KR20070039359A - 연료 전지 제어 방법 및 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은, 연료 전지의 출력을 일정하게 유지시킬 수 있는 연료 전지 제어 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 연료 전지 제어 방법은, 연료 분자와 산소의 화학반응에 의해서 전기를 생성하는 스택; 출력 변환부; 원료 탱크; 원료를 소정 농도의 연료 수용액으로 혼합하기 위한 혼합 탱크; 원료를 상기 혼합 탱크로 전달하기 위한 원료 펌프; 스택 온도 검출 센서; 부하 출력단 전압 센서; 부하 출력단 전류 센서; 및 상기 원료 펌프의 속도를 제어하는 제어부를 포함하는 연료 전지 시스템에서 수행된다.
본 발명의 연료 전지 제어 방법은, 스택의 온도, 부하 출력단의 전압 및 전류를 검출하는 단계; 상기 검출값으로부터 스택의 비정상 구동 상태 여부를 판단하여 조치를 취하는 단계; 및 정상 구동 상태라면 상기 검출한 스택의 온도, 부하 출력단의 전압 및 전류에 따라 원료 펌프의 구동 속도를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
원료 펌프, 연료 펌프, 출력 제어, 구동 제어, 연료 전지 제어

Description

연료 전지 제어 방법 및 연료 전지 시스템{Fuel Cell Control Method and Fuel Cell System}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 도시한 블록도,
도 2는 본 발명 일실시예에 따른 연료 전지 제어 방법을 도시한 흐름도,
도 3은 도 2의 연료 전지 제어 방법 중 세부 단계의 일실시예를 도시한 흐름도,
도 4는 도 2의 연료 전지 제어 방법 중 세부 단계의 다른 실시예를 도시한 흐름도,
도 5는 도 2의 연료 전지 제어 방법 중 세부 단계의 또 다른 실시예를 도시한 흐름도,
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 도시한 블록도.
본 발명은 연료전지 시스템의 스택으로의 연료 공급에 관련된 연료 전지 제 어 방법에 관한 것으로, 특히 미반응된 메탄올 및 반응 후 생성되는 물을 재활용하는 시스템에서의 연료 공급에 대한 제어 방법에 관한 것이다.
일반적인 메탄올 연료전지 시스템은, 연료의 적재 부담을 줄이기 위해 순수 메탄올에 가까운 고농도의 메탄올을 연료로 공급받아, 이를 연료전지에 적합한 소정 농도로 희석시켜 사용한다. 희석용 물의 경우도 적재 부담이 될 수 있으므로, 반응 후 생성되는 물을 상기 희석용 물로 재활용하며, 한편 연료전지에서 미반응된 메탄올도 다시 회수하는 것이 바람직하다.
이러한 시스템에서는 고농도의 연료 메탄올 및 반응 후 생성된 물과 미반응된 메탄올을 조정하여, 외부 부하의 전력 요구량에 맞는 적합한 농도를 가진 연료 용액을 연료 전지로 공급하는 것이 연료 전지의 효율을 높일 수 있다.
부하의 전력 요구에 따라 적합한 농도를 결정하는데에는 스택의 생산 전력량, 스택의 온도 등의 정보가 필요한데, 상기 스택의 생산 전력량은 부하의 용량과 배터리의 용량, 배터리의 충/방전 상태에 영향을 받으므로, 상기 적합한 농도 결정을 위해 측정해야 되는 인자들과 조절해야 하는 인자들이 적잖은 개수를 가지게 되며, 이는 외부 부하의 전력 요구량에 맞는 적합한 농도를 유지시키기 위한 제어작업을 복잡하게 하였다. 따라서, 상술한 바와 같이 다양한 측정값들로부터 적합한 농도를 결정하고, 이를 반영하기 위해 조절하는 요소들에 대한 간단하고도 효과적인 제어방법이 요망되었다.
상기 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은, 연료 전지의 출력을 일정하게 유지시킬 수 있는 연료 전지 제어 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 스택의 과열이나 과부하 상태 등의 비정상 구동 상태를 모니터링 하면서 출력 효율을 유지시킬 수 있는 연료 전지 제어 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 부하의 용량 변동에 따라 반응하여 최적의 발전 효율을 가질 수 있는 연료 전지 제어 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료 전지 제어 방법은, 스택의 온도, 부하 출력단의 전압 및 전류를 검출하는 단계; 상기 검출값으로부터 스택의 비정상 구동 상태 여부를 판단하여 조치를 취하는 단계; 및 정상 구동 상태라면 상기 검출한 스택의 온도, 부하 출력단의 전압 및 전류에 따라 원료 펌프의 구동 속도를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 연료 전지 제어 방법은, 연료 분자와 산소의 화학반응에 의해서 전기를 생성하는 스택; 상기 스택에 공급하고자 하는 원료가 저장되어 있는 원료 탱크; 상기 스택에서 배출되는 물, 미반응 연료 및 원료를 소정 농도의 연료 수용액으로 혼합하기 위한 혼합 탱크; 상기 스택에서 생성된 전력을 외부 부하로 전달하기 위한 출력 변환부; 상기 원료 탱크내 원료를 상기 혼합 탱크로 전달하기 위한 원료 펌프; 및 상기 원료 펌프의 속도를 제어하기 위한 제어부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제어하기 위한 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
예컨대, 하기 설명에 따른 연료전지 시스템은 에탄올, 메탄올 또는 천연가스와 같은 탄화수소계열의 연료와 같은 수소함유연료를 직접 스택에 공급하여 전기를 발생시키는 직접 메탄올형 연료전지(DMFC)에 대하여 이루어지고 있지만, 이에 한정되지 않고 스택의 애노드에 수용액 상태의 연료가 공급되는 고분자 전해질형 연료전지에도 채택될 수 있다.
