KR101375329B1 - 다양한 전력을 공급할 수 있는 연료전지시스템 - Google Patents

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Abstract

다양한 전력을 공급할 수 있는 연료전지시스템 및 그 동작방법이 개시되어 있다. 개시된 본 발명의 연료전지시스템은 단위 셀들을 포함하는 발전부가 구비된, 스택을 포함하는 파워유닛을 포함하고, 상기 파워유닛의 상기 단위 셀들 사이에 상기 단위 셀들을 직렬 또는 병렬로 연결하기 위한 스위치 그룹을 구비한다. 상기 스위치 그룹은 이웃한 두 단위 셀의 애노드(anode)에 연결된 제1 스위치 및 상기 이웃한 두 단위 셀의 캐소드(cathode)에 연결된 제2 스위치와 상기 이웃한 두 단위 셀을 직렬로 연결하기 위한 제3 스위치를 포함할 수 있다.

Description

다양한 전력을 공급할 수 있는 연료전지시스템{Fuel cell system capable of supplying various power}
본 발명은 전력 생성 장치에 관한 것으로써, 보다 자세하게는 다양한 전력을 공급할 수 있는 연료전지시스템 및 그 동작방법에 관한 것이다.
연료전지는 기본적으로 수소와 산소의 반응으로 물이 생성되는 과정에서 전압차에 의해 전기를 생산하는 발전 시스템이다.
휴대용 소형 전원으로 사용되는 연료전지시스템은 수소 대신에 메탄올을 사용하며 산소 대신에 주위의 공기를 사용하여 그 공기중의 산소를 사용하는 직접 메탄올 연료전지시스템이다. 그러므로 직접 메탄올 연료전지시스템은 수소와 산소를 직접 사용하는 연료전지시스템에 비하면 효율은 떨어지나 시스템의 크기를 줄일 수 있기 때문에 휴대기기용으로 적합하다.
그러나 파워유닛의 출력전압은 매우 낮으므로, 파워유닛의 출력전압을 그대로 노트북 컴퓨터, 휴대폰 등과 같은 전자기기에 적용하기는 어려운 바, 파워유닛내 단위 셀들을 직렬로 적층하여 출력전압을 일정수준으로 높인 다음, DC-DC 컨버터를 사용하여 연료전지시스템의 출력전압을 전자기기에 필요한 전압에 맞춰준다.
그런데 DC-DC 컨버터를 사용하여 전압을 올릴 때, DC-DC 컨버터 변환효율로 인해 파워유닛에서 생산된 실제 전력을 전자기기에 다 공급하지 못한다. 그 이유는 DC-DC 컨버터를 이용하여 파워유닛의 출력전압을 높이는 비율이 클수록 DC-DC 컨버터의 변환효율은 떨어지기 때문이다.
그러므로 DC-DC 컨버터를 사용하는 현재까지 소개된 연료전지시스템의 경우, 출력전압은 한 가지 전압으로 고정될 수밖에 없는데, 이것은 현재의 연료전지시스템이 적용될 수 있는 전자기기는 제한될 수 있음을 의미한다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 파워유닛으로부터 부하(load)로 전력 전달 효율을 높일 수 있는, 다양한 전력을 공급할 수 있는 연료전지시스템을 제공함에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 이러한 연료전지시스템의 동작방법을 제공함에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 단위 셀들을 포함하는 발전부가 구비된 연료전지시스템의 파워유닛에 있어서, 상기 단위 셀들 사이에 상기 단위 셀들을 직렬 또는 병렬로 연결하기 위한 스위치 그룹이 구비된 것을 특징으로 하는 스택을 포함하는 파워유닛을 제공한다.
상기 스위치 그룹은 이웃한 두 단위 셀의 애노드에 연결된 제1 스위치 및
상기 이웃한 두 단위 셀의 캐소드에 연결된 제2 스위치를 포함할 수 있다. 아울러 상기 스위치 그룹은 상기 이웃한 두 단위 셀의 서로 반대되는 극성의 전극에 연결된 제3 스위치를 포함할 수 있다.
상기 연료전지시스템은 DMFC 또는 PEMFC 시스템일 수 있다.
상기 스위치 그룹은 상기 단위 셀들과 구분된 스위치 네트워크에 구비될 수 있다. 상기 스위치 네트워크는 상기 발전부와 구별된 위치에 구비될 수 있다.
상기 단위 셀들 중 일부는 병렬로 연결되어 있고, 나머지는 직렬로 연결될 수 있다.
상기 발전부는 상기 발전부와 부하(load)사이의 유일한 승압수단일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 전력을 생산하는 파워유닛을 포함하는 연료전지시스템에 있어서, 상기 파워유닛은 단위 셀들을 포함하는 발전부를 포함하고, 상기 단위 셀들 사이에 상기 단위 셀들을 직렬 또는 병렬로 연결하기 위한 스위치 그룹이 구비된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템을 제공할 수 있다.
상기 스위치 그룹과 스위치 네트워크는 상술한 바와 같을 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 시스템 제어부와 단위 셀들을 포함하는 발전부를 포함하는 연료전지시스템의 동작방법에 있어서,
전압을 설정하는 단계 및 상기 설정전압을 생산할 수 있도록 상기 단위 셀들을 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 동작방법을 제공한다.
상기 전압을 설정하는 단계는 부하(load)를 인식하는 단계 및 상기 부하의 동작전압을 상기 연료전지시스템에서 생산해야할 전압으로 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 단위 셀들은 직렬 및/또는 병렬로 연결할 수 있다.
상기 단위 셀들 사이에 각각 스위치 그룹이 구비되어 있고, 상기 스위치 그룹을 제어하여 상기 단위 셀들을 연결할 수 있다.
