JP2007005313A - 燃料電池システム及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、燃料電池の出力電力量を一定に維持しながら、負荷システムの要求電力量を供給することができる、燃料電池システムを提供する。
【解決手段】本発明による燃料電池システムは、負荷システムに電気を供給する燃料電池システムにおいて、燃料及び空気を使用して電気を生成する燃料電池部と、前記負荷システムに電気を供給して、前記燃料電池部から供給される前記電気によって選択的に充電される電源部と、前記電源部の充電状態をモニタリングして、前記電源部が所定の基準以下に放電されると、前記燃料電池部を動作させて前記電源部を充電する制御部と、前記電源部から出力される前記電気を前記負荷システムに供給する出力部とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関するものであって、より詳しくは、燃料電池及び補助電源を使用して負荷システムを動作させる、燃料電池システム及びその駆動方法に関するものである。

従来は、小型電気機器を携帯して使用するために、多様な種類の１次電池または２次電池が使用されてきた。しかし、最近の小型電気機器の高性能化によって、消費電力が大きくなったため、小型で軽量の１次電池では十分なエネルギーを供給することができなくなっている。また、２次電池は、繰返し充電して使用することができる利点があるが、１回の充電によって供給することができるエネルギーは１次電池よりも少なく、充電のために別途の電源及び充電装置が必要であり、充電に通常は数十分から数時間かかるので、２次電池の使用は不便である。

結局、今後も電気機器のさらなる小型化、軽量化が進み、無線ネットワーク環境が整備されて、電気機器を携帯して使用する傾向が顕著になるという点を考慮する時、従来の１次電池または２次電池では、電気機器の駆動に十分なエネルギーを供給するのが難しい。

このような問題の解決策として、小型の燃料電池が注目されている。燃料電池は、従来は、大型発電機や自動車の駆動源として開発が進められてきた。これは、燃料電池が従来の発電システムに比べて発電効率が高く、廃棄物が汚くないというのが主な理由である。また、体積当たり、または重量当たり供給が可能なエネルギーの量が従来の１次電池または２次電池に比べて数倍から数十倍であるので、燃料を交換しさえすれば連続して使用することができ、２次電池のように充電時間がかからないので、燃料電池システムは、小型電気機器の駆動源としても注目されている。

一般に、燃料電池とは、電気化学反応によって燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換させる電気化学装置をいう。例えば、石油や天然ガスなどの燃料を改質して生成された水素や純粋な水素を空気中の酸素と反応させることによって電気エネルギーを生成し、この時、熱及び水蒸気（水）が副産物として生産される。電気化学反応によって電気を生成するという点では電池の性質と類似しており、供給された燃料によって動作するという点ではエンジンと類似している。つまり、外部から燃料の供給を受け、この燃料を分解したり合成したりすることによって電気を生成するのである。したがって、別途の充電過程なしで燃料の供給だけで電気を生成することができるという長所がある。燃料の量が十分であれば十分な時間使用することができ、燃料の補充は充電時間とは比較にならないほど短時間で行うことができる。

しかし、現在までの技術水準では、燃料電池は、安定して一定水準の電気を生成することができないため、携帯用小型電気機器、例えばノートパソコンなどの電源として使用するには限界がある。

そこで、このような点を考慮すると、燃料電池が初期動作から安定した動作に移行するまでには所定の時間が必要である。そのため、動作初期には燃料電池からは所望の電気の供給を受けることができないので、このような問題を解決するために、２次電池及び燃料電池を共に使用するハイブリッド型燃料電池システムが開発されている。

しかし、このようなハイブリッド型燃料電池システムも、燃料電池の技術的限界、つまり安定した電気の生成が難しいので、現実的に携帯用小型電気機器に採択して使用するには限界がある。

したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、前記問題を改善して、安定した電気の供給を可能にした、燃料電池システム及びその駆動方法を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明の一実施例によって提供される燃料電池システムは、負荷システムに電気を供給する燃料電池システムにおいて、燃料及び空気を使用して電気を生成する燃料電池部と、前記負荷システムに電気を供給して、前記燃料電池部から供給される前記電気によって選択的に充電される電源部と、前記電源部の充電状態をモニタリングして、前記電源部が所定の基準以下に放電されると、前記燃料電池部を動作させて前記電源部を充電する制御部と、前記電源部から出力される前記電気を前記負荷システムに供給する出力部とを含む。

