KR100599809B1 - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 전지의 초기 구동 동작 시간을 줄인 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 수소와 산소의 전기 화학 반응에너지를 전기 에너지로 변환시키는 연료 전지부, 상기 연료 전지부의 부하로 작용하는 로드부, 상기 연료 전지부에서 출력되는 전압을 센싱해서 선택적으로 상기 로드부를 상기 연료 전지부와 연결하는 제어부, 초기의 구동 전압을 상기 연료 전지부에 인가하는 전원부, 상기 연료 전지부 및 전원부에 각각 연결되어 이를 선택적으로 전자 장치와 연결하는 스위칭부 및, 상기 스위칭부에 연결되어서 입력된 전압을 구동 전압으로 변환하는 변환부를 포함해서 구성된다.The present invention relates to a fuel cell system which reduces the initial driving operation time of a fuel cell, comprising: a fuel cell unit for converting electrochemical reaction energy of hydrogen and oxygen into electrical energy; a rod unit serving as a load of the fuel cell unit; A control unit for sensing the voltage output from the fuel cell unit and selectively connecting the rod unit with the fuel cell unit, a power unit for applying an initial driving voltage to the fuel cell unit, the fuel cell unit and the power unit, respectively, And a switching unit connected to the electronic device, and a conversion unit connected to the switching unit to convert an input voltage into a driving voltage.

연료전지, 전기발생부, 스택, 전원, 스위칭, 부하Fuel Cell, Electric Generator, Stack, Power Supply, Switching, Load

Description

연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}Fuel cell system {FUEL CELL SYSTEM}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 블록도이다.1 is a block diagram showing the overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지부의 구성을 보여주는 블록도이다.2 is a block diagram illustrating a configuration of a fuel cell unit according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 3은 도 2에 도시한 스택의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.3 is an exploded perspective view showing the structure of the stack shown in FIG.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭부의 구성을 보여주는 회로도이다.4 is a circuit diagram illustrating a configuration of a switching unit according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료 전지의 초기 구동 동작 시간을 줄인 연료 전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system that reduces the initial drive operation time of the fuel cell.

알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올과 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 산소 또는 산소를 포함한 공기의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.As is known, a fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen contained in a hydrocarbon-based material such as methanol and oxygen or air containing oxygen into electrical energy.

이러한 연료 전지는 메탄올 또는 에탄올 등을 개질하여 만들어진 수소를 연 료로 사용하여 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 갖는다.The fuel cell uses hydrogen produced by reforming methanol or ethanol as fuel, and has a wide range of applications such as mobile power supplies such as automobiles, distributed power supplies such as houses and public buildings, and small power supplies such as electronic devices. Have

이 같은 연료 전지는 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 스택(stack), 개질기(Reformer), 연료 탱크, 및 연료 펌프 등을 구비한다. 연료 전지 시스템은 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택에서 이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.Such a fuel cell basically includes a stack, a reformer, a fuel tank, a fuel pump, and the like for constructing a system. The fuel cell system supplies fuel in the fuel tank to the reformer by operation of a fuel pump, and reforms the fuel in the reformer to generate hydrogen gas, and electrochemically reacts the hydrogen gas and oxygen in a stack to generate electrical energy. .

이 같은 구조를 기본으로 하는 연료 전지 시스템은 초기 구동시 연료 펌프 등으로 전원을 인가하여 이들을 가동시키는 전원 수단을 구비하고 있다. 이러한 전원 수단은 일반적으로 충, 방전이 가능한 이차 전지를 사용한다. 연료 전지 시스템의 초기 구동시 전원 수단으로부터 공급되는 전원은 연료 펌프를 가동시켜 개질기 및 스택을 예열하는 구동을 시작하고, 이를 시작으로 스택에서 일어나는 전기 화학 반응에 의해서 전기 에너지를 발생시킨다.The fuel cell system based on such a structure is provided with a power supply means which applies a power supply to a fuel pump etc. and operates them at the time of initial driving. Such power supply means generally use a secondary battery capable of charging and discharging. The power supplied from the power supply means during the initial operation of the fuel cell system starts the drive to preheat the reformer and the stack by starting the fuel pump, which in turn generates electrical energy by electrochemical reactions occurring in the stack.

