(57)【要約】【課題】安定的に燃料の供給を行うことが可能な燃料電池スタックの駆動方法およびシステムを提供する。【解決手段】燃料タンクからの燃料供給がない状態で燃料電池スタックにより電力を生成するステップと、前記電力の出力電圧を目標電圧まで減少させるステップと、前記電力の出力電流の増加率を測定するステップと、前記出力電流の増加率が目標増加率よりも低い時、前記燃料電池スタックに燃料の供給を開始するステップと、目標電流水準で前記出力電流を維持するように前記燃料電池スタックの燃料濃度を制御するステップと、を含む、燃料電池システムの駆動方法。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料タンクからの燃料供給がない状態で燃料電池スタックにより電力を生成するステップと、
前記電力の出力電圧を目標電圧まで減少させるステップと、
前記電力の出力電流の増加率を測定するステップと、
前記出力電流の増加率が目標増加率よりも低い時、前記燃料電池スタックに燃料の供給を開始するステップと、
目標電流水準で前記出力電流を維持するように前記燃料電池スタックの燃料濃度を制御するステップと、
を含む、燃料電池システムの駆動方法。
【請求項２】
前記電力を生成するステップにおいて、前記燃料電池スタックで生成される電力の前記出力電圧が開放回路電圧水準で安定化されるまで前記燃料電池スタックを駆動する、請求項１に記載の燃料電池システムの駆動方法。
【請求項３】
前記電力の出力電圧を減少させるステップにおいて、前記出力電圧は前記目標電圧に到達するまで減少する、請求項１に記載の燃料電池システムの駆動方法。
【請求項４】
前記目標増加率は０Ａ／ｓより小さく設定される、請求項１に記載の燃料電池システムの駆動方法。
【請求項５】
前記目標増加率は−０．５Ａ／ｓ〜０Ａ／ｓの範囲に属するように設定される、請求項４に記載の燃料電池システムの駆動方法。
【請求項６】
前記出力電圧は前記目標電圧で維持される、請求項１に記載の燃料電池システムの駆動方法。
【請求項７】
前記燃料電池スタックの燃料濃度を制御するステップは、
第１期間の間に前記燃料を供給し、
第２期間の間に前記燃料の供給を中断する、請求項１に記載の燃料電池システムの駆動方法。
【請求項８】
前記燃料電池スタックでの燃料濃度を制御するステップは、
前記燃料を前記燃料タンクから混合器に供給するように燃料ポンプを駆動する、請求項１に記載の燃料電池システムの駆動方法。
【請求項９】
前記燃料電池スタックでの燃料濃度を制御するステップは、
前記混合器で、前記燃料タンクから供給された前記燃料と水を混合する、請求項８に記載の燃料電池システムの駆動方法。
【請求項１０】
前記燃料ポンプは比例制御器、比例積分制御器、比例積分微分制御器からなる群より選択された制御器により制御される、請求項８に記載の燃料電池システムの駆動方法。
【請求項１１】
前記目標電圧で前記出力電圧を維持するステップと、
前記燃料電池スタックで温度を測定するステップと、
前記測定された温度が限界温度よりも大きい時、前記目標電圧を減少させるステップと、
をさらに含む、請求項１に記載の燃料電池システムの駆動方法。
【請求項１２】
前記目標電圧を減少させるステップは、前記減少された目標電圧で前記出力電圧を維持するように前記燃料電池スタックの燃料濃度を制御する、請求項１１に記載の燃料電池システムの駆動方法。
【請求項１３】
前記限界温度は基準運転温度よりも２％〜１０％高く設定される、請求項１１に記載の燃料電池システムの駆動方法。
【請求項１４】
前記目標電圧で前記出力電圧を維持するステップと、
前記燃料電池スタックを冷却するように構成された冷却ファンに供給される駆動電力を測定するステップと、
前記測定された駆動電力が限界駆動電力よりも高い時、前記目標電圧を減少させるステップと、
をさらに含む、請求項１に記載の燃料電池システムの駆動方法。
【請求項１５】
前記限界駆動電力は基準駆動電力よりも５％〜２０％大きく設定される、請求項１４に記載の燃料電池システムの駆動方法。
【請求項１６】
前記基準駆動電力は前記冷却ファンの最大使用電力の７０％で設定される、請求項１５に記載の燃料電池システムの駆動方法。
【請求項１７】
燃料タンクから燃料供給がない状態で電力を生成する燃料電池スタックと、
前記電力の出力電流が増加するように前記電力の出力電圧を目標電圧まで減少させる手段と、
前記出力電流の増加率を測定する手段と、
前記出力電流の増加率が目標増加率よりも低い時、前記燃料電池スタックに燃料の供給を開始する手段と、
目標電流水準で前記出力電流を維持するように前記燃料電池スタックでの燃料濃度を制御する手段と、
を含む、燃料電池システムの駆動システム。
【請求項１８】
前記燃料電池スタックの前記燃料濃度を制御する手段は、
第１期間の間に前記燃料を供給し、