하기 설명에서 언급되는 원료란 용어는 고농도의 수소함유연료를 뜻하는 것으로 순수 수소함유연료이거나 소정량 희석된 수소함유연료로서 연료저장효율을 높이기 위한 목적으로 농축된 것을 말하며, 반면 연료는 상기 원료를 적당량의 용매(물)에 희석시킨 저농도 연료 용액을 뜻하는 것으로서 스택의 애노드에 공급되는 농도를 가진다.
(실시예 1)
도 1은 본 실시예에 따른 연료 전지 제어 방법이 수행되는 연료 전지 시스템의 일실시예를 도시하고 있다. 도시한 연료 전지 시스템은, 연료 분자와 산소의 화학반응에 의해서 전기를 생성하는 스택(110); 상기 스택(110)에 공급하고자 하는 고농도 연료(원료)가 저장되어 있는 원료 탱크(160); 상기 스택(110)으로부터 배출되는 미반응 연료 및 물을 회수하기 위한 응축기(170); 상기 회수된 물, 미반응 연료 및 원료를 소정 농도의 연료 수용액으로 혼합하기 위한 혼합 탱크(140); 상기 스택에서 생성된 전력을 외부 부하(300)로 전달하기 위한 DC/DC 컨버터(120); 상기 원료 탱크내 원료를 상기 혼합 탱크로 전달하기 위한 원료 펌프(150); 및 상기 원료 펌프의 속도를 제어하기 위한 제어부(130)를 포함한다.
상기 제어부(130)로 입력되는 센싱값들을 생성하기 위하여, 상기 스택(110)에는, 스택의 온도를 검출하기 위한 온도 센서(112)가 장착되며, 상기 DC/DC 컨버터(120)의 부하측 출력 라인에는 부하 출력단 전압을 검출하기 위한 부하 출력단 전압 센서(124); 및 부하 출력단 전류를 검출하기 위한 부하 출력단 전류 센서(126)가 장착된다.
상기 연료전지 스택(110)은 고분자 전해질막의 양측에 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조의 막-전극 어셈블리를 하나 이상 포함하여, 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 일종의 발전 유닛이다. 상기 스택(110)의 애노드측에는 연료가 공급되고, 캐소드측에는 산화제가 공급된다. 연료는 수소가스, 천연가스, 메탄올, 석탄, 석유, 바이오매스가스, 매립지 가스 등을 포함하며, 산화제는 공기나 산소가스 등을 포함할 수 있다.
상기 스택(110)의 애노드측 촉매층에 연료가 공급되면 연료는 촉매층에서 전기화학적 반응을 일으키면서 수소 이온(proton, H+)과 전자(e-)로 이온화되며 산화 된다. 이온화된 수소 이온은 애노드측 촉매층에서 고분자 전해질막을 통과하여 캐소드측 촉매층으로 이동하고, 전자는 외부 도선을 통해 캐소드측 촉매층으로 이동하게 된다. 캐소드측 촉매층으로 이동한 수소 이온은 캐소드측 촉매층에 공급되는 공기 중의 산소와 전기화학적 환원반응을 일으켜 반응열과 물을 발생시킨다. 그리고 전자의 이동으로 전기 에너지가 발생된다. 상술한 연료전지(110)의 반응을 나타내면 다음과 같다.
애노드측 : CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-
캐소드측 : 6H+ + (3/2)O2 + 6e- → 3H2O
전체반응 : CH3OH + (3/2)O2 → 2H2O + CO2
직접 메탄올 연료전지 스택(110)의 애노드측에 공급되는 연료는 물과 연료가 혼합된 혼합연료가 된다. 예컨대, 혼합연료는 메탄올과 물이 일정 비율로 혼합되어 연료가 일정 몰농도로 함유된 연료 수용액이 된다. 스택(110)과 혼합장치(130) 사이에 설치된 연료 펌프를 추가적으로 설치하여, 연료 수용액의 스택으로의 공급량을 임의로 조절하도록 구현할 수도 있다.
