형 연료전지 장치를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서, 액체형 연료전지의 운전 조건하에서 희석연료농도의 변화에 따른 출력 전압진폭(Vamp) 및 스택의 운전 온도(T)를 측정하여, 상기 희석연료농도와 상기 전압진폭(Vamp)의 상관관계를 구축하는 제1단계; 상기 희석연료농도와 상기 전압진폭(Vamp)사이의 상관관계를 기반으로 목표 전압진폭(Vst-amp) 및 연료전지 스택의 목표운전온도(Tst)를 포함하는 실제 운전조건을 설정하는 제 2단계; 및 상기 실제 운전조건을 기준으로 하여 연료전지를 운전하되, 전압진폭 측정 구간(tst)에 따라 연료전지의 출력 전압(Vi)이 요동하는 전압진폭(Vamp)을 측정하고, 상기 측정된 전압진폭(Vamp) 값이 상기 목표 전압진폭(Vst-amp)에 도달하도록 연료원액의 공급량(PMeOH)을 결정하여 연료혼합기에 공급하는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 농도 센서를 사용하지 않는 전압진폭 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료농도 제어방법이 제공된다.
예시적인 구현예에서, 상기 실제 운전 조건은 출력 전류(Ist)를 더 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 제3단계는 연료전지가 상기 초기구동 구간(start-up period)을 지나서 목표운전조건에 도달하거나 또는 목표운전 조건에 도달 후 정상상태에 진입하였을 때부터 작동되기 시작하며, 상기 제3단계가 작동하기 시작할 때 최초의 연료원액 공급량(PMeOH)은 초기구동 구간의 최후의 연료원액 공급량(PMeOH)과 동일 할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 연료원액 공급량(PMeOH)은, 연료전지 구동에 따른 출력 전류(Ist)와 패러데이 상수를 이용하여 계산된 값에 일정한 배수를 곱하여 결정하되, 상기 배수는 P, PI, 또는 PID 방식 중의 어느 하나를 단독으로 또는 교대로 사용하여 결정할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 전압진폭(Vamp)은 상기 전압진폭 측정구간(tst)동안 측정된 전압의 최대값(Vmax)과 최저값(Vmin)의 차이로부터 계산하거나, 혹은 상기 전압진폭 측정구간 (tst) 내 전체 전압값들의 평균값보다 큰 값들을 포함하는 제1 그룹 및 상기 전체 전압값들의 평균값보다 작은 값들을 포함하는 제2그룹으로 구분하고, 상기 제1 및 제2 그룹들의 각각의 평균값을 구한 다음 이들의 평균값들의 차이로부터 계산하고, 상기 전압진폭 측정 구간(tst)은 1 내지 30초이며, 상기 측정된 전압진폭(Vamp)이 상기 목표 전압진폭(Vst-amp)보다 크면 상기 연료원액의 공급량(PMeOH)을 줄이고, 상기 측정된 전압진폭(Vamp)이 상기 목표 전압진폭(Vst-amp)보다 작으면 상기 연료원액의 공급량(PMeOH)을 늘릴 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 제3 단계에서, 상기 전압진폭(Vamp)을 기반으로 하여 상기 연료원액의 공급량(PMeOH)을 제어하는 공정은 상기 전압진폭(Vamp)을 기반으로 한 피드백 제어기를 사용하며, 상기 피드백 제어기는 P, PI, 또는 PID 방식 중의 어느 하나를 단독으로 또는 교대로 사용하여 구현할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 농도 센서를 사용하지 않는 연료 농도 제어 방법은 상기 스택의 운전온도(T)에 따라 목표 전압진폭(Vst-amp)을 변화시키는 오토튜닝 공정을 포함하며, 상기 스택의 운전온도(T)가 상기 목표운전 온도(Tst)의 허용오차범위인 스택온도의 최고값(Tmax) 이상의 값을 가지면 상기 목표 전압진폭(Vst-amp)을 낮추고, 상기 스택의 운전 온도(T)가 상기 목표운전 온도(Tst)의 허용오차범위인 스택온도의 최저값(Tmin) 이하의 값을 가지면 상기 목표 전압진폭(Vst-amp)을 높이되, 상기 목표 전압진폭(Vst-amp)을 변화시키는 비율은 상기 전압진폭(Vst-amp) 대비 1 내지 30% 일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 스택온도의 최고값(Tmax) 및 최저값(Tmin)은 각각 수학식 1에 따라 계산되며, 스택온도의 허용 오차범위(eT)는 .01 내지 0.0.5의의 값을 가질 수 있다.
[수학식 1]
Tmax=Tst*(1+eT)
Tmin=Tst*(1-eT)
상기 수학식 1에서, Tmax는 스택온도의 최고값, Tst는 스택의 목표온도, eT는 스택 온도의 허용오차 범위, Tmin는 스택온도의 최저값을 나타낸다. 상기 스택온도의 허용오차는 연료전지 시스템의 성능을 향상시키는 방향으로 운전 도중에 임의로 또는 자동으로 변경될 수 있도록 할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 제3단계에서 최초로 측정된 전압진폭(Vamp)값을 상기 목표 전압진폭(Vst-amp)값으로 설정하고, 상기 오토튜닝 공정을 수행하여 상기 전압진폭(Vamp)값을 조정함으로써, 상기 전압진폭(Vamp)과 상기 희석연료농도의 상관관계를 구축하지 않고도 목표 전압진폭(Vst-amp)을 자동으로 결정하는 과정을 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 연료전지 구동 시, 상기 연료전지 스택의 단위전지당 평균 출력전압이 0.1 내지 0.2V 미만인 경우, 상기 단위전지 중 어느 하나의 전압(Vi)이 0.0 내지 0.1V 이하인 경우 또는 상기 단위전지 중 어느 하나의 운전 온도(T)가 90 내지 100℃를 초과하는 경우, 연료전지 장치의 운전을 중지할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 연료전지에 사용하는 연료는 메탄올, 에탄올 포름산, 이소프로판올, 프로판올, 에틸렌글리콜, 디메틸에테르, 부탄올, 수소, 디메틸에테르, 부탄, 에탄, 프로판, 글리세롤, 이산화탄소, 보론수소화합물(Boron compounds 또는 boron hydrides), 물 및 바이오연료로 이루어지는 군에서 선택되는 반응물을 하나 이상 포함하는 혼합연료일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에서 액체형 연료전지의 출력 전류, 출력 전압, 연료전지 스택 내부의 온도 및 압력을 측정하는 측정 장치에 연결 되며, 액체형 연료전지의 운전 조건에 따른 출력 전압진폭(Vamp)을 및 스택의 온도(T)를 측정하여, 상기 운전조건하에서 희석연료의 소비속도와 상기 전압진폭(Vamp)의 데이터베이스를 구축하는 제1처리부; 상기 희석연료의 소비속도와 상기 전압진폭(Vamp)의 상관관계를 기반으로 목표 전압진폭(Vst-amp) 및 목표 스택온도(Tst)를 설정하는 제 2 처리부; 및 전압진폭 측정구간(tst)에서 상기 연료전지 스택의 전압 진폭(Vamp) 및 온도(T)를 측정하여, 이를 각각 상기 목표 전압진폭(Vst-amp) 및 목표 스택온도(Tst)와 비교하여 오차를 계산하고, 상기 오차값을 이용하여, 상기 측정된 전압진폭(Vamp)이 상기 목표 전압진폭(Vst-amp)에 도달하도록 피드백 제어에 따른 연료원액의 공급량(PMeOH)의 신호를 결정하고, 상기 신호를 연료공급부로 송출하는 제3 처리부;를 포함하되, 상기 제1처리부는 오토튜닝 기능을 통해 대체할 수 있는, 농도 센서를 사용하지 않는 전압진폭 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료농도를 제어하는 장치가 제공된다.
예시적인 구현예에서, 상기 농도 센서를 사용하지 않는 연료 농도 제어 장치는 스택의 운전온도(T)에 따라 목표 전압진폭(Vst-amp)을 변화시키는 오토튜닝부를 포함하며, 상기 전압진폭 측정구간(tst)에서 상기 연료전지 스택의 운전 온도(T)를 측정하여, 이를 각각 상기 목표 전압진폭(Vst-amp) 및 목표 스택온도(Tst)와 비교하여 오차를 계산하되, 상기 스택의 운전온도(T)가 상기 목표운전 온도(Tst)의 오차범위인 최고온도값(Tmax) 이상의 값을 가지면 상기 목표 전압진폭(Vst-amp)을 낮추고, 상기 스택의 운전 온도(T) 가 상기 목표운전 온도(Tst)의 오차범위인 최저온도값(Tmin) 이하의 값을 가지면 상기 목표 전압진폭(Vst-amp)을 높이되, 상기 목표 전압진폭(Vst-amp)을 변화시키는 비율은 상기 전압진폭(Vst-amp) 대비 1 내지 30% 일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 제1처리부를 구동하는 것은 연료전지가 초기구동구간을 지나 목표운전조건에 도달하거나 또는 목표운전조건에 도달하여 정상상태에 진입하였을 때 최초로 측정된 전압진폭(Vamp)을 목표 전압진폭(Vst-amp)으로 사용함으로써 대체될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에서, 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; 및 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 장치가 제공된다.
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 혼합연료일 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 농도 센서를 사용하지 않는 기존의 농도 제어기들에 비해 동작 원리 및 방식이 단순하여 제어기의 제조비용 및 시간을 단축할 수 있고, 빠르고 정확한 농도 제어가 가능하여, 연료전지 시스템을 장시간 안정적으로 운전할 수 있다.