상기 스위치 그룹은 스위치 네트워크 또는 상기 시스템 제어부에 구비될 수 있다.
상기 스위치 그룹의 제어는 상기 시스템 제어부 또는 상기 스위치 네트워크에 의해 이루어질 수 있다.
상기 스위치 그룹은 두 단위 셀의 직렬연결을 위한 두 개의 스위치와 상기 두 단위 셀의 병렬연결을 위한 한 개의 스위치를 포함할 수 있다.
상기 동작방법은 상기 발전부의 출력전압과 상기 설정전압의 동일 여부를 판단하는 단계 및 상기 출력전압과 상기 설정전압이 동일할 때, 상기 출력전압을 상기 부하에 공급하고, 동일하지 않을 때, 상기 단위 셀들 사이의 연결을 새롭게 정립하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 연료전지시스템은 발전부의 단위 셀들 사이에 스위치 그룹을 포함한다. 각 스위치 그룹은 이웃한 단위 셀의 애노드와 애노드에 연결된 스위치, 캐소드와 캐소드에 연결된 스위치, 애노드(캐소드)와 캐소드(애노드)에 연결된 스위치를 포함한다. 각 스위치의 온 오프 상태를 조절함으로써, 발전부의 출력전압을 부하에서 요구하는 전압이 되도록 조절할 수 있다.
그러므로 본 발명의 연료전지시스템은 DC-DC 컨버터 없이도 부하에서 요구하는 전압을 공급할 수 있다. 또한, 스위치들의 온 오프 상태 조절만으로 전압을 높일 수 있는 바, 전압을 높이는데 따른 손실을 방지할 수 있다. 또한, DC-DC 컨버터를 적극적으로 구비할 필요가 없으므로, 연료전지시스템의 부피를 줄일 수도 있다.
또한, 본 발명의 연료전지시스템은 다양한 출력전압을 공급할 수 있으므로, 적용 가능한 기기가 한 종류로 고정되지 않는다. 예컨대, 본 발명의 연료전지시스 템은 전자제품들, 예를 들면 휴대폰, PDA, GPS, 노트북 컴퓨터 등 대부분의 휴대용 전자 통신기기에 적용될 수 있다.
물론, 종래의 연료전지시스템으로도 DC-DC 컨버터를 사용하여 필요한 전압으로 승압 및 강압시켜 사용할 수도 있지만, 이 경우 전환 효율에 의한 상당한 양의 전력손실을 감수해야 하므로 실제 사용은 크게 제한될 수밖에 없다.
본 발명의 연료전지시스템은 또한 특정 전압을 결정하는데 종래의 DC-DC 컨버터가 아니라 단위 셀들 사이에 구비된 스위치들을 이용하는 바, 특정 전압을 결정하는 방식을 지금보다 넓히는데 기여할 수도 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 다양한 전력을 공급할 수 있는 연료전지시스템 및 그 동작방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
먼저, 본 발명의 실시예에 의한 다양한 전력을 공급할 수 있는 연료전지시스템(이하, 본 발명의 시스템)에 대해 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 시스템은 공급되는 연료를 이용하여 부하(25)에 공급될 전력을 생산하는 스택(stack)을 포함하는 파워유닛(100)과 파워유닛(100)에 공급할 연료가 저장되어 있는 카트리지(20)를 포함한다. 파워유닛(100)은 BOP(Balance of Power)부(10), 발전부(12), 스위치 네트워크(14), 시스템 제어부(16)를 포함할 수 있다. BOP부(10)는 카트리지(20)로부터 공급되는 연료를 발전 부(12)로 공급하는데 관여하는 부재들, 예를 들면 펌프나 밸브 등과 발전부(12)의 정상 운전에 필요한 지원 부재들, 예를 들면 물탱크나 방열팬 등을 포함할 수 있다. 발전부(12)는 BOP부(10)를 통해서 공급되는 연료와 대기 중의 공기를 사용하여 전력을 생산한다. 발전부(12)는 모노 폴라(mono polar)형 또는 스택(stack)형으로 구비된 복수의 단위 셀을 포함한다. 스위치 네트워크(14)는 복수의 스위치들로 이루어진 스위치 어레이를 포함할 수 있다. 상기 복수의 스위치들은 발전부(12)에 포함된 복수의 단위 셀들의 애노드와 애노드, 캐소드와 캐소드 및 이웃한 두 셀의 캐소드와 애노드의 연결을 단속하기 위한 것이다. 스위치 네트워크(14)는 시스템 제어부(16)로부터 주어지는 신호에 따라 발전부(12)의 복수의 셀들이 병렬 또는 직렬로 연결되도록 스위치 어레이를 제어한다. 시스템 제어부(16)로부터 스위치 네트워크(14)로 주어지는 상기 신호는 부하(25)에서 요구하는 전력값을 나타내는 것일 수 있다. 그러므로 스위치 네트워크(14)는 시스템 제어부(16)로부터 상기 신호가 주어지면, 스위치 어레이를 이루는 각 스위치의 온 오프를 조절한다. 이러한 조절을 통해서 발전부(12)에서 생산되는 전력이 상기 신호가 나타내는 전력값에 해당하는 값이 되도록 발전부(12)의 셀들은 직렬 또는 병렬로 연결된다.