원료 탱크(160)는 일반적인 유체를 저장하는 탱크 형식의 저장용기 또는 교체가 용이한 카트리지 형식의 저장용기로 구현할 수 있다. 원료 탱크(160)에 저장되는 원료는 물 등이 혼합된 연료이거나 물 등이 혼합되지 않는 순수 연료를 포함한다. 혼합된 연료인 경우, 원료 탱크(160)에 저장되는 원료는 스택(110)에 공급되 는 연료 수용액보다 연료의 몰농도가 높은 고농도 연료 수용액인 것이 바람직하다. 그리고, 원료 탱크(160)와 혼합 탱크(140) 사이에 설치되는 원료 펌프(150)를 이용하여, 원료 탱크(160)로부터 혼합 탱크(140)에 공급되는 연료의 공급량을 임의로 조절할 수 있다.
혼합 탱크(140)는 원료 탱크(160)로부터 유입되는 원료와 응축기(170)를 통해 재활용되는 저농도의 연료 수용액을 혼합하고 저장한다. 응축기(170)는 스택(110)의 캐소드측에 연결된 배관을 통해 유출되는 수증기를 일정량 강제 응축시킨다. 상기 응축기(170)는 수증기로부터 열을 빼앗을 수 있는 금속 배관과, 이 금속 배관의 외부에서 금속 배관을 강제 공냉시키는 팬으로 구현할 수도 있고, 적용가능한 다양한 열교환기 또는 응축기(condenser)로 구현될 수도 있다. 상기 스택(110)의 캐소드측에 발생한 물의 대략 1/3을 회수하여 애노드측에 공급하면 연료에 처음부터 물을 혼합할 필요가 없게 된다. 이는 별도의 물탱크 내지 대형의 저농도 연료 수용액 탱크의 필요성을 제거하여 연료 전지 시스템의 공간 효율을 높이게 된다.
본 실시예에서는 상기 연료 전지 스택(110)에서 생산된 전원을 외부 부하로 전달하기 위한 전력 변환부로서 DC/DC 컨버터(120)를 사용하였으나, 출력 전압의 안정화가 중요치 않는 구현의 경우에는 LDO(Low Drop Output Regulator) 같은 보다 단순한 출력단 회로로 대체가능하며, 외부 부하가 교류 전원을 사용하는 장치인 경우에는 DC/AC 컨버터로 대체될 수도 있다.
또한, DC/DC 컨버터(120)는 배터리(미도시)의 출력을 부하에 전달하도록 구현할 수 있다. DC/DC 컨버터(120)는 스택(110)의 출력과 배터리의 출력을 조합하여 부하에 공급하거나 두 출력 중 하나를 선택적으로 공급할 수도 있다. 또는, 스택(110)의 출력의 부하에 공급하면서 잉여전력을 상기 배터리에 충전 전원으로서 공급할 수도 있다.
상기 스택(110)의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(112)는 스택(110)과 접하거나 내장되는 것이 정확한 온도 측정을 위해 바람직하지만, 그것이 곤란한 구조인 경우 온도 매개체(예: 공기)에 의해 상기 스택(110)과 거리가 유지된 상태로 설치될 수도 있다. 시스템의 부하측 출력단의 전압 및 전류를 검출하기 위한 출력단 전압 센서(124) 및 출력단 전류 센서(126)는 상기 DC/DC 컨버터의 출력단쪽에 설치하는 것이 구현이 용이하다. 상기 전압 센서(124) 또는 전류 센서(126)은 상기 DC/DC 컨버터(120)와 외부 부하(300)간의 경로 상에 삽입되거나 고저항의 분류 경로에 설치될 수 있다. 상기 온도 센서(112)와 전압 센서(124) 및 전류 센서(126)의 센싱값은 아날로그값으로 감지되는데, 이러한 아날로그값은 A/D 변환기(미도시)를 통해서 디지탈값으로 변환된 후에 상기 제어부(130)로 입력되도록 구현하는 것이 바람직하나, 상기 제어부(130)가 DSP(digital signal processor) 이거나 아날로그 신호 처리 소자인 경우에는 아날로그값이 바로 입력되도록 구현할 수도 있다.
상기 제어부(130)는 시스템의 부하 출력단의 전압, 전류 측정값 및 스택의 온도 측정값을 입력받아, 소정의 연산 결과에 따라 상기 원료 펌프의 동작, 정확히는 속도를 제어한다. 상기 제어부(130)는 연료 전지 시스템의 전체 동작을 관할하는 MCU의 일부 기능으로 구현할 수도 있고, 별도의 독립된 CPU로 구현할 수도 있고, 단순한 스위칭 소자나 MUX 소자로 구현할 수도 있다. 상기 제어부(130)의 상세 동작은 하기 본 실시예의 동작 설명으로 후술하겠다.
이하, 상기 제어부(130)에 의해 수행되는 본 실시예에 따른 연료 전지 제어 방법을 설명하기로 한다.
도 2에 도시한 바와 같은 본 실시예의 연료 전지 제어 방법은, 스택의 온도, 부하 출력단의 전압 및 전류를 검출하는 단계(S320); 스택의 온도가 최소 문턱값보다 낮은가를 판단하는 단계(S330); 스택의 온도가 최소 문턱값 보다 낮다면 소정의 스택 예열 과정을 수행하는 단계(S340); 및 스택의 온도가 최소 문턱값보다 높다면, 상기 검출한 스택의 온도, 부하 출력단의 전압 및 전류에 따라 원료 펌프의 구동 속도를 제어하는 단계(S400)를 포함한다.