第２期間の間に前記燃料の供給を中断する、請求項１７に記載の燃料電池システムの駆動システム。
【請求項１９】
前記燃料電池スタックの前記燃料濃度を制御する手段は、
前記目標電圧で前記出力電圧を維持する手段と、
前記燃料電池スタックの温度を測定する手段と、
前記測定された温度が限界温度より大きい時、前記目標電圧を減少させる手段と、を含む、請求項１７に記載の燃料電池システムの駆動システム。
【請求項２０】
燃料タンクから燃料供給がない状態で電力を生成する燃料電池スタックと、
前記電力の出力電流が増加するように前記電力の出力電圧を目標電圧まで減少させ、前記出力電流の増加率を測定する周辺機器と、
前記出力電流の増加率が目標増加率よりも低い時、前記燃料電池スタックに燃料の供給を開始し、目標電流水準で前記出力電流を維持するように前記燃料電池スタックの燃料濃度を制御する制御部と、
を含む、燃料電池システムの駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの駆動方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は燃料と酸化剤を用いて電気化学的に電力を生産する装置である。具体的には、燃料電池は、外部から持続的に供給される燃料（水素または改質ガス）と酸化剤（酸素または空気）を電気化学反応により直接電気エネルギーに変換させる装置である。
【０００３】
このような燃料電池の酸化剤としては、純粋酸素（または酸素が多量含まれている空気）が用いられ、燃料としては、純粋水素（または炭化水素系燃料（ＬＮＧ、ＬＰＧ、ＣＨ３ＯＨ）を改質して生成された水素が多量含まれている燃料）が使用される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池システムにおいて均一な量の燃料を供給するために、精密濃度センサーおよび高精密ポンプが使用される。しかし、精密濃度センサーは温度が変化すると濃度を精密に測定することができないという問題がある。また、特に低流量高精密ポンプは、異物の流入に脆弱性があるので、異物が多い燃料を長時間供給するには耐久性に問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、安定的に燃料の供給を行うことが可能な、新規かつ改良された燃料電池システムの駆動方法およびシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、燃料タンクからの燃料供給がない状態で燃料電池スタックにより電力を生成するステップと、前記電力の出力電圧を目標電圧まで減少させるステップと、前記電力の出力電流の増加率を測定するステップと、前記出力電流の増加率が目標増加率よりも低い時、前記燃料電池スタックに燃料の供給を開始するステップと、目標電流水準で前記出力電流を維持するように前記燃料電池スタックの燃料濃度を制御するステップと、を含む、燃料電池システムの駆動方法が提供される。
【０００７】
前記電力を生成するステップにおいて、前記燃料電池スタックで生成される電力の前記出力電圧が開放回路電圧水準で安定化されるまで前記燃料電池スタックを駆動することを含んでもよい。前記電力の出力電圧を減少させる段階において、前記出力電圧は前記目標電圧に到達するまで減少させてもよい。
【０００８】
前記目標増加率は０Ａ／ｓより小さく設定され、前記目標増加率は−０．５Ａ／ｓ〜０Ａ／ｓの範囲に属するように設定されてもよい。前記出力電圧は前記目標電圧で維持されてもよい。
【０００９】
また、前記燃料電池スタックの燃料濃度を制御するステップは、第１期間の間に前記燃料を供給し、第２期間の間に前記燃料の供給を中断してもよい。
【００１０】
また、前記燃料ポンプは比例（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ）制御器、比例積分（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−ｉｎｔｅｇｒａｌ、ＰＩ）制御器、比例積分微分（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−ｉｎｔｅｇｒａｌ−ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ、ＰＩＤ）制御器からなる群より選択された制御器により制御してもよい。
【００１１】
また、前記目標電圧で前記出力電圧を維持するステップと、前記燃料電池スタックで温度を測定するステップと、前記測定された温度が限界温度よりも大きい時、前記目標電圧を減少させるステップと、をさらに含んでもよい。
【００１２】
また、前記目標電圧を減少させるステップは、前記減少された目標電圧で前記出力電圧を維持するように前記燃料電池スタックの燃料濃度を制御してもよい。