스위치 네트워크(14)에서의 스위치 온 오프 조절은 여러 방식으로 이루어질 수 있다. 예를 들면 스위치 네트워크(14)의 제조 단계에서 시스템 제어부(16)로부터 주어지는 신호, 곧 부하(25)에서 요구하는 전력과 이러한 신호에 부응하기 위한 스위치 네트워크(14)에 구비된 스위치들의 온 오프 상태 사이의 상관 관계 데이터가 스위치 네트워크(14)에 입력될 수 있다. 스위치 네트워크(14)는 이러한 상관 관 계 데이터를 이용하여 시스템 제어부(16)로부터 신호가 주어질 때, 그 신호에 맞게 스위치의 온 오프 상태를 설정할 수 있다.
한편, 이러한 상관 관계 데이터는 시스템 제어부(16)에 저장될 수도 있다. 이 경우, 시스템 제어부(16)는 스위치 네트워크(14)의 스위치 어레이를 직접 제어할 수 있다.
다른 한편으로, 스위치 네트워크(14)의 스위치 온 오프 상태 조절은 시스템 제어부(16)에 의해 실시간으로 이루어질 수 있다. 이를 위해 시스템 제어부(16)에는 발전부(12)에 구비된 셀들의 수에 대한 데이터와 단위 셀 하나의 최소 전력과 최대 전력과 평균전력에 대한 데이터가 저장되어 있다. 이러한 데이터로부터 시스템 제어부(16)는 발전부(12)에 구비된 셀들을 직렬 또는 병렬방식으로 조합하였을 때, 어느 정도의 전력이 생산될 수 있는지 알 수 있다. 그러므로 부하(25)에 필요한 전력이 정해지면, 시스템 제어부(16)는 발전부(12)에 구비된 셀들 중 몇 개를 직렬로 연결하고 몇 개를 병렬로 연결할 것인지 바로 결정할 수 있다. 이러한 결정에 의해 시스템 제어부(16)로부터 스위치 네트워크(14)로 신호가 주어져서 직렬 또는 병렬로 연결될 셀들 사이에 위치한 스위치들에 대한 온 오프 조작이 이루어진다. 이에 따라 발전부(12)의 셀들은 상기 결정된 바와 같이 직렬 또는 병렬로 연결된다.
시스템 제어부(16)가 발전부(12)로부터 생산될 수 있는 전력을 계산하는데 있어서 단위 셀의 최소 전력이나 최대 전력보다 평균전력이 사용될 수 있다. 또한, 부하(25)에서 요구하는 전력을 실시간으로 맞춰주는 방식에서, 발전부(12)에서 최 적으로 생산된 전력이 부하(25)에서 요구하는 전력보다 다소 크거나 작을 수도 있다. 이 경우에는 발전부(12)에서 생산된 전력을 부하(25)에 필요한 전력으로 맞춰주기 위한 수단, 예를 들면 DC-DC 컨버터가 발전부(12)와 부하(25) 사이에 선택적으로 구비될 수 있다.
계속해서, 시스템 제어부(16)는 파워유닛(100)의 전체 동작을 제어하고 내부 구성 요소들에 동작 신호를 주어 상기 내부 구성 요소들 간에 동작이 원활하게 이루어지도록 한다. 또한, 시스템 제어부(16)는 카트리지(20)의 장착을 인지하고 카트리지(20)로부터 발전부(12)로 공급되는 연료량을 발전부(12)의 동작 상태에 맞게 조절한다.
도 2는 도 1의 발전부(12)에 모노 폴라 구조로 구비된 셀들의 어레이의 일예를 보여준다.
도 2를 참조하면, 단위 셀들(S(1,1)..S(1,n)..S(m,1)..S(m,n))은 행렬을 이룬다(m,n=1,2,3...). 단위 셀들(S(1,1)..S(1,n)..S(m,1)..S(m,n))의 수는, 예를 들면 4개, 8개, 60개 또는 그 이상이 될 수 있다. 참조번호"S(m,n)"은 m행 n열에 위치한 단위 셀을 나타낸다. 따라서 "S(1,2)"는 1행 2열에 위치한 단위 셀을 나타낸다. 복수의 단위 셀들(S(1,1)..S(1,n)..S(m,1)..S(m,n)) 사이에 복수의 스위치 그룹들(SG(1,1)...SG((m-1),n))이 존재한다. "SG((m-1),n)"은 m행 n열에 위치한 단위 셀(S(m,n))과 m-1행 n열에 위치한 단위 셀(S((m-1), n)) 사이를 연결하는 스위치 그룹을 나타낸다. 따라서"SG(1,1)"은 2행 1열에 위치한 단위 셀과 1행 1열에 위치한 단위 셀(S(1,1))을 연결하는 스위치 그룹을 나타낸다. 각 스위치 그룹은 한 열 에서 인접한 두 단위 셀을 연결한다. 각 스위치 그룹은 인접한 두 단위 셀의 동일 극성의 전극들을 연결하는 스위치와 반대 극성의 전극들을 연결하는 스위치를 포함할 수 있다. 1행 1열에 위치한 제1 단위 셀(S(1,1))과 2행 1열에 위치한 제2 단위 셀(S(2,1))을 연결하는 제1 스위치 그룹(SG(1,1))을 예로 들면, 제1 스위치 그룹(SG(1,1))은 제1 및 제2 단위 셀(S(1,1), S(2,1))의 애노드를 연결하는 스위치, 제1 및 제2 단위 셀(S(1,1), S(2,1))의 캐소드를 연결하는 스위치 및 제1 단위 셀(S(1,1))의 애노드와 제2 단위 셀(S(2,1))의 캐소드를 연결하는 스위치를 포함할 수 있다. 제1 스위치 그룹(SG(1,1))은 제1 단위 셀(S(1,1))의 캐소드와 제2 단위 셀(S(2,1))의 애노드를 연결하는 스위치를 더 포함할 수 있다. 각 스위치 그룹에 포함된 스위치들이 모여서 스위치 네트워크(14)를 형성한다.
