KR101572033B1 - Apparatus for activating of fuel cell stack - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택을 활성화하는 연료전지 스택의 활성화 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 연료전지 스택에 연결하던 전자부하를 축전지 뱅크로 대체하여 활성화 공정 중에 연료전지 스택의 부하로서 축전지 뱅크를 충전하고 충전한 전기를 전력계통에 공급하여 활성화 공정에 따른 전력낭비를 최소화하며, 축전지 뱅크 내 단위 축전지들의 직렬 연결 및 병렬 연결 개수를 조절하여 활성화 공정에 따른 연료전지 스택의 출력 전압 및 출력 전류 변경값을 맞추며, 이에 따라, 연료전지 스택의 부하로서 활성화 공정을 수행할 수 있는 연료전지 스택의 활성화 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an activation device for a fuel cell stack that activates a fuel cell stack, and more particularly, to an electronic device for replacing an electronic load connected to a fuel cell stack with a battery bank, And the amount of electric power charged and charged is supplied to the power system to minimize the power waste due to the activation process, and the output voltage and output current of the fuel cell stack are changed according to the activation process by controlling the number of series connection and parallel connection of the unit batteries in the battery bank To an activation device of a fuel cell stack capable of performing an activation process as a load of the fuel cell stack.

Description

연료전지 스택의 활성화 장치{APPARATUS FOR ACTIVATING OF FUEL CELL STACK}[0001] APPARATUS FOR ACTIVATING OF FUEL CELL STACK [0002]

본 발명은 연료전지 스택을 활성화하고 연료전지의 성능평가장치에서도 사용되는 연료전지 스택의 활성화 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 연료전지 스택에 연결하던 전자부하를 축전지 뱅크로 대체하여 활성화 공정 중에 연료전지 스택의 부하로서 축전지 뱅크를 충전하고 충전한 전기를 전력계통에 공급하여 활성화 공정에 따른 전력낭비를 최소화하며, 축전지 뱅크 내 단위 축전지들의 직렬 연결 및 병렬 연결 개수를 조절하여 활성화 공정에 따른 연료전지 스택의 출력 전압 및 출력 전류 변경값을 맞추며, 이에 따라, 연료전지 스택의 부하로서 활성화 공정을 수행할 수 있는 연료전지 스택의 활성화 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell stack activation apparatus for activating a fuel cell stack and also used in a fuel cell performance evaluation apparatus, The fuel cell stack is charged with the battery bank and the charged electricity is supplied to the power system to minimize the power waste due to the activation process. The number of series connection and parallel connection of the unit batteries in the battery bank is controlled, To an activation device of a fuel cell stack capable of adjusting an output voltage and an output current change value of a battery stack and thereby performing an activation process as a load of the fuel cell stack.

연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시키는 장치로서, 예를 들어 수소 공급원으로서 메탄올, 천연가스, 액화석유가스 등 탄화수소 계열의 연료 중에 포함되어 있는 수소를 사용하고 산소는 공기 중에 있는 산소를 사용하는 차세대 청정 발전 시스템으로 각광받고 있다.A fuel cell is a device for generating electric energy by generating water by electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. For example, hydrogen is used as a hydrogen supply source in hydrocarbon fuel such as methanol, natural gas, and liquefied petroleum gas. Oxygen is in the spotlight as a next generation clean power generation system using oxygen in the air.

이러한 연료전지는 사용되는 전해질에 따라 용융탄산염 연료전지, 고체산화물 연료전지, 고분자 전해질 연료전지, 인산형 연료전지, 알칼리형 연료전지 등으로 구분될 수 있으며, 기본적으로 같은 원리에 의해 작동된다.Such a fuel cell can be classified into a molten carbonate fuel cell, a solid oxide fuel cell, a polymer electrolyte fuel cell, a phosphoric acid fuel cell, and an alkaline fuel cell according to an electrolyte to be used, and basically operates on the same principle.

상기 여러 종류의 연료전지 중에서 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electolyte Fuel Cell(PEFC) 또는 Proton Exchange Membrane Fuel Cell(PEMFC))는 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고, 전류밀도 및 출력밀도가 크며, 시동 시간이 짧고, 부하 변화에 대해 빠른 응답 특성을 갖는 장점으로 인하여, 무공해 차량의 동력원, 자가 발전용, 이동용 및 군사용 전원 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.Among the various types of fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) or a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) has a higher efficiency, a higher current density and a higher output density than other types of fuel cells, It can be applied to a variety of fields such as a power source for pollution-free vehicles, a self-generating power source, a mobile power source, and a military power source due to its short time and quick response characteristic against load change.

도 4는 고분자 전해질 연료전지를 구성하는 연료전지 유닛(100)을 단면도로 도시한 구성도로서, 수소이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 전해질 막(111)의 양면에 산소와 수소가 반응할 수 있도록 전극촉매층(112, 113)을 도포하고, 각각의 전극촉매층(112, 113)에 기체확산층(120, 121, GDL : Gas Diffusion Layer)을 적층한 후 수소와 산소가 새는 것을 막는 가스켓(140)을 적층 구조의 양단에 고정하는 구조를 갖추며, 각각의 기체확산층(120, 121)의 바깥쪽에는 산소와 수소를 공급하고 반응에 의해 발생한 물을 배출하는 분리판(130, 131)이 위치한다.4 is a cross-sectional view of a fuel cell unit 100 constituting a polymer electrolyte fuel cell, in which oxygen and hydrogen react on both sides of an electrolyte membrane 111 capable of moving hydrogen ions (Proton) A gas diffusion layer 120 and a gas diffusion layer (GDL) 121 are stacked on each of the electrode catalyst layers 112 and 113 and a gasket 140 ) Are fixed to both ends of the laminated structure. Separating plates 130 and 131 for supplying oxygen and hydrogen and discharging water generated by the reaction are located outside the gas diffusion layers 120 and 121, respectively .

여기서, 양측 전극 촉매층(112, 113) 중에 어느 하나는 수소의 산화반응이 진행되는 애노드(112, Anode)로 구성하고 다른 하나는 산소의 환원반응이 진행되는 캐소드(113, Cathode)로 구성한다.Here, one of the both electrode catalyst layers 112 and 113 is composed of an anode 112, in which the oxidation reaction of hydrogen proceeds, and the other is composed of a cathode 113 in which a reduction reaction of oxygen proceeds.

이와 같이 구성되는 연료전지 유닛(100)는 애노드(112) 측이 연료를 공급받는 연료극이 되고 캐소드(113) 측이 공기를 공급받는 공기극이 되며, 애노드(112) 측의 분리판(130)에 탄화수소 계열의 연료를 공급하고 캐소드(113) 측의 분리판(131)에 공기를 공급하면, 연료에 포함된 수소가 애노드(112)에서 산화반응하여 수소이온과 전자가 발생하고, 여기서 발생한 전자는 외부 도선을 통해서 캐소드(113)로 이동하고 수소이온은 전해질 막(111)을 통과하여 캐소드(113)에 도달한다. 이에 따라, 캐소드(113)는 수소이온과 전자를 받아 공기 중 산소의 환원반응을 진행하여 물을 생성한다. 즉, 외부 도선을 따라 이동하는 전자의 흐름과 전해질 말(111)을 통해 이동하는 수소이온의 흐름에 의해서 전기에너지가 생성된다.The fuel cell unit 100 constructed as described above has a structure in which the anode 112 side is a fuel electrode to which fuel is supplied and the cathode 113 side is an air electrode to which air is supplied and a separator plate 130 on the anode 112 side When the hydrocarbon-based fuel is supplied and air is supplied to the separation plate 131 on the cathode 113 side, hydrogen contained in the fuel is oxidized in the anode 112 to generate hydrogen ions and electrons, And the hydrogen ions move to the cathode 113 through the electrolyte film 111. [ Accordingly, the cathode 113 receives hydrogen ions and electrons and proceeds the reduction reaction of oxygen in the air to generate water. That is, electrical energy is generated by the flow of electrons moving along the outer conductor and the flow of hydrogen ions moving through the electrolyte membrane 111.

실제 사용하는 연료전지는 상기 도 4에 도시한 연료전지 유닛(100)에서 얻을 수 있는 전위보다 더 큰 전위를 요구하므로, 필요한 전위를 얻을 수 있는 개수의 연료전지 유닛(100)들을 적층하고 최외각에 적층되는 단위 연료전지 유닛의 분리판에 각각 앤드플레이트(1a)를 설치하여 전극단자로 사용하며, 이와 같이 복수의 연료전지 유닛(100)들을 적층한 것을 스택(Stack)이라고 한다.Since the actually used fuel cell requires a potential higher than the potential obtained in the fuel cell unit 100 shown in FIG. 4, it is possible to stack the number of the fuel cell units 100 capable of obtaining the necessary potential, The end plate 1a is used as an electrode terminal on each of the separator plates of the unit fuel cell units stacked on the fuel cell stack 100. The stack of the plurality of fuel cell units 100 is called a stack.

