KR101408042B1 - 전력의 공급과 수급(受給)이 가능한 연료전지시스템 및 그동작방법 - Google Patents

전력의 공급과 수급(受給)이 가능한 연료전지시스템 및 그동작방법 Download PDF

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Abstract

전력의 공급과 수급(受給)이 가능한 연료전지시스템 및 그 동작방법에 관해 개시되어 있다. 개시된 본 발명은 연료가 저장되는 카트리지, 상기 카트리지로부터 공급되는 연료를 이용하여 전력을 생산하는 파워유닛 및 전자기기에 접촉되는 포트(port)를 포함하는 연료전지시스템에서 상기 포트는 상기 전자기기로부터 시동전력을 공급받고, 상기 생산된 전력을 상기 전자기기에 공급하는 통로인 제1 채널, 상기 연료전지시스템이 상기 전자기기에 장착될 때, 그 사실을 상기 전자기기에 통지하는 신호의 인가 통로인 제2 채널 및 접지를 위한 제3 채널을 포함하는 연료전지시스템을 제공한다.

Description

전력의 공급과 수급(受給)이 가능한 연료전지시스템 및 그 동작방법{Fuel cell system capable of supplying and receiving power and method of operating the same}
본 발명은 연료전지시스템 및 그 동작방법에 관한 것이다.
노트북 컴퓨트, PDA, 휴대용 디스플레이, 휴대폰 등과 같은 휴대용 전자기기의 전력원으로는 2차 전지, 곧 배터리가 널리 사용된다.
휴대용 전자기기의 종류가 많아지면서 각 전자기기에 적합한 다양한 배터리가 소개되고 있다.
그러나 휴대용 전자기기용으로 현재까지 소개된 배터리는 제품들 사이에 다소의 차이는 있으나 대개 사용자가 원하는 시간만큼 충분히 전력을 공급하지 못하고 있다. 특히, 휴대용 전자기기가 연속해서 사용될 때, 배터리로부터 휴대용 전자기기로 전력이 공급되는 시간은 더욱 짧아질 수 있다. 또한, 배터리의 충전 시간이 길다. 또한, 배터리의 충전과 방전의 횟수가 많아지면서 배터리의 성능이 크게 떨어질 수 있다.
이에 따라 새로운 전력 공급원이 속속 개발되고 있는데, 그 중의 하나가 연 료전지시스템이다.
연료전지시스템은 연료, 예를 들면 메탄올이 저장된 카트리지와 상기 카트리지로부터 공급되는 연료를 이용하여 전력을 생산하는 본체로 크게 나눌 수 있다.
연료전지시스템은 연료가 공급되는 한, 계속해서 전력을 생산할 수 있으므로, 사용자가 원하는 시간만큼 전력을 생산할 수 있다. 또한, 카트리지를 교체하거나 카트리지에 연료를 공급함으로써 전력을 다시 생산할 수 있다. 그러므로 연료전지시스템의 경우, 전력을 다시 생산하는데 소요되는 시간이 배터리의 충전시간에 비교할 수 없을 만큼 짧다.
본 발명은 외부로부터 시동전력을 공급받을 수 있는 연료전지시스템 및 그 동작방법을 제공함에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 연료가 저장되는 카트리지, 상기 카트리지로부터 공급되는 연료를 이용하여 전력을 생산하는 파워유닛 및 전자기기에 접촉되는 포트(port)를 포함하는 연료전지시스템에서, 상기 포트는 상기 전자기기로부터 시동전력을 공급받고, 상기 생산된 전력을 상기 전자기기에 공급하는 통로인 제1 채널과, 상기 연료전지시스템이 상기 전자기기에 장착될 때 그 사실을 상기 전자기기에 통지하는 신호의 인가 통로인 제2 채널과, 접지를 위한 제3 채널을 포함하는 연료전지시스템을 제공한다.
이러한 연료전지시스템에서 상기 파워유닛은 시스템 제어부, BOP(Balance Of Plant) 및 드라이버, 연료전지 및 DC-DC 컨버터를 포함할 수 있다. 그리고 상기 DC-DC 컨버터와 상기 제1 채널 사이에 쇼트 방지수단을 더 구비할 수 있다. 또한, 상기 포트는 돌출 또는 리세스(recess)될 수 있다. 또한, 상기 포트 둘레에 상기 전자기기와의 체결을 위한 별도 체결기구가 구비될 수 있다.
본 발명은 또한 연료가 저장되는 카트리지, 상기 카트리지로부터 공급되는 연료를 이용하여 전력을 생산하는 파워유닛 및 전자기기에 접촉되는 포트(port)를 포함하는 연료전지시스템에서, 상기 포트는 상기 전자기기로부터 시동전력을 공급 받고, 상기 생산된 전력을 상기 전자기기에 공급하는 통로인 제1 채널과, 상기 연료전지시스템이 상기 전자기기에 장착될 때 그 사실을 상기 전자기기에 통지하는 신호의 인가 통로인 제2 채널과, 접지를 위한 제3 채널을 포함하는 연료전지시스템의 동작 방법에 있어서,
