KR101666200B1 - Dmfc system for starting in low temperature - Google Patents

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Abstract

Disclosed is a direct methanol fuel cell system. The system of the present invention comprises: a plurality of sensors; a fuel tank storing methanol as fuel; a stack generating electricity by receiving an aqueous methanol solution and air and generating a chemical reaction; a gas-liquid separator receiving unreacted fuel and by-products of the chemical reaction from the stack and separating the same, and receiving the methanol solution from the fuel tank and mixing the same so as to form an aqueous methanol solution; a metal heating element receiving electric power and generating heat and on which a catalyst is coated to generate oxidation reactions with a methanol gas supplied from the fuel tank; a secondary battery supplying the electric power to the heating element; and a start control unit comparing the temperature detected by at least one temperature sensor among the sensors at the beginning with a preset first reference temperature and, if the system internal temperature is lower than the first reference temperature, controlling the secondary battery so as to supply the electric power to the metal heating element and allow the methanol gas in the fuel tank to apply to the gas-liquid separator.

Description

저온 시동 직접 메탄올 연료전지 시스템{DMFC SYSTEM FOR STARTING IN LOW TEMPERATURE}[0001] DMFC SYSTEM FOR STARTING IN LOW TEMPERATURE [0002]

본 발명은 직접 메탄올 연료전지 시스템에 관한 것으로, 특히 저온 시동이 가능한 직접 메탄올 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to direct methanol fuel cell systems, and more particularly to direct methanol fuel cell systems capable of cold start.

연료 전지 시스템(fuel cell system)은 발전 시스템(electric power generation system)의 한 종류로서, 일반적으로, 수소나 메탄올 등과 산소의 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 연료 전지 시스템은 화학적 반응에 의해 전기를 발생시키는 점에서 종래의 화학 전지와 유사하지만, 화학 전지가 전극을 구성하는 물질과 전해질을 용기 속에 넣어 화학 반응시키는데 반해 연료 전지는 외부로부터 메탄올 및 산소와 같은 연료를 연속적으로 공급하여 화학 반응을 일으키므로, 별도의 충전이 필요없이 연료가 공급되는 동안 계속하여 전기를 발생한다. 연료 전지는 기존의 내연기관에 비해 유독물질을 배출하지 않고, 구동부가 존재하지 않아 소음이 없으며, 에너지 효율이 우수하여 차세대 에너지원으로서 각광 받고 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION [0002] A fuel cell system is a type of electric power generation system. Generally, it is a power generation system that converts chemical energy directly into electrical energy by electrochemical reaction of oxygen with hydrogen or methanol. The fuel cell system is similar to a conventional chemical cell in that it generates electricity by chemical reaction, but a chemical cell chemically reacts by putting the material and the electrolyte constituting the electrode into a container, while the fuel cell is externally supplied with methanol and oxygen Since the fuel is continuously supplied to cause a chemical reaction, electricity is continuously generated while the fuel is supplied without the necessity of extra charging. The fuel cell does not emit toxic substances as compared with existing internal combustion engines, does not have a driving part, has no noise, and is excellent in energy efficiency, and has been attracting attention as a next-generation energy source.

연료 전지 시스템에서 수소는 순수한 수소를 직접 공급할 수도 있고, 메탄올, 에탄올, 천연가스 등과 같은 물질을 개질하여 수소를 공급할 수도 있다. 산소는 순수한 산소를 직접 연료전지 시스템에 공급 할 수도 있고, 공기 펌프 등을 이용하여 통상의 공기에 포함된 산소를 공급할 수도 있다.In the fuel cell system, hydrogen can supply pure hydrogen directly, or it can supply hydrogen by modifying materials such as methanol, ethanol, natural gas and the like. Oxygen may supply pure oxygen directly to the fuel cell system or may supply oxygen contained in normal air using an air pump or the like.

연료전지는 상온 또는 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 직접 산화형 연료전지(Direct Oxidation Fuel Cell), 150 ∼ 200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600 ∼ 700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지 등으로 분류된다. 이러한 분류에 따른 각각의 연료전지는 기본적으로 전기를 발생하는 작동원리는 동일하지만 사용되는 연료의 종류, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.The fuel cell may be a polymer electrolyte type or direct oxidation fuel cell operating at room temperature or below 100 ° C, a phosphoric acid fuel cell operating at about 150-200 ° C, a melting cell operating at a high temperature of 600 to 700 ° C A carbonate-type fuel cell, and a solid oxide fuel cell operating at a high temperature of 1000 ° C or higher. Each of the fuel cells according to this classification basically has the same principle of operation as that of generating electricity, but different kinds of fuel, catalyst, and electrolyte are used.

직접 산화형 연료전지 중 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: 이하 DMFC)는 연료로서 수소 대신에 액상의 고농도 메탄올을 물과 혼합한 후 직접 연료로 사용하며 상온(5℃ 이상)에서 80℃ 이하의 낮은 온도 범위에서 작동하는 저온 연료 전지이다. DMFC는 수소를 직접 연료로 사용하는 연료전지보다 출력밀도가 낮지만, 연료로 사용하는 메탄올의 체적당 에너지 밀도가 높고 저장이 용이하여 저출력 및 장시간 운전이 요구되는 상황에서 유리한 장점이 있다. 또한 연료를 개질하여 수소를 생성하는 개질기 등의 부가적인 장치가 불필요하기 때문에 소형화에 매우 유리하다.Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) is a direct fuel cell that uses liquid methanol as a fuel instead of hydrogen and mixes it with water. It is used as a direct fuel. It is heated at room temperature (over 5 ℃) Temperature fuel cell that operates in the low temperature range of. DMFC is advantageous in a situation where the output density is lower than that of a fuel cell using hydrogen as a direct fuel, but the energy density per volume of methanol used as a fuel is high and storage is easy, and a low output and long operation is required. Further, an additional device such as a reformer for reforming the fuel to generate hydrogen is unnecessary, which is very advantageous for downsizing.

한편 최근 이동형 에너지 공급 수단과 이차 전지 충전 수단 및 무인화 시스템의 에너지 공급원 등에 대한 수요가 증가하고 있으며, 상기한 장점으로 인해 DMFC 시스템에 대한 요구가 크게 증가하였다.Meanwhile, there is an increasing demand for portable energy supply means, secondary battery charging means and energy supply source of the unmanned system, and the demand for the DMFC system has greatly increased due to the above advantages.

그러나 DMFC는 상기한 바와 같이 연료전지 중에서는 낮은 온도에 속하는 상온에서 동작할 수 있으나, 고농도 메탄올을 물에 희석하여 직접 연료로 사용하는 특성상 물이 어는 온도(0℃) 이하의 저온에서는 동작이 제한된다. 그리고 저온에서 DMFC의 동작 제한은 DMFC를 이용하여 이동형 연료 전지 시스템, 무인화 시스템 및 비상 전원 공급 시스템 등을 구현하는데 한계로 작용하고 있다.However, as described above, the DMFC can operate at room temperature, which is low in the temperature of the fuel cell. However, since DMFC is diluted with water and used as a direct fuel, the DMFC is limited in operation at a low temperature below 0 do. In addition, DMFC operation limitations at low temperatures are limited by the implementation of mobile fuel cell systems, unmanned systems, and emergency power supply systems using DMFCs.

특히 군사용 전자 장치의 경우에 요구되는 저온 동작 온도가 대부분 -32℃이므로, DMFC 시스템을 군사용으로 사용할 수 없다는 한계가 있다.In particular, since the low-temperature operation temperature required for a military electronic device is mostly -32 ° C, there is a limitation that the DMFC system can not be used for military use.

이러한 DMFC 시스템의 저온 동작 한계를 극복하고자, 기존에는 5℃ 이상의 상온에서 시동한 후 0℃ 이하의 저온에서 사용하거나, 상용 전원을 인가받는 별도의 전기 히터와 같은 가열장치를 구비하여 DMFC 시스템의 온도를 상온까지 높여 사용하는 경우가 대부분이다. 따라서 상용 전원을 사용할 수 없는 조건에서는 DMFC 시스템을 운용할 수 없어, 이동형 DMFC 시스템을 구현할 수 없다는 한계가 있다.In order to overcome the low temperature operation limit of such a DMFC system, it has conventionally been known to use a DMFC system having a heating device such as an electric heater, which is used at a low temperature of 0 ° C or lower after starting at an ordinary temperature of 5 ° C or higher, Is used up to room temperature in most cases. Therefore, the DMFC system can not be operated under the condition that commercial power can not be used, and thus there is a limitation in that a mobile DMFC system can not be implemented.