【００１３】
また、前記限界温度は基準運転温度よりも２％〜１０％高く設定されてもよい。
【００１４】
また、前記目標電圧で前記出力電圧を維持するステップと、前記燃料電池スタックを冷却するように構成された冷却ファンに供給される駆動電力を測定するステップと、前記測定された駆動電力が限界駆動電力よりも高い時、前記目標電圧を減少させるステップと、をさらに含んでもよい。
【００１５】
また、前記限界駆動電力は基準駆動電力よりも５％〜２０％大きく設定されてもよい。
【００１６】
また、前記基準駆動電力は前記冷却ファンの最大使用電力の７０％で設定されてもよい。
【００１７】
本発明のさらに他の観点によれば、燃料タンクから燃料供給がない状態で電力を生成する燃料電池スタックと、前記電力の出力電流が増加するように前記電力の出力電圧を目標電圧まで減少させる手段と、前記出力電流の増加率を測定する手段と、前記出力電流の増加率が目標増加率よりも低い時、前記燃料電池スタックに燃料の供給を開始する手段と、目標電流水準で前記出力電流を維持するように前記燃料電池スタックでの燃料濃度を制御する手段と、を含む燃料電池システムの駆動システムが提供される。
【００１８】
また、前記燃料電池スタックの前記燃料濃度を制御する手段は、第１期間の間に前記燃料を供給し、第２期間の間に前記燃料の供給を中断してもよい。
【００１９】
また、前記燃料電池スタックの前記燃料濃度を制御する手段は、前記目標電圧で前記出力電圧を維持する手段と、前記燃料電池スタックの温度を測定する手段と、前記測定された温度が限界温度より大きい時、前記目標電圧を減少させる手段と、を含んでもよい。
【００２０】
本発明のさらに他の観点によれば、燃料タンクから燃料供給がない状態で電力を生成する燃料電池スタックと、前記電力の出力電流が増加するように前記電力の出力電圧を目標電圧まで減少させ、前記出力電流の増加率を測定する周辺機器と、前記出力電流の増加率が目標増加率よりも低い時、前記燃料電池スタックに燃料の供給を開始し、目標電流水準で前記出力電流を維持するように前記燃料電池スタックの燃料濃度を制御する制御部と、を含む燃料電池システムの駆動システムが提供される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、安定的に燃料の供給を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施例による燃料電池システムを概略的に示した構成図である。
【図２】本発明の第１実施例による燃料電池システムの駆動方法を示したフローチャートである。
【図３】図２に示された燃料電池システムの駆動方法に従う場合、時間に応じた電圧および電流グラフである。
【図４】本発明の第２実施例による燃料電池システムを概略的に示した構成図である。
【図５】本発明の第２実施例による燃料電池システムの駆動方法を示したフローチャートである。
【図６】本発明の第１実施例と第２実施例による燃料電池システムの駆動方法に従うスタックの電圧、電流、電力量、燃料濃度を示したグラフである。
【図７】本発明の第１実施例と第２実施例による燃料電池システムの駆動方法に従うスタックの電流と燃料濃度を示したグラフである。
【図８】本発明の第１実施例と第２実施例による燃料電池システムの駆動方法に従うスタック温度とアノード温度、および外部温度を示したグラフである。
【図９】本発明の第１実施例と第２実施例による燃料電池システムの駆動方法で運転を再開始する時、スタックの電力、電圧、電流、燃料濃度を示したグラフである。
【図１０】本発明の第１実施例と第２実施例による燃料電池システムの駆動方法で運転を再開始する時、スタックの電流と燃料濃度を示したグラフである。
【図１１】本発明の第３実施例による燃料電池システムを概略的に示した構成図である。
【図１２】本発明の第３実施例による燃料電池システムの駆動方法を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の技術的思想による実施例について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。しかし、本発明の技術的思想による実施例は、さまざまな他の形態に変形され、本発明の範囲が以下で説明する実施例によって限定されるものであると解釈されてはならない。本発明の技術的思想による実施例は、本発明が属する技術分野で当業者に、本発明をさらに完全に説明するために提供されるものである。添付図面の同じ符号は、一貫して同じ構成要素を意味する。
【００２４】
