KR101029647B1 - 전원 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

전원 장치가 제공된다. 화학 반응부는 전력 발생 연료를 받아서, 수소를 포함하는 전력 발생 가스를 생성하기 위하여 전력 발생 연료를 개질한다. 전력 발생부는 전력 발생 가스를 수신하며, 전력 발생 가스의 일부와 반응하여 전기 에너지를 생성하며, 전기 에너지를 로드로 공급하며, 오프-가스로서 전력 발생 가스의 미반응 성분을 배출한다. 가열부는 오프-가스를 받아서, 오프-가스를 사용하여 열 에너지를 생성하여 화학 반응부를 가열한다. 출력 제어부는 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양을 제어한다. 제어부는 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양을 제어하여, 열 에너지에 기초하여 설정된 화학 반응부의 온도를 기 설정된 온도로 변경한다.
전원 장치, 화학 반응부, 개질부, 기화부, 일산화탄소 제거기, 오프-가스

Description

전원 장치 및 그 제어 방법{POWER SUPPLY SYSTEM AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 전원 장치, 그 제어 장치 및 제어방법에 관한 것이며, 특히, 전원 발생 동작을 실행하기 위해 수소를 함유한 전력 발생 가스를 생성하고, 전력 발생부에 생성된 가스를 제공하는 전력 발생 연료를 수용하는 전원 장치 및 그 제어 장치 그리고, 그 제어 방법에 관한 것이다.
최근, 환경 문제 및 에너지 문제에 대한 관심이 증가하면서, 연료 전지(또는 연료 전지의 이용)는 전원 장치(또는 전력 발생 장치)로서 많은 관심을 받고 있다. 알려진 바와 같이, 연료 전지의 전력 발생 이론은, 전기적 에너지를 출력한 이후, 수소 및 산소를 이용한 전기화학적 반응은 온실 가스 또는 오염물질이 거의 발생되지 않으며, 환경(환경적인 로드)에 대한 영향이 매우 작다는 이점을 가진다. 또한, 종래의 전력 발생 장치(예를 들면, 화석 등의 연소에 의해 얻어지는 열적 에너지에 기초하여 전기 에너지를 발생하는 장치)에 비해 현저하게 높은 전력 발생 효율(에너지 전환 효율)을 실현할 수 있으며, 다양한 산업 분야에서 연구 및 개발이 수행되고 있다.
여기서, 연료 전지에 적용되는 전력 발생 연료로서 고농축을 가진 수소 가스 를 직접 공급하기는 하지만, 수소 가스의 발생, 저장 또는 공급시의 기술적 및 안정상의 관점, 또는 사회적 기반시설의 공급 등의 경제적 관점에서 처리의 어려움으로 인해, 연료 전지 주요 본체로 그러한 수소 가스를 직접적으로 공급하는 장치가 널리 급속도록 보급되기는 어렵다. 이러한, 장치는 상대적으로 커다란 장치, 예를 들면, 특정한 산업 시설의 전력 발생부 또는 동일한 종류의 자동차를 위한 구동 장치 등에서 사용될 수 있다.
반면, 연료 전지를 사용하는 전력 공급 장치가 소형 휴대용 전자 장치, 예를 들면, 노트북 컴퓨터, 휴대폰 등에 적용될 때, 탄화수소-계 액체 연료(알코올), 예를 들면, 즉시 사용 가능하고 사용하기 용이하며, 낮은 생산 비용을 가지는 메탄올 또는 에탄올을 사용하는 것이 현실적으로 고려된다.
전력 발생 연료를 연료 전지로 공급하기 위한 모드로서, 그러한 액체 연료를 사용하는 전력 공급 장치에서, 연료 전지 본체에 상응하는 전력 발생 연료(메탄올)를 직접 공급하는 직접 연료 공급 모드 및 상응하는 전력 발생 연료를 개질하여 얻은 수소 가스를 공급하는 개질된 연료 공급 모드가 알려져 있다.
직접 연료 공급 모드를 채택하는 연료 전지에서, 메탄올 등의 전력 발생 연료가 연료 전지 본체로 직접 공급될 수 있기 때문에, 후술된 연료 개질기의 구조 등이 연료 공급 경로에 요구되지 않으며, 이러한 연료 전지(전원 장치)는 그 구조가 단순화될 수 있는 이점을 가진다. 그러나, 이러한 모드를 채택하는 연료 전지는 그 전력 발생 효율성(에너지 변환 효율성)이 개질된 연료 공급 모드를 채택하는 연료 전지보다 낮은 단점을 가진다.
반면, 개질된 연료 공급 모드를 채택하는 연료 전지는, 메탄올 등의 전력 발생 연료를 개질하여 발생된 높은 순도(고농도)를 가지는 수소 가스가 연료 전지 본체에 공급될 수 있기 때문에, 그 전력 발생 효율성(에너지 변환 효율성)이 직접 연료 공급 모드를 채택하는 연료 전지보다 높다.
종래 기술에서 개질된 연료 공급 모드를 채택하는 전력 장치가 간략히 설명된다.
도 6은 종래 기술에서 개질된 연료 공급 모드를 채택하는 연료 전지가 적용되는 전원 장치의 구조를 도시하는 블럭도이다.
도 7은 개질된 연료 공급 모드를 채택하는 연료 전지가 적용되는 전원 장치에 적용되는 화학적 반응부에서의 화학적 반응의 예를 도시하는 개략도이다.
도 6에서, 종래 기술의 연료 전지가 적용되는 전원 장치는 메탄올 등의 전력 발생 연료가 저장 및 내장되는 연료 공급부(310), 수소 가스를 주로 포함하는 전력 발생 가스를 발생시키기 위해 전력 발생 연료를 개질하는 화학적 반응부(320), 및 대기에서 발생된 수소 가스 및 산호를 사용하는 전기화학적 반응에 기초하여 전기적 에너지를 발생 및 출력하는 전력 발생 전지부(330)를 포함한다.
여기서, 도 6 및 7에 도시된 바와 같이, 화학적 반응부(320)는, 전력 발생 연료(예를 들면, 메탄올 CH3OH)를 함유하는 수성액 및 물(H2O)을 기화하는 적어도 하나의 기화기(연료 기화기)(321), 수소(H2)를 함유하는 전력 발생 가스를 생성하기 위한 개질 반응에 기초하여 연료 가스를 개질하는 개질기(322), 이산화 탄소(CO2)에 서 해로운 일산화탄소(CO)와 개질 반응의 부산물인 소량의 일산화탄소(CO)를 선택적인 산화 반응에 기초하여 이산화 탄소(CO2)로 변환하고 변환된 이산화 탄소(CO2)를 제거하는 일산화탄소 제거기(이하 "CO 제거기")를 포함한다.
이러한 구조에서, 화학 반응부(320)에 의해 생성된 고농도의 수소 가스가 전력 발생 전지부(330)의 양극 측에 공급될 때, 수소 이온 및 전자가 수소로부터 발생된다. 음극 측에서 산소 분자(대기의 산소)와 결합될 양극 및 음극 사이에 개재된 양자 교환막을 통해 수소 이온이 전달될 때, 양극 측에서 음극 측으로 이동하는 전자가 전기 에너지를 생성하기 위해 출력된다. 실시예에서 화학적 반응부 및 전력 발생 전지부에서의 특정한 화학적 반응이 좀 더 자세히 설명될 것이다.
반면, 개질된 연료 공급 모드를 채택하는 연료 전지가 적용되는 전원 장치에서, 화학적 반응부(320)로부터 전력 발생 전지부(320)에 공급되는 수소 가스의 양은 전원 장치에 연결된 부하를 안정적으로 구동시키기 위하여 항상 일정해야 한다. 여기서, 화학적 반응부(320)의 수소 가스의 발생 상태(개질기(322)에서의 개질 반응의 처리 상태)는 개질기(322)를 포함하는 화학적 반응부(320)에 대하여 설정된 온도 조건 아래서 제어된다. 그에 따라, 화학적 반응부(320)는 소정의 고온 상태로 설정되어야 하며, 이러한 상태가 유지되어야만 하고, 그리고, 화학적 반응부(320)에 의해 생성되는 수소 가스의 양을 일정하게 유지하기 위해, 개질기(322)에서 개질 반응의 처리 상태가 소정의 상태에서 유지되어야 한다.
여기서, 소정의 고온 상태(고정된 온도)에서 화학적 반응부(320)를 유지하는 방법으로서, 다음의 기술이 알려져 있다. 즉, 예를 들면, 전력 발생 전지부(330)의 전력 발생 동작(전기화학적 반응)에서, 가열은 화학적 반응부(320) 근처에 제공되는 촉매 연소기(미도시)에 남아있는 미반응 수소를 포함하는 오프-가스를 연소하여 얻은 연소열, 또는 소정의 고온 상태를 설정하기 위해 전자 가열기(미도시)로부터 얻은 열을 사용하여 수행된다.
특히, 오프-가스로부터 연소열을 사용하여, 소정의 고온 상태(고정된 온도)로 화학적 반응부(320)(개질기)(322)를 설정하는 기술에서, 오프-가스 연소기에 공급되는 오프-가스 또는 산소의 양을 제어함으로써, 오프-가스의 연소 정도(발생된 연소열의 양)를 설정할 수 있게 하며, 그로 인해, 화학적 반응부(320)(개질기(320))의 수소 가스의 발생 상태를 제어할 수 있다.
그러나, 오프-가스로부터 연소열을 이용하여 화학적 반응부(개질기)의 온도 상태를 제어하는 구조 및 방법을 채택하는 전원 장치가, 전력 발생 전지부의 전력 발생 동작에 기초하여 고정된 전기 에너지(전류)를 안정적으로 출력하기 위해, 전력 발생 동작에 필요한 수소의 양의 전체 합 및 화학적 반응부(개질기)의 수소 발생 동작에서 열 에너지로서 필요한 수소의 양보다 큰 양을 갖는 수소를 공급하기 위해 설정된다. 즉, 전력 발생 전지부로부터 출력되는 오프-가스에서 수소의 양은, 오프-가스 연소기에서 소비되는 양(즉, 열 에너지를 생성하기 위해 개질기에 필요한 양) 보다 크도록 설정된다.
여기서, 화학적 반응부(개질기)에 의해 생성되는 수소 중에서, 전력 발생 동작(전기화학적 반응)과 수소 발생 동작(오프-가스의 연소)에서 활용되지 않는 수소 는 있는 그대로 장치의 외부로 출력되지 않는다. 따라서, 수소는 예를 들면, 잔여 가스 연소기(burner)에서 연소되어 물로 변환(소비)되어야 한다.