한국 등록 특허 제10-1443035호 (2014.09.16 등록)Korean Registered Patent No. 10-1443035 (Registered on September 16, 2014)

본 발명의 목적은 저온에서 DMFC의 원료인 메탄올과 산화 촉매를 반응시키는 촉매 연소를 이용하여 시스템을 승온시킴으로써, 극저온에서도 동작이 가능한 DMFC 시스템을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a DMFC system capable of operating at a cryogenic temperature by raising the temperature of the system by using catalytic combustion which reacts methanol as a raw material of DMFC with an oxidation catalyst at a low temperature.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 DMFC 시스템은 복수개의 센서; 연료인 메탄올을 저장하는 연료 탱크; 메탄올 수용액과 공기를 인가받아 화학 반응을 생성하여 전기를 발생하는 스택; 상기 스택으로부터 미반응 연료와 화학 반응 부산물을 인가받아 분리하고, 상기 연료 탱크로부터 메탄올 용액을 인가받아 혼합하여 상기 메탄올 수용액을 생성하는 기액 분리기; 전력을 공급받아 발열하며, 상기 연료 탱크에서 공급된 메탄올 가스와 산화 반응을 발생하기 위한 촉매가 코팅된 금속 발열체; 상기 금속 발열체로 상기 전력을 공급하는 이차 전지; 및 시동 초기에 상기 복수개의 센서 중 적어도 하나의 온도 센서를 통해 감지되는 온도를 기설정된 제1 기준 온도와 비교하여, 상기 감지되는 온도가 상기 제1 기준 온도 이하이면, 상기 이차 전지를 제어하여 상기 금속 발열체로 전력을 공급하고, 상기 연료 탱크의 상기 메탄올 가스를 상기 금속 발열체를 통해 상기 기액 분리기로 인가되도록 하는 시동 제어부; 를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a DMFC system including a plurality of sensors; A fuel tank for storing methanol as fuel; A stack for generating electricity by receiving a methanol aqueous solution and air and generating a chemical reaction; A gas-liquid separator for separating unreacted fuel and chemical reaction by-products from the stack, separating the unreacted fuel and the chemical reaction byproduct from the stack, mixing the methanol solution from the fuel tank to produce the methanol aqueous solution; A metal heating element coated with a catalyst for generating an oxidation reaction with the methanol gas supplied from the fuel tank, A secondary battery that supplies the power to the metal heating element; And comparing the sensed temperature detected by at least one temperature sensor of the plurality of sensors with a predetermined first reference temperature at an initial stage of starting the battery and controlling the secondary battery if the sensed temperature is lower than the first reference temperature, A start controller for supplying power to the gas-liquid separator through the metal heating element; .

상기 시동 제어부는 물이 어는 온도를 기반으로 하여 상기 제1 기준 온도를 설정하고, 상기 적어도 하나의 온도 센서 중 상기 직접 메탄올 연료전지 시스템 내부 온도를 감지하는 온도 센서에서 감지된 내부 온도가 상기 제1 기준 온도 이하이면, 상기 금속 발열체로 전력을 공급하는 것을 특징으로 한다.Wherein the startup control unit sets the first reference temperature based on the temperature of the water and detects an internal temperature sensed by a temperature sensor that senses the internal temperature of the direct methanol fuel cell system among the at least one temperature sensor, And the power is supplied to the metal heating element when the temperature is lower than the reference temperature.

상기 금속 발열체는 활성 금속이 메쉬 형태로 구현되어 상기 이차 전지에서 인가되는 전력에 의해 발열하는 금속 메쉬; 및 상기 금속 메쉬에 코팅되어 상기 메탄올 가스의 산화 반응을 유도하는 상기 촉매인 산화 촉매; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.Wherein the metal heating element is formed of a metal mesh having an active metal and generates heat by electric power applied from the secondary battery; And an oxidation catalyst coated on the metal mesh to induce an oxidation reaction of the methanol gas; And a control unit.

상기 직접 메탄올 연료전지 시스템은 상기 시동 제어부의 제어에 따라 구동되어, 상기 연료 탱크에 공기를 공급하여 상기 메탄올 증기압에 의해 상기 메탄올 가스가 상기 금속 발열체를 통과하여 상기 기액 분리기로 공급되도록 하는 팬; 을 더 구비 하는 것을 특징으로 한다.Wherein the direct methanol fuel cell system is driven under the control of the startup control unit to supply air to the fuel tank so that the methanol gas is supplied to the gas-liquid separator through the metal heating element by the methanol vapor pressure; And a control unit.

상기 시동 제어부는 상기 금속 발열체의 온도가 상기 메탄올 가스의 상기 산화 반응을 유발하기 위해 기설정된 제2 기준온도 이하이면, 상기 금속 발열체로 상기 전력을 계속 공급하고, 상기 금속 발열체의 온도가 상기 제2 기준 온도를 초과하면, 상기 팬을 구동하여 상기 메탄올 가스가 상기 금속 발열체를 통해 상기 기액 분리기로 전송되도록 하며, 상기 금속 발열체에서 불필요한 전력이 소모되는 것을 방지하기 위해 상기 금속 발열체의 온도가 기설정된 제3 기준 온도를 이상이면, 상기 금속 발열체로 인가되는 전력이 차단되도록 상기 이차 전지를 제어하는 것을 특징으로 한다.Wherein the starting control unit continuously supplies the electric power to the metal heating element when the temperature of the metal heating element is lower than a predetermined second reference temperature for inducing the oxidation reaction of the methanol gas, The temperature of the metal heating element is lowered to a predetermined value so as to prevent unnecessary power from being consumed by the metal heating element, And controls the secondary battery so that power applied to the metal heating element is cut off when the reference temperature is higher than the reference temperature.

상기 시동 제어부는 상기 금속 발열체에서 발생한 상기 메탄올 가스의 상기 산화 반응에 의해 발생한 열이 상기 기액 분리기로 인가되어, 상기 직접 메탄올 연료전지 시스템의 내부 온도가 기설정된 제4 온도 이상이면, 상기 금속 발열체로 인가되는 전력을 차단하고, 상기 팬이 구동되지 않도록 제어하는 것을 특징으로 한다.Wherein the start-up control unit applies heat generated by the oxidation reaction of the methanol gas generated in the metal heating element to the gas-liquid separator, and if the internal temperature of the direct methanol fuel cell system is higher than a predetermined fourth temperature, The control unit interrupts the applied electric power and controls the fan not to be driven.

상기 직접 메탄올 연료전지 시스템은 상기 복수개의 센서로부터 온도, 유량 및 농도 정보를 인가받아 분석하여, 상기 메탄올 수용액의 양과 메탄올 농도가 조절되어 상기 스택에 공급되도록 제어하는 DMFC 제어부를 더 구비하고, 상기 시동 제어부는 상기 직접 메탄올 연료전지 시스템의 내부 온도가 기설정된 제4 온도 이상이면, 상기 DMFC 제어부를 활성화하기 위한 활성화 신호를 전송하는 것을 특징으로 한다.The direct methanol fuel cell system further includes a DMFC controller for receiving and analyzing temperature, flow rate, and concentration information from the plurality of sensors, and controlling the amount of the methanol aqueous solution and the concentration of methanol to be controlled and supplied to the stack, And the control unit transmits an activation signal for activating the DMFC control unit if the internal temperature of the direct methanol fuel cell system is equal to or higher than a predetermined fourth temperature.

상기 이차 전지는 상기 스택에서 생성된 전력을 인가받아 저장하는 것을 특징으로 한다.And the secondary battery receives and stores power generated in the stack.

따라서, 본 발명의 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 시스템은 물이 어는 점 이하의 저온에서 DMFC 시스템의 연료인 메탄올을 산화 촉매와 반응시켜 DMFC 시스템 내부의 온도를 상승시킨 후, 정상 구동함으로써, 별도의 상용 전원을 인가받지 않고도, 내부의 이차 전지만으로 저온에서 안정적으로 구동될 수 있다. 따라서 저온 운용 환경에서도 이동형 연료 전지 시스템, 무인화 시스템 및 비상 전원 공급 시스템 등을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 영하 32℃의 극저온 환경에서도 정상 동작을 필요로 하는 군사용 장치에 용이하게 적용될 수 있다.Therefore, the direct methanol fuel cell (DMFC) system of the present invention reacts methanol, which is a fuel of the DMFC system, with the oxidation catalyst at a low temperature below the water freezing point to raise the temperature inside the DMFC system, It can be stably driven at a low temperature by only the internal secondary battery without being supplied with commercial power. Therefore, it can be applied not only to a mobile fuel cell system, an unmanned system, an emergency power supply system, etc., even in a low temperature operating environment, but also to a military apparatus requiring normal operation in a cryogenic temperature of minus 32 ° C.