燃料電池システムにおいて均一な量の燃料を供給することは重要である。２０Ｗ級直接メタノール型燃料電池システムの場合、０．０３ｃｃ／ｍｉｎの流量が変化すれば、約１０％の燃料効率差が発生する。このような流量の変化は、運転濃度、運転温度、および運転圧力などの運転状態変化を誘発して燃料電池スタックの安定性を低下させ、寿命を減少させる原因となる。
【００２５】
微細流量制御のための最も普遍的な方法は、精密濃度センサーおよび高精密ポンプを使用する方法である。
【００２６】
しかしながら、精密濃度センサーは温度が変化すれば濃度を精密に測定することができないという問題がある。温度に応じて濃度センサーを補正する方法があるが、燃料電池スタックで発生する熱により温度センサーが影響を受けるので、周辺温度に応じて正確に補正することが困難であるという問題がある。
【００２７】
また、燃料電池システムを長時間使用する場合、精密濃度センサーは零点が変化して濃度測定に誤差が発生するという問題がある。
【００２８】
また、低流量高精密ポンプの場合、異物の流入に脆弱性があり、長時間使用時に性能の低下が激しいので、耐久性が弱いという問題がある。低流量高精密ポンプは通常実験で使用するために製造されたものであるので、異物が多い燃料を長時間供給する場合に使用されるには耐久性に脆弱性があるという問題がある。
【００２９】
図１は、本発明の第１実施例による燃料電池システムを概略的に示した構成図である。
【００３０】
図１を参照して説明する本実施例による燃料電池システム１０１は、メタノールと酸素の直接的な反応により電気エネルギーを発生させる直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）方式を採用してもよい。
【００３１】
ただし、本発明が直接メタノール型燃料電池方式に制限されることはなく、本実施例による燃料電池システムは、エタノール、ＬＰＧ、ＬＮＧ、ガソリン、ブタンガスなどのように水素を含有した液体または気体燃料を酸素と反応させる直接酸化型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）方式であってもよい。また、燃料を水素が豊富な改質ガスで改質し、前記改質ガスを酸化させて電気を発生させる高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ；ＰＥＭＦＣ）からなってもよい。
【００３２】
このような燃料電池システム１０１に使用される燃料は、メタノール、エタノールまたは天然ガス、ＬＰＧなどのように液状または気体状態からなる炭化水素系燃料を含む。
【００３３】
そして、本燃料電池システム１０１は、水素と反応する酸化剤として空気を使用してもよく、別途の貯蔵手段に貯蔵された酸素ガスを使用してもよい。
【００３４】
本実施例による燃料電池システム１０１は、燃料と酸化剤を用いて電力を発生させる燃料電池スタック３０、燃料電池スタック３０に燃料を供給する燃料タンク１２、電気生成のための酸化剤を燃料電池スタック３０に供給する酸化剤ポンプ２１、燃料電池スタック３０、および燃料タンク１２の間に設置された混合器１６を含む。
【００３５】
燃料タンク１２には第１燃料ポンプ１４が連結設置されて所定のポンピング力により燃料タンク１２に貯蔵された液状の燃料を燃料タンク１２の内部から排出させる。本実施例において燃料タンク１２に貯蔵された燃料はメタノールからなってもよい。一方、酸化剤ポンプ２１は空気を燃料電池スタック３０に供給する役割を果たす。
【００３６】
混合器１６は燃料タンク１２で供給された燃料と前記燃料電池から回収管を通じて回収された水とを混合して燃料電池スタック３０に供給する役割を果たす。混合器１６と燃料電池スタック３０との間には混合器１６に貯蔵された燃料を燃料電池スタック３０に供給する第２燃料ポンプ１８が設置される。
【００３７】
燃料電池スタック３０は、燃料と酸化剤との酸化／還元反応を誘導して電気エネルギーを発生させる複数の電気生成部３５を備える。
【００３８】
それぞれの電気生成部３５は電気を発生させる単位セルを含み、燃料と酸化剤の中の酸素を酸化／還元させる膜−電極集合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）３１および、燃料と酸化剤を膜−電極集合体３１に供給するためのセパレータ（当業界ではバイポーラプレートともいう）３２、３３を含む。
【００３９】
電気生成部３５は、膜−電極集合体３１を中心としてその両側にセパレータ３２、３３がそれぞれ配置された構造を有する。セパレータ３２、３３は、膜−電極集合体３１を介して密着配置され、膜−電極集合体３１の両側にそれぞれ燃料通路と空気通路を形成する。この時、燃料通路は膜−電極集合体３１のアノード電極側に配置され、空気通路は膜−電極集合体３１のカソード電極側に配置される。そして、電解質膜はアノード電極で生成された水素イオンをカソード電極に移動させ、カソード電極の酸素と反応して水を生成させるイオン交換を可能にする。