따라서, 전원 장치는 전력 발생 연료로부터 발생된 수소의 일부가 낭비되어, 전력 발생 효율성(에너지 변환 효율성)을 저하시키는 문제를 가진다. 또한, 잔류 가스 연소기 및 그 주변 장치(예를 들면, 밸브 또는 유량계)가 추가로 제공되어야 하기 때문에, 전원 장치의 규모가 커지며, 제어가 복잡해지고, 생산 비용 등이 증가하는 문제를 가진다.
전력 발생 연료를 입수하여 수소를 포함하는 전력 발생 가스를 생산하고, 생성된 가스를 전력 발생부로 공급하여 전력 발생 동작을 실행하는 전원 장치, 전원 장치의 제어 장치 및 제어 방법에서, 본 발명은 장치의 크기를 크게 하거나 제어를 복잡하게 하거나 생산 비용을 증가시키지 않으면서, 전력 발생 효율을 향상시키도록 생성된 수소를 효율적으로 활용하는 이점을 가진다.
이러한 이점을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 전원 장치는: 전력 발생 연료를 입수하고, 화학 반응에 의해 전력 발생 연료를 개질하여, 수소를 포함하는 전력 발생 가스를 생성하는 화학 반응부; 전력 발생 가스를 입수하고, 전력 발생 가스의 일부와 반응하여 전기 에너지를 생성하며, 생성된 전기 에너지를 로드로 공급하고, 그리고, 전력 발생 가스의 미반응 성분을 오프-가스로서 배출하는 전력 발생부; 오프-가스를 입수하고, 오프-가스를 사용하여 열 에너지를 생성하며, 그리고 화학 반응부를 가열하는 가열부; 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양을 제어하는 출력 제어부; 및 출력 제어부에 의해 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양을 제어하여, 가열부에 의해 생성된 열 에너지에 기초하여 설정된 화학 반응부의 온도를 소정의 온도로 변경하는 제어부를 포함한다.
전원 장치는 화학 반응부의 온도를 측정하는 온도 측정부를 더 포함하며, 온도 측정부는 화학 반응부에 열 에너지를 생성하는 전기 가열기로서 기능한다. 제어부에 의한 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양에 대한 제어는, 온도 측정부에 의해 측정된 화학 반응부의 온도에 기초하여 수행된다.
화학 반응부는 개질 반응에 기초하여 전력 발생 가스를 생성하는 개질기를 포함한다. 소정의 온도는 개질기에서의 개질 반응에 적당한 온도이다. 제어부는 온도 측정부에 의해 측정된 화학 반응부의 온도를 소정의 온도와 비교하는 온도 비교 수단을 포함하며, 온도 비교 수단에 의해 획득한 비교 결과에 기초하여 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양을 제어한다.
가열부는 오프-가스에 포함된 수소를 사용하는 연소 반응에 기초하여 열 에너지를 생성한다. 오프-가스의 수소의 양은 출력 제어부에 의해 제어되는 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양에 따라 다르며, 가열부에 의해 생성되는 열 에너지의 양은, 오프-가스에 포함된 수소의 양에 따라 설정된다.
출력 제어부는, 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양에 따라, 전력 발생부로부터 출력된 출력 전류의 전류값을 제어한다. 제어부는, 전력 발생부로부터 출력된 출력 전류의 전류 값이, 전력 발생부가 특정 전력 발생 특성을 보이는 범위 내에 있는지를 판별하는 전류값 판별부를 포함한다.
전원 장치는, 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지를 변환하여 소정의 전압값과 전류값을 가지는 부하 구동 전력을 생성하고, 부하 구동 전력을 부하에 공급하는 전압 변환부 및 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지를 저장하는 전력 유지부를 더 포함한다. 전압 변환부는 전력 유지부에 저장된 전기 에너지를 변환하여 부하 구동 전력을 생성한다.
제어부는, 전력 발생부로부터 전기 에너지가 출력될 때 전력 발생부로부터 출력 전압의 전압값을 검출하고, 출력 전압의 전압값이 전력 발생부가 특정 전력 발생 특성을 보이는 범위내에 있는지를 판별하는 전압값 판별부를 포함한다.
화학 반응부는: 전력 발생 연료 및 물을 입수하여, 공급된 전력 발생 연료 및 물을 기화시키는 기화기; 및 기화기에 의해 발생된 기화된 전력 발생 연료 및 물을 입수하여, 촉매 반응에 기초하여 전력 발생 가스로서 수소를 포함한 가스를 생성하는 개질기를 포함한다.
전력 발생부는 전력 발생 가스에 포함된 수소를 사용하여 전기화학적 반응에 기초하여 전기 에너지를 생성하는 양자-교환막 연료 전지이다.
이러한 이점을 획득하기 위하여, 본 발명에 따른 전원 장치의 제어 장치는 전력 발생 연료를 입수하고, 화학 반응에 의해 전력 발생 연료를 개질하여, 수소를 포함하는 전력 발생 가스를 생성하는 화학 반응부; 전력 발생 가스를 입수하고, 전력 발생 가스의 일부와 반응하여 전기 에너지를 생성하는 전력 발생부; 및 전력 발생부로부터 배출된 오프-가스를 입수하고, 오프-가스를 사용하여 열 에너지를 생성하여 화학 반응부를 가열시키는 가열부를 포함한다. 제어 장치는: 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양을 제어하는 출력 제어부; 및 출력 제어부에 의해 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양을 제어하여, 가열부에 의해 생성된 열 에너지에 기초하여 설정된 화학 반응부의 온도를 소정의 온도로 변경하는 제어부를 포함한다.
제어 장치는, 화학 반응부의 온도를 측정하는 온도 측정부를 더 포함하며, 제어부에 의해 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양에 대한 제어는, 온도 측정부에 의해 측정된 화학 반응부의 온도에 기초하여 수행된다.
소정의 온도는 화학 반응부의 화학 반응에 적당한 온도이며, 그리고 제어부는, 온도 측정부에 의해 측정된 화학 반응부의 온도와 소정의 온도와의 차이의 크기에 기초하여, 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양을 제어한다.
출력 제어부는, 전력 발생부로터 출력된 전기 에너지의 양에 따라, 전력 발생부로부터 출력된 출력 전류의 전류값을 제어한다. 제어부는, 출력 전류의 전류값이 특정 전력 발생 특성을 보이는 범위내에 있는지를 판별하는 전류값 판별부를 포함한다.
제어부는, 전기 에너지가 전력 발생부로부터 출력될 때 전력 발생부로부터 출력된 출력 전압의 전압값을 검출하고, 출력 전압의 전압값이 전력 발생부가 특정 전압 발생 특성을 보이는 범위내에 있는지를 판별하는 전압값 판별부를 포함한다.
상술한 이점을 획득하기 위한, 본 발명에 따른 전원 장치의 제어 방법은: 전원장치가, 전력 발생 연료를 입수하고, 화학 반응에 의해 전력 발생 연료를 개질하여, 수소를 포함하는 전력 발생 가스를 생성하는 화학 반응부; 전력 발생 가스를 입수하고, 전력 발생 가스의 일부와 반응하여 전기 에너지를 생성하는 전력 발생부; 및 전력 발생부로부터 배출된 오프-가스를 입수하고, 오프-가스를 사용하여 열 에너지를 생성하여 화학 반응부를 가열하는 가열부를 포함하고, 그러한 제어 방법은 화학 반응부의 온도를 측정하는 동작; 및 화학 반응부의 측정된 온도에 기초하여 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양을 제어하여, 가열부에 의해 생성된 열 에너지에 기초하여 설정된 화학 반응부의 온도를 소정의 온도로 변경하는 동작을 포함한다.
전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양을 제어하는 동작은: 화학 반응부의 온도를 소정의 온도와 비교하는 동작; 및 화학 반응부의 온도와 소정의 온도의 차이의 크기에 따라, 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양을 증가/감소하는 동작을 포함한다.
전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양을 제어하는 동작은: 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양에 따라, 전력 발생부로부터 출력된 출력 전류의 전류값을 제어하는 동작; 및 전력 발생부로부터 츨력된 출력 전류의 전류값이 전력 발생부가 특정 전력 발생 특성을 보이는 범위 내에 있는지를 판별하는 동작을 포함한다. 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양을 제어하는 동작은: 전력 발생부로부터 츨력된 출력 전류의 전류값이 전력 발생부가 특정 전력 발생 특성을 보이는 범위 밖에 있다고 판별될 때, 전력 발생부로부터 출력된 출력 전류의 전류값을, 전력 발생부가 특정 전력 발생 특성을 보이는 범위로 복귀시키는 동작을 포함한다.
전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양을 제어하는 동작은: 전력 발생부로부터 전기 에너지가 출력될 때 전력 발생부로부터 출력되는 출력 전압의 전압값을 검출하는 동작, 그리고, 출력 전압의 전압값이 전력 발생부가 특정 전력 발생 특성을 보이는 범위 내에 있다고 판별하는 동작을 더 포함한다.
전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양을 제어하는 동작은: 출력 전압의 전압값이 전력 발생부가 특정 전력 발생 특성을 보이는 범위 밖에 있다고 판별될 때, 출력 전압의 전압값을, 전력 발생부가 특정 전력 발생 특성을 보이는 범위내에 있게 하도록, 전력 발생부로부터 출력된 출력 전류의 전류값을 제어하는 동작을 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 전원 장치 및 제어 장치의 실시예를 도시하는 블럭도이며,
도 2는 이러한 실시예에 따른 전원 장치에 적용되는 전력 발생 전지부의 예를 도시하는 블럭도이고;
도 3은 이러한 실시예에 따른 전원 장치에 적용되는 출력 전류 제어부의 예를 도시하는 회로 블럭도이며;
도 4는 이러한 실시예에 따른 전원 장치의 제어 방법의 예를 도시하는 순서도이고;
도 5는 이러한 실시예에 따른 전원 장치에 적용되는 전력 발생 전지부의 출력 특성(전력 발생 특성)을 도시하는 도면이며;
도 6은 개질된 연료 공급 모드를 채택하는 연료 전지가 종래 기술에 적용되 는 전원 장치의 구조예를 도시하는 블럭도이고; 그리고
도 7은 개질된 연료 공급 모드가 적용되는 전원 장치에 적용되는 연료 개질부에서 화학적 반응의 예를 도시하는 도면이다.
본 발명에 따른 전원 장치, 전원 장치용 제어 장치 및 전원 장치의 제어 방법이 이하 실시예를 기초로 설명된다.