본 발명의 구현예들에 따르면, 또 다른 측면에서, 연료전지의 성능을 증가시키는 방향으로 연료원액의 공급량을 능동적으로 제어할 수 있다.
본 발명의 구현예들에 따르면, 또 다른 측면에서, 연료전지가 장기운전 하여 캐소드에 홍수현상(water flooding)이 증가되어 전압진폭이 커지면 전압 진폭 피드백 제어방식의 제어기가 희석연료의 농도를 능동적으로 낮춤으로써 홍수를 줄여서 스택의 성능을 정상적으로 유지시킬 수 있다.
본 발명의 구현예들에 따르면, 또 다른 측면에서, 외부온도가 변화하는 경우에도 전압진폭을 제어함으로써 연료의 농도를 제어하고, 이에 따라 외부온도의 변화에도 능동적으로 대처하여 연료전지를 최상의 조건에서 운전할 수 있도록 한다.
도 1은 종래의 기술에 따른 농도 센서를 포함하는 액체형 연료전지 장치를 나타내는 개략도이다.
도 2a 및 2b는 전해질막을 통해 연료극에서 공기극으로 넘어가는 액체연료의 양(연료 투과도)이 전압진폭에 미치는 영향을 설명하는 모식도이다. 참고로, 도 2a 및 도 2b의 흐름도에 기재된 설명은 이해를 돕기 위한 예시이므로 이에 국한되는 것으로 해석되어서는 안된다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 전압진폭의 계산 방법을 나타낸 모식도이다. 참고로, 도 3의 모식도에 기재된 설명은 이해를 돕기 위한 예시이므로 이에 국한되는 것으로 해석되어서는 안된다.
도 4는 본 발명의 일 구현예의 제어 장치에서 따른 전압진폭 제어기반 피드백 제어기를 사용한 희석연료의 농도 제어 방법을 나타내는 흐름도이다. 참고로, 도 4의 알고리즘에 기재된 설명은 이해를 돕기 위한 예시이므로 이에 국한되는 것으로 해석되어서는 안된다.
도 5는 본 발명의 일 구현예의 제어 장치에서 스택의 운전 온도 변화 시 전압진폭의 목표 값을 수정하는 방법을 나타내는 흐름도이다. 참고로, 도 5의 알고리즘 2에 기재된 설명은 이해를 돕기 위한 예시이므로 이에 국한되는 것으로 해석되어서는 안된다.
도 6은 본 발명의 일구현예에 따른 농도 센서를 포함하지 않는 액체형 연료전지 장치를 나타내는 개략도이다.
도 7a 내지 7c는 예시적인 실시예에서, 연료전지 스택에 공급되는 희석연료의 농도를 20분 간격으로 변화시켰을 때 나타나는 출력전압의 변화를 기록한 것으로, 도 7a는 시간에 따른 출력전압의 변화에 대한 원데이타 (raw data)를 도시한 것이고, 도 7b는 10초간의 구간별로 전압의 최고값과 최저값을 구해서, 이것들을 각각 연결하여 만든 그래프이고, 도 7c는 시간에 따른 전압진폭을 도시한 것이며, 도 7c의 그림 내부의 작은 그래프는 큰 그래프의 데이터를 재조합하여 메탄올 농도에 따른 전압진폭의 관계를 도시한 것이다.
도 8a 및 8b는 본 발명의 예시적인 실시예에서, 전압진폭의 목표 값을 0.05V로 설정하고, 연료전지 스택을 운전하였을 때의 결과를 기록한 그래프들이다. 구체적으로 도 8a는 전압진폭의 목표 값을 0.05V로 설정하고 연료전지 스택을 운전했을 때 얻어지는 전압을 나타내는 그래프이고 도 8b는 이때의 희석연료의 농도를 보여주는 그래프이다.
도 9a 내지 9c는 본 발명의 예시적인 실시예에서, 센서를 사용하여 희석연료의 농도를 제어했을 때와 센서를 사용하지 않고 전압진폭을 제어하여 희석연료를 제어했을 때의 운전시간에 따른 연료전지의 농도제어 결과를 나타내는 그래프들이다. 구체적으로 도 9a는 센서를 사용하여 희석연료의 농도를 제어했을 때의 운전시간에 따른 농도제어 결과를 나타내는 그래프이고, 도 9b는 센서를 사용하지 않고 희석연료의 농도를 제어했을 때의 운전시간에 따른 농도제어 결과를 나타내는 그래프이다. 도 9c는 각각의 운전에서 시간에 따른 출력전압의 변화 비교량을 나타내는 그래프이다.
도 10a 내지 10d는 본 발명의 일 구현예에 따른 농도센서를 사용하지 않는 제어 장치를 이용하여 희석연료의 농도를 제어했을 때의 외부 온도 변화에 따른 스택온도의 변화, 희석연료의 농도의 변화 및 전압과 파워의 변화를 나타내는 그래프들이다. 구체적으로, 도 10a는 시간에 따른 외부온도의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 10b는 외부 온도에 따른 스택 온도의 변화를 나타내는 그래프이며, 도 10c는 외부 온도에 따른 희석연료의 농도 변화를 나타내는 그래프이며, 도 10d는 외부온도의 변화에 따른 전압과 파워의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 11a 내지 11d는 비교예에 따라, 외부 온도에 관계없이 연료 원액을 일정한 속도로 연료 혼합기에 공급하였을 때의 스택온도의 변화, 희석연료의 농도의 변화 및 전압과 파워의 변화를 나타내는 그래프들이다. 구체적으로, 도 11a는 시간에 따른 외부온도의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 11b는 외부온도의 변화를 스택 온도의 변화를 나타내는 그래프이며, 도 11c는 외부온도의 변화를 희석연료의 농도 변화를 나타내는 그래프이며, 도 11d는 외부온도의 변화를 전압과 파워의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 구현예 및 비교예에 따라 제조된 각 연료전지 전체 시스템의 효율을 비교하는 그래프이다.
본 명세서에서, '연료의 재순환'이란 연료전지 스택에서 방출되는 미반응 연료를 외부로 방출하지 않고, 연료혼합기에 고농도의 연료원액을 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, '운전 조건'은 연료전지의 운전 조건으로서, 예컨대 연료전지 스택에 공급되는 연료의 농도, 연료의 유량 또는 유속, 연료전지 스택의 운전 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, ‘전압진폭’이란 스택의 운전 중에 발생하는 전압요동의 정도를 의미한다.
본 명세서에서, ‘스택’이란 연료전지 단위 셀 또는 스택을 의미한다.
이하, 본 발명의 구현예들을 상세하게 설명한다.
본 발명은 연료전지 스택의 운전 중에 발생하는 전압요동의 정도인 전압 진폭을 이용하여, 연료원액의 공급량을 제어할 수 있으며 농도 센서를 사용하지 않는 전압진폭 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료농도 제어 방법에 대해 관한 것이다.
우선, 액체연료의 양이 전압진폭에 미치는 영향에 대해 이야기 하기로 한다.
도 2a 및 도 2b는 전해질막을 통해 연료극에서 공기극으로 넘어가는 액체연료의 양(연료 투과도)이 전압진폭에 미치는 영향을 설명하는 모식도이다.
도 2a는 메탄올 투과도가 낮은 경우, 공기극 촉매층에서 생성되는 물의 양과 이에 따른 전압진폭의 변화를 나타내는 모식도이다. 메탄올 투과도가 낮을수록 공기극 촉매층에서 생성되는 물의 양은 작다. 이 경우, 촉매층으로의 산소공급이 원활해져서 연료전지 출력 전압 진폭이 작아지게 된다.
반면, 도 2b는 메탄올 투과도가 높은 경우 공기극 촉매층에서 생성되는 물의 양과 이에 따른 전압진폭의 변화를 나타내는 모식도이며, 메탄올 투과도가 높은 경우, 공기극 촉매층에서 생성되는 물의 양이 증가하여 촉매층에 고이게 됨으로써, 산소가 촉매층으로 접근하는 것을 방해한다. 이러한 상태가 유지되면 공기극의 반응이 불안정해져 전압진폭이 커지는 결과를 초래한다.
따라서, 스택의 운전 중에 발생하는 전압요동의 정도 즉, 전압진폭은 전해질막을 투과하여 애노드에서 캐소드로 이동하는 연료의 양에 비례하며, 전해질막을 투과하는 연료의 양은 연료혼합기로부터 스택에 공급되는 희석연료의 농도에 비례한다는 것을 확인 할 수 있었다. 이에 따라, 본 발명의 일 구현예들에 따른 농도 센서를 사용하지 않는 전압진폭 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료농도 제어 장치(이하, ‘무센서 제어 장치’로 표시함)는 이를 이용하여, 스택의 전압진폭을 일정한 수준으로 유지하도록 연료혼합기에 공급되는 연료원액의 공급량을 조절하게 되면 희석연료의 농도를 일정한 수준으로 조절할 수 있는 점에 착안한 것이다.
이하, 우선, 전압진폭을 계산하는 방법에 대해 상세하게 설명한다.
전압진폭의 계산 방법
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 전압진폭의 계산 방법을 나타낸 모식도이다. 참고로, 도 3의 모식도에 기재된 설명은 이해를 돕기 위한 예시이므로 이에 국한되는 것으로 해석되어서는 안된다.
