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희석 연료 저장소로부터 취출되는 희석 연료와 연료 카트리지로부터 취출되는 고농도 연료를 혼합한 후 연료전지 스택에 공급하여 연료 카트리지로부터 취출되는 연료량에 해당하는 만큼 전기 에너지를 생산하고 반응 부산물인 물과 미 반응 연료를 상기 희석 연료 저장소로 회귀시키는 연료전지 시스템에서 고농도 연료의 공급량을 제어하는 장치에 있어서,
상기 희석 연료와 상기 고농도 연료를 혼합하는 혼합기; 상기 연료전지 스택의 연료극 출구에서 미 반응 연료의 농도(CAO)를 센싱하는 연료 농도 센서; 상기 연료전지 스택으로부터 생산되는 전류의 밀도(I)를 센싱하는 전류 게이지 센서; 상기 연료 카트리지로부터 고농도 연료를 취출하여 상기 혼합기로 공급하는 연료 도싱 펌프; 및 상기 연료 도싱 펌프의 연료 공급 유량(QDS)을 조절하는 유량 컨트롤러; 상기 연료 농도 센서와 상기 전류 게이지 센서로부터 미 반응 연료의 농도와 전류 밀도에 대한 데이터를 입력받고, CSTR(Complete Mixing After Reaction) 가정과 수소의 완전 산화 가정을 도입하여 유도된 무차원 크로스오버 모델 방정식(상기 미반응 에탄올 농도와 상기 전류 밀도를 변수로 하는 함수임)에 상기 미 반응 연료의 농도와 상기 전류 밀도를 대입하여 연료의 크로스오버를 계산한 후 전류 밀도에 상응하는 연료 소모량과 크로스오버에 상응하는 연료 소모량의 합에 대응되게 상기 유량 컨트롤러를 제어하여 상기 연료 공급 유량를 조정하는 마이크로컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급량 제어 장치
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제1항에 있어서,
상기 연료의 크로스오버 Ixover는 에 의해 계산되고,
상기 와 는 연료가 "기체확산층(-)/막-전극 접합체/기체확산층(+)"을 통해 확산하여 크로스오버되고 연료전지 단위 셀에 CSTR 가정을 적용하고 공기극에 완전 산화 가정을 적용하여 유도되는 계수로서 연료가 확산되는 경로상에 배치된 각 물질막의 두께와 각 물질막을 기준으로 산출한 연료의 확산 계수로 표현되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급량 제어 장치
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제2항에 있어서,
상기 와 는,
각각 및 이고,
δAD, δAC, δME는 각각 연료가 확산되는 경로 상에 배치된 기체확산층, 촉매층 및 멤브레인층의 두께이고, DAD, DAC, DME는 각각 연료가 확산되는 경로 상에 배치된 기체확산층, 촉매층 및 멤브레인층에서의 연료 확산 계수이고,
는 연료의 반응속도와 크로스오버에 의한 연료의 전달 속도 비인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급량 제어 장치
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제3항에 있어서,
상기 는 패러데이 상수 F를 포함하여 로 정의되고,
Ic, Lc, Cc 및 Dc는 각각 크로스오버 모델 방정식을 무차원하기 위한 전류 밀도, 길이, 농도 및 확산계수의 특성값인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급량 제어 장치
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제2항에 있어서,
상기 고농도 연료의 공급 유량 QDS는 하기 수학식에 의해 계산되고,
상기 수학식에서 Das는 (여기서, 분자는 연료전지 스택의 총반응면적, 분모의 F는 패러데이 상수)이고, CCT는 고농도 연료의 농도인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템에서 연료공급량 제어 장치
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희석 연료 저장소로부터 취출되는 희석 연료와 연료 카트리지로부터 취출되는 고농도 연료를 혼합한 후 연료전지 스택에 공급하여 연료 카트리지로부터 취출되는 연료량에 해당하는 만큼 전기 에너지를 생산하고 반응 부산물인 물과 미 반응 연료를 상기 희석 연료 저장소로 회귀시키는 연료전지 시스템에서 고농도 연료의 공급량을 제어하는 방법에 있어서,
(a) 상기 연료전지 스택의 연료극 출구에서 미 반응 연료의 농도(CAO)를 센싱하는 단계;
(b) 상기 연료전지 스택으로부터 생산되는 전류 밀도(I)를 센싱하는 단계; 및
(c) 연료전지의 단위 셀에 CSTR(Complete Mixing After Reaction) 가정을 도입하고 공기극에 완전 산화 가정을 도입하여 유도된 무차원 크로스오버 모델 방정식(상기 미반응 연료의 농도와 상기 전류 밀도의 함수임)에 상기 센싱된 미 반응 연료의 농도와 상기 전류 밀도를 대입하여 연료의 크로스오버를 계산한 후 전류 밀도에 상응하는 연료 소모량과 크로스오버에 상응하는 연료 소모량의 합에 대응하게 상기 고농도 연료의 연료 공급 유량을 조정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급량 제어 방법
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제6항에 있어서,
상기 (a) 단계 내지 (c) 단계는 주기적으로 반복되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급량 제어 방법
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제6항에 있어서,
상기 연료의 크로스오버 Ixover는 에 의해 계산되고,
상기 와 는 연료가 "기체확산층(-)/막-전극 접합체/기체확산층(+)"을 통해 확산하여 크로스오버되고 연료전지 단위 셀에 CSTR 가정을 도입하고 공기극에완전 산화 가정을 도입하여 유도되는 계수로서 연료가 확산되는 경로상에 배치된 각 물질막의 두께와 각 물질막을 기준으로 산출한 연료의 확산 계수로 표현되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급량 제어 방법
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제8항에 있어서,
상기 와 는,
각각 및 이고,
δAD, δAC, δME는 각각 연료가 확산되는 경로 상에 배치된 기체확산층, 촉매층 및 멤브레인층의 두께이고, DAD, DAC, DME는 각각 연료가 확산되는 경로 상에 배치된 기체확산층, 촉매층 및 멤브레인층에서의 연료 확산 계수이고,
는 연료의 반응속도와 크로스오버에 의한 연료의 전달 속도 비인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급량 제어 방법
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제9항에 있어서,
상기 는 패러데이 상수 F를 포함하여 로 정의되고,
Ic, Lc, Cc 및 Dc는 각각 크로스오버 모델 방정식을 무차원하기 위한 전류 밀도, 길이, 농도 및 확산계수의 특성값인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급량 제어 방법
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제8항에 있어서,
상기 고농도 연료의 공급 유량 QDS는 하기 수학식에 의해 계산되고,
상기 수학식에서 Das는 (여기서, 분자는 연료전지 스택의 총반응면적, 분모의 F는 패러데이 상수)이고, CCT는 고농도 연료의 농도인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템에서 연료공급량 제어 방법
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