KR100341435B1 - Method and apparatus for preventing a reverse voltage in a fuel cell - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지의 역전압 방지 장치 및 방법에 관한 것으로, 각각의 연료전지가 정상적인 기전력을 발생하였는가를 판단하여 정상적인 기전력이 발생하면 직렬로 연결된 연료전지를 통해 전류가 흐르게 하는 다수의 연료전지; 복수의 연료전지중 특정 연료전지에서 정상적인 기전력이 발생되지 않으면, 기전력이 발생되지 않은 특정 연료전지 대신에 특정 연료전지에 역병렬로 연결된 다이오드를 통해 전류가 바이패스(bypass)되도록 하는 다수의 다이오드를 구비한다. 따라서, 연료전지의 소손을 방지할 수 있고, 일부 연료전지가 기전력을 잃어도 다이오드를 이용하여 바이패스(bypass)시키므로 남은 연료전지만으로도 동작할 수 있는 효과가 있다.The present invention relates to an apparatus and method for preventing a reverse voltage of a fuel cell, comprising: a plurality of fuel cells configured to determine whether each fuel cell has generated normal electromotive force and to flow current through the fuel cells connected in series when normal electromotive force occurs; If the normal electromotive force is not generated in a specific fuel cell among a plurality of fuel cells, a plurality of diodes may be bypassed through a diode connected in parallel to the specific fuel cell instead of the specific fuel cell in which no electromotive force is generated. Equipped. Therefore, the burnout of the fuel cell can be prevented, and even if some fuel cells lose electromotive force, the diode is bypassed using a diode, so that only the remaining fuel cell can be operated.
Description
본 발명은 연료전지의 역전압 방지 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 직렬로 연결되어 있는 연료전지(fuel cell)에 다이오드를 각각 역병렬로 연결하여 연료전지에 역전압이 인가되는 것을 방지하도록 하는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for preventing a reverse voltage of a fuel cell, and in particular, an apparatus for preventing reverse voltage from being applied to a fuel cell by connecting diodes in parallel in parallel to fuel cells connected in series. And to a method.
통상적으로, 연료전지(fuel cell)는 연료가 가진 화학에너지를 화학반응에 의해 직접 전기에너지로 바꾸는 에너지 전환 장치이다. 일반 배터리와는 달리, 연료 전지는 재충전이 필요 없이 연료가 공급되는 한 계속해서 전기를 만들어 낼 수 있는 발전 시스템이다.Typically, a fuel cell is an energy conversion device that converts chemical energy of a fuel into electrical energy directly by a chemical reaction. Unlike conventional batteries, fuel cells are power generation systems that can continue to generate electricity as long as fuel is supplied without the need for recharging.
이러한 연료전지는 도 1에 도시된 바와 같이, 전해질(electrolyte)과 두개의 전극(electrode)이 샌드위치처럼 포개어져 있는 형태로 산소와 수소가 각각의 전극으로 흘러갈 때 전기가 생성되고 열과 물이 부산물로서 만들어진다.In the fuel cell, as shown in FIG. 1, an electrolyte and two electrodes are stacked as sandwiches, and electricity is generated when oxygen and hydrogen flow to each electrode, and heat and water are by-products. Is made as.
연료전지에는 천연가스, 메탄올, 가솔린 등의 다양한 연료가 사용될 수 있는데, 연료 개질기(fuel reformer)를 이용해 수소로 개질하여 사용한다.Various fuels such as natural gas, methanol, and gasoline may be used in the fuel cell, which is reformed into hydrogen using a fuel reformer.
이 연료전지에 대해서는 1839년 영국의 그로부(W.R. Grove)가 발명한 이래로 1952년 베이컨(F.T. Bacon)이 베이컨 전지를 개발하여 특허를 취득한 바 있다.The fuel cell was invented and patented by Bacon (F.T. Bacon) in 1952 since it was invented by W.R. Grove of England in 1839.
미국에서는 이 특허를 개량하여 1969년 아폴로 11호에 탑재한 바 있으며, 이후 현재까지 우주선의 전력 및 식수 공급원으로 사용되고 있다. 미국은 1960년대, 일본은 1980년대 초부터 본격적인 개발에 착수하였고 현재 이들 두 나라가 연료전지 개발을 선도하고 있다. 연료 전지 기술에 관해 유럽은 미·일에 비해 상대적 열세에 있으며 한국은, 1988년부터 선도 기술 사업(G-7 프로젝트)으로 추진하고 있다.In the United States, this patent was retrofitted to Apollo 11 in 1969 and has since been used as a power and drinking water source for spacecraft. The United States began full-fledged development in the 1960s and Japan in the early 1980s, and these two countries are leading the development of fuel cells. In terms of fuel cell technology, Europe is relatively inferior to the US and Japan, and Korea has been promoting the leading technology project (G-7 project) since 1988.