【００４０】
これによって、前記アノード電極では酸化反応を通じて水素を電子とプロトン（水素イオン）に分解する。そして、プロトンが電解質膜を通じてカソード電極に移動し、電子は電解質膜を通じて移動することができずに、セパレータ３３を通じて隣接した膜−電極集合体３１のカソード電極に移動するが、この時、電子の流れにより電流を発生させる。また、カソード電極では移動したプロトンおよび電子と酸素の還元反応を通じて水分が生成される。
【００４１】
本燃料電池システム１０１は、上述したように複数の電気生成部３５が連続的に配置されることによって燃料電池スタック３０を構成する。燃料電池スタック３０の一側には燃料電池スタック３０の冷却のための冷却ファン３６が設置される。燃料電池スタック３０の発電中には多くの熱が発生するので、冷却ファン３６により燃料電池スタック３０に空気を供給することで、燃料電池スタック３０の温度を低める。
【００４２】
本実施例による燃料電池スタック３０は容量が小さい３０ｗ級燃料電池スタック３０を例に挙げて説明する。ただし、３０ｗ級燃料電池スタック３０は例示であり、本発明がこれに制限されることはない。
【００４３】
燃料電池スタックには周辺機器５０と負荷６２が電気的に連結設置される。周辺機器５０は、電圧センサー５２、電流センサー５３、およびコンバータ５１を含む。電圧センサー５２は燃料電池スタック３０の電圧（つまり、出力電圧）を測定し、電流センサー５３は燃料電池スタックの電流（つまり、出力電流）を測定する。また、コンバータ５１は燃料電池スタック３０で生成された電力の出力電圧と出力電流を負荷で使用することができるように補正する役割を果たす。コンバータ５１は負荷６２と連結されて負荷６２に電力を供給する。前記燃料電池システム１０１は前記測定された電圧と電流に応じて前記第１燃料ポンプ１４の駆動を制御する制御器４０をさらに含む。
【００４４】
図２は、本発明の第１実施例による燃料電池システムの駆動方法を示したフローチャートである。図３は、図２に示された燃料電池システムの駆動方法に従った場合の、時間に応じた電圧および電流グラフである。
【００４５】
図２および図３を参照して本実施例による燃料電池システムの駆動方法について考察する。
【００４６】
本実施例による燃料電池システム１０１の駆動方法は、燃料供給なしの運転開始段階（Ｓ１０１）、電圧減少段階（Ｓ１０２）、電流増加率測定段階（Ｓ１０３）、燃料供給開始段階（Ｓ１０４）、および電流に追従して燃料を供給する段階（Ｓ１０５）を含む。
【００４７】
燃料供給なしの運転開始段階（Ｓ１０１）では、燃料電池システム１０１の運転開始時に燃料の供給を中断した状態で燃料電池スタック３０にコンバータ５１を連結して運転を開始する。この時、開放回路電圧（Ｏｐｅｎ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ、ＯＣＶ）を確認して安定した値になるまで一定の電圧で燃料電池システム１０１を運転する。開放回路電圧が安定化されると出力電圧を目標電圧（Ｖｓｏ）まで所定の速度（例えば、一定の速度）で低める（例えば、前記コンバータ５１が前記出力電圧を低める）。出力電圧を低めると（一定の電力を維持するために）電流が増加するため、電流は持続的に増加することができずに減少するようになる。これは燃料電池スタック３０内部に残留する燃料が発電に参加して全て消耗されたためである。電流が減少し始める時点が燃料電池スタック３０内部の燃料濃度が最小化された時点と見ることができる。
【００４８】
電流増加率測定段階（Ｓ１０３）は、電流の増加速度を測定して電流増加率が目標増加率（Ｉｒｓｏ）よりも小さいか判断する。燃料供給開始段階（Ｓ１０４）は、電流増加率が目標増加率（Ｉｒｓｏ）よりも小さい場合に燃料電池スタック３０に燃料の供給を開始する。この時、目標増加率（Ｉｒｓｏ）は、０（Ａ／ｓ）〜−０．５（Ａ／ｓ）の範囲に属するように設定されてもよい。
【００４９】
一方、電流追従燃料供給段階（Ｓ１０５）では、燃料の供給が開始された後、燃料電池スタック３０で目標電流（Ｉｓｏ）が出力され得るように燃料の濃度を電流の出力に応じて調節する。この時、燃料電池スタック３０の出力電圧はコンバータにより目標電圧（Ｖｓｏ）で一定に固定される。目標電圧（Ｖｓｏ）と目標電流（Ｉｓｏ）は燃料電池システムの種類に応じて適正に設定されてもよい。例えば、定格出力が６０Ｗである燃料電池システムである場合には、目標電圧が１．５Ｖ、目標電流が４０Ａで設定されてもよく、定格出力が３００Ｗである燃料電池システムである場合には、目標電圧が６Ｖ、目標電流が５０Ａで設定されてもよい。
【００５０】
