KR100927697B1 - 수소 발생 장치, 연료전지 발전 시스템, 수소 발생량 조절방법 및 이를 수행하는 프로그램이 기록된 기록 매체 - Google Patents

수소 발생 장치, 연료전지 발전 시스템, 수소 발생량 조절방법 및 이를 수행하는 프로그램이 기록된 기록 매체 Download PDF

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Abstract

연료 전지에 공급되는 수소의 발생량 조절이 가능한 수소 발생 장치가 개시된다. 일 실시예에 따른 수소 발생 장치는 수소 이온을 포함하는 전해질 수용액을 담고 있는 전해조; 상기 전해조 내부에 위치하며 상기 전해질 수용액에 담겨져 있고, 전자를 발생시키는 제1 전극; 상기 전해조 내부에 위치하며 상기 전해질 수용액에 담겨져 있고, 상기 전자를 받아 수소를 발생시키는 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 스위치; 상기 제2 전극에서의 수소 발생량을 측정하는 유량 측정기; 설정치를 입력받고, 상기 유량 측정기에서 측정된 상기 수소 발생량과 상기 설정치를 비교하여 상기 스위치의 온오프를 제어하는 스위치 제어부를 포함한다. 스위치의 온오프 시간 및/또는 온오프 주파수를 이용하여 수소 발생량을 조절할 수 있다.
Figure R1020070085142
수소, 발생, 연료전지, 조절

Description

수소 발생 장치, 연료전지 발전 시스템, 수소 발생량 조절 방법 및 이를 수행하는 프로그램이 기록된 기록 매체{Hydrogen generating apparatus, Fuel cell power generation system, Method of controlling hydrogen generating quantity and Recorded medium recorded program performing the same}
본 발명은 수소 발생 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료 전지에 공급되는 수소의 발생량 조절이 가능한 수소 발생 장치에 관한 것이다.
연료전지란 연료(수소, LNG, LPG, 메탄올 등)와 공기의 화학 에너지를 전기 화학적 반응에 의해 전기 및 열로 직접 변환시키는 장치이다. 기존의 발전기술이 연료의 연소, 증기 발생, 터빈 구동, 발전기 구동 과정을 취하는 것과 달리 연소 과정이나 구동 장치가 없으므로 효율이 높을 뿐만 아니라 환경문제를 유발하지 않는 새로운 개념의 발전 기술이다.
도 1은 연료전지의 작동원리를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 연료전지(100)의 연료극(110)은 애노드(anode)이고, 공기 극(130)은 캐소드(cathode)이다. 연료극(110)은 수소(H2)를 공급받아 수소 이온(H+)와 전자(e-)로 분해된다. 수소 이온은 멤브레인(120)을 거쳐 공기극(130)으로 이동한다. 멤브레인(120)은 전해질층에 해당한다. 전자는 외부 회로(140)를 거쳐 전류를 발생시킨다. 그리고 공기극(130)에서 수소 이온과 전자, 그리고 공기 중의 산소가 결합하여 물이 된다. 상술한 연료전지(100)에서의 화학 반응식은 하기의 화학식 1과 같다.
연료극(110): H2 → 2H+ + 2e-
공기극(130): 1/2 O2 + 2H+ + 2e- → H20
전반응: H2 + 1/2 O2 → H20
즉, 연료극(110)에서 분리된 전자가 외부 회로를 거쳐 전류를 발생시킴으로써 전지의 기능을 수행하게 된다. 이러한 연료전지(100)는 SOx와 NOx 등의 대기오염물질을 거의 배출하지 않고 이산화탄소의 발생도 적어 무공해 발전이며, 저소음, 무진동 등의 장점이 있다.
연료전지(100)는 연료극(110)에서 전자를 발생시키기 위하여 수소를 함유한 일반연료로부터 연료전지(100)가 요구하는 수소를 많이 포함하는 가스로 변화시키는 수소 발생 장치를 필요로 한다. 하지만, 수소 발생 장치로 일반적으로 알려져 있는 수소 저장 탱크 등을 이용하면 부피가 커지고, 보관에 위험이 따른다. 또한, 최근 각광받는 휴대용 전자 기기(휴대폰, 노트북 등)가 고용량의 전원 공급 장치를 요구함에 따라 연료전지는 이러한 요구를 맞추어 줄 수 있으며, 부피가 작고 높은 성능을 가질 필요가 있다.
ICAO(International Civil Aviation Organization)에서 비행기 반입이 승인된 메탄올이나 개미산 등을 이용하여 연료를 개질하고 수소를 발생시키거나, 직접 메탄올이나 에탄올, 개미산 등을 연료전지에서 직접 연료로 사용하는 방식이 사용된다.
하지만, 전자는 높은 개질 온도가 요구되며, 시스템이 복잡해지고, 구동 전력이 소모되어 순수 수소 이외에 불순물들(CO2, CO)이 포함되는 문제점이 있다. 그리고 후자는 낮은 양극 화학 반응과 탄화수소(hydrocarbon)의 멤브레인을 통한 크로스 오버(cross-over)에 의해 전력 밀도가 매우 낮아진다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 전기화학적 반응을 이용하여 순수 수소를 실온에서 생성시킬 수 있는 수소 발생 장치, 연료전지 발전 시스템, 수소 발생량 조절 방법 및 이를 수행하는 프로그램이 기록된 기록 매체를 제공한다.
또한, 본 발명은 간단한 구조의 시스템을 가지면서 별도의 BOP(Balance of Plant) 없이도 수소의 발생량 제어가 가능한 수소 발생 장치, 연료전지 발전 시스템, 수소 발생량 조절 방법 및 이를 수행하는 프로그램이 기록된 기록 매체를 제공한다.
또한, 본 발명은 비용이 저렴하며 친환경적인 수소 발생 장치, 연료전지 발전 시스템, 수소 발생량 조절 방법 및 이를 수행하는 프로그램이 기록된 기록 매체를 제공한다.
또한, 본 발명은 스위치의 온오프 시간 및/또는 온오프 주파수를 이용하여 수소 발생량을 조절할 수 있는 수소 발생 장치, 연료전지 발전 시스템, 수소 발생량 조절 방법 및 이를 수행하는 프로그램이 기록된 기록 매체를 제공한다.
또한, 본 발명은 스위치를 단순히 온 시킴으로써 남는 수소를 공기 중에 흘려 버리는 연료의 낭비나 위험성을 제거하며, 기체 펌프나 액체 펌프를 사용하지 않음으로 소음 발생 및 전력 소모를 줄일 수 있는 수소 발생 장치, 연료전지 발전 시스템, 수소 발생량 조절 방법 및 이를 수행하는 프로그램이 기록된 기록 매체를 제공한다.
또한, 본 발명은 피드백 제어를 이용하여 연료전지에 연결된 부하의 요구에 따라 생성량 조절이 가능한 수소 발생 장치를 제공한다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 수소 발생량의 조절이 가능한 수소 발생 장치가 제공된다.
일 실시예에 따른 수소 발생 장치는, 전해질 수용액을 담고 있는 전해조; 상기 전해조 내부에 위치하며 상기 전해질 수용액에 담겨져 있고, 전자를 발생시키는 제1 전극; 상기 전해조 내부에 위치하며 상기 전해질 수용액에 담겨져 있고, 상기 전자를 받아 수소를 발생시키는 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 스위치; 상기 제2 전극에서의 수소 발생량을 측정하는 유량 측정기; 및 설정치를 입력받고, 상기 유량 측정기에서 측정된 상기 수소 발생량과 상기 설정치를 비교하여 상기 스위치의 온오프를 제어하는 스위치 제어부를 포함한다.
여기서, 상기 스위치 제어부는 입력장치를 통해 사용자로부터 또는 상기 수소 발생 장치에 결합된 연료전지로부터 필요로 하는 수소량에 상응하는 상기 설정치를 입력받을 수 있다.
