KR101189127B1 - 아연-공기 연료전지용 가변식 공기공급장치 - Google Patents

아연-공기 연료전지용 가변식 공기공급장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 아연-공기 연료전지용 공기공급장치에 관한 것으로서, 특히 요구 출력에 따라 공기량을 가변적으로 공급할 수 있는 아연-공기 연료전지용 가변식 공기공급장치에 관한 것이다. 구성은 아연-공기 연료전지용 공기공급장치에 있어서, 아연-공기 연료전지의 하우징과; 상기 하우징의 일 측면으로 형성되며 공기유입을 조절할 수 있는 개폐수단을 갖는 공기유입구와; 상기 하우징의 내부 일 측에 설치되며 명령어의 해석과 자료의 연산 비교 및 디지털 신호를 처리하고 제어하는 DSP모듈을 형성한 제어 보드와; 상기 제어 보드의 일 측에 형성되고, DSP모듈에 의해 제어되는 BLDC 모터를 갖고 요구 출력에 따라 공기를 가변적으로 송풍하는 송풍기; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

아연-공기 연료전지용 가변식 공기공급장치{A Zinc - air fuel cell variable air feed mechanism}
본 발명은 아연-공기 연료전지용 공기공급장치에 관한 것으로서, 특히 요구 출력에 따라 공기량을 가변적으로 공급할 수 있는 아연-공기 연료전지용 가변식 공기공급장치에 관한 것이다.
연료 전지는 수소 가스나 메탄올 등의 연료 유체를 공급함으로써 발전체(發電體)에 전력을 발생시키는 장치이며, 고체 고분자형인 경우, 일반적으로는 프로톤 전도체막을 산소측 전극과 연료측 전극으로 협지한 구조를 가지고 있다.
산소측 전극에는, 산소를 공급하기 위해 공기가 공급되고, 다른 쪽인 연료측 전극에는, 연료 유체(流體)가 공급된다.
연료 전지가 발전하는 경우에는, 이온 교환막인 전해질막 중을 프로톤이 이동하고, 산소측 전극의 산소와 반응하여 전류가 발생됨과 동시에 산소측 전극에서는 물이 생성된다. 연료 전지의 발전체 부분은 전해질막ㆍ전극 복합체 또는 MEA(Membrane and Electrode Assembly)라 불리워지고 있으며, 이 전해질막ㆍ전극 복합체를 단체(單體)로 혹은 평면적으로 나열함으로써 평면 구조의 연료 전지가 구성되고, 혹은 적층시킴으로써 적층 구조{스택(stack) 구조}의 연료 전지가 구성된다.
이와 같은 연료 전지는, 최근에는 수송용 차량 등의 분야에서 전기 자동차나 하이브리드(hybrid)식 차량으로서의 응용이 크게 기대되고 있는 외에, 주택용 전원 시스템 등에 대해서도 실용화가 기대되고 있으며, 나아가서는 연료 전지의 경량성이나 소형성을 살린 휴대 기기나 소형 전원 등에 대해서도 연구나 개발이 진행되고 있다.
이러한 연료전지들 중 하나인 아연-공기 연료전지(ZAFC : Zinc Air Fuel Cell)는 사용되는 연료가 아연으로서, 일산화탄소 피독의 위험이 없어 수소를 대체할 수 있는 연료이다.
그리고, 아연-공기 연료전지에 이용되는 기본 반응은 양극에서 산소와 물이 반응하고 음극에서 아연이 산화아연으로 변하면서 전기를 발생시키는 구조이다.
종래의 아연-공기 연료전지의 공기공급장치는 일정한 양의 공기를 연속적으로 단위전지 또는 연료 카세트에 공급하여, 단위전지 또는 연료 카세트의 전기화학적 반응속도를 일정하게 유지시켜 방전시까지 일정한 범위의 전압이 유지되도록 하였다.
그러나, 상기와 같은 종래의 공기공급장치는 연결된 부하장치의 요구 출력이 정출력 범위에 있는 경우에는 안정적인 전원공급이 가능하나, 전기자동차와 같이 요구 출력이 수시로 가변할 경우 즉각적인 대응이 불가능한 문제점이 있다.