연료전지의 가장 큰 장점으로는 높은 에너지 변환 효율과 환경 친화성을 들 수 있다. 화학에너지를 바로 전기에너지로 전환하기 때문에 여러 단계의 에너지 변환장치를 거치는 기존의 발전방식에 비해 높은 효율을 나타낸다. 또한 NOx나 SOx 등의 공해 물질을 거의 배출하지 않기 때문에 환경문제가 크게 부각되고 있는 현시점에서 차세대 발전방식으로 크게 각광 받고 있다. 한편 연료전지의 구성 특성상 크기의 조절이 용이하여 장소에 구애받지 않고 도심이나 일반 가정집에서도 쉽게 설치하여 사용할 수 있다는 장점도 가지고 있다.The biggest advantage of the fuel cell is its high energy conversion efficiency and environmental friendliness. Because it converts chemical energy directly into electrical energy, it shows higher efficiency than the existing power generation method that goes through several stages of energy conversion device. In addition, since it emits almost no pollutants such as NOx or SOx, the environmental problem is emerging as a next generation power generation method. On the other hand, it is easy to adjust the size due to the configuration of the fuel cell has the advantage that can be easily installed and used in the city or general homes regardless of the place.
그러나, 연료전지의 출력전압은 수 볼트 정도로 비교적 낮기 때문에 더 높은 전압을 얻기 위해서 도 2에 도시된 바와 같이 직렬로 연결되어 있는 다수의 연료전지 셀(20)을 사용한다.However, since the output voltage of the fuel cell is relatively low, such as several volts, a plurality of fuel cell cells 20 connected in series are used to obtain a higher voltage.
이때, 연료의 공급이 원할하지 못하게 되는 등의 문제로 인하여 일부 연료전지 셀이 기전력을 잃게 되면 정상적으로 작동하는 다수의 연료전지 셀(20)에서 생성된 일부의 전압이 기전력을 잃은 특정 연료전지 셀에 역으로 인가되어 이 특정 연료전지 셀이 영구히 파괴되게 되는 문제가 있었다.In this case, when some fuel cell cells lose electromotive force due to a problem such as unsatisfactory supply of fuel, some voltages generated by a plurality of fuel cell cells 20 that operate normally may cause a specific fuel cell cell that has lost electromotive force. There was a problem that the application was reversed, causing this particular fuel cell cell to be permanently destroyed.
한편, 이와 같은 역전압의 인가를 방지하고 연료전지 셀(20)의 파괴를 방지하기 위하여 종래에는 도 2에 도시된 바와 같이 전압 감시부(23)를 두어 직렬로 연결된 다수의 연료전지 셀(20) 각각의 전압을 검출하여 일정 전압 이하로 떨어질 경우, 연료전지 감시 및 제어기(25)에서는 이 신호를 감지하여 전체 연료전지 시스템을 정지하는 방법을 사용하였다.Meanwhile, in order to prevent the application of such a reverse voltage and to prevent the destruction of the fuel cell 20, a plurality of fuel cell 20 connected in series by having a voltage monitoring unit 23 as shown in FIG. 2. When each voltage is detected and falls below a predetermined voltage, the fuel cell monitoring and controller 25 detects this signal and stops the entire fuel cell system.
그러나, 이같은 종래 기술에 따른 역전압 방지 장치는 복잡하고 비용이 많이드는 단점이 있음과 동시에 하나의 연료 전지가 동작하지 않는 경우라도 전체 연료 전지 시스템이 동작하지 못하게 되는 단점이 있었다.However, such a reverse voltage prevention device according to the related art has a disadvantage in that it is complicated and expensive, and at the same time, the entire fuel cell system does not operate even when one fuel cell does not operate.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 의하여 안출한 것으로서, 그 목적은 직렬로 연결되어 있는 연료전지(fuel cell)에 다이오드를 각각 역병렬로 연결하여 연료전지의 기전력 저하에 의한 역전압으로부터 동 연료전지를 보호하고, 연료전지에 인가되는 역전압을 방지하도록 하는 연료전지의 역전압 방지 장치 및 방법을 제공함에 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, the object of the present invention is to connect the diodes in parallel in parallel to the fuel cell (fuel cell) connected in series, respectively, to prevent from the reverse voltage caused by the electromotive force drop of the fuel cell The present invention provides a fuel cell reverse voltage prevention device and method for protecting a fuel cell and preventing a reverse voltage applied to the fuel cell.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에서 연료전지의 역전압 방지 장치는 각각의 연료전지가 정상적인 기전력을 발생하였는가를 판단하여 정상적인 기전력이 발생하면 직렬로 연결된 연료전지를 통해 전류가 흐르게 하는 다수의 연료전지; 복수의 연료전지중 특정 연료전지에서 정상적인 기전력이 발생되지 않으면, 기전력이 발생되지 않은 특정 연료전지 대신에 특정 연료전지에 역병렬로 연결된 다이오드를 통해 전류가 바이패스(bypass)되도록 하는 다수의 다이오드를 포함한다.In the present invention for achieving the above object, the apparatus for preventing reverse voltage of a fuel cell determines whether each fuel cell generates a normal electromotive force, and when a normal electromotive force is generated, a plurality of fuels for flowing current through a series of fuel cells connected in series. battery; If the normal electromotive force is not generated in a specific fuel cell among a plurality of fuel cells, a plurality of diodes may be bypassed through a diode connected in parallel to the specific fuel cell instead of the specific fuel cell in which no electromotive force is generated. Include.