그런데, 연료전지의 연료극 및 공기극은 나피온과 같은 수소이온 전달체 및 백금과 같은 촉매를 혼합하여 제조하는데, 연료전지를 제작하여 초기 운전하면 전기화학 반응시 다음과 같은 이유로 인하여 그 활성도가 떨어진다.However, the fuel electrode and the air electrode of the fuel cell are manufactured by mixing a hydrogen ion transporter such as Nafion and a catalyst such as platinum. When the fuel cell is initially manufactured and operated, the activity of the electrochemical reaction deteriorates due to the following reason.

첫째 반응물의 이동 통로가 막혀 촉매까지 도달할 수 없고, 둘째 촉매와 같이 삼상계면을 이루고 있는 나피온과 같은 수소이온 전달체가 운전 초기 쉽게 가수화가 되지 아니하고, 셋째 수소이온 및 전자의 연속적인 이동성 확보가 되지 않은 상태이고, 넷째 전극 제조시 불순물이 함유하여 촉매의 활성이 감소되기 때문이다.First, the reaction channel of the reactant is clogged and can not reach the catalyst. Second, the hydrogen ion transporter such as Nafion, which is a three phase interface like the catalyst, is not easily hydrolyzed at the beginning of operation. Third, And the activity of the catalyst is reduced due to impurities contained in the fourth electrode.

이 때문에 연료전지 스택(1)은 제작한 이 후 연료전지의 성능을 최대한 확보하기 위해서 반응에 참여하지 못하는 촉매를 활성화하고, 전해질 막 및 전극 내에 포함된 전해질을 충분히 수화시켜 수소이온의 이동도를 증가시키는 활성화(Activation) 공정을 필요로 한다.Therefore, in order to maximize the performance of the fuel cell stack 1 after the fuel cell stack 1 is activated, a catalyst that can not participate in the reaction is activated, and the electrolyte contained in the electrolyte membrane and the electrode is sufficiently hydrated to improve the mobility of hydrogen ions (Activation) process.

연료전지의 활성화 공정은 도 5에 도시한 바와 같이 컨트롤러(3)에 의해 부하가 변동하는 전자부하(2)에 연료전지 스택(1)을 연결한 후, 활성화 스케줄에 따라 제어동작에 의해 연료 공급수단(4) 및 공기 공급 수단(5)으로 습윤 연료 및 습윤 공기를 공급하면서 전자부하(2)의 부하를 변동시키는 공정이다. 또한, 연료전지 스택(1)에서 생성되는 물을 회수하여 연료 공급수단(4) 및 공기 공급 수단(5)에서 각각 연료 및 공기를 가습할 수 있게 하고, 스택을 냉각하며, 연료전지 스택(1)에서 배출되는 가스로부터 미 사용된 연료를 회수하는 부가수단(6)도 설치된다. 이와 같이 연료전지를 활성화하는 장치는 연료전지의 성능평가에서도 사용된다. 5, the fuel cell stack 1 is connected to the electronic load 2 whose load is varied by the controller 3, and then the fuel cell stack 1 is connected to a fuel supply source And the load of the electronic load 2 is varied while supplying the wet fuel and wet air to the means 4 and the air supply means 5. [ In addition, the water produced in the fuel cell stack 1 can be recovered to humidify the fuel and air in the fuel supply means 4 and the air supply means 5, cool the stack, Is provided with an additional means (6) for recovering unused fuel from the gas discharged from the fuel cell. Thus, the device for activating the fuel cell is also used for evaluating the performance of the fuel cell.

일반적으로 활성화 스케줄은 도 6에 예시한 바와 같이 스택 부하 시퀀스(Load Sequence)로서, 정전압, 정전류 순환 등의 부하변동을 수시간동안 주도록 작성되지만, 일반적으로는 제조사별 특징적인 활성화 절차에 의해서 작성된다. 예를 들면, 등록특허 제10-1000370호에서 예시한 상기 도 6은 물론이고, 등록특허 제10-1033889호에서 예시한 그래프처럼 시간에 따라 부하를 가변하는 스케줄로 이루어진다. 여기서, 전류는 연료공급량을 조절하여 가변할 수 있다.Generally, the activation schedule is created by giving a load variation such as a constant voltage and a constant current circulation for a few hours as a stack load sequence as illustrated in FIG. 6, but it is generally created by a characteristic activation procedure for each manufacturer . For example, as shown in FIG. 6 exemplified in Japanese Patent Application No. 10-1000370, a schedule for varying the load with time is shown in the graph exemplified in the Japanese Patent No. 10-1033889. Here, the current can be varied by adjusting the fuel supply amount.

하지만, 도 5에 도시한 종래기술에 따른 활성화장치에서는, 일반적으로 연료전지 스택(1)에 연료 및 공기를 공급하며 생성한 전기에너지를 전자부하(2)에서 자체 소진하게 하므로 에너지 낭비가 심각하며, 이러한 에너지 낭비를 줄이기 위해 전기에너지를 축전지로 충전하는 경우도 있지만 생성한 전기에너지의 상당부분이 전자부하의 부하변동을 위한 회로에서 열로 소비되므로, 이 또한 에너지 낭비가 심각하다.However, in the activation device according to the prior art shown in Fig. 5, fuel and air are generally supplied to the fuel cell stack 1, and the generated electrical energy is exhausted by the electronic load 2 itself, In order to reduce this energy waste, electric energy is sometimes charged to the battery, but energy waste is also serious because a large portion of the generated electric energy is consumed as heat in the circuit for changing the load of the electronic load.

이에 따라, 연료전지 스택을 활성화하는 과정에서 입력받는 전기에너지를 낭비 없이 충전하는 연료전지 스택의 활성화 장치가 요구된다.Accordingly, there is a need for an activation device for a fuel cell stack that charges electrical energy input without waste during activation of the fuel cell stack.

한편, 연료전지 스택의 활성화를 위해 항시 부하를 걸어줄 수 있는 상태를 유지하여야 하므로, 충전한 전기를 적기에 전력계통에 공급하여 방전시켜서, 부하로서의 기능을 언제든지 할 수 있는 상태를 유지하여야 한다.Meanwhile, in order to activate the fuel cell stack, it is necessary to maintain a state in which the load can be always applied. Therefore, the charged electricity must be supplied to the power system in a timely manner to discharge the power.

KR 10-1148402 B1 2012.05.15.KR 10-1148402 B1 May 15, 2012. KR 10-1137763 B1 2012.04.12.KR 10-1137763 B1 2012.04.12. KR 10-1000370 B1 2010.12.06.KR 10-1000370 B1 2010.12.06. KR 10-1033889 B1 2011.05.02.KR 10-1033889 B1 2011.05.02.

따라서, 본 발명의 목적은 활성화 스케줄에 따라 연료전지 스택의 부하 역할을 하면서 부하로서 공급받는 전력을 충전하고, 충전한 전기를 전력계통에 공급하여 연료전지 스택의 부하로서 연속 사용할 수 있는 연료전지 스택의 활성화 장치에 관한 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a fuel cell stack capable of being used as a load of a fuel cell stack in accordance with an activation schedule, charging electric power supplied as a load, supplying the charged electricity to a power system, To the activation device.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 연료전지 스택(1)의 출력 전압 및 출력 전류를 가변하여 활성화하는 연료전지 스택의 활성화 장치에 있어서, 연료전지 스택(1)에 연료 및 공기를 공급하는 연료/공기 공급수단(60); 복수 개의 단위 축전지(21)로 구성되고, 연료전지 스택(1)에 직렬 및 병렬로 연결할 단위 축전지(21)의 개수를 선택하는 스위치부(22, 23)를 구비하는 축전지 뱅크(20); 연료전지 스택(1)에서 출력시킬 전압 및 전류의 활성화 스케줄이 저장되어, 활성화 스케줄에 맞추어 연료 및 공기를 공급하도록 제어하는 한편, 스위치부(22, 23)를 제어하여 단위 축전지(21)의 직렬 연결 개수로 활성화 스케줄의 전압을 맞추고 단위 축전지(21)의 병렬 연결 개수로 활성화 스케줄의 전류를 맞추어 연료전지 스택(1)의 출력 전력을 직렬 및 병렬연결한 단위 축전지들에 충전시키는 컨트롤러(10); 를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides an activation device for a fuel cell stack that variably activates an output voltage and an output current of the fuel cell stack 1, / Air supply means (60); A battery bank (20) comprising a plurality of unit batteries (21) and having switch parts (22, 23) for selecting the number of unit batteries (21) to be connected in series and in parallel to the fuel cell stack (1); The activation schedule of the voltage and current to be output from the fuel cell stack 1 is stored so as to control the supply of fuel and air in accordance with the activation schedule while controlling the switch units 22 and 23, A controller 10 for charging the unit batteries connected in series and in parallel with the output power of the fuel cell stack 1 by matching the voltage of the activation schedule with the number of connected units and adjusting the current of the activation schedule to the number of parallel connections of the unit batteries 21, ; And a control unit.