구현에 따라서는 상기 S400 단계의 수행 이전에, 스택의 온도가 최대 문턱값보다 높은가를 판단하는 단계(S350); 스택의 온도가 최소 문턱값 보다 높다면 소정의 스택 과열 방지 과정을 수행하는 단계(S360)를 더 포함할 수 있다. 연료 전지 시스템의 초기 기동시에는 항상 스택의 온도가 상온으로 냉각되어 있으므로 상기 S330 단계 및 S340 단계는 연료 전지 시스템의 구동시 항상 수행하게 되지만, 상기 S330 단계 및 S340 단계는 상기 S400 단계에서 스택의 과열을 충분히 방지할 수 있다면 생략될 수 있는 과정이다. 스택의 검출된 온도값을 판단하는 S330 단계 및 S350 단계는 동시에 수행될 수도 있다.
또한, 구현에 따라서는 상기 S400 단계의 수행 이전에, 연료 전지 시스템이 과부하 연결 상태인가를 판단하는 단계(S370); 과부하 연결 상태이면 소정의 과부 하 대응 조치를 수행하는 단계(S380)를 더 포함할 수 있다. 휴대용 멀티미디어 장치 구동 전원 공급용 연료 전지 시스템 같은 과부하 상태가 발생하기 어려운 용도의 시스템에 구현하는 경우 상기 S370 단계 및 S380 단계는 생략될 수 있다.
도 2의 표현은 한 번의 검출후 이루어지는 과정들만을 도시하여 S400 단계의 수행후 종료되는 것처럼 보이지만 이는 명료한 표현을 지향한 것이며, 실제로는 어느 한 시점의 S400 단계가 종료되면, 다음 시점에 대한 S320 내지 S400 단계가 수행되며, 이는 연료 전지가 구동되는 기간 내내 다수의 시점에서 계속 반복된다.
상기 S320 단계의 기술에서는 한 번의 과정에서 스택의 온도 및 부하 출력단의 전압/전류값을 모두 검출하는 것처럼 표현되었지만, 후술할 S400 단계의 세부과정들에서 각 검출값이 필요할때 각각 검출하도록 구현할 수도 있다. 다만, 과부하 여부 판단과 같이 스택의 온도 및 전압/전류 검출값을 한꺼번에 분석해야 하는 경우가 있어, 동일 시점에서의 각 측정값들이 얻어져야할 필요가 있어 도면과 같이 구현하는 것이 바람직하다.
상기 S330 단계 내지 S380 단계는 스택이 정상 구동 온도 범위에 있는가, 과부하가 아닌가와 같은, 연료 전지 시스템의 비정상 상태 여부를 판단하는 과정임을 알 수 있는 바, 상기 S330 단계 내지 S380 단계를 통칭하여 비정상 구동 상태 검사 단계(S300)로 부를 수 있다.
상기 S340 단계의 스택 예열 과정에서는, 연료 펌프의 조건의 초기 기동 상태로 계속 유지한체 연료 전지 시스템을 동작시키게 되며, 이 과정은 스택의 온도가 상기 최소 문턱값보다 높아질 때까지 수행된다. 구현에 따라서는 보다 빨리 스 택을 구동 온도에 도달시키기 위해 보다 고농도의 연료가 공급될 수 있도록 상기 원료 펌프를 제어할 수 있다.
상기 S360 단계의 스택 과열 방지 과정에서는, 부하에 전력 공급 보다는 스택의 온도를 낮추는 것이 우선적인 목적이 되므로, 스택의 온도가 상기 최대 문턱값보다 낮아질 때까지 최소 농도의 연료를 스택에 공급토록 상기 원료 펌프를 제어하도록 구현하거나, 아예 원료 펌프의 구동을 정지시키도록 구현할 수 있다.
상기 S370 단계의 과부하 판단 방법은, 스택의 온도, 부하 출력단의 전압 및 전류를 종합 검토하여 판단하며, 구현에 따라서는 상기 3측정값을 입력받아 과부하 여부를 출력하도록 함수나 판단용 테이블을 사용하여 판정토록 구현할 수도 있다. 예컨대, 고농도의 메탄올이 입력되어 스택의 온도가 상당히 높은데도 부하 출력단의 전압은 계속 하강하고, 전류는 증가한다면 과부하라고 판단할 수 있는 것이다.
상기 S380 단계의 과부하 대응 조치는, 상기 원료 펌프를 제어하는 것과는 관계가 없으며, 시스템 외적인 조치가 주를 이룬다. 상기 과부하 대응 조치로서 아예 부하를 차단하거나, 출력 안정용 배터리(미도시)를 부하에 연결시키거나, 병렬 스택 모듈 다수개를 구비한 구현인 경우 추가 스택 모듈을 구동시킬 수 있다.