상기 제2 채널을 통해서 상기 전자기기에 상기 연료전지시스템의 장착을 통지하는 제1 단계, 상기 전자기기로부터 상기 제1 채널을 통해서 시동전력을 공급받는 제2 단계 및 상기 공급된 시동전력을 이용하여 상기 연료전지시스템을 구동시키는 제3 단계를 포함하는 연료전지시스템의 동작방법을 제공할 수 있다.
상기 제3 단계는 상기 공급된 시동전력을 이용하여 BOP 및 드라이버에 구동신호를 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 연료전지시스템 및 그 동작 방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
도 1은 본 발명의 연료전지시스템의 구성을 보여준다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 연료전지시스템(40)은 카트리지(42), 파워유닛(44)을 포함하고, 파워 인터페이스를 제공하는 포트(port)(48)를 포함한다. 카트리지(42)에 파워유닛(44)으로 공급되는 연료가 저장되어 있다. 연료는 파워유닛(44)에 포함된 연료전지의 애노드(anode)에 수소를 공급하기 위한 것으로, 예를 들면 메탄올일 수 있다. 이때, 상기 메탄올의 농도는 조절될 수 있다. 카트리 지(42)는 가압식 또는 비가압식일 수 있다. 또한, 카트리지(42)와 파워유닛(44)은 서로 체결을 위한 체결부를 구비하고 있다. 일 실시예에 따르면, 카트리지(42)는 파워유닛(44)과 영구적으로 연결되어 있고, 카트리지(42)의 다른 부분에 연료의 유입구를 갖고 있을 수 있다. 상기 연료 유입구를 통해 카트리지(42)에 연료를 채울 수 있다. 파워유닛(44)은 카트리지(42)로부터 공급되는 연료를 사용하여 전력을 생산하는 상기 연료전지를 포함한다. 파워유닛(44)은 또한 카트리지(42)로부터 상기 연료전지로 연료를 전달하는 연료전달계통, 예컨대 BOP(Balance Of Plant)와 드라이버(Driver)를 구비할 수 있다. 또한, 파워유닛(44)은 연료전지의 상태에 따라 연료전지에 공급되는 연료량을 제어하는 제어신호를 발생시키고, 연료전지시스템(40)이 로드(load)에 장착될 때, 연료전지시스템(40)의 장착을 상기 로드에 알리기 위한 신호(이하, 제1 신호)를 발생시키는 연료전지 관리 유닛, 곧 시스템 제어부를 포함할 수 있다. 또한, 파워 유닛(44)은 연료전지로부터 출력된 전력을 상기 로드에 적합한 적정 전력으로 맞춰주는 전력 정합 수단을 구비할 수 있다. 상기 전력 정합 수단의 일예는 DC-DC 컨버터일 수 있다. 상기 로드는 노트북 컴퓨터, PDA, 휴대용 디스플레이 등 다양한 휴대용 전자기기일 수 있다. 포트(48)는 제1 내지 제3 채널(c1-c3)를 포함할 수 있다. 제1 채널(c1)을 통해서 파워유닛(44)에서 발생된 전력이 상기 로드로 공급된다. 또한, 상기 제1 채널(c1)을 통해서 상기 로드로부터 연료전지시스템의 초기 시동을 위한 전력이 파워유닛(44)으로 공급된다. 제2 채널(c2)을 통해서 상기 제1 신호가 상기 로드로 전달된다. 제3 채널(c3)은 파워 접지 채널이다. 연료전지시스템(40)이 상기 로드에 연결될 때, 제3 채널(c3)은 상기 로드측 접지단자에 연결될 수 있다. 포트(48)에서 제1 내지 제3 채널(c1-c3)의 배열은 다를 수 있다. 예컨대, 제1 내지 제3 채널(c1-c3)의 배열은 제1 채널(c1), 제3 채널(c3), 제2 채널(c2) 순으로 배열될 수도 있다.
도 2는 도 1의 구성을 갖는 연료전지시스템에 대한 일 실시예를 보여준다.
도 2를 참조하면, 파워유닛(44)은 시스템 제어부(44a), BOP 및 드라이버(44b), 연료전지(44c), DC-DC 컨버터(44d)를 포함한다. 연료전지(44c)는 스택형 또는 플래너 형일 수 있다.
도 2에 도시된 연료전지시스템의 동작에 대해 설명한다.
연료전지시스템(40)이 로드(80)에 장착되면, 제2 채널(c2)을 통해서 시스템 제어부(44a)에서 로드(80)로 제1 신호(s1)가 주어진다. 제1 신호(s1)를 통해서 로드(80)는 연료전지시스템(40)의 장착을 인식할 수 있다. 제1 신호(s1)는 제2 채널(c2)이 로드(80)의 대응하는 부분에 접촉되면서 혹은 물리적이나 기계적으로 결합되면서 발생되는 전기 신호, 예를 들면 펄스 신호일 수 있다. 로드(80)에 의해 연료전지시스템(40)의 장착이 인식된 후, 제1 채널(c1)을 통해서 로드(80)는 시스템 제어부(44a)로 시동 전력(start-up power)를 주어진 시간동안 인가한다. 시동 전력이 인가되는 시간은 로드(80)에 구비된 전원의 상태에 달라질 수 있다. 로드(80)의 전원 상태가 허용된다면, 상기 시동 전력은 연료전지시스템으로부터 로드(80)의 구동에 필요한 전력이 생산될 때까지 공급될 수 있다.