本発明の実施例で、前記制御部は、前記電源部が所定の基準以上に充電されると、前記燃料電池部の動作をオフするように動作する。

また、本発明の実施例による燃料電池システムは、前記電源部に連結されて、前記電源部を外部電源に接続させて前記電源部を充電するインターフェース部をさらに含む。

本発明の他の実施例によって提供される燃料電池システムの駆動方法は、負荷システムに電気を供給し、燃料電池部及び電源部を含む燃料電池システムの駆動方法において、ａ）前記電源部から前記負荷システムに電気を供給する段階と、ｂ）前記電源部の充電状態をモニタリングして、前記電源部が所定の基準以下に放電されたかを判断する段階、そしてｃ）前記判断の結果、前記電源部が所定の基準以下に放電されると、前記燃料電池部を動作させて電気を生成し、これによって前記電源部を充電する段階とを含む。

本発明の実施例による駆動方法によれば、前記ａ）段階で、前記燃料電池部の動作をオフした状態で、前記負荷システムに電気を供給する。

また、前記ｂ）段階の判断の結果、電源部が所定の基準以上に充電された状態を維持すれば、リアルタイムで前記電源部の放電状態をモニタリングする。

また、本発明の実施例による燃料電池システムの駆動方法は、前記ｃ）段階で、前記電源部が所定の基準以上に充電されると、前記燃料電池部の動作をオフする段階をさらに含む。

本発明によれば、前記問題を解決して、ハイブリッド型燃料電池システムを使用して 負荷システムに安定して電気を供給することができるようになる。この時、燃料電池システムでは、２次電池を使用して電気を供給するので、安定した電気の供給が可能であり、内部的には、この２次電池が放電される場合に、燃料電池が動作して２次電池を充電するので、電源が遮断される問題を防止することができる。また、この２次電池は、外部電源を使用して直接充電されることもできるので、使用が非常に便利な効果がある。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施例について、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が容易に実施することができるように詳しく説明する。しかし、本発明は多様な相異した形態で具現され、ここで説明する実施例に限定されない。図面では、本発明を明確に説明するために、説明に不必要な部分は省略した。明細書全体を通して類似した部分には、同一な図面符号を付けた。

図１は本発明の実施例による燃料電池システム１００の概略的な構成を示した図面である。
この実施例の燃料電池システム１００は、燃料電池部１１０、制御部１２０、電源部１３０、及び出力部１４０を含む。

ここで、燃料電池部１１０は、燃料保存部１１１、ポンプ１１２、改質部（ｒｅｆｏｒｍｅｒ）１１３、空気吸入部１１５、及び燃料電池スタック１１７を含む。

燃料保存部１１１は、メタノール、石油などの化学燃料を保存するタンクから構成される。ポンプ１１２は、燃料保存部１１１に保存された燃料をポンピングして、改質部１１３に供給する。空気吸入部１１５は、燃料保存部１１１から供給された燃料と電気化学反応を起こすための空気を外部から吸入して、燃料電池スタック１１７に供給する。改質部１１３は、ポンプ１１２によって燃料保存部１１１から供給を受けた燃料の改質反応を起こして、水素を生成する。燃料電池スタック１１７は、改質部１１３で生成されて供給された水素及び空気吸入部１１５から供給された空気を使用して電気化学反応を起こして、起電力を発生させる。

制御部１２０は、電源部１３０の充電状態をモニタリングして、所定の基準を満たさない（例：７０％放電）場合には、ポンプ１１２を開放して燃料が改質部１１３に供給されるようにすることによって燃料電池部１１０を動作させ、これによって発生する起電力で電源部１３０を充電するように動作する。

電源部１３０は、負荷システム（ｌｏａｄ ｓｙｓｔｅｍ、図示せず）の駆動に必要な電気を供給する。この電源部１３０は、充電が必要な場合には、選択的な方法によって充電される。つまり、外部電源を使用して充電されるか、及び／またはシステムの内部の燃料電池を使用して充電される。これについては下記で詳しく説明する。この電源部１３０は、好ましくは２次電池から構成され、この電源部１３０が２次電池から構成される場合には、この２次電池を外部電源と接続させて２次電池を充電するインターフェース部１５０をさらに含む。

このような電源部１３０は、前記２次電池を含んで燃料電池スタック１１７と電気的に連結される電池パックを複数含むこともできる。

燃料電池システム１００の動作時に、前記パックのうちのいずれか一つのパックは電気を放電してメイン電源として使用され、他の一つのパックは電気を充電するマルチバッテリーモード方式で具現される。

一方、出力部１４０は、電源部１３０及び負荷システムを互いに連結して、前記電源部１３０に充電された電気を前記負荷システム、例えばノートパソコンなどの小型電気機器に伝達する。

以下、添付した図面を参照して、電源部１３０が選択的に充電される過程について詳しく説明する。図２は電源部の充電過程を示したフローチャートである。

前記負荷システムの動作初期に、制御部１２０は、ポンプ１１２を閉鎖して燃料が改質部１１３に供給されるのを遮断して、燃料電池部１１０の動作をオフ（ｏｆｆ）する。したがって、前記負荷システムの動作初期に、前記負荷システムは、電源部１３０から供給される電気を使用して動作するようになる（Ｓ１１）。