따라서, 종래의 연료 전지 시스템은 연료 전지가 정상적으로 동작하는지를 판단하기 위한 센싱(sensing) 수단이 추가되어야 하고, 또한 전원 수단과 연료 전지 사이에서 어떤 것을 구동 전원으로 사용할 것인지를 판단하는 회로가 추가적으로 필요하게 되는 바, 이로 인해 전체적인 시스템의 구조가 복잡해지고 전자 장치 등에 설치하기가 번거로운 문제점이 있다.Therefore, in the conventional fuel cell system, a sensing means for determining whether the fuel cell is operating normally must be added, and a circuit for determining which one to use as a driving power source between the power supply means and the fuel cell is additionally required. As a result, the structure of the overall system is complicated, and there is a problem that it is cumbersome to install in an electronic device.

또한, 연료 전지 시스템이 안정적인 구동 전압을 출력하는데 까지는 충분한 운전 시간이 필요로 하며, 이 사이에서는 다른 전원 수단에 의해서 동작하게 된다. 이때, 일반적으로 사용되는 전원 수단이 이차 전지를 들 수 있는데, 이 이차전지 역시 영구적으로 전기를 생성할 수는 없으며 제한된 용량과 수명으로 동작하게 된다. 따라서, 연료 전지 시스템에서 전원 수단의 동작 시간을 줄이면서도 짧은 시간에 안정적으로 연료 전지를 구동시키는 기술이 필요한 실정이다.In addition, a sufficient operating time is required for the fuel cell system to output a stable driving voltage, and it is operated by other power supply means therebetween. In this case, a power source commonly used may include a secondary battery, which also does not permanently generate electricity and operates with a limited capacity and lifespan. Therefore, there is a need for a technique for stably driving a fuel cell in a short time while reducing the operating time of a power supply means in a fuel cell system.

이에, 본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 연료 전지의 초기 구동에 필요한 전원을 공급하는 전원 공급 구조를 개선해서 휴대용 전자기기에 간단히 채용될 수 있으며, 연료 전지의 초기 구동시간을 단축하는 본 발명의 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.Accordingly, the present invention has been made in view of the above-described problems, and the present invention can be easily employed in a portable electronic device by improving a power supply structure for supplying power required for initial driving of a fuel cell, and shortens the initial driving time of the fuel cell. To provide a fuel cell system.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 연료 전지 시스템은,In order to achieve the above object, the fuel cell system of the present invention,

수소와 산소의 전기 화학 반응에너지를 전기 에너지로 변환시키는 연료 전지부, 상기 연료 전지부의 부하로 작용하는 로드부, 상기 연료 전지부에서 출력되는 전압을 센싱해서 선택적으로 상기 로드부를 상기 연료 전지부와 연결하는 제어부, 초기의 구동 전압을 상기 연료 전지부에 인가하는 전원부, 상기 연료 전지부 및 전원부에 각각 연결되어 이를 선택적으로 전자 장치와 연결하는 스위칭부 및, 상기 스위칭부에 연결되어서 입력된 전압을 구동 전압으로 변환하는 변환부를 포함해서 구성된다.A fuel cell unit for converting electrochemical reaction energy of hydrogen and oxygen into electrical energy, a rod unit serving as a load of the fuel cell unit, and a voltage output from the fuel cell unit to sense a voltage selectively; A control unit connected to the control unit, a power supply unit applying an initial driving voltage to the fuel cell unit, a switching unit connected to the fuel cell unit and a power unit, and selectively connected to the electronic device, and a voltage input to the switching unit. Is converted to a driving voltage.

본 발명에서, 상기 제어부는 상기 연료 전지부에서 출력되는 전압이 구동 전압 이상일 때, 상기 로드부를 상기 연료 전지부와 차단하도록 동작한다.In the present invention, the control unit operates to block the rod unit from the fuel cell unit when the voltage output from the fuel cell unit is greater than or equal to a driving voltage.

또한, 상기 스위칭부는 시스템의 초기 구동 시에 상기 연료 전지부를 상기 전자 장치와 차단하며, 이후에는 상기 전원부를 상기 전자 장치와 차단하는 대신에 상기 연료 전지부를 상기 전자 장치와 연결하도록 동작한다.The switching unit may be configured to disconnect the fuel cell unit from the electronic device during initial driving of the system, and then connect the fuel cell unit to the electronic device instead of blocking the power supply unit from the electronic device.