도1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 DMFC 시스템의 구성을 나타낸다.
도2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 DMFC 시스템의 저온 시동 방법을 나타낸다.1 shows a configuration of a DMFC system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows a low-temperature start-up method of the DMFC system according to an embodiment of the present invention.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. In order to fully understand the present invention, operational advantages of the present invention, and objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings and the accompanying drawings which illustrate preferred embodiments of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings. However, the present invention can be implemented in various different forms, and is not limited to the embodiments described. In order to clearly describe the present invention, parts that are not related to the description are omitted, and the same reference numerals in the drawings denote the same members.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. Throughout the specification, when an element is referred to as "including" an element, it does not exclude other elements unless specifically stated to the contrary. The terms "part", "unit", "module", "block", and the like described in the specification mean units for processing at least one function or operation, And a combination of software.

도1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 메탄올 연료 전지 시스템의 구성을 나타낸다.1 shows a configuration of a direct methanol fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도1 을 참조하면 본 발명의 직접 메탄올 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: 이하 DMFC) 시스템은 연료 전지부(100)와 시동 제어부(200)를 구비한다.Referring to FIG. 1, the direct methanol fuel cell (DMFC) system of the present invention includes a fuel cell unit 100 and a startup control unit 200.

연료 전지부(100)는 기존의 DMFC 시스템과 마찬가지로 고농도 메탄올을 물과 혼합한 메탄올 수용액을 직접 연료로서 사용하며, 직접 연료와 공기를 스택(ST)에 공급하여 화학 반응이 발생하도록 함으로써, 전력을 생산한다.The fuel cell unit 100 uses a methanol aqueous solution prepared by mixing a high-concentration methanol with water as a direct fuel and supplies a direct fuel and air to the stack (ST) to generate a chemical reaction, Production.

연료 전지부(100)는 다양한 구성 요소를 구비하지만 가장 기본적인 구성 요소로서 스택(ST)과 기액 분리기(SEP), 연료 탱크(FT), 복수개의 센서, 복수개의 펌프(P1 ~ P3) 및 DMFC 제어부(CON)를 구비한다.The fuel cell unit 100 has various components, but includes a stack ST, a gas-liquid separator (SEP), a fuel tank FT, a plurality of sensors, a plurality of pumps P1 to P3, (CON).

스택(ST)은 다단으로 적층된 복수개의 막-전극 합성체(Membrane Electrode Assembly : 이하 MEA)를 구비하고, 복수개의 MEA 각각이 직접 연료인 메탄올 수용액과 공기를 인가받아 메탄올과 산소의 화학반응에 의한 전기를 생성한다. 그리고 스택(ST)은 미반응 연료와 화학 반응의 부산물인 이산화 탄소와 물을 배출한다.The stack ST includes a plurality of membrane electrode assemblies (hereinafter, referred to as MEAs) stacked in multiple stages. Each of the plurality of MEAs receives a methanol aqueous solution and air, which are direct fuel, To generate electricity. And the stack (ST) emits carbon dioxide and water, which are by-products of unreacted fuel and chemical reaction.

복수개의 MEA 각각은 전해질막과, 전해질막의 양면에 접하는 애노드(anode) 전극과 캐소드(cathode) 전극으로 이루어지며, 메탄올이 MEA의 애노드(Anode)에 연로로서 공급되고, 캐소드(Cathode)로 산소가 공급되면, 공급된 메탄올과 산소의 화학반응에 따른 전기를 생성한다. 애노드에서는 화학식 1과 같은 반응이 일어나면서 전자가 생성되며, 그 전자는 이동 경로를 따라 캐소드로 이동하여 화학식 2의 반응을 일으키게 된다.Each of the plurality of MEAs comprises an electrolyte membrane and an anode electrode and a cathode electrode which are in contact with both surfaces of the electrolyte membrane. Methanol is supplied as an anode to the anode of the MEA, and oxygen is supplied to the cathode When supplied, it generates electricity according to the chemical reaction between supplied methanol and oxygen. At the anode, electrons are generated as the reaction of Chemical Formula 1 occurs, and the electrons move to the cathode along the movement path to cause the reaction of Chemical Formula 2.

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그리고 화학식 3은 화학식 1 및 2 의 화학 반응에 의한 부산물인 이산화 탄소(CO2)와 물(2H2O)이 생성되는 반응을 나타낸다.And chemical formula (3) represents a reaction in which carbon dioxide (CO 2 ) and water (2H 2 O), which are by-products of the chemical reactions of Chemical Formulas 1 and 2, are produced.

스택(ST)이 다단으로 적층된 복수개의 MEA를 구비하는 것은 화학식1, 2가 진행되는 MEA 하나로는 필요로 하는 충분한 전기를 얻기 힘들기 때문이다.The reason why the stack ST has a plurality of MEAs stacked in multiple stages is that it is difficult to obtain enough electricity required by one MEA in which the MEAs 1 and 2 proceed.

연료 전지부(100)는 기존의 DMFC 시스템과 마찬가지로, 스택(ST)에 메탄올과 산소를 공급하여 전기를 생성하고, 그 부산물인 물과 미반응 메탄올 및 미반응 산소를 다시 순환시키며 재사용할 수 있도록 구성된다.Like the conventional DMFC system, the fuel cell unit 100 supplies methanol and oxygen to the stack ST to generate electricity, and the by-products, water, unreacted methanol, and unreacted oxygen can be circulated again and reused. .

기액 분리기(SEP)는 스택(ST)에서 배출된 화학 반응의 부산물과 미반응 연료를 인가받아 분리하고, 분리된 미반응 연료를 연료 탱크(FT)에서 공급되는 메탄올 용액과 혼합하여 메탄올 수용액을 다시 스택(ST)으로 공급 한다. 기액 분리기(SEP)는 화학 반응 부산물인 이산화탄소(CO2)와 미반응 연료인 메탄올 수용액을 인가받아 분리하고, 분리된 이산화탄소(CO2)는 배기관(vent)을 통해 외부로 배출한다. 반면, 스택(ST)에서 회수된 미반응 연료인 메탄올 수용액은 기액 분리기(SEP)에서 화학 반응에 필요한 메탄올 농도를 가지도록, 연료 탱크(FT)에서 공급되는 메탄올 용액과 혼합되어 스택(ST)으로 공급된다.The gas-liquid separator (SEP) separates and separates the by-products of the chemical reaction discharged from the stack (ST) and the unreacted fuel, and mixes the separated unreacted fuel with the methanol solution supplied from the fuel tank (FT) And supplies it to the stack ST. The gas-liquid separator (SEP) separates carbon dioxide (CO2), which is a chemical reaction by-product, and methanol aqueous solution, which is an unreacted fuel, and separates the separated carbon dioxide (CO2) through an exhaust pipe. On the other hand, the methanol aqueous solution recovered in the stack ST is mixed with the methanol solution supplied from the fuel tank FT so as to have the methanol concentration required for the chemical reaction in the gas-liquid separator (SEP) .

연료 탱크(FT)는 액체 상태의 고농도 메탄올 용액을 연료로 저장하고, DMFC 제어부(CON)의 제어에 따라 메탄올 용액을 기액 분리기(SEP)로 공급한다. 여기서 DMFC 제어부(CON)은 기액 분리기(SEP) 내부의 메탄올 수용액의 농도 및 양 등을 분석하여, 기액 분리기(SEP)로 공급될 메탄올의 양을 조절한다.The fuel tank FT stores a high concentration methanol solution in a liquid state as fuel, and supplies the methanol solution to the gas-liquid separator (SEP) under the control of the DMFC controller CON. Here, the DMFC controller CON analyzes the concentration and amount of aqueous methanol solution in the gas-liquid separator (SEP), and controls the amount of methanol to be supplied to the gas-liquid separator (SEP).