전압진폭(Vamp)은, 전압진폭 측정 구간(tst) 동안 측정한 전압값에 따른 전압의 변화를 관찰하고, 전압진폭 측정 구간 (tst)동안 에서 전압의 최고값과 최저값의 차액을 계산하여 구할 수 있다.
도 3은 전압진폭의 측정 구간(tst) 내에서 전압 측정주기인 1초 간격으로 전압(Vi)을 측정하고, 이들 중에서 전압 최고값(Vmax)와 최저값(Vmin)를 결정하는 예를 보여준다. 예시적인 구현예에서, 전압 측정주기는 1초보다 작을 수 있다. 도 3에서 전압진폭 측정 구간(tst)은 예를 들어 10초로 설정되었지만, 이는 설명을 위한 것 일뿐 이에 의해 제한되지 않는다.
도 3에 도시한 전압진폭측정 구간(tst)을 이용하여 전압진폭을 계산하는 방법은 아래와 같은 두 가지 방법 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
첫째 방법은, 매초마다 전압을 측정하고 이때의 측정구간이 10초인 경우, 각 측정구간(tst)의 1에서 10초 동안 전압을 측정하여 전압진폭(Vamp)을 계산하는 방법이다. 이후, 이때 계산한 전압진폭(Vamp)을 사용하여 연료공급 속도를 결정하고, 그 다음의 구간 10초 동안 즉, 11초에서 20초 동안의 구간에서는 이 구간에서 측정된 전압을 사용하여 새로운 전압진폭을 계산한다. 또, 이후 구간(11초에서 20초 동안)에서는 그 이전 10초 동안의 구간에서 계산된 연료 공급속도를 사용하여 연료를 공급할 수 있다. 이와 같이 하여, 매 10초 동안 전압진폭을 계산하며, 각 구간 동안은 그 이전의 구간에서 측정된 전압진폭을 사용하여 계산된 연료공급 속도로 연료를 공급하여 연료의 농도를 제어하게 된다. 즉, 전압진폭 측정구간인 매 10초 동안은 연료 공급속도가 동일하게 유지된다.
두 번째 방법은, 처음 10초 동안에서는 1에서 10초 동안의 구간에서 전압을 측정하여 전압진폭을 계산하고, 다시 1초 후인 11초 시점에서는 앞의 2초에서 11초 사이의 10초 구간 동안에 측정된 전압값들을 사용하여 전압진폭을 계산하고, 다시 1초 후인 12초 시점에서는 3초에서 12초 동안에 측정된 전압을 사용하여 전압진폭을 계산하는 방법이다. 이와 같이 계산하는 경우 매초마다 새로운 전압진폭이 계산되며, 이렇게 계산된 전압진폭을 사용하여 연료원액 공급속도를 결정하게 된다.
예시적인 구현예에서, 전압의 측정 주기는 약 0.1초 내지 2초 사이로 설정하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 약 1초로 설정하는 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 전압진폭 측정 구간(tst)은 약 1 내지 30초 범위의 값을 가질 수 있다.
이하, 전압 진폭(Vamp)을 계산하는 다른 방법에 대해 자세히 설명한다.
예시적인 구현예에서, 전압 진폭(Vamp)은 각 전압진폭 측정구간(tst)에서 전압의 평균값을 구한 다음, 평균치보다 큰 값들을 제1 그룹으로 분류하고, 평균값보다 작은 값들을 제2 그룹으로 분류한 다음, 각각의 평균값을 구하고, 이 평균값들의 차액을 구하여 계산될 수 있다.
이와 달리, 상기 전압진폭 측정 구간(tst)에서 최고값와 최저값을 제외한 다음, 상기 두 방법 중 어느 하나를 선택하여 전압진폭(Vamp)을 계산하여 사용할 수도 있다.
이하, 상기 액체연료의 양이 전압진폭에 미치는 영향 및, 전압진폭의 계산 방법을 근거로 본 발명의 일 구현예의 제어장치에 따른 전압진폭 제어기반 피드백 제어기를 사용한 연료 농도 제어 방법에 대해 자세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 구현예의 제어 장치에 따른 전압진폭 제어기반 피드백 제어기를 사용한 연료 농도 제어 방법의 흐름도이다. 참고로, 도 4의 알고리즘에 기재된 설명은 이해를 돕기 위한 예시이므로 이에 국한되는 것으로 해석되어서는 안된다.
도 4에는 알고리즘 1이 도시되어 있으며 알고리즘 1은 본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 연료 농도 제어 방법의 제1단계 내지 제3단계를 포함할 수 있다.
도 4를 살펴보면, 본 발명의 구현예들에서는, 액체형 연료전지의 운전 조건(즉, 연료원액 농도, 연료의 유량 또는 유속, 연료 전지 스택의 온도 등)하에서 희석연료의 농도와 연료전지 스택의 출력 전압진폭(Vamp) 사이의 상관관계를 구축하는 제1단계; 상기 제1단계에서 구축된 상관관계에 근거하여 목표 전압진폭(Vst-amp), 전압진폭의 측정 구간(tst), 연료 전지 스택의 운전온도(Tst), 출력전류(Ist) 등의 연료전지 스택의 운전조건을 설정하는 제 2 단계; 상기 운전조건을 기준으로 하여 연료전지를 운전하되, 상기 전압진폭의 측정 구간(tst) 하에서 상기 목표 전압진폭(Vst-amp)과 현재 전압진폭(Vamp)의 차이를 계산하여 상기 전압진폭(Vamp) 값이 상기 목표 전압진폭(Vst-amp)에 도달하도록 연료원액의 공급량(PMeOH)을 결정하는 제3 단계;를 포함하는, 농도 센서를 사용하지 않는 전압진폭 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료농도 제어 방법을 제공한다.
이하에서, 제1단계 내지 제3단계에 대하여 더욱 자세히 상술한다.
제1단계는 액체형 연료전지의 운전 하에서 희석연료의 농도와 연료전지 스택의 출력 전압진폭(Vamp) 사이의 상관관계를 구축하는 단계이다.
구체적으로, 스택의 운전상태가 목표운전 조건에 도달하고, 스택의 출력전류가 일정하게 유지되는 제1 정상상태(steady state)의 운전조건에서, 희석연료의 농도를 달리하면서 연료전지 스택을 운전하고, 스택의 전압진폭(Vamp) 값과 스택 온도(Tst)를 측정하여, 희석연료의 농도, 전압진폭(Vamp)과 스택 온도(Tst)의 상관관계를 구할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 제1단계에서, 제1 정상상태 운전을 위한 출력전류는 10 mA/cm2 내지 500 mA/cm2의 범위에서 설정할 수 있다.
이후, 제2 단계를 실행한다.
상기 제2단계는 제1단계를 거친 이후에 실행되는 것으로서, 상기 제1단계에서 구축한 희석연료의 농도와 전압진폭(Vamp) 간의 상관관계로부터 목표 전압진폭(Vst-amp), 전압진폭의 측정 구간(tst), 목표 출력전류(Ist) 등의 연료전지의 운전에 필요한 실제 운전조건을 설정하는 단계이다.
예시적인 구현예에서, 상기 제1단계와 제2단계는 각각 연료전지를 운전하기 전에 미리 수행될 수 있다.
따라서, 목표 전압진폭(Vst-amp), 전압진폭 측정구간(tst), 목표출력전류(Ist), 목표메탄올 농도(Pst-MeOH), 목표 스택 온도(Tst) 등은 상기 제2단계에서 설정될 수 있으므로 연료전지를 운전하기 전에 미리 결정될 수 있다.
이후 연료전지의 초기 운전을 시작한다. 즉, 정지상태로부터 연료전지를 작동시켜 초기 운전단계(start-up period)를 수행한다.
이후, 연료전지가 제2 정상상태에 도달되었을 때부터 제3단계를 시작한다.
예시적인 구현예에서, 상기 연료전지의 제2 정상상태는 연료전지의 운전조건이 기설정된 목표운전 조건에 도달한 상태를 가리키는 것으로서, 연료전지 스택의 출력 전류가 기설정된 목표 출력 전류(Ist)에 도달하고, 또한 연료전지 스택의 운전 온도(T)가 후술되는 목표치의 에러범위(즉, Tmin<T<Tmax) 내에 도달하여 1 내지 10분 이상 그 상태를 유지하는 것을 의미한다.
제3단계는 전압 진폭(Vamp) 피드백에 의한 연료전지 운전으로서, 목표 전압진폭(Vst-amp)과 연료극의 전기화학적 연료소비량을 기반으로 PID 제어를 통해 원액 공급량(PMeOH)을 계산하여 연료혼합기로 공급하는 단계이다.
구체적으로, 제3단계는 상기 전압진폭 측정 구간(tst)에 따라 연료전지의 출력 전압(Vi)이 요동하는 전압진폭(Vamp)을 측정하고, 측정된 전압진폭(Vamp) 값이 상기 목표 전압진폭(Vst-amp)에 도달하도록 PID 제어를 통해 연료혼합기에 공급하는 연료원액의 공급량(PMeOH )을 결정하는 단계이다.
예시적인 구현예에서, 상기 제3단계에서 운전을 시작할 때 연료혼합기에 공급되는 최초 연료원액의 공급속도는 상기 초기구동구간의 가장 마지막에 결정된 연료공급 속도와 동일한 값으로 설정할 수 있으므로, 초기구동 (스타트업) 구간이 있는 경우에는 그 구간의 마지막 시점에서의 연료 원액 공급량을 연료혼합기에 주입하면서 상기 알고리즘 1의 제3단계를 시작할 수 있다.