그리고, 본 발명에서 상기 스위칭부는, 애노드가 각각 전원부 및 연료 전지부에 연결되고, 캐소드는 노드를 형성한 상태에서 상기 변환부에 연결되는 제1 및 제2 다이오드의 조합으로 형성될 수 있다.In the present invention, the switching unit, the anode is connected to the power source and the fuel cell, respectively, the cathode may be formed of a combination of the first and second diodes connected to the conversion unit in the form of a node.

본 발명에서, 상기 연료 전지부는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부와, 상기 전기 발생부로 수소와 산소를 공급하는 연료 공급원을 포함해서 구성될 수 있다.In the present invention, the fuel cell unit may include at least one electricity generating unit for generating electrical energy through an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen, and a fuel supply source for supplying hydrogen and oxygen to the electricity generating unit. .

이때, 상기 연료 공급원은, 수소를 함유한 연료를 저장하는 연료 탱크, 상기 연료 탱크에 연결 설치되어 상기 연료를 전기 발생부로 공급하는 연료 펌프, 및 상기 전기 발생부로 공기를 공급하는 공기 펌프를 포함해서 구성될 수 있다.In this case, the fuel supply source includes a fuel tank for storing fuel containing hydrogen, a fuel pump connected to the fuel tank and supplying the fuel to the electricity generating unit, and an air pump for supplying air to the electricity generating unit. Can be configured.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 블록도이다.1 is a block diagram showing the overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

이를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은 연료로부터 추출된 수소와 산소의 전기 화학 반응에 의한 에너지를 전기 에너지를 변환시 키는 연료 전지부(10)와, 상기 연료 전지부의 부하로 작용하는 로드부(50)와, 상기 연료 전지부에서 출력되는 전압을 센싱해서 선택적으로 상기 로드부를 상기 연료 전지부와 연결하는 제어부(60)와, 시스템(100)의 초기 구동 전압을 인가하는 전원부(20)와, 연료 전지부(10) 및 전원부(20)를 선택적으로 전자 장치(50)(도면에서는 "L"로 표기하고 있으며, 이하에서는 '로드'라고 함)와 연결하는 스위칭부(30)와, 전압 레벌을 조정하는 변환부(40)를 포함해서 구성된다.Referring to this, the fuel cell system 100 according to an embodiment of the present invention includes a fuel cell unit 10 for converting energy from an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen extracted from fuel into electrical energy, and the fuel A load unit 50 serving as a load of the battery unit, a controller 60 for sensing a voltage output from the fuel cell unit and selectively connecting the rod unit with the fuel cell unit, and initial driving of the system 100; The power supply unit 20 for applying a voltage, the fuel cell unit 10 and the power supply unit 20 are selectively connected to the electronic device 50 (denoted by "L" in the drawing, hereinafter referred to as "load"). And a switching unit 30 for adjusting the voltage level.

먼저, 상기 연료 전지부(10)는 도 2에서 도시한 바와 같이 구성될 수 있는데, 본 실시예의 연료 전지부(10)는 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 상기 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 생기는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용할 수 있다. 그리고, 본 명세서를 통해서 사용하는 연료는 협의(狹義)의 연료로서 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등과 같이 수소를 함유한 연료 이 외에, 광의(廣義)의 연료로서 물 및 산소를 포함한다.First, the fuel cell unit 10 may be configured as shown in FIG. 2. The fuel cell unit 10 according to the present embodiment generates hydrogen gas by reforming a fuel containing hydrogen, and the hydrogen gas and A polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) method that converts chemical energy generated by electrochemically reacting with oxygen directly to electrical energy may be employed. In addition, the fuel used through this specification contains water and oxygen as a broad fuel in addition to the fuel containing hydrogen, such as methanol, ethanol, natural gas, etc. as a narrow fuel.

그리고 본 실시예의 연료 전지부(10)는 수소와 반응하는 산소로서 별도의 저장수단에 저장된 순수한 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 이하에서는 공기를 사용하는 후자의 예를 가지고 설명한다.The fuel cell unit 10 according to the present embodiment may use pure oxygen gas stored in a separate storage means as oxygen reacting with hydrogen, and may use air containing oxygen as it is. Hereinafter, the latter example using air will be described.