상기 컨트롤러(10)는 단위 축전지(21)들의 충전상태(SOC : state of charge)를 검출하여 충전상태에 대응되는 충전전압 및 충전전류를 충전특성에 근거하여 획득한 후, 단위 축전지(21)들의 충전전압으로부터 활성화 스케줄의 전압에 필요한 단위 축전지(21)의 직렬 연결 개수를 획득하고, 단위 축전지(21)들의 충전전류로부터 활성화 스케줄의 전류에 필요한 단위 축전지(21)의 병렬 연결 개수를 획득함을 특징으로 한다.The controller 10 detects a state of charge (SOC) of the unit batteries 21 and obtains the charge voltage and the charge current corresponding to the charge state based on the charge characteristics, The number of series connections of the unit batteries 21 required for the voltage of the activation schedule is obtained from the charging voltage and the number of parallel connections of the unit batteries 21 required for the current of the activation schedule is obtained from the charging currents of the unit batteries 21 .

상기 컨트롤러(10)는 단위 축전지(21)들의 충전상태(SOC : state of charge)를 검출하여 만충전된 단위 축전지를 제외한 나머지 단위 축전지들을 직렬 및 병렬 연결하여 활성화 스케줄의 전압 및 전류를 맞추어 충전시킴을 특징으로 한다.The controller 10 detects the state of charge (SOC) of the unit batteries 21 and connects the remaining unit batteries except for the fully charged unit batteries in series and in parallel so as to match the voltage and current of the activation schedule .

상기 축전지 뱅크(10)의 충전 전기를 DC/AC변환하여 전력계통에 공급하기 위해 마련한 인버터(50)와, 축전지 뱅크(20)를 상기 인버터(50) 및 축전지 뱅크 중에 어느 하나에 선택적으로 연결시키는 절환스위치부(30)를 포함하여 구성되고, 상기 컨트롤러(10)는 축전지 뱅크(20)의 충전상태가 미리 설정된 방전조건에 도달하면, 상기 절환스위치부(30)를 제어하여 상기 인버터(50)에 연결시켜 축전지 뱅크(20)의 충전 전기를 전력계통에 공급시킴을 특징으로 한다.An inverter 50 provided for DC / AC conversion of the charge electricity of the battery bank 10 to supply the electric power to the power system, and an inverter 50 for selectively connecting the battery bank 20 to any one of the inverter 50 and the battery bank The controller 10 controls the switching switch unit 30 so that the inverter 50 can be switched on when the charging state of the battery bank 20 reaches a predetermined discharge condition, And the charging electric power of the battery bank 20 is supplied to the electric power system.

상기 축전지 뱅크(10)는 복수 개로 마련되어 절환스위치부(30)에 의해 개별적으로 연료전지 스택(1) 및 전력계통 중에 어느 한쪽에 연결되며, 상기 컨트롤러(10)는 상기 미리 설정된 방전조건에 도달하지 아니한 축전지 뱅크(10)를 절환스위치부(30)로 선별하여 연료전지 스택(1)에 연결 및 충전시키고, 상기 미리 설정된 방전조건에 도달한 축전지 뱅크(10)를 절환스위치부(30)로 선별하여 전력계통에 충전 전기를 공급시킴을 특징으로 한다.The plurality of battery banks 10 are provided and connected to either the fuel cell stack 1 or the power system by the switching switch unit 30, and the controller 10 does not reach the predetermined discharge condition The battery bank 10 not connected to the battery bank 10 is selected and connected to the fuel cell stack 1 by the switching switch unit 30 and the battery bank 10 having reached the preset discharge condition is selected by the switching switch unit 30 Thereby supplying charging electric power to the power system.

상기 미리 설정된 방전조건은 만충전된 단위 축전지의 개수로 설정됨을 특징으로 한다.And the preset discharge condition is set to the number of fully charged unit batteries.

상기와 같이 구성되는 본 발명은 복수의 단위 축전지들로 구성한 축전지 뱅크를 연료전지 스택의 부하로 연결되고, 단위 축전지들의 직렬 연결 개수 및 병렬 연결 개수를 조절하게 구성되어, 활성화 스케줄의 전압 및 전류에 맞추며 부하로서의 역할을 수행하고, 부하로서 공급받는 전기를 충전하는 중에도 부하변동 과정에서 전력소비를 최소화하며 충전할 수 있다.According to the present invention configured as described above, a battery bank composed of a plurality of unit batteries is connected to a load of a fuel cell stack, and is configured to control the number of series connection and the number of parallel connection of unit batteries. And can be charged while minimizing power consumption during load change even when charging electricity supplied as a load.

또한, 본 발명은 충전한 전기를 전력계통에 공급하도록 구성되어서, 활성화 공정에 소요되는 비용을 절감함은 물론이고, 복수의 축전지 뱅크를 채용함으로써 활성화 공정에 따라 연료전지 스택의 부하로서 충전시키는 축전지 뱅크와 전력계통에 전기를 공급하기 위한 방전시키는 축전지 뱅크를 구분하여 동시 사용하므로, 연료전지 스택들을 연속적으로 활성화할 수 있다.In addition, the present invention is configured to supply the charged electricity to the power system so as to reduce the cost required for the activation process. In addition, by employing a plurality of battery banks, The fuel cell stacks can be continuously activated because the banks and the battery banks for discharging electricity to supply electricity to the power system are separately used and used simultaneously.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 활성화 장치의 구성도.
도 2는 도 1에 도시한 축전지 뱅크(20)의 구성도.
도 3은 도 1에 도시한 축전지 뱅크(20)의 다른 실시예 구성도.
도 4는 일반적인 연료전지 유닛의 기본 구성도.
도 5는 종래기술에 따른 연료전지 스택의 활성화 장치의 구성도.
도 6은 활성화 스케줄의 예를 보여주는 그래프.1 is a configuration diagram of an activation device of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention;
Fig. 2 is a configuration diagram of the battery bank 20 shown in Fig. 1. Fig.
3 is a block diagram showing another embodiment of the battery bank 20 shown in Fig.
4 is a basic structural view of a general fuel cell unit.
5 is a configuration diagram of an activation device of a fuel cell stack according to the related art.
6 is a graph showing an example of an activation schedule;

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 활성화 장치의 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시한 축전지 뱅크(20)의 구성도이다.FIG. 1 is a configuration diagram of an activation device of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a configuration diagram of the battery bank 20 shown in FIG.

상기 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 활성화 장치는 미리 설정된 활성화 스케줄에 따라 연료전지 스택(1)에서 출력하는 전기의 전압 및 전류를 가변하되, 연료전지 스택(1)의 활성화 스케줄을 수행하는 데 필요한 전자부하를 축전지 뱅크(20)로 대체하여 활성화 스케줄을 수행하는 중에 생성되는 전기를 충전하고 충전한 전기를 전력계통에 공급하도록 구성된다.Referring to FIGS. 1 and 2, the activation device of the fuel cell stack according to the embodiment of the present invention varies the voltage and current of electricity output from the fuel cell stack 1 according to a preset activation schedule, The electric load required for performing the activation schedule of the stack 1 is replaced by the battery bank 20 to charge the electricity generated during the execution of the activation schedule and supply the charged electricity to the power system.