DMFC 제어부(CON)는 연료 전지부(100)의 동작을 제어하여 스택(ST)에서 원활하게 전력이 발생할 수 있도록 한다. DMFC 제어부(CON)는 연료 전지부(100) 내부에 구비되는 복수개의 센서를 이용하여 연료 전지부(100)의 동작 상태를 감지하고, 감지된 동작 상태에 따라 복수개의 펌프(P1 ~ P3)를 구동하여 기액 분리기(SEP)내부로 메탄올과 미반응 연료를 공급하고, 스택(ST)으로 메탄올 수용액을 공급하여 연료 전지부(100)가 전력을 생산할 수 있도록 제어한다.The DMFC control unit CON controls the operation of the fuel cell unit 100 so that power can be smoothly generated in the stack ST. The DMFC control unit CON senses the operation state of the fuel cell unit 100 using a plurality of sensors provided in the fuel cell unit 100 and controls the plurality of pumps P1 to P3 according to the sensed operation state Liquid separator SEP to supply methanol and unreacted fuel to the gas-liquid separator SEP, and supplies methanol aqueous solution to the stack ST to control the fuel cell unit 100 to produce electric power.

복수개의 센서 중 3개의 온도 센서(T1 ~ T3)는 각각 스택(ST)의 온도와 스택(ST)에 공급되는 메탄올 수용액의 온도 및 연료 전지부(100)의 내부 온도를 감지하여, DMFC 제어부(CON)로 온도 정보를 전송한다. 그리고 2개의 플로우 센서(F1, F2)는 각각 스택(ST)에 공급되는 메탄올 수용액과 공기를 감지하여 DMFC 제어부(CON)로 유량 정보를 제공한다. 2개의 플로우 센서(F1, F2)는 스택(ST) 내부의 메탄올 수용액 또는 물이 액체 상태임을 확인하기 위해서도 사용될 수 있다. 2개의 레벨 센서(L1, L2)는 기액 분리기(SEP) 내에서 각각 각각 스택(ST)에 회수되는 미반응 연료의 양과 스택(ST)으로 공급하는 메탄올 수용액의 양을 감지하여 DMFC 제어부(CON)로 연료 정보를 전송한다. 액체 센서(LI1)는 연료 탱크에서 기액 분리기(SEP)로 공급되는 메탄올 용액의 유량을 감지하여 DMFC 제어부(CON)로 전달한다. 메탄올 농도 센서(M1)는 기액 분리기(SEP) 내부의 메탄올 수용액의 메탄올 농도를 감지하여 DMFC 제어부(CON)로 전달함으로써, DMFC 제어부(CON)가 연료 탱크(FT)로부터 기액 분리기(SEP)로 고농도 메탄올을 공급할 양을 조절할 수 있도록 한다.The three temperature sensors T1 to T3 among the plurality of sensors sense the temperature of the stack ST, the temperature of the methanol aqueous solution supplied to the stack ST and the internal temperature of the fuel cell unit 100, respectively, CON). The two flow sensors F1 and F2 sense methanol aqueous solution and air supplied to the stack ST, respectively, and provide flow rate information to the DMFC controller CON. The two flow sensors F1 and F2 can also be used to confirm that the aqueous methanol solution or water in the stack ST is in a liquid state. The two level sensors L1 and L2 detect the amount of unreacted fuel collected in the stack ST and the amount of aqueous methanol solution supplied to the stack ST in the gas-liquid separator SEP, respectively, And the fuel information is transmitted. The liquid sensor LI1 senses the flow rate of the methanol solution supplied from the fuel tank to the gas-liquid separator (SEP), and transmits the sensed flow rate to the DMFC controller CON. The methanol concentration sensor M1 senses the methanol concentration of the methanol aqueous solution in the gas-liquid separator SEP and transfers it to the DMFC control unit CON so that the DMFC control unit CON controls the concentration of the high- So that the amount of methanol to be supplied can be adjusted.

복수개의 펌프 중 제1 펌프(P1)은 DMFC 제어부(CON)의 제어에 따라 기액 분리기(SEP)에 저장된 메탄올 수용액을 스택(ST)로 공급하고, 제2 펌프(P2)는 기액 분리기(SEP)로 회수된 미반응 연료 중 필터(LF2)에 의해 필터링된 미반응 연료를 다시 기액 분리기(SEP)로 공급한다. 그리고 제3 펌프(P3)는 연료 탱크에 저장된 고농도 메탄올 용액을 DMFC 제어부(CON)의 제어에 따라 기액 분리기(SEP)로 공급한다.The first pump P1 of the plurality of pumps supplies the methanol aqueous solution stored in the gas-liquid separator SEP to the stack ST under the control of the DMFC control unit CON and the second pump P2 supplies the methanol aqueous solution stored in the gas-liquid separator SEP, The unreacted fuel filtered by the filter LF2 among the unreacted fuel recovered to the gas-liquid separator (SEP) is supplied again to the gas-liquid separator (SEP). The third pump P3 supplies the high-concentration methanol solution stored in the fuel tank to the gas-liquid separator (SEP) under the control of the DMFC controller CON.

그리고 연료 전지부(100)는 통상적으로 2개의 열교환기(HE1, HE2)와 블로워(B1) 및 2개의 필터(LF1, LF2)를 구비한다. 2개의 열교환기(HE1, HE2)는 각각 팬(FAN1, FAN2)를 구비하여 내부 열을 배출함으로써, 냉각기능을 수행한다. 2개의 열교환기(HE1, HE2) 중 제1 열교환기(HE1)는 기액 분리기(SEP)와 스택(ST)사이에 배치되어 기액 분리기(SEP)에서 스택(ST)로 공급되는 메탄올 수용액을 냉각한다. 상기한 바와 같이 DMFC 시스템은 80℃ 이상 이하에서 동작하므로, 안정적인 동작 및 전력 생산 효율을 높이기 위해서는 제2 열교환기(HE2)는 기액 분리기(SEP) 내부의 메탄올 수용액 및 미반응 연료를 인가받아 냉각한 후 다시 기액 분리기(SEP)로 공급한다. 즉 기액 분리기(SEP) 내부의 온도를 낮춘다. 이는 기액 분리기(SEP) 내부의 온도가 높으면, 기액 분리기(SEP)에서 화학 반응 부산물과 미반응 연료 및 물의 분리 성능이 저하되기 때문이다.The fuel cell unit 100 typically has two heat exchangers HE1 and HE2, a blower B1 and two filters LF1 and LF2. The two heat exchangers HE1 and HE2 are provided with fans FAN1 and FAN2, respectively, to discharge the internal heat, thereby performing a cooling function. The first heat exchanger HE1 of the two heat exchangers HE1 and HE2 is disposed between the gas-liquid separator SEP and the stack ST to cool the methanol aqueous solution supplied to the stack ST from the gas-liquid separator SEP . As described above, since the DMFC system operates at a temperature of 80 ° C or higher, the second heat exchanger HE 2 is cooled by receiving the methanol aqueous solution and unreacted fuel in the gas-liquid separator (SEP) And then supplied to the gas-liquid separator (SEP). That is, the temperature inside the gas-liquid separator (SEP) is lowered. This is because if the temperature inside the gas-liquid separator (SEP) is high, the separating performance between the chemical reaction by-product and the unreacted fuel and water in the gas-liquid separator (SEP) decreases.

블로워(B1)는 DMFC 제어부(CON)의 제어에 따라 구동되어 스택 내부로 공기를 공급한다. 그리고 2개의 필터(LF1, LF2) 중 제1 필터(LF1)는 연료 탱크(FT)에서 인가되는 고농도 메탄올을 필터링하고 제1 펌프(P1)을 통해 기액 분리기(SEP)로 공급하며, 제2 필터(LF2)는 기액 분리기(SEP) 내부의 메탄올 수용액 및 미반응 연료를 인가받아 필터링하고 제2 펌프(P2)를 통해 다시 기액 분리기(SEP)로 공급한다.The blower B1 is driven under the control of the DMFC control unit CON to supply air into the stack. The first filter LF1 of the two filters LF1 and LF2 filters the high concentration methanol supplied from the fuel tank FT and supplies it to the gas-liquid separator SEP through the first pump P1, (LF2) receives methanol aqueous solution and unreacted fuel in the gas-liquid separator (SEP) and filters it, and supplies it to the gas-liquid separator (SEP) through the second pump P2.

