KR100691077B1 - 연료전지의 구동회로 및 이를 구현하는 회로 - Google Patents

Abstract

연료전지의 전압 출력 상태를 실시간으로 파악하여 안정적인 최종 전압이 출력되는 경우에 비로서 연료전지를 부하에 연결하는 연료전지의 구동회로가 제공된다. 구체적으로는, 소정의 주기에 따라 연료전지의 출력전압을 모니터링하는 출력전압 감지부와, 상기 출력전압의 상태를 판단하기 위한 기준 전압을 출력하는 기준전압 발생부 및 상기 출력전압과 기준전압을 비교하여 안정화된 최종 상태라고 판단되는 경우 상기 전력변환기를 동작시키는 전압출력 제어부를 포함하여 이루어진다. 본 발명에 의하면 연료전지의 전압출력상태를 전압 상승, 최대전압치 도달, 전압 하강, 안정전압치 도달 등으로 구체적으로 파악할 수 있고, 이에 따라 적절한 시점에 연료전지를 작동할 수 있으므로 연료를 절감하고 작동 효율을 증대시킬 수 있다.

연료전지, 기준전압, 출력상태, 전압상태, 인에이블 신호, 전력변환기

Description

연료전지의 구동회로 및 이를 구현하는 회로 {Driving method for fuel cell and circuit implementing the same}

도 1은 일반적인 연료전지의 출력전압의 변화 추이를 그래프로 도시한 것.

도 2는 종래 연료전지 시스템의 간략 구성도.

도 3은 본 발명에 의한 구동회로가 구비된 연료전지 시스템의 간략 구성도.

도 4는 본 발명에 의한 연료전지 구동회로의 구성을 구체적으로 도시한 블럭도.

도 5는 본 발명에 의한 연료전지의 구동 원리를 설명하기 위해 연료전지의 일반적인 출력전압의 변화 추이를 그래프로 도시한 것.

본 발명은 연료전지의 출력 상태를 실시간으로 파악하여 안정적인 최종 전압이 출력되는 경우에 비로서 전력변환기를 동작시키는 연료전지의 구동회로 및 구동회로에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지(fuel cell)는 연료가 가지고 있는 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환시키는 장치로서, 재충전 없이 휴대폰을 1개월 이상 사용하거나 노트북 컴퓨터를 간단한 연료카트리지 교환만으로 연속으로 사용하게 되는 것 외에도 디지털 캠코더/카메라, 보청기, 전자식 도어록, 휴대용 전원장치 등에도 광범위하게 사용되는 등 휴대용 정보통신기기의 사용환경에 큰 변화를 가져다 줄 것으로 기대되고 있다.

이러한 연료전지는 통상 고분자 전해질 막을 중심으로 양쪽에 양극(anode)과 음극(cathode)이 부착되어 있고, 양극(산화전극 또는 연료극)에서는 연료인 수소의 전기화학적 산화가, 그리고 음극(환원전극 또는 공기극)에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기에너지가 발생하게 된다.

한편, 연료전지는 동작이 개시됨에 따라 곧바로 최종출력전압으로 유지되는 것이 아니라 화학반응의 특성상 소정의 시간동안 일정 전압치까지 상승했다가 다시 최종출력 전압치로 낮아진 후에 안정화되는 전압의 변화 추이를 보이는 특성이 있는데 이를 도 1을 참고하여 살펴보면 다음과 같다.

즉, 연료전지가 최초로 동작을 개시하는 시점(t₀)부터 최종적으로 안정화되는 시점(t₁)까지 소요되는 시간은 온도, 연료 공급량 등의 가변요소에 의해 일정치 않으며, 종래에는 일반적으로 소요될 것이라고 예측되는 소정의 시점(t₂)을 충분하게 책정하고 해당 시간 이후에 연료전지의 전력변환기 및 가스공급기 등에 출력전압을 인가하는 방식을 이용하여 연료전지 시스템의 안정화를 기했다.

그러나, 그와 같은 종래의 방식에 의하면 실제로는 이미 안정화된 최종 전압 이 출력되고 있음에도 일률적으로 미리 책정된 소정의 시간이 경과되기를 기다려야 했으므로 그만큼 연료가 불필요하게 소요되는 문제점이 있었고, 또한 그만큼의 시간동안 연료전지 시스템의 작동이 지연되는 문제점이 있었다.