< 전원 장치 >
본 발명에 따른 전원 장치 및 제어 장치의 구조가 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 전원 장치 및 제어 장치의 실시예를 도시하는 블럭도이다.
전력 발생 연료로서 메탄올을 사용하는 예가 설명된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 실시예에 따른 전원 장치는, 전력 발생 연료로서 메탄올(CH3OH) 및 물(H2O)을 포함하는 혼합용액(메탄올액)이 채워진 연료 탱크(200); 메탄올(CH3OH), 대기의 물(H2O), 그리고 산소(O2)를 사용한 일련의 화학반응(이후 상세히 설명)에 기초하여 수소(H2)를 발생시키는 화학 반응부(100); 전력 발생 전지부(연료 전지); 화학 반응부(100)로부터 공급된 수소(H2) 및 대기의 산소(O2)를 사용한 전기화학적 반응에 기초하여, 전기 에너지를 생성 및 출력하는 연료 전지로 형성된 전력 발생부(150); 전력 발생부(150)에 의해 생성된 전기 에너지에 상응하는 출력 전류의 전류 값을 제어하고, 후술할 장치 제어부(170)로부터 제 어 신호(전류 제어 값)에 기초한 출력으로서 출력하는 출력 제어부(160); 전력 발생부(150)로부터 출력된 전기 에너지를 원하는 전압값으로 변환하고, 제 1 전지(190)에 전기 에너지의 저장을 제어하며 전기 에너지를 로드로 출력하는 DC/DC 컨버터(전압 변환부)(180); 전력 발생부(150)로부터 출력된 전기 에너지를 저장하는 어큐뮬레이터와 같은 제 2 전지(저장부)(190); 그리고, 전원 장치의 구동 상태(화학 반응부(100)에서의 화학적 반응(개질 반응)의 처리 상태 또는 전력 발생부(150)에서의 전력 발생 동작)를 좀 더 제어하기 위해 각 구조에서의 동작을 제어하는 장치 제어부(제어부)(170)를 포함하는 구조를 가진다.
각 구조는 이하 자세히 설명된다.
(화학 반응부 )
도 1에 도시한 바와 같이, 화학 반응부는, 메탄올 가스 및 수증기를 포함하는 연료 가스를 생성하기 위하여, 연료 탱크(200)로부터 공급된 메탄올 용액을 가열하고 기화(증발)하는 전력 발생 연료 기화기(110); 연료 가스를 사용한 촉매 반응(스팀 개질 반응)에 기초하여 수소(H2)를 포함하는 전력 발생 가스를 생성하는 연료 개질기(120); 연료 개질기(120)의 촉매 반응으로 수소 가스가 발생될 때 부산물로서 생성되는 이산화 탄소(CO) 및 산소를 사용한 촉매 반응(선택적인 산화 반응)에 기초하여, 이산화 탄소(CO2)를 생성하기 위해 일산화 탄소(CO)를 제거하는 일산화탄소 제거기(130); 전원 장치에서 안정된 상태로 전력 발생부(150)로 공급되는 수소 가스(H2)에서 전력 발생부(150)의 전기화학적 반응에 사용되지 않는 미반응 수소 가스(H2)를 포함하는 오프-가스 및 대기의 산소(O2)를 사용한 촉매 연소 반응에 기초하여, 적어도 전력 발생 연료 기화기(110), 연료 개질기(120) 및 일산화탄소 제거기(130)에서, 각 화학 반응을 촉진 및 유지시키는데 필요한 열 에너지를 생성하는 오프-가스 촉매 연소기(가열부)(140); 적어도 전력 발생 연료 기화기(110), 연료 개질기(120) 및 일산화탄소 제거기(130)에서, 각 화학 반응을 촉진 및 유지하는데 필요한 에너지를 생성하기 위하여 전원 장치를 활성화할 때, 제 2 전지(190)에 저장된 전기 에너지를 사용하고, 전력 발생 연료 기화기(110), 연료 개질기(120) 및 일산화탄소 제거기(130)의 온도 상태를 측정하는 전기 가열기/온도계(온도 측정부)(HS1,HS2,HS3)를 포함한다.
또한, 연료 탱크(200)로부터 메탄올 용액을 공급(출력)하는 유동 펌프(PN1), 유동 펌프(PN1)의 구동 상태를 제어하는 제어 구동기(DR1), 공급 양을 검출하는 유량계(FL1)가 전력 발생 연료 기화기(110)의 메탄올 용액의 공급 양을 설정하는 유동 밸브(VL1)와 연료 탱크(200) 및 전력 발생 연료 기화기(110) 사이의 연료 공급 경로에 제공된다.
일산화탄소 제거기(130), 오프-가스 촉매 연소기(140) 및 전력 발생 전지부(150)의 여러 화학 반응(촉매 반응, 전기화학적 반응 및 기타 반응)이 산소를 필요로하기 때문에, 대기의 공기를 흡입하여 공급하는 공기 펌프(PN2), 공기 펌프(PN2)의 구동 상태를 제어하는 제어 구동기(DR2), 각 일산화탄소 제거기(130), 오프-가스 촉매 연소기(140) 및 전력 발생 전지부(150)의 산소의 공급양을 설정하는 유동 밸브(VL2,VL3,VL4) 및 공급양을 측정하는 유량계(FL2,FL3,FL4)가 제공된 다.
여기서, 각 제어 구동기(DR1,DR2)는 장치 제어부(170)로부터 명령(제어 신호(CD))에 기초하여 펌프(PN1,PN2)에서의 구동 상태를 제어한다. 또한, 유량계(FL1 내지 FL4)는 메탄올 용액의 유동율 데이터(FO) 및 각 구조로 공급된 공기를 장치 제어부(170)로 출력한다.
각 전기 가열기/온도계(HS1 내지 HS3)가 전력 발생 연료 기화기(110), 연료 개질기(120) 및 일산화탄소 제거기(130) 근처에 제공되어, 전원 장치가 작동할 때, 전력 발생 연료 기화기(110), 연료 개질기(120) 및 일산화탄소 제거기(130)의 각 화학 반응을 촉진하기 위해 적합한 열 에너지를 생성한다. 열 에너지에 의해 구현되는 전력 발생 연료 기화기(110), 연료 개질기(120) 및 일산화탄소 제거기(130)의 온도를 측정하는 것을 제어하는 제어 구동기(DR3,DR4,DR5)가 전기 가열기/온도계(HS1 내지 HS3)와 각각 연결된다. 각 제어 구동기(DR3 내지 DR5)는 장치 제어부(170)로부터 명령(제어 신호(CD))에 기초하여 각 전기 가열기/온도계(HS1 내지 HS3)에 의해 검출되는 온도를 모니터하면서, 출력될 열 에너지를 조정한다.
절연 기판의 반응 분진으로서 미세홈을 형성하기 위한 반도체 장치 제조 기술이 적용될 수 있고, 또는 박막 금속판으로 각각 구성된 복수의 장벽이 반응 분진을 형성하기 위하여 제공될 수 있으며, 또는 소정의 촉매제가 본 실시예에 따른 화학 반응부(100)의 오프-가스 촉매 연소기(140), 연료 개질기(120), 일산화탄소 제거기(130) 및 전력 발생 연료 기화기(110)에서, 미세 화학 반응기(마이크로-반응기)로서 구성되는 분진의 내벽에 적용될 수 있다.
또한, 각 전기 가열기/온도계(HS1 내지 HS3)로서, 상술한 구조 각각에 인접한 박막 저항 물질을 포함하는 부재가 적용될 수 있다. 또한, 각 화학 반응기 및 박막 레지스터가 순차적으로 중첩되는 구조를 채용하는 것도 가능하다. 예를 들면, 도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 유닛은 전기 가열기/온도계 인덕터(HS1)와 거기에 중첩되어 있는 전력 발생 연료 기화기(110)를 포함하고, 제 2 유닛은 전기 가열기/온도계 인덕터(HS2)와 거기에 중첩되어 있는 연료 개질기(120)를 포함하며, 그리고 제 3 유닛은 전기 가열기/온도계 인덕터(HS3)와 거기에 중첩되어 있는 일산화탄소 제거기(130)를 포함한다. 이러한 유닛은 적당한 순서로 중첩되어 있다(도 1은 제 1, 제 2, 제 3 유닛이 언급된 순서로 중첩되어 있는 구조를 도시한다.) 이러한 유닛은 파이프와 같은 분진을 통해 서로 연결되며, 획득된 구성이 진공 절연 용기에 내장되어 있다.
여기서, 전력 발생 연료 기화기(110)의 방출구가 연료 개질기(120)의 공급 포트와 연결되고, 연료 개질기(120)의 방출구가 일산화탄소 제거기(130)의 공급 포트와 연결되며, 그리고 일산화탄소 제거기(130)의 방출구가 전력 발생 전지부(150)와 연결되는 방식으로, 분진이 형성된다.
메탄올과 물의 혼합액(메탄올 용액)이 연료 탱크(200)에 내장되는 구조가 설명되었으며, 이는 본 실시예의 전력 발생 연료 기화기(110)에 적용된다. 그러나, 본 발명이 여기에만 국한되는 것은 아니다. 예를 들면, 메탄올 및 물은 각 탱크(즉, 메탄올 탱크 및 물 탱크)에 내장될 수 있고, 메탄올 및 물이 이러한 탱크로부터 각각 제공되는 펌프, 제어 구동기, 유동 밸브 및 유량계(즉, 개별 공급 장치) 를 통해 전력 발생 연료 기화기(110)로 공급될 수 있다.
화학 반응부(110)(전력 발생 연료 기화기(110), 연료 개질기(120) 및 일산화탄소 제거기(130))에서 수소 가스를 발생시키기 위한, 일련의 화학 반응(가열 및 기화 처리, 스팀 개질 반응 및 선택적인 산화 반응)이 이하 설명된다.
먼저, 전력 발생 연료 기화기(110)의 기화 처리에서, 전기 가열기/온도계(HS1)는 전원 장치가 동작할 때 제어된다. 또한, 전원 장치의 전력 발생 동작이 안정화되는 상태에서, 전력 발생 연료 기화기(110)의 온도 상태를 메탄올(CH3OH) 및 물(H2O)의 혼합액(메탄올 용액)의 비등점(예를 들면, 약 120℃) 보다 낮은 온도로 설정하기 위해, 오프-가스 촉매 연소기(140)의 오프-가스의 촉매 연소 반응이 제어된다. 그 결과, 혼합액이 가열되어 기화되고, 그에 따라, 연료 가스를 생성한다.