이와는 달리, 상기 제3단계에서 운전을 시작할 때에 연료혼합기에 공급되는 최초 연료원액의 공급속도는 주어진 운전조건 하에서 연료극에서 일어나는 전류 발생 반응 즉, 메탄올의 전기화학적 산화반응에 의한 단위 시간당 연료 소비량(Nm,e)으로부터 결정될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 전류 발생 시의 단위 시간당 연료 소비량(Nm,e)은 출력전류의 크기에만 의존하며, 그 외 다른 운전조건과는 무관하다. 이는 수학식 1로 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Nm,e = f(I) = I/6F
[Nm,e: 전류 발생 시 단위 시간당 연료 소비량, I: 출력전류, F: 패러데이 상수]
상기의 계산된 연료원액의 속도만큼 연료혼합기에 연료가 공급되기 시작하면서 제 3단계 과정이 실행될 수 있다.
이후, 알고리즘 1에 도시된 바와 같이 정해진 측정구간(tst)동안 기설정된 목표 전압진폭(Vst-amp)과 현재 측정되는 전압진폭(Vamp)의 차이를 통해 피드백 제어를 수행하여 연료원액의 공급량(PMeOH)을 결정하여 희석연료의 농도를 제어할 수 있다.
구체적으로, 알고리즘 1의 제3단계 이하의 구간을 보면 전압진폭(Vamp)을 결정하는 과정이 도시되어 있는데, 여기서 연료전지 스택의 전압값(Vi)의 i 값은 1에서부터 10까지 1씩 순차적으로 증가한다. 전압값(Vi) 값들 중에서 최고 값은 최고전압값(Vmax)으로 저장(즉, Vi=Vmax)하고, 최저값은 최저전압값(Vmin)으로 저장 (즉, Vi=Vmin) 한다. 만약 측정 시간(t)이 정해진 측정구간(tst)를 넘어서게 되면, 전압진폭(Vamp=Vmax-Vmin)을 계산한다. 이후 전압값(Vi)에서 i 값은 1로 재설정된다.
예시적인 구현예에서, 계산된 전압진폭(Vamp)은 오차 값(e(t))을 계산하는데 사용된다. 오차 값은 목표 전압진폭(Vst-amp)과 상기와 같이 계산된 전압진폭(Vamp)을 비교하여 얻어지고, 이는 수학식 2로 나타내어질 수 있다.
[수학식 2]
e(t) =ΔVamp =Vst-amp -Vamp
[e(t): 전압진폭 오차, Vst-amp: 목표 전압진폭, Vamp: 현재 전압진폭]
예시적인 구현예에서, 상기 전압진폭 오차(e(t))는 피드백 제어의 출력량을 계산하는데 사용될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 제3단계에서, 피드백 제어는 P(Proportional), PI(Proportional Integral) 또는 PID(Proportional Integral Derivative)형 제어 방식 중의 어느 하나를 단독으로 또는 교대로 사용될 수 있으며, 본 발명의 일 구현예에서는 바람직하게는 PID 피드백 제어 방식을 사용할 수 있다. 이때, 상기 오차(e(t))는 비례(P), 적분(I), 미분항(D)에서 모두 사용되어지는 값으로서, 표준적인 형태의 PID 피드백 제어 방식은 아래의 식에서 나타낸 3개의 항을 더하여 제어 값을 계산하도록 구성이 되어 있으며, 수학식 3으로 나타내어질 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00001
[p j : 제어기에서 계산된 출력량, Kp: 비례상수, e(t): 오차, Ki: 적분상수, Kd: 미분상수]
이와 같이 PID 피드백 제어 방식의 출력량은 각각 오차값의 비례(proportional), 오차값의 적분(integral), 오차값의 미분(derivative) 값들의 합으로 계산된다.
예시적인 구현예에서, 상기 PID 출력량(p j )은 전류 발생 시 단위 시간당 연료 소비량(Nm,e)과 함께 연료원액의 실제 공급량(PMeOH)을 계산하는데 사용될 수 있다. 이는, 수학식 4로 나타내어질 수 있다.
[수학식 4]
PMeOH = Nm,e(1+p j )
[PMeOH: 연료원액의 실제 공급량, Nm,e: 전류 발생 시 단위 시간당 연료 소비량, p j :PID 제어기에서 계산된 출력량]
상기의 연료원액의 실제 공급량(PMeOH)은 원액펌프에 의해 연료혼합기에 공급되는 실제 연료원액의 공급속도를 나타낸다. 예시적인 구현예에서, 실제 연료원액공급량(PMeOH)이 계산되면 피드백 제어기는 이것을 전기적 신호로 바꾸어서 연료원액펌프에 제공하고, 원액펌프는 이 신호에 해당하는 만큼의 속도로 연료원액을 연료혼합기에 공급할 수 있다.
이에 같이, 전압진폭(Vamp)에 따라, 연료원액의 실제 공급량(PMeOH)이 제어될 수 있다.
구체적으로, 제3단계에서, 측정된 전압진폭(Vamp)이 상기 목표 전압진폭(Vst-amp)보다 크면 오차 값(e(t))이 음의 값을 가지므로 상기 연료원액의 공급량(PMeOH)을 줄이고, 상기 측정된 전압진폭(Vamp)이 상기 목표 전압진폭(Vst-amp)보다 작으면 오차 값(e(t))이 양의 값을 가지므로 상기 연료원액의 공급량(PMeOH)을 늘릴 수 있다.
이후 스택의 전압과 온도를 측정하고, 이 값을 기존에 설정된 전압 및 스택온도의 한계치와 비교한다. 즉, 측정된 전압(Vi)이 기설정된 전압 최저값(Vmin)보다 작거나 스택의 운전 온도(T)가 기설정된 최고값(Tmax)보다 클 경우에는 연료전지 스택의 운전을 중지한다. 전압(Vi)과 스택온도(T)가 한계치 이내에 있으면 다시 정상운전 단계로 돌아간다.
예시적인 구현예에서, 상기 연료전지 구동 시, 상기 연료전지 스택의 단위전지당 평균 출력전압이 0.1 내지 0.2V 미만인 경우, 상기 단위전지 중 어느 하나의 전압(Vi)이 0.0 내지 0.1V 이하인 경우, 또는 상기 연료전지 스택의 운전 온도(T)가 90 내지 100℃를 초과하는 경우, 연료전지 장치의 운전을 중지할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 연료전지의 전압은 일시적으로 최저값 밑으로 내려갈 수 있고, 또한 연료전지 스택의 운전 온도도 일시적으로 최고값보다 상승할 수 있기 때문에 실제로는 최소 3 내지 5회 이상 연속하여 측정된 값들이 모두 한계값을 벗어나는 경우 또는 10회 연속 측정 중 3내지 5회 이상 한계값을 벗어나는 경우에만 운전을 중지하게 된다. 상기에서 운전을 중지하는 기준이 되는 한계값이나 한계값을 벗어나는 허용횟수는 연료전지 시스템의 종류에 따라 달라질 수 있다.
예시적인 구현예에서, 도 4의 알고리즘 1을 실행하는데 있어서, 목표 전압진폭(Vst_amp)은 사전에 결정된 희석연료의 농도와 전압진폭(Vamp) 간의 상관관계로부터 결정된다. 하지만, 이러한 상관관계를 구축하지 않고도 연료전지 스택을 구동하면서 in situ 방식으로 목표 전압진폭(Vst-amp)을 결정할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 구현예의 제어 장치에서 스택의 온도 변화 시 스택온도(T)를 참고하여 목표 전압진폭(Vst-amp)을 자동으로 설정하는 즉, 자동 튜닝 방법을 나타내는 알고리즘 2의 흐름도이다. 참고로, 도 5의 알고리즘에 기재된 설명은 이해를 돕기 위한 예시이므로 이에 국한되는 것으로 해석되어서는 안된다.
구체적으로, 알고리즘 2는 스택의 운전 온도(T)를 참고하여 목표 전압진폭(Vst-amp)을 자동튜닝하는 알고리즘을 나타냄으로서, 스택의 운전 온도(T)가 설정된 온도 제어범위 내에서 유지될 수 있도록 목표 전압진폭(Vst-amp)을 자동으로 증가 또는 감소시키는 알고리즘을 나타낸다.
예시적인 구현예에서, 알고리즘 2를 구동하기 위해서는 정상상태 운전이 수행되는 알고리즘 1에 정해진 위치에서 알고리즘 2를 구동시킬 수 있다.
도 5의 알고리즘 2에서는 먼저 스택의 목표 온도(Tst), 스택 온도의 허용오차 범위(eT) 및 출력전류(Ist)를 설정하며, 이로부터 스택온도(T)의 제어범위가 결정된다. 상기 목표온도(Tst)와 허용오차 범위(eT)는 연료전지의 운전 시작 전에 미리 입력하며, 경우에 따라서는 운전 중에 수정할 수도 있다. 스택온도(Tst)의 허용오차 범위(eT)를 사용하여 스택온도의 최고값(Tmax)와 최저값(Tmin)를 하기의 수학식 5와 같이 계산할 수 있다.
