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농도 센서를 사용하지 않는 온도 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료 농도 및 온도 동시 제어 방법 및 제어 장치, 이를 이용한 액체형 연료전지 장치

  • 기술번호 : KST2015122600
  • 담당센터 : 서울동부기술혁신센터
  • 전화번호 : 02-2155-3662
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요약, Int. CL, CPC, 출원번호/일자, 출원인, 등록번호/일자, 공개번호/일자, 공고번호/일자, 국제출원번호/일자, 국제공개번호/일자, 우선권정보, 법적상태, 심사진행상태, 심판사항, 구분, 원출원번호/일자, 관련 출원번호, 기술이전 희망, 심사청구여부/일자, 심사청구항수의 정보를 제공하는 이전대상기술 뷰 페이지 상세정보 > 서지정보 표입니다.
요약 연료전지 스택의 온도를 목표치에 맞게 유지할 수 있도록 연료의 농도와 열교환기의 열 제거 속도를 동시에 조절하여 연료의 농도를 목표치대로 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 외부 온도변화나 연료전지 성능변화에 대해서도 적절히 대응하므로써, 연료전지 운전의 안정성과 시스템의 효율을 동시에 높이면서도 기존의 무센서 농도 제어기보다 빠르고 정확하게 액체연료의 농도를 제어할 수 있다.
Int. CL H01M 8/04 (2016.01)
CPC H01M 8/04701(2013.01) H01M 8/04701(2013.01)
출원번호/일자 1020130146674 (2013.11.28)
출원인 한국과학기술연구원
등록번호/일자 10-1635728-0000 (2016.06.28)
공개번호/일자 10-2014-0072805 (2014.06.13) 문서열기
공고번호/일자 (20160721) 문서열기
국제출원번호/일자
국제공개번호/일자
우선권정보 대한민국  |   1020120138495   |   2012.11.30
법적상태 등록
심사진행상태 수리
심판사항
구분 신규
원출원번호/일자
관련 출원번호
심사청구여부/일자 Y (2013.11.28)
심사청구항수 19

출원인

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번호 이름 국적 주소
1 한국과학기술연구원 대한민국 서울특별시 성북구

발명자

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번호 이름 국적 주소
1 안명기 대한민국 경기 시흥시 중심상가로 ***
2 김운조 대한민국 충청북도 음성군
3 하흥용 대한민국 서울 노원구

대리인

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번호 이름 국적 주소
1 김 순 영 대한민국 서울특별시 종로구 종로*길 **, **층 케이씨엘특허법률사무소 (수송동, 석탄회관빌딩)
2 김영철 대한민국 서울특별시 종로구 종로*길 **, **층 케이씨엘특허법률사무소 (수송동, 석탄회관빌딩)