이후, 기화 처리와 같은, 연료 개질기(120)의 스팀 개질 반응 처리에서, 화학식(1)에 의해 표현된 바와 같이, 250℃ 내지 400℃ 인 바람직하게는 약 270℃ 내지 300℃ 인 온도 조건을 설정함으로써, 수소(H2)를 포함하는 전력 발생 가스가 전기 가열기/온도계 인덕터(HS2) 또는 오프-가스 촉매 연소기(140)으로부터 공급된 열 에너지에 기초하여 연료 가스로부터 발생된다. 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 이산화 탄소(CO2) 및 적은 양의 일산화 탄소(CO)가 이러한 스팀 개질기 반응에서 수소(H2) 이외의 부산물로서 생성된다.
Figure 112008043467770-pct00001
해로운 부산물을 제거하기 위하여, 화학식(2)에 의해 표현된 바와 같이, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이 120℃ 내지 200℃ 인 바람직하게는 약 140℃ 내지 180℃ 인 온도 조건을 설정함으로써, 일산화탄소 제거기(130)에서의 일산화탄소 제거 처리에서, 기화 처리와 같이, 대기의 산소(O2)가 일산화탄소(CO)에 대하여 반응하여, 전기 가열기/온도계 인덕터(HS3) 또는 오프-가스 촉매 연소기(140)로부터 공급된 열 에너지에 기초하여 이산화탄소(CO2)를 생성하는 선택적인 산화 반응의 효과가 발생한다.
Figure 112008043467770-pct00002
그 결과, 화학 반응식(100)은 연료 탱크(200)로부터 공급받은 물(H2O) 및메탄올(CH3OH)(전력 발생 연료)을 포함하는 혼합액(메탄올 용액)을 개질하여, 고 순도(고농도, 70 내지 75%)를 포함하는 수소 가스(H2)를 생성한다.
(전력 발생 전지부 )
도 2는 본 실시예에 따른 전원 장치에 적용되는 전력 발생 전지부의 예를 도시하는 블럭도이다. 전력 발생 전지부로 구성되는 연료 전지의 예로서 알려진 양자-교환막 연료 전지가 설명된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전력 발생 전지부(150)는 예를 들면, 백금 또는 백금 루테늄이 부착된 촉매 미세 입자를 포함하는 탄소 전극으로 형성되는 양극(ELa), 백금의 촉매 미세 입자가 부착된 탄소 전극으로 형성된 음극(ELc) 및 양극(ELa) 및 음극(ELc) 사이에 삽입된 막-형 양자 교환막(이온-교환막)(LYi)을 포함한다. 전력 발생 전지부(150)는 다음과 같은 방식으로 구성된다. 즉, 화학 반응부(100)의 전력 발생 연료(메탄올(CH3OH))를 개질하여 얻은 고순도(고농도)의 수소 가스(H2)가 양극(ELa) 측에 공급되고, 공기 펌프(PN2)에 의해 흡입되는 대기의 산소(O2)가 유동 밸브(VL4) 및 유량계(FL4)를 통해 음극(ELc)에 소정의 유량으로 지속적으로 공급된다.
여기서, 본 실시예에 따른 전력 발생 전지부(150)에서, 연료 탱크(200)로부터 출력된 메탄올 용액을 기화하여 얻은 연료 가스가 이러한 연료 가스가 개질되는 연료 개질기(120)에 공급되며, 일산화탄소 제거기(130)에서 일산화탄소(CO)를 제거하여 얻은 고농도의 수소 가스(H2)가 양극(ELa)으로 공급된다.
또한, 이러한 구조를 갖는 전력 발생 전지부(150)의 전력 발생 동작을 관한 전기화학적 반응에 관하여, 다음의 화학식(3)에 의해 표현되는 바와 같이, 수소 가스(H2)가 양극(ELa)에 공급될 때, 전자 e-가 촉매 반응에 의해 분리되어 수소(H+)를 생성하며, 이러한 이온은 양자 교환막(LYi)를 통해 음극(ELc) 측에 전달된다. 양자(e-)는 방출되어 양극(ELa)을 구성하는 탄소 전극에 의해 부하(LD)로 공급된다.
Figure 112008043467770-pct00003
한편, 다음의 화학식(3)에 의해 표현되는 바와 같이, 공기의 산소(O2)가 음극(ELc)에 공급될 때, 부하(LD)를 통해 통과하는 전자(e-)가 촉매 물질에 의해 양자 교환막(LYi)을 통해 전달되는 산소(O2) 및 수소(H+)와 반응하여, 부산물로서 물(H2O)을 생성한다.
Figure 112008043467770-pct00004
여기서, 화학식(3)과 (4)에 표현된 일련의 전기화학 반응은 약 60 내지 80℃인 상대적으로 낮은 온도의 온도 조건에서 처리된다. 양극(ELa)에 공급된 수소(H2)는 반응하여 소비되고, 이러한 전기화학 반응에 기초하여 전기 에너지로 변환된다. 그러나, 공급된 수소(H2)에서의 소비의 비율(수소 활용 인자:hydron utilization factor)은 전력 발생 전지부(150)로부터 출력된 전기 에너지의 양에 좌우되며, 미반응 수소로서의 소비되지 않고 남아있는 수소(H2)가 오프-가스로서 배출된다. 여기서, 전력 발생 전지부(150)로부터 전기 에너지를 취할 때, 전력 발생 전지부(150)의 전기화학 반응을 적절하게 수행하여 전력 발생 전지가 손상되거나 열화되는 것을 방지하기 위하여, 수소 활용 인자의 값은 적당한 범위를 가진다. 후술하는 바와 같이, 수소 활용 인자는 대개 75% 내지 90%의 범위 내에 설정된다. 전력 발생 전지부(150)로부터의 전기 에너지에 상응하는 전류를 취할 때, 전류 값은 소정의 후술하는 최소 전류 값으로부터 최대 전류값까지의 범위로 제한된다. 전력 발생 전지부(150)로부터 출력된 전력은 후술할 소정의 최소 전력 값보다 작지 않은 범위 내로 제한된다. 전력 발생 전지부(150)로부터의 출력 전압은 후술할 최소 전압값보다 작지 않은 범위로 설정된다. 이러한 범위를 초과할 때, 전력 발생 전지부(150)에서의 전기 에너지 발생 동작은 불안정해진다.
전력 발생 전지부(150)로부터 배출된 오프-가스는 화학적 반응부(100)의 오프-가스 촉매 연소기(140)에 공급되어, 촉매 연소 반응에 기초하여 열 에너지로 변환되며, 상술한 바와 같이 연료 개질기(120), 일산화탄소 제거기(130) 및 전력 발생 연료 기화기(110) 각각의 온도 상태(각 화학 반응에 적합한 고정된 온도)를 설정 및 유지하기 위해 활용된다.
(출력 제어부)
도 3은 본 실시예에 따른 전원 장치에 적용되는 출력 제어부의 예를 도시하는 회로도이다.
출력 제어부(160)는 전력 발생 전지부(150)의 전기 에너지 출력부에 제공된다. 예를 들면, 도 3에 도시된 바와 같이, 출력 제어부(160)는: 전력 발생 전지부(150)와 접속되는 입력측 접점(IN)과 DC/DC 컨버터(180)을 통해 전기 장치의 부하와 접속되는 출력측 접점(OUT) 사이에 연결되어 있는 전류 경로를 가지는 P-채널형 트랜지스터(전계 효과 트랜지스터)(Tr1); 입력측 접점(IN)과 출력측 접지 전 위(GND) 사이에서 직렬로 접속되어 있는 각 전류 경로를 가지는 저항 소자(R) 및 P-채널형 트랜지스터(Tr2,Tr3); 출력측 접점(OUT)과 접속하는 일측 입력 단자, 트랜지스터(Tr2,Tr3)의 접속 접점(접점(N1))과 접속하는 타측 입력 단자, 그리고 트랜지스터(Tr3)의 게이트 단자와 접속하는 출력 단자를 가지는 비교기(증폭기)(AP1); 장치 제어부(170)로부터 출력된 디지털 신호로 형성된 제어 신호(전류 제어값)에 디지털-대-아날로그 변환을 가하여 설정 전압(Vset)을 생성하는 디지털-대-아날로그 컨버터(DAC); 그리고, 박막 트랜지스터(Tr3) 및 저항 소자(R)의 접속 접점(접점(N2))과 접속하는 일측 입력 단자, 디지털-대-아날로그 컨버터(DAC)로부터 출력된 설정 전압(Vset)이 인가되는 타측 입력 단자 및 트랜지스터(Tr2, Tr3)의 게이트 단자와 접속하는 출력 단자(접점(N3))를 가지는 비교기(AP2)를 포함한다.
이러한 회로 구성을 가지는 출력 제어부(160)에서, 예를 들면, 1/1000(Iout/1000)의 전류가 비교기(AP1) 및 트랜지스터(Tr3)에 의한 출력측 접점(OUT)을 통해 흐르는 출력 전류(즉, 전력 발생 전지부(150)로부터 출력된 전기적 에너지에 상응하는 전류값)(Iout)에 대하여 저항 소자(R)를 통해 접지 전위(GND)를 통해 흐르도록 설정된다. 전류가 저항 소자(R)를 통해 흐를 때 발생된 접점(N2)에서의 전위가 비교기(AP2)의 일측 입력 단자에 인가된다. 또한, 디지털-대-아날로그 컨버터(DAC)에 의해 발생된 설정 전압(Vset)(아날로그 전압)이 장치 제어부(170)로부터 출력된 디지털 신호로 형성된 제어 신호(전류 제어값)에 기초하여, 비교기(AP2)의 타측 입력 단자에 인가된다.
그 결과, 비교기(AP2)는, 접점(N2)에서의 전위와 설정 전압(Vset)을 비교하 여 얻은 출력 전위(접점(N3)에서의 전위)에 기초하여, 트랜지스터(Tr2,Tr3)의 전기적 도전 상태(온, 오프)를 제어한다. 그에 따라, 전력 발생 전지부(150)로부터 출력된 전기적 에너지에 상응하는 전류값(출력 전류(Iout))은 대개 장치 제어부(170)로부터 출력된 디지털 신호를 구성하는 제어 신호(전류 제어값)에 기초하여 제어된다(단계 제어). 즉, 트랜지스터(Tr1)가 전력 발생 전지부(150)에 대한 로드로서 기능하여, 전력 발생 전지부(150)에 대한 부하의 크기가 비교기(AP2)로부터의 출력에 따라서 제어된다. 출력 제어부(160)는 전력 발생 전지부(150)에 대한 전기적 로드로서 제공된다.