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 연료전지의 출력전압을 소정의 주기로 체크하여 이를 전압 상승, 최대전압치 도달, 전압 하강, 안정전압치 도달 등의 상태로 구체적으로 파악하고 그에 따라 연료전지를 시의적절하게 작동시키기 위한 수단을 제공하는 데에 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지의 구동회로는 전력변환기를 구비하는 연료전지 시스템에 있어서, 소정의 주기에 따라 연료전지의 출력전압을 모니터링하는 출력전압 감지부와, 상기 감지된 출력전압의 상태를 판단하기 위한 하나 이상의 기준 전압을 출력하는 기준전압 발생부 및 상기 감지된 출력전압과 상기 기준전압을 비교하여 안정화된 최종 상태라고 판단되는 경우 상기 전력변환기를 동작시켜 부하에 전원이 인가되도록 하는 전압출력 제어부를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 기준전압 발생부는 최대전압에의 도달 여부를 판단하기 위한 기준전압을 발생하는 제1기준전압 발생부와, 최종전압에의 도달 여부를 판단하기 위한 기준전압을 발생하는 제2기준전압 발생부로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 전압출력 제어부는 연료전지의 전압 출력이 개시되면 제1기준전 압과 연료전지의 출력전압을 비교하는 제1비교부와, 상기 제1비교부에서 제1기준전압과 동일한 출력전압이 검출된 이후부터 제2기준전압과 연료전지의 출력전압을 비교하는 제2비교부와, 상기 제2비교부에서 제2기준전압과 동일한 출력전압이 검출되면, 연료전지의 출력단과 상기 전력변환기 사이에 위치한 스위치 및 상기 전력변환기에 인에이블 신호를 인가하는 제어신호 발생부로 이루어질 수 있다.

한편, 위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 구동방법은 전력변환기를 구비하는 연료전지 시스템에 있어서, 소정의 주기에 따라 연료전지의 출력전압을 모니터링하는 출력전압 감지단계와, 상기 출력전압의 상태를 판단하기 위한 하나 이상의 기준 전압을 출력하는 기준전압 발생단계 및 상기 출력전압과 기준전압을 비교하여 안정화된 최종 상태라고 판단되는 경우 상기 전력변환기를 동작시켜 부하에 전원이 인가되도록 하는 전압출력 제어단계를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 기준전압 발생단계는 최대전압에의 도달 여부를 판단하기 위한 기준전압을 발생하는 제1기준전압 발생단계와, 최종전압에의 도달 여부를 판단하기 위한 기준전압을 발생하는 제2기준전압 발생단계로 이루어질 수 있으며, 상기 전압출력 제어단계는 연료전지의 전압 출력이 개시되면 제1기준전압과 연료전지의 출력전압을 비교하는 제1비교단계와, 상기 제1비교단계에서 제1기준전압과 동일한 출력전압이 검출되면 그 이후부터 제2기준전압과 연료전지의 출력전압을 비교하는 제2비교단계와, 상기 제2비교단계에서 제2기준전압과 동일한 출력전압이 검출되면 연료전지의 출력단과 상기 전력변환기 사이에 위치한 스위치 및 상기 전력변환기에 인에이블 신호를 인가하는 제어신호 발생단계로 이루어질 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하되, 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.

본 발명의 이해를 돕기 위해 먼저 종래에 있어서의 연료전지 시스템의 각 구성을 간략하게 살펴보고, 그와 비교하여 해당 연료전지 시스템에 본 발명에 의한 구동회로가 추가된 경우의 특징을 살펴보기로 한다.

연료전지의 종류로는 직접메탄올연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC), 고분자전해질연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC), 붕소연료전지(Boron Fuel Cell, BFC) 등이 있으며, 여기서는 특히 직접메탄올연료전지가 사용되는 실시예에 대해 기술하기로 한다. 그러나, 본 발명의 연료전지 구동회로가 특정 연료전지의 종류에 국한되어 적용되는 것이 아니므로 반드시 본 실시예에 한정되지 아니함은 당업자에게 자명하다.