상기 시동 전력이 시스템 제어부(44a)에 인가되면, 시스템 제어부(44a)는 상기 시동 전력을 이용하여 BOP 및 드라이버(44b)에 제2 신호(s2)를 인가한다. 제2 신호(s2)는 구동제어신호이다. 제2 신호(s2)에 의해 BOP 및 드라이버(44b)가 구동되어 연료전지(44c)에 연료와 공기(air)가 공급된다. 이렇게 해서 연료전지(44c)에서 화학반응에 의한 전력이 생산되고, 생산된 전력(VFC)은 DC-DC 컨버터(44d)로 전달된다. DC-DC 컨버터는 전달된 전력(VFC)을 제1 채널(c1)을 통해서 로드(80)에 공급하는데, 이때 로드(80)에서 요구하는 전력으로 맞춰 공급한다.
한편, 카트리지(42)의 연료량에 대한 정보를 갖고 있는 제3 신호(s3)가 실시간으로 혹은 주기적 시간으로 시스템 제어부(44a)로 전달된다. 시스템 제어부(44a)는 제3 신호(s3)를 통해서 얻어진 정보를 바탕으로 BOP 및 드라이버(44b)에 제2 신호(s2)를 인가하여 BOP 및 드라이버(44b)에서 연료전지(44c)로 공급되는 연료량을 제어할 수 있다.
상술한 바와 같이, 연료전지시스템의 동작은 로드(80)로부터 공급되는 시동전력으로부터 시작되므로, 연료전지시스템은 동작 시동을 위한 별도의 자체 전원, 예를 들면 종래의 리튬 이온 배터리와 같은 전원을 구비할 필요가 없다. 그러므로 본 발명의 연료전지시스템은 부피와 무게를 모두 줄일 수 있다.
상술한 도 2의 연료전지시스템의 동작은 도 3에 도시한 바와 같이 연료전지시스템의 동작방법에 포함될 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 연료전지시스템의 동작 방법은 크게 외부로부터 시동전력을 공급받는 제1 단계(100)와 외부로부터 공급된 시동전력을 이용하여 연료전지시스템을 구동하는 제2 단계(200)와 외부로 전력을 공급하는 단계(300)를 포함할 수 있다.
제1 단계(100)에서 연료전지시스템이 장착되는 로드(80)로부터 시스템 제어부(44a)로 시동전력이 공급된다. 이때, 시동전력 공급시간은 상술하였듯이 로드(80)에 내장된 기본 배터리의 상태에 따라 다를 수 있다. 제1 단계(100)에 앞서 연료전지시스템의 장착 신호를 로드(80)에 먼저 인가되게 할 수 있다. 시동전력 공급은 이후에 이루어 질 수 있다.
제2 단계(200)에서 상기 시동전력을 이용하여 BOP 및 드라이버(44b)가 구동되어 복수의 단위 셀을 포함하는 연료전지(44c)로 연료와 공기가 공급된다.
제3 단계(300)에서 연료전지(44c)에서 전력이 생산되고, 생산된 전력은 DC-DC 컨버터(44d)와 제1 채널(c1)을 거쳐 로드(80)로 공급된다.
이러한 연료전지지스템의 동작과정에서 시스템 제어부(44a)는 카트리지(42)의 연료잔량을 체크하고, 연료전지(44c)의 환경를 체크하는데, 예를 들면 연료전지(44c)의 온도, 출력 전력 등을 체크할 수 있다. 그리고 그 결과에 따라 연료전지시스템의 동작을 제어할 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, 포트(48)의 구성을 그대로 하고, 포트(48)의 형태나 체결 모양 등을 도 2에 도시한 바와 다르게 할 수 있을 것이다. 예를 들면, 포트(48)는 단순히 로드(80)에 접촉되게 하고, 포트(48) 주변에 별도의 체결기구를 구비할 수도 있을 것이다. 또한, 제1 채널(c1)과 DC-DC 컨버터(44d) 사이에 쇼트 방지 수단을 구비할 수도 있을 것이다. 또한, 포트(48)는 연료전지시스템의 케이스의 표면보다 돌출되거나 리세스(recess) 될 수도 있다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
도 1은 본 발명의 연료전지시스템의 개략적 구성을 나타낸 평면도이다.
도 2는 도 1의 연료전지시스템에 대한 일 실시예를 나타낸 평면도이다.
도 3은 도 2의 연료전지시스템의 동작방법을 나타낸 순서도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호설명*
40:연료전지시스템 42:카트리지
44:파워유닛(power unit) 48:포트(port)
44a:시스템 제어부
44b:연료전달계통(BOP 및 드라이버) 44c:연료전지
44d:DC-DC 컨버터 80:로드(load)
c1-c3:제1 내지 제3 채널