그리고 상기 제1 전극은 상기 제2 전극에 비하여 상대적으로 이온화 경향이 큰 금속으로 이루어질 수 있다.
상기 유량 측정부는 상기 수소 발생량을 유량(flow rate) 단위로 측정할 수 있다.
또한, 상기 스위치 제어부는 상기 스위치를 온오프시키는 스위치 제어 신호를 생성하여 출력하되, 상기 스위치 제어부는 상기 스위치 제어 신호의 듀티비(duty ratio)를 변화시켜 한 주기 내에서 상기 스위치의 온오프 비율을 결정할 수 있다. 상기 스위치 제어부는 상기 스위치 제어 신호의 온오프 주파수를 변화시켜 상기 수소 발생량의 미세 변동을 제어할 수 있다.
상기 스위치 제어부는 상기 설정치와 측정된 상기 수소 발생량을 비교하여, 상기 수소 발생량이 상기 설정치보다 작은 경우 상기 듀티비를 증가시키고, 상기 수소 발생량이 상기 설정치보다 큰 경우 상기 듀티비를 감소시키며, 상기 수소 발생량이 상기 설정치와 동일한 경우 상기 듀티비를 유지시킬 수 있다.
또는 상기 설정치는 상한 설정치와 하한 설정치를 포함하고, 상기 스위치 제어부는 상기 설정치와 측정된 상기 수소 발생량을 비교하여, 상기 수소 발생량이 상기 하한 설정치보다 작은 경우 상기 듀티비를 증가시키고, 상기 수소 발생량이 상기 상한 설정치보다 큰 경우 상기 듀티비를 감소시키며, 상기 수소 발생량이 상기 하한 설정치와 상기 상한 설정치 사이인 경우 상기 듀티비를 유지시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 수소 발생량의 조절이 가능한 수소 발생 장치를 포함하는 연료전지 발전 시스템이 제공된다.
일 실시예에 따른 연료전지 발전 시스템은, 전극 사이에 연결된 스위치의 온오프를 제어하여 수소 발생량을 조절하는 수소 발생 장치; 상기 수소 발생 장치에 서 생성된 수소를 공급받고, 상기 수소의 화학에너지를 전기에너지로 변환하여 직류 전류를 생산하는 연료전지; 및 상기 전기에너지를 공급받고 미리 설정된 동작을 수행하는 부하(load)를 포함한다.
여기서, 상기 수소 발생 장치는, 수소 이온을 포함하는 전해질 수용액을 담고 있는 전해조와, 상기 전해조 내부에 위치하며 상기 전해질 수용액에 담겨져 있고, 전자를 발생시키는 제1 전극과, 상기 전해조 내부에 위치하며 상기 전해질 수용액에 담겨져 있고, 상기 전자를 받아 수소를 발생시키는 제2 전극과, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 스위치와, 그리고 상기 부하로부터 요구 전력을 입력받고, 상기 연료전지의 출력을 측정하여 상기 요구 전력과 상기 출력을 비교하여 상기 스위치의 온오프를 제어하는 스위치 제어부를 포함할 수 있다. 상기 제1 전극은 상기 제2 전극에 비하여 상대적으로 이온화 경향이 큰 금속으로 이루어질 수 있다.
상기 스위치 제어부는 상기 스위치를 온오프시키는 스위치 제어 신호를 생성하여 출력하되, 상기 스위치 제어부는 상기 스위치 제어 신호의 듀티비를 변화시켜 한 주기 내에서 상기 스위치의 온오프 비율을 결정할 수 있다. 그리고 상기 스위치 제어부는 상기 스위치 제어 신호의 온오프 주파수를 변화시켜 상기 수소 발생량의 미세 변동을 제어할 수 있다.
상기 스위치 제어부는 상기 요구 전력과 상기 출력을 비교하여, 상기 출력이 상기 요구 전력보다 큰 경우 상기 듀티비를 감소시키고, 상기 출력이 상기 요구 전력보다 작은 경우 상기 듀티비를 증가시키며, 상기 출력이 상기 요구 전력과 동일 한 경우 상기 듀티비를 유지시킬 수 있다.
다른 실시예에 따른 연료전지 발전 시스템은, 상기 연료전지와 상기 부하 사이에 결합되고, 상기 연료전지로부터 상기 전기에너지를 공급받아 충전하고, 상기 부하가 필요로 하는 경우 충전된 상기 전기에너지를 제공하는 충전지를 더 포함한다.
여기서, 상기 수소 발생 장치는, 전해질 수용액을 담고 있는 전해조와, 상기 전해조 내부에 위치하며 상기 전해질 수용액에 담겨져 있고, 전자를 발생시키는 제1 전극과, 상기 전해조 내부에 위치하며 상기 전해질 수용액에 담겨져 있고, 상기 전자를 받아 수소를 발생시키는 제2 전극과, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 스위치와, 그리고 상기 충전지의 현재 전압을 측정하고, 상기 충전지의 완충 전압과 비교하여 상기 스위치의 온오프를 제어하는 스위치 제어부를 포함할 수 있다. 상기 제1 전극은 상기 제2 전극에 비하여 상대적으로 이온화 경향이 큰 금속으로 이루어질 수 있다.
상기 스위치 제어부는 상기 스위치를 온오프시키는 스위치 제어 신호를 생성하여 출력하되, 상기 스위치 제어부는 상기 스위치 제어 신호의 듀티비를 변화시켜 한 주기 내에서 상기 스위치의 온오프 비율을 결정할 수 있다. 상기 스위치 제어부는 상기 스위치 제어 신호의 온오프 주파수를 변화시켜 상기 수소 발생량의 미세 변동을 제어할 수 있다.
여기서, 상기 스위치 제어부는 상기 현재 전압과 상기 완충 전압을 비교하여, 상기 현재 전압이 상기 완충 전압보다 작은 경우 상기 듀티비를 증가시키고, 상기 현재 전압이 상기 완충전압보다 크거나 같은 경우 상기 듀티비를 최소화시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극 사이에 위치한 스위치의 온오프를 제어하여 수소 발생량을 조절하는 수소 발생 장치의 수소 발생량 조절 방법이 제공된다.
일 실시예에 따른 수소 발생량 조절 방법은, 설정치를 입력받는 단계; 측정된 수소 발생량과 상기 설정치를 비교하는 단계; 및 상기 수소 발생량이 상기 설정치보다 작은 경우 스위치 제어 신호의 듀티비를 증가시키고, 상기 수소 발생량이 상기 설정치보다 큰 경우 상기 스위치 제어 신호의 듀티비를 감소시키고, 상기 수소 발생량이 상기 설정치와 동일한 경우 상기 스위치 제어 신호의 듀티비를 유지시키는 단계-여기서, 상기 스위치 제어 신호는 상기 듀티비에 따라 한 주기 내에서의 상기 스위치의 온오프를 제어함-를 포함한다.
다른 실시예에 따른 수소 발생량 조절 방법은, 상한 설정치와 하한 설정치를 입력받는 단계; 측정된 수소 발생량과 상기 상한 설정치 및 상기 하한 설정치를 비교하는 단계; 및 상기 수소 발생량이 상기 하한 설정치보다 작은 경우 스위치 제어 신호의 듀티비를 증가시키고, 상기 수소 발생량이 상기 상한 설정치보다 큰 경우 상기 스위치 제어 신호의 듀티비를 감소시키고, 상기 수소 발생량이 상기 하한 설정치와 상기 상한 설정치 사이인 경우 상기 스위치 제어 신호의 듀티비를 유지시키는 단계-여기서, 상기 스위치 제어 신호는 상기 듀티비에 따라 한 주기 내에서의 상기 스위치의 온오프를 제어함-를 포함한다.