도 2는 종래의 연료전지 시스템의 구조를 간략하게 도시한 구성도이다.

도 2에 도시된 바와 같이 연료전지의 전체 구성은 전기를 발생하는 연료전지(100)의 일측에 수용액 상태의 CH₃OH를 저장하기 위한 연료탱크(200)가 구비되어 있는데, 그 연료탱크(200)와 연료전지(100)의 양극 입구부에는 연료를 공급하기 위한 연료공급라인이 연결되어 있고, 양극의 출구부와 연료탱크(200)는 연료전지(100)에 서 발전이 이루어지고난 후의 연료를 회수하기 위한 연료회수라인으로 연결되어 있으며, 상기 연료공급라인에는 연료를 펌핑하기 위한 연료펌프(300)가 설치되어 있다.

그리고 상기 연료전지(100)의 음극 입구부에는 외부 공기를 공급하기 위한 공기공급라인이 설치되어 있고, 출구부에는 발전하고난 후의 공기를 배출하기 위한 공기배출라인이 설치되어 있으며, 그 공기공급라인에는 외부공기를 펌핑하기 위한 공기공급기(500)가 설치되어 있다. 또한, 연료전지(100)의 출력단에는 연료전지(100)에서 발생되는 전력을 사용전원으로 변환하기 위한 전력변환기(400)가 설치되어 있고, 그 전력변환기(400)에서 변환된 전원은 부하에 공급된다.

상기와 같이 구성되어 있는 종래 연료전지는 기기의 동작 스위치가 온(On)되면 연료펌프(300)에서 연료탱크(200)에 저장되어 있는 수용액 상태의 CH₃OH를 펌핑하여 연료공급라인을 통해 연료전지(100)의 양극에 공급하는 한편, 공기공급기(500)를 동작시켜 공기공급라인을 통해 연료전지(100)의 음극으로 공기가 공급되도록 한다.

상기와 같이 연료전지(100)에 공급되는 수용액 상태의 CH₃OH와 공기는, 연료전지(100)의 양극에서는 수소의 전기화학적 산화가 진행되고, 음극에서는 산소의 전기화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기가 발생되는데, 이때 발생되는 전기를 집전판에서 집전하여 에너지원으로 사용하게 된다. 이 경우의 화학 반응을 식으로 도시하면 다음과 같다.

양극 : CH₃OH + H₂O -> CO₂ + 6H + 6e^- e⁰ _anode = 0.046 V

음극 : 1.5O2 + 6H⁺ + 6e^- -> 3H₂O e⁰ _cathode = 1.23 V

총 : CH₃OH + 1.5O₂ + H₂O -> CO₂ + 3H₂O e⁰ _cell = 1.18 V

한편, 상기와 같은 반응에 의해 생성되는 전기는 전력변환기(400)에서 사용전원으로 변환되고 그와 같이 변환된 전원에 의해 부하가 동작된다. 여기서 연료전지(100)의 출력단과 전력변환기(400) 사이에는 스위치(700)가 위치하여 연료전지의 출력전압이 전력변환기(400)로 입력되는 것을 제한하고 있으며, 출력 제어기(600)는 연료전지가 작동을 개시한 후 미리 정해진 소정의 시간이 경과하면 스위치(700)에 인에이블(Enable) 신호를 인가하여 출력전압이 전력변환기(400)에 입력되도록 함과 동시에, 전력변환기(400)에도 인에이블(Enable) 신호를 인가하여 입력된 전압이 사용전원으로 변환되도록 한다.

본 발명은 위와 같은 원리로 동작하는 종래의 연료전지 시스템에서, 시간이 경과함에 따라 일률적으로 연료전지를 부하에 연결시키는 출력 제어기(600) 대신, 연료전지의 출력 상태에 따라 안정화된 최종전압이 출력되는지 여부에 따라 연료전지를 부하에 연결시키기 위한 연료전지 구동회로(800)를 채택한 것이다. 본 발명에 의한 연료전지 시스템의 구성은 도 3에서 확인할 수 있다.

여기서, 본 발명에서 채택한 연료전지 구동회로(800)의 구성을 도 4의 블럭도를 참고로 하여 구체적으로 살펴보기로 한다.