도 2에서 스위치 그룹들(SG(1,1)..SG(1,n)..SG((m-1),1), SG((m-1),2).. SG((m-1), (n-1)), SG((m-1), n))은 주어진 열의 인접한 두 단위 셀을 연결하도록 구비되어 있지만, 주어진 행의 인접한 두 단위 셀을 연결하도록 구비될 수도 있다. 또한, 행과 열 모두에서 인접한 두 단위 셀을 연결하도록 구비될 수 있다.
상기한 스위치 그룹들(SG(1,1)..SG(1,n)..SG((m-1),1), SG((m-1),2).. SG((m-1), (n-1)), SG((m-1), n))의 존재로 인해, 단위 셀들(S(1,1)..S(m,n))은 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있고, 직렬과 병렬이 혼용된 방식으로 연결될 수도 있다.
도 3은 도 2의 단위 셀들(S(1,1)...S(m,n))의 일부를 회로적으로 보여준다.
도 3에서 단위 셀은 회로기호로 도시하였다. 도 3은 편의 상 도 2의 단위 셀 들(S(1,1)..S(m,n))이 10행 n열로 이루어진 것으로 간주하고, 제1 열의 단위 셀들(S(1,1)...S(1,10))만을 나타내었다. 제1 열의 이러한 회로적 구성은 다른 열이나 행에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 1행 1열에 있는 제1 단위 셀(S(1,1))의 애노드는 부하(25)에 연결된다. 그리고 10행 1열에 있는 제10 단위 셀(S(10,1))의 캐소드도 부하(25)에 연결된다. 제1 단위 셀(S(1,1))의 애노드와 제2 단위 셀(S(2,1))의 애노드 사이에 양쪽 애노드에 연결된 제1 스위치(SW1)가 구비되어 있다. 또한, 제1 단위 셀(S(1,1))의 캐소드와 제2 단위 셀(S(2,1))의 캐소드 사이에 양쪽 캐소드에 연결된 제2 스위치(SW2)가 구비되어 있다. 또한, 제1 단위 셀(S(1,1))의 캐소드와 제2 단위 셀(S(2,1))의 애노드 사이에 양쪽 캐소드와 애노드에 연결된 제3 스위치(SW3)가 구비되어 있다. 제1 내지 제10 단위 셀들(S(1,1)...S(10,1)) 사이사이에 상기한 제1 내지 제3 스위치(SW1..SW3)가 구비되어 있다. 제1 내지 제9 스위치 그룹들(SG(1,1)..SG(9,1))은 각각 제1 내지 제3 스위치(SW1..SW3)를 포함한다. 제1 및 제2 스위치(SW1, SW2)는 제1 내지 제10 단위 셀들(S(1,1)...S(10,1))이 병렬연결을 위한 것이고, 제3 스위치(SW3)는 직렬연결을 위한 것이다.
도 4는 부하(25)에서 요구하는 전압이 1.75V일 때, 이 전압을 공급하기 위해 도 3의 제1 내지 제10 단위 셀(S(1,1)...S(10,1))들을 직렬 및 병렬로 연결한 경우를 보여준다.
도 4를 참조하면, 제1 및 제2 단위 셀(S(1,1), S(2,1))은 병렬로 연결되어 있고, 제3 및 제4 단위 셀(S(3,1), S(4,1))과, 제5 및 제6 단위 셀(S(5,1), S(6,1))과, 제7 및 제8 단위 셀(S(7,1), S(8,1))과, 제9 및 제10 단위 셀(S(9,1), S(10,1))도 병렬로 연결되어 있다. 그러나 제2 및 제3 단위 셀(S(2,1), S(3,1))은 직렬로 연결되어 있고, 제4 및 제5 단위 셀(S(4,1), S(5,1))과, 제6 및 제7 단위 셀(S(6,1), S(7,1))과, 제8 및 제9 단위 셀(S(8,1), S(9,1))은 직렬로 연결되어 있다. 이러한 연결 관계는 제1 내지 제3 스위치(SW1..SW3)의 온 오프 상태를 통해서 알 수 있다.
도 4의 경우, 인접한 두 개의 단위 셀이 병렬로 연결되었으므로, 단위 셀의 출력 전압을, 예를 들면 0.35V라 할 때, 병렬로 연결된 두 단위 셀이 출력 전압은 0.35V가 된다. 이렇게 병렬로 연결된 단위 셀 군이 5개이고, 5개의 단위 셀 군은 직렬로 연결되어 있으므로, 제1 내지 제10 단위 셀(S(1,1)...S(10,1)) 전체의 출력 전압(0.35×5=1.75V)은 부하(25)의 요구 전압이 된다.
도 5는 도 3의 제1 내지 제10 단위 셀(S(1,1)…S(10,1))이 직렬로 연결된 경우를 보여준다.
도 5를 참조하면, 제 1 내지 제9 스위치 그룹(SG(1,1)..SG(9,1))에서 제1 및 제2 스위치(SW1, SW2)는 오프 상태이고, 제3 스위치(SW3)는 온 상태이다. 이렇게 해서 제1 내지 제10 단위 셀들(S(1,1)...S(10,1))은 모두 직렬로 연결되어 제1 내지 제10 단위 셀들(S(1,1)...S(10,1))의 전체 출력전압은 3.5V가 된다.
도 4와 도 5의 연결방식은 단위 셀의 수가 10개보다 적거나 많은 경우에도 적용될 수 있다.
도 6은 도 2의 단위 셀 행렬에서 행의 수(m)가 10이고, 열의 수(n)가 6일 때, 곧 60개의 단위 셀이 모노 폴라 구조로 배열된 경우를 보여준다.