여기서, 본 실시예에 따른 출력 제어부(160)에서는, 출력 전류(Iout)가 제어 신호(전류 제어값)에 기초해 설정된 전류값(설정 전류)을 초과할 때, 설정 전압(Ilim)과 동일한 전류값을 갖도록(Iout=Ilim) 출력 전류(Iout)가 제어되며, 출력 전류(Iout)의 전류값이 설정값(Ilim)을 초과하지 않도록 제어된다. 저항 소자(R)의 저항값이 1 ㏀일 때, 제어 신호에 기초하여 발생한 설정 전류(Ilim) 및 설정 전류(Vset) 사이의 관계가 다음의 식에 의해 나타난다.
Ilim/1000 = Vset/R -> Ilim (=Iout) = 1000 × Vset/R
본 발명에 따른 전원 장치의 전력 발생 전지부(150)의 출력부에 제공되는 출력 제어부(160)는 도 3에 도시된 회로 구성에만 제한되지 않는다. 출력 제어부(160)는 장치 제어부(170)로부터의 제어 신호에 기초하여 출력 전류(Iout)의 전류값을 제어하는 동일한 기능을 갖는 한, 다른 회로 구성을 가질 수도 있다.
따라서, 도 1이 독립적인 구조로서 출력 제어부(160)를 도시하고는 있지만, 여기에 국한되지는 않는다. 출력 제어부(160)는 예를 들면, DC/DC 컨버터(180)와 일체적으로 구성된다. 이러한 경우, 장치 제어부(170)로부터 출력된 제어 신호(전류 제어값)는 DC/DC 컨버터(180)를 통해 출력 제어부(160)의 디지털-대-아날로그 컨버터(DAC) 등에 입력된다.
( DC / DC 컨버터/제 2 전지)
전원 장치의 안정적인 동작에서, DC/DC 컨버터(180)는 소정의 전압값과 전류값을 가지는 부하 구동 전력을 생성하기 위하여 전력 발생 전지부(150)로부터 출력된 전기적 에너지를 변환하고, 전기 장치 등의 로드로 발생된 전력을 공급하고, 장치 제어부(170) 또는 각 드라이버(DR1,DR5)로 출력될 제어 구동 전력을 생산하며, 전기 에너지가 제 2 전지(190)에 저장되도록 변환된 전압을 사용하여 제 2 전지(190)를 충전한다. 또한, 예를 들면, 전원 장치의 상태를 활성화하고 임시로 과부하된 상태에서, 제 2 전지(190)에 저장된 전기 에너지가 전기 장치 등의 로드로 공급될 부하 구동 전력을 생성하기 위해 사용되며, 장치 제어부(170) 또는 각 구동기(Dr1 내지 Dr5)로 출력되도록 제어 구동 전력이 제어된다. 제 2 전지(190)로서, 알려진 다양한 어큐뮬레이터 배터리가 적용될 수 있거나, 두께나 무게가 감소되며 충전/방전 특성이 우수한 전기 이중층 커패시터가 적용될 수 있다.
(장치 제어부)
장치 제어부(170)는 CPU, ROM, RAM, 아날로그-대-디지털 컨버터, 디지털-대-아날로그 컨버터 및 기타 다른 도시되지 않은 부재를 포함하며, 각 구조에서 동작을 제어한다. 특히, 장치 제어부(170)는, 사용자에 의한 전원 장치의 활성화 동작 에 기초하여, 소정양의 메탄올 용액을 연료 탱크(200)로부터 소정의 타이밍에 유동 펌프(PN1), 유동 밸브(VL1) 및 유량계(FL1)를 통해 전력 발생 연료 기화기(110)로 공급하고, 소정의 온도 상태에서 전력 발생 연료 기화기(110)를 설정하며, 그로 인해, 연료 가스를 생성하기 위한 메탄올 용액의 기화 처리(연료 기화 동작)에서의 동작 상태를 제어한다.
또한, 장치 제어부(170)는 전력 발생 연료 기화기(110)에서 생성되는 연료 가스(메탄올 CH3OH 및 물 H2O)를 개질하는 스팀 개질 반응 처리에서의 동작 상태를 제어하여 수소(H2)를 포함하는 전력 발생 가스를 생성하도록, 소정의 온도 상태로 연료 개질기(120)를 설정한다.
또한, 장치 제어부(170)는 소정양의 산소(O2)를 공기 펌프(PN2), 유동 밸브(VL2) 및 유량계(FL2)를 통해 소정의 타이밍에 일산화탄소 제거기(130)로 공급한다. 장치 제어부(170)는, 고농도의 수소 가스(H2)를 생성하도록, 연료 개질기(120)에 의해 발생된 전력 발생 가스의 일산화 탄소(CO)를 제거하는 선택적인 산화 반응으로 이루어진 일산화 탄소 제거 처리의 동작 상태를 제어한다.
부가하여, 장치 제어부(170)는, 일산화탄소 제거기(130)를 통해 생성된 고농도의 수소 가스가 양극(ELa) 측으로 공급되는 전력 발생 전지부(150)에 대하여, 소정양의 산소(O2)를 공기 펌프(PN2), 유동 밸브(VL4) 및 유량계(FL4)를 통해 소정의 타이밍에 음극(ELc)으로 공급하며, 그에 따라, 화학 반응식(4) 및 (5)의 일련의 전기화학적 반응에 기초하여 소정의 전기 에너지를 생성하는 전력 발생 동작의 동작 상태를 제어한다.
여기서, 전력 발생 연료 기화기(110)의 기화 처리, 연료 개질기(120)의 스팀 개질 반응 처리 및 일산화탄소 제거기(130)의 일산화 탄소 제거 처리에 관하여, 전원 장치를 활상화시키는 타이밍에, 각 전기 가열기/온도계(HS1,HS2,HS3)에 전력을 공급하여 출력된 열적 에너지에 기초하여, 소정의 온도 상태가 구현된다. 또한, 전원 장치의 안정된 상태에서, 전력 발생 전지부(150)의 전기 화학적 반응에서 미반응으로 남아있는 수소 가스를 함유하는 오프-가스가 전기 가열기/온도계(HS1,HS2,HS3)를 사용하지 않고 오프-가스 촉매 연소기(140)에 공급되며, 소정양의 산소(O2)가 공기 펌프(PN2), 유동 밸브(VL3) 및 유량계(FL3)를 통해 소정의 타이밍에 오프-가스 촉매 연소기(140)로 공급된다. 그 결과, 오프-가스 촉매 연소기(140)의 촉매 연소 반응에 의해 발생된 열 에너지에 기초하여 소정 온도 상태가 구현된다.
화학 반응부(100) 및 상술한 전력 발생 전지부(150)의 각 동작 제어가 아래의 방식으로 구현된다. 즉, 장치 제어부(170)에서, CPU는 예를 들면, 각 유량계(FL1 내지 FL4)의 각 흐름율 데이터(공급양 데이터), 전기적 가열기/온도계(HS1 내지 HS3)에 의해 측정되는 각 온도 데이터(좁은 의미로 각 제어 구동기(DR3 내지 DR5)를 통해 얻어지는 데이터 신호), 전력 발생 전지부(150)로부터 출력된 전기적 에너지에 상응하는 전류값(출력 전류값) 등을 아날로그-대-디지털 변화되도록 하기 위해, ROM에 저장된 다양한 종류의 제어 프로그램을 수행하며, 변환된 데이터가 페치된다. 유동 밸브(VL1 내지 VL4), 펌프(PN1,PN2) 및 전기적 가열기/온도계(HS1 내 지 HS3)를 구동하는 구동기(DR1 내지 DR5)를 제어하는 구동기 제어 신호(CD), 그리고 각 데이터(측정값)에 기초하여 디지털-대-아날로그 변환이 가해지는 다른 것들을 구동하는데 필요한 밸브 구동 신호(VD)가 출력된다.
또한, 전력 발생 전지부(150)의 전기화학적 반응에 의해 생성되어 출력되는 전기 에너지의 전류 값은, 전력 제어부(170)로부터 출력 제어부(160)로 출력되는 디지털 신호로 이루어진 제어 신호(전류 제어값)에 기초하여 제어되며, DC/DC 컨버터(180)에 의해 소정의 전압값으로 변환된다. 설정된 전류값 및 전압값을 가지는 전기 에너지가 제 2 전지(190)에 임시로 저장된다. 이러한 저장 동작 이후, 또는 이러한 저장 동작 없이, 그러한 전기 에너지는 부하 구동 전력으로서 미도시된 부하(전자 장치 등)로 공급되고, 제어 구동 전력으로서 전력 제어부(170) 및 각 제어 구동기(DR1 내지 DR5)로 공급된다.
부가하여, 본 실시예에 따른 전원 장치의 장치 제어부(170)에서는, 특히, 전원 장치의 안정된 상태에서 화학적 반응부(100)의 각 구조(발생 연료 기화기(110), 연료 개질기(120) 또는 일산화탄소 제거기(130))의 고정된 온도 상태를 설정 및 유지하기 위하여, 오프-가스 촉매 연소기(140)에 공급되는 오프-가스의 양이 밸브 등을 사용하여 제어되지 않는다. 그러나, 출력 제어부(160)는, 장치 제어부로부터 출력되는 제어 신호(전류 제어값)에 기초하여, 전력 발생 전지부(150)의 전력 발생 동작에 의해 생성된 전기 에너지에 상응하는 전류 값을 제어하며, 그에 따라, 오프-가스의 수소의 양을 조정한다.
즉, 전력 발생 전지부(150)를 구성하는 연료 전지에서 소비되는(전기화학적 반응을 위해 활용되는) 수소의 양(수소 활용 인자)은 대개, 전기화학적 반응에 의해 생성되는 전기 에너지에 상응하는 출력 전류의 전류 값에 기초하여 유일하게 판별되어 출력된다. 그에 따라, 전력 발생 전지부(150)로부터 출력된 전기 에너지에 상응하는 출력 전류의 전류값의 제어는 전력 발생 전지부(150)의 수소 활용 인자를 판별할 수 있다. 이러한 활용 인자에 기초하여, 오프-가스 촉매 연소기(140)에 공급되는 오프-가스의 수소의 양이 조정된다. 그에 따라, 촉매 연소기 반응부에 의해 생성되는 열 에너지(열의 값)가 제어됨에 따라, 화학 반응부(100)의 각 구조의 온도를 설정하고 일정하게 유지할 수 있다.