출력전압 감지부(810)는 소정의 주기에 따라 연료전지의 출력전압을 모니터링하는 역할을 담당한다.

기준전압 발생부(820)는 상기 출력전압 감지부(810)에서 감지한 출력전압의 상태를 판단하기 위한 하나 이상의 기준 전압을 출력하며, 구체적으로는 최대전압에의 도달 여부를 판단하기 위한 제1기준전압을 발생하는 제1기준전압 발생부(821)와, 최종전압에의 도달 여부를 판단하기 위한 제2기준전압을 발생하는 제2기준전압 발생부(822)로 구성될 수 있다.

여기서, 제1기준전압은 연료전지의 출력전압의 최고치(Vmax)보다 소정의 크기만큼 작은 수치로 책정되고, 제2기준전압은 연료전지의 출력전압이 안정하게 되는 최종치(Vs)보다 소정의 크기만큼 큰 수치로 책정된다. 이는 출력전압이 빠른 속도로 증가 또는 하강한다는 점을 감안하여 그 최고치 또는 최종치에 이르는 시점을 어느 정도 미리 예상하여 측정하기 위함이다. 도 5는 본 발명에 의한 연료전지의 구동 원리를 설명하기 위해 연료전지의 일반적인 출력전압의 변화 추이를 그래프로 도시한 것이며 여기서 상기 제1기준전압 및 제2기준전압의 책정 수준을 확인할 수 있다.

전압출력 제어부(830)는 상기 감지된 출력전압과 상기 기준전압을 비교하여 안정화된 최종 상태라고 판단되는 경우 연료전지의 출력단과 상기 전력변환기 사이에 위치한 스위치(600) 및 상기 전력변환기(400)에 인에이블 신호를 인가하는 역할 을 담당하며, 구체적으로는 연료전지의 전압 출력이 개시되면 제1기준전압과 연료전지의 출력전압을 비교하는 제1비교부(831)와, 제1비교부(831)에서 제1기준전압과 동일한 출력전압이 검출된 이후부터 제2기준전압과 연료전지의 출력전압을 비교하는 제2비교부(832)와, 제2비교부(832)에서 제2기준전압과 동일한 출력전압이 검출되면, 연료전지의 출력단과 상기 전력변환기 사이에 위치한 스위치(600) 및 상기 전력변환기(400)에 인에이블 신호를 인가하는 제어신호 발생부(833)를 포함하여 이루질 수 있다.

이를 구체적으로 살펴보면, 제어신호 발생부(833)는 연료전지의 전압 출력이 개시되면 제1기준신호 발생부(821) 및 출력전압 감지부(810)을 기동시키고, 제1비교부(831)를 기동시킨다. 제1비교부(831)에서의 비교 결과, 출력전압이 제1기준전압보다 작은 경우 이를 전압 상승 상태로 파악하고 그 이후에 출력전압 감지부(810)에서 감지가 수행됨에 따라 재차 비교가 수행되도록 한다. 또한, 출력전압이 제1기준전압보다 크거나 같은 경우 이를 최대 전압치 도달 예정 상태 또는 최대 전압치 도달 상태로 파악하고 제1비교부(831) 및 제1기준신호 발생부(821)의 수행을 중지시키는 한편 제2비교부(832) 및 제2기준신호 발생부(822)를 기동시킨다.

이어서, 제어신호 발생부(833)는 제2비교부(832)에서의 비교 결과, 출력전압이 제2기준전압보다 큰 경우 이를 전압 하강 상태로 파악하고 그 이후에 출력전압 감지부(810)에서 감지가 수행됨에 따라 재차 비교가 수행되도록 한다. 또한, 출력전압이 제2기준전압보다 같거나 작은 경우 이를 최종 전압치 도달 상태 또는 최종 전압치 도달 예정 상태로 파악한 후 제2비교부(832) 및 제2기준신호 발생부(822)의 작동을 중지시키는 한편, 연료전지의 출력단과 상기 전력변환기 사이에 위치한 스위치(600) 및 전력변환기(400)에 인에이블 신호를 인가하여 젼력변환기(400)를 작동시키고 결과적으로 연료전지의 전원이 부하에 인가되도록 한다.