최종권리자

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번호 이름 국적 주소
1 한국과학기술연구원 대한민국 서울특별시 성북구
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번호 서류명 접수/발송일자 처리상태 접수/발송번호
1 [특허출원]특허출원서
[Patent Application] Patent Application		 2013.11.28 수리 (Accepted) 1-1-2013-1091008-41
2 출원인정보변경(경정)신고서
Notification of change of applicant's information		 2014.02.19 수리 (Accepted) 4-1-2014-5022002-69
3 의견제출통지서
Notification of reason for refusal		 2015.05.26 발송처리완료 (Completion of Transmission) 9-5-2015-0349291-66
4 [거절이유 등 통지에 따른 의견]의견(답변, 소명)서
[Opinion according to the Notification of Reasons for Refusal] Written Opinion(Written Reply, Written Substantiation)		 2015.07.24 수리 (Accepted) 1-1-2015-0720972-52
5 [명세서등 보정]보정서
[Amendment to Description, etc.] Amendment		 2015.07.24 보정승인간주 (Regarded as an acceptance of amendment) 1-1-2015-0720971-17
6 의견제출통지서
Notification of reason for refusal		 2015.11.30 발송처리완료 (Completion of Transmission) 9-5-2015-0832926-57
7 [명세서등 보정]보정서
[Amendment to Description, etc.] Amendment		 2015.12.28 보정승인간주 (Regarded as an acceptance of amendment) 1-1-2015-1277701-50
8 [거절이유 등 통지에 따른 의견]의견(답변, 소명)서
[Opinion according to the Notification of Reasons for Refusal] Written Opinion(Written Reply, Written Substantiation)		 2015.12.28 수리 (Accepted) 1-1-2015-1277653-56
9 등록결정서
Decision to grant		 2016.03.31 발송처리완료 (Completion of Transmission) 9-5-2016-0240754-61
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번호 청구항
1 1
액체형 연료전지의 운전 조건에 따른 연료 소비량 또는 연료 소비속도를 측정하여 데이터베이스를 얻고, 상기 데이터베이스를 바탕으로 운전 조건에 따른 연료 소비식을 작성하는 단계(S1);상기 S1 단계에서 결정된 연료 소비식에 근거하여 주어진 운전조건에서 연료 소비량 또는 소비속도를 결정하고, 결정된 연료 소비량 또는 소비속도에 해당하는 연료원액 공급 유량 또는 유속을 결정하는 단계(S2); 연료전지 스택의 목표 온도(Tf)를 설정하고, 목표 조건 제어모드 또는 현재 조건 제어모드 중의 하나를 선택하고, 이에 따라 결정되는 연료원액 공급 유량 또는 유속으로 연료원액을 연료혼합기에 공급하고, 상기 연료혼합기에서 만들어진 희석연료를 연료전지 스택에 공급하므로써 연료전지 운전을 시작하는 단계(S3);연료전지 스택의 온도(T)가 목표 온도(Tf) 전 소정의 중간 온도(Ti)에 도달하면, 목표 조건 제어모드로 운전 조건 모드를 고정하고 이에 따라 연료원액을 공급하여 연료전지를 운전하고, 연료전지 스택의 온도(T)와 목표 온도(Tf)를 비교하여 열교환기의 열 제거 정도를 피드백 제어하여 연료전지 스택의 온도(T)가 목표 온도(Tf)로부터 설정된 오차 범위 내에서 