상기 S400 단계에서는 스택의 온도, 부하 출력단의 전압, 부하 출력단의 전류의 측정값 각각에 따라 원료 펌프의 구동 속도에 대한 제어를 수행한다. 각각에 따라 제어를 수행하여도 과부하 같은 비정상 상태가 아니라면 서로 상반되는 결과가 나올 확률은 희박하며, 특히, 부하 출력단의 전압, 전류는 서로 반비례하는 결과가 나오므로 둘 중 하나만을 측정하여 펌프 구동 속도를 제어해도 무방하다.
도 3은 스택의 온도에 따른 펌프 구동 제어 방법을 도시한 것으로, 온도에 따른 제어 방법(S420)은, 측정된 스택의 온도와 소정의 기준 온도값을 비교하여(S422, S426), 스택의 온도가 가동 기준값보다 낮으면 원료 펌프의 구동 속도를 높이는 단계(S424); 및 스택의 온도가 가동 기준값보다 높으면 원료 펌프의 구동 속도를 낮추는 단계(S428)를 포함한다.
스택의 애노드에 최적 농도 보다 높은 농도의 연료가 공급되면, 고농도 연료로 인한 정기전력 반응의 증가뿐만 아니라 전해질을 통해 크로스 오버된 연료로 인한 역기전력 반응의 증가때문에 스택의 온도는 높아지게 된다. 따라서, 스택의 온도가 상기 가동 기준값보다 높으면 연료의 농도를 낮추고, 온도가 더 낮으면 연료의 농도를 높여야 하므로, 상기 S420 단계와 같은 과정을 수행한다. 상기 기준값은 고정된 값일 수도 있으나, 이전 시점에 측정된 값일 수도 있다.
도 4는 부하 출력단의 전류에 따른 펌프 구동 제어 방법을 도시한 것으로, 그 제어 방법(S440)은, 측정된 출력단 전류값과 소정의 기준 전류값을 비교하여(S442, S446), 출력단 전류값이 기준 전류값보다 작으면 원료 펌프의 구동 속도를 낮추는 단계(S444); 및 출력단 전류값이 기준 전류값보다 크면 원료 펌프의 구동 속도를 높이는 단계(S448)를 포함한다.
부하의 용량이 커지면, 출력단에서 바라본 부하의 저항값은 작아지고, 출력단에서 전류는 보다 많이 흐르게 된다. 따라서, 출력단 전류가 증가하면 부하 용량의 증가로 판단하여 스택으로 공급되는 연료의 농도를 높이고, 출력단 전류가 감소하면 부하 용량의 감소로 판단하여 스택으로 공급되는 연료의 농도를 낮추는 방향 으로 제어를 수행한다. 상기 기준 전류값은 고정된 값일 수도 있으나, 이전 시점에 측정된 값일 수도 있다.
도 5는 부하 출력단의 전압에 따른 펌프 구동 제어 방법을 도시한 것으로, 그 제어 방법(S460)은, 측정된 출력단 전압값과 소정의 기준 전압값을 비교하여(S462, S466), 출력단 전압값이 기준 전압값보다 낮으면 원료 펌프의 구동 속도를 높이는 단계(S464); 및 출력단 전압값이 기준 전압값보다 높으면 원료 펌프의 구동 속도를 낮추는 단계(S468)를 포함한다.
부하의 용량이 커지면, 출력단에서 바라본 부하의 저항값은 작아지고, 작아진 부하저항 때문에, 부하 출력단의 전압은 낮아지게 된다. 따라서, 출력단 전압이 낮아지면 부하 용량의 증가로 판단하여 스택으로 공급되는 연료의 농도를 높이고, 출력단 전압이 높아지면 부하 용량의 감소로 판단하여 스택으로 공급되는 연료의 농도를 낮추는 방향으로 제어를 수행한다. 상기 기준 전류값은 고정된 값일 수도 있으나, 이전 시점에 측정된 값일 수도 있다.
상기 S422 단계 및 S426 단계, S442 단계 및 S446 단계, S462 단계 및 S466 단계는 실제로는 동시에 수행되는 것이 바람직하지만, 이해의 편의를 위해서 별개의 단계로 표현하였다.
상기 원료 펌프의 구동 속도를 제어하는 방법은 원료 펌프의 종류에 따라 달라지는데, 원료 펌프가 스탭핑 모터와 같은 것으로 구성된 경우에는 원료 펌프로 입력되는 제어 펄스의 주파수로 제어할 수 있으며, 원료 펌프가 DC 모터와 같은 것으로 구성된 경우에는 원료 펌프로 입력되는 제어 펄스의 듀티비 또는 원료 펌프로 입력되는 구동 전력의 전압값으로 제어할 수 있다.