[수학식 5]
Tmax=Tst*(1+eT)
Tmin=Tst*(1-eT)
[Tmax: 스택온도의 최고값, Tst: 스택의 목표온도, eT: 스택 온도의 허용오차 범위, Tmin: 스택온도의 최저값]
예시적인 구현예에서, 스택온도의 허용오차 범위(eT)는 0.01 내지 0.3의 값을 가지며, 바람직하게는 0.01 내지 0.05의 값을 가질 수 있다.
상기의 스택온도 제어범위가 설정되면, 다음 단계로 스택의 운전 온도(T)를 측정하고, 측정된 스택 온도(T)가 상기의 설정된 스택온도의 제어범위 내에 있는지 확인한다.
예시적인 구현예에서, 측정된 스택의 운전 온도(T) 가 설정된 스택온도의 제어범위 내에 해당하는 경우(즉, 스택의 운전 온도(T)가 Tmax보다 작고 Tmin보다 큰 경우)에 있어서는, 현재 유지되고 있는 전압진폭(Vamp)을 목표 전압진폭(Vst - amp)으로 설정할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 측정된 스택의 운전 온도(T) 가 스택온도 제어범위의 최저값(Tmin)보다 작은 경우에는, 현재 전압진폭(Vamp)에서 일정비율(x)을 증가시킨 새로운 목표 전압진폭을 설정(즉, Vst-amp=Vamp*(1+x))한다.
이와 달리, 반대로 측정된 스택의 운전 온도(T) 가 스택온도 제어범위의 최고값(Tmax)보다 큰 경우에는, 현재 전압진폭(Vamp)에서 일정비율(x) 이상 감소시키고, 이를 목표 전압진폭으로 설정(즉,Vst-amp=Vamp*(1-x))할 수 있다.
예시적인 구현예에서, x 는 0.01 ~ 0.9이고, 바람직하게는 0.05~0.2로 한다.
예시적인 구현예에서 상기 목표 전압진폭(Vst-amp)을 변화시키는 비율은 현재 목표 전압진폭(Vst-amp) 대비 약 1 내지 30% 범위 내일 수 있다.
이와 같이, 알고리즘 2의 방법을 사용하면 목표 전압진폭(Vst-amp)을 상기에서 언급한 희석연료의 농도와 전압진폭 간의 상관관계를 사용하지 않고도 설정할 수 있다.
목표 전압진폭(Vst-amp)을 설정 또는 재수정 하는 상기 알고리즘 2는 알고리즘 1 실행 시에 항상 병행하여 작동시키거나 또는 수동으로 작동을 선택하도록 할 수도 있다. 또는 실제 운전 전에 미리 예비 운전을 통해 알고리즘 2를 작동시켜 목표 전압진폭(Vst-amp)을 구할 수 있다. 이와 같이 도 5의 알고리즘 2를 사용하면 목표 전압진폭(Vst-amp)을 오토튜닝할 수 있게 된다.
예시적인 구현예에서, 제1단계에서 운전조건과 전압진폭(Vamp)의 관계를 설정하는 과정은 상기 알고리즘 2를 사용하여 대체할 수도 있다.
구체적으로 초기운전단계가 완료되어 연료전지 스택과 시스템이 목표운전 조건에 진입 후 정상상태에 도달하면, 스택의 출력전류(Ist), 출력전압(Vi) 및 스택의 운전 온도(T)가 안정된 상태로 유지되어 상기 제3단계로 진입하게 된다. 이 상태에서 운전을 진행하면서 전압진폭(Vamp)을 측정하고 이를 최초의 목표 전압진폭(Vst-amp)값으로 대체 설정한다. 이에 따라, 운전조건과 전압진폭(Vamp)의 관계를 설정하는 과정은 생략될 수도 있다. 이후 운전 과정에서는 상기 알고리즘 2를 이용하여 목표 전압진폭(Vst-amp) 값을 수정하면 연료전지 시스템이 보다 안정된 조건에서 운전될 수 있다. 이와 같이 하면, 운전조건하에서 희석연료의 농도와 전압진폭(Vamp)과의 상관관계를 구하는 제1단계를 생략하고도, 목표 전압진폭(Vst-amp)값을 설정할 수 있다.
농도 센서를 사용하지 않는 전압진폭 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료농도 제어 장치 및 이를 이용한 액체형 연료전지 장치
도 6은 본 발명의 일구현예에 따른 농도 센서를 포함하지 않는 액체형 연료전지 장치를 나타내는 개략도이다. 구체적으로, 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 도 1과 동일하게 하였다.
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 스택(3)의 캐소드로 공기가 공급된다. 상기 연료혼합기(1)는 연료원액통(5)으로부터 연료원액 공급 펌프(6)를 통하여 연료원액을 공급받는다.
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.
또한, 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.
또한, 상기 열교환기는 상기 열교환기들로 공급된 혼합 용액 또는 가습된 혼합 가스로부터 열을 빼앗을 수 있도록 고안된 열 금속 배관과 이를 둘러싸고 있는 금속 핀(fin)을 포함하고 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 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.
일구현예에서, 제어 장치(18)는 컴퓨터 장치와 결합되는 장치일 수 있다. 제어 장치(18)는 액체형 연료장치의 출력전류, 출력전압, 연료 전지 스택의 내부 온도 및 압력을 측정하는 장치와 연결되어 있을 수 있으며, 전술한 전압진폭 및 온도 제어 과정을 수행할 수 있다.
구체적으로, 제어 장치(18)는 액체형 연료전지의 운전 조건에 따른 출력 전압진폭(Vamp)을 측정하여, 상기 운전조건하에서 희석연료의 소비속도와 상기 전압진폭(Vamp)의 데이터베이스를 구축하는 제1처리부; 상기 희석연료의 소비속도와 상기 전압진폭(Vamp)의 상관관계를 기반으로 목표 전압진폭(Vst-amp) 및 목표 스택온도(Tst)을 포함하는 실제운전조건을 설정하는 제2처리부; 및 스택의 현재 전압 진폭(Vamp)을 측정하여, 이를 목표 전압진폭(Vst-amp)과 비교하여 오차를 계산하고, 상기 오차값을 이용하여, 피드백 제어에 필요한 출력량을 계산하고, 상기 출력량에 따른 신호를 연료공급부로 송출하는 제3 처리부를 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 연료 농도 제어장치는 스택의 운전온도(T)에 따라 목표 전압진폭(Vst-amp)을 변화시키는 오토튜닝부를 포함하고, 상기 오토튜닝부는 스택의 운전온도(T)를 측정하고, 이를 목표 온도값(Tst)과 비교하여 오차를 계산하고 상기 오차값에 비례하며 제어에 필요한 출력량을 계산하고, 상기 출력량에 따른 신호를 연료공급부 및 열교환기의 제어부로 송출할 수 있다.
구체적으로, 상기 스택의 운전온도(T)가 상기 목표운전 온도(Tst)의 오차범위인 최고온도값(Tmax) 이상의 값을 가지면 상기 목표 전압진폭(Vst-amp)을 낮추고, 상기 스택의 운전 온도(T)가 상기 목표운전 온도(Tst)의 오차범위인 최저온도값(Tmin) 이하의 값을 가지면 상기 목표 전압진폭(Vst-amp)을 높이되, 상기 목표 전압진폭(Vst-amp)을 변화시키는 비율은 상기 전압진폭(Vst-amp) 대비 1 내지 30% 일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 제1처리부를 구동하는 것은 연료전지가 초기구동구간을 지나 목표운전조건에 도달하거나 또는 목표운전 조건에 도달 후 정상상태에 진입하였을 때 최초로 측정된 전압진폭(Vamp)을 목표 전압진폭(Vst-amp)으로 사용함으로써 대체 될 수 있다.
한편, 일구현예에서, 상기 액체형 연료전지에 사용하는 액체 연료는 메탄올, 에탄올, 포름산, 이소프로판올, 프로판올, 에틸렌글리콜, 디메틸에테르, 부탄올, 수소, 부탄, 에탄, 프로판, 이산화탄소, 물, 보론수소화합물 및 바이오연료 등의 반응물 중에서 하나 이상이 포함된 단독 또는 혼합연료일 수 있다.
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.
또한, 본 발명의 일 구현예에 따른 연료 전지의 연료농도 제어 장치 및 이를 이용한 액체형 연료전지 장치는 성능을 증가시키는 방향으로 원액연료의 공급량을 능동적으로 제어할 수 있다.
뿐만 아니라, 연료 전지의 연료농도 제어 장치 및 이를 이용한 액체형 연료전지 장치는 연료전지가 장기운전 하는 경우 캐소드에 홍수현상(water flooding)이 증가되어 전압진폭이 커지면 제어기가 희석연료의 농도를 능동적으로 낮춤으로써 홍수를 줄여서 스택의 성능을 정상적으로 유지시킬 수 있다.
마지막으로, 연료 전지의 연료농도 제어 장치 및 이를 이용한 액체형 연료전지 장치는 외부온도가 변화하는 경우에도 전압진폭을 제어하여 연료의 농도를 제어하고, 이에 따라 외부온도의 변화에도 능동적으로 대처할 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.
실험예 1: 메탄올 농도와 전압진폭의 관계 설정
메탄올을 연료로 하는 직접메탄올연료전지의 단위전지(실시예 1)를 사용하여 실험을 수행하였다.