電流に追従して燃料を供給する段階（Ｓ１０５）は、混合器１６への燃料供給と燃料供給中断を繰り返す段階を含む。本実施例では低精密ポンプである第１燃料ポンプ１４が使用されるので、設定された期間で燃料の供給と燃料供給中断を実施すると（例えば、第１期間の間に燃料の供給が実施され、第２期間の間に燃料の供給が中断されると）、全体期間の間に均一な（一定の）量の燃料が供給されたことと同一の効果を得ることができる。例えば、第１燃料ポンプ１４により供給され得る最大燃料量の１／１０を供給しようとする時、前記第１燃料ポンプ１４は設定された期間の１／１０の間（例えば、前記第１期間が設定された期間の１／１０になってもよい）は燃料を供給し、設定された期間の９／１０の間（例えば、前記第２期間が設定された期間の９／１０になってもよい）は燃料の供給を中断すると所望の精密度（例えば、所望の量の燃料供給）を得ることができる。混合器１６に流入した燃料は水と十分に混合されて燃料電池スタックに流入されるため、均一な（または安定した）濃度を確保することができる。
【００５１】
このように出力電圧が目標電圧（Ｖｓｏ）で固定され、燃料の濃度に応じて出力電流が変化すると燃料電池スタック３０の損傷を最小化または減少させることができる。反対に、コンバータを用いて強制的に目標電流（Ｉｓｏ）を出力する場合、強制的に反応を起こして燃料電池スタック３０が損傷するという問題が発生することがある。
【００５２】
燃料の濃度は燃料タンク１２から出る燃料の量に応じて決定されるため、第１燃料ポンプ１４の作動が電流量に応じて前記制御器４０で制御されるため、第１燃料ポンプ１４の制御は比例（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ、Ｐ）制御、比例積分（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−ｉｎｔｅｇｒａｌ、ＰＩ）制御、比例積分微分（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−ｉｎｔｅｇｒａｌ−ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ、ＰＩＤ）制御など、一般に適用される多様な方法で制御されてもよい。Ｐ、ＰＩ、ＰＩＤ制御などは広く知られているので、これに対する詳しい説明は省略する。
【００５３】
本実施例によれば、前記制御器４０は出力電流に応じて燃料の供給量を制御して濃度センサーなしにも出力電流を目標電流（Ｉｓｏ）で維持するので、より容易に燃料を供給することができる。また、混合器１６で高濃度燃料と水が混合されて燃料電池スタック３０に供給されるので、低精密ポンプを使用することができる。制御器４０（例えば、ＰＩＤ制御器など）として低精密ポンプを使用して燃料タンク１２から混合器１６に一定量の燃料を周期的に供給すると、安定した濃度の燃料を持続的に（または安定的に）供給する効果を得ることができる。
【００５４】
一方、運転開始時には燃料電池スタック３０の温度が低いので発電が活発に行われない。この時、燃料の濃度を調節して目標電流を出力するためには、燃料電池スタック３０に高濃度の燃料を供給することが考えられるが、これにより燃料電池スタック３０が損傷するという問題が発生する。しかしながら、本実施例によれば、燃料タンク１２から燃料供給なしに運転を開始し、燃料電池スタック３０内部の燃料濃度を最小化させた状態で燃料を供給するので、目標電流を出力するように燃料（例えば、より低い濃度の燃料）が供給され、高濃度の燃料は供給されない。また、燃料電池スタック３０内部の残留燃料を用いて運転が開始され、燃料電池スタック３０の温度が上昇した状態で燃料が供給されるため、円滑に目標電流を出力することができる。
【００５５】
図４は、本発明の第２実施例による燃料電池システムを概略的に示した構成図である。図５は、本発明の第２実施例による燃料電池システムの駆動方法を説明するためのフローチャートである。
【００５６】
図４および図５を参照して説明すれば、本実施例による燃料電池システム１０２は、燃料電池スタック３０に設置された温度センサー３８をさらに含む。温度センサー３８を除いては前記第１実施例による燃料電池システムと同一の構成からなるので、同一の構成についての重複説明は省略する。
【００５７】
本実施例による燃料電池システム１０２の駆動方法は、第１目標電圧下での電流追従燃料供給段階（Ｓ２０１）と燃料電池スタック温度測定段階（Ｓ２０２）と電圧減少段階（Ｓ２０３）、および第２目標電圧下での電流追従燃料供給段階（Ｓ２０４）を含む。
【００５８】
第１目標電圧下での電流追従燃料供給段階（Ｓ２０１）は、目標電流（Ｉｓｏ）を出力することができるように燃料電池スタック３０に燃料の濃度を調節して供給する。この時、出力電圧は第１目標電圧（Ｖｓｏ１）で維持される定電圧（ＣＶ）運転が行われる。
【００５９】