도 6을 참조하면, 각 열(C1...C6)의 단위 셀들은 모두 병렬로 연결되어 있다. 그러나 이웃한 두 열, 예컨대 제1 열(C1)과 제2 열(C2)은 직렬로 연결되어 있다. 이웃한 두열의 직렬연결은 이웃한 두열의 제1 행(R1)에 위치한 두 단위 셀 사이에 또는 제10 행(R10)에 위치한 두 단위 셀 사이에 위치한 스위치 그룹에 의해 이루어진다. 예를 들면, 제1 열(R1) 제10 행(R10)에 위치한 단위 셀(S(10,1))과 제2 열(R2) 제10 행(R10)에 위치한 단위 셀(S(10,2)) 사이에 양쪽 단위 셀들(S(10,1), S(10,2))의 직렬연결을 위한 제1 직렬 스위치 그룹(SG1)이 존재한다. 제1 직렬 스위치 그룹(SG1)은 3개의 스위치를 포함하고 있는데, 상기 3개의 스위치의 구성과 기능은 도 4 및 도 5에서 설명한 스위치 그룹에 포함된 제1 내지 제3 스위치(SW1..SW3)와 동일할 수 있다.
도 6에서 1행 1열에 위치한 단위 셀(S(1,1))의 캐소드와 1행 6열에 위치한 단위 셀(S(1,6))의 애노드는 부하(25)에 연결된다.
60개의 단위 셀들은 도 6과 같이 병렬 및 직렬로 연결한 경우, 각 단위 셀의 안정된 평균 출력전압을 0.35V라고 하였을 때, 병렬로 연결된 각 열의 출력전압은 0.35V가 된다. 그리고 열과 열은 직렬로 연결되었으므로 전체 단위 셀의 출력전압은 0.35×6=2.1V가 된다.
한편, 도 6에서 각 열(C1...C6)에서 인접한 두 단위 셀을 연결하는 스위치 그룹이 병렬연결이 아니라 직렬연결을 위한 것일 수 있다. 이때, 60개의 단위 셀들(S(1,1)...S(10,6))은 직렬로 연결된다. 그러므로 60개의 단위 셀 들(S(1,1)...S(10,6))의 전체 출력전압은 0.35V×60=21V가 된다. 이 정도의 출력전압은 노트북 컴퓨터에서 요구하는 전압에 해당된다. 단위 셀의 수가 60개보다 많을 경우, 출력전압은 21V보다 크게 된다.
한편, 도 6의 60개의 단위 셀(S(1,1)...S(10,6))에서 직렬 및 병렬 연결되는 단위 셀의 수의 조절하여 다양한 출력전압을 얻을 수 있다. 곧, 출력전압을 높이거나 낮출 수 있다.
예를 들면, 5개의 단위 셀을 한 그룹으로 하여 도 6의 60개의 단위 셀(S(1,1)...S(10,6))을 12개의 그룹으로 나누고, 각 그룹의 5개의 단위 셀은 병렬로, 그룹과 그룹은 직렬로 연결하면, 60개 단위 셀(S(1,1)...S(10,6))의 출력전압은 4.2V가 된다. 이 출력전압은 휴대폰이나 PDA등에서 요구하는 전압에 해당된다.
도 7은 스위치 네트워크(14)의 일예를 보여준다.
도 7에서"cell 1 Ca"는 제1 단위 셀의 캐소드를 나타내고,"Cell1 An"은 상기 제1 단위 셀의 애노드를 나타낸다. 그리고 "Cell N Ca"는 제n 단위 셀의 캐소드를 나타내고,　"Cell N An"은 제n 단위 셀의 애노드를 나타낸다. 또한, 이웃한 두 단위 셀의 애노드에 연결된 제1 스위치(40)는 병렬연결을 위한 것으로서, 도 4 또는 도 5의 제1 스위치(SW1)와 동일한 역할을 한다. 또한, 이웃한 두 단위 셀의 캐소드에 연결된 제2 스위치(42)도 병렬연결을 위한 것으로서 도 4 또는 도 5의 제2 스위치(SW2)와 동일한 역할을 한다. 또한, 이웃한 두 단위 셀의 극성이 서로 다른 전극에 연결된 제3 스위치(44)는 직렬연결을 위한 것으로서, 도 4 또는 도 5의 제3 스위치(SW3)와 동등한 역할을 한다.
다음, 본 발명자는 DC-DC 컨버터를 사용하지 않고 본 발명에서 제안한 방식에 따라 스위치를 이용하여 단위 셀의 직렬 병렬연결 구성을 다르게 하여 발전부(12)의 출력전압을 높이는 경우와 종래와 같은 방식으로 DC-DC 컨버터를 이용하여 출력전압을 높이는 경우를 비교하는 실험을 실시하였다.
상기 실험은 다음과 같이 실시하였다.
먼저, 4개의 단위 셀을 모두 동일한 공정으로 형성하였다. 상기 4개의 단위 셀들은 회로로 직렬 연결하여 스택을 이루도록 하였다. 직렬로 연결된 상기 4개의 단위 셀로 이루어진 제1 단위전지는 펌프를 이용하여 애노드에 1몰의 메탄올을 일정한 양으로 공급하고 캐소드에 산소를 공급하여 운전하였다. 상기 산소는 상기 캐소드를 대기중에 노출시켜 공급하였다. 상기 제1 단위전지의 온도는 40℃ 내외로 일정하게 유지하였다. 그리고 상기 제2 단위전지의 전체 전압은 1.4V로 유지하였다.