유지되는 정상 상태가 되도록 하는 단계(S4); 및열교환기가 최대 또는 최소로 가동되는 상태에서도 연료전지 스택의 온도(T)가 목표 온도(Tf)와 대비하여 설정된 오차 범위 밖으로 벗어나는 비정상 상태가 되면, 목표 조건 제어모드에 따라 고정되었던 상기 연료원액 공급 유량 또는 유속을 연료전지 스택의 온도(T)와 목표 온도(Tf)를 비교하여 피드백 제어함으로써 증가 또는 감소시켜, 연료전지 스택의 온도(T)를 목표 온도(Tf)로부터 설정된 오차범위 내의 정상 상태로 다시 들어가도록 제어하는 단계(S5);를 포함하는 것을 특징으로 하는, 농도 센서를 사용하지 않는 온도 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의한 액체형 연료전지의 연료 농도 및 스택 온도 동시 제어방법
2 2
제 1 항에 있어서,상기 S1 단계에서, 연료 소비속도는 상기 연료전지에서 전류 발생 시 필요한 연료 소비속도 및 연료전지 운전 시 연료의 불가피한 손실 속도의 합으로 결정되는 액체형 연료전지의 연료농도 및 스택 온도 동시 제어방법
3 3
제 2 항에 있어서, 상기 전류 발생 시 필요한 연료 소비속도는 연료전지 구동에 따른 전류 측정값과 패러데이 상수를 이용하여 결정하는 액체형 연료전지의 연료농도 및 스택 온도 동시 제어방법
4 4
제 2 항에 있어서,상기 연료전지 운전 시 연료의 불가피한 손실속도는 연료전지의 애노드에서 전해질막을 거쳐 캐소드로 연료가 투과하는 연료의 크로스오버 및 연료가 통과하는 기액 분리기 또는 연료혼합기에서의 증발에 의한 연료 손실의 합으로 결정하는 액체형 연료전지의 연료농도 및 스택 온도 동시 제어방법
5 5
제 1 항에 있어서, 상기 S3 단계에서, 연료전지 스택의 온도(T)가 중간 온도(Ti) 보다 작으면, 열교환기의 출력량을 0으로 설정하고, 상기 S4 단계에서, 연료전지 스택의 온도(T)가 중간 온도(Ti) 보다 같거나 커지면 열교환기의 열교환을 수행하는 액체형 연료전지의 연료농도 및 스택 온도 동시 제어방법
6 6
제 1 항에 있어서, 상기 S4 단계에서 중간온도(Ti)는 목표 온도(Tf)보다 5 내지 30℃ 낮은 액체형 연료전지의 연료농도 및 스택 온도 동시 제어방법
7 7
제 1 항에 있어서, 상기 방법은 연료전지 구동 시, 연료전지 스택의 출력 전압 및 연료전지 스택의 온도 중 하나 이상을 기준으로 연료전지의 운전의 중지 여부를 결정하는 단계를 더 포함하되, 출력 전압(V)이 최소 출력 전압(Vmin) 보다 작아지거나, 연료전지 스택의 온도가 상한 온도를 초과하면 연료전지 운전을 중지하는 액체형 연료전지의 연료농도 및 스택 온도 동시 제어방법
8 8
제 7 항에 있어서, 상기 방법은 연료전지 초기 구동 시, 연료전지의 출력 전압이 0
9 9
제 1 항에 있어서, 상기 S4 단계 및 S5 단계에서 상기 피드백 제어는 각각 독립적으로 P, PI, 또는 PID 방식 중의 어느 하나를 단독으로 또는 교대로 사용하는 액체형 연료전지의 연료농도 및 스택 온도 동시 제어방법
10 10
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 연료전지 초기 구동 시, 출력 전류의 조절을 연료 농도의 제어와 별개로 실시하거나 동시에 실시하고, 출력 전류의 조절 시, 출력전류밀도를 단계적으로 증가시키되, 출력전류밀도(I)가 최종 출력전류밀도(Ist)보다 낮은 구간에서는 출력전류밀도의 단계적 증가분(△I)을 10 내지 100 mA/cm2로 하여 경과 시간(t)이 일정 대기 시간(th)에 도달하면 상기 단계적 증가분(△I)만큼 증가시키되, 각 증가 단계에서 전류를 일정하게 유지한 상태에서 전압의 변화율(dV/dt)이 제1전압변화율(P1)에 도달하면 해당 전압 변화율(dV/dt)이 제2전압변화율(P2)에 도달하기 전까지 대기하고, 제2전압변화율(P2)에 도달하면 상기 대기 시간(th)에 도달하지 않은 시점에서도 상기 단계적 증가분(△I)만큼 전류를 증가시켜 다음 단계로 넘어가도록 하며,이 과정을 반복하여 목표한 최종 출력 전류값에 도달하도록 출력전류를 제어하는 액체형 연료전지의 연료농도 및 스택 온도 동시 제어방법
11 11