또 다른 실시예에 따른 수소 발생량 조절 방법은, 부하에 전기에너지를 제공하는 연료전지에 연결되어 전극 사이에 위치한 스위치의 온오프를 제어하여 상기 연료전지에 공급하는 수소의 발생량을 조절하되, 상기 연료전지의 출력을 측정하고, 상기 부하의 요구전력을 입력받는 단계; 상기 출력과 상기 요구 전력을 비교하는 단계; 및상기 출력이 상기 요구 전력보다 큰 경우 스위치 제어 신호의 듀티비를 감소시키고, 상기 출력이 상기 요구 전력보다 작은 경우 상기 스위치 제어 신호의 듀티비를 증가시키며, 상기 출력이 상기 요구 전력과 동일한 경우 상기 스위치 제어 신호의 듀티비를 유지시키는 단계-여기서, 상기 스위치 제어 신호는 상기 듀티비에 따라 한 주기 내에서의 상기 스위치의 온오프를 제어함-를 포함한다.
또 다른 실시예에 따른 수소 발생량 조절 방법은, 충전지에 전기에너지를 충전하는 연료전지에 연결되어 전극 사이에 위치한 스위치의 온오프를 제어하여 상기 연료전지에 공급하는 수소의 발생량을 조절하되, 상기 충전지의 현재 전압을 측정하는 단계; 상기 현재 전압과 상기 충전지의 완충 전압을 비교하는 단계; 및 상기 현재 전압이 상기 완충 전압보다 작은 경우 스위치 제어 신호의 듀티비를 증가시키고, 그 외의 경우 상기 스위치 제어 신호의 듀티비를 최소화시키는 단계-여기서, 상기 스위치 제어 신호는 상기 듀티비에 따라 한 주기 내에서의 상기 스위치의 온오프를 제어함-를 포함한다.
본 발명에 따른 수소 발생 장치는 별도의 소비 전력을 소모하고 소형화가 힘 든 BOP 유닛 대신에 친환경적인 물질을 이용하여 수소를 발생시킬 수 있다.
또한, 전기화학적 반응을 이용하여 순수 수소를 실온에서 생성시킬 수 있으며, 간단한 구조의 시스템을 가지고, 비용이 저렴하다.
또한, 종래 수소가 일정량만큼만 발생되던 것과는 달리 사용자 또는 연료전지에서의 요구에 따라 전극 사이의 전류량을 조절함으로써 발생되는 수소량을 조절할 수 있다. 이로 인해 소비 전력이 수시로 변화하는 모발용 기기 등의 제품에서도 연료전지의 사용이 가능하도록 한다.
또한, 스위치의 온오프 시간 및/또는 온오프 주파수를 이용하여 수소 발생량을 조절할 수 있다. 스위치를 단순히 온 시킴으로써 남는 수소를 공기 중에 흘려 버리는 연료의 낭비나 위험성을 제거하며, 기체 펌프나 액체 펌프를 사용하지 않음으로 소음 발생 및 전력 소모를 줄일 수 있다.
또한, 스위치 제어부를 연료전지의 제어 회로와 동시에 사용가능하게 함으로써 수소 발생 장치를 포함하는 연료전지 발전 시스템에서 제어부가 하나로 원칩화되어 소형화가 가능하며, 제조가 용이하다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것 으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 개략적인 단면도이다.
수소 발생 장치(200)는 전해조(210), 제1 전극(220), 제2 전극(230) 및 제어부(240)를 포함한다. 이하에서는 본 발명의 이해와 설명의 편의를 위하여 제1 전극(220)이 마그네슘(Mg)으로, 제2 전극(230)이 스테인리스 스틸(Stainless Steel)로 구성된 것을 중심으로 설명하기로 한다.
전해조(210)는 내부에 전해질(electrolyte) 수용액(215)을 담고 있다. 전해질 수용액(215)은 수소 이온을 포함하고 있으며, 수소 발생 장치(200)는 전해질 수용액(215)에 포함된 수소 이온을 이용하여 수소 가스를 발생시키게 된다.
전해질 수용액(215)에서 LiCl, KCl, NaCl, KNO3, NaNO3, CaCl2, MgCl2, K2SO4, Na2SO4, MgSO4, AgCl 등이 전해질로 사용될 수 있다.
또한, 전해조(210)는 내부에 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)이 배치되어 있다. 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)은 전체 또는 그 일부가 전해질 수용액 내에 담겨져 있다.
제1 전극(220)은 활성 전극이다. 제1 전극(220)에서는 마그네슘(Mg) 전극과 물(H20)의 이온화 에너지의 차이 때문에 마그네슘 전극이 물 속에서 전자(e-)를 내어 놓으며 마그네슘 이온(Mg2+)으로 산화된다. 이 때 생성되는 전자는 제1 전선(225), 제어부(240) 및 제2 전선(235)를 통해 제2 전극(230)으로 이동하게 된다.
제2 전극(230)은 비활성 전극이다. 제2 전극(230)에서는 물이 제1 전극(220)으로부터 이동한 전자를 받아 수소로 분해된다.
상술한 화학 반응식을 하기의 화학식 2와 같다.
제1 전극(220): Mg → Mg2+ + 2e-
제2 전극(230): 2H20 + 2e- → H2 + 2(OH)-
전반응: Mg + 2H2O → Mg(OH)2 + H2
상술한 화학 반응은 여러 요소들에 의해 반응 속도 및 반응 효율이 결정된 다. 반응 속도를 결정짓는 요소로는 제1 전극(220) 및/또는 제2 전극(230)의 전극 면적, 전해질 수용액(215)의 농도, 전해질 수용액(215)의 종류, 제1 전극(220) 및/또는 제2 전극(230)의 개수, 제1 전극(220)과 제2 전극(230) 사이의 연결 방법, 제1 전극(220)과 제2 전극(230) 사이의 전기적 저항 등이 있다.
상술한 요소들을 변화시키면, 반응 조건에 따라 제1 전극(220)과 제2 전극(230) 사이에 흐르는 전류의 양(즉, 전자의 양)이 달라지면서, 화학식 2와 같은 전기화학적 반응 속도가 달라지게 된다. 전기화학적 반응 속도가 달라지게 되면 제2 전극(230)에서 발생되는 수소의 양로 변화하게 된다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 제1 전극(220)과 제2 전극(230) 사이에 흐르는 전류의 양을 조절하여 생성되는 수소의 양을 조절하는 것이 가능하게 된다. 이는 하기의 수학식 1에서 나타낸 것과 같이 패러데이 법칙(Faraday's law)에 의해 원리적으로 설명될 수 있다.
Figure 112007061246112-pat00001
여기서, Nhydrogen은 1초에 생성되는 수소의 양(mol)이고, Vhydrogen은 1분 동안 생성되는 수소의 부피(ml/min)이다. i는 전류(C/s), n은 반응 전자의 개수, E는 전자 1몰당 전하(C/mol)를 나타낸다.
상기한 화학식 2를 참조하면, 제2 전극(230)에서 수소 전자 2개가 반응하므로, n은 2이고, 전자 1몰의 전하는 약 -96485 쿨롱이다.
1분 동안 생성되는 수소의 부피는 1초에 생성되는 수소의 양에 시간(60 초)과, 수소 1몰의 부피(22400 ml)를 곱하여 산출할 수 있다.
만약 연료전지가 2W 시스템에서 사용되는 경우 연료전지를 0.6V 및 상온에서 구동 시킬 때의 수소 이용률을 약 60%라고 가정하면, 수소 요구량은 42 ml/mol 정도이고 6 A의 전류가 필요하게 된다. 그리고 연료전지가 5W 시스템에서 사용되는 경우, 수소 요구량은 105 ml/mol 정도이고 15 A의 전류가 필요하게 된다.
이와 같이 수소 발생 장치(200)는 제1 전극(220)과 연결된 제1 전선(225) 및 제2 전극(230)과 연결된 제2 전선(235)을 흐르는 전류의 양을 조절함으로써 후단에 연결되는 연료전지에서 필요로 하는 만큼의 수소를 발생시키는 것이 가능하게 된다.