상기 활성화 스케줄은 연료전지 스택(1)에 연료 및 공기를 공급하며 활성화함에 있어서, 연료전지 스택(1)에 의해 생성되어 축전지 뱅크(20, 종래 전자부하를 대체한 구성요소)에 공급되는 전기의 전압 및 전류에 대한 그래프로 작성된다. 예를 들어, 도 6의 (a)에 도시한 활성화 스케줄에 따르면 ⅰ) OCV(15min) → ⅱ) 600㎷/cell(75min) → ⅲ) 850㎷/cell(20min)→ ⅳ) 600㎷/cell(30min) 의 순서로 진행되되, ⅲ)단계와 ⅳ)단계를 3회 반복 진행하고, 도 6의 (b)에 도시한 활성화 스케줄에 따르면 전처리 구간과 후처리 구간으로 나누어지되, 전처리 구간은 ⅰ) 100→900㎷/cell(각 100㎷/cell-2min) → 1,000㎷/cell(30min)의 순서로 진행하고, 후처리 구간은 ⅱ) 900→100㎷/cell(각 100㎷/cell-5min)으로 진행한다. 즉, 종래 전자부하를 대체한 축전지 뱅크(20)는 활성화 스케줄에 따른 전압 및 전류로 공급받을 수 있도록 구성되어야 한다. The activation schedule is used to supply and activate fuel and air to the fuel cell stack 1 so that the electricity generated by the fuel cell stack 1 and supplied to the battery bank 20 (a component replacing the conventional electronic load) Voltage and current. For example, according to the activation schedule shown in FIG. 6A, i) OCV (15 min), ii) 600 kV / cell (75 min), iii) 850 kV / (30 min). Steps iii) and iv) are repeated three times, and according to the activation schedule shown in Fig. 6 (b), the preprocessing period is divided into a preprocessing period and a postprocessing period. (100 ㎷ / cell-2 min) → 1000 ㎷ / cell (30 min), and the post-treatment period was 900 → 100 ㎷ / cell ). That is, the battery bank 20 replacing the conventional electronic load must be configured to be supplied with voltage and current according to the activation schedule.

이를 위해서, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 활성화 장치는 복수 개의 축전지 뱅크(20), 연료전지에 연결되는 충전회로(40), 전력계통에 연결되는 인버터(50), 복수 개의 축전지 뱅크(20)를 개별적으로 연료전지 스택(1) 및 전력계통 중에 어느 한쪽에 연결하는 절환스위치(30), 연료전지 스택(1)에 연료 및 공기를 공급하는 연료/공기 공급수단(60), 및 미리 설정된 활성화 스케줄과 미리 설정된 방전조건에 따라 축전지 뱅크(20) 내의 스위치부(22,23)와 상기 절환스위치(30)의 스위칭 동작을 제어하고 미리 설정된 활성화 스케줄에 따라 상기 연료/공기 공급수단(60)을 제어하는 컨트롤러(10)를 포함하여 구성된다.To this end, the activation device of the fuel cell stack according to the embodiment of the present invention includes a plurality of battery banks 20, a charging circuit 40 connected to the fuel cell, an inverter 50 connected to the power system, A switching switch 30 for individually connecting the fuel cell stack 1 to either the fuel cell stack 1 or the power system, the fuel / air supply means 60 for supplying fuel and air to the fuel cell stack 1, And controls the switching operations of the switch units (22, 23) and the changeover switch (30) in the battery bank (20) according to a preset activation schedule and a predetermined discharge condition, And a controller (10) for controlling the controller (60).

각각의 충전지 뱅크(20)는 복수 개의 단위 축전지(21)를 구비하는 한편, 연료전지 스택(1)에 직렬 및 병렬로 연결할 단위 축전지(21)의 개수를 선택하는 스위치부(22, 23)도 구비하여서, 직렬 연결되는 단위 축전지(21)의 개수에 따라 충전되는 전압이 가변되고, 병렬 연결되는 단위 축전지(21)의 개수에 따라 충전되는 전류가 가변되게 구성된다.Each of the rechargeable battery banks 20 includes a plurality of unit batteries 21 and switch units 22 and 23 for selecting the number of unit batteries 21 to be connected in series and in parallel to the fuel cell stack 1 A voltage to be charged varies according to the number of the unit batteries 21 connected in series, and a current to be charged varies according to the number of the unit batteries 21 connected in parallel.

상기 도 2에 도시한 충전지 뱅크(20)에 따르면, 외부로 인출되는 2가닥의 인출라인(24)에 일련의 단위 축전지들을 직렬로 연결하되, 인접하는 단위 축전지간을 연결하는 전선에는 전단의 단위 축전지를 인출라인(24) 측에 연결하고 후단의 단위 축전지를 인출라인(24)으로부터 전기적으로 분리하여 전단의 단위 축전지까지만 인출라인(24)에 직렬로 연결되게 하는 제1 스위치부(22)를 설치하였다.According to the rechargeable battery bank 20 shown in FIG. 2, a series of unit batteries are connected in series to two outgoing lines 24 drawn out to the outside, and the wires connecting adjacent unit batteries are connected to a unit A first switch unit 22 for connecting the battery to the lead line 24 and electrically isolating the unit storage battery at the rear end from the lead line 24 so as to be connected in series to the lead line 24 only to the unit battery at the previous stage Respectively.

구체적으로 살펴보면, 인출라인(24)에 직접 연결되는 첫번째 단위 축전지의 (+)극을 인출라인(24)의 (+)극 전선(24a)에 연결하고 마지막 단위 축전지의 (-)극을 인출라인(24)의 (-)극 전선(24b)에 연결한 후, 인접하는 단위 축전지간을 연결하는 제1 스위치(22)는 3로스위치로 구성하여 전단의 단위 축전지의 (-)극을 후단의 단위 축전지의 (+)극 및 인출라인(24)의 (-)극 전선(24b) 중에 어느 하나에 선택적으로 연결하게 한다. Specifically, the (+) pole of the first unit battery directly connected to the lead line 24 is connected to the (+) pole wire 24a of the lead line 24, and the (-) pole of the last unit battery is connected to the (-) pole wire 24b of the first unit battery 24, the first switch 22 connecting the adjacent unit batteries is constituted by three loss positions, and the (-) pole of the unit battery of the previous stage is connected to the (+) Pole of the unit battery and the (-) pole wire 24b of the lead-out line 24, respectively.

또한, 직렬로 연결되는 단위 축전지의 각각에 복수 개의 단위 축전지들을 병렬로 연결하되, 선택적으로 병렬연결하는 제2 스위치부(23)를 병렬로 배치한 각각의 단위 축전지마다 설치하여서, 직렬로 연결되는 단위 축전지를 선택적으로 직렬연결함은 물론이고 병렬로 배치한 각각의 단위 축전지들을 선택적으로 병렬연결하게 하였다. In addition, a plurality of unit batteries may be connected in parallel to each of the unit batteries connected in series, and a second switch unit 23 selectively connected in parallel may be provided for each unit battery arranged in parallel, In addition to selectively connecting the unit batteries in series, the unit batteries arranged in parallel are selectively connected in parallel.

구체적으로 살펴보면, 병렬로 배치한 단위 축전지들은 (-)극을 공통으로 연결하고 (+)극을 공통으로 연결하는 지점에는 제2 스위치부(23)에 의해 선택적으로 연결되게 하였다. 상술한 바와 같이 제2 스위치부(23)에 선택적으로 병렬 연결을 해제할 수 있게 하여서 만충전되면 충전을 중단할 수 있도록 회로적으로 분리하게 하였다.Specifically, the unit batteries arranged in parallel are connected to the (-) pole in common and the second switch unit 23 is selectively connected to the point where the (+) pole is commonly connected. As described above, the parallel connection can be selectively released to the second switch unit 23 so that the charging can be stopped when the battery is fully charged.

상기 도 2에 도시한 실시예를 다른 표현으로 하면, 단위 스위치마다 제2 스위치부를 설치하여 개별적으로 병렬 연결할 수 있게 한 병렬배치 단위 축전지군을 복수 개로 마련하고, 각각의 병렬배치 단위 축전지군을 직렬연결하되 제1 스위치부에 의해서 병렬배치 단위 축전지군의 직렬 연결 개수를 선택할 수 있게 한다.In other words, it is possible to provide a plurality of groups of parallel arrangement unit batteries, each of which has a second switch unit provided for each unit switch and can be individually connected in parallel, The number of series connected units of the parallel arrangement unit battery group can be selected by the first switch unit.

결국, 상기 축전지 뱅크(20)는 어느 제1 스위치부(22)를 인출라인(24)의 (-)극 전선에 연결하느냐에 따라 인출라인(24)에 직렬로 연결되는 단위 축전지의 개수가 선택된다. 즉, 직렬로 연결되는 단위 축전지의 개수를 제1 스위치부(22)로 조절하여서 인출라인을 통해 충전되는 전압(연료전지 스택의 부하로서 공급받는 전기의 전압)을 변경할 수 있다.As a result, the number of unit batteries connected in series to the lead-out line 24 is selected depending on which first switch unit 22 is connected to the (-) pole wire of the lead-out line 24 . That is, the number of unit batteries connected in series can be controlled by the first switch unit 22 to change the voltage charged through the lead-out line (the voltage of the electricity supplied as the load of the fuel cell stack).