본 발명의 실험예에서는 200W급 직접메탄올 연료전지 스택의 전압진폭을 측정하기 위한 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 연료전지 스택은 20 장의 MEA(membrane electrode assembly)로 구성되어 있다. MEA의 전극 면적은 150 cm2이고, 전해질막으로는 듀퐁(Dupont)사의 나피온 115를 사용하였다. 연료극 전극 촉매로는 Pt-Ru 6 mg/cm2, 공기극 전극 촉매로는 Pt 2mg/cm2을 사용하였다. 분리판은 전도성 그래파이트 판에 평행한 곡사형(parallel serpentine) 타입의 유로가 새겨진 것을 사용하였으며, 희석연료의 공급 유량은 240ml/min으로 하였으며, 공기 공급 유량은 22 l/min (건조 공기)로 하였다. 연료전지 스택은 도 1과 같은 연료전지 시스템에 연결되어 있다. 먼저, 스택에 공급되는 연료의 메탄올 농도를 2.4wt%에서 4.2wt%까지 매 20분마다 0.2 wt%씩 증가시키면서 전압의 변화를 관찰하고 그 결과를 도 7에 나타내었다.
도 7a는 예시적인 실시예에서, 연료전지 스택에 공급되는 희석연료의 농도를 20분 간격으로 변화시켰을 때 나타나는 출력전압의 변화를 기록한 것이다. 7b는 도7a의 그래프를 매 10초 의 구간에서 전압의 최대값과 최소값을 선택하여 다시 그린 그래프로서, 최대값과 최소값의 곡선을 각각 나타낸 것이다. 도7c는 도7b에서 최대값과 최소값으로부터 진폭을 구하여 시간에 따른 진폭의 변화를 도시한 것이다. 내부의 작은 그래프는 도7c를 재구성하여 메탄올 연료의 농도에 따른 진폭의 변화를 도시한 것이다.
도 7a 내지 7d를 살펴보면, 일정 농도 구간에서도 전압이 작은 진폭을 가지고 요동치는 것을 볼 수 있으며, 메탄올 농도가 증가함에 따라 전압이 일시적으로 높아졌다 다시 감소하는 것을 알 수 있었다. 또한, 메탄올 농도가 2.8wt% 에서 3.4wt%인 경우 전압이 거의 일정하게 유지되었으며, 그 이상으로 농도가 증가하면 전압의 진폭이 커지고 전압이 감소하는 것으로 나타났다.
즉, 메탄올 농도가 증가할수록 전압진폭이 기하급수적으로 증가하는 것을 알 수 있다. 이것은 메탄올 연료의 농도가 증가할수록 스택의 애노드에서 캐소드로 메탄올의 크로스오버가 증가하고, 이로 인해 캐소드에서 홍수현상으로 인한 전압 불안정성이 증가하기 때문인 것으로 판단된다. 이러한 실험결과로부터 메탄올 농도와 전압진폭의 관계를 설정할 수 있었다.
실험예 2: 알고리즘 1을 이용한 전압진폭 제어에 따른 메탄올 농도 제어
상기 실시예 1에서 사용한 것과 동일한 연료전지 스택 및 시스템 그리고 운전 조건을 사용하고, 도 4의 알고리즘 1을 사용하여 메탄올 농도제어에 대한 실험을 실시하였다. 단, 본 실험예에서는 스택에 공급되는 희석연료의 메탄올 농도를 3.0 wt%에 맞추기 위해 전압진폭을 0.05V로 설정하였다. (실시예 2)
도 8a는 본 발명의 일 구현예에서, 전압진폭의 목표 값을 0.05V로 설정하고 연료전지 스택을 운전했을 때 얻어지는 전압을 나타내는 그래프이고 도 8b는 이때의 희석연료의 농도를 보여주는 그래프이다.
도 8a를 살펴보면, 전압진폭은 목표값인 0.05 부근에서 제어되고 있음을 확인할 수 있으며 상기의 조건에서 연료전지 스택의 전압도 8.3~8.5V 부근에서 안정적으로 유지됨을 확인할 수 있었다. 도 8b를 살펴보면, 메탄올 희석연료의 농도도 3.0 wt%로 안정적으로 일정하게 유지되고 있음을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 본 발명의 일 구현예에 따른 무센서 제어장치를 이용해 전압진폭을 일정하게 유지하는 경우, 희석연료의 농도를 일정하게 제어할 수 있음을 확인할 수 있었다.
실험예 3: 메탄올 센서 제어와 무센서 제어의 비교
실험예 3에서는 농도센서를 사용하여 희석연료 농도를 제어한 것(비교예 1)과, 농도센서를 사용하지 않고 전압진폭을 제어하여 희석연료의 농도를 제어한 것의 운전시간에 따른 농도제어 결과를 비교하였다. 두 실험에서 목표 농도는 모두 3.2 wt%로 설정되었으며, 무센서 농도제어에서 목표 전압진폭은 0.07V로 설정되었다(실시예 3). 기타 운전 조건은 실시예 1과 동일하였다.
이후, 센서를 사용하여 희석 연료 농도를 제어한 결과를 도 9a에 기재하였으며, 센서를 사용하지 않고 전압진폭을 제어하여 희석연료의 농도를 제어한 결과를 도 9b에 기재하였다. 또한, 각각의 운전에서 시간에 따른 출력전압의 변화를 비교한 결과를 도 9c에 기재하였다.
도 9a를 살펴보면 메탄올 센서를 이용한 경우에 농도가 더욱 안정적으로 3.2 wt%에 근접하게 유지되고 있음을 확인할 수 있었다. 반면 도 9b에 나타난 바와 같이 무센서 농도제어 결과는 메탄올 센서를 이용한 농도제어 결과에 비해 농도 변화폭이 더 큰 것을 확인할 수 있었다. 하지만, 장기운전을 하는 경우에는 제어방법에 따라 스택의 성능이 다르게 나타나게 되므로, 단기 운전이 아닌 장기 운전을 하는 경우를 보다 자세히 살펴보았다.
도 9c의 스택의 전압 변화를 보면 연속운전 12시간 이후부터는 메탄올 센서를 사용한 경우보다 무센서 운전 시에 스택 전압이 더 높게 유지됨을 알 수 있었다.
즉, 메탄올 센서를 사용하여 메탄올 농도를 제어하는 경우에는 스택의 전압이 지속적으로 서서히 감소하지만, 무센서 제어의 경우에는 전압이 상대적으로 더 높게 유지되었다. 이와 같이 연속운전 시에 성능이 저하되는 이유는 여러 가지가 있지만, 가장 대표적으로는 공기극에서 발생하는 홍수현상(water flooding)을 들 수 있다. 즉, 공기극에서 생성되는 물이 효과적으로 제거되지 않으면 전극에 물이 고여서 반응속도를 낮추는 홍수현상이 나타나며, 이로 인해 스택의 성능이 낮아지게 된다. 홍수현상이 나타나면 반응물의 물질전달속도가 늦어지고 반응속도가 불안정하게 되어 전압진폭이 커지게 된다. 따라서, 메탄올 농도를 목표 값으로 일정하게 유지하더라도 홍수현상을 방지하지 못하면 전압진폭이 증가하고 성능이 감소하게 된다. 상기의 메탄올 센서를 사용한 제어방법은 농도를 일정하게 유지하는 데는 유리하지만 캐소드에서의 홍수현상이 나타났을 때 이것을 해결하거나 미리 방지할 수는 없다. 이에 비해 전압진폭을 이용한 무센서 농도제어 방법에서는 홍수현상에 의해 전압진폭이 증가하면 메탄올 농도를 감소시켜 진폭을 낮추게 되고, 이로 인해 홍수현상이 해소되고 따라서 스택의 성능을 높게 유지할 수 있게 된다.
실험예 4: 외부 온도의 변화에 따른 농도 센서를 사용하지 않는 연료 농도 제어 장치의 제어효율 평가
400W급 직접메탄올연료전지 시스템을 사용하여 상기의 무센서 농도 제어기로 메탄올 연료의 농도를 제어하였다. 실험예 4에서 사용한 연료전지 시스템은 상기 실시예 1에서 사용한 도 1의 연료전지 시스템과 동일하며, 다만 연료전지 스택을 400W급으로 교체하여 구성한 것이다. 또한, 연료전지 운전 시에 반응물인 메탄올 용액과 공기의 주입속도는 실시예 1에 비해 2배로 하였다(실시예4). 기타 다른 연료전지 운전조건은 실시예 1과 동일하였다.
구체적으로, 상기의 무센서 농도 제어기를 사용하여 총 50시간 동안 연료전지 시스템을 운전하였으며, 이때 외부온도를 도 10a에 나타난 바와 같이 37℃ 와 32℃로 변화시켜 가며 실험을 진행하였다. 이러한 외부온도의 변화는 스택을 포함한 연료전지 시스템에서의 방열량을 변화시키고, 따라서 각 부위의 온도를 변화시키게 된다. 이후, 연료전지 시스템의 외부온도가 도 10a와 같이 변화할 때, 연료전지 시스템 각 부분의 온도, 연료전지 스택에 주입되는 메탄올연료의 농도 및 연료전지 스택의 출력전압의 변화를 측정하여 각각 도 10b 내지 10d에 도시하였다.