상기 제1 단위전지는 두 개를 제조하여 각각에 대한 전류밀도를 측정하였다. 두 개의 상기 제1 단위전지에 대한 전류밀도는 각각 66.5mA/cm2와 64.6mA/cm2였고 따라서 평균 전류밀도는 65.5 mA/cm2가 된다. 이 값을 상기 제1 단위전지의 전류밀도로 사용하였다.
다음, 상기 제1 단위전지와 동일한 방법으로 형성한, 직결로 연결된 8개의 단위 셀로 이루어진 제2 단위전지를 두 개 형성하였다. 두 개의 상기 제2 단위전지는 상기 제1 단위전지와 동일한 조건으로 운전하였다. 두 개의 상기 제2 단위전지 에 대한 성능을 평가한 결과, 두 개의 상기 제2 단위전지의 전류밀도는 각각 69.5 mA/cm2와 65.8mA/cm2로서 평균 전류밀도는 67.6 mA/cm2였다. 이 값을 상기 제2 단위전지의 전류밀도로 사용하였다. 또한, 상기 제2 단위전지의 전압은 2.8V를 유지하였다.
상기 제1 및 제2 단위전지의 전류밀도를 비교하면 아래의 표 1에서 볼 수 있듯이 상기 제2 단위전지의 전류밀도가 3% 정도 높다. 이러한 결과는 실제로 상기 제2 단위 전지의 성능이 더 향상되었다기보다 실험오차를 포함한 결과로 해석될 수 있다.
구체적으로, 상기 제2 단위전지에 포함된 단위 셀의 수는 상기 제1 단위전지에 포함된 단위 셀의 두 배이기 때문에, 상기 제2 단위전자는 저항의 요인이 되는 스위치의 개수 또한 상기 제1 단위전자보다 2배가 많다. 그러므로 상기 제1 및 제2 단위전지의 단위 셀들이 모두 동일한 성능이라고 한다면, 상기 제2 단위전지의 성능이 떨어지는 것이 정상적이라 할 수 있다.
그런데 상기 제2 단위전지의 성능이 오히려 증가했다는 것은 회로로 연결되는 단위 셀 간의 저항이 무시할 정도로 작고, 따라서 상기 제2 단위전지의 성능 감소효과는 거의 없는 것으로 판단된다.
다음, 상기 제1 및 제2 단위전지의 출력전압을 각각 DC-DC 컨버터를 이용하여 현재의 휴대폰의 동작전압이 되는 4.2V로 높였고, 전류밀도도 측정하였다. 상기 측정들은 20시간 동안 실시하였다.
아래의 표 1은 상기 실험 결과를 요약한 것이다.
제1 단위전지
(4 셀)		 제2 단위전지
(8 셀)
단위전지이용
승압실험결과		 작동전압(V) 1.4 2.8
전류밀도 1(mA/cm2) 66.5 69.5
전류밀도 2(mA/cm2) 64.6 65.8
평균전류밀도(mA/cm2) 65.5 67.6
전류밀도 증감(%) - 3.2
전압상승률에 대한 성능 증감률 3.2
DC-DC컨버터 이용
승압실험결과		 작동전압(V) 4.2
전류밀도(mA/cm2) 35 55
전류밀도 증감(%) -46.6 -18.6
전압상승률에 대한 성능 증감률 -23.3 -37.3
표 1에서 "전류밀도 1"은 두 개의 상기 제1 단위전지 중 어느 하나와 두 개의 상기 제2 단위전지 중 어느 하나에 대한 전류밀도를 나타내고,"전류밀도 2"는 나머지 하나의 제1 단위전지 및 제2 단위전지에 대한 전류밀도를 나타낸다.
표 1을 참조하면, 제1 및 제2 단위전지의 전류밀도는 64.6mA/cm2와 65.8mA/cm2로서 큰 차이가 없다는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 단위 셀들의 직렬 병렬 연결 관계를 조정하여 출력전압을 올릴 경우, 전류밀도는 큰 차이가 없음을 의미한다.
반면, DC-DC 컨버터를 이용하여 상기 제1 단위전지의 출력전압을 4.2V로 높였을 때(이하, 제1 경우), 전류밀도는 35mA/cm2로서 상기 제1 단위전지의 평균전류밀도(65.5mA/cm2)보다 46% 감소한 것을 알 수 있다. 또한, DC-DC 컨버터를 이용하여 상기 제2 단위전지의 출력전압을 4.2V로 높였을 때(이하, 제2 경우), 전류밀도는 55mA/cm2로서 상기 제2 단위전지의 평균전류밀도(67.6mA/cm2)보다 18% 정도가 감소한 것을 알 수 있다.
그러나 단위 셀들을 이용하여 전압을 높인 경우와 DC-DC 컨버터를 이용하여 전압을 높인 경우에서의 전류밀도 증감 비교는 동일 전압 조건에서 이루어진 것이 아니므로, 곧 상기 제1 및 제2 경우에서 전압 상승 정도가 다르기 때문에, 정확한 비교라고 말하기 어려울 수 있다.
이에, 본 발명자는 정확한 비교를 위해서 전압 상승률에 대한 성능 증감률(또는 전류밀도 증감률)을 측정하였다. 측정 결과는 위의 표 1에 요약한 바와 같다.
구체적으로, 상기 제1 단위전지의 전압 1.4V를 상기 제2 단위전지를 이용하여 2.8V로 전압을 1.4V(100%)높였을 때, 전압 상승률에 따른 성능 증감률은 +3.2였다. 이것은 단위 셀들을 이용하여 전압을 높였을 때, 전압 상승률이 클수록 전류밀도도 증가함을 의미한다.