그 결과, 전력 발생 전지부(150)로부터 공급된 오프-가스의 수소양이 오프-가스 촉매 연소기(140)에 필요한 양(즉, 화학적 반응부(100)의 수소를 생성하기 위해 각 화학적 반응에 필요한 열적 에너지의 발생양)이 되도록 조정되기 때문에, 오프-가스의 수소는 오프-가스 촉매 연소기(140)의 촉매 연소 반응에 의해 모두 소비된다.
[전원 장치의 제어 방법]
도 4는 본 실시예에 따른 전원 장치의 제어 방법예를 도시하는 순서도이다.
본 실시예에 따른 전원 장치에서, 장치 제어부(온도 비교부, 전류값 설정부, 전류값 판단부, 전압값 판단부)(170)는 전기 가열기/온도계(HS1 내지 HS3)를 사용하여, 화학 반응부(100)의 각 구조(전력 발생 연료 기화기(110), 연료 개질기(120)또는 일산화탄소 제거기(130))의 온도 상태를 모니터하고, 모니터된 상태를 수소를 생성하기 위한 각 화학적 반응부에 적합한 고정 온도 상태로 설정하고, 이러한 온 도 상태가 유지되도록 온도 제어를 수행한다.
또한, 이러한 화학 반응부(100)의 각 구조의 온도 상태가 어떤 인자(예를 들면, 외부 온도의 변화, 전력 발생 전지부(150)의 출력 특성의 변화, 또는 오프-가스 촉매 연소기(140)의 촉매 연소 반응 특성의 열화)로 인해 변화할 때, 다음의 일련의 제어 동작이 수행되어, 전력 발생 전지부(150)로부터 출력된 전기 에너지에 상응하는 출력 전류의 전류값이 증가/감소되며, 그에 따라, 오프-가스의 수소 양을 제어하며, 온도 상태를 설정하고 일정한 상태로 유지한다.
화학 반응부(100)를 구성하는 연료 개질기(120)에 걸친 온도 제어를 수행하는 예가 이하 설명된다. 동일한 제어 방법이 다른 구조(전력 발생 연료 기화기(110), 일산화탄소 제거기(130))를 포함하는 예에 적용된다.
이러한 실시예에 따른 전원 장치에서 화학적 반응부(100)(연료 개질기(120))에 걸친 온도 제어에서, 연료 개질기(120)의 온도 상태가 전기 가열기/온도계 지표(HS2)에 의해 임의의 타이밍에 측정되며, 측정된 상태가 장치 제어부(170)(S111; 온도 측정 단계)에 입수된다. 특히, 장치 제어부(170)는 전기 가열기/온도 지표(HS2)에 적은 양의 전류가 흐르도록 제어 구동기(DR4)로 구동기 제어 신호(CD)를 공급하고, 이러한 순간에 전압값이 제어 구동기(DR4)를 통해 온도 측정 데이터로서 페치된다. 또한, 온도 측정 데이터(전압값)에 기초하여 이러한 순간에 저항값을 계산하여 연료 개질기(120)의 온도를 획득한다.
이후, 연료 개질기(120)의 온도(개질기 온도)가 현재의 온도 조건(설정 온도)과 일치하는지(동일한지)가 판별된다(S112:온도 비교 단계). 개질기 온도가 설 정 온도와 일치할 때, 제어는 단계(S111)로 복귀하여, 연료 개질기(120)에서의 온도 측정 동작을 계속한다. 한편, 개질기 온도가 설정 온도와 다를 때, 개질기 온도가 설정 온도보다 높은지가 판별된다(S113).
개질기 온도가 설정 온도보다 낮을 때, 전력 발생 전지부(150)로부터 출력된 출력 전류(Iout)가 감소되어 온도를 증가시키고, 전력 발생 전지부(150)의 수소 활용 인자가 감소되어 오프-가스의 수소의 양을 증가시킨다. 개질기 온도가 설정 온도보다 높을 때, 전력 발생 전지부(150)로부터 출력된 출력 전류(Iout)가 증가되어 온도를 낮게 하며, 전력 발생 전지부(150)의 수소 활용 인자가 증가되어 오프-가스의 수소의 양을 감소시킨다. 여기서, 전력 발생 전지부(150)로부터 출력된 출력 전류(Iout)의 전류 값은 후술할 최소 전류값부터 최고 전류값까지의 범위에 제한된다. 따라서, 개질기 온도가 단계(S113)에서의 설정 온도보다 낮은 것으로 판별될 때, 전력 발생 전지부(150)로부터 출력된 출력 전류(Iout)의 전류값이 미리 설정된 최소 전류값(설정된 최소 전류) 보다 크지 않은지가 단계(S114)에서 판별된다(전류값 판별 단계). 반면, 개질기 온도가 설정 온도보다 높을 때, 출력 전류(Iout)의 전류값이 기설정된 최대 전류값보다 큰지가 단계(S121)에서 판별된다(전류값 판단 단계).
전력 발생 전지부(150)로부터 출력된 출력 전류(Iout)의 값이 단계(S114)에서 최소 전류값보다 크지 않을 때, 출력 전류(Iout)의 전류값이 최소 전류값을 벗어나 감소될 수 없기 때문에, 전류값이 지나치게 작은 것으로 판별되며, 전원 장치 또는 전원 장치를 가지는 전기 장치에 추가로 제공되는 공지부(표시, 스피커 등)는 에러 정보를 출력한다(S120). 여기서, 에러 정보를 출력한 이후, 제어는 단계(S111)로 복귀하여 연료 개질기(120)에서 온도 측정 동작을 계속하거나, 또는 출력 전류(Iout)의 전류값이 지나치게 작아짐에 따라 따라 전원 장치의 동작이 멈춘다(정지 동작).
반면, 출력 전류(Iout)의 전류값이 최소 전류값(설정된 최소 전류)보다 클 때, 출력 전류의 전류값의 레벨은 한 단계 감소된다(S115; 전류값 설정 단계). 특히, 도 3에 도시된 바와 같이, 장치 제어부(170)로부터 출력 제어부(160) 등으로 출력된 제어 신호의 전류 제어 값이 특정한 값으로부터 특정한 값보다 한 단계 낮은 값으로 변경되어, 전력 발생 전지부(150)로부터 출력된 출력 전류(Iout)의 전류값을 하나의 단계만큼 감소시킨다.
개질기 온도가 이러한 방식으로 설정 온도보다 낮을 때, 전력 발생 전지부(150)로부터 출력된 출력 전류(Iout)의 전류값은 전력 발생 전지부(150)에서 소비된 수소의 양(수소 활용 인자보다 낮은)보다 낮게 감소된다. 그 결과, 전력 발생 전지부(150)로부터 배출된 오프-가스에 함유된 수소의 양은 증가될 수 있으며, 그에 따라, 오프-가스 촉매 연소기(140)로부터 연료 개질기(120) 공급된 열 에너지가 증가되어 개질기 온도를 높일수 있다.
이후, 전력 발생 전지부(150)로부터 출력된 전력은 후술할 최소 전력값(설정된 최소 전력)보다 작지 않은 범위에 국한된다. 발생 전력(S116)을 산출하기 위해, 전력 발생 전지부(150)로부터 출력된, 전류값이 한 단계 낮춰진 출력 전압이 DC/DC 컨버터(180)를 통해 전압 데이터로서 판독되며, 발생 전력(산출된 값)이 최소 전력 값 보다 큰지가 판별된다(S117:전압값 판별단계).
발생 전력(계산된 값)이 단계(S117)에서 최소 전력값(설정 최소값) 보다 클 때, 제어는 단계(S111)로 복귀하여, 연료 개질기(120)의 온도 측정 동작을 계속한다. 반면, 발생 전력(계산된 값)이 최소 전력값(설정 최소 전력)보다 크지 않을 때, 출력 전력이 지나치게 작은 것(미달 전력 판별)으로 판별하며, 공지부는 에러 정보를 공지하며(S118), 출력 전류(Iout)의 전류값의 레벨을 한 단계 증가시킨다(S119). 특히, 전원 제어부(170)로부터 출력된 제어 신호의 전류 제어값이 단계(S115)에서 설정된 값보다 한 단계 높은 값으로 변경되며, 그에 따라, 전력 발생 전지부(150)로부터 출력된 출력 전류(Iout)의 전류값이 한 단계 증가된다(전류값이 복구됨). 이후, 제어는 단계(S111)로 복귀하여, 연료 개질기(120)의 온도 측정 동작을 계속한다.
출력 전류(Iout)의 전류값이 단계(S121)에서의 최대 전류값(설정된 최대 전류)보다 작지 않을 때, 출력 전류(Iout)의 전류값이 더이상 증가될 수 없기 때문에, 전류값이 너무 큰 것으로 판별하고, 공지부(디스플레이 또는 스피커 등)는 에러 정보를 공지한다(S127). 여기서, 에러 정보를 공지한 이후, 제어는 단계(S111)로 복귀하여, 연료 개질기(120)의 온도 측정 동작을 계속하거나, 출력 전류값의 지나치게 커짐에 따라 전원 장치의 동작이 멈춘다(정지 동작).
반면, 출력 전류(Iout)의 전류값이 최대 전류값(설정 최대 전류)보다 작을 때, 장치 제어부(170)로부터 출력 제어부(160)로 출력된 제어 신호의 전류 제어값이 특정 값으로부터 특정값보다 한 단계 높게 변경되며, 그에 따라, 출력 전 류(Iout)의 전류값을 한 단계 증가시킨다(S122; 전류 값 설정 단계).
개질기 온도가 이러한 방식으로 설정값보다 커질 때, 전력 발생 전지부(150)로부터 출력된 출력 전류(Iout)의 전류값이 전력 발생 전지부(150)에서 수소의 소비량을 증가(수소 활용 인자의 증가) 시키도록 높아진다. 그 결과, 전력 발생 전지부(150)로부터 배출된 오프-가스에 함유된 수소의 양이 줄어들기 때문에, 오프-가스 촉매 연소기(140)로부터 연료 개질기(120)로 공급된 열 에너지가 개질기 온도보다 낮게 감소될 수 있다.
이후, 전력 발생 전지부(150)로부터 출력된 출력 전압의 값은 후술할 최소 전압값(설정된 최소 전압)보다 작지 않는 범위에 제한된다. 전류값이 한 단계 증가된 전력 발생 전지부(150)로부터 출력된 출력 전압이 DC/DC 컨버터(180)를 통해 전압 데이터로서 판독되며(S123), 전압값(판독값)이 최소 전압값(설정된 최소 전압) 보다 낮은지가 판단된다(S124; 전압값 판단 단계).