수소 발생 장치(200)의 제2 전극(230)에서 수소를 발생시키는 반응 속도를 결정짓는 상술한 요소들 중에서 제1 전극(220)과 제2 전극(230) 사이의 전기적 저항을 제외한 나머지 요소들은 수소 발생 장치(200)를 구성할 때 결정되는 요소로, 이후 그 요소를 변화시키는 것이 용이하지 않다.
따라서, 본 발명의 실시예에서 수소 발생 장치(200)는 제1 전극(220)과 제2 전극(230)을 연결하는 제1 전선(225)과 제2 전선(235) 사이에 제어부(240)를 두어, 제1 전극(220)과 제2 전극(230)의 전기적 저항을 조절한다.
즉, 상술한 수학식 1에 기초하여 제1 전극(220)과 제2 전극(230) 사이의 전기적 저항을 변화시킴으로써 제1 전극(220)과 제2 전극(230) 사이에 흐르는 전류의 크기를 조절하고 연료전지에서 필요로 하는 만큼의 수소를 발생시키는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 실시예에서, 제1 전극(220)은 마그네슘 이외에 알루미늄(Al), 아연(Zn) 등의 알칼리 금속 계열의 원소, 철(Fe) 등 상대적으로 이온화 경향이 큰 금속으로 이루어질 수 있다. 그리고 제2 전극(230)은 스테인리스 스틸 이외에 백금(Pt), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 철(Fe) 등으로 제1 전극(220)을 이루는 금속과 비교할 때 상대적으로 이온화 경향이 작은 금속으로 이루어질 수 있다.
제어부(240)는 전기화학적 반응에 의해 제1 전극(220)에서 생성된 전자를 제2 전극(230)으로 전달하는 속도, 즉 전류량을 조절한다.
제어부(240)는 연료전지와 연결된 부하(Load)로부터 필요로 하는 전력을 전달받고, 필요로 하는 전력에 따라 제1 전극(220)에서 제2 전극(230)으로 흐르는 전자의 양을 그대로 유지하거나 증가 또는 감소시킨다.
예를 들어, 도 3에 도시된 것과 같이 핸드폰의 전력 소모량을 참조하여 설명하기로 한다. 도 3은 핸드폰의 전력 소모량을 나타낸 그래프이다.
핸드폰은 현재 동작하는 키나 메뉴 선택 등에 따라 사용 용도가 달라지게 되며, 그에 따라 전력 소모량이 달라진다.
301은 번호를 누르고 전화를 요청하는 경우이고, 302는 상대방이 전화를 받을 때까지 통화 연결음을 듣고 있는 경우이며, 303은 통화가 연결되어 상대방과 통화를 하는 경우이고, 304는 통화를 끝낸 경우이며, 305는 통화 요금 메시지를 전송하는 경우를 나타낸다. 각 경우마다 핸드폰은 내부에서 동작하는 부품 등이 서로 차이가 나서 도 3에 도시된 것과 같이 전력 소모량이 수시로 변화하게 된다.
따라서, 제어부(240)는 도 3에 도시된 핸드폰과 같은 부하로부터 현재 필요로 하는 전력을 피드백으로 전달받고, 그에 따라 필요한 만큼의 수소를 발생시킴으로써 연료전지에 연결된 부하에 충분한 전력이 제공하도록 한다.
또는 수소 발생 장치는 별도의 입력 장치를 구비하여 사용자로부터 직접 필요로 하는 전력 또는 수소량을 입력받을 수도 있다.
본 발명에서 제1 전극(220) 및/또는 제2 전극(230)은 하나 또는 둘 이상일 수 있다. 제1 전극(220) 및/또는 제2 전극(230)의 개수가 증가하는 경우 동일 시간 동안 수소 발생량은 증가하게 되며, 보다 짧은 시간 내에 원하는 수소를 발생시키는 것이 가능하게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치(200)에서 제1 전극(220)과 제2 전극(230) 사이에 흐르는 전류의 양과 발생되는 수소의 양 간의 관계를 나타낸 그래프이다. 여기서, 발생되는 수소의 양은 1분 단위로 산출된 유량(flow rate)이다. 이는 연료전지에서 사용될 경우 수소의 총 발생량이 아닌 수소의 유량이 중요한 값이기 때문이다.
실험조건은 하기와 같다.
제1 전극(220): 마그네슘(Mg)
제2 전극(230): 스테인리스 스틸(Stainless Steel)
전극 사이의 거리: 3 mm
전해질 종류 및 농도: 30wt% KCl
전극 사용 개수: 마그네슘 3ea, 스테인리스 스틸 3ea
전극 연결 방식: 직렬 연결
전해질 수용액 부피: 60ml (excessive condition)
전극 크기: 24 mm × 85 mm × 1 mm
상술한 실험조건은 이하 본 발명을 설명하기 위해 참조되는 모든 그래프에 동일하게 적용되었다.
단, 도 4에 도시된 그래프를 얻기 위한 실험에서 한 쌍의 전극이 아닌 세 쌍의 전극을 사용하였기 때문에, 각 쌍의 전극들 상호 간의 교호 작용으로 인해 수소의 유량은 한 쌍의 전극 만을 사용한 경우의 이론치(상술한 수학식 1에 기초한 값)보다 더 큰 값을 가지게 되었다.
하지만, 도 4를 참조하여도 제1 전극(220)과 제2 전극(230) 사이에 흐르는 전류량에 의해 발생되는 수소의 유량(ml/min)이 결정됨을 확인할 수 있다. 그래프 상으로는 거의 선형적인 특성을 가짐을 알 수 있으며, 이는 상술한 수학식 1과 동일한 결과이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치(200)의 제어부(240)의 개략적인 구성도이다.
제어부(240)는 유량 측정기(510), 스위치 제어부(520) 및 스위치(530)를 포함한다.
유량 측정기(510)는 수소 발생 장치(200)의 제2 전극(230)에서 생성된 수소의 발생량을 유량(flow rate) 단위로 측정한다. 상술한 것과 같이 본 발명의 실시예에 따른 수소 발생 장치(200)를 연료전지에 결합시켜 사용하기 위해서는 수소의 총 발생량이 아닌 일정 시간 동안 소정의 수소 발생량이 유지되어야 하므로, 수소의 발생량을 유량 단위, 즉 ml/min 단위로 측정한다. 물론 이외에도 유량을 측정할 수 있다면 다른 측정 단위를 이용하는 것도 가능하다.
스위치 제어부(520)는 수소 발생량과 관련된 설정치를 입력받는다. 수소 발생 장치(200)가 별도의 입력부(미도시)를 구비하고 있어 사용자로부터 직접 입력받을 수 있다. 또는 수소 발생 장치(200)가 결합된 연료전지가 전력을 제공하는 부하로부터 필요로 하는 전력을 입력받을 수 있다. 후자의 경우 부하에는 수소 발생 장치(200)에 필요로 하는 전력을 전달하기 위한 전력 요구부가 별도로 구비될 수 있다.
스위치 제어부(520)는 입력된 설정치와, 유량 측정기(510)에서 측정한 수소의 발생량을 비교한다. 수소의 발생량이 설정치보다 작은 경우 수소 발생량을 증가시키도록 스위치(530)를 제어하고, 수소의 발생량이 설정치보다 많은 경우 수소 발생량을 감소시키도록 스위치(530)를 제어한다. 스위치(530)의 제어는 스위치 제어부(520)가 스위치(530)의 온/오프를 제어할 수 있도록 하는 스위치 제어 신호에 의 하는 것으로 가정한다.
스위치(530)는 제1 전극(220)과 제2 전극(230) 사이에 구비되며, 스위치(530)가 온(on) 되는 경우에 제1 전극(220)에서 발생한 전자를 제2 전극(230)으로 이동시키고, 오프(off) 되는 경우에 제1 전극(220)에서 발생한 전자가 제2 전극(230)으로 이동되지 못하도록 한다.