본 실시예의 연료 전지부(10)는 기본적으로 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(11)와, 수소와 산 소를 전기 발생부(11)로 공급하는 연료 공급원(15)을 포함해서 구성된다.The fuel cell unit 10 of the present embodiment basically includes at least one electricity generating unit 11 for generating electrical energy through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and hydrogen and oxygen as the electricity generating unit 11. It is comprised including the fuel supply source 15 to supply.

상기 전기 발생부(11)는 도 3에서 예시하고 있는 바처럼 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)(112)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터(Separator)('바이폴라 플레이트'라고도 함)(116)를 배치하여 전기 발생부(11)를 형성하고 있다. 이처럼 형성되는 전기 발생부(11)가 복수개가 구비되어 본 실시예와 같은 적층 구조의 스택(10)이 형성된다.As illustrated in FIG. 3, the electricity generating unit 11 has an electrode-electrolyte assembly (MEA) 112 at the center thereof and a separator (also referred to as a bipolar plate) on both sides thereof. 116 is arrange | positioned and the electricity generation part 11 is formed. The plurality of electricity generating units 11 formed as described above are provided to form a stack 10 having a laminated structure as in the present embodiment.

여기서, 전극-전해질 합성체(112)는 양측에 애노드 전극과 캐소드 전극을 구비하며, 수소와 공기 중의 산소를 산화/환원 반응시킨다. 그리고, 세퍼레이터(116)는 전극-전해질 합성체(112)의 양측에 수소와 산소를 함유한 공기를 공급하면서 인접한 전극-전해질 합성체(112)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬 연결하고 있다.Here, the electrode-electrolyte composite 112 includes an anode electrode and a cathode electrode on both sides, and oxidizes / reduces hydrogen and oxygen in air. The separator 116 connects the anode electrode and the cathode electrode of the adjacent electrode-electrolyte composite 112 in series while supplying air containing hydrogen and oxygen to both sides of the electrode-electrolyte composite 112.

한편, 연료 공급원(15)은 연료를 저장하는 연료 탱크(151);와, 이 연료 탱크(151)에 연결 설치되는 연료 펌프(152);와, 상기 연료 탱크(151)와 연결 설치되어 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급하는 개질기(153);와, 공기를 흡입하여 전기 발생부(11)로 공급하는 공기 펌프(154)를 포함하고 있다.Meanwhile, the fuel supply source 15 may include a fuel tank 151 for storing fuel; a fuel pump 152 connected to the fuel tank 151; and a fuel tank 151 connected to the fuel tank 151 and connected to the fuel tank. A reformer 153 for generating hydrogen gas and supplying the hydrogen gas to the electricity generating unit 11 of the stack 10; and an air pump 154 for sucking air and supplying the hydrogen gas to the electricity generating unit 11; It is included.

본 실시예의 연료 공급원(15)에 있어 개질기(153)는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 통상적인 개질기의 구조를 갖는다.In the fuel supply source 15 of the present embodiment, the reformer 153 generates a structure of a conventional reformer that generates hydrogen gas from fuel through a chemical catalytic reaction by thermal energy and reduces the concentration of carbon monoxide contained in the hydrogen gas. Have

부연 설명하면, 개질기(153)는 일례로서, 수증기 개질, 부분산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료로부터 수소 가스를 발생시킨다. 그리고 개질기(153)는 수성가스 전환 방법, 선택적 산화 방법 등과 같은 촉매 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법으로 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킨다.In detail, the reformer 153 generates hydrogen gas from the above-described fuel through a catalytic reaction such as steam reforming, partial oxidation, or autothermal reaction. The reformer 153 reduces the concentration of carbon monoxide contained in the hydrogen gas by a catalytic reaction such as a water gas conversion method, a selective oxidation method, or purification of hydrogen using a separator.

대안으로, 본 실시예의 연료 전지부(10)는 연료를 직접 전기 발생부(11)로 공급하여 전기를 생산해 낼 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수도 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 방식의 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리 도 2에 도시하고 있는 개질기(23)를 필요로 하지 않는다.Alternatively, the fuel cell unit 10 of the present embodiment may employ a direct methanol fuel cell (DMFC) method capable of supplying fuel directly to the electricity generating unit 11 to produce electricity. . Such a direct methanol fuel cell does not require the reformer 23 shown in FIG. 2 unlike the polymer electrolyte fuel cell.