그리고, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에서 연료전지의 역전압 방지 방법은 연료전지를 이용하여 높은 전압을 발생하도록 다수의 연료전지를 직렬로 연결하는 단계; 직렬로 연결된 다수의 연료전지 각각에 다이오드를 각각 역병렬로 연결시키는 단계; 다수의 연료전지에서 기전력이 발생되었는가를 판단하는 단계; 판단 단계에서 다수의 연료전지에서 정상적인 기전력이 발생되면, 다수의 연료전지를 통해 전류가 흐르는 단계; 판단 단계에서 다수의 연료전지중 적어도 어느 하나에서정상적인 기전력이 발생되지 않으면, 정상적인 기전력을 발생하지 않는 연료전지에 대응하는 다이오드를 통해 전류가 흐르도록 하여 연료전지에 역전압이 인가되는 것을 방지하는 단계를 포함한다.In addition, the reverse voltage prevention method of the fuel cell in the present invention for achieving the above object comprises the steps of connecting a plurality of fuel cells in series to generate a high voltage using the fuel cell; Anti-parallel diodes respectively connected to each of the plurality of fuel cells connected in series; Determining whether electromotive force is generated in the plurality of fuel cells; When normal electromotive force is generated in the plurality of fuel cells in the determining step, a current flows through the plurality of fuel cells; If the normal electromotive force is not generated in at least one of the plurality of fuel cells in the determining step, preventing a reverse voltage from being applied to the fuel cell by allowing a current to flow through a diode corresponding to the fuel cell that does not generate normal electromotive force. It includes.
도 1은 연료전지의 원리를 도시한 도면이고,1 is a view showing the principle of a fuel cell,
도 2는 종래 기술에 따라 연료전지의 기전력 저하에 의한 역전압을 감지하고 동작을 정지하기 위한 장치를 도시한 도면이며,2 is a diagram illustrating an apparatus for detecting a reverse voltage caused by a decrease in electromotive force of a fuel cell and stopping an operation according to the related art.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지의 역전압 방지 장치에 대한 블록 구성도이며,3 is a block diagram of an apparatus for preventing reverse voltage of a fuel cell according to the present invention;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 역전압 방지 방법의 상세 흐름도이다.4 is a detailed flowchart of a method for preventing reverse voltage of a fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
30 : 다수의 연료전지 33 : 다수의 다이오드30: a plurality of fuel cells 33: a plurality of diodes
35 : 부하35: load
A : 기전력을 발생하지 못하는 연료전지A: Fuel cell that does not generate electromotive force
B : 바이패스용 다이오드B: bypass diode
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 일 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail an embodiment according to the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지의 역전압 방지 장치에 대한 블록 구성도로서, 다수의 연료전지(30)와, 다수의 다이오드(33)와, 부하(35)를 포함한다.Referring to FIG. 3, a block diagram of an apparatus for preventing a reverse voltage of a fuel cell according to the present invention includes a plurality of fuel cells 30, a plurality of diodes 33, and a load 35.
다수의 연료전지(30)는 도 1에 도시된 연료전지를 이용하여 높은 전압을 발생하기 위해 직렬로 연결해 놓은 것으로, 이 다수의 연료전지(30)가 모두 정상적으로 기전력을 발생할 경우에는 다수의 연료전지(30)와 부하(35)간에 정상적으로 전류가 흐른다. 반면에, 다수의 연료전지(30)중 특정 연료전지(A)에서 정상적인 기전력을 발생하지 못할 경우, 이 연료전지(A)를 통해 전류가 흐르는 것이 아니라 이 연료 전지(A)에 대응하는 다수의 다이오드(33)중 바이패스(bypass)용 다이오드(B)를 통해 부하(35)간에 전류가 흐르도록 한다.The plurality of fuel cells 30 are connected in series to generate a high voltage by using the fuel cell shown in FIG. 1. When the plurality of fuel cells 30 normally generate electromotive force, the plurality of fuel cells 30 Current flows normally between the 30 and the load 35. On the other hand, when the normal electromotive force is not generated in a specific fuel cell A among the plurality of fuel cells 30, a current is not flowing through the fuel cell A, but a plurality of fuel cells A correspond to the fuel cell A. The current flows between the loads 35 through the bypass diode B of the diodes 33.