Claims (7)

  1. 연료가 저장되는 카트리지;
    상기 카트리지로부터 공급되는 연료를 이용하여 전력을 생산하는 파워유닛; 및
    전자기기에 접촉되는 포트(port)를 포함하는 연료전지시스템에서,
    상기 포트는,
    상기 전자기기로부터 시동전력을 공급받고, 상기 생산된 전력을 상기 전자기기에 공급하는 통로인 제1 채널;
    상기 연료전지시스템이 상기 전자기기에 장착될 때, 그 사실을 상기 전자기기에 통지하는 신호의 인가 통로인 제2 채널; 및
    접지를 위한 제3 채널을 포함하고,
    상기 파워유닛은 상기 파워유닛으로부터 생산된 전력을 공급받게 되는 상기 전자기기로부터 시동전력을 수전(受電)하는 연료전지시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 파워유닛은 시스템 제어부, BOP 및 드라이버, 연료전지 및 DC-DC 컨버터를 포함하는 연료전지시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 DC-DC 컨버터와 상기 제1 채널 사이에 쇼트 방지수단을 더 구비하는 연료전지시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 포트는 돌출 또는 리세스(recess)된 연료전지시스 템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 포트 둘레에 상기 전자기기와의 체결을 위한 별도 체결기구가 구비된 연료전지시스템.
  6. 청구항 1항의 연료전지시스템의 동작 방법에 있어서,
    상기 제2 채널을 통해서 상기 전자기기에 상기 연료전지시스템의 장착을 통지하는 제1 단계;
    상기 전자기기로부터 상기 제1 채널을 통해서 시동전력을 공급받는 제2 단계; 및
    상기 공급된 시동전력을 이용하여 상기 연료전지시스템을 구동시키는 제3 단계를 포함하는 연료전지시스템의 동작방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제3 단계는 상기 공급된 시동전력을 이용하여 BOP 및 드라이버에 구동신호를 인가하는 단계를 포함하는 연료전지시스템의 동작방법.
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