이차 전지(BT)는 스택(ST)에서 생성된 전력을 저장하고, 저장된 전력을 이용하여 연료 전지부(100) 내부의 구성 요소 중 전력을 필요로 하는 구성 요소로 저장된 전력을 공급한다. DMFC 시스템은 스택(ST)에서 생성된 전력을 부하(미도시)로 로 공급하기 때문에, 원칙적으로 이차 전지(BT)를 필요로 하지 않으나, 실제 연료 전지부(100)의 구성 요소 중 다수의 구성 요소는 전력을 인가받아 구동된다. 따라서 구동 초기로부터 스택(ST)에서 안정적으로 전력이 생산될 때까지 연료 전지부(100)의 구성 요소를 구동하기 위한 전원이 공급되어야 한다. 이에 기존의 DMFC 시스템은 외부로부터 별도의 전원을 인가받도록 구성되는 경우도 있으나, 대부분 소용량의 이차 전지(BT)를 구비하여 초기 구동 전력을 인가받을 수 있도록 하며, 스택(ST)에서 안정적인 전력이 생산되면 충전되도록 한다. 본 발명에서 이차 전지(BT)는 시동 제어부(200)의 제어에 따라 금속 발열체(MH)로 전력을 공급하여 금속 발열체가 발열되도록 한다.The secondary battery BT stores the electric power generated in the stack ST and supplies electric power stored in a component of the fuel cell unit 100 that requires electric power using the stored electric power. The DMFC system does not require the secondary battery BT in principle because the DMFC system supplies power generated in the stack ST to the load (not shown). However, The element is powered and powered. Therefore, power must be supplied to drive the components of the fuel cell unit 100 until the electric power is stably produced in the stack ST from the initial stage of driving. The conventional DMFC system may be configured to receive a separate power source from the outside. However, most of the DMFC system includes a small-capacity secondary battery BT to receive initial driving power, To be charged. In the present invention, the secondary battery (BT) supplies electric power to the metal heating body (MH) under the control of the startup control unit (200) to heat the metal heating body.

체크 밸브(CV1)는 연료 탱크(FT)에서 메탄올 연료가 누설되는 것을 차단하기 위해 구비되는 부가 구성 요소이다.The check valve CV1 is an additional component provided to block the leakage of the methanol fuel from the fuel tank FT.

한편 본 발명의 연료 전지부(100)는 저온 시동을 위해 연료 탱크에서 기액 분리기(SEP)로 메탄올을 공급하는 기존의 제1 공급 경로와 별도의 제 공급 경로를 구비한다. 도1 에 도시된 바와 같이, 제1 공급 경로는 제1 필터(LF1), 체크 밸브(CV1), 제3 펌프(P3) 및 액체 센서(LI1)로 구성되는 기존의 메탄올 공급 경로인 반면, 본 발명에서 추가되는 제2 공급 경로는 금속 발열체(MH)와 제4 온도 센서(T4) 및 제3 팬(FAN3)를 구비한다. 제4 온도 센서(T4)는 금속 발열체의 온도를 감지하여 시동 제어부(200)로 전송한다. 그리고 제3 팬(FAN3)은 시동 제어부(200)의 제어에 따라 구동되어, 연료 탱크(FT)에 외부 공기를 공급시켜 메탄올 의 증기압이 발생하도록 함으로써, 메탄올 가스가 금속 발열체(MH)를 통해 기액 분리기(L1)로 공급되도록 한다.Meanwhile, the fuel cell unit 100 of the present invention has a separate first supply path and a conventional first supply path for supplying methanol from the fuel tank to the gas-liquid separator (SEP) for low temperature starting. As shown in FIG. 1, the first supply path is a conventional methanol supply path composed of the first filter LF1, the check valve CV1, the third pump P3 and the liquid sensor LI1, The second supply path added to the invention includes a metal heating element MH, a fourth temperature sensor T4, and a third fan FAN3. The fourth temperature sensor T4 senses the temperature of the metal heating element and transmits the sensed temperature to the startup controller 200. The third fan FAN3 is driven under the control of the startup control unit 200 to supply the external air to the fuel tank FT to generate the vapor pressure of the methanol so that the methanol gas is vaporized through the metal heating body MH To be supplied to the separator L1.

금속 발열체(MH)는 시동 제어부(200)의 제어에 따라 전력을 이차 전지(BT)로부터 공급되어 발열되고, 연료 탱크(FT)에서 전송되는 메탄올 가스와의 산화 반응을 유발함으로써, 기액 분리기(SEP)로 열을 공급하여 온도를 상승시킨다.The metal heating element MH is supplied with electric power from the secondary battery BT under the control of the startup controller 200 and generates an oxidation reaction with the methanol gas transferred from the fuel tank FT, ) To raise the temperature.

금속 발열체(MH)는 일종의 히터로서 기존에 사용하는 핀 히터 등이 아닌 금속 메쉬(Mesh) 형태로 메탄올의 산화 반응을 발생하기 위한 산화 촉매가 금속 메쉬에 코팅되어 구현된다. 금속 발열체(MH)가 금속 메쉬 형태로 구현됨으로써 기존에 사용하는 히터 보다 작은 부피에 높은 비표면적을 가질 수 있다. 따라서 금속 발열체(MH)의 크기 대비 공간속도 및 반응 효율을 높일 수 있다.The metal heating element (MH) is a kind of heater, and is realized by coating a metal mesh with an oxidation catalyst for generating an oxidation reaction of methanol in the form of a metal mesh instead of a conventional pin heater. Since the metal heating element (MH) is realized in the form of a metal mesh, it can have a smaller specific surface area and a smaller volume than a conventional heater. Therefore, the space velocity and reaction efficiency of the metal heating body (MH) can be increased.

그리고 산화 촉매는 메쉬 형태로 구현된 활성금속으로 귀금속 계열인 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 등과 전이금속 구리(Cu), 철(Fe) 등을 담체인 알루미나(alumina), 티타니아(titania), 지르코니아(zirconia), 제올라이트(Zeolite) 등에 담지하여 구현될 수 있다. 산화 촉매의 제조 방법은 진공증발법, 이온교환법, 함침법 등을 이용하여 활성금속을 담체에 코팅한 후 건조, 소성을 거쳐 제조될 수 있다.In addition, the oxidation catalyst is an active metal implemented in a mesh form, such as platinum (Pt), palladium (Pd), and rhodium (Rh), which are noble metals, transition metal copper (Cu) Titania, zirconia, zeolite, and the like. The oxidation catalyst can be produced by coating an active metal on a carrier using a vacuum evaporation method, an ion exchange method, an impregnation method, etc., followed by drying and firing.

금속 발열체(MH)의 산화 촉매에 의해 발생하는 메탄올 가스의 산화 반응은 수학식 4와 같다.The oxidation reaction of the methanol gas generated by the oxidation catalyst of the metal heating element (MH) is expressed by Equation (4).

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수학식 4에 의한 메탄올의 산화 반응의 결과물은 단순히 이산화 탄소(CO2)와 물(2H20)를 생성할 뿐만 아니라, 726.1 kJ/㏖의 에너지에 대응하는 열을 발생하게 된다. 그리고 기액 분리기(SEP)에는 산화 반응의 결과물인 이산화 탄소와 물 및 미반응 메탄올과 함께 산화 반응에 의해 발생한 열이 공급되고, 이 열로 인해 연료 전지부(100) 내부의 온도가 승온되고, 저온에 얼어 있는 물이 녹아, 저온에서도 연료 전지부(100)를 시동할 수 있게 된다.The result of the oxidation reaction of methanol according to equation (4) not only produces carbon dioxide (CO 2 ) and water (2H 2 O) but also generates heat corresponding to energy of 726.1 kJ / mol. In the gas-liquid separator (SEP), heat generated by the oxidation reaction is supplied together with carbon dioxide, water and unreacted methanol as a result of the oxidation reaction, and the temperature inside the fuel cell unit 100 is raised by the heat, The frozen water melts and the fuel cell unit 100 can be started even at a low temperature.