또한, 상기 축전지 뱅크(20)는 제2 스위치부(23)에 의해 병렬로 연결되는 단위 축전지의 개수를 선택함으로써, 인출라인(24)을 통해 충전되는 전류를 변경할 수 있다. 즉, 병렬 연결하는 단위 축전지의 개수를 늘릴수록 더 많은 전류를 인출라인을 통해 공급받게 하여서 충전되는 전류(연료전지 스택의 부하로서 공급받는 전기의 전류)를 변경할 수 있다.In addition, the battery bank 20 can change the current charged through the lead-out line 24 by selecting the number of unit batteries connected in parallel by the second switch unit 23. That is, as the number of unit cells connected in parallel increases, more current can be supplied through the drawing line to change the charged current (electric current supplied as the load of the fuel cell stack).

여기서, 상기 제1 스위치부(22) 및 제2 스위치부(23)는 컨트롤러(10)에 의해 제어되고, 각각의 단위 축전지는 충전상태(SOC : state of charge)를 검출하기 위해 전기 신호적으로 컨트롤러(10)에 연결된다.Here, the first switch unit 22 and the second switch unit 23 are controlled by the controller 10, and each unit battery is electrically signaled to detect a state of charge (SOC) And is connected to the controller 10.

이와 같이 구성되는 축전지 뱅크(20)는 복수 개로 마련된다.
A plurality of battery banks 20 constituted in this way are provided.

상기 절환스위치부(30)는 복수 개로 마련된 축전지 뱅크(20)를 개별적으로 충전회로(40)를 통해 연료전지 스택(1)에 연결하거나 아니면 인버터(50)를 통해 전력계통에 연결할 수 있게 한다. The switching switch unit 30 allows the plurality of battery banks 20 to be individually connected to the fuel cell stack 1 through the charging circuit 40 or to the power system via the inverter 50. [

즉, 상기 절환스위치부(30)는 각 축전지 뱅크(20)의 인출라인(24)의 단부에 하나씩 설치되어서, 연료전지 스택(1) 및 전력계통 중에 어느 한쪽을 선택하여 연결할 수 있게 마련되어서, 충전할 여력이 있는 축전지 뱅크(20), 즉, 후술하는 미리 설정된 방전조건에 도달하지 아니한 축전지 뱅크(20)를 선택하여 연료전지 스택(1)에 연결하여 충전한다. 그리고, 방전할 필요가 있는 축전지 뱅크(20), 즉, 후술하는 미리 설정된 방전조건에 도달한 축전지 뱅크(20)를 선택하여 전력계통에 연결하여 방전한다.That is, the switching switch unit 30 is provided at the end of the lead-out line 24 of each of the battery banks 20, and is provided so as to be able to selectively connect any one of the fuel cell stack 1 and the power system, The battery bank 20 having sufficient capacity to be charged, that is, the battery bank 20 which has not yet reached a preset discharge condition, is selected and connected to the fuel cell stack 1 for charging. Then, the battery bank 20 that needs to be discharged, that is, the battery bank 20 that has reached a preset discharge condition, which will be described later, is selected and discharged to be connected to the power system.

상기 도 1에 도시한 실시예에 따르면, 충전회로(40)에 연결되는 충전라인(31)과 인버터(50)에 연결되는 방전라인(32)이 마련되어서, 각각의 축전지 뱅크(20)는 인출라인의 단부에 설치된 절환스위치부(30)에 의해서 충전라인(31) 및 방전라인(32) 중에 어느 하나의 라인에 연결된다. 여기서, 각각의 축전지 뱅크(20)의 인출라인(24)에 설치한 절환스위치부(30)는 컨트롤러(10)에 의해 제어된다.
1, a charging line 31 connected to the charging circuit 40 and a discharge line 32 connected to the inverter 50 are provided so that each of the battery banks 20 can be disconnected And is connected to any one of the charging line 31 and the discharge line 32 by the switching switch unit 30 provided at the end of the line. Here, the changeover switch unit 30 provided in the lead-out line 24 of each battery bank 20 is controlled by the controller 10. [

상기 충전회로(40)는 상기 충전라인(31)과 연료전지 스택(1)을 이어주는 구성요소로서, 연료전지 스택(1)에서 생성되는 전기를 상기 충전라인(31)에 연결된 축전지 뱅크(20)에 충전할 시에, 전류를 제한하는 보호회로, 축전지 뱅크(20)에서 연료전지 스택(1)으로 전기가 역류하지 못하게 하는 다이오드를 예를 들 수 있는 역류방지회로를 포함하여 구성될 수 있다. 그리고, 상기 충전회로(40)는 충전라인(31)을 통해 충전하는 전기의 전압 및 전류를 검출하는 센서를 구비하여 검출한 전압 전류를 컨트롤러(10)에 전달한다. The charging circuit 40 is a component that connects the charging line 31 and the fuel cell stack 1. The charging circuit 40 supplies electricity generated in the fuel cell stack 1 to the battery bank 20 connected to the charging line 31, A protection circuit for limiting the current at the time of charging the fuel cell stack 1, and a reverse current prevention circuit, for example, a diode that prevents electricity from flowing back to the fuel cell stack 1 from the battery bank 20. The charging circuit 40 includes a sensor for detecting the voltage and current of electricity to be charged through the charging line 31 and transmits the detected voltage and current to the controller 10.

한편, 충전회로(40)와 연료전지 스택(1) 사이를 전기적으로 분리할 수 있는 개폐기(41)가 마련되며, 이러한 개폐기(41)는 연료전지 스택(1)을 교체할 때 또는 연료전지 스택(1)을 무부하 상태로 할 때에 사용될 수 있다. 연료전지 스택(1)을 무부하 상태로 만드는 방법으로는 상기 도 2에 도시한 바와 같이 인출라인(24)에 직접 연결되는 제2 스위치부(23)를 모두 오프(OFF) 상태로 제어하면 된다. 여기서, 무부하 상태는 활성화 스케줄에 무부하 상태가 있을 시에 사용될 수 있다.
On the other hand, there is provided a switch 41 capable of electrically separating the charging circuit 40 and the fuel cell stack 1 from each other when the fuel cell stack 1 is replaced, Can be used to put the fuel cell 1 in a no-load state. As a method of putting the fuel cell stack 1 in a no-load state, the second switch unit 23 directly connected to the drawing line 24 may be controlled to be in an OFF state as shown in FIG. Here, the no-load state can be used when there is no-load state in the activation schedule.

상기 인버터(50)는 방전라인(32)에 연결되는 축전지 뱅크(20)의 충전 전기를 DC/AC변환하여 전력계통에 공급하며, 방전라인(32)과의 전기적 연결을 개폐기(51)로 해제할 수 있게 되어 있다. 여기서, DC/AC변환이라 함은 축전지 뱅크(20)에 충전한 전기를 전력계통의 교류전기로 변성하는 것을 말하며, 공지된 기술이므로 상세한 설명은 생략한다. The inverter 50 performs DC / AC conversion of the charge electricity of the battery bank 20 connected to the discharge line 32 and supplies the electric power to the electric power system. The electric connection with the discharge line 32 is released by the switch 51 It is possible to do. Here, the DC / AC conversion refers to the conversion of electricity charged in the battery bank 20 into an alternating current of the power system, which is a well-known technology, and thus a detailed description thereof will be omitted.

물론, 상기 인버터(50)는 축전지의 방전에 필요한 방전회로를 포함하여 구성된다.Of course, the inverter 50 includes a discharge circuit necessary for discharging the battery.

상기 개폐기(51)는 전력계통과의 연결을 해제할 용도로 사용됨은 물론이고 미리 설정된 방전조건을 만족하는 축전지 뱅크(20)가 있더라도 복수 개의 축전지 뱅크(20)에 충전된 전기를 한꺼번에 전력계통에 공급하는 용도로도 사용될 수 있으며, 이러한 용도로 사용되려면 컨트롤러(10)에 의해 제어되어 개폐하도록 컨트롤러(10)에 연결한다.
The switch 51 is used not only to disconnect the connection of the power system, but also to supply the electric power charged in the plurality of the battery banks 20 to the power system at once even if there is the battery bank 20 satisfying predetermined discharge conditions To be used for this purpose, the controller 10 is controlled by the controller 10 and connected to the controller 10 so as to open or close.