다수의 다이오드(33)는 다수의 연료전지(30)와 각각 역병렬로 연결되어 있는 것으로, 다수의 연료전지(30)가 모두 정상적으로 기전력을 발생하는 정상적인 경우에는, 다수의 다이오드(33)에는 역전압이 인가되므로 도통하지 못하여 전류가 흐르지 않는다. 이때, 다수의 연료전지(30)중 특정 연료전지(A)에서 기전력을 발생하지못하는 경우, 연료전지(A) 대신에 이 연료전지(A)에 대응하는 다이오드(B)를 통해 전류가 바이패스(bypass)되도록 한다.The plurality of diodes 33 are connected to the plurality of fuel cells 30 in parallel and in parallel. In the normal case in which all of the plurality of fuel cells 30 normally generate an electromotive force, the plurality of diodes 33 are reversed to the plurality of diodes 33. Since voltage is applied, it cannot conduct and no current flows. At this time, when the electromotive force is not generated in the specific fuel cell A among the plurality of fuel cells 30, current is bypassed through the diode B corresponding to the fuel cell A instead of the fuel cell A. (bypass)
도 4의 흐름도를 참조하여, 본 발명에 따른 연료전지의 역전압 방지 방법에 대하여 상세히 설명한다.With reference to the flowchart of Figure 4, the reverse voltage prevention method of the fuel cell according to the present invention will be described in detail.
먼저, 도 1에 도시된 개별 연료전지를 이용하여 높은 전압을 발생하도록 하기 위해 연료전지를 직렬로 연결해 놓고(단계 41), 다수의 다이오드(33)를 각각의 연료전지와 역병렬로 각각 연결시킨다(단계 42).First, in order to generate a high voltage using the individual fuel cells shown in FIG. 1, fuel cells are connected in series (step 41), and a plurality of diodes 33 are connected to each fuel cell in parallel and in parallel. (Step 42).
이어서, 다수의 연료전지(30)가 모두 정상적으로 기전력을 발생하였는가를 판단한다(단계 43).Next, it is determined whether all of the plurality of fuel cells 30 normally generate electromotive force (step 43).
상기 판단 단계(43)에서 다수의 연료전지(30)가 모두 정상적으로 기전력을 발생할 경우에는 다수의 다이오드(33)에는 역전압이 인가되므로 도통하지 못하여 전류가 흐르지 않고 다수의 연료전지(30)를 통해 전류가 흐른다(단계 44).When all of the plurality of fuel cells 30 normally generate an electromotive force in the determination step 43, since a reverse voltage is applied to the plurality of diodes 33, no current flows through the plurality of fuel cells 30 without conduction. Current flows (step 44).
반면에, 상기 판단 단계(43)에서 다수의 연료전지(30)중 특정 연료전지(A)에서 정상적인 기전력을 발생하지 못하는 경우, 이 특정 연료전지(A)에 대응하는 바이패스(bypass)용 다이오드(B)를 통해 전류가 흐르도록 한다(단계 45).On the contrary, when the determination step 43 does not generate normal electromotive force in the specific fuel cell A among the plurality of fuel cells 30, a bypass diode corresponding to the specific fuel cell A Allow current to flow through (B) (step 45).
따라서, 정상적인 전압을 발생하지 못하는 특정 연료전지(A)에는 바이패스용 다이오드(B)의 정방향 전압강하 이상의 역전압은 걸리지 않게 되어 역전압으로 부터 연료전지(A)가 소손되는 것을 방지할 수 있는 것이다(단계 46).Therefore, a reverse voltage above the forward voltage drop of the bypass diode B is not applied to the specific fuel cell A that does not generate a normal voltage, thereby preventing the fuel cell A from being burned out from the reverse voltage. (Step 46).
그러므로, 본 발명은 직렬로 연결되어 있는 다수의 연료전지(fuel cell) 각각에 다이오드를 역병렬로 연결하여 정상적인 전압을 발생하지 않는 연료전지에 인가되는 역전압을 방지함으로써, 연료전지의 소손을 방지할 수 있고, 일부 연료전지가 기전력을 잃어도 다이오드를 이용하여 바이패스(bypass)시키므로 남은 연료전지만으로도 동작할 수 있는 효과가 있다.Therefore, the present invention prevents burnout of a fuel cell by preventing a reverse voltage applied to a fuel cell that does not generate a normal voltage by connecting diodes in parallel to each of a plurality of fuel cells connected in series. Even if some fuel cells lose electromotive force, they bypass by using diodes, so that only the remaining fuel cells can operate.
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