시동 제어부(200)는 제3 온도 센서(T3)로부터 연료 전지부(100)의 내부 온도를 감지하고, 연료 전지부(100) 내부 온도가 기설정된 제1 기준 온도 이하이면, 이차 전지(BT)를 제어하여 금속 발열체(MH)로 전력을 공급하여 금속 발열체(MH)가 가열되도록 한다. 여기서 제1 기준 온도는 물이 어는 온도로 설정될 수 있으며, 제3 온도 센서(T3)의 온도 정보는 제3 온도 센서(T3)로부터 직접 인가받거나, DMFC 제어부(CON)로부터 인가받을 수 있다. 그리고 제3 팬(FAN3)를 구동하여 연료 탱크(FT)의 메탄올 가스가 금속 발열체(MH)를 통해 기액 분리기(SEP)로 공급되도록 한다. 이때 금속 발열체(MH)를 통해 기액 분리기(SEP)로 공급되는 메탄올은 금속 발열체의 산화 촉매에 의해 산화 반응이 발생하며, 산화 반응의 결과로서 열과 이산화 탄소 및 물이 발생한다. 이산화 탄소 및 물은 기존에도 기액 분리기(SEP)에서 이산화 탄소는 배출되는 반면 물은 재사용되도록 분리되는 물질이며, 열이 함께 공급됨으로써, 연료 전지부(100) 내부의 온도를 승온 시킴으로써, 연료 전지부(100) 내부의 물이 녹을 수 있도록 하여 저온에서도 연료 전지부(100)가 안정적으로 시동될 수 있도록 한다.The startup controller 200 detects the internal temperature of the fuel cell unit 100 from the third temperature sensor T3 and controls the secondary battery BT if the internal temperature of the fuel cell unit 100 is lower than a predetermined first reference temperature. So that the metal heating body MH is heated by supplying power to the metal heating body MH. Here, the first reference temperature may be set to a temperature at which the water is turned off, and the temperature information of the third temperature sensor T3 may be directly received from the third temperature sensor T3 or may be received from the DMFC control unit CON. The third fan FAN3 is driven to supply the methanol gas of the fuel tank FT to the gas-liquid separator SEP through the metal heating element MH. At this time, the methanol supplied to the gas-liquid separator (SEP) through the metal heating element (MH) is oxidized by the oxidation catalyst of the metal heating element, and heat, carbon dioxide and water are generated as a result of the oxidation reaction. Carbon dioxide and water are separated from each other so that carbon dioxide is discharged from the gas-liquid separator (SEP), while water is separated to be reused, and heat is supplied to raise the temperature inside the fuel cell unit 100, So that water in the fuel cell 100 can be melted so that the fuel cell unit 100 can be stably started even at a low temperature.

도1 에서는 시동 제어부(200)를 연료 전지부(100) 내부의 DMFC 제어부(CON)와 별도로 표시하였으나, 시동 제어부(200)는 DMFC 제어부(CON)에 통합되어 구현될 수 있다. 시동 제어부(200)가 DMFC 제어부(CON)와 별도로 구현되는 경우에, 시동 제어부(200)는 연료 전지부(100) 내부의 복수개의 센서로부터 감지 정보를 직접 인가받도록 구현될 수도 있으나, 이는 비효율적이므로 DMFC 제어부(CON)로부터 감지 정보를 인가받도록 구현되는 것이 바람직하다. 마찬가지로 시동 제어부(200)가 직접 이차 전지(BT) 및 제3 팬(FAN3)를 제어할 수도 있으나, DMFC 제어부(CON)를 통해 이차 전지(BT) 및 제3 팬(FAN3)를 제어할 수 있다.Although the startup controller 200 is shown separately from the DMFC controller CON in the fuel cell 100 in FIG. 1, the startup controller 200 may be integrated into the DMFC controller CON. In the case where the startup controller 200 is implemented separately from the DMFC controller CON, the startup controller 200 may be implemented to directly receive sensing information from a plurality of sensors in the fuel cell unit 100, but this is inefficient And is preferably configured to receive the sensing information from the DMFC controller CON. Similarly, the startup controller 200 can directly control the secondary battery BT and the third fan FAN3, but the secondary battery BT and the third fan FAN3 can be controlled through the DMFC controller CON .

또한 도1 에서는 이차 전지(BT)가 연료 전지부(100) 내부에 구비되는 것으로 설명하였으나, 이차 전지(BT)는 연료 전지부(100)와 별도로 구비될 수 있으며, 경우에 따라 연료 전지부(100) 내부의 이차 전지(BT)와 별도로 시동 제어부(200)의 제어에 따라 금속 발열체(MH)로 전력을 공급하는 시동 전지(미도시)가 더 구비될 수 있다.1, the secondary battery BT is provided inside the fuel cell unit 100. However, the secondary battery BT may be provided separately from the fuel cell unit 100, A starter battery (not shown) may be further provided to supply power to the metal heating element MH according to the control of the startup controller 200, separately from the secondary battery BT in the internal combustion engine 100.

기존에는 DMFC 시스템은 내부의 물이 얼어 있는 저온에서 물을 녹이기 위해, 별도의 히터만을 이용하여 DMFC 시스템 전체를 가열하였다. 따라서 히터에 요구되는 발열량이 매우 커서 DMFC 시스템 내부에 구비되는 이차 전지 또는 별도의 이차 전지를 구비하여도 요구되는 발열량을 제공할 수 없었다. 이에 별도의 상용 전원을 공급받아 DMFC 시스템에 요구되는 발열량을 제공할 수 있도록 하였다. 그러나 상용 전원을 인가받음에 따라 DMFC 시스템을 이동형으로 구현하는데 한계가 있었다.Previously, the DMFC system heated the entire DMFC system using only a separate heater to dissolve the water at low temperatures where the water was freezing. Therefore, the amount of heat required for the heater is so great that it is not possible to provide a required amount of heat generation even with a secondary battery or a separate secondary battery provided in the DMFC system. Therefore, it is possible to supply the required amount of heat to the DMFC system by receiving a separate commercial power source. However, there is a limitation in implementing the DMFC system as a mobile type as the commercial power is applied.

그에 비해 본 발명의 DMFC 시스템은 이차 전지(BT)의 전력을 공급하여 금색 발열체(MH)를 가열하지만, 이는 금속 발열체(MH)의 산화 촉매와 메탄올 가스와의 산화 반응이 용이하게 활성화 될 수 있도록 하기 위함이며, 실제 연료 전지부(100)의 내부 온도는 수학식 4 의 메탄올 산화 반응에 의해 발생하는 열에 의해 승온 된다. 따라서 매우 적은 전력으로도 충분히 연료 전지부(100)의 온도를 승온시켜 물을 녹일 수 있으므로, 저온에서 이차 전지만으로도 시동 가능한 이동형 DMFC 시스템을 구현할 수 있다. 그리고 -32℃ 까지의 극저온에서도 안정적인 동작이 보장되어야 하는 군사용 장치의 전력 공급 장치로도 용이하게 활용될 수 있다.In contrast, the DMFC system of the present invention supplies power to the secondary battery BT to heat the gold heating element MH. However, since the oxidation reaction of the oxidation catalyst of the metal heating element MH and the methanol gas can be easily activated And the internal temperature of the actual fuel cell unit 100 is raised by the heat generated by the methanol oxidation reaction of the equation (4). Accordingly, since the temperature of the fuel cell unit 100 can be sufficiently raised by using only a small amount of electric power, water can be melted. Therefore, a mobile DMFC system that can be started with only the secondary battery at low temperature can be realized. And can be easily utilized as a power supply device for a military apparatus which must be operated stably even at a very low temperature up to -32 < 0 > C.

도2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 DMFC 시스템의 저온 시동 방법을 나타낸다.FIG. 2 shows a low-temperature start-up method of the DMFC system according to an embodiment of the present invention.

도1 을 참조하여, 도2 의 DMFC 시스템의 저온 시동 방법을 설명하면, 우선 시동 제어부(200)가 제3 온도 센서(T3)가 감지한 온도 정보를 인가받아 분석하여, 제3 온도 센서(T3)가 감지한 온도 정보가 기설정된 제1 기준 온도 이하인지 판별한다(S11). 도1 에서 제3 온도 센서(T3)의 온도 정보는 연료 전지부(100)의 내부 온도를 의미하며, 제1 기준 온도는 일예로 물이 어는 온도(0℃)로 설정될 수 있다. 그러나 실제 운용 환경에서 안정적인 동작을 위해서는 마진을 둘 필요가 있으므로, 제1 기준 온도는 0℃ 이상으로 설정되는 것이 바람직하다. 이에 본 발명에서는 제1 기준 온도가 5℃로 설정되는 것으로 가정한다.2, first, the startup controller 200 receives and analyzes temperature information sensed by the third temperature sensor T3, and supplies it to the third temperature sensor T3 (S11). If the detected temperature information is lower than the first reference temperature (S11). In FIG. 1, the temperature information of the third temperature sensor T3 indicates the internal temperature of the fuel cell unit 100, and the first reference temperature may be set to a temperature at which the water is turned off (0 ° C), for example. However, since it is necessary to set a margin for stable operation in an actual operating environment, it is preferable that the first reference temperature is set to 0 DEG C or higher. In the present invention, it is assumed that the first reference temperature is set to 5 캜.