상기 연료/공기 공급수단(60)은 연료전지 스택(1)에 연료 및 공기를 공급하여 일정한 운전 조건 하에서 연료전지 스택(1)에서 전기를 생성하게 한다. 여기서 공급하는 연료 및 공기는 공지된 바와 같이 가습기로 가습한 습윤 연료 및 습윤 공기이며, 연료전지 스택(1)의 일정한 운전 조건은 공급가스의 양론비, 스택의 온도, 습윤 연료와 습윤 공기의 상대습도, 연료전지 스택내에서의 연료 및 공기의 압력 등에 대한 운전 조건을 포함할 수 있다. 그리고, 연료 및 공기의 공급량을 조절하여 연료전지 스택(1)으로 출력할 전기의 전류를 가변할 수 있으므로, 상기 연료/공기 공급수단(60)은 활성화 스케줄에 따른 컨트롤러(10)의 제어동작에 의해서 활성화 스케줄에 맞춰 연료 및 공기의 공급량을 조절한다.The fuel / air supply means 60 supplies fuel and air to the fuel cell stack 1 to generate electricity in the fuel cell stack 1 under certain operating conditions. The fuel and air supplied here are wetted and humidified humidified fuel and humidified air as is well known. The constant operating conditions of the fuel cell stack 1 are the stoichiometric ratio of the feed gas, the temperature of the stack, the relative humidity of the wetted fuel and wetted air Humidity, fuel and air pressure within the fuel cell stack, and the like. The fuel / air supply means 60 can control the operation of the controller 10 according to the activation schedule since the electric current to be output to the fuel cell stack 1 can be varied by adjusting the supply amount of the fuel and the air. Thereby regulating the fuel and air supply according to the activation schedule.

도면에는 도시하지 아니하였지만, 본 발명에 따른 연료전지 스택의 활성화 장치는 연료전지 스택(1)에서 생성되는 물을 회수하는 수단, 스택을 냉각하는 수단, 연료전지 스택(1)에서 배출되는 가스로부터 미 사용된 연료를 회수하는 수단처럼, 공지된 구성요소도 포함함은 자명하므로, 이에 대한 상세 설명은 생략하였다.
Although not shown in the drawing, the activation device of the fuel cell stack according to the present invention includes means for recovering water produced in the fuel cell stack 1, means for cooling the stack, It is obvious that the present invention also includes known components such as means for recovering unused fuel, so that detailed description thereof has been omitted.

상기 컨트롤러(10)는 활성화 스케줄에 대응되는 연료 및 공기의 공급량을 제어하여 일정한 운전 조건 하에서 연료전지 스택(1)으로 전기를 생성하게 하고, 동시에, 연료전지 스택(1)에서 생성하는 전기를 부하로서 충전할 축전지 뱅크(20)를 선택하고 활성화 스케줄에 대응되는 전압 및 전류로 충전하도록 축전지 뱅크(20) 내에서 직렬 및 병렬 연결할 단위 축전지를 선택하는 제어 동작을 수행한다. The controller 10 controls the supply amount of fuel and air corresponding to the activation schedule so as to generate electricity in the fuel cell stack 1 under a certain operating condition and at the same time, And selects a unit battery to be connected in series and in parallel within the battery bank 20 to charge the battery bank 20 with the voltage and current corresponding to the activation schedule.

이를 위해서, 상기 컨트롤러(10)는 활성화 스케줄과 단위 축전지의 충전특성에 관련된 데이터를 저장하는 저장부(12), 단위 축전지들의 충전상태를 축전지 뱅크별로 구분하여 검출하는 충전상태 검출부(14), 충전회로(40)에 연결되어 충전 전압 및 충전 전류를 검출하는 전압/전류 검출부(15), 연료/공기 공급수단(60)에 연결되어 연료 및 공기의 공급량을 조절하는 연료/공기 조절부(16), 제1 스위치부(22)와 제2 스위치부(23)와 절환스위치(30)의 스위칭동작을 제어하는 스위칭부(13), 및 활성화 스케줄에 따라 컨트롤러(10)에서 수행하여야 할 전반적 동작을 제어하는 제어부(11)를 포함하여 구성된다.To this end, the controller 10 includes a storage unit 12 for storing data related to an activation schedule and charging characteristics of the unit batteries, a charge state detector 14 for detecting charge states of the unit batteries according to the battery banks, A fuel / air regulator 16 connected to the circuit 40 to detect a charge voltage and a charge current, a fuel / air regulator 16 connected to the fuel / air supply means 60 to regulate the supply amount of fuel and air, A switching unit 13 for controlling the switching operation of the first switch unit 22 and the second switch unit 23 and the switching switch 30 and a general operation to be performed by the controller 10 according to the activation schedule And a control unit (11) for controlling.

먼저, 활성화 스케줄은 도 6을 참조하여 설명한 바와 같이 연료전지 스택(1)에 연료 및 공기를 공급하여 출력시킬 전기의 전압 및 전류에 관련된 스케줄, 즉, 축전지 뱅크가 부하로서 공급받을 전기의 전압 및 전류에 관련된 스케줄을 포함하며, 연료전지 스택(1)에 공급할 연료 및 공기의 공급량, 즉, 유량에 관련된 스케줄도 포함한다. 이는 연료 및 공기의 유량에 의해서 출력 전류가 좌우되기 때문이다.First, as described with reference to FIG. 6, the activation schedule includes a schedule related to the voltage and current of the electricity to be supplied and output to the fuel cell stack 1, that is, the voltage of the electricity to be supplied to the battery bank as a load, And also includes a schedule related to the flow rate of fuel and air to be supplied to the fuel cell stack 1, that is, the flow rate. This is because the output current depends on the flow rate of fuel and air.

그리고, 단위 축전지의 충전특성은 단위 축전지의 충전상태(SOC)에 관련된 전압 및 전류 데이터를 포함한다. 일반적으로 공지된 바와 같이 축전지는 충전상태(SOC)에 따라 충전 전압이 변하고 동일한 충전회로를 거쳐 충전 전압으로 충전하게 되는 충전 전류도 변한다. 이러한 전압 및 전류 특성은 충전특성 곡선으로 파악할 수 있다. 또한, 충전상태에 관련된 충전특성 곡선으로부터 만충전 상태 및 방전 종지 상태도 알 수 있다.The charging characteristic of the unit battery includes voltage and current data related to the state of charge (SOC) of the unit battery. Generally, as known in the art, the charge voltage changes according to the state of charge (SOC) of the battery, and the charge current to be charged to the charge voltage through the same charge circuit also changes. These voltage and current characteristics can be understood as a charge characteristic curve. It is also possible to know the full charge state and the discharge end state from the charge characteristic curve related to the charge state.

이와 같이, 활성화 스케줄 및 충전특성에 대한 데이터에 따라, 상기 제어부(11)는 다음과 같이 제어동작을 수행한다.In this way, according to the data on the activation schedule and the charging characteristic, the control unit 11 performs the control operation as follows.

먼저, 충전상태 검출부(14)를 통해서 축전지 뱅크(20)의 단위 축전지들에 대한 충전상태를 검출하여, 충전상태에 대응되는 충전전압 및 충전전류(또는 충전 가능 전류)를 충전특성에 근거하여 각 단위 축전지별 및 축전지 뱅크별로 획득하여서, 미리 설정된 방전조건에 도달하지 아니한 축전지 뱅크를 상기 절환스위치부(30)로 선별하여 충전라인(31) 및 충전회로(40)를 거쳐 연료전지 스택(1)에 연결되게 한다. 또한, 연료전지 스택(1)에 연결한 축전지 뱅크 내의 단위 축전지들 중에, 만충전되지 아니한 단위 축전지들을 충전상태에 따라 선별한다. First, the charging state detecting unit 14 detects the charging state of the battery bank 20 with respect to each of the unit batteries. Based on the charging characteristic, the charging voltage and the charging current (or the chargeable current) The accumulation switch unit 30 selects the accumulator banks which are obtained for each of the unit batteries and the accumulator banks and for which the predetermined discharge condition has not been reached and supplies them to the fuel cell stack 1 via the charging line 31 and the charging circuit 40. [ . In addition, among the unit batteries in the battery bank connected to the fuel cell stack 1, the uncharged unit batteries are sorted according to the charged state.

그리고, 활성화 스케줄에 맞추어 연료 및 공기를 연료전지 스택(1)에 공급하도록 상기 연료/공기 조절부(16)를 통해 연료/공기 공급수단(60)을 제어함과 동시에, 절환스위치부(30)로 선별한 축전지 뱅크 내에서 만충전되지 아니하여 선별된 단위 축전지들을 이용하여 활성화 스케줄의 전압 및 전류에 맞춘 부하로서 동작하도록 제1,2 스위치부(22, 23)를 제어한다. The fuel / air supply unit 60 is controlled via the fuel / air regulator 16 to supply fuel and air to the fuel cell stack 1 in accordance with the activation schedule, And controls the first and second switch units 22 and 23 to operate as a load corresponding to the voltage and current of the activation schedule by using the selected unit batteries.