한편, 도 4에서 도시된 바와 같이 본 발명의 구동회로(800)는 종래의 연료전지 시스템에 추가되는 방식으로 구현될 수도 있다. 즉, 구동회로의 제어신호 발생부(833)는 제2비교부(832)에서의 비교 결과, 출력전압이 제2기준전압보다 같거나 작은 경우 이를 최종 전압치 도달 상태 또는 최종 전압치 도달 예정 상태로 파악한 후 제2비교부(832) 및 제2기준신호 발생부(822)의 작동을 중지시키는 한편, 종래의 출력 제어기(600)에 인에이블 신호를 인가하여 간접적으로 스위치(700) 및 전력변환기(400)에 인에이블 신호를 인가하도록 할 수도 있으며, 그 결과는 연료전지의 전원이 부하에 연결되는 것으로 동일하게 발생하게 된다.

이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며 후술되는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.

위와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면 연료전지의 출력전압을 소정의 주기로 체크하여 이를 전압 상승, 최대 전압치 도달, 전압 하강, 안정 전압치 도달 의 상태 등으로 구체적으로 파악할 수 있으므로 최적의 시기에 연료전지를 가동하 도록 제어가 가능하고, 그로 인해 결과적으로 연료를 절감하고 연료전지의 평균 가동시간을 단축할 수 있게 된다.

Claims (6)

1. 전력변환기를 구비하는 연료전지 시스템에 있어서,

   소정의 주기에 따라 연료전지의 출력전압을 모니터링하는 출력전압 감지부;

   최대전압에의 도달 여부를 판단하기 위한 기준전압을 발생하는 제1기준전압 발생부와 최종전압에의 도달 여부를 판단하기 위한 기준전압을 발생하는 제2기준전압 발생부로 이루어지는 기준전압 발생부; 및

   상기 감지된 출력전압과 상기 기준전압을 비교하여 안정화된 최종 상태라고 판단되는 경우 상기 전력변환기를 동작시켜 부하에 전원이 인가되도록 하는 전압출력 제어부;

   를 포함하여 이루어지는 연료전지의 구동회로.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 전압출력 제어부는

   연료전지의 전압 출력이 개시되면 제1기준전압과 연료전지의 출력전압을 비교하는 제1비교부와,

   상기 제1비교부에서 제1기준전압과 동일한 출력전압이 검출된 이후부터 제2기준전압과 연료전지의 출력전압을 비교하는 제2비교부와,

   상기 제2비교부에서 제2기준전압과 동일한 출력전압이 검출되면, 연료전지의 출력단과 상기 전력변환기 사이에 위치한 스위치 및 상기 전력변환기에 인에이블 신호를 인가하는 제어신호 발생부

   로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 구동회로.
4. 전력변환기를 구비하는 연료전지 시스템에 있어서,

   소정의 주기에 따라 연료전지의 출력전압을 모니터링하는 출력전압 감지단계;

   최대전압에의 도달 여부를 판단하기 위한 기준전압을 발생하는 제1기준전압 발생단계와 최종전압에의 도달 여부를 판단하기 위한 기준전압을 발생하는 제2기준전압 발생단계로 이루어지는 기준전압 발생단계; 및

   상기 출력전압과 기준전압을 비교하여 안정화된 최종 상태라고 판단되는 경우 상기 전력변환기를 동작시켜 부하에 전원이 인가되도록 하는 전압출력 제어단계;

   를 포함하여 이루어지는 연료전지의 구동방법.
5. 삭제
6. 제4항에 있어서, 상기 전압출력 제어단계는

   연료전지의 전압 출력이 개시되면 제1기준전압과 연료전지의 출력전압을 비교하는 제1비교단계와,

   상기 제1비교단계에서 제1기준전압과 동일한 출력전압이 검출되면 그 이후부터 제2기준전압과 연료전지의 출력전압을 비교하는 제2비교단계와,

   상기 제2비교단계에서 제2기준전압과 동일한 출력전압이 검출되면 연료전지의 출력단과 상기 전력변환기 사이에 위치한 스위치 및 상기 전력변환기에 인에이블 신호를 인가하는 제어신호 발생단계

   로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 구동방법.

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