KR100748527B1 - 연료전지를 이용한 직류전원 공급장치 - Google Patents

연료전지를 이용한 직류전원 공급장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지를 이용한 직류전원 공급장치에 관한 것으로, 연료전지에서 발생하는 직류전원을 일정 레벨의 직류전원으로 변환하여 직류 전원용 가전기기의 동작 전원으로 공급할 수 있도록 한 연료전지에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 연료극과 공기극을 구비하여 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 스택과; 상기 스택에서 출력되는 직류전원을 승압 또는 강압시키는 변환수단과; 상기 변환수단에서 출력되는 직류전원을, 일정 레벨의 교류 전원으로 변환하는 교류 전원 발생수단과; 상기 변환수단에서 출력되는 직류전원을, 일정레벨의 직류전원으로 변환하는 직류전원 발생수단을 포함하여 구성한다.

Description

연료전지를 이용한 직류전원 공급장치{DC POWER SUPPLY APPARATUS IN USING FUEL CELL}
도 1은 종래의 연료전지의 구조를 도시한 개략도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 이용한 직류전원 공급장치에대한 구성을 보인 블록도.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
10 : 연료공급부 20 : 개질기부
30 : 스택부 100:직류/직류변환부
200:직류/교류발생부 300:직류전원발생부
본 발명은 연료전지를 이용한 직류전원 공급장치에 관한 것으로, 특히 연료전지에서 발생하는 직류전원을 일정 레벨의 직류전원으로 변환하여 직류 전원용 가전기기의 동작 전원으로 공급할 수 있도록 한 연료전지에 관한 것이다.
현재 건물에서 사용하고 있는 전기에너지는 발전소에서 화력이나 수력 등에 의해 발전을 일으켜 발생 되는 것이다. 그리고 발전소에서 발전 된 전기에너지는 송전선을 통해 각 지역의 건물, 즉 가정으로 공급되며 그 공급되는 전기에너지로 텔레비전, 형광등, 냉장고, 에어컨 등을 작동하여 생활을 편리하고 유익하게 하고 있다.
그런데 현재 사용 중인 전기에너지를 발전소에서 얻기 위하여 발전소에서 기름이나 석탄을 연소시켜 그 열에너지를 전기에너지로 변환시켜 전기에너지를 얻게 되므로 사용되는 연료 에너지에 비해 발전 효율이 매우 낮고, 또한 그 발전소에서 발전된 전기에너지를 각 지역의 건물에 송전선을 통해 공급하는 과정에서 손실이 크게 발생되어 연료 에너지의 소모에 비해 각 건물에서 사용되는 전기에너지의 효율이 매우 낮다. 즉, 각 건물에서 사용하는 전기에너지를 얻기 위해 과다하게 많은 연료 에너지가 소모된다. 또한, 이로 인하여 많은 기름이나 석탄 등의 연료 에너지를 연소시키면서 발생되는 오염 물질에 의해 환경 오염을 유발시키게 되는 문제점이 있다.
따라서, 근래에는 에너지 효율이 우수할 뿐만 아니라 환경 친화적으로 전기에너지를 발생시키는 연료전지가 개발되고 있다. 이와 같은 연료전지는 외부로부터 연속적으로 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 연료가 가진 화학 에너지를 직접 전기에너지로 발전시키는 장치이다.
도 1은 종래의 연료전지의 구조를 도시한 개략도이다.
도면에 도시한 바와 같이, 연료전지 시스템은 일정량의 연료를 공급하는 연료공급부(10)와, 연료공급부(10)의 연료를 공급받아 수소가스와 열을 포함하는 수소부유가스를 발생시키는 개질기부(20)와, 개질기부(20)에서 발생되는 수소가스와 별도로 공급되는 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택부(30)와, 스택부(30)에서 발생된 전기를 변환시키는 전력변환기(40)로 구성되어 있다.
개질기부(20)는 연료공급부(10)를 통해 공급되는 연료가 물과 공기와 함께 유입되어 상기 연료에 함유된 황을 제거하는 탈황반응기(DS, 21)와, 연료와 수증기가 반응하는 수증기 개질반응기(SR, 22)와, 일산화탄소와 수증기가 반응하도록 하는 고온수반응기(HTS, 23)와, 일산화탄소를 이산화탄소로 변환시키는 저온수반응기(LTS, 24)와, 산화되지 않은 일산화탄소를 이산화탄소로 변환시키는 부분산화반응기(PRO, 25) 및 개질반응 그리고 수소정제반응이 일어나면서 연료로부터 수소가 생성되는 반응로(26)와, 반응로(26)에 접촉 결합되어 반응로(26)에서 필요한 열을 공급하는 버너(27)로 이루어진다.
스택부(30)는 연료극(31)과 전해질막(32) 그리고 공기극(33)을 포함하여 구성되는 단위 전지가 다수 개 적층되어 이루어지며 스택부(30)의 일측에는 전력변환기(40)가 설치되어 있는데 전력변환기(40)는 스택부(30)에서 발생 된 직류전류를 가정용으로 사용할 수 있도록 교류전류로 변환시키는 장치이다.