(실시예 2)
도 6은 본 실시예에 따른 연료 전지 제어 방법이 수행되는 연료 전지 시스템의 일실시예를 도시하고 있다. 도시한 연료 전지 시스템은, 연료 분자와 산소의 화학반응에 의해서 전기를 생성하는 스택(210); 상기 스택(210)에 공급하고자 하는 고농도 연료(원료)가 저장되어 있는 원료 탱크(260); 상기 스택(110)으로부터 배출되는 미반응 연료 및 물을 회수하기 위한 응축기(270); 상기 회수된 물, 미반응 연료 및 원료를 소정 농도의 연료 수용액으로 혼합하기 위한 혼합 탱크(240); 상기 스택에서 생성된 전력을 외부 부하(300)로 전달하기 위한 DC/DC 컨버터(220); 상기 원료 탱크내 원료를 상기 혼합 탱크로 전달하기 위한 원료 펌프(250); 상기 원료 펌프의 속도를 제어하기 위한 제어부(230); 및 출력 전력을 안정화시키기 위한 배터리(280)를 포함한다.
상기 제어부(230)로 입력되는 센싱값들을 생성하기 위하여, 상기 스택(210)에는, 스택의 온도를 검출하기 위한 온도 센서(212); 스택에서 발전되어 출력되는 전원의 전압을 검출하기 위한 스택 전압 센서(214); 및 스택에서 발전되어 출력되는 전원의 전류를 검출하기 위한 스택 전류 센서(216)가 장착되며, 상기 DC/DC 컨버터(220)의 부하측 출력 라인에는 부하 출력단 전압을 검출하기 위한 부하 출력단 전압 센서(224); 및 부하 출력단 전류를 검출하기 위한 부하 출력단 전류 센서(226)가 장착된다.
본 실시예의 연료 전지 시스템의 각 구성요소는 상기 제1 실시예의 대응요소와 거의 동일한 구조 및 기능을 가지므로 설명을 생략하겠다. 또한, 본 실시예에서는 상기 제1 실시예와 비교할 때, 상기 스택 전압 센서(214) 및 스택 전류 센서(216)를 더 구비하고 있는데, 상기 스택 전압 센서(214) 및 스택 전류 센서(216)는 공지된 전압/전류 센서를 적용하면 되므로 상세한 설명은 생략하겠다. 상기 스택 전압 센서(214) 및 스택 전류 센서(216)의 검출값이 추가로 입력됨에 따라 상기 제어부(230) 동작의 변경을 가져오는데, 이는 하기의 본 실시예의 동작설명에서 후술하겠다. 다만, 스택 전압 센서(214) 및 스택 전류 센서(216)와 부하 출력단 전압 센서(224) 및 부하 출력단 전류 센서(226)를 따로 구비하는 본 실시예의 경우에는, 상기 DC/DC 컨버터(220)에 복수개의 스택 블록이 연결되는 구조(병렬 스택 구조)에도 적용가능하며, 이와 같은 적용은 보다 정밀한 제어에 유용할 수 있다.
이하, 상기 제어부(230)에 의해 수행되는 본 실시예에 따른 연료 전지 제어 방법을 설명하기로 한다. 본 실시예에 따른 연료 전지 제어 방법은 그 입력되는 측정값을 제외하고 상기 제1 실시예의 경우와 동일하므로, 동일한 도면인 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명하되, 자명하게 유추가능한 부분은 생략하겠다.
본 실시예의 연료 전지 제어 방법은, 스택의 온도, 스택 출력단의 전압 및 전류, 부하 출력단의 전압 및 전류를 검출하는 단계(S320); 스택의 온도가 최소 문턱값보다 높은가를 판단하는 단계(S330); 스택의 온도가 최소 문턱값 보다 낮다면 소정의 스택 예열 과정을 수행하는 단계(S340); 및 스택의 온도가 최소 문턱값 보다 높다면, 상기 검출한 스택의 온도, 부하 출력단의 전압 및 전류에 따라 원료 펌프의 구동 속도를 제어하는 단계(S400)를 포함한다.
구현에 따라서는 상기 S400 단계의 수행 이전에, 스택의 온도가 최대 문턱값보다 낮은가를 판단하는 단계(S350); 스택의 온도가 최소 문턱값 보다 높다면 소정의 스택 과열 방지 과정을 수행하는 단계(S360)를 더 포함할 수 있다.
또한, 구현에 따라서는 상기 S400 단계의 수행 이전에, 연료 전지 시스템이 과부하 연결 상태인가를 판단하는 단계(S370); 과부하 연결 상태이면 소정의 과부하 대응 조치를 수행하는 단계(S380)를 더 포함할 수 있다.
상기 S320 단계의 기술에서는 한 번의 과정에서 스택의 온도 및 부하 출력단의 전압/전류값을 모두 검출하는 것처럼 표현되었지만, 후술할 S400 단계의 세부과정들에서 각 검출값이 필요할때 각각 검출하도록 구현할 수도 있다. 특히, 본 실시예의 경우 부하 출력단의 전압 및 전류의 검출값은 S400 단계에서만 사용되므로, S400 단계이전에 별도의 시점에 검출하도록 구현할 수도 있다. 다만, 과부하 여부 판단과 같이 스택의 온도 및 전압/전류 검출값을 한꺼번에 분석해야 하는 경우가 있어, 동일 시점에서의 각 측정값들이 얻어져야할 필요가 있어 도면과 같이 구현하는 것이 바람직하다.