이하에서는 편의상 고분자 전해질형 연료 전지 방식을 채용한 연료 전지부(10)를 예로 들어 설명하나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, for convenience, the fuel cell unit 10 employing the polymer electrolyte fuel cell method will be described as an example, but the present invention is not necessarily limited thereto.

이 같은 구조를 갖는 연료 전지부(10)는 초기 구동에 있어서, 연료 펌프(152)와 공기 펌프(154) 등의 연료 공급원(15)에 전원부(20)의 구동 전원을 인가하여 개질기(153) 전체를 예열시켜 연료 전지부(10)의 초기 동작 상태를 안정화시키면서 로드(200)에는 구동 전압을 인가해서 시스템(100) 전체를 동작시킨다.The fuel cell unit 10 having such a structure applies the driving power of the power source unit 20 to the fuel supply source 15 such as the fuel pump 152 and the air pump 154 in the initial driving, and reformer 153. The entire system 100 is operated by applying a driving voltage to the rod 200 while preheating the whole to stabilize the initial operating state of the fuel cell unit 10.

이를 위해 본 실시예의 연료전지 시스템(100)은 초기 구동에서 연료 공급원(15)으로 전원을 인가하는 전원부(20)를 구비하고 있다. 이 전원부(20)는 스위칭부(30)를 매개로 해서는 로드(200)에 연결되어 있다.To this end, the fuel cell system 100 of the present embodiment includes a power supply unit 20 for applying power to the fuel supply source 15 during initial driving. The power supply unit 20 is connected to the load 200 via the switching unit 30.

이러한 전원부(20)는 충, 방전이 가능한 이차 전지로 구성될 수 있다.The power supply unit 20 may be configured as a secondary battery capable of charging and discharging.

본 실시예에서, 상기 전원부(20)는 연료 전지부(10)에 연결되어 있고, 스위 칭부(30)를 매개로 해서는 로드(200)에 연료 전지부(10) 및 전원부(20)가 각각 연결되어 있다. 그리고, 스위칭부(30) 및 로드(200) 사이에는 변환부(40)가 연결되어 있다.In the present embodiment, the power supply unit 20 is connected to the fuel cell unit 10, the fuel cell unit 10 and the power supply unit 20 are connected to the rod 200 via the switching unit 30, respectively. It is. In addition, the conversion unit 40 is connected between the switching unit 30 and the rod 200.

따라서, 전원부(20)는 시스템(100)의 초기 구동시에 연료 전지부(10)로 구동 전압을 인가하는 한편, 스위칭부(30)의 선택 동작에 의해서 변환부(40)에서 일정한 레벨로 증폭된 구동 전압을 로드(200)로 인가할 수가 있다.Accordingly, the power supply unit 20 applies a driving voltage to the fuel cell unit 10 during the initial driving of the system 100, and is amplified to a constant level in the converter unit 40 by the selection operation of the switching unit 30. The driving voltage can be applied to the load 200.

한편, 상기 스위칭부(30)는 도 4에서 예시하고 있는 바처럼 다이오드 연결을 이용할 수가 있다.Meanwhile, the switching unit 30 may use a diode connection as illustrated in FIG. 4.

즉, 제1 및 제2 다이오드(31, 33)의 캐소드(cathode)가 노드(A)를 형성한 상태에서 변환부(40)와 연결되어 있고, 각각의 애노드(anode)는 연료 전지부(10) 및 전원부(20)와 연결되어 있다.That is, the cathodes of the first and second diodes 31 and 33 are connected to the converter 40 while the node A is formed, and each anode is connected to the fuel cell unit 10. ) And the power supply unit 20.

따라서, 시스템(100)의 초기 구동시에는 전원부(20)의 전압 레벨이 연료 전지부(10)의 전압 레벨보다 높기 때문에 노드(A)를 기점으로 제2 다이오드(33)에는 정 바이어스가 걸리는 반면에, 제1 다이오드(31)에는 역바이어스가 걸리게 된다.Therefore, during the initial driving of the system 100, since the voltage level of the power supply unit 20 is higher than the voltage level of the fuel cell unit 10, the second diode 33 is positively biased based on the node A. Therefore, reverse bias is applied to the first diode 31.

이에 따라서, 제1 및 제2 다이오드(31, 33)의 조합에 의해서 전원부(20) 만이 선택적으로 로드(200)와 스위칭된다.Accordingly, only the power supply unit 20 is selectively switched with the load 200 by the combination of the first and second diodes 31 and 33.