개질기부(20)에서 발생 된 수소 부유가스를 스택부(30)로 공급하는 공급라인(34)의 중간에는 상기 수소 부유가스가 포함하고 있는 일산화탄소의 농도를 검출할 수 있도록 농도검출센서(50)가 설치되어 있다.
도면 중 미설명 부분인 11, 13은 압축기이고 12는 공기 공급부이다.
상기한 바와 같은 구조를 갖는 종래의 연료전지의 작동은 다음과 같다.
먼저, 연료공급부(10)에서 메탄올이나 천연액화가스(일명; LNG) 또는 가솔린 등의 연료와 물을 개질기부(20)에 공급하게 되면 개질기부(20)에서 수증기 개질 반응(Steam Reforming) 및 부분 산화 반응(Partial Oxidation)이 복합적으로 일어나면서 수소가스와 반응열과 그리고 물을 포함하는 수소 부유가스를 발생시키게 된다.
상기 수소 부유가스를 공급받은 스택부(30)에서는 수소가스(H2)가 연료극(Anode; 일명, 산화전극)(31)측에 공급되어 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 수소이온 H+ 과 전자 e- 로 이온화되면서 산화된다. 이온화된 수소 이온은 전해질막(32)을 통해 공기극(Cathode; 일명, 환원 전극)(33)측으로 이동하게 되고 아울러 전자는 연료극(31)을 통해 이동하게 되어 전기와 열과 물을 발생시키게 된다. 스택부(30)에서 발생 된 전기는 전력변환기(40)에 의해 변환되면서 전기 제품을 가동시키게 된다.
상기 종래 연료전지 시스템은, 전력변환기에서 교류 전원을 발생하여 각 가정에 공급하고 있다.
그러나, 최근에는 직류전원을 사용하는 전자제품이 증가하고 있는 추세이지만, 연료전지 시스템은 교류 전원을 발생하므로, 사용자는 각 가정에서 교류 전원을 직류전원으로 변환하는 어답터를 구비해야 하는 번거로움이 있고, 또한 각 제품마다 서로 다른 직류전원을 사용하므로 각기 어답터를 구비해야 하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 연료전지 시스템에서, 가정용 교류 전원뿐만 아니라 직류전원을 발생하도록 한 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예의 장치는, 연료극과 공기극을 구비하여 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 스택과;
상기 스택에서 출력되는 직류전원을 승압 또는 강압시키는 변환수단과;
상기 변환수단에서 출력되는 직류전원을, 일정 레벨의 교류 전원으로 변환하는 교류 전원 발생수단과;
상기 변환수단에서 출력되는 직류전원을, 일정레벨의 직류전원으로 변환하는 직류전원 발생수단을 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작 및 작용을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지를 이용한 직류전원 발생장치의 구성을 보인 블록도이다.
도 2에 도시한 바와같이, 본 발명은 연료공급부(10),개질기부(20),스택부(30), 직류/직류변환부(100), 직류/교류변환부(200),직류전원발생부(300)를 포함하여 구성한다.
상기 연료공급부(10)는 메탄올이나 천연액화가스(일명; LNG) 또는 가솔린 등의 연료를 공급한다.
상기 개질기부(20)는 상기 연료공급부(10)에서 연료를 공급받아 수소가스를 포함하는 수소부유가스를 발생시킨다.
이때, 상기 개질기부(20)는 상기 연료공급부(10)를 통해 공급되는 연료가 물과 공기와 함께 유입되어 상기 연료에 함유된 황을 제거하는 탈황반응기(DS, 21)와, 연료와 수증기가 반응하는 수증기 개질반응기(SR, 22)와, 일산화탄소와 수증기가 반응하도록 하는 고온수반응기(HTS, 23)와, 일산화탄소를 이산화탄소로 변환시키는 저온수반응기(LTS, 24)와, 산화되지 않은 일산화탄소를 이산화탄소로 변환시키는 부분산화반응기(PRO, 25) 및 개질반응 그리고 수소정제반응이 일어나면서 연료로부터 수소가 생성되는 반응로(26)와, 반응로(26)에 접촉 결합되어 반응로(26)에서 필요한 열을 공급하는 버너(27)로 이루어진다.
상기 스택부(30)는 상기 개질기부(20)에서 발생되는 수소가스와 별도로 공급되는 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 발생시키는데, 이때 스택부(30)에서 발생되는 전기는 직류전원이다.
상기 직류/직류변환부(100)는 상기 스택부(30)에서 발생되는 직류전원을 일정 레벨의 직류전원으로 승압 또는 강압하여 출력한다.
상기 직류/교류 변환부(200)는 상기 직류/직류변환부(100)에서 출력되는 직류전원을, 일정 레벨의 교류전원으로 바꾸어 각 부하(가정)에 전달한다.