도 10b를 살펴보면, 외부 온도가 변화함에 따라 스택의 연료극에 공급되는 연료의 온도, 애노드 출구에 연결되어 있는 열교환기에서 방출되는 메탄올 용액의 온도가 변화함을 확인할 수 있다. 이때 스택의 운전 온도(T)는 크게 변화하지 않고 약 65℃에서 일정하게 유지되고 있는 것을 알 수 있다. 외부온도의 변화에도 불구하고 스택 온도가 일정하게 유지되는 이유는 무센서 농도제어기가 외부 온도의 변화에 따라 메탄올 원액 공급량을 능동적으로 변화시켜 상기 전압진폭을 활용한 무센서 농도제어 방식 때문이다.
도 10c를 살펴보면, 외부온도가 높은 경우(0-7시간, 30-41시간 부근)에는 메탄올 용액의 농도가 낮아져서 약 2.4wt%로 유지되고, 외부온도가 낮은 경우(7-30시간, 41-50시간)에는 농도가 증가하여 약 2.9wt%로 유지되고 있다. 이에 따라, 무센서 농도제어기가 외부 온도의 변화에 따라 메탄올 원액 공급량을 능동적으로 변화시켜 외부온도의 값에 따라 메탄올 희석연료의 농도를 변화시키는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 제어 방식 때문에 스택의 운전 온도(T)가 약 65℃로 일정하게 유지됨을 확인할 수 있었다.
도 10d는 상기 50시간의 운전에서 연료전지 스택의 전압과 파워(전압x전류)의 변화를 보여주는 그래프이다. 도 10d를 살펴보면, 외부온도가 높은 시간대(0-7시간, 30-41시간 부근)에는 전압과 파워가 높게 유지되고, 반대로 외부온도가 낮은 시간대(7-30시간, 41-50시간)에는 전압과 파워가 낮게 유지됨을 확인할 수 있었다.
상기 무센서 농도제어기는 전압진폭을 피드백으로 하여 메탄올 원액의 공급량을 제어한다. 상기 전압진폭은 스택의 공기극에서 생성되는 물의 양에 비례하여 증가하는데, 생성된 물의 양은 다시 연료극에서 공기극으로 넘어가는 메탄올 양에 의해 영향을 받는다. 외부온도가 상승하게 되면 스택의 연료극에 공급되는 메탄올 희석연료의 온도가 증가한다. 증가된 메탄올 혼합용액의 온도는 전해질막을 통해 연료극에서 공기극으로 넘어가는 메탄올의 양을 증가시킨다. 이는 스택의 공기극에 생성되는 물의 양을 증가시키고 전압요동 진폭을 증가시킨다. 이때 무센서 제어기는 증가된 전압진폭을 낮추기 위해 메탄올원액의 공급량을 능동적으로 줄이게 되고, 이로 인해 도 10c에 나타난 바와 같이 스택에 공급되는 메탄올 희석연료의 농도가 감소하게 된다 스택에 공급되는 메탄올 희석연료의 농도가 감소하면 연료전지 스택에서 메탄올 크로스오버가 감소하여 스택에서의 열 발생량이 감소하게 되며, 따라서 외부온도가 증가함에도 불구하고 스택의 운전 온도(T)는 감소하거나 또는 큰 변화 없이 일정하게 유지된다.
반대로, 외부온도가 낮아져서 스택의 운전 온도(T)가 낮아지고 이로 인해 스택의 성능이 낮아져서 전압진폭이 감소하게 되면, 무센서 농도제어기는 전압진폭을 상승시키기 위해 메탄올원액 공급량을 증가시키게 된다. 이로 인해 도 9c에 나타난 바와 같이 스택에 공급되는 메탄올 희석연료의 농도가 증가하게 되고, 메탄올크로스오버가 증가되어 스택에서의 발열량이 증가하게 된다. 따라서, 도 10b에 나타난 바와 같이 스택의 운전 온도(T)는 다시 높아지게 된다.
실험예 5: 무센서 농도 제어 시스템과 에너지 효율
전압진폭을 이용하여 농도를 제어하는 무센서 농도제어기가 연료전지 시스템의 총 에너지 효율에 미치는 영향을 살펴보기 위해 비교실험을 실시하였다. 본 실험예 5에서 사용한 무센서 농도제어기의 실험데이터는 상기 실시예 4의 실험결과를 활용하였다. 상기 실시예 4와 비교하기 위한 ‘비교예 2’는 상기 실시예 4와 동일한 조건에서 실험을 진행하되, 연료혼합기에 일정한 속도로 메탄올원액을 공급함으로써 형성하였다. 이때 연료혼합기에 공급되는 메탄올 원액의 공급속도는 실시예 4의 연료전지 시스템의 운전조건(정상상태에서의 출력전류, 외부온도 및 스택온도로 설정)에서 메탄올이 소비되는 속도와 동일하게 하였다. 즉, 주어진 운전조건에서 연료혼합기에 공급되는 메탄올 원액의 공급속도를 일정하게 함으로써, 연료전지 스택에 공급되는 희석연료의 농도가 2.9wt%로 일정하게 유지되도록 하였다. 이때 외부온도는 30℃와 40℃로 설정하였으며, 외부온도가 변하는 경우에도 연료원액의 공급량은 일정하게 유지하였다.
이후, 연료전지 시스템의 외부온도가 도 11a와 같이 변화할 때, 연료전지 시스템 각 부분의 온도, 연료전지 스택에 주입되는 메탄올연료의 농도 및 연료전지 스택의 출력전압과 파워의 변화를 측정하여 각각 도 11b 내지 11d에 도시하였다.
이후, 실시예 4 및 비교예 2에 따라 제조된 각 연료전지 전체 시스템의 효율을 비교하여 도 12에 기재하였다.
도 12를 살펴보면, 단순히 일정한 양의 메탄올 원액을 공급하는 비교예의 경우에 있어서는, 외부온도 상승 전보다 후의 총 효율이 0.2% 상승함을 확인할 수 있었다. 반면, 상기 무센서로 농도 제어한 비교예의 경우에는 총 시스템 효율이 외부온도 상승 전보다 1.8% 상승함을 확인할 수 있었다. 이를 통해 상기의 무센서 농도제어기를 이용하여 메탄올 희석연료의 농도를 제어하는 방식이 외부온도가 변화되는 운전환경에서 더욱 효율적임을 알 수 있었다.
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
17: 메탄올 농도 센서
18: 농도 센서를 사용하지 않는 액체형 연료전지의 연료 농도 제어 장치

Claims (18)

  1. 액체형 연료전지의 운전 조건하에서 희석연료농도의 변화에 따른 출력 전압진폭(Vamp) 및 스택의 운전 온도(T)를 측정하여, 상기 희석연료농도와 상기 전압진폭(Vamp)의 상관관계를 구축하는 제1단계;
    상기 희석연료농도와 상기 전압진폭(Vamp)사이의 상관관계를 기반으로 목표 전압진폭(Vst-amp) 및 연료전지 스택의 목표운전온도(Tst)를 포함하는 실제 운전조건을 설정하는 제 2단계; 및
    상기 실제 운전조건을 기준으로 하여 연료전지를 운전하되, 전압진폭 측정 구간(tst)에 따라 연료전지의 출력 전압(Vi)이 요동하는 전압진폭(Vamp)을 측정하고, 상기 측정된 전압진폭(Vamp) 값이 상기 목표 전압진폭(Vst-amp)에 도달하도록 연료원액의 공급량(PMeOH)을 결정하여 연료혼합기에 공급하는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 농도 센서를 사용하지 않는 전압진폭 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료농도 제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실제 운전 조건은 출력 전류(Ist)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 농도 센서를 사용하지 않는 전압진폭 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료농도 제어방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제3단계는 연료전지가 상기 초기구동 구간(start-up period)을 지나서 목표운전조건에 도달하거나 또는 목표운전 조건에 진입 후 정상상태에 도달되었을 때부터 작동되기 시작하며, 상기 제3단계가 작동하기 시작할 때 최초의 연료원액 공급량(PMeOH)은 초기구동 구간의 최후의 연료원액 공급량(PMeOH)과 동일한 것을 특징으로 하는 농도 센서를 사용하지 않는 전압진폭 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료농도 제어방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연료원액 공급량(PMeOH)은, 연료전지 구동에 따른 출력 전류(Ist)와 패러데이 상수를 이용하여 계산된 값에 일정한 배수를 곱하여 결정하되, 상기 배수는 P, PI, 또는 PID 방식 중의 어느 하나를 단독으로 또는 교대로 사용하여 결정하는 것을 특징으로 하는 농도 센서를 사용하지 않는 전압진폭 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료농도 제어방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전압진폭(Vamp)은 상기 전압진폭 측정구간(tst)동안 측정된 전압의 최대값(Vmax)과 최저값(Vmin)의 차이로부터 계산하거나, 혹은 상기 전압진폭 측정구간 (tst) 내 전체 전압값들의 평균값보다 큰 값들을 포함하는 제1 그룹 및 상기 전체 전압값들의 평균값보다 작은 값들을 포함하는 제2그룹으로 구분하고, 상기 제1 및 제2 그룹들의 각각의 평균값을 구한 다음 이들의 평균값들의 차이로부터 계산하고,
    상기 전압진폭 측정 구간(tst)은 1 내지 30초이며,
    상기 측정된 전압진폭(Vamp)이 상기 목표 전압진폭(Vst-amp)보다 크면 상기 연료원액의 공급량(PMeOH)을 줄이고, 상기 측정된 전압진폭(Vamp)이 상기 목표 전압진폭(Vst-amp)보다 작으면 상기 연료원액의 공급량(PMeOH)을 늘리는 것을 특징으로 하는 농도 센서를 사용하지 않는 전압진폭 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료농도 제어방법.