농도 센서를 사용하지 않는 온도 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의해 액체형 연료전지의 연료 농도 및 온도를 동시에 제어하는 장치로서, 상기 장치는 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는, 운전 조건에 따라 결정된 액체형 연료전지의 연료 소비량 또는 소비 속도 데이터 베이스로부터 주어진 운전조건에서 연료 소비량 또는 소비속도를 결정하고, 해당 연료 소비량 또는 소비속도에 해당하는 연료원액 공급 유량 또는 유속을 결정하는 단계; 목표 조건 제어모드 또는 현재 조건 제어모드 중의 하나를 선택하고 이에 따라 결정되는 유량 또는 유속으로 연료원액을 공급하여 연료전지의 운전을 시작하도록 하는 단계; 연료전지 스택의 온도가 목표 온도(Tf) 전 소정의 중간 온도(Ti)에 도달하면, 목표 조건 제어모드로 운전 조건 모드를 고정하여 연료원액을 공급하도록 제어하고, 연료전지 스택의 현재 온도(T)와 목표 온도(Tf)를 비교하여 열교환기의 열 제거 정도를 피드백 제어하여 연료전지 스택의 온도(T)가 목표 온도(Tf)로부터 설정된 오차 범위 내에서 유지되는 정상상태가 되도록 제어 하는 단계; 및열교환기가 최대 또는 최소로 가동되는 상태에서도 연료전지 스택의 온도(T)가 목표 온도(Tf)와 대비하여 설정된 오차 범위 밖으로 벗어나는 비정상 상태가 되면, 목표 조건 제어모드에 따라 고정되었던 상기 연료원액 공급 유량 또는 유속을 연료전지 스택의 온도(T)와 목표 온도(Tf)를 비교하여 피드백 제어함으로써 증가 또는 감소시켜, 연료전지 스택의 온도(T)를 목표 온도(Tf)로부터 설정된 오차범위 내의 정상 상태로 다시 들어가도록 제어하는 단계;를 포함하는 과정을 수행하도록 프로그램된 것을 특징으로 하는, 농도 센서를 사용하지 않는 온도 제어 기반의 피드백 제어 방식에 의해 액체형 연료전지의 연료 농도 및 온도를 동시에 제어하는 장치
12 12
제 11 항에 있어서,상기 프로세서는, 운전 조건에 따라 결정되는 액체형 연료전지의 연료 소비량 또는 소비 속도가 데이터 베이스화되어 있는 데이터 저장부; 상기 저장부로부터 연료 소비 속도에 관한 데이터베이스를 호출하고, 상기 호출된 데이터베이스를 기반으로 연료 소비량 또는 소비 속도를 계산하여 이에 따라 결정되는 연료원액 공급량 또는 공급 속도에 관한 신호를 연료원액 공급 수단으로 송출하는 제 1 처리부; 및 연료전지 스택의 온도 측정 장치로부터 연료전지 스택 온도(T)에 관한 정보를 수신하고, 연료전지 스택의 온도(T)를 목표 온도(Tf) 값과 비교하여 오차 값을 계산하고, 상기 오차 값에 기초하여 P, PI 또는 PID의 방식으로 제어 출력량을 계산하고, 해당 제어 출력량을 연료원액 공급 수단 및 열교환기 열 제거 정도 제어 수단 중 선택되는 하나 이상으로 송출하는 제 2 처리부를 포함하는 액체형 연료전지의 연료 농도 및 온도를 동시에 제어하는 장치
13 13
제 12 항에 있어서,상기 제 2 처리부는, 연료전지 스택의 온도 측정 장치로부터 연료전지 스택의 온도(T)에 관한 정보를 수신하고, 연료전지 스택의 온도(T)를 목표 온도(Tf) 값과 비교하여 오차 값을 계산하고, 상기 오차 값에 기초하여 P, PI 또는 PID의 방식으로 제어 출력량을 계산하고, 해당 제어 출력량을 연료원액 공급 수단으로 송출하는 제 2-1 처리부; 및 연료전지 스택의 온도 측정 장치로부터 연료전지 스택의 온도(T)에 관한 정보를 수신하고, 연료전지 스택의 온도(T)를 목표 온도(Tf) 값과 비교하여 오차 값을 계산하고, 상기 오차 값에 기초하여 P, PI 또는 PID의 방식으로 제어 출력량을 계산하고, 해당 제어 출력량을 열 교환기의 열 제거 정도 제어 수단으로 송출하는 제 2-2 처리부를 포함하는 액체형 연료전지의 연료 농도 및 온도를 동시에 제어하는 장치
14 14
제 11 항에 있어서,상기 프로세서는, 연료전지 구동 시, 연료전지 스택의 출력 전압 및 연료전지 스택의 온도 중 하나 이상을 기준으로 연료전지의 운전의 중지 여부를 결정하는 단계를 더 수행하고, 출력 전압(V)이 최소 출력 전압(Vmin) 보다 작아지거나, 연료전지 스택의 온도가 상한 온도를 초과하면 연료전지 운전을 중지하는 액체형 연료전지의 연료 농도 및 온도를 동시에 제어하는 장치