상기 직류전원 발생부(300)는, 본 발명에 따라, 상기 직류/직류변환부(200) 에서 출력되는 직류전원을, 일정 레벨의 직류전원으로 변환하여 출력한다.
상기 직류전원 발생부(300)는, 일실시 예로 출력단에 가변저항을 구비하고, 그 가변저항의 저항값을 가변하여 출력되는 직류전원의 레벨을 조정한다.
상기 직류전원 발생부(300)는, 다른 실시 예로, 출력단에, 서로 다른 저항값을 가지는 고정저항을 구비하고, 그 각기 다른 고정저항에 의해 다수의 서로 다른 직류전원을 출력한다.
상기 직류 전원 발생부(30)는, SMPS로 이루어진다.
상기 SMPS는 외부로부터 공급되는 전기를 컴퓨터, 컬러 텔레비전, 비디오 카트리지 녹화기(VCR), 교환기, 무선 통신 기기 등 각종 전기기기에 맞도록 변환시켜 주는 모듈형의 전원 공급 장치이다.
이러한 구성에 의하여, 연료공급부(10)에서 메탄올이나 천연액화가스(일명; LNG) 또는 가솔린 등의 연료와 물을 개질기부(20)에 공급하게 되면 개질기부(20)에서 수증기 개질 반응(Steam Reforming) 및 부분 산화 반응(Partial Oxidation)이 복합적으로 일어나면서 수소가스와 반응열과 그리고 물을 포함하는 수소 부유가스를 발생시키게 된다.
상기 수소부유가스를 공급받은 스택부(30)에서는 수소가스(H2)가 연료극(Anode; 일명, 산화전극)(31)측에 공급되어 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 수소이온 H+ 과 전자 e- 로 이온화되면서 산화된다. 이온화된 수소 이온은 전해질막(32)을 통해 공기극(Cathode; 일명, 환원 전극)(33)측으로 이동하게 되고 아울러 전자는 연료극(31)을 통해 이동하게 되어 전기와 열과 물을 발생시킨다.
이때, 상기 스택부(300는 직류전원을 발생하여 그 직류전원을 직류/직류변환부(100)에 인가한다.
이에 따라, 상기 직류/직류변환부(100)는 상기 스택부(30)에서 발생된 직류전원을 일정 레벨의 직류전원으로 승압 또는 강압하여 출력한다.
이때, 직류/교류 변환부(100)는 상기 직류/직류변환부(100)에서 출력되는 직류전원을, 일정 레벨의 교류 전원으로 바꾸어 각 부하에 전달한다.
여기서, 본 발명에 따라, 직류전원 발생부(300)는 상기 직류/직류변환부(100)에서 출력되는 직류전원을 일정 레벨의 직류전원으로 변환하여 출력함으로써, 최근에 각 가정에서 널리 사용되는 직류전원용 가전기기의 주전원으로 공급하게 된다.
상기 직류전원 발생부(300)는, 필요에 따라 직류전원을 소정 레벨로 변환하여 출력하기 위하여, 출력단에 위치한 가변저항의 저항값을 가변하여 적정한 레벨의 직류전압을 출력한다.
또한, 상기 직류전원 발생부(300)는 출력단에 병렬로 서로 다른 저항값을 가지는 고정저항을 다수 개 구비하여, 그 각기 다른 고정저항에 의해 다수의 서로 다른 직류전원을 출력하도록 함으로써, 서로 다른 동작 전원을 가진 다수의 가전제품을 사용할 수 있도록 한다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이 다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 연료전지에서 발생하는 직류전원을 일정 레벨의 직류전원으로 변환하여 직류전원용 가전기기의 동작 전원으로 공급함으로써 교류 전원 또는 직류전원을 동작 전원으로 사용하는 모든 가전기기에 적용할 수 있고, 이에 따라 연료전지의 적용 범위를 확대시키는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 연료 극과 공기 극을 구비하여 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 스택과;
    상기 스택에서 출력되는 직류전원을 승압 또는 강압시키는 변환수단과;
    상기 변환수단에서 출력되는 직류전원을, 일정 레벨의 교류 전원으로 변환하는 교류 전원 발생수단과;
    상기 변환수단에서 출력되는 직류전원을, 일정레벨의 직류전원으로 변환하는 직류전원 발생수단을 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 직류전원 발생장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 직류전원 발생수단은,
    출력단에 가변저항을 구비하고, 그 가변저항의 저항값을 가변하여 출력되는 직류전원의 레벨을 조정하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 직류전원 발생장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 직류전원 발생수단은,
    SMPS인 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 직류전원 발생장치.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 직류전원 발생수단은
    출력단에, 서로 다른 저항값을 가지는 고정저항을 구비하고, 그 각기 다른 고정저항에 의해 다수의 서로 다른 직류전원을 발생하는 것을 특징으로 하는 직류전원 발생장치.
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