이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 사용자의 요구 출력에 따라 연료전지의 내부에 공급하는 공기의 량을 변화시켜 단위전지 또는 연료카세트의 전기화학적 반응속도를 조절하여 부하 측의 가변적인 출력변화에 즉각적으로 대응할 수 있는 아연-공기 연료전지용 가변식 공기공급장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 공기유입구에 개폐수단을 보강하여 미사용시 공기의 공급을 차단하여 전지의 수명을 증가시키는 아연-공기 연료전지용 가변식 공기공급장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 아연-공기 연료전지용 공기공급장치에 있어서, 아연-공기 연료전지의 하우징과; 상기 하우징의 일 측면으로 형성되며 공기유입을 조절할 수 있는 개폐수단을 갖는 공기유입구와; 상기 하우징의 내부 일 측에 설치되며 명령어의 해석과 자료의 연산 비교 및 디지털 신호를 처리하고 제어하는 DSP모듈을 형성한 제어 보드와; 상기 제어 보드의 일 측에 형성되고, DSP모듈에 의해 제어되는 BLDC 모터를 갖고 요구 출력에 따라 공기를 가변적으로 송풍하는 송풍기; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 제어 보드는 DSP모듈과 계측 제어기 통신망인 CAN 또는 범용 비동기화 송수신기인 UART, D/I,O를 통해 통신함으로써, 상기 송풍기의 BLDC모터의 제어를 이루도록 하는 것을 특징으로 한다.
삭제
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 제어 보드의 DSP모듈을 통해 송풍기의 BLDC모터의 속도를 제어하여 요구출력에 따른 안정적인 전원공급이 가능하도록 공기량을 가변적으로 공급하여 요구 전력에 능동적으로 대처할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 요구 전력이 작거나 없을 경우에 단위전지 또는 연료카세트의 공기 접촉량을 줄이거나 차단시켜 전지의 수명을 연장하는 효과를 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 공기공급장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 공기공급장치가 아연-공기 연료전지에 설치된 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 평면 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 아연-공기 연료전지의 공기유입구와 개폐수단을 분리하여 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4의 공기유입구에 개폐수단을 결합한 상태를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 공기공급장치의 제어방법을 개략적으로 나타낸 순서도 이다.
이하, 본 발명에 따른 아연-공기 연료전지의 가변식 공기공급장치의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 구체적으로 설명한다.
여기서, 하기의 모든 도면에서 동일한 기능을 갖는 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 반복적인 설명은 생략하며, 아울러, 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이것은 고유의 통용되는 의미로 해석되어야 함을 명시한다.
도 1 내지, 도 6 도시된 바와 같이 본 발명의 가변식 공기공급장치(200)는 아연-공기 연료전지(100)의 하우징(110) 내부 일 측에 설치되는 제어 보드(210)와, 송풍기(220)로 대별되어 이루어진다.
상기 제어 보드(210)는 아연-공기 연료전지(100)의 하우징(110) 내부 일 측에 설치되며, 명령어의 해석과 자료의 연산, 비교 및 디지털 신호 등을 처리하고 제어하는 기술인 DSP(Digital Signal Processing) 모듈(211) 등이 형성된다.
여기서, 상기 제어 보드(210)는 사용자 또는 차량의 가속페달과 같은 부하의 변동을 발생시키는 장치에 의해 아연-공기 연료전지(100)의 요구 출력이 있을 경우, DSP모듈(211)에 의해 계측 제어기 통신망인 CAN(Controller Area Network, 計測制御機通信網)(미도시) 또는 범용 비동기화 송수신기인 UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, 汎用非同期化送受信機), D/I O(Digital Input/Output)(미도시)를 통해 통신할 수 있도록 구성되어 있어, 상기 송풍기(220)의 BLDC(Brushless DC) 모터(221)를 빠르거나 느리게 회전하도록 속도를 제어하는 역할을 하게 된다.
예컨대, 상기 제어 보드(210)는 사용자 또는 차량의 가속페달과 같은 부하의 변동을 발생시키는 장치로부터의 요구 출력을 수신받아 요구 출력에 해당하는 공기 공급량을 계산하고, 이에 따라 상기 송풍기(220)의 BLDC모터(221)를 제어하여 속도를 빠르거나 느리게 가변시켜 아연-공기 연료전지(100) 하우징(110)의 내부에 설치된 연료카세트(111)로 공기의 량을 많거나 적게 공급하도록 하여 전기에너지의 요구 출력을 발생시키게 한다.
상기 송풍기(220)는, 상기 제어 보드(210)의 일 측에 설치되며 DSP모듈(211)의 제어신호에 의해 제어되어 요구 출력에 따라 아연-공기 연료전지(100)의 하우징(110) 내부에 배열된 연료카세트(111)로 공기를 가변적으로 송풍하도록 하는 BLDC(Brushless DC)모터(221)로 구성된다.