一方、燃料電池スタック温度測定段階（Ｓ２０２）では、燃料電池スタック３０の温度を測定して燃料電池スタック３０の温度が限界温度（Ｔｓｌ）よりも高いか判断する。燃料電池システム１０２を長時間駆動する時、燃料電池スタック３０の性能が低下するため、第１目標電圧（Ｖｓｏ１）条件で目標電流を出力することができなくなる。この場合、目標電流（Ｉｓｏ）を出力するために高濃度の燃料（または付加的な燃料）が燃料電池スタック３０に供給されるという問題が発生する。高濃度の燃料が供給されると燃料電池スタック３０で過度な熱が発生するばかりか、燃料電池スタック３０が損傷する。本実施例では燃料電池スタック３０を冷却するために一側に冷却ファン３６が設置され、冷却ファン３６は一定の速度で回転するように設定される。これによって、燃料電池スタック温度測定段階（Ｓ２０２）では、温度センサー３８を用いて燃料電池スタック３０の温度が限界温度（Ｔｓｌ）よりも高いか判断することができる。
【００６０】
ここで限界温度（Ｔｓｌ）は、基準運転温度よりも２〜１０％高い温度で設定される。基準運転温度は燃料電池システムの種類に応じて相異するため、限界温度（Ｔｓｌ）は基準運転温度に応じて適宜に設定されてもよい。基準運転温度が６２℃である直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）を例に挙げれば、限界温度（Ｔｓｌ）は６３．４℃〜６８．２℃の範囲内の温度で設定されてもよい。
【００６１】
電圧減少段階（Ｓ２０３）は、燃料電池スタック３０の温度が限界温度（Ｔｓｌ）よりも高い場合には第１目標電圧（Ｖｓｏ１）から第２目標電圧（Ｖｓｏ２）に目標電圧を減少させる。燃料電池スタック３０の性能低下に応じて目標電圧を減少させると目標電流を出力しても燃料の濃度が過度に高まらない。
【００６２】
第２目標電圧（Ｖｓｏ２）下での電流追従燃料供給段階（Ｓ２０４）では、第２目標電圧（Ｖｓｏ２）で電圧を固定したまま、目標電流（Ｉｓｏ）が出力されるように前記燃料ポンプ１４を制御する。
【００６３】
このように本実施例によれば、長時間運転中、燃料電池スタック３０の性能が低下した場合にも、濃度センサーなしで、抵抗体とポンプを用いて圧力の変化に関係なく容易に、燃料の濃度が過度に高まることを防止しながら安定的に精密な流量の燃料を供給することができる。
【００６４】
図６は、本発明の第１実施例と第２実施例による燃料電池システムの駆動方法に従うスタックの電圧（Ｖ_ｓｔａｃｋ）、電流（Ｉ_ｓｔａｃｋ）、電力量（Ｐ_ｓｔａｃｋ）、燃料濃度（ＭｅＯＨ）を示したグラフであり、図７は、本発明の第１実施例と第２実施例による燃料電池システムの駆動方法に従うスタックの電流（Ｉ_ｓｔａｃｋ）と燃料濃度（ＭｅＯＨ）を示したグラフであり、図８は、本発明の第１実施例と第２実施例による燃料電池システムの駆動方法に従うスタック温度（Ｔ_ｓｔａｃｋ）とアノード温度（Ｔ_ａｎｏｄｅ）、および外部温度（Ｔ_ｅｘｔｅｒｎａｌ）を示したグラフである。
【００６５】
図６〜図８を参照して説明すれば、前記グラフに適用された燃料電池は３０Ｗの定格出力を有し、正格電圧が２０Ｖであり、正格電流が１．５Ａである燃料電池である。
【００６６】
まず、図７に示されているように、始動時には第１実施例のように運転して濃度の変化が０．６３Ｍ〜０．９Ｍと安定的に示された。また、始動以降、２４０分〜４３０分の間には燃料濃度の変化が０．６８Ｍ〜０．７２Ｍと極めて安定的であることが確認された。
【００６７】
図６〜図８に示されているように、運転開始後、２００分に近接する時点には燃料の濃度が増加し、燃料電池スタックの温度が約６５℃まで上昇することが確認された。２００分に燃料電池スタック３０の目標電圧を２２Ｖから２１Ｖに低めた時、燃料の濃度がしばらく減少した後、２３０分以降は燃料の濃度が安定的に維持された。また、この時、燃料電池スタック３０の温度および電圧、電流、出力がすべて安定的に維持された。
【００６８】
図９は、本発明の第１実施例と第２実施例による燃料電池システムの駆動方法で運転を再開始する時、スタックの電力（Ｐ_ｓｔａｃｋ）、電圧（Ｖ_ｓｔａｃｋ）、電流（Ｉ_ｓｔａｃｋ）、燃料濃度（ＭｅＯＨ）を示したグラフであり、図１０は、本発明の第１実施例と第２実施例による燃料電池システムの駆動方法で運転を再開始する時、スタックの電流（Ｉ_ｓｔａｃｋ）と燃料濃度（ＭｅＯＨ）を示したグラフである。
【００６９】
図８と図１０は、燃料電池システムの目標電圧を低めた状態で運転を再開始する時の状態を示す。図８と図９に示されているように、始動３０分後には供給される燃料の濃度が安定した状態となり、電流および電力も安定的に出力されることを確認することができる。
【００７０】
このように第１実施例と第２実施例によれば、始動時と運転中に濃度センサーなしにも目標電流に追従して安定した濃度の燃料を供給することができる。
【００７１】