전압값(판독값)이 단계(S124)에서 최소 전압값보다 작지 않을 때, 제어는 단계(S111)로 복귀하여, 연료 개질기(120)에서 온도 측정 동작을 계속한다. 반면, 전압값(판독값)이 최소 전압값(설정 최소 전압)보다 낮을 때, 전압값은 지나치게 작은 것으로 판별하고(미달 전압 판별), 공지부는 에러 정보(S125)를 공지하며, 장치 제어부(170)로부터 출력 제어부(160)로 출력된 제어 신호의 전류 제어값이 단계(S122)에서 설정된 값보다 한 단계 낮은 값으로 변경된다. 그 결과, 전기 에너지에 상응하는 전류값(출력 전류(Iout))이 한 단계 낮아진다(S126). 이후, 제어는 단계(S111)로 복귀하여, 연료 개질기(120)의 온도 측정 동작을 계속한다.
부가하여, 에러 정보가 보여진 후, 제어가 단계(S111)로 복귀하여 단계(S120,S127)에서 온도 측정 동작을 계속할 때, 개질기 온도가 본래의 적당한 상태로 빨리 변경되지 않기 때문에, 오프-가스 촉매 연소기(140)에 공급된 상소의 양을 조정하는 유동 밸브(VL3) 및 연료 개질기(12)에 공급된 연료 가스의 양을 간접적으로 조정하는 유동 밸브(VL1)가 제어된다. 그 결과, 연료 개질기(120)의 온도 상태가 적당한 상태로 변경되며, 단계(S111)에서의 온도 측정 동작은 계속적으로 제어된다.
본 실시예에 따른 전원 장치에 적용되는 전력 발생 전지부의 전력 발생 특성들 사이의 관계와 제어 방법이 이하 설명된다.
도 5는 이러한 실시예에 따른 전원 장치에 적용되는 전력 발생 전지부의 출력 특성(전력 발생 특성)을 도시하는 도이다.
전원 장치의 제어 방법(화학적 반응부의 온도 제어)에서, 전력 발생 전지부(150)로부터 출력된 전기 에너지의 제어 범위는 제한을 가지며, 수소 활용 인자가 75% 내지 95%가 되는 범위에서 전력 발생 동작에 제어가 수행된다.
또한, 이러한 실시예에 따른 전원 장치에서, 상술한 바와 같이, 전력 발생 전지부(150)로부터 출력된 전기 에너지가 DC/DC 컨버터(180)에 공급되며, 소정의 고정 전압으로 변환되며, 부하 구동 전력으로서 부하에 페치된다.
이러한 전원 장치에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 전력 발생 전지부(150)로부터 출력된 전기 에너지에 상응하는 전류값(출력 전류)가 증가할 때, 전력 발생 전지부(150)의 전압값(출력 전압)은 점차 낮아진다(측정 전압값의 특성 곡선을 참 조).
또한, 전류값(출력 전류)이 증가할 때 전압값에 기초하여 계산된 전력값(발생 전력)은 선형적으로 증가하며, 전력 발생 전지부(150)의 수소 활용 인자가 75% 내지 95%가 되는 제어 범위(전력 발생 전지부(150)의 일반적인 제어 범위)에서 최대값을 가진다(측정된 전력값의 특성 곡선을 참조).
여기서, 도 4의 순서도 및 도 5의 출력 특성표에 도시된 설정된 최소 전류, 설정된 최대 전류, 설정된 최소 전력 및 설정된 최소 전압은, 전력 발생 전지로부터의 출력이 급격히 하락하는 것과 전력 발생 전지가 손상 또는 열화되는 것을 방지하기 위하여, 전력 발생 전지부(150)가 안정적으로 동작하는 범위에 상응하는 값으로 설정된다.
상술한 바와 같이, 전원 장치의 제어 방법(일련의 온도 제어 동작)은 전력 발생 전지부(150)가 75% 내지 95%(일반적인 제어 범위)가 되는 수소 활용 인자의 제어 범위 및 전력 발생 전지가 안정적으로 동작하는 범위 내에서 우수하게 구현된다.
여기서, 전력 공급 장치가 정상적으로 동작할 때, 상술한 범위에서 우수하게 동작하도록 설계된다. 그러나, 전력 발생 전지부(150)로부터 출력된 출력 전압 또는 이러한 출력 전압에 기초하여 계산된 전력값이 설정된 최소 전압 또는 설정된 최소 전력 보다 낮게 내려가는 현상이 발생하면, 이는 전원 장치에 문제(오작동)가 발생했다는 의미이다. 이러한 경우, DC/DC 컨버터(180)는 정상적인 동작을 가능하게 하는 범위를 벗어나고, 전원 장치에 의해 구동되는 부하(전기 장치 등)의 정상 적인 동작이 유지될 수 없다. 그러한 상태가 발생할 때, 에러 정보가 표시되며, 연료 개질기(120)의 온도 상태는 정상적인 상태로 변경되며, 연료 개질기(120)의 온도 측정 동작이 계속되거나, 전원 장치의 동작이 멈춘다(정지 동작).
상술한 바와 같이, 이러한 실시예에 따른 전원 장치의 제어 방법에서는, 연료 개질기(120)의 온도가 설정된 온도보다 높을 때, 전력 발생 전지부(150)로부터 출력된 출력 전류의 전류값이 증가하여, 전력 발생 전지부(150)의 수소의 소비량을 올리고, 그에 따라, 수소 활용 인자를 높인다. 즉, 온도의 증가로 연료 개질기(120)의 개질 반응이 활발해지며, 수소는 전력 발생 전지부(150) 및 오프-가스 촉매 연소기(140)에서 소비되는 수소량을 벗어나 생성되며, 오프-가스의 수소의 양이 증가한다. 이러한 현상이 발생할 때, 전력 발생 전지부(150)의 수소 활용 인자를 증가하는 것은 오프-가스 촉매 연소기(140)에 의해 생성되는 열 에너지를 감소하기 위해 오프-가스의 수소의 양을 상대적으로 감소시키는 것이며, 그에 따라, 연료 개질기(120)의 온도가 낮아진다.
반면, 연료 개질기(120)의 온도가 설정된 온도 아래가 될 때, 전력 발생 전지부(150)로부터 출력된 출력 전류의 전류값이 감소되어, 전력 발생 전지부(150)의 수소의 소비량을 감소시키며, 그에 따라, 수소 활용 인자를 낮춘다. 즉, 온도의 감소로 연료 개질기(120)의 개질 반응리 억제되며, 전력 발생 전지부(150) 및 오프-가스 촉매 연소기(140)에서 소비되는 수소의 양보다 작은 수소가 생성되며, 오프-가스의 수소의 양이 감소한다. 이러한 현상이 발생할 때, 전력 발생 전지부(150)의 수소 활용 인자가 감소하는 것은, 오프-가스 촉매 연소기(140)에 의해 생성되는 열 에너지를 높이기 위해 오프-가스의 수소의 양을 상대적으로 증가하는 것이며, 그에 따라, 연료 개질기(120)의 온도가 증가한다.
상술한 바와 같이, 전력 발생 전지부(150)의 수소 활용 인자가 화학 반응부(100)(연료 개질기(120))의 온도에 따라 적당히 조절될 때, 전력 발생 전지부(150)로부터 오프-가스 촉매 연소기(140)로 공급된 오프-가스에 함유된 수소의 양은 상대적으로 증가/감소하여, 오프-가스 촉매 연소기(140)의 열 에너지의 발생에 필요한 양이 되어, 오프-가스의 수소가 모두 소비될 수 있다. 그 결과, 전원 장치의 전력 발생 효율성이 개선될 수 있다. 본 발명에 따른 전원 장치의 제어 방법에서, 로드로 부하 구동 전력을 공급하는 DC/DC 컨버터(180)와 전기 에너지를 생성하는 전력 발생 전지부(150)가 우수하게 동작하는 범위에서 화학 반응부(100)의 온도 제어가 수행되기 때문에, 전체적인 전원 장치의 구동 상태가 전력 발생 효율성을 개선하기 위하여 최적화된다.
본 실시예에 따른 전원 장치에서는, 화학 반응부(100)(연료 개질기(120))(연료 개질기(120))로부터 직접 인출된 수소의 양에 기초하여, 전력 발생 전지부(150)의 전력 발생 동작과 오프-가스 촉매 연소기(140)에 공급되는 오프-가스의 수소의 양이 제어된다. 따라서, 종래의 기술과 결합하여 설명된 바와 같이, 오프-가스 촉매 연소기(140)로 오프-가스 양의 공급을 제어하는 그러한 밸브, 유량계 등이 제공될 필요는 없다. 추가하여, 오프-가스 촉매 연소기(140)로부터 배출된 가스(배출 가스)는 거의 수소를 포함하지 않는다. 따라서, 종래의 기술과 결합하여 설명된 바 와 같이, 그러한 잔여 가스 연소기는 제공될 필요가 없다. 또한, 전력 공급 장치의 구조의 크기를 줄이거나 단순화하는 것 또는 생산 비용을 줄이는 것이 가능하다. 전원 장치의 제어 방법에서는, 전기 가열기/온도계 지표(HS2)가 화학적 반응부(100)을 포함하는 연료 개질기(120)의 온도 상태를 모니터하고, 오프-가스 촉매 연소기(140)로 공급되는 오프-가스의 수소량이 온도에 따라 조정되는 예에 대한 설명이 주어진다. 그러나, 본 발명은 여기에 국한되는 것은 아니다. 예를 들면, 안정된 상태에 있는 전원 장치의 화학 반응부(100)의 각 구조(전력 발생 연료 기화기(110), 연료 개질기(120) 및 일산화탄소 제거기(130))의 온도 상태가 오프-가스 촉매 연소기(140)로부터 공급되는 열 에너지에 기초하여 설정 및 유지될 때, 전기 가열기/온도계(HS1,HS2,HS3)는 화학 반응부(100)를 구성하는 일산화탄소 제거기(130), 연료 개질기(120) 및 전력 발생 연료 기화기(110) 중 적어도 하나의 온도 상태를 모니터하며, 그러한 온도에 따라 오프-가스 촉매 연소기(140)에 공급되는 오프-가스의 수소의 양을 조정한다.
또한, 상술할 실시예에 따른 전원 장치에서는, 전력 발생 연료로서 메탄올이 적용되는 예가 설명된다. 그러나, 본 발명이 여기에 국한되는 것은 아니다. 그 구성에 수소 원자를 포함하는 다른 탄화수소-계(알코올) 유동 연료가 전력 발생 연료로서 제공될 수 있다.