  6. 제1항 내지 제5항에 있어서,
    상기 제3 단계에서, 상기 전압진폭(Vamp)을 기반으로 하여 상기 연료원액의 공급량(PMeOH)을 제어하는 공정은 상기 전압진폭(Vamp)을 기반으로 한 피드백 제어기를 사용하며,
    상기 피드백 제어기는 P, PI, 또는 PID 방식 중의 어느 하나를 단독으로 또는 교대로 사용하여 구현하는 것을 특징으로 하는 농도 센서를 사용하지 않는 전압진폭 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료농도 제어방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 농도 센서를 사용하지 않는 연료 농도 제어 방법은 상기 스택의 운전온도(T)에 따라 목표 전압진폭(Vst-amp)을 변화시키는 오토튜닝 공정을 포함하며,
    상기 스택의 운전온도(T)가 스택온도의 최고값(Tmax) 이상의 값을 가지면 상기 목표 전압진폭(Vst-amp)을 낮추고,
    상기 스택의 운전 온도(T)가 스택온도의 최저값(Tmin) 이하의 값을 가지면 상기 목표 전압진폭(Vst-amp)을 높이되,
    상기 목표 전압진폭(Vst-amp)을 변화시키는 비율은 상기 전압진폭(Vst-amp) 대비 1 내지 30%인 것을 특징으로 하는 농도 센서를 사용하지 않는 전압진폭 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료농도 제어방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 스택온도의 최고값(Tmax) 및 최저값(Tmin)은 각각 수학식 1에 따라 계산되며, 스택온도의 허용 오차범위(eT)는 0.01 내지 0.05의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 농도 센서를 사용하지 않는 전압진폭 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료농도 제어방법.
    [수학식 1]
    Tmax=Tst*(1+eT)
    Tmin=Tst*(1-eT)
    [상기 수학식 1에서, Tmax는 스택온도의 최고값, Tst는 스택의 목표온도, eT는 스택 온도의 허용오차 범위, Tmin는 스택온도의 최저값을 나타낸다.]
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제3단계에서 최초로 측정된 전압진폭(Vamp)값을 상기 목표 전압진폭(Vst-amp)값으로 설정하고, 상기 오토튜닝 공정을 수행하여 상기 전압진폭(Vamp)값을 조정함으로써, 상기 전압진폭(Vamp)과 상기 희석연료농도의 상관관계를 구축하는 제1단계를 수행하지 않고도 목표 전압진폭(Vst-amp)을 자동으로 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 오토튜닝 기능이 포함된 농도 센서를 사용하지 않는 전압진폭 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료농도 제어방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 구동 시, 상기 연료전지 스택의 단위전지당 평균 출력전압이 0.1 내지 0.2V 미만인 경우, 상기 단위전지 중 어느 하나의 전압(Vi)이 0.0 내지 0.1V 이하인 경우 또는 상기 단위전지 중 어느 하나의 운전 온도(T)가 90 내지 100℃를 초과하는 경우, 연료전지 장치의 운전을 중지하는 것을 특징으로 하는 농도 센서를 사용하지 않는 전압진폭 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료농도 제어방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지에 사용하는 연료는 메탄올, 에탄올 포름산, 이소프로판올, 프로판올, 에틸렌글리콜, 디메틸에테르, 부탄올, 수소, 디메틸에테르, 부탄, 에탄, 프로판, 글리세롤, 보론수소화합물, 이산화탄소, 물, 및 바이오연료로 이루어지는 군에서 선택되는 반응물을 하나 이상 포함하는 혼합연료인 것을 특징으로 하는 농도 센서를 사용하지 않는 전압진폭 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료농도 제어방법.
  12. 액체형 연료전지의 출력 전류, 출력 전압, 연료전지 스택 내부의 온도 및 압력을 측정하는 측정 장치에 연결 되며,
    액체형 연료전지의 운전 조건에 따른 출력 전압진폭(Vamp)을 및 스택의 온도(T)를 측정하여, 상기 운전조건하에서 희석연료의 소비속도와 상기 전압진폭(Vamp)의 데이터베이스를 구축하는 제1처리부;
    상기 희석연료의 소비속도와 상기 전압진폭(Vamp)의 상관관계를 기반으로 목표 전압진폭(Vst-amp) 및 목표 스택온도(Tst)를 설정하는 제 2 처리부; 및
    전압진폭 측정구간(tst)에서 상기 연료전지 스택의 전압 진폭(Vamp) 및 온도(T)를 측정하여, 이를 각각 상기 목표 전압진폭(Vst-amp) 및 목표 스택온도(Tst)와 비교하여 오차를 계산하고, 상기 오차값을 이용하여, 상기 측정된 전압진폭(Vamp)이 상기 목표 전압진폭(Vst-amp)에 도달하도록 피드백 제어에 따른 연료원액의 공급량(PMeOH)의 신호를 결정하고, 상기 신호를 연료공급부로 송출하는 제3 처리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 농도 센서를 사용하지 않는 전압진폭 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료농도를 제어하는 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 농도 센서를 사용하지 않는 연료 농도 제어 장치는 스택의 운전온도(T)에 따라 목표 전압진폭(Vst-amp)을 변화시키는 오토튜닝부를 포함하며,
    상기 전압진폭 측정구간(tst)에서 상기 연료전지 스택의 운전 온도(T)를 측정하여, 이를 각각 상기 목표 전압진폭(Vst-amp) 및 목표 스택온도(Tst)와 비교하여 오차를 계산하되,
    상기 스택의 운전온도(T)가 상기 목표운전 온도(Tst)의 오차범위인 최고온도값(Tmax) 이상의 값을 가지면 상기 목표 전압진폭(Vst-amp)을 낮추고,
    상기 스택의 운전 온도(T) 가 상기 목표운전 온도(Tst)의 오차범위인 최저온도값(Tmin) 이하의 값을 가지면 상기 목표 전압진폭(Vst-amp)을 높이되,
    상기 목표 전압진폭(Vst-amp)을 변화시키는 비율은 상기 전압진폭(Vst-amp) 대비 1 내지 30%인 것을 특징으로 하는 농도 센서를 사용하지 않는 전압진폭 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료농도를 제어하는 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 처리부를 구동하는 것은 상기 오토튜닝부를 구동하는 것으로 대체되는 것을 특징으로 하는 농도 센서를 사용하지 않는 전압진폭 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료농도를 제어하는 장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제1처리부를 구동하는 것은 연료전지가 초기구동구간을 지나 목표운전조건에 도달하거나 또는 목표운전조건에 도달 후 정상상태에 진입하였을 때 최초로 측정된 전압진폭(Vamp)을 목표 전압진폭(Vst-amp)으로 사용함으로써 대체되는 것을 특징으로 하는 액체형 연료전지의 연료농도를 제어하는 장치.
  16. 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; 및
    제12항 내지 제15항 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 것을 특징으로 하는 액체형 연료전지 장치.
  17. 제16항에 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 것을 특징으로 하는 액체형 연료전지 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 액체형 연료전지에 사용하는 액체 연료는 메탄올, 에탄올, 포름산, 이소프로판올, 프로판올, 에틸렌글리콜, 디메틸에테르, 부탄올, 수소, 부탄, 에탄, 프로판, 보론수소화합물, 이산화탄소, 물 및 바이오연료 등의 반응물 중에서 하나 이상이 포함된 단독 또는 혼합연료인 것을 특징으로 하는 액체형 연료전지 장치.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111244509A (zh) * 2019-04-02 2020-06-05 浙江大学 一种质子交换膜燃料电池系统温度主动容错控制方法

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6919555B2 (ja) * 2017-12-25 2021-08-18 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよび車両
CN115020765B (zh) * 2022-07-15 2022-11-29 潍柴动力股份有限公司 一种燃料电池的热管理控制方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20070073716A (ko) * 2004-07-30 2007-07-10 산요덴키가부시키가이샤 연료 전지 시스템 및 연료 전지의 제어 방법
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
US20140154599A1 (en) 2012-11-30 2014-06-05 Korea Institute Of Science And Technology 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
KR20140072805A (ko) * 2012-11-30 2014-06-13 한국과학기술연구원 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

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8247122B2 (en) 2003-07-25 2012-08-21 Nissan Motor Co., Ltd. Device and method for controlling fuel cell system with vibration amplitude detection
JP4924786B2 (ja) 2004-09-06 2012-04-25 ソニー株式会社 燃料電池発電装置の運転方法及び燃料電池発電装置
KR100722109B1 (ko) 2005-09-28 2007-05-25 삼성에스디아이 주식회사 연료전지 시스템과 그 제어장치 및 제어방법
US20110244351A1 (en) 2010-04-01 2011-10-06 Jung-Kurn Park Operating method of fuel cell system

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20070073716A (ko) * 2004-07-30 2007-07-10 산요덴키가부시키가이샤 연료 전지 시스템 및 연료 전지의 제어 방법
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
US20140154599A1 (en) 2012-11-30 2014-06-05 Korea Institute Of Science And Technology 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
KR20140072805A (ko) * 2012-11-30 2014-06-13 한국과학기술연구원 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

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111244509A (zh) * 2019-04-02 2020-06-05 浙江大学 一种质子交换膜燃料电池系统温度主动容错控制方法
CN111244509B (zh) * 2019-04-02 2021-08-03 浙江大学 一种质子交换膜燃料电池系统温度主动容错控制方法

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