즉, 선별된 단위 축전지들의 충전전압으로부터 활성화 스케줄의 전압을 맞추기 위한 단위 축전지(21)의 직렬 연결 개수 및 활성화 스케줄의 전류를 맞추기 위한 단위 축전지(21)의 병렬 연결 개수를 파악하여서, 파악한 개수의 단위 축전지들을 제1,2 스위치부(22, 23)의 제어에 의해 직렬 및 병렬로 연결되게 한다. 이에 따라, 연료전지 스택(1)에서 생성된 전력은 제1,2 스위치부(22, 23)에 의해 직렬 및 병렬로 연결된 단위 축전지에 충전된다.That is, the number of parallel connection of the unit battery 21 for matching the number of series connection of the unit battery 21 and the current of the activation schedule for matching the voltage of the activation schedule from the charging voltage of the selected unit batteries is obtained, The unit batteries are connected in series and in parallel under the control of the first and second switch units 22 and 23. Accordingly, the electric power generated in the fuel cell stack 1 is charged in the unit batteries connected in series and in parallel by the first and second switch parts 22 and 23. [

이때, 단위 축전지들도 전기를 충전하면 전기공급원이 될 수 있으므로, 연료전지 스택에서 생성되는 전기를 단위 축전지들에 충전하려면, 직렬 연결하는 단위 축전지들의 양단 전압을 연료전지 스택에서 발생시키게 되는 전압보다 작게 되도록 직렬 연결하는 단위 축전지의 개수를 조절한다. 물론, 충전회로(40)에 역류방지회로가 있으므로, 전기 역류는 발생하지 아니하며, 제1,2 스위치부(22,23)의 고장에 의한 사고를 방지하기 위해서 각각의 단위 축전지에도 역류방지회로를 장착하는 것이 좋다.In order to charge the electricity generated from the fuel cell stack to the unit batteries, the voltage across the unit battery cells connected in series is set to be higher than the voltage generated in the fuel cell stack Adjust the number of unit batteries to be connected in series. Of course, since there is the backflow prevention circuit in the charging circuit 40, no backflow occurs, and in order to prevent an accident caused by the failure of the first and second switch portions 22 and 23, It is good to attach.

그런데, 일반적으로 활성화 스케줄에 의하면, 부하로서 축전지 뱅크를 동작시켜 공급받는 전기의 전압 및 전류는 시간에 따라 가변하게 작성되므로, 선별된 축전지 뱅크 내에서 충전되는 단위 축전지들이 시간에 따라 달라지고, 결국, 단위 축전지들의 충전 상태도 달라진다. 따라서, 활성화 스케줄에 따라 단위 축전지들을 충전하는 중에도 단위 축전지들의 충전상태를 지속적으로 파악하여 만충전된 단위 축전지는 제외시키고 나머지 단위 축전지들로 직렬 및 병렬로 연결하여 활성화 스케줄에 맞춘 부하로 동작하게 한다.Generally, according to the activation schedule, since the voltage and current of the electricity supplied by operating the battery bank as a load are varied in accordance with time, the unit batteries charged in the selected battery bank are changed with time, , The charging state of the unit batteries also changes. Accordingly, even when the unit cells are charged according to the activation schedule, the charged state of the unit cells is continuously monitored to exclude the fully charged unit battery, and the unit cells are connected in series and in parallel to operate according to the activation schedule .

한편, 단위 축전지의 직렬 연결 개수 및 병렬 연결 개수로 활성화 스케줄의 부하 전압 및 전류를 맞추는 것은 부정확할 수 있으므로, 제어부(11)는 충전회로(40)로부터 전달받는 충전 전압 및 충전 전류, 즉, 충전라인(31)을 통해 축전지 뱅크로 유입되는 전기의 전압 및 전류를 파악하여서, 활성화 스케줄의 전압 및 전류와의 오차가 커지면, 직렬 연결하는 개수 및 병렬 연결하는 개수를 조절하여서 활성화 스케줄에 맞춘다.Since it may be inaccurate to match the load voltage and the current of the activation schedule with the number of serial connections and the number of parallel connections of the unit batteries, the controller 11 controls the charge voltage and charge current received from the charge circuit 40, The voltage and current of the electricity flowing into the battery bank through the line 31 are monitored and when the error between the voltage and the current of the activation schedule becomes large, the number of the series connection and the number of the parallel connection are adjusted to match the activation schedule.

하지만, 상기 도 2에 도시한 축전지 뱅크에서는 인출라인(24)에 가까운 순서로 직렬연결되므로, 후단으로 갈수록 대체로 충전량이 적어지게 되므로, 충전량의 편차가 심해진다. 이러한 편차를 줄이기 위해서, 본 발명은 도 3에 도시한 충전지 뱅크(20)의 다른 실시예를 채용할 수 있다.However, in the battery bank shown in Fig. 2, since the battery banks are connected in series in the order close to the lead-out line 24, the amount of charge is generally reduced toward the rear end, In order to reduce this variation, the present invention may employ another embodiment of the rechargeable battery bank 20 shown in Fig.

도 3에 도시한 충전지 뱅크(20)에 따르면, 제1 스위치부(22)는 2개로 구성된다. According to the rechargeable battery bank 20 shown in Fig. 3, the first switch portion 22 is composed of two.

즉, 도 2에 도시한 실시예와 동일하게 설치되어 단위 축전지의 (-)극 단자를 인출라인(24)에 연결하는 스위치(22a)와 더불어, 단위 축전지의 (+)극과 (-)극을 직결하는 직결용 스위치(22b)를 포함하여 구성된다. 이때, 직결용 스위치(22b)는 제2 스위치부(23)의 접점 중에 인출라인(24) 측의 접점과 단위 축전지의 (-)극 단자 사이를 직결하게 하고, 직결용 스위치(22b)가 온(ON)하여 직결하게 되면 단위 축전지 및 이에 병렬로 연결되는 단위 축전지들의 제2 스위치부(23)는 오프시켜서 단락사고가 발생하지 아니하게 한다.That is, in the same manner as the embodiment shown in FIG. 2, in addition to the switch 22a for connecting the (-) terminal of the unit battery to the outgoing line 24, the (+) and And a direct-connection switch 22b for directly connecting the switches 22a and 22b. At this time, the direct connection switch 22b connects directly the contact on the side of the lead line 24 to the negative terminal of the unit battery during the contact of the second switch portion 23, and when the direct connection switch 22b is turned on The second switch unit 23 of the unit batteries and the unit batteries connected in parallel to each other are turned off to prevent short-circuiting.

이와 같이 직결용 스위치(22b)를 구비함으로써, 인출라인(24)에 가까운 단위 축전지를 충전시키지 아니하고 후단의 단위 축전지들을 직병렬 연결하여 충전할 수 있다.
By providing the direct-connect switch 22b, the unit batteries close to the lead-out line 24 are not charged, and the unit batteries of the succeeding unit can be connected in series-parallel connection.

이와 같이, 연료전지 스택(1)들을 순차적으로 활성화하게 되면, 만충전되는 단위 축전지의 개수가 늘어나서, 미리 설정된 방전조건에 도달하게 되는 축전지 뱅크(10)는 활성화 스케줄을 위한 부하로서 사용되지 아니하고 제외된다.As described above, when the fuel cell stacks 1 are sequentially activated, the number of fully charged unit batteries increases, and the battery bank 10, which reaches a predetermined discharge condition, is not used as a load for the activation schedule, do.

즉, 상기 제어부(11)는 미리 설정된 방전조건에 도달한 축전지 뱅크(10)를 상기 절환스위치(30)를 제어하여 상기 인버터(50)에 연결시킴으로써, 충전 전기를 전력계통에 공급하게 한다. That is, the controller 11 controls the switch 30 to connect the battery bank 10, which has reached the preset discharge condition, to the inverter 50, thereby supplying the electric power to the electric power system.

이때, 상기 미리 설정된 방전조건은 축전지 뱅크(10) 내의 만충전된 단위 축전지의 개수로 설정될 수 있다. 그리고, 축전지 뱅크(10) 내의 만충전된 단위 축전지 및 방전하여도 될 만큼 충분히 충전된 단위 축전지들을 제1,2 스위치부(22, 23)으로 선별하여서 전력계통에 공급하게 한다. At this time, the preset discharge condition may be set to the number of fully charged unit batteries in the battery bank 10. [ Then, the first and second switch units 22 and 23 select the fully charged unit batteries in the battery bank 10 and the unit batteries sufficiently charged to discharge them, and supply them to the power system.