즉, 제어부(240)는 스위치(530)를 이용하여 제1 전극(220)으로부터 제2 전극(230)으로의 전자 이동 가부를 조정하여 수소 발생량을 조절한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 발생 장치(200)의 제어부(240) 및 결합된 연료전지와 부하로 구성되는 연료전지 발전 시스템의 개략적인 구성도이다.
제어부(240)는 스위치 제어부(610) 및 스위치(530)를 포함한다. 여기서, 스위치(530)는 앞서 도 5를 참조하여 설명한 것과 동일한 기능을 수행하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
스위치 제어부(610)는 연료전지(100)가 전력을 제공하는 부하(620)와 연결된다. 앞서 설명한 것과 같이, 부하(620)는 현재 동작 상태에 따라 필요로 하는 전력이 차이가 나게 된다(도 3 참조). 따라서, 스위치 제어부(610)는 부하(620)의 현재 동작 상태에 따라 필요로 하는 요구 전력을 입력받는다.
그리고, 스위치 제어부(610)는 연료전지(100)에 연결되어 연료전지(100)의 출력을 입력받는다. 연료전지(100)의 출력이라 함은, 예를 들어, 수소 발생 장치(200)로부터 발생한 수소를 공급받은 연료전지(100)가 부하(620)에 제공하는 전 력을 의미한다. 상술한 것과 같이 본 발명의 실시예에 따른 수소 발생 장치(200)를 연료전지에 결합시켜 사용하기 위해서는 수소의 총 발생량이 아닌 일정 시간 동안 소정의 수소 발생량이 유지되어야 하므로, 수소의 발생량에 따른 연료전지(100)의 전력을 와트(W) 단위로 입력받는다. 또는 스위치 제어부(610)는 연료전지(100)의 전압(voltage)을 측정하고, 저항을 이용하여 전력으로 환산한다. 이외에도 최종적으로 전력을 산출할 수 있다면 다른 측정 단위를 이용하는 것도 가능하다.
스위치 제어부(610)는 연료전지(100)의 출력과, 부하(620)가 필요로 하는 요구 전력을 비교한다. 연료전지(100)의 출력이 요구 전력보다 작은 경우 수소 발생량을 증가시키도록 스위치(530)의 온/오프 시간을 가변시키고, 연료전지(100)의 출력이 요구 전력보다 많은 경우 수소 발생량을 감소시키도록 스위치(530)의 온/오프 시간을 가변시킨다. 연료전지(100)의 출력이 요구 전력과 비교할 때 일정 오차 범위 이내이면 현재의 수소 발생량을 유지하도록 한다. 이는 스위치 제어부(610)가 스위치(530)의 온/오프 시간을 제어할 수 있도록 하는 스위치 제어 신호에 의하는 것으로 가정한다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소 발생 장치(200)의 제어부(240) 및 결합된 연료전지와 부하로 구성되는 연료전지 발전 시스템의 개략적인 구성도이다.
제어부(240)는 스위치 제어부(710) 및 스위치(530)를 포함한다. 여기서, 스위치(530)는 앞서 도 5를 참조하여 설명한 것과 동일한 기능을 수행하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 7에 도시된 연료전지 발전 시스템은 도 6에 도시된 연료전지 발전 시스템과 비교할 때 충전지(700)를 더 구비하고 있다. 연료전지(100)는 응답성이 느리기 때문에 부하(620)에서 피크 전력(peak power)을 요구하는 경우 순간적으로 대처가 불가능하다. 따라서, 충전지(700)에 전력을 미리 충전하고 있음으로써 피크 전력에 대처하는 것이 가능하다.
스위치 제어부(710)는 충전지(700)의 전압을 측정하여 충전지(700)가 모두 충전될 때까지 수소가 계속 생성되고 연료전지(100)는 전압을 계속 공급하도록 한다.
그리고 부하(620)에서의 요구 전력에 따라 충전지(700)에 충전된 전압을 제공하고, 이에 따라 충전지(700)의 전압이 낮아지게 되면 다시 수소 발생 장치(200)가 수소를 생성하도록 한다.
즉, 스위치 제어부(710)는 충전지(700)의 현재 전압과 완충 전압을 비교한다. 완충 전압은 충전지(700)가 모두 충전된 경우의 전압을 의미한다. 현재 전압이 완충 전압보다 작은 경우 수소 발생량을 증가시키도록 스위치(530)의 온/오프 시간을 가변시키고, 현재 전압이 완충 전압보다 크거나 같은 경우 수소 발생을 정지시키도록 스위치(530)의 온/오프 시간을 가변시킨다. 이는 스위치 제어부(710)가 스위치(530)의 온/오프 시간을 제어할 수 있도록 하는 스위치 제어 신호에 의하는 것으로 가정한다.
여기서, 충전지(700)는 슈퍼 커패시터(super capacitor) 또는 충전용 소형 배터리일 수 있다. 슈퍼 커패시터는 커패시터의 성능 중 전기 용량의 성능을 강화 한 것으로, 전력을 충전하고 있으며 필요에 따라 충전된 전력을 방출한다.
도 8은 스위치를 온 시킨 경우 수소 발생량을 유량 단위로 나타낸 그래프이다. 여기서, 유량 단위는 분당 수소 발생량인 ml/min 이다.
스위치(530)를 지속적으로 온 시킨 경우에 초기에는 반응 속도가 빨라져 온도의 상승과 함께 100 ml/min 까지 급격하게 수소 발생량이 증가한다. 그리고 이후 전해질 수용액 내의 물과 제1 전극(220)을 이루는 금속의 감소 등으로 인해 수소 발생량이 급격하게 감소하게 된다.
이 경우 수소 발생량의 조절이 어려우므로, 스위치(530)를 지속적으로 온 시키는 것이 아니라 스위치 제어부(520, 610, 710)에서 소정의 듀티비(duty ratio) 및/또는 소정의 온/오프 주파수(on/off frequency)를 가지도록 스위치(530)의 온/오프를 제어하여 수소 발생량을 원하는 유량으로 조절한다. 이에 대해서는 도 9 이하의 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 스위치의 온/오프 주파수의 제1 예이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 스위치의 온/오프 주파수의 제2 예이며, 도 11은 스위치의 온/오프 주파수가 제어되는 경우 시간에 대한 수소 발생량의 관계를 나타낸 그래프이다. 이하에서 스위치(530)는 입력되는 스위치 제어 신호의 크기가 M 인 경우(즉, 하이(high)인 경우)에 온(on) 되고, 스위치 제어 신호의 크기가 0인 경우(즉, 로우(low)인 경우)에 오프(off) 되는 것으로 가정한다.
도 9를 참조하면, 스위치(530)에 입력되는 스위치 제어 신호는 주기가 T이며, 50%의 듀티비를 가지고 있다. 즉, 스위치(530)에 입력되는 스위치 제어 신호는 1/2 T 동안은 하이 신호, 1/2 T 동안은 로우 신호가 된다.
이에 비하여 도 10을 참조하면, 스위치(530)에 입력되는 스위치 제어 신호는 주기가 1/4 T이며, 50%의 듀티비를 가지고 있다. 즉, 스위치(530)에 입력되는 스위치 제어 신호는 1/8 T 동안은 하이 신호, 1/8 T 동안은 로우 신호가 된다.
스위치(530)에 입력되는 스위치 제어 신호는 소정의 듀티비(도 9 및 10에서는 50%)를 가지고 있어 한 주기 내에서 동일 시간 동안 스위치(530)가 온/오프 되도록 한다.
도 11을 참조하면, 2W의 전력을 필요로 하는 연료전지에 필요한 수소 발생량인 42 ml/min 을 가지도록 스위치의 듀티비가 조정된 경우 온/오프 주파수에 따른 수소 발생량의 미세 변동(fluctuation)을 나타낸다. 수소 발생 장치(200)의 온도는 참조번호 1110에 같이 지속적으로 증가하지만, 80 ℃ 이하이다.