반면에, 연료 전지부(10)의 연료 공급원(15)에 구동 전원이 인가되면서 스택(11)으로 연료가 공급되고, 이에 따라서 스택(11)에 전기 에너지가 발생해 연료 전지부(10)의 동작이 안정화되면, 연료 전지부(10)가 전원부(20)보다 상대적으로 전압 레벨이 높아지면서 제2 다이오드(33)에는 역바이어스가 걸려 전원부(20) 및 로 드(200) 사이의 연결이 차단되는 반면에, 제1 다이오드(31)에는 정바이어스가 걸려 연료 전지부(10) 및 로드(200) 사이가 연결된다.On the other hand, while driving power is applied to the fuel supply source 15 of the fuel cell unit 10, fuel is supplied to the stack 11, whereby electric energy is generated in the stack 11, thereby When the operation is stabilized, the fuel cell unit 10 has a voltage level higher than that of the power supply unit 20, and a reverse bias is applied to the second diode 33 to block the connection between the power supply unit 20 and the load 200. On the other hand, the first diode 31 is positively biased to connect between the fuel cell unit 10 and the rod 200.

따라서, 본 실시예의 연료전지 시스템(100)은 상기 전자 장치, 즉 로드(200)를 구동시키기 위해 초기에는 스위칭부(30)의 선택적 동작에 의해서 전원부(20)가 로드(200)와 연결되면서 구동 전압을 인가하게 된다. 또한, 전원부(20)는 연료 전지부(10)의 연료 공급원(15)에도 구동 전압을 인가한다.Therefore, the fuel cell system 100 of the present embodiment is initially driven while the power supply unit 20 is connected to the load 200 by the selective operation of the switching unit 30 to drive the electronic device, that is, the load 200. The voltage is applied. The power supply unit 20 also applies a driving voltage to the fuel supply source 15 of the fuel cell unit 10.

이에 따라, 연료 전지부(10)의 연료 공급원(15)은 개질기(153)를 예열시키고, 이 개질기(153)를 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시킨다. 그리고, 상기 연료 공급원(15)은 상기 수소 가스를 전기 발생부(11)로 공급하고, 공기 펌프(154)를 통해 공기를 전기 발생부(11)로 공급한다.As a result, the fuel supply source 15 of the fuel cell unit 10 preheats the reformer 153, and generates hydrogen gas from the fuel containing hydrogen through the reformer 153. In addition, the fuel supply source 15 supplies the hydrogen gas to the electricity generator 11, and supplies air to the electricity generator 11 through the air pump 154.

따라서, 전기 발생부(11)에서는 상기 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 소정의 전기 에너지를 발생시킨다. 이러한 전기 에너지는 연료 공급원(15)을 본격적으로 구동시키기 위한 동력원으로 활용되는 바, 이 때 연료 전지부(10)의 전압 레벨이 전원부(20)의 전압 레벨보다 높아지면서 스위칭부(30)는 전원부(20) 및 로드(200) 사이에 형성되어 있던 선로를 차단하고, 연료 전지부(10)를 로드(200)와 연결하게 된다.Therefore, the electricity generating unit 11 generates a predetermined electric energy through the electrochemical reaction of the hydrogen gas and oxygen. The electric energy is used as a power source for driving the fuel supply source 15 in earnest. At this time, as the voltage level of the fuel cell unit 10 is higher than the voltage level of the power source unit 20, the switching unit 30 is connected to the power source unit. The line formed between the 20 and the rod 200 is cut off to connect the fuel cell unit 10 with the rod 200.

이로써, 시스템(100)의 초기 구동시, 즉 연료 전지부(10)가 안정화된 동작 상태를 이루기 전 시점까지는 전원부(20)에 의해서 로드(200)가 구동되고, 이후 연료 전지부(10)의 동작에 의해서 로드(200)가 구동될 수가 있다.Thus, the rod 200 is driven by the power supply unit 20 during the initial driving of the system 100, that is, until the fuel cell unit 10 reaches a stabilized operating state. By operation, the rod 200 may be driven.