만일 연료 전지부(100)의 내부 온도인 제3 온도 센서(T3)의 온도 정보가 제1 기준 온도를 초과하면, 연료 전지부(100) 내부의 물이 얼지 않은 상태로서, 기존의 DMFC 시스템과 동일하게 구동되어도 무방하다. 따라서 시동 제어부(200)는 DMFC 제어부(CON)로 활성화 신호를 전송하여, DMFC 제어부(CON)이 활성화되어 연료 전지부(100)를 구동하도록 한다(S18).If the temperature information of the third temperature sensor T3, which is the internal temperature of the fuel cell unit 100, exceeds the first reference temperature, the water in the fuel cell unit 100 is not frozen, It may be driven in the same manner. Accordingly, the startup control unit 200 transmits an activation signal to the DMFC control unit CON so that the DMFC control unit CON is activated to drive the fuel cell unit 100 (S18).

그러나 제3 온도 센서(T3)의 온도 정보가 제1 기준 온도 이하이면, 시동 제어부(200)는 이차 전지(BT)를 제어하여 금속 발열체(MH)로 전력을 공급한다(S12). 그러나 이차 전지(BT)와 별도로 시동 전지(미도시)가 구비되어 있는 경우, 시동 제어부(200)는 시동 전지를 제어하여 금속 발열체(MH)로 전력을 공급할 수 있다. 전력이 공급된 금속 발열체(MH)는 가열되어 메탄올 산화 반응이 용이하게 발생되도록 한다.However, if the temperature information of the third temperature sensor T3 is below the first reference temperature, the startup controller 200 controls the secondary battery BT to supply power to the metal heater MH (S12). However, if a starter battery (not shown) is provided separately from the secondary battery BT, the starter controller 200 may control the starter battery to supply power to the metal heater MH. The heated metal heating element (MH) is heated so that the methanol oxidation reaction is easily generated.

그리고 시동 제어부(200)는 금속 발열체(MH)의 온도를 감지하는 제4 온도 센서(T4)의 온도 정보가 기설정된 제2 기준 온도 이상인지 판별한다(S13). 상기한 바와 같이 산화 촉매가 코팅되는 금속 발열체(MH)는 메탄올 산화 반응이 용이하게 발생하도록 가열되어야 한다. 금속 발열체(MH)가 충분히 가열되지 않은 상태에서 메탄올 가스가 공급되면, 산화 반응이 효율적으로 발생되지 않으므로, 불필요한 연료의 낭비를 방지하기 위해 시동 제어부(200)는 금속 발열체(MH)의 온도가 제2 기준 온도 이상인지 판별한다. 여기서 제2 기준 온도는 메탄올 가스와 산화 촉매 사이의 산화 반응을 활성화하기 위한 온도(예를 들면 100℃)로 설정될 수 있다.The startup controller 200 determines whether the temperature information of the fourth temperature sensor T4 that senses the temperature of the metal heater MH is equal to or higher than a predetermined second reference temperature (S13). As described above, the metal heating element (MH) coated with the oxidation catalyst must be heated so that the methanol oxidation reaction easily occurs. When the methanol gas is supplied in a state where the metal heating element MH is not sufficiently heated, the oxidation reaction is not efficiently generated. Therefore, in order to prevent unnecessary waste of fuel, the startup controller 200 controls the temperature of the metal heating element MH, 2 Determine if it is above the reference temperature. Here, the second reference temperature may be set to a temperature (for example, 100 DEG C) for activating the oxidation reaction between the methanol gas and the oxidation catalyst.

만일 금속 발열체(MH)의 온도가 제2 기준 온도 미만이면, 시동 제어부(200)는 이차 전지(BT)를 제어하여 금속 발열체(MH)로 계속 전력을 공급하여 가열한다. 그러나 금속 발열체(MH)의 온도가 제2 기준 온도 이상이면, 시동 제어부(200)는 제3 팬(FAN)을 구동하여 연료 탱크(FT)의 메탄올이 증기압으로 인해 금속 발열체(MH)를 통과하여 기액 분리기(SEP)로 인가되도록 한다(S14). 금속 발열체(MH)를 통과하는 메탄올은 금속 발열체(MH)의 산화 촉매에 의해 화학식 4 의 산화 반응을 발생하여, 열을 발생한다. 그리고 발생된 열은 기액 분리기(SEP)로 공급되어 연료 전지 내부(100)의 온도를 승온 시킨다.If the temperature of the metal heating element MH is lower than the second reference temperature, the startup controller 200 controls the secondary battery BT to continuously supply power to the metal heating element MH. However, if the temperature of the metal heating element MH is equal to or higher than the second reference temperature, the startup controller 200 drives the third fan FN so that the methanol in the fuel tank FT passes through the metal heating element MH due to the vapor pressure Liquid separator (SEP) (S14). Methanol passing through the metal heating body MH generates an oxidation reaction represented by the chemical formula (4) by the oxidation catalyst of the metal heating body (MH) to generate heat. The generated heat is supplied to the gas-liquid separator (SEP) to raise the temperature of the fuel cell interior 100.

이후 시동 제어부(200)는 금속 발열체(MH)의 온도를 감지하는 제4 온도 센서(T4)의 온도 정보가 기설정된 제3 기준 온도 이상인지 판별한다(S15). 금속 발열체(MH)를 가열하는 것은 메탄올의 산화 반응을 유도하기 위한 것으로, 불필요하게 계속 상승될 필요가 없다. 이에 시동 제어부(200)는 금속 발열체(MH)의 온도가 제3 기준 온도 이상인지 판별하고, 제3 기준 온도 이상이면, 금속 발열체(MH)로 공급되는 전력이 차단되도록 이차 전지(BT)를 제어한다(S16). 여기서 제3 기준 온도는 일 예로 150℃로 설정될 수 있다.Then, the startup controller 200 determines whether the temperature information of the fourth temperature sensor T4 that senses the temperature of the metal heater MH is equal to or higher than a predetermined third reference temperature (S15). Heating the metal heating element (MH) is for inducing the oxidation reaction of methanol, and it does not need to be continuously increased unnecessarily. The startup controller 200 determines whether the temperature of the metal heater MH is equal to or higher than the third reference temperature and controls the secondary battery BT to shut off power supplied to the metal heater MH (S16). Here, the third reference temperature may be set to 150 [deg.] C, for example.

그리고 시동 제어부(200)는 연료 전지부(100)의 온도인 제3 온도 센서(T3)의 온도 정보가 기설정된 제4 기준 온도 이상인지 판별한다(S17). 여기서 제4 기준 온도는 연료 전지부(100)의 온도가 충분히 상승되어 정상적인 동작이 수행 가능한 온도로서, 일예로 10℃로 설정될 수 있다.The startup control unit 200 determines whether the temperature information of the third temperature sensor T3, which is the temperature of the fuel cell unit 100, is equal to or higher than a predetermined fourth reference temperature (S17). Here, the fourth reference temperature is a temperature at which the temperature of the fuel cell unit 100 is sufficiently raised so that normal operation can be performed, for example, it may be set at 10 ° C.

시동 제어부(200)는 연료 전지부(100)의 온도가 제4 기준 온도 미만이면, 계속 금속 발열체(MH)로 전력을 공급하여, 메탄올 산화 반응을 발생한다(S12). 반면, 연료 전지부(100)의 온도가 제4 기준 온도 이상이면, 이차 전지(BT)를 제어하여 금속 발열체(MH)로 공급되는 전력을 차단하고, 제3 팬(FAN3)의 구동을 중지하여, 연료 탱크(FT)의 메탄올이 금속 발열체(MH)로 공급되지 않도록 한다. 또한 DMFC 제어부(CON)로 활성화 신호를 전송하여 DMFC 제어부(CON)가 연료 전지부(100)를 제어하여 시동된 DMFC 시스템을 정상 구동하도록 한다(S18).When the temperature of the fuel cell unit 100 is lower than the fourth reference temperature, the startup control unit 200 continuously supplies power to the metal heating body MH to generate a methanol oxidation reaction (S12). On the other hand, when the temperature of the fuel cell unit 100 is equal to or higher than the fourth reference temperature, the secondary battery BT is controlled to cut off power supplied to the metal heating body MH, and the driving of the third fan FAN3 is stopped , So that the methanol of the fuel tank FT is not supplied to the metal heating element MH. In addition, an activation signal is transmitted to the DMFC controller CON so that the DMFC controller CON controls the fuel cell unit 100 to drive the DMFC system normally (S18).