수소 발생량(1120)은 42 ml/min에 거의 근접하고 있다. 도 9에 도시된 것과 같이 온/오프 주파수가 상대적으로 작은 경우(즉, 주기가 큰 경우) 미세 변동은 심하게 나타나고(1140 참조), 도 10에 도시된 것과 같이 온/오프 주파수가 상대적으로 큰 경우(즉, 주기가 작은 경우) 미세 변동은 약하게 나타남(1150 참조)을 알 수 있다.
따라서, 동일 듀티비를 가지는 경우 스위치 제어 신호의 온/오프 주파수를 상대적으로 크게 하는 편이 작은 미세 변동을 발생시키며 원하는 수소 발생량을 유 지시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 스위치의 듀티비의 제1 예이고, 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 스위치의 듀티비의 제2 예이며, 도 14는 스위치의 듀티비가 제어되는 경우 시간에 대한 수소 발생량의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 12를 참조하면, 스위치 제어 신호는 주기가 T이며, 75%의 듀티비를 가지고 있다. 즉, 스위치 제어 신호는 3/4 T 동안은 하이 신호, 1/4 T 동안은 로우 신호가 된다.
이에 비하여 도 13을 참조하면, 스위치 제어 신호는 주기가 도 12에 도시된 신호와 동일하게 T이며, 25%의 듀티비를 가지고 있다. 즉, 스위치 제어 신호는 1/4 T 동안은 하이 신호, 3/4 T 동안은 로우 신호가 된다.
이와 같이 스위치(530)에 입력되는 스위치 제어 신호의 듀티비를 조절하는 경우 수소 발생 장치(200)에서 발생하는 일정 시간 당 수소 발생량을 조절하는 것이 가능하다.
도 14을 참조하면, 최초에는 자연적으로 수소 발생량이 증가하도록 하고(1420 참조), 이후 스위치 제어부(520)가 스위치(530)의 온/오프를 제어하여 원하는 수소 발생량을 42 ml/min (1421), 10 ml/min(1422), 42 ml/min(1423), 20 ml/min(1424), 30 ml/min(1425) 순으로 조절하고 있다.
수소 발생량을 42 ml/min (1421)에서 10 ml/min (1422)로 조절하는 경우에는, 한 주기 내에서 스위치 제어 신호의 오프 시간 비율을 증가(즉, 듀티비를 점진 적으로 감소)시킨다. 그리고 유량 측정기(510)에서 측정된 수소 발생량이 원하는 수소 발생량인 10 ml/min 이 된 시점의 듀티비를 지속적으로 유지시켜 수소 발생량을 10 ml/min 으로 유지시키게 된다.
또한, 수소 발생량을 10 ml/min (1422)에서 42 ml/min (1423)로 조절하는 경우에는, 한 주기 내에서 스위치 제어 신호의 온 시간 비율을 증가(즉, 듀티비를 점진적으로 증가)시킨다. 그리고 유량 측정기(510)에서 측정된 수소 발생량이 원하는 수소 발생량인 42 ml/min 이 된 시점의 듀티비를 지속적으로 유지시켜 수소 발생량을 42 ml/min 으로 유지시키게 된다.
상술한 듀티비의 조절을 반복적으로 수행함으로써 스위치 제어부(520)는 변화되는 설정치에 상응하여 수소의 발생량이 조절되도록 할 수 있다.
또한, 도 9 내지 도 11서 설명한 것과 같이 소정의 수소 발생량을 유지시키는 경우에 스위치(530)의 온/오프 주파수를 변경시킴으로써 수소 발생량의 미세 변동을 조절하는 것도 가능하다.
또한, 도 8, 11 및 14에서 유량 단위로 측정된 수소 발생량은 도 6 또는 도 7에 도시된 수소 발생 장치(200)에서는 연료전지(100)의 출력인 전력 또는 전압일 수 있다. 예를 들어, 도 8, 11 및 14에서 42 ml/min 은 연료전지(100)의 운전 조건에 따라 2W 로 대응될 수 있다.
즉, 앞서 측정한 수소 발생량들은 도 6 또는 도 7에 도시된 스위치 제어부(610, 710)에서 측정한 연료전지의 출력, 즉 전력 또는 전압에 대응되고, 스위치의 온/오프 제어를 통해 제어하고자 하는 수소 발생량은 제어하고자 하는 연료전지 의 출력, 즉 전력 또는 전압에 대응된다.
본 발명의 실시예에 따른 수소 발생 장치의 스위치는 MOS(metal-oxide semiconductor) 트랜지스터로 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 수소 발생 장치의 스위치 제어부는 연료전지의 전력 회로를 함께 사용하며, 연료전지 발전 시스템의 제어부에 포함될 수 있다. 즉, 연료전지 발전 시스템의 제어부에 스위치 제어부가 포함됨으로써 원칩(one chip)화가 가능하다.
또한, 본 발명의 수소 발생 장치는 연료전지와 연결되어 연료전지 발전 시스템을 구성할 수 있다. 연료전지 발전 시스템은 수소 발생량의 조절이 가능한 수소 발생 장치와, 수소 발생 장치로부터 수소를 공급받아 전기를 발생시키는 연료전지를 포함한다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치에서 수소 발생량을 조절하는 방법의 흐름도이다. 여기서, 수소 발생 장치는 도 5에 도시되어 있다.
우선 수소 발생 장치(200)의 스위치 제어부(520)는 스위치(530)를 온 시켜 수소 발생량이 임계값 이상의 유량을 가지도록 수소를 발생시킨다(단계 S1500).
유량 측정기(510)는 수소 발생량을 측정하며(단계 S1510), 스위치 제어부(520)는 유량 측정기(510)에서 측정한 수소 발생량과 입력된 설정치를 비교한다(단계 S1520). 여기서, 입력되는 설정치는 하나의 값이거나(단계 S1520a) 또는 소정의 간격을 가지는 상한 설정치와 하한 설정치일 수 있다(단계 S1520b).
스위치 제어부(520)는 설정치에 상응하여 스위치(530)의 온/오프를 제어하기 위한 스위치 제어 신호를 생성하여 스위치(530)에 인가한다.
하나의 설정치가 입력되는 경우(단계 S1520a) 수소 발생량(A)과 설정치(B)를 비교한다(단계 S1530a). 수소 발생량이 설정치보다 작은 경우(A<B) 스위치 제어 신호의 듀티비를 증가시키고(단계 S1532a), 수소 발생량이 설정치보다 큰 경우(A>B) 스위치 제어 신호의 듀티비를 감소시키며(단계 S1534a), 수소 발생량이 설정치와 동일한 경우(A=B) 스위치 제어 신호의 현재 듀티비를 유지시킨다(단계 S1536a).
상한 설정치와 하한 설정치가 입력되는 경우(단계 S1520b) 수소 발생량(A)과 상한 설정치(B1), 하한 설정치(B2)를 비교한다(단계 S1530b). 수소 발생량이 하한 설정치보다 작은 경우(A<B2) 스위치 제어 신호의 듀티비를 증가시키고(단계 S1532b), 수소 발생량이 상한 설정치보다 큰 경우(A>B1) 스위치 제어 신호의 듀티비를 감소시키며(단계 S1534b), 수소 발생량이 상한 설정치와 하한 설정치 사이인 경우(B2≤A≤B1) 스위치 제어 신호의 현재 듀티비를 유지시킨다(단계 S1536b).
단계 S1520 내지 단계 S1536a 또는 S1536b를 반복함으로써 수소 발생 장치(200)는 입력된 설정치에 상응하는 양의 수소가 발생될 수 있도록 한다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 발생 장치에서 수소 발생량을 조절하는 방법의 흐름도이다. 여기서, 수소 발생 장치는 도 6에 도시되어 있다.
우선 수소 발생 장치(200)의 스위치 제어부(610)는 스위치(530)를 온 시켜 수소 발생량이 임계값 이상의 유량을 가지도록 수소를 발생시킨다(단계 S1600).