이때, 본 실시예에서는 연료 전지부(10)의 안정화된 동작 상태를 이루는 시 간을 줄이기 위해서, 상기 연료 전지부(10)로 연결되는 로드부(50) 및 제어부(60)를 구비하고 있다.At this time, in this embodiment, in order to reduce the time to achieve a stabilized operating state of the fuel cell unit 10, the rod unit 50 and the controller 60 connected to the fuel cell unit 10 is provided.

먼저, 상기 로드부(50)는 연료 전지부(50)의 부하로 작용해서 상기 연료 전지부(50)에서 생성되는 전기 에너지를 소비하는 작용을 하는 것으로 일 예로써, 고저항체가 바람직하게 사용될 수 있다. 이 로드부(50)는 연료 전지부(50)의 초기 동작에서 상기 연료 전지부(50)에서 생성한 전기 에너지를 소비함에 따라 연료 전지부(50)의 동작을 촉발하게 된다. 이에 따라서, 연료 전지부(50)는 종전에 비해 과부하가 걸려 그 동작 상태를 빨리 안정화해서 구동전압에 해당하는 레벨의 전압을 빠른 시간에 출력하게 된다.First, the rod unit 50 serves as a load of the fuel cell unit 50 to consume electrical energy generated by the fuel cell unit 50. For example, a high resistance body may be preferably used. have. The rod part 50 triggers the operation of the fuel cell part 50 as the electric energy generated by the fuel cell part 50 is consumed in the initial operation of the fuel cell part 50. Accordingly, the fuel cell unit 50 is overloaded and stabilizes its operating state quickly, and outputs a voltage at a level corresponding to the driving voltage in a short time.

한편, 제어부(60)는 상기 로드부(50)와 연료 전지부(60) 사이에 연결되어서 상기 연료 전지부(10)가 출력하는 전압을 센싱하게 된다. 이때, 상기 제어부(60)가 센싱한 출력 전압 값이 구동 전압 이상이면, 로드부(50)를 연료 전지부(10)와 전기적으로 차단하는 스위칭 동작을 하며, 구동 전압 이하에 대해서는 로드부(50) 및 연료 전지부(10)의 연결 상태를 유지해서 연료 전지부(10)에 부하를 인가하게 된다.On the other hand, the control unit 60 is connected between the rod unit 50 and the fuel cell unit 60 to sense the voltage output from the fuel cell unit 10. At this time, if the output voltage value sensed by the controller 60 is equal to or higher than the driving voltage, the switching unit electrically cuts off the rod unit 50 from the fuel cell unit 10. ) And the fuel cell unit 10 are maintained so that a load is applied to the fuel cell unit 10.

이에 따라서, 상기 연료 전지부(10)는 로드부(50)의 부하에 해당하는 크기의 과부하를 받아 그 동작 상태를 촉진받게 된다.Accordingly, the fuel cell unit 10 receives an overload of a size corresponding to the load of the rod unit 50 to facilitate its operation.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범 위에 속하는 것은 당연하다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it belongs to the scope of the invention.

본 발명에 따르면, 상술한 문제점을 해결해서 연료전지 시스템이 복잡해지는 문제를 해결할 수가 있다. 본 발명처럼 연료전지 시스템을 구비하게 되면 부품수를 최대로 줄여 생산 단가를 낮출 수가 있으며, 나아가서는 부피를 콤팩트하게 해서 전지 모듈을 구성할 수 있으므로, 전자 장치에 쉽게 장착할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, the above-mentioned problem can be solved and the problem of complicated fuel cell system can be solved. When the fuel cell system is provided as in the present invention, the number of parts can be reduced to the maximum, thereby lowering the production cost. Furthermore, the battery module can be configured with a compact volume, so that the battery module can be easily mounted on the electronic device.

더욱이, 시스템의 초기 구동에 있어서 연료 전지의 초기 동작 상태를 셋팅함과 동시에 바로 시스템을 구동시킬 수가 있는 장점이 있다. 또한, 연료 전지가 정상적으로 동작을 하게 되면, 전원부의 동작을 정지시킴으로써 쓸데없이 낭비되는 전원을 방지할 수가 있다.Furthermore, there is an advantage in that the system can be driven immediately at the same time as the initial operation state of the fuel cell is set in the initial driving of the system. In addition, when the fuel cell operates normally, it is possible to prevent unnecessary waste of power by stopping the operation of the power supply unit.