여기서는 제1 기준 온도와 제4 기준 온도를 개별적으로 설정하였으나, 상기에서 제1 기준 온도가 이미 안정적인 동작을 수행하기 위한 온도로 설정될 수 있음을 기재하였으므로, 제4 기준 온도를 별도로 설정하지 않고, 시동 제어부(200)는 연료 전지부(100)의 온도가 제1 기준 온도 이상이면, DMFC 제어부(CON)로 활성화 신호를 전송하도록 구성될 수 있다.Although it has been described herein that the first reference temperature and the fourth reference temperature are separately set, it is described above that the first reference temperature can be set to a temperature for performing stable operation. Therefore, without separately setting the fourth reference temperature, The startup controller 200 may be configured to transmit an activation signal to the DMFC controller CON if the temperature of the fuel cell unit 100 is equal to or higher than the first reference temperature.

본 발명에 따른 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.The method according to the present invention can be implemented as a computer-readable code on a computer-readable recording medium. A computer-readable recording medium includes all kinds of recording apparatuses in which data that can be read by a computer system is stored. Examples of the recording medium include a ROM, a RAM, a CD-ROM, a magnetic tape, a floppy disk, an optical data storage device, and the like, and a carrier wave (for example, transmission via the Internet). The computer-readable recording medium may also be distributed over a networked computer system so that computer readable code can be stored and executed in a distributed manner.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is evident that many alternatives, modifications and variations will be apparent to those skilled in the art.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

Claims (8)

복수개의 센서;
연료인 메탄올을 저장하는 연료 탱크;
메탄올 수용액과 공기를 인가받아 화학 반응을 생성하여 전기를 발생하는 스택;
상기 스택으로부터 미반응 연료와 화학 반응 부산물을 인가받아 분리하고, 상기 연료 탱크로부터 메탄올 용액을 인가받아 혼합하여 상기 메탄올 수용액을 생성하는 기액 분리기;
전력을 공급받아 발열하며, 상기 연료 탱크에서 공급된 메탄올 가스와 산화 반응을 발생하기 위한 촉매가 코팅된 금속 발열체;
상기 금속 발열체로 상기 전력을 공급하는 이차 전지;
시동 초기에 상기 복수개의 센서 중 적어도 하나의 온도 센서를 통해 감지되는 온도를 기설정된 제1 기준 온도와 비교하여, 상기 감지되는 온도가 상기 제1 기준 온도 이하이면, 상기 이차 전지를 제어하여 상기 금속 발열체로 전력을 공급하고, 상기 연료 탱크의 상기 메탄올 가스를 상기 금속 발열체를 통해 상기 기액 분리기로 인가되도록 하는 시동 제어부; 및
상기 시동 제어부의 제어에 따라 구동되어, 상기 연료 탱크에 공기를 공급하여 메탄올 증기압에 의해 상기 메탄올 가스가 상기 금속 발열체를 통과하여 상기 기액 분리기로 공급되도록 하는 팬; 을 포함하는 직접 메탄올 연료전지 시스템.A plurality of sensors;
A fuel tank for storing methanol as fuel;
A stack for generating electricity by receiving a methanol aqueous solution and air and generating a chemical reaction;
A gas-liquid separator for separating unreacted fuel and chemical reaction by-products from the stack, separating the unreacted fuel and the chemical reaction byproduct from the stack, mixing the methanol solution from the fuel tank to produce the methanol aqueous solution;
A metal heating element coated with a catalyst for generating an oxidation reaction with the methanol gas supplied from the fuel tank,
A secondary battery that supplies the power to the metal heating element;
Wherein the control unit controls the secondary battery so as to compare the sensed temperature with at least one temperature sensor of the plurality of sensors at a start of startup, A start control unit for supplying electric power to the gas-liquid separator through the metal heating element; And
A fan driven under the control of the startup control unit to supply air to the fuel tank so that the methanol gas is supplied to the gas-liquid separator through the metal heating body by the methanol vapor pressure; ≪ / RTI > 제1 항에 있어서, 상기 시동 제어부는
물이 어는 온도를 기반으로 하여 상기 제1 기준 온도를 설정하고, 상기 적어도 하나의 온도 센서 중 상기 직접 메탄올 연료전지 시스템 내부 온도를 감지하는 온도 센서에서 감지된 내부 온도가 상기 제1 기준 온도 이하이면, 상기 금속 발열체로 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템. 2. The apparatus as claimed in claim 1, wherein the start-
If the internal temperature sensed by the temperature sensor for sensing the internal temperature of the direct methanol fuel cell system among the at least one temperature sensor is below the first reference temperature, And supplying power to the metal heating element. 제2 항에 있어서, 상기 금속 발열체는
활성 금속이 메쉬 형태로 구현되어 상기 이차 전지에서 인가되는 전력에 의해 발열하는 금속 메쉬; 및
상기 금속 메쉬에 코팅되어 상기 메탄올 가스의 산화 반응을 유도하는 상기 촉매인 산화 촉매; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템.The heat sink according to claim 2, wherein the metal heating element
A metal mesh which is embodied in a mesh form and generates heat by electric power applied from the secondary battery; And
An oxidation catalyst coated on the metal mesh to induce oxidation reaction of the methanol gas; ≪ / RTI > wherein the direct methanol fuel cell system comprises a direct methanol fuel cell system. 삭제delete 제3 항에 있어서, 상기 시동 제어부는
상기 금속 발열체의 온도가 상기 메탄올 가스의 상기 산화 반응을 유발하기 위해 기설정된 제2 기준온도 이하이면, 상기 금속 발열체로 상기 전력을 계속 공급하고, 상기 금속 발열체의 온도가 상기 제2 기준 온도를 초과하면, 상기 팬을 구동하여 상기 메탄올 가스가 상기 금속 발열체를 통해 상기 기액 분리기로 전송되도록 하며, 상기 금속 발열체에서 불필요한 전력이 소모되는 것을 방지하기 위해 상기 금속 발열체의 온도가 기설정된 제3 기준 온도를 이상이면, 상기 금속 발열체로 인가되는 전력이 차단되도록 상기 이차 전지를 제어하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템.4. The apparatus of claim 3, wherein the startup control unit
Wherein the power supply is continuously supplied to the metal heating element when the temperature of the metal heating element is lower than a predetermined second reference temperature to cause the oxidation reaction of the methanol gas to be continued until the temperature of the metal heating element exceeds the second reference temperature The controller controls the fan to drive the methanol gas to be sent to the gas-liquid separator through the metal heating element, and to prevent unnecessary power from being consumed in the metal heating element, the temperature of the metal heating element is set to a predetermined third reference temperature The control unit controls the secondary battery so that power applied to the metal heating element is cut off. 제5 항에 있어서, 상기 시동 제어부는
상기 금속 발열체에서 발생한 상기 메탄올 가스의 상기 산화 반응에 의해 발생한 열이 상기 기액 분리기로 인가되어, 상기 직접 메탄올 연료전지 시스템의 내부 온도가 기설정된 제4 온도 이상이면, 상기 금속 발열체로 인가되는 전력을 차단하고, 상기 팬이 구동되지 않도록 제어하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템.6. The apparatus as claimed in claim 5, wherein the start-
The heat generated by the oxidation reaction of the methanol gas generated in the metal heating element is applied to the gas-liquid separator, and when the internal temperature of the direct methanol fuel cell system is higher than a predetermined fourth temperature, And controls the fan so as not to be driven. 제6 항에 있어서, 상기 직접 메탄올 연료전지 시스템은
상기 복수개의 센서로부터 온도, 유량 및 농도 정보를 인가받아 분석하여, 상기 메탄올 수용액의 양과 메탄올 농도가 조절되어 상기 스택에 공급되도록 제어하는 DMFC 제어부를 더 구비하고,
상기 시동 제어부는
상기 직접 메탄올 연료전지 시스템의 내부 온도가 기설정된 제4 온도 이상이면, 상기 DMFC 제어부를 활성화하기 위한 활성화 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템.7. The direct methanol fuel cell system of claim 6,
And a DMFC control unit for receiving and analyzing temperature, flow rate, and concentration information from the plurality of sensors, and controlling the amount of the aqueous methanol solution and the concentration of methanol to be supplied to the stack,
The start-
And transmits an activation signal for activating the DMFC control unit if the internal temperature of the direct methanol fuel cell system is equal to or higher than a predetermined fourth temperature. 제1 항에 있어서, 상기 이차 전지는
상기 스택에서 생성된 전력을 인가받아 저장하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템. The secondary battery according to claim 1,
And the power generated in the stack is received and stored.
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