수소 발생 장치(200)에 연결된 연료전지(100)의 출력을 측정하고, 연료전지(100)에 연결된 부하(620)의 요구 전력을 입력받는다(단계 S1610). 여기서, 연료 전지(100)의 출력은 전력이거나 전압일 수 있으며, 전압인 경우 저항을 이용하여 전력을 산출할 수 있다.
그리고 연료전지(100)의 전력(C)과 부하(620)의 요구 전력(D)을 비교한다(단계 S1620).
비교 결과 연료전지(100)의 전력이 요구 전력보다 큰 경우(C>D) 스위치 제어 신호의 듀티비를 감소시키고(단계 S1630), 연료전지(100)의 전력이 요구 전력보다 작은 경우(C<D) 스위치 제어 신호의 듀티비를 증가시키며(단계 S1632), 연료전지(100)의 전력이 요구 전력과 동일한 경우(C=D) 스위치 제어 신호의 듀티비를 유지시킨다(단계 S1634). 여기서, 동일 여부는 연료전지(100)의 전력이 요구 전력을 기준으로 미리 설정된 일정 오차 범위 내인지 여부를 의미한다.
이후 단계 S1610 내지 단계 S1630, S1632 또는 S1634를 반복함으로써 수소 발생 장치(200)는 부하의 요구 전력에 상응하는 연료전지의 출력이 나오도록 수소의 발생량을 조절할 수 있다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소 발생 장치에서 수소 발생량을 조절하는 방법의 흐름도이다. 여기서, 수소 발생 장치는 도 7에 도시되어 있다.
우선 수소 발생 장치(200)의 스위치 제어부(710)는 스위치(530)를 온 시켜 수소 발생량이 임계값 이상의 유량을 가지도록 수소를 발생시킴으로써 연료전지(100)를 동작시키고 연료전지(100)와 부하(620) 사이에 연결된 충전지(700)를 충전한다(단계 S1700).
충전지(700)에 충전된 전압을 측정하고(단계 S1710), 충전지(700)의 완충 전 압(F)과 측정된 현재 전압(E)을 비교한다(단계 S1720).
비교 결과 현재 전압이 완충 전압보다 크거나 같은 경우(E≥F) 스위치 제어 신호의 듀티비를 최소화(0%를 포함함)시켜 더 이상 충전지(700)에 전압이 충전되지 않도록 하고(단계 S1730), 현재 전압이 완충 전압보다 작은 경우(E<F) 스위치 제어 신호의 듀티비를 증가시킨다(단계 S1732) 여기서, 동일 여부는 현재 전압이 완충 전압을 기준으로 미리 설정된 일정 오차 범위 내인지 여부를 의미한다.
이후 단계 S1710 내지 단계 S1730 또는 S1732를 반복함으로써 수소 발생 장치(200)는 충전지(700)가 완전 충전되어 부하(620)의 피크 전력에 대처가능하도록 조절할 수 있다.
한편, 상술한 수소 발생량 조절 방법 중 단계 S1520 내지 단계 S1536a 또는 S1536b, 혹은 단계 S1620 내지 단계 S1630, S1632 또는 S1634, 혹은 단계 S1720 내지 S1730 또는 S1732는 컴퓨터 프로그램으로 작성 가능하다. 상기 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 또한, 상기 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 정보저장매체(computer readable medium)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써 수소 발생량 조절 방법을 구현한다. 상기 정보저장매체는 자기 기록매체, 광 기록매체 및 캐리어 웨이브 매체를 포함한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 연료전지의 작동원리를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 개략적인 단면도.
도 3은 핸드폰의 전력 소모량을 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치에서 제1 전극과 제2 전극 사이에 흐르는 전류의 양과 발생되는 수소의 양 간의 관계를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 제어부의 개략적인 구성도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 발생 장치의 제어부 및 결합된 연료전지와 부하로 구성되는 연료전지 발전 시스템의 개략적인 구성도.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소 발생 장치의 제어부 및 결합된 연료전지와 부하로 구성되는 연료전지 발전 시스템의 개략적인 구성도.
도 8은 스위치를 온 시킨 경우 수소 발생량을 유량 단위로 나타낸 그래프
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 스위치의 온/오프 주파수의 제1 예.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 스위치의 온/오프 주파수의 제2 예.
도 11은 스위치의 온/오프 주파수가 제어되는 경우 시간에 대한 수소 발생량의 관계를 나타낸 그래프.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 스위치의 듀티비의 제1 예.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 스위치의 듀티비의 제2 예.
도 14는 스위치의 듀티비가 제어되는 경우 시간에 대한 수소 발생량의 관계를 나타낸 그래프.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치에서 수소 발생량을 조절하는 방법의 흐름도.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 발생 장치에서 수소 발생량을 조절하는 방법의 흐름도
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소 발생 장치에서 수소 발생량을 조절하는 방법의 흐름도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100: 연료전지
110: 연료극 120: 멤브레인
130: 공기극
200: 수소 발생 장치
210: 전해조 215: 전해질 수용액
220: 제1 전극 230: 제2 전극
240: 제어부
510: 유량 측정기 520, 610, 710: 스위치 제어부
530: 스위치
620: 부하
700: 충전지

Claims (24)

  1. 전해질 수용액을 담고 있는 전해조;
    상기 전해조 내부에 위치하며 상기 전해질 수용액에 담겨져 있고, 상기 전해질 수용액 내에서 산화되어 전자를 발생시키는 제1 전극;
    상기 전해조 내부에 위치하며 상기 전해질 수용액에 담겨져 있고, 상기 제1 전극에 비하여 상대적으로 이온화 경향이 작은 금속으로 이루어져, 상기 제1 전극으로부터 상기 전자를 받아 수소를 발생시키는 제2 전극;
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하여, 상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극으로 흐르는 전자의 이동 가부를 조절하는 스위치;
    상기 제2 전극에서의 수소 발생량을 측정하는 유량 측정기; 및
    설정치를 입력받고, 상기 유량 측정기에서 측정된 상기 수소 발생량과 상기 설정치를 비교하여 상기 스위치의 온오프를 제어하는 스위치 제어부를 포함하며,
    상기 스위치 제어부는 상기 스위치를 온오프시키는 스위치 제어 신호를 생성하여 출력하되,
    상기 스위치 제어부는 상기 스위치 제어 신호의 듀티비(duty ratio)를 변화시켜 한 주기 내에서 상기 스위치의 온오프 비율을 결정하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 제어부는 입력장치를 통해 사용자로부터 또는 상기 수소 발생 장치에 결합된 연료전지로부터 필요로 하는 수소량에 상응하는 상기 설정치를 입력받는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유량 측정부는 상기 수소 발생량을 유량(flow rate) 단위로 측정하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 제어부는 상기 스위치 제어 신호의 온오프 주파수를 변화시켜 상기 수소 발생량의 미세 변동을 제어하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 제어부는 상기 설정치와 측정된 상기 수소 발생량을 비교하여, 상기 수소 발생량이 상기 설정치보다 작은 경우 상기 듀티비를 증가시키고, 상기 수소 발생량이 상기 설정치보다 큰 경우 상기 듀티비를 감소시키며, 상기 수소 발생량이 상기 설정치와 동일한 경우 상기 듀티비를 유지시키는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 설정치는 상한 설정치와 하한 설정치를 포함하고,
    상기 스위치 제어부는 상기 설정치와 측정된 상기 수소 발생량을 비교하여, 상기 수소 발생량이 상기 하한 설정치보다 작은 경우 상기 듀티비를 증가시키고, 상기 수소 발생량이 상기 상한 설정치보다 큰 경우 상기 듀티비를 감소시키며, 상기 수소 발생량이 상기 하한 설정치와 상기 상한 설정치 사이인 경우 상기 듀티비를 유지시키는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  9. 삭제
  10. 전해질 수용액을 담고 있는 전해조;
    상기 전해조 내부에 위치하며 상기 전해질 수용액에 담겨져 있고, 상기 전해질 수용액 내에서 산화되어 전자를 발생시키는 제1 전극;
    상기 전해조 내부에 위치하며 상기 전해질 수용액에 담겨져 있고, 상기 제1 전극에 비하여 상대적으로 이온화 경향이 작은 금속으로 이루어져, 상기 제1 전극으로부터 상기 전자를 받아 수소를 발생시키는 제2 전극;
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하여, 상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극으로 흐르는 상기 전자의 이동 가부를 조절하는 스위치;
    상기 제2 전극에서 생성된 수소를 공급받고, 상기 수소의 화학에너지를 전기에너지로 변환하여 직류 전류를 생산하는 연료전지;
    상기 전기에너지를 공급받고 미리 설정된 동작을 수행하는 부하(load); 및
    상기 부하로부터 요구 전력을 입력받고, 상기 연료전지의 출력을 측정하여 상기 요구 전력과 상기 출력을 비교하여 상기 스위치의 온오프를 제어하는 스위치 제어부를 포함하며,
    상기 스위치 제어부는 상기 스위치를 온오프시키는 스위치 제어 신호를 생성하여 출력하되,
    상기 스위치 제어부는 상기 스위치 제어 신호의 듀티비를 변화시켜 한 주기 내에서 상기 스위치의 온오프 비율을 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전 시스템.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제10항에 있어서,
    상기 스위치 제어부는 상기 스위치 제어 신호의 온오프 주파수를 변화시켜 상기 수소 발생량의 미세 변동을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전 시스템.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 스위치 제어부는 상기 요구 전력과 상기 출력을 비교하여, 상기 출력이 상기 요구 전력보다 큰 경우 상기 듀티비를 감소시키고, 상기 출력이 상기 요구 전력보다 작은 경우 상기 듀티비를 증가시키며, 상기 출력이 상기 요구 전력과 동일한 경우 상기 듀티비를 유지시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전 시스템.