15 15
제 11 항에 있어서,상기 프로세서는, 연료전지 초기 구동 시 출력 전류를 추가적으로 제어하는 것으로서, 연료전지의 초기 구동 시 출력전류밀도를 단계적으로 증가시키되, 출력전류밀도(I)가 최종 출력전류밀도(Ist)보다 낮은 구간에서는 출력 전류밀도의 단계적 증가분(△I)을 10 내지 100 mA/cm2로 하여 경과 시간(t)이 일정 대기 시간(th)에 도달하면 상기 단계적 증가분(△I)만큼 증가시키고, 각 증가 단계에서 전류를 일정하게 유지한 상태에서 전압의 변화율(dV/dt)이 제1전압변화율(P1)에 도달하면 해당 전압 변화율(dV/dt)이 제2전압변화율(P2)에 도달하기 전까지 대기하고, 제2전압변화율(P2)에 도달하면 상기 대기 시간(th)에 도달하지 않은 시점에서도 상기 단계적 증가분(△I)만큼 전류를 증가시켜 다음 단계로 넘어가며, 상기 과정을 반복하여 목표한 최종 출력 전류값에 도달하도록 출력전류를 제어하는 액체형 연료전지의 연료 농도 및 온도를 동시에 제어하는 장치
16 16
제 12 항에 있어서,상기 데이터 저장부는 액체형 연료전지의 출력 전류, 출력 전압, 연료전지 스택의 온도 및 압력 중에서 선택되는 하나 이상을 측정하는 측정 장치에 연결되어, 해당 측정 장치로부터 측정값에 대한 정보를 수신하고 이에 따라 연료 소비량 또는 소비 속도를 데이터 베이스화하는 액체형 연료전지의 연료 농도 및 온도를 동시에 제어하는 장치
17 17
액체형 연료전지 장치에 있어서,연료전지 스택;상기 연료전지 스택에 연결된 열교환부; 상기 연료전지 스택에 희석 연료를 제공하는 연료 공급부; 상기 연료 전지 스택의 온도 측정 장치; 상기 연료 전지 스택의 출력 전압 및 전류 중 하나 이상을 측정하는 출력 측정 장치; 제 11 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 제어 장치를 포함하고,상기 열교환부는 연료전지 스택에 연결된 열교환기 및 상기 열교환기의 열 제거 정도를 제어하는 열 제거 정도 제어 수단을 포함하고,상기 연료 공급부는 연료전지 스택에 희석 연료를 제공하는 연료혼합기; 및 상기 연료혼합기에 연료원액을 공급하는 연료원액 공급 수단을 포함하며,상기 제어 장치는 상기 온도 측정 장치, 상기 열 제거 정도 제어 수단, 상기 연료원액 공급 수단 및 상기 출력 측정 장치에 연결되는 액체형 연료전지 장치
18 18
제 17 항에 있어서,상기 연료 공급부는, 연료혼합기; 상기 연료혼합기에 연결된 연료원액통; 상기 연료원액통으로부터 상기 연료혼합기에 연료원액을 제공하는 연료원액 공급 수단인 펌프;를 포함하고, 상기 펌프에 상기 제어 장치가 연결되고, 상기 열교환부는, 연료전지 스택의 애노드 출구에 연결되어 미반응 혼합 용액을 공급받고 열교환 후 온도가 낮아진 혼합용액을 연료혼합기로 공급하는 애노드 열 교환기; 연료전지 스택의 캐소드 출구에 연결되어 가습된 혼합 가스를 공급받고 열교환 후 응축된 물을 물 저장고로 공급하는 캐소드 열 교환기; 상기 열 교환기에 연결되는 열 제거 정도 제어 수단인 송풍기를 포함하고, 상기 송풍기에 상기 제어 장치가 연결되는 액체형 연료전지 장치
19 19
제 17 항에 있어서,상기 액체형 연료전지에 사용하는 액체 연료는 메탄올, 에탄올, 포름산, 이소프로판올, 프로판올, 에틸렌글리콜, 디메틸에테르, 부탄올, 수소, 부탄, 에탄, 프로판, 이산화탄소, 물 및 바이오연료 등의 반응물 중에서 하나 이상이 포함된 단독 또는 혼합연료인 액체형 연료전지 장치
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2 US20140154599 US 미국 FAMILY

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순번 연구부처 주관기관 연구사업 연구과제
1 지식경제부 한국과학기술연구원 신재생에너지융합원천기술개발(전력기금) DMFC용 무센서 메탄올 농도 제어기 및 연료순환 시스템 개발