이러한 구성의 송풍기(220)는, 상기 제어 보드(210)의 제어신호에 따라 외부의 공기를 상기 아연-공기 연료전지(100)의 하우징(110) 내부로 원활하게 강제 흡입시켜 공기와 아연음극 간의 반응을 활성화시키는 역할을 한다.
즉, 상기 제어 보드(210)의 제어신호에 의해 동작하는 송풍기(220)가 연료전지(100)의 하우징(110) 내부로 공기를 요구 출력에 따라 많거나 적게 공급하면 연료 카세트(111)로 공기가 유입되면서 전기화학적 반응이 일어나 전기를 발생시킨다.
한편, 본 발명에 따른 연료전지(100)는 하우징(110)의 일 측면으로 상기 송풍기(220)의 송풍 동작시 외부의 공기를 내부로 유입시키기 위해 형성된 공기유입구(110a)의 내측 또는 외측 중, 어느 일 측으로 공기유입구(110a)를 개폐하기 위한 원판형의 개폐수단(110b)이 형성된다.
여기서, 상기 공기유입구(110a)는 각 단위전지 또는 연료카세트(111)에 요구 출력에 따른 균일한 공기공급을 위해 유동해석을 통해 설계되며, 그 형태는 아연-공기 연료전지(100)의 하우징(110) 형상이나 크기에 따라 그릴, 레지스터, 덕트, 디퓨져 등으로 형성될 수 있다.
이에 따라, 요구 출력이 작거나 클 경우, 상기 개폐수단(110b)을 시계방향 또는 반 시계방향으로 회전시켜 공기유입구(110a)를 작거나 또는 크게 열어 공기의 유입량을 조절함으로써 각 단위전지 또는 연료카세트(111)를 공기와의 접촉을 줄이거나 늘이고, 요구 출력이 없을 경우에는 상기 개폐수단(110b)을 회전시켜 공기유입구(110a)를 완전히 닫아 각 단위전지 또는 연료카세트(111)가 공기와의 접촉이 차단되도록 하여 단위전지 또는 연료카세트(111)의 전기화학적 반응을 멈출 수 있도록 함으로써, 전지의 수명을 향상시킬 수 있다.
즉, 아연-공기 연료전지(100)의 공기 양극의 전기화학반응시 요구되는 공기의 공급량을 조절하여 전기적 출력을 조절하게 된다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명에 따른 가변적 공기공급장치(200)의 요구 출력시 공기 공급을 위한 제어방법을 설명하면 다음과 같다.
도 6에 도시된 바와 같이, 먼저 단위 셀 즉, 개별 연료카세트(111)가 장착된 연료전지(100)로 공기공급량을 결정하기 위해서는 자동적으로 전류나 전압 전위를 일정하게 유지하는 전지시스템 측정장비인 포텐시오 스탯(Potentiostat)(미도시)에 연결한 후, 지정된 충?방전율(C-rate)로 개별 연료카세트(111)의 방전특성시험을 실시한다.(S10)
여기서, 충?방전율(C-rate)은, 연료전지(100)의 충?방전 시 다양한 사용조건하에서의 전류나 전압 값 설정 및 연료전지(100)의 가능 사용시간을 예측하거나 표기하기 위한 단위이다.
상기 방전특성시험시, 연료전지(100) 내부로 공기를 공급하는 송풍기(220)의 BLDC모터(221)의 속도를 가변시켜 속도별 방전특성을 측정하여 출력 맵을 생성한다.(S20)
이때, 상기 송풍기(220)의 BLDC모터(221)의 속도별로 측정된 방전특성을 그래프 등을 통해 기록하거나 데이터를 저장하여 출력 맵을 생성할 수 있다.
상기 출력 맵을 생성한 후에는 상위제어기인 제어 보드(201)의 DSP모듈(211)로부터 임의의 출력이 요구되면 기 산출된 출력 맵으로부터 단위전지 또는 연료카세트(111)의 요구 출력당 공기 공급량 및 정압을 계산 추출한다.(S30)
이때, 출력 전압은 측정된 데이터를 통해, 출력전압(V)= K × 공기량(Q)과 같은 비례식으로 얻어진다. 즉, 상기 송풍기(220)의 BLDC모터(221) 회전에 연동하도록 결합된 휀(Fan)의 특성곡선을 참고하여 속도별 공기공급량(Airflow) 및 정압(Static Pressure)을 산출한다.