  15. 삭제
  16. 전해질 수용액을 담고 있는 전해조;
    상기 전해조 내부에 위치하며 상기 전해질 수용액에 담겨져 있고, 상기 전해질 수용액 내에서 산화되어 전자를 발생시키는 제1 전극;
    상기 전해조 내부에 위치하며 상기 전해질 수용액에 담겨져 있고, 상기 제1 전극에 비하여 상대적으로 이온화 경향이 작은 금속으로 이루어져, 상기 제1 전극으로부터 상기 전자를 받아 수소를 발생시키는 제2 전극;
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하여, 상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극으로 흐르는 상기 전자의 이동 가부를 조절하는 스위치;
    상기 제2 전극에서 생성된 수소를 공급받고, 상기 수소의 화학에너지를 전기에너지로 변환하여 직류 전류를 생산하는 연료전지;
    상기 전기에너지를 공급받고 미리 설정된 동작을 수행하는 부하(load);
    상기 연료전지와 상기 부하 사이에 결합되고, 상기 연료전지로부터 상기 전기에너지를 공급받아 충전하고, 상기 부하가 필요로 하는 경우 충전된 상기 전기에너지를 제공하는 충전지; 및
    상기 충전지의 현재 전압을 측정하고, 상기 충전지의 완충 전압과 비교하여 상기 스위치의 온오프를 제어하는 스위치 제어부를 포함하며,
    상기 스위치 제어부는 상기 스위치를 온오프시키는 스위치 제어 신호를 생성하여 출력하되,
    상기 스위치 제어부는 상기 스위치 제어 신호의 듀티비를 변화시켜 한 주기 내에서 상기 스위치의 온오프 비율을 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전 시스템.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 제16항에 있어서,
    상기 스위치 제어부는 상기 스위치 제어 신호의 온오프 주파수를 변화시켜 상기 수소 발생량의 미세 변동을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전 시스템.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 스위치 제어부는 상기 현재 전압과 상기 완충 전압을 비교하여,
    상기 현재 전압이 상기 완충 전압보다 작은 경우 상기 듀티비를 증가시키고, 상기 현재 전압이 상기 완충전압보다 크거나 같은 경우 상기 듀티비를 최소화시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전 시스템.
  21. 전극 사이에 위치한 스위치의 온오프를 제어하여 수소 발생량을 조절하는 수소 발생 장치의 수소 발생량 조절 방법에 있어서,
    설정치를 입력받는 단계;
    측정된 수소 발생량과 상기 설정치를 비교하는 단계; 및
    상기 수소 발생량이 상기 설정치보다 작은 경우 스위치 제어 신호의 듀티비를 증가시키고, 상기 수소 발생량이 상기 설정치보다 큰 경우 상기 스위치 제어 신호의 듀티비를 감소시키고, 상기 수소 발생량이 상기 설정치와 동일한 경우 상기 스위치 제어 신호의 듀티비를 유지시키는 단계-여기서, 상기 스위치 제어 신호는 상기 듀티비에 따라 한 주기 내에서의 상기 스위치의 온오프를 제어함-
    를 포함하는 수소 발생량 조절 방법.
  22. 전극 사이에 위치한 스위치의 온오프를 제어하여 수소 발생량을 조절하는 수소 발생 장치의 수소 발생량 조절 방법에 있어서,
    상한 설정치와 하한 설정치를 입력받는 단계;
    측정된 수소 발생량과 상기 상한 설정치 및 상기 하한 설정치를 비교하는 단계; 및
    상기 수소 발생량이 상기 하한 설정치보다 작은 경우 스위치 제어 신호의 듀티비를 증가시키고, 상기 수소 발생량이 상기 상한 설정치보다 큰 경우 상기 스위치 제어 신호의 듀티비를 감소시키고, 상기 수소 발생량이 상기 하한 설정치와 상기 상한 설정치 사이인 경우 상기 스위치 제어 신호의 듀티비를 유지시키는 단계-여기서, 상기 스위치 제어 신호는 상기 듀티비에 따라 한 주기 내에서의 상기 스위치의 온오프를 제어함-
    를 포함하는 수소 발생량 조절 방법.
  23. 부하에 전기에너지를 제공하는 연료전지에 연결되어 전극 사이에 위치한 스위치의 온오프를 제어하여 상기 연료전지에 공급하는 수소의 발생량을 조절하는 수 소 발생 장치의 수소 발생량 조절 방법에 있어서,
    상기 연료전지의 출력을 측정하고, 상기 부하의 요구전력을 입력받는 단계;
    상기 출력과 상기 요구 전력을 비교하는 단계; 및상기 출력이 상기 요구 전력보다 큰 경우 스위치 제어 신호의 듀티비를 감소시키고, 상기 출력이 상기 요구 전력보다 작은 경우 상기 스위치 제어 신호의 듀티비를 증가시키며, 상기 출력이 상기 요구 전력과 동일한 경우 상기 스위치 제어 신호의 듀티비를 유지시키는 단계-여기서, 상기 스위치 제어 신호는 상기 듀티비에 따라 한 주기 내에서의 상기 스위치의 온오프를 제어함-
    를 포함하는 수소 발생량 조절 방법.
  24. 충전지에 전기에너지를 충전하는 연료전지에 연결되어 전극 사이에 위치한 스위치의 온오프를 제어하여 상기 연료전지에 공급하는 수소의 발생량을 조절하는 수소 발생 장치의 수소 발생량 조절 방법에 있어서,
    상기 충전지의 현재 전압을 측정하는 단계;
    상기 현재 전압과 상기 충전지의 완충 전압을 비교하는 단계; 및
    상기 현재 전압이 상기 완충 전압보다 작은 경우 스위치 제어 신호의 듀티비를 증가시키고, 그 외의 경우 상기 스위치 제어 신호의 듀티비를 최소화시키는 단계-여기서, 상기 스위치 제어 신호는 상기 듀티비에 따라 한 주기 내에서의 상기 스위치의 온오프를 제어함-
    를 포함하는 수소 발생량 조절 방법.
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