상기 제1 경우, 1.4V에서 4.2V로 전압이 2.8V(200%)만큼 상승하였고, 전류밀도는 65.5mA/cm2에서 35mA/cm2로 46.6% 감소하였으므로, 전압 상승률에 대한 성능증감률은 -23.3이 된다.
상기 제2 경우, 2.8V에서 4.2V로 전압이 1.4V(50%)만큼 상승하였고, 전류밀도는 67.6mA/cm2에서 55mA/cm2로 18.6% 감소하였으므로, 전압 상승률에 대한 성능 증감률은 -37이 된다.
이러한 결과를 보면, 전압 상승률에 대한 성능 증감률을 고려하였을 때, 단순한 성능 증감률의 비교때와 달리 상기 제1 경우가 상기 제2 경우보다 성능 감소율이 낮은 것을 알 수 있다.
도 8은 상기 실험에서 상기 제1 및 제2 단위전지의 전류밀도를 보여준다. 도 8에서 그래프 군(GG)은 두 개의 상기 제1 단위전지와 두 개의 상기 제2 단위전지의 전류밀도를 나타낸 것이다.
도 8을 참조하면, 상기 제1 및 제2 단위전지의 전류밀도는 60mA/cm2보다 큰 것을 알 수 있다. 그리고 그래프 군(GG)이 구분이 어려울 정도로 뭉친 것을 볼 때, 상기 제1 및 제2 단위전지의 전류밀도는 큰 차이가 없는 것을 알 수 있다. 이러한 사실로부터 상기 제1 단위전지의 출력전압을 상기 제2 단위전지를 이용하여 높이더라도 전류밀도는 감소되지 않음을 알 수 있다.
도 9는 상기 실험에서 상기 제1 및 제2 단위전지의 출력전압을 DC-DC 컨버터를 이용하여 높였을 때의 전류밀도의 변화를 보여준다.
도 9에서, 제1 그래프(G1)는 직렬로 연결된 4개의 단위 셀로 이루어진 상기 제1 단위전지의 출력전압을 DC-DC 컨버터를 이용하여 높였을 때, 곧 상기 제1 경우에 대한 전류밀도 변화를 나타낸다. 그리고 제2 그래프(G2)는 직렬로 연결된 8개의 단위 셀로 이루어진 상기 제2 단위전지의 출력전압을 DC-DC 컨버터를 이용하여 높였을 때, 곧 상기 제2 경우에 대한 전류밀도 변화를 나타낸다.
도 9를 참조하면, 상기 제1 경우, 평균 전류밀도는 40mA/cm2보다 작은 것을 알 수 있다. 그리고 상기 제2 경우, 평균 전류밀도는 60mA/cm2보다 작은 것을 알 수 있다.
도 8과 도 9를 비교하면, 상기 제1 및 제2 경우에서 전류밀도는 확실히 감소됨을 알 수 있다.
다음에는 상술한 본 발명의 연료전지시스템의 동작 방법, 곧 부하(25)에서 요구하는 전력을 생산하는 방법을 설명한다.
도 10은 상술한 본 발명의 실시예에 의한 연료전지시스템의 동작 방법을 나타낸 순서도이다. 그리고 도 11은 도 10의 동작방법과 관련된 회로도이다.
도 10 및 도 11을 함께 참조하면, 본 발명의 동작방법은 먼저 로드(25)를 인식한다(S1). 로드(25)의 인식은 연료전지시스템이 로드(25)에 접속될 때, 접속패드 또는 별도의 채널을 통해서 이루어질 수 있다. 로드(25)의 인식을 통해서 로드(25), 예를 들면 휴대폰, PDA, 노트북 컴퓨터 등의 동작전압을 알 수 있다. 로드(25)를 인식한 다음에 인식된 정보에 따라 연료전지시스템의 출력전압을 설정한다(S2). 상기 출력전압은 실질적으로 발전부(12)의 출력전압이 된다. 로드(25)의 인식은 시스템 제어부(16)에 의해 이루어지므로, 상기 출력전압 또한 시스템 제어부(16)에 의해 설정된다. 상기 출력전압의 설정 후, 상기 출력전압을 생산할 수 있도록 발전부(12)에 포함된 단위 셀들을 연결한다. 곧, 단위 셀들의 연결 공정을 진행한다(S3). 발전부(12)의 단위 셀들의 연결과 단락 상태는 스위치 네트워크(14)의 스위치 어레이를 이루는 스위치들의 온 오프 상태에 의해 결정된다. 그러므로 발전부(12)의 단위 셀들을 연결하는 공정은 실질적으로 스위치 네트워크(14)의 스위치들 간의 연결 관계를 정립하는 공정과 동일할 수 있다.
스위치 네트워크(14)의 스위치 어레이에 대한 정보가 시스템 제어부(16)에 저장되어 있는 경우, 스위치 네트워크(14)의 스위치 어레이를 이루는 스위치들의 직렬 또는 병렬연결의 조절을 통한 상기 연결관계의 정립은 시스템 제어부(16)에 의해 주도될 수 있다.
그러나 스위치 네트워크(14)의 스위치 어레이에 대한 정보가 스위치 네트워크(14)에 저장되어 있다면, 스위치 네트워크(14)의 스위치들 사이의 연결관계 정립은 스위치 네트워크(14)에 의해 주도될 수도 있다. 스위치 네트워크(14)의 스위치 어레이를 구성하는 모든 스위치는 초기에 오프 상태인 것으로 간주한다.