このように、前記負荷システムが電源部１３０から供給される電気で動作するようになれば、制御部１２０は、電源部１３０の動作状態をリアルタイムでモニタリングする。一方、前記負荷システムに供給される電気は、電源部１３０から供給される。

そして、制御部１２０は、電源部１３０の充電状態をモニタリングし（Ｓ１２）、この電源部１３０の充電状態が所定の基準以下に低下（例：電源部１３０の充電容量の７０％以下に放電）するかをリアルタイムで判断する（Ｓ１３）。

このモニタリングの結果、電源部１３０の充電状態が所定の基準以上を維持していれば、前記段階（Ｓ１２）に復帰して、電源部１３０の充電状態をモニタリングする。

反面、電源部１３０の充電状態が所定の基準以下に低下すると、制御部１２０は、ポンプ１１２を開放して改質部１１３に燃料を供給することによって燃料電池部１１０を動作させ、この過程で燃料電池部１１０で生成された電気は、電源部１３０に供給されて電源部１３０を充電する（Ｓ１４）。

このような過程で、電源部１３０が所定の基準以上に充電されると（例：電源部１３０の充電容量の９０％以上に充電）、制御部１２０は、ポンプ１１２を閉鎖して燃料電池部１１０の動作をオフする。

このように、電源部１３０は、前記負荷システムに電気を供給し、それと同時に燃料電池部１１０から供給される電気によって充電されるので、前記負荷システムに安定して電気を供給することができる。

一方、電源部１３０は、前記過程以外にも、外部電源によって直接充電されることができる。つまり、電源部１３０は、電源部１３０に連結されているインターフェース部１５０を通じて外部電源から電気の供給を受けることができ、この外部電源によっても電源部１３０は充電される。

このように、この実施例の燃料電池システムは、動作中に自動的に燃料電池部１１０から電気の供給を受けて充電される一方で、外部電源によっても直接電気の供給を受けて充電されるので、負荷システムに安定した電気の供給が可能である。また、外部電源を使用することができない環境で負荷システムを使用する場合にも、燃料電池によって持続的な充電が可能なので、電源部が完全に放電される問題を解決することができる。

前記では、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されず、特許請求の範囲、発明の詳細な説明、及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することができ、これも本発明の範囲に属する。

本発明の一実施例による燃料電池システムの概略的な構成を示したブロック図である。 本発明の一実施例による燃料電池部が電源部を充電する過程を概略的に示したフローチャートである。

符号の説明

１００ 燃料電池システム
１１０ 燃料電池部
１１１ 燃料保存部
１１２ ポンプ
１１３ 改質部
１１５ 空気吸入部
１１７ 燃料電池スタック
１２０ 制御部
１３０ 電源部
１４０ 出力部
１５０ インターフェース部

Claims (8)

1. 負荷システムに電気を供給する燃料電池システムにおいて、
   燃料及び空気を使用して電気を生成する燃料電池部；
   前記負荷システムに電気を供給して、前記燃料電池部から供給される前記電気によって選択的に充電される電源部；
   前記電源部の充電状態をモニタリングして、前記電源部が所定の基準以下に放電されると、前記燃料電池部を動作させて前記電源部を充電する制御部；及び
   前記電源部から出力される前記電気を前記負荷システムに供給する出力部；を含む、燃料電池システム。
2. 前記制御部は、前記電源部が所定の基準以上に充電されると、前記燃料電池部の動作をオフするように動作する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記電源部は２次電池を含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記電源部に連結されて、前記電源部を外部電源に接続させて前記電源部を充電するインターフェース部をさらに含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 負荷システムに電気を供給し、燃料電池部及び電源部を含む燃料電池システムの駆動方法において、
   ａ）前記電源部から前記負荷システムに電気を供給する段階；
   ｂ）前記電源部の充電状態をモニタリングして、前記電源部が所定の基準以下に放電されたかを判断する段階；そして、
   ｃ）前記判断の結果、前記電源部が所定の基準以下に放電されると、前記燃料電池部を動作させて電気を生成し、これによって前記電源部を充電する段階；を含む、燃料電池システムの駆動方法。
6. 前記ａ）段階で、前記負荷システムに電気が供給されると、前記燃料電池部の動作はオフされる、請求項５に記載の燃料電池システムの駆動方法。
7. 前記ｂ）段階の判断の結果、電源部が所定の基準以上に充電された状態を維持すれば、リアルタイムで前記電源部の放電状態をモニタリングする、請求項５に記載の燃料電池システムの駆動方法。
8. 前記ｃ）段階で、前記電源部が所定の基準以上に充電されると、前記燃料電池部の動作をオフする段階をさらに含む、請求項５に記載の燃料電池システムの駆動方法。
   
   
   

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