상기 요구 출력당 공기 공급량을 계산하여 추출한 후에는 요구 출력을 발생시킬 수 있는 송풍기(220)의 BLDC모터(221) 속도를 계산하고, 계산된 속도에 따라 연료전지(100)의 하우징(110) 내부로 요구 출력에 따른 필요한 공기량을 공급한다.(S40)
이때, 상기 제어 보드(210)는 사용자 또는 차량의 가속페달과 같은 부하의 변동을 발생시키는 장치로부터의 수신받은 요구 출력을 발생시키도록 DSP모듈(211)로 상기 송풍기(220)의 BLDC모터(221)를 제어하여 속도를 빠르거나 느리게 가변시켜 아연-공기 연료전지(100) 하우징(110)의 내부에 설치된 연료카세트(111)로 공기의 량을 많거나 적게 공급하여 필요한 전기에너지를 발생시킨다.
그리고, 필요한 공기의 공급이 완료된 후에는 연료전지(100)의 출력을 측정하여 요구 출력에 해당하는지를 체크 하여 정확한 공기의 공급이 이루어졌는지 등을 확인, 계산하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 공기의 공급량에 따라 공기와 접촉하는 하우징(210) 내부에 설치된 연료카세트(111)의 전기 화학적 반응식은 다음과 같다.
양극 반응 : O2 + 2H2O + 4e- = 4(OH)-
음극 반응 : Zn + 4OH- = Zn(OH)4 2- +2e- = ZnO + H2O + 2(OH)- + 2e-
이러한 반응식은 공기 양극에서의 화학 반응식으로 아연-공기 연료전지(100)의 공기 양극에서 공기(O2)는 활물질로 이용되어, 공급되는 공기(O2)의 양에 따라 발생되는 전자의 양이 달라진다.
따라서, 높은 출력이 요구되면 공기 공급량을 늘려 단위전지 또는 연료카세트(111)의 전기화학적 반응속도를 증가시키고, 낮은 출력이 요구되면 공기 공급량을 줄여 단위전지 또는 연료카세트(111)의 전기화학적 반응속도를 감소시킨다.
즉, 아연-공기 연료전지(100)의 공기 양극의 전기화학반응시 요구되는 공기의 공급량을 조절하여 전기적 출력을 조절하게 된다.
이때, 공기 공급량의 결정은 공기의 접촉량에 따른 단위전지 또는 연료 카세트(111)의 방전특성을 시험을 통해 반복 측정하여 생성된 출력 맵을 이용하는 것이 바람직하다.
이와 같이 본 발명은 아연-공기 연료전지(100)를 사용하는 장비나 차량의 부하변동에 따라 요구되는 출력을 신속하고 안정적으로 제공할 수 있도록 공기를 가변적으로 공급, 제어함으로써, 연료전지의 안정적인 기동과 운전 조건을 제공할 수 있으며 아울러 시스템 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 균등한 타 실시 예로의 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
100 : 연료전지 110 : 하우징
110a : 공기유입구 110b : 개폐수단
111 : 연료카세트 200 : 공기공급장치
210 : 제어 보드 211 : DSP모듈
220 : 송풍기 221 : BLDC모터

Claims (3)

  1. 아연-공기 연료전지용 공기공급장치에 있어서,
    아연-공기 연료전지의 하우징과;
    상기 하우징의 일 측면으로 형성되며 공기유입을 조절할 수 있는 개폐수단을 갖는 공기유입구와;
    상기 하우징의 내부 일 측에 설치되며 명령어의 해석과 자료의 연산 비교 및 디지털 신호를 처리하고 제어하는 DSP모듈을 형성한 제어 보드와;
    상기 제어 보드의 일 측에 형성되고, DSP모듈에 의해 제어되는 BLDC 모터를 갖고 요구 출력에 따라 공기를 가변적으로 송풍하는 송풍기; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 아연-공기 연료전지용 가변식 공기공급장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제어 보드는 DSP모듈과 계측 제어기 통신망인 CAN 또는 범용 비동기화 송수신기인 UART, D/I,O를 통해 통신함으로써, 상기 송풍기의 BLDC모터의 제어를 이루도록 하는 것을 특징으로 하는 아연-공기 연료전지용 가변식 공기공급장치.
  3. 삭제
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