여기서, 만충전된 단위 축전지의 개수는 예를 들어 하나의 연료전지 스택을 활성화하는 필요한 단위 축전지의 개수를 축전지 뱅크 내의 전체 개수에서 뺄셈하여 얻는 개수로 할 수 있다. 그리고, 방전하여도 될 만큼 충분히 충전된 단위 축전지들이라 함은 만충전되지는 아니하였지만, 미리 설정된 기준의 충전상태로 충분히 충전된 단위 축전지들을 의미한다. Here, the number of fully charged unit batteries may be, for example, the number obtained by subtracting the necessary number of unit batteries for activating one fuel cell stack from the total number in the battery bank. Also, the term "unit cells sufficiently charged to discharge" means unit cells which are not fully charged but are sufficiently charged with a preset reference charging state.

이와 같이 전력계통에 충전 전기를 공급하여 방전함으로써, 활성화 스케줄에 따른 부하로서 다시 사용할 수 있다. 물론, 단위 축전지의 방전은 충전상태로 얻어지는 방전종지 상태에서 멈춘다.By supplying the electric power to the power system and discharging the electric power as described above, the electric power can be reused as a load according to the activation schedule. Of course, the discharge of the unit battery stops at the discharge end state obtained in the charged state.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 연료전지 스택의 활성화 장치는 축전지를 연료전지 스택의 부하로 구성하고, 단위 축전지의 직렬 연결 개수 및 병렬 연결 개수의 조절로 연료전지 스택의 부하를 변동하면서 부하로서 공급받는 전기를 충전하므로, 연료전지 스택의 활성화 스케줄을 소화하면서 전력 낭비를 최소화한다. 더욱이, 충전한 전기를 전력계통에 공급함으로써, 연료전지 스택의 제조과정에 필요한 활성화 공정을 수행하면서 발전기 역할도 하여, 제조비용의 절감효과도 얻을 수 있다.
As described above, the activation device of the fuel cell stack according to the present invention comprises a battery as a load of the fuel cell stack, and the load of the fuel cell stack is changed by controlling the number of series connection and the number of parallel connection of the unit battery, The electricity received is charged, thereby minimizing power waste while extinguishing the activation schedule of the fuel cell stack. Further, by supplying the charged electricity to the power system, the fuel cell stack can be operated as a generator while performing an activation process necessary for the manufacturing process of the fuel cell stack, thereby reducing manufacturing costs.

이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, . ≪ / RTI > Accordingly, such modifications are deemed to be within the scope of the present invention, and the scope of the present invention should be determined by the following claims.

1 : 연료전지 스택
10 : 컨트롤러
20 : 축전지 뱅크 21 : 단위 축전지
22 : 제1 스위치부 23 : 제2 스위치부
24 : 인출라인
30 : 절환스위치부 31 : 충전라인 32 : 방전라인
40 : 충전회로 41 : 개폐기
50 : 인버터 51 : 개폐기
60 : 연료/공기 공급수단1: Fuel cell stack
10: Controller
20: Battery bank 21: Unit battery
22: first switch part 23: second switch part
24: drawing line
30: Switching switch part 31: Charging line 32: Discharge line
40: Charging circuit 41:
50: inverter 51:
60: fuel / air supply means

Claims (6)

삭제delete 삭제delete 연료전지 스택(1)의 출력 전압 및 출력 전류를 가변하여 활성화하는 연료전지 스택의 활성화 장치에 있어서,
연료전지 스택(1)에 연료 및 공기를 공급하는 연료/공기 공급수단(60);
복수 개의 단위 축전지(21)로 구성되고, 연료전지 스택(1)에 직렬 및 병렬로 연결할 단위 축전지(21)의 개수를 선택하는 스위치부(22, 23)를 구비하는 축전지 뱅크(20);
연료전지 스택(1)에서 출력시킬 전압 및 전류의 활성화 스케줄이 저장되어, 활성화 스케줄에 맞추어 연료 및 공기를 공급하도록 제어하는 한편, 스위치부(22, 23)를 제어하여 단위 축전지(21)의 직렬 연결 개수로 활성화 스케줄의 전압을 맞추고 단위 축전지(21)의 병렬 연결 개수로 활성화 스케줄의 전류를 맞추어 연료전지 스택(1)의 출력 전력을 직렬 및 병렬연결한 단위 축전지들에 충전시키는 컨트롤러(10);
를 포함하여 구성되며,
상기 컨트롤러(10)는 단위 축전지(21)들의 충전상태(SOC : state of charge)를 검출하여 충전상태에 대응되는 충전전압 및 충전전류를 충전특성에 근거하여 획득한 후, 만충전된 단위 축전지를 제외한 나머지 단위 축전지(21)들을 직렬 및 병렬 연결하되, 단위 축전지(21)들의 충전전압으로부터 활성화 스케줄의 전압에 필요한 단위 축전지(21)의 직렬 연결 개수를 획득하고, 단위 축전지(21)들의 충전전류로부터 활성화 스케줄의 전류에 필요한 단위 축전지(21)의 병렬 연결 개수를 획득함을 특징으로 하는 연료전지 스택의 활성화 장치.1. An activation device for a fuel cell stack for varying and activating an output voltage and an output current of the fuel cell stack (1)
Fuel / air supply means (60) for supplying fuel and air to the fuel cell stack (1);
A battery bank (20) comprising a plurality of unit batteries (21) and having switch parts (22, 23) for selecting the number of unit batteries (21) to be connected in series and in parallel to the fuel cell stack (1);
The activation schedule of the voltage and current to be output from the fuel cell stack 1 is stored so as to control the supply of fuel and air in accordance with the activation schedule while controlling the switch units 22 and 23, A controller 10 for charging the unit batteries connected in series and in parallel with the output power of the fuel cell stack 1 by matching the voltage of the activation schedule with the number of connected units and adjusting the current of the activation schedule to the number of parallel connections of the unit batteries 21, ;
And,
The controller 10 detects a state of charge (SOC) of the unit batteries 21 to acquire a charge voltage and a charge current corresponding to the charge state based on the charge characteristics, The number of series connection of the unit batteries 21 required for the voltage of the activation schedule is obtained from the charging voltages of the unit batteries 21 and the charging currents of the unit batteries 21 are connected in series and parallel, And obtains the number of parallel connections of the unit batteries (21) required for the current of the activation schedule. 제 3항에 있어서,
상기 축전지 뱅크(10)의 충전 전기를 DC/AC변환하여 전력계통에 공급하기 위해 마련한 인버터(50)와, 축전지 뱅크(20)를 상기 인버터(50) 및 축전지 뱅크 중에 어느 하나에 선택적으로 연결시키는 절환스위치부(30)를 포함하여 구성되고,
상기 컨트롤러(10)는 축전지 뱅크(20)의 충전상태가 미리 설정된 방전조건에 도달하면, 상기 절환스위치부(30)를 제어하여 상기 인버터(50)에 연결시켜 축전지 뱅크(20)의 충전 전기를 전력계통에 공급시킴을 특징으로 하는 연료전지 스택의 활성화 장치.The method of claim 3,
An inverter 50 provided for DC / AC conversion of the charge electricity of the battery bank 10 to supply the electric power to the power system, and an inverter 50 for selectively connecting the battery bank 20 to any one of the inverter 50 and the battery bank And a changeover switch unit (30)
The controller 10 controls the switching switch unit 30 to connect to the inverter 50 to charge the battery bank 20 when the charging state of the battery bank 20 reaches a predetermined discharge condition Wherein the fuel cell stack is supplied with electric power. 제 4항에 있어서,
상기 축전지 뱅크(10)는 복수 개로 마련되어 절환스위치부(30)에 의해 개별적으로 연료전지 스택(1) 및 전력계통 중에 어느 한쪽에 연결되며,
상기 컨트롤러(10)는 상기 미리 설정된 방전조건에 도달하지 아니한 축전지 뱅크(10)를 절환스위치부(30)로 선별하여 연료전지 스택(1)에 연결 및 충전시키고, 상기 미리 설정된 방전조건에 도달한 축전지 뱅크(10)를 절환스위치부(30)로 선별하여 전력계통에 충전 전기를 공급시킴을 특징으로 하는 연료전지 스택의 활성화 장치.5. The method of claim 4,
The plurality of the battery banks 10 are provided and connected to either the fuel cell stack 1 or the power system by the switching switch unit 30,
The controller 10 selects and connects the battery bank 10 that has not reached the preset discharge condition to the fuel cell stack 1 with the switching switch unit 30, Wherein the battery bank (10) is selected by the switching switch unit (30) and the charging electric power is supplied to the electric power system. 제 5항에 있어서,
상기 미리 설정된 방전조건은 만충전된 단위 축전지의 개수로 설정됨을 특징으로 하는 연료전지 스택의 활성화 장치.6. The method of claim 5,
Wherein the predetermined discharge condition is set to the number of fully charged unit batteries.
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