상기 S330 단계 내지 S380 단계는 스택이 정상 구동 온도 범위에 있는가, 과부하가 아닌가와 같은, 연료 전지 시스템의 비정상 상태 여부를 판단하는 과정임을 알 수 있는 바, 상기 S330 단계 내지 S380 단계를 통칭하여 비정상 구동 상태 검사 단계(S300)로 부를 수 있다.
상기 S370 단계의 과부하 판단 방법은, 스택의 온도, 스택 출력단의 전압 및 전류를 종합 검토하여 판단하며, 구현에 따라서는 상기 3 측정값을 입력받아 과부하 여부를 출력하도록 함수나 판단용 테이블을 사용하여 판정토록 구현할 수도 있다. 예컨대, 고농도의 메탄올이 입력되어 스택의 온도가 상당히 높은데도 스택 출력단의 전압은 계속 하강하고, 전류는 증가한다면 과부하라고 판단할 수 있는 것이다. DC/DC 컨버터를 경유한 단에서의 전압/전류로 과부하 여부를 판단하는 제1 실시예와는 달리 본 실시예에서는 스택의 전압/전류 측정값을 사용하므로 보다 정확히 스택의 과부하 여부를 판단할 수 있으며, 특히 병렬 스택 구조에서는 각 스택마다 과부하 여부를 판단할 수 있게 된다.
상기 S380 단계의 과부하 대응 조치는, 상기 원료 펌프를 제어하는 것과는 관계가 없으며, 시스템 외적인 조치가 주를 이룬다. 상기 과부하 대응 조치로서 아예 부하를 차단하거나, 출력 안정용 배터리(미도시)를 부하에 연결시키거나, 병렬 스택 구조인 경우 추가 스택 모듈을 구동시킬 수 있다.
상기 S400 단계에서는 스택의 온도, 부하 출력단의 전압, 부하 출력단의 전류의 측정값 각각에 따라 원료 펌프의 구동 속도에 대한 제어를 수행한다. 상기 S400 단계의 수행에는 스택의 온도 측정값 및 부하 출력단의 전압 및/또는 전류 측정값을 사용하여, 상기 제1 실시예의 경우와 거의 동일하므로 그 자세한 설명은 생략하겠다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템 및 연료 전지 제어 방법을 실시함에 의해, 간단한 구성으로 연료 전지의 구동을 효율적으로 유지시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (16)

  1. 연료 용액을 입력받아 외부 부하로 공급할 전기를 생산하는 스택, 및 상기 연료 용액의 농도를 높이기 위해 원료를 공급하는 원료 펌프를 포함하는 연료 전지의 제어 방법에 있어서,
    (a) 스택의 온도, 부하 출력단의 전압 및 전류를 검출하는 단계;
    (b) 상기 검출값으로부터 스택의 비정상 구동 상태 여부를 판단하여 조치를 취하는 단계; 및
    (c) 상기 검출값에 따라 원료 펌프의 구동 속도를 제어하는 단계
    를 포함하는 연료 전지 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계는,
    검출된 스택의 온도가 최소 문턱값보다 낮은가를 판단하는 단계; 및
    검출된 스택의 온도가 최소 문턱값 보다 낮다면 소정의 스택 예열 과정을 수행하는 단계
    를 포함하는 연료 전지 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계는,
    검출된 스택의 온도가 최대 문턱값보다 높은가를 판단하는 단계; 및
    검출된 스택의 온도가 최대 문턱값 보다 높다면 소정의 스택 과열 방지 과정 을 수행하는 단계
    를 포함하는 연료 전지 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계는,
    연료 전지 시스템이 과부하 연결 상태인가를 판단하는 단계; 및
    과부하 연결 상태이면 소정의 과부하 대응 조치를 수행하는 단계
    를 포함하는 연료 전지 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 (c) 단계는,
    측정된 스택의 온도와 소정의 기준 온도값을 비교하는 단계;
    스택의 온도가 가동 기준값보다 낮으면 원료 펌프의 구동 속도를 높이는 단계; 및
    스택의 온도가 가동 기준값보다 높으면 원료 펌프의 구동 속도를 낮추는 단계
    를 포함하는 연료 전지 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 (c) 단계는,
    측정된 부하 출력단 전류와 소정의 기준 전류값을 비교하는 단계;
    부하 출력단 전류가 기준 전류값보다 낮으면 원료 펌프의 구동 속도를 낮추는 단계; 및
    부하 출력단 전류가 기준 전류값보다 높으면 원료 펌프의 구동 속도를 높이는 단계
    를 포함하는 연료 전지 제어 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 (c) 단계는,
    측정된 부하 출력단 전압과 소정의 기준 전압값을 비교하는 단계;
    부하 출력단 전압이 기준 전압값보다 높으면 원료 펌프의 구동 속도를 낮추는 단계; 및
    부하 출력단 전압이 기준 전압값보다 낮으면 원료 펌프의 구동 속도를 높이는 단계;
    를 포함하는 연료 전지 제어 방법.