다음, 발전부(12)의 단위 셀들의 연결 공정을 완료한 후, 발전부(12)에서 생산되는 출력전압이 부하(25)에서 요구하는 전압과 같은 전압인지 확인한다(S4). 발전부(12)의 출력전압과 기준전압의 비교결과는 아날로그 디지털 변환기(50)를 통해서 시스템 제어부(16)로 주어진다. 발전부(12)에서 생산하는 출력전압이 부하(25)에서 요구하는 전압과 같으면(Y), 부하(25)에 전력을 공급한다(S5). 그러나 발전부(12)에서 생산하는 출력전압이 부하(25)에서 요구하는 전압이 아니면(N), 단위 셀들을 연결하는 공정인 제3 단계(S3)와 그 이후의 단계를 다시 실시한다. 제3 단계(S3)를 반복할 때는 부하(25)에서 요구하는 전압과 상기 출력전압을 비교하여 두 전압 사이의 차이를 인식하고, 상기 차이를 보상할 수 있도록 상기 스위치들의 연결관계를 정립할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 단위 셀 사이에 구비된 스위치로서 전계 효과 트랜지스터외에 다른 온 오프 수단을 구비할 수 있을 것이다. 또한, 단위 셀이 수직으로 적층된 스택 뿐만 아니라 수평으로 적층된 스택이 있을 수 있다. 또한 본 발명의 연료전지시스템의 기술적 사상은 DMFC 시스템뿐만 아니라 PEMFC 시스템에도 적용될 수 있다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 연료전지시스템을 나타낸 블록도이다.
도 2는 도 1의 파워유닛의 발전부에 구비된, 스위치를 포함하는 셀 어레이의 일예를 나타낸 평면도이다.
도 3은 도 2의 스위치를 포함하는 셀 어레이의 일부가 부하에 연결된 경우를 예시한 회로도이다.
도 4는 도 3에서 셀들 사이에 위치하는 스위치들이 병렬 또는 직렬로 연결된 경우를 예시한 회로도이다.
도 5는 도 3에서 셀들 사이에 위치하는 스위치들이 직렬로 연결된 경우를 예시한 회로도이다.
도 6은 도 2의 발전부가 60개의 단위 셀을 포함하는 경우를 예시한 평면도이다.
도 7은 도 1의 스위치 네트워크의 일예를 나타낸 회로도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 의한 연료전지시스템의 승압실험에서 전류밀도변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 DC-DC 컨버터를 포함하는 연료전지시스템의 승압실험에서 전류밀도변화를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 의한 연료전지시스템의 동작방법을 나타낸 순서도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 의한 연료전지시스템에서 부하에 필요한 적정 전압을 결정하는데 관여하는 구성 요소들 사이의 관계를 나타낸 회로도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10:BOP부 12:발전부
14:스위치 네트워크 16:시스템 제어부
20:카트리지 25:부하(load)
100:파워유닛 G1,G2:제1 및 제2 그래프
GG:그래프 군 SW1-SW3:제1 내지 제3 스위치
S(m,n):m행 n열에 위치한 단위 셀
SG((m-1),n):m행 n열에 위치한 단위 셀과 m-2행 n열에 위치한 단위 셀에 연결된 스위치 그룹

Claims (26)

  1. 단위 셀들을 포함하는 발전부가 구비된 연료전지시스템의 파워유닛에 있어서,
    상기 단위 셀들 사이에 상기 단위 셀들을 직렬 또는 병렬로 연결하기 위한 스위치 그룹이 구비되고,
    상기 스위치 그룹은,
    이웃한 두 단위 셀의 애노드에 연결된 제1 스위치; 및
    상기 이웃한 두 단위 셀의 캐소드에 연결된 제2 스위치를 포함하며,
    상기 스위치 그룹은 상기 이웃한 두 단위 셀의 서로 반대되는 극성의 전극에 연결된 제3 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워유닛.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 연료전지시스템은 DMFC 또는 PEMFC 시스템인 것을 특징으로 하는 파워유닛.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 스위치 그룹은 상기 단위 셀들과 구분된 스위치 네 트워크에 구비된 것을 특징으로 하는 파워유닛.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 스위치 네트워크는 상기 발전부와 구별된 위치에 구비된 것을 특징으로 하는 파워유닛.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 단위 셀들 중 일부는 병렬로 연결되어 있고, 나머지는 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 파워유닛.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 발전부는 상기 발전부와 부하(load)사이의 유일한 승압수단인 것을 특징으로 하는 파워유닛.
  9. 전력을 생산하는 파워유닛을 포함하는 연료전지시스템에 있어서,
    상기 파워유닛은 단위 셀들을 포함하는 발전부를 포함하고,
    상기 단위 셀들 사이에 상기 단위 셀들을 직렬 또는 병렬로 연결하기 위한 스위치 그룹이 구비되며,
    상기 스위치 그룹은,
    이웃한 두 단위 셀의 애노드에 연결된 제1 스위치; 및
    상기 이웃한 두 단위 셀의 캐소드에 연결된 제2 스위치를 포함하고,
    상기 스위치 그룹은 상기 이웃한 두 단위 셀의 서로 반대되는 극성의 전극에 연결된 제3 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 연료전지시스템은 DMFC 또는 PEMFC 시스템인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  13. 삭제
  14. 제 9 항에 있어서, 상기 스위치 그룹은 상기 단위 셀들과 구분된 스위치 네트워크에 구비된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 스위치 네트워크는 상기 발전부와 구별된 위치에 구비된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  16. 제 9 항에 있어서, 상기 단위 셀들 중 일부는 병렬로 연결되어 있고, 나머지는 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  17. 제 9 항에 있어서, 상기 발전부는 상기 발전부와 부하(load)사이의 유일한 승압수단인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  18. 제 15 항에 있어서, 상기 스위치 네트워크는 시스템 제어부에 구비된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
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