Claims (10)

수소와 산소의 전기 화학 반응에너지를 전기 에너지로 변환시키는 연료 전지부;A fuel cell unit converting the electrochemical reaction energy of hydrogen and oxygen into electrical energy; 상기 연료 전지부의 부하로 작용하는 로드부;A rod part serving as a load of the fuel cell part; 상기 연료 전지부에서 출력되는 전압을 센싱해서 선택적으로 상기 로드부를 상기 연료 전지부와 연결하는 제어부;A controller which senses a voltage output from the fuel cell unit and selectively connects the rod unit with the fuel cell unit; 초기의 구동 전압을 상기 연료 전지부에 인가하는 전원부;A power supply unit applying an initial driving voltage to the fuel cell unit; 상기 연료 전지부 및 전원부에 각각 연결되어 이를 선택적으로 전자 장치와 연결하는 스위칭부; 및,A switching unit connected to each of the fuel cell unit and the power supply unit and selectively connecting the fuel cell unit and the power unit; And, 상기 스위칭부에 연결되어서 입력된 전압을 구동 전압으로 변환하는 변환부;A conversion unit connected to the switching unit and converting an input voltage into a driving voltage; 를 포함하는 연료전지 시스템.Fuel cell system comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제어부가 상기 연료 전지부에서 출력되는 전압이 구동 전압 이상일 때, 상기 로드부를 상기 연료 전지부와 차단하는 연료전지 시스템.And the control unit blocks the rod unit from the fuel cell unit when the voltage output from the fuel cell unit is greater than or equal to a driving voltage. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 스위칭부가 시스템의 초기 구동 시에 상기 연료 전지부를 상기 전자 장치와 차단하며, 이후에는 상기 전원부를 상기 전자 장치와 차단하는 대신에 상기 연료 전지부를 상기 전자 장치와 연결하는 연료전지 시스템.And the switching unit disconnects the fuel cell unit from the electronic device when the system is initially driven, and then connects the fuel cell unit with the electronic device instead of blocking the power supply unit from the electronic device. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 스위칭부가,The switching unit, 애노드는 각각 전원부 및 연료 전지부에 연결되고, 캐소드는 노드를 형성한 상태에서 상기 변환부에 연결되는 제1 및 제2 다이오드의 조합으로 형성되는 연료전지 시스템.An anode connected to a power supply unit and a fuel cell unit, respectively, and a cathode formed of a combination of first and second diodes connected to the conversion unit in a state of forming a node. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 4, 상기 연료 전지부가, The fuel cell unit, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부;와, 상기 전기 발생부로 수소와 산소를 공급하는 연료 공급원;을 포함해서 이루어지는 연료전지 시스템.At least one electricity generator for generating electrical energy through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen; and a fuel supply source for supplying hydrogen and oxygen to the electricity generator. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 연료 공급원은,The fuel supply source, 수소를 함유한 연료를 저장하는 연료 탱크;A fuel tank for storing fuel containing hydrogen; 상기 연료 탱크에 연결 설치되어 상기 연료를 전기 발생부로 공급하는 연료 펌프; 및A fuel pump connected to the fuel tank to supply the fuel to an electricity generator; And 상기 전기 발생부로 공기를 공급하는 공기 펌프;를 포함하는 연료전지 시스 템.A fuel cell system comprising; an air pump for supplying air to the electricity generator. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 전기 발생부가 복수로 구비되며 상기 복수의 전기 발생부에 의한 적층 구조로 이루어진 스택을 형성하는 연료전지 시스템.And a plurality of electricity generating units and forming a stack having a stacked structure formed by the plurality of electricity generating units. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 연료 공급원은, 상기 전기 발생부와 연료 탱크에 연결 설치되어 상기 연료 탱크로부터 연료를 공급받아 수소 가스를 발생시키고, 상기 수소 가스를 전기 발생부로 공급하는 개질기를 포함하는 연료전지 시스템.The fuel supply system includes a reformer connected to the electricity generator and a fuel tank to receive fuel from the fuel tank to generate hydrogen gas, and to supply the hydrogen gas to the electricity generator. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 연료 전지 시스템이, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어지는 연료전지 시스템.The fuel cell system is a fuel cell system comprising a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) method. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 연료 전지 시스템이, 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식으로 이루어지는 연료전지 시스템.The fuel cell system is a fuel cell system comprising a direct methanol fuel cell (DMFC) system.
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