또한, 전력 공급 장치에서는, 양자-교환 막 연료 전지가 화학 반응부에 의해 생산되는 수소 가스를 사용하여 전력을 생성하는 전력 발생 전지부로서 적용되는 예가 설명된다. 그러나, 본 발명이 여기에 국한되지는 않으며, 다른 구조를 가지는 연료 전지가 사용될 수 있다. 또한, 전기 에너지(가스연료를 사용하는 연소기 터빈, 회전식 엔진, 스털링 엔진의 내부-연소 또는 외부-연소)를 생성하기 위하여, 화학적 반응부에 의해 생성되는 수소 가스의 연소기 반응에 수반되는 압력 에너지를 사용하는 기계적 에너지 변환 기능에 기초한 구조, 또는 연소 반응(온도차 전력 발생)에 수반되는 열 에너지를 활용하는 구조 등에 적용될 수 있다.

Claims (28)

  1. 전원 장치로서,
    전력 발생 연료를 받아서, 화학 반응에 의해 상기 전력 발생 연료를 개질하여, 수소를 포함하는 전력 발생 가스를 생성하는 화학 반응부;
    상기 전력 발생 가스를 받아서, 상기 전력 발생 가스의 일부와 반응하여 전기 에너지를 생성하며, 생성된 전기 에너지를 부하에로 공급하고, 상기 전력 발생 가스의 미반응 성분을 오프-가스로서 배출하는 전력 발생부;
    상기 오프-가스를 받아서, 상기 오프-가스를 사용하여 열 에너지를 생성하며, 상기 화학 반응부를 가열하는 가열부;
    상기 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양을 제어하는 출력 제어부; 및
    상기 가열부에 의해 생성되는 상기 열 에너지에 기초하여 설정되는 상기 화학 반응부의 온도를 기 설정된 온도로 유지하기 위해, 상기 출력 제어부에 의해 상기 전력 발생부로부터 출력되는 상기 전기 에너지의 양을 증감시키는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 화학 반응부의 온도를 측정하는 온도 측정부를 더 포함하며,
    상기 제어부에 의한 상기 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양에 대 한 제어는, 상기 온도 측정부에 의해 측정된 상기 화학 반응부의 온도에 기초하여 수행되는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 화학 반응부는 개질 반응에 기초하여 상기 전력 발생 가스를 생성하는 개질기를 포함하며,
    상기 기 설정된 온도는 상기 개질기에서의 개질 반응에 적당한 온도이며, 그리고
    상기 제어부는 상기 온도 측정부에 의해 측정된 상기 화학 반응부의 온도를 상기 기 설정된 온도와 비교하는 온도 비교 수단을 포함하며, 상기 온도 비교 수단에 의해 획득한 비교 결과에 기초하여 상기 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양을 제어하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 온도 측정부는 상기 화학 반응부를 가열하기 위해 열 에너지를 생성하는 전기 가열기로서 기능하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열부는 상기 오프-가스에 포함된 수소를 사용하는 연소 반응에 기초하여 열 에너지를 생성하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 오프-가스의 수소의 양은 상기 출력 제어부에 의해 제어되는 상기 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양에 따라 다르며, 그리고
    상기 가열부에 의해 생성되는 열 에너지의 양은, 상기 오프-가스에 포함된 수소의 양에 따라 설정되는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 제어부는, 상기 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양에 따라, 상기 전력 발생부로부터 출력된 출력 전류의 전류값을 제어하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 전력 발생부로부터 출력된 출력 전류의 전류 값이, 상기 전력 발생부가 특정 전력 발생 특성을 보이는 범위 내에 있는지를 판별하는 전류값 판별부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지를 변환하여 기 설정된 전압값과 전류값을 가지는 부하 구동 전력을 생성하고, 부하 구동 전력을 상기 부하에 공급하는 전압 변환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지를 저장하는 전력 유지부를 더 포함하고,
    상기 전압 변환부는 상기 전력 유지부에 저장된 전기 에너지를 변환하여 상기 부하 구동 전력을 생성하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 전력 발생부로부터 전기 에너지가 출력될 때 상기 전력 발생부로부터 출력 전압의 전압값을 검출하고, 상기 출력 전압의 전압값이 상기 전력 발생부가 특정 전력 발생 특성을 보이는 범위 내에 있는지를 판별하는 전압값 판별부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 화학 반응부는:
    상기 전력 발생 연료 및 물을 받아서, 공급된 전력 발생 연료 및 물을 기화시키는 기화기; 및
    상기 기화기에 의해 발생된 기화된 전력 발생 연료 및 물을 받아서, 촉매 반응에 기초하여 상기 전력 발생 가스로서 수소를 포함한 가스를 생성하는 개질기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 전력 발생 연료는 그 조성물로서 수소 원자를 포함하는 유동 연료인 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 가열부는 상기 열 에너지를 상기 연료 개질기로 공급하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 발생부는 상기 전력 발생 가스에 포함된 수소를 사용하는 전기화학적 반응에 기초하여, 전기 에너지를 생성하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 전력 발생부는 양자-교환막 연료 전지인 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  17. 전원 장치의 제어 장치로서,
    전력 발생 연료가 공급되어, 화학 반응에 의해 전력 발생 연료를 개질하여, 수소를 포함하는 전력 발생 가스를 생성하는 화학 반응부;
    상기 전력 발생 가스가 공급되어, 상기 전력 발생 가스의 일부를 반응시켜 전기 에너지를 생성하는 전력 발생부; 및
    상기 전력 발생부로부터 배출되는 오프-가스가 공급되어, 상기 오프-가스를 사용하여 열 에너지를 생성하여 상기 화학 반응부를 가열시키는 가열부를 구비하는 전원장치의 제어장치에 있어서,
    상기 전력 발생부로부터 출력된 상기 전기 에너지의 양을 제어하는 출력 제어부; 및
    상기 가열부에 의해 생성되는 상기 열 에너지에 의해서 설정되는 상기 화학반응부의 온도를 기 설정된 온도로 유지하기 위해, 상기 출력 제어부에 의해 상기 전력 발생부로부터 생성되는 상기 전기 에너지의 양을 증감시키는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 장치의 제어 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 화학 반응부의 온도를 측정하는 온도 측정부를 더 포함하고,
    상기 제어부에 의해 상기 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양에 대한 제어는, 상기 온도 측정부에 의해 측정된 상기 화학 반응부의 온도에 기초하여 수행되는 것을 특징으로 하는 전원 장치의 제어 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 기 설정된 온도는 상기 화학 반응부의 화학 반응에 적당한 온도이며, 그리고
    상기 제어부는, 상기 온도 측정부에 의해 측정된 화학 반응부의 온도와 상기 기 설정된 온도와의 차이의 크기에 기초하여, 상기 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양을 제어하는 것을 특징으로 하는 전원 장치의 제어 장치.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 출력 제어부는, 상기 전력 발생부로터 출력된 전기 에너지의 양에 따라, 상기 전력 발생부로부터 출력된 출력 전류의 전류값을 제어하는 것을 특징으로 하는 전원 장치의 제어 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 출력 전류의 전류값이 특정 전력 발생 특성을 보이는 범위 내에 있는지를 판별하는 전류값 판별부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 장치의 제어 장치.
  22. 제 17 항에 있어서,
    상기 제어부는, 전기 에너지가 상기 전력 발생부로부터 출력될 때 상기 전력 발생부로부터 출력된 출력 전압의 전압값을 검출하고, 상기 출력 전압의 전압값이 상기 전력 발생부가 특정 전압 발생 특성을 보이는 범위 내에 있는지를 판별하는 전압값 판별부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 장치의 제어 장치.
  23. 전원장치의 제어방법에 있어서,
    상기 전원장치는
    전력 발생 연료기 공급되어, 화학 반응에 의해 전력 발생 연료를 개질하여, 수소를 포함하는 전력 발생 가스를 생성하는 화학 반응부;
    상기 전력 발생 가스가 공급되어, 상기 전력 발생 가스의 일부와 반응시켜 전기 에너지를 생성하는 전력 발생부; 및
    상기 전력 발생부로부터 배출된 오프-가스를 받아서, 상기 오프-가스를 사용하여 열 에너지를 생성하여 상기 화학 반응부를 가열하는 가열부를 포함하고,
    상기 제어 방법은:
    상기 화학 반응부의 온도를 측정하는 단계; 및
    상기 화학 반응부의 측정된 온도에 기초하여 상기 가열부에 의해 생성되는 상기 열 에너지에 의해서 설정되는 상기 화학 반응부의 온도를 기 설정된 온도로 유지하기 위해, 상기 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양을 증감시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 장치의 제어 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양을 증감시키는 단계는:
    상기 화학 반응부의 온도를 상기 기 설정된 온도와 비교하는 단계; 및
    상기 화학 반응부의 온도와 상기 기 설정된 온도 차이의 크기에 따라, 상기 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양을 증가/감소하는 단계을 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 장치의 제어 방법.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양을 제어하는 동작은:
    상기 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양에 따라, 상기 전력 발생부로부터 출력된 출력 전류의 전류값을 제어하는 동작; 및
    상기 전력 발생부로부터 츨력된 출력 전류의 전류값이 상기 전력 발생부가 특정 전력 발생 특성을 보이는 범위 내에 있는지를 판별하는 동작을 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 장치의 제어 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양을 제어하는 동작은:
    상기 전력 발생부로부터 츨력된 출력 전류의 전류값이 상기 전력 발생부가 특정 전력 발생 특성을 보이는 범위 밖에 있다고 판별될 때, 상기 전력 발생부로부터 출력된 출력 전류의 전류값을, 상기 전력 발생부가 특정 전력 발생 특성을 보이는 범위로 복귀시키는 동작을 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 장치의 제어 방법.
  27. 제 23 항에 있어서,
    상기 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양을 제어하는 동작은:
    상기 전력 발생부로부터 전기 에너지가 출력될 때 상기 전력 발생부로부터 출력되는 출력 전압의 전압값을 검출하는 동작, 그리고,
    상기 출력 전압의 전압값이 상기 전력 발생부가 특정 전력 발생 특성을 보이는 범위 내에 있다고 판별하는 동작을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 장치의 제어 방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 전력 발생부로부터 출력된 전기 에너지의 양을 제어하는 동작은:
    상기 출력 전압의 전압값이 상기 전력 발생부가 특정 전력 발생 특성을 보이는 범위 밖에 있다고 판별될 때, 상기 출력 전압의 전압값을, 상기 전력 발생부가 특정 전력 발생 특성을 보이는 범위 내에 있게 하도록, 상기 전력 발생부로부터 출력된 출력 전류의 전류값을 제어하는 동작을 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 장치의 제어 방법.
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