図１１は、本発明の第３実施例による燃料電池システムを概略的に示した構成図であり、図１２は、本発明の第３実施例による燃料電池システムの駆動方法を説明するためのフローチャートである。
【００７２】
図１１および図１２を参照して説明すれば、本実施例による燃料電池システム１０３は、冷却ファン３６の駆動電圧を測定する電力センサー３７をさらに含む。電力センサー３７を除いては前記第１実施例による燃料電池システムと同一の構成からなるので、同一の構成についての重複説明は省略する。
【００７３】
本実施例による燃料電池システム１０３の駆動方法は、第１目標電圧（Ｖｓｏ１）下での電流に追従して燃料を供給する段階（Ｓ３０１）、冷却ファン３６駆動電力（Ｐｆ）測定段階（Ｓ３０２）、電圧減少段階（Ｓ３０３）、および第２目標電圧（Ｖｓｏ２）下で電流に追従して燃料を供給する段階（Ｓ３０４）を含む。
【００７４】
第１目標電圧（Ｖｓｏ１）下での電流追従燃料供給段階（Ｓ３０１）は、目標電流（Ｉｓｏ）を出力することができるように燃料電池スタックに燃料の濃度を調節して供給する。この時、電圧は第１目標電圧（Ｖｓｏ１）で一定に維持される。
【００７５】
一方、冷却ファン３６駆動電力（Ｐｆ）測定段階（Ｓ３０２）では、電力センサー３７で冷却ファン３６の駆動電力（Ｐｆ）を測定して冷却ファン３６の駆動電力（Ｐｆ）が限界駆動電力（Ｐｆｌ）よりも高いか判断する。
【００７６】
燃料電池システム１０２を長時間駆動する時、燃料電池スタック３０の性能が低下するため、第１目標電圧（Ｖｓｏ１）条件で目標電流を出力することができなくなる。この場合、目標電流（Ｉｓｏ）を出力するために高濃度の燃料が燃料電池スタック３０に供給されるという問題が発生する。高濃度の燃料が供給されると燃料電池スタック３０で過度な熱が発生するばかりか、燃料電池スタック３０が損傷する。
【００７７】
本実施例では燃料電池スタック３０が一定の温度を維持することができるように燃料電池スタック３０内部の温度が上昇すると冷却ファン３６の回転速度が増加するように設定される。これによって、燃料電池スタック３０で過度な熱が発生すると冷却ファン３６の駆動電力（Ｐｆ）が増加して冷却ファン３６の回転速度が上昇し、冷却ファン３６の駆動電力（Ｐｆ）が限界駆動電力（Ｐｆｌ）よりも高いか判断することができる。
【００７８】
ここで限界駆動電力（Ｐｆｌ）は、基準駆動電力よりも５％〜２０％高い電力で設定される。基準駆動電力は燃料電池システムの大きさに応じて相異するため、限界駆動電力（Ｐｆｌ）は基準駆動電圧に応じて多様に設定されてもよい。基準駆動電力が最大使用電力の７０％である場合、限界駆動電力（Ｐｆｌ）は最大使用電力の７３．５％〜８４％となる。
【００７９】
電圧減少段階（Ｓ３０３）は、冷却ファン３６の駆動電力（Ｐｆ）が限界駆動電力（Ｐｆｌ）よりも高い場合には第１目標電圧（Ｖｓｏ１）から第２目標電圧（Ｖｓｏ２）に目標電圧を減少させる。燃料電池スタック３０の性能低下に応じて目標電圧を減少させると目標電流を出力しても燃料の濃度が過度に高まらない。
【００８０】
第２目標電圧（Ｖｓｏ２）下での電流追従燃料供給段階（Ｓ３０４）では、第２目標電圧（Ｖｓｏ２）で電圧を固定したまま、目標電流（Ｉｓｏ）が出力されるように燃料ポンプを制御する。
【００８１】
このように本実施例によれば、長時間運転中に燃料電池スタック３０の性能が低下した場合にも濃度センサーなしで容易に、燃料の濃度が過度に高まることを防止しながら安定的に燃料を供給することができる。
【００８２】
以上で本発明の好適な実施例について説明したが、本発明はこれに限定されるのではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明および添付図面の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これも本発明の範囲に属するのは当然である。
【符号の説明】
【００８３】
１０１、１０２、１０３    燃料電池システム
１２    燃料タンク
１４    第１燃料ポンプ
１６    混合器
１８    第２燃料ポンプ
２１    酸化剤ポンプ
３０    燃料電池スタック
３６    冷却ファン
３１    膜−電極集合体
３２、３３    セパレータ
３５    電気生成部
３６    冷却ファン
３７    電力センサー
３８    温度センサー
４０    制御部
５０    周辺機器
５１    コンバータ
５２    電圧センサー
５３    電流センサー
６２    負荷
【図１】
2011216483.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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