  8. 연료 용액을 입력받아 외부 부하로 공급할 전기를 생산하는 스택, 및 상기 연료 용액의 농도를 높이기 위해 원료를 공급하는 원료 펌프를 포함하는 연료 전지의 제어 방법에 있어서,
    (a) 스택의 온도, 스택 출력단의 전압 및 전류, 부하 출력단의 전압 또는 전류를 검출하는 단계;
    (b) 상기 검출값으로부터 스택의 비정상 구동 상태 여부를 판단하여 조치를 취하는 단계; 및
    (c) 상기 검출값에 따라 원료 펌프의 구동 속도를 제어하는 단계
    를 포함하는 연료 전지 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 (b) 단계는,
    검출된 스택의 온도가 최소 문턱값보다 낮은가를 판단하는 단계; 및
    검출된 스택의 온도가 최소 문턱값 보다 낮다면 소정의 스택 예열 과정을 수행하는 단계
    를 포함하는 연료 전지 제어 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 (b) 단계는,
    검출된 스택의 온도가 최대 문턱값보다 높은가를 판단하는 단계; 및
    검출된 스택의 온도가 최대 문턱값 보다 높다면 소정의 스택 과열 방지 과정을 수행하는 단계
    를 포함하는 연료 전지 제어 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 (b) 단계는,
    상기 스택의 온도, 스택 출력단의 전압 및 전류에 대한 검출값으로부터 연료 전지 시스템이 과부하 연결 상태인가를 판단하는 단계; 및
    과부하 연결 상태이면 소정의 과부하 대응 조치를 수행하는 단계
    를 포함하는 연료 전지 제어 방법.
  12. 제8항에 있어서, 상기 (c) 단계는,
    측정된 스택의 온도와 소정의 기준 온도값을 비교하는 단계;
    스택의 온도가 가동 기준값보다 낮으면 원료 펌프의 구동 속도를 높이는 단계; 및
    스택의 온도가 가동 기준값보다 높으면 원료 펌프의 구동 속도를 낮추는 단계
    를 포함하는 연료 전지 제어 방법.
  13. 제8항에 있어서, 상기 (c) 단계는,
    측정된 부하 출력단 전류와 소정의 기준 전류값을 비교하는 단계;
    부하 출력단 전류가 기준 전류값보다 낮으면 원료 펌프의 구동 속도를 낮추는 단계; 및
    부하 출력단 전류가 기준 전류값보다 높으면 원료 펌프의 구동 속도를 높이는 단계
    를 포함하는 연료 전지 제어 방법.
  14. 제8항에 있어서, 상기 (c) 단계는,
    측정된 부하 출력단 전압과 소정의 기준 전압값을 비교하는 단계;
    부하 출력단 전압이 기준 전압값보다 높으면 원료 펌프의 구동 속도를 낮추는 단계; 및
    부하 출력단 전압이 기준 전압값보다 낮으면 원료 펌프의 구동 속도를 높이는 단계;
    를 포함하는 연료 전지 제어 방법.
  15. 연료 분자와 산소의 화학반응에 의해서 전기를 생성하는 스택;
    상기 스택에서 생성된 전력을 외부 부하로 전달하기 위한 출력 변환부;
    상기 스택에 공급하고자 하는 원료가 저장되어 있는 원료 탱크;
    상기 스택에서 배출되는 물, 미반응 연료 및 원료를 소정 농도의 연료 수용액으로 혼합하기 위한 혼합 탱크;
    상기 원료 탱크내 원료를 상기 혼합 탱크로 전달하기 위한 원료 펌프;
    상기 스택의 온도를 검출하기 위한 온도 센서;
    상기 출력 변환부의 부하측 출력단의 전압을 검출하기 위한 부하 출력단 전압 센서;
    상기 출력 변환부의 부하측 출력단의 전류를 검출하기 위한 부하 출력단 전류 센서; 및
    제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 연료 전지 제어 방법에 따라 상기 원료 펌프의 속도를 제어하는 제어부
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  16. 연료 분자와 산소의 화학반응에 의해서 전기를 생성하는 스택;
    상기 스택에서 생성된 전력을 외부 부하로 전달하기 위한 출력 변환부;
    상기 스택에 공급하고자 하는 원료가 저장되어 있는 원료 탱크;
    상기 스택에서 배출되는 물, 미반응 연료 및 원료를 소정 농도의 연료 수용액으로 혼합하기 위한 혼합 탱크;
    상기 원료 탱크내 원료를 상기 혼합 탱크로 전달하기 위한 원료 펌프;
    상기 스택의 온도를 검출하기 위한 온도 센서;
    상기 스택 출력단의 전압을 검출하기 위한 스택 전압 센서;
    상기 스택 출력단의 전류를 검출하기 위한 스택 전류 센서;
    상기 출력 변환부의 부하측 출력단의 전압을 검출하기 위한 부하 출력단 전압 센서;
    상기 출력 변환부의 부하측 출력단의 전류를 검출하기 위한 부하 출력단 전류 센서; 및
    제8항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 연료 전지 제어 방법에 따라 상기 원료 펌프의 속도를 제어하는 제어부
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
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