KR101935843B1 - 연료전지 작동 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 작동 시스템에 관한 것으로서, 연료전지 셀이 적층되어 수소 연료와 산소의 전기화학적 반응으로 전력을 생산하는 연료전지 유닛과, 상기 연료전지 유닛으로부터 전력을 공급받아 상기 연료전지 유닛에 수소 연료 및 산소를 공급하는 공급유닛과, 상기 연료전지 유닛으로부터 전력을 공급받아 충전되되, 상기 연료전지 유닛의 초기 기동시 상기 공급유닛에 전력을 공급하는 보조 배터리와, 상기 연료전지 유닛을 기동시키기 위한 기동신호 또는 상기 연료전지 유닛을 정지시키기 위한 정지신호를 입력할 수 있는 입력모듈과, 상기 입력모듈에 입력된 신호에 따라 상기 연료전지 유닛이 기동 및 정지되도록 상기 연료전지 유닛, 보조배터리 및 공급유닛를 제어하는 것으로서, 상기 연료전지 유닛의 기동 초기 또는 정지시, 상기 연료전지 셀에 과부하가 걸리는 것을 방지하기 위해 상기 연료전지 유닛과 보조 배터리 사이의 연결을 해제하는 제어모듈을 구비한다.
본 발명에 따른 연료전지 작동 시스템은 연료전지 유닛의 기동 초기 또는 정지시 상기 연료전지 유닛과 보조 배터리 사이의 연결을 해제하므로 연료전지 셀에 과부하가 걸리는 것을 방지하여 연료전지 셀의 기대수명이 증가하는 장점이 있다.

Description

연료전지 작동 시스템{Fuel cell operation system}
본 발명은 연료전지 작동 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 유닛의 기동 초기 또는 정지시, 상기 연료전지 셀에 과부하가 걸리는 것을 방지하기 위해 상기 연료전지 유닛과 보조 배터리 사이의 연결을 차단하는 연료전지 작동 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 화석에너지 고갈의 문제를 해결할 수 있는 대체에너지로서 수소에너지가 각광 받고 있으며 수소에너지의 이용 매체인 연료전지에 대한 연구 및 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
연료전지는 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전기화학적 장치로서 수소와 산소를 양극과 음극에 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 새로운 발전 기술이다. 이러한 연료 전지는 작동 온도와 주연료의 형태에 따라 알카리형(AFC), 인산염형(PAGC), 용융 탄산염형(MCFC), 고체 전해질형(SOFC), 고분자 전해질형(PEMFC) 등으로 구분된다.
종래의 연료전지 시스템은 크게 MBOP(Mechanical Balance of Plant), 연료전지 셀(Stack) 및 EBOP(Electrical Balance of Plant)를 포함한다.
연료전지는 수소와 산소가 화학 반응을 일으켜 열과 전기, 물을 배출하는 것이 기본 원리이며 이러한 화학 반응을 위하여 필요한 수소는 다양한 방법으로 공급된다. 그 중 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG)를 주 연료로 하고 개질 반응을 통하여 수소를 공급하는 용융 탄산염형(MCFC) 연료전지는 고온형 연료전지로써 선박에 탑재하여 전력을 공급하는 보조전원으로 가장 적합한 것으로 평가되고 있다.
그러나 종래의 연료전지 시스템의 경우, 보조 배터리가 연료셀에 연결된 상태에서 초기 기동되거나 기동이 정지되므로 연료셀에 과부하가 걸리어 연료셀이 손상되거나 기대수명이 단축되는 단점이 있다.
등록특허공보 제10-0945945호: 연료전지 시스템 및 연료전지 시스템의 퍼지 방법
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로서, 연료전지 유닛의 기동 초기 또는 정지시, 상기 연료전지 셀에 과부하가 걸리는 것을 방지하기 위해 상기 연료전지 유닛과 보조 배터리 사이의 연결을 차단하는 연료전지 작동 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 작동 시스템은 연료전지 셀이 적층되어 수소 연료와 산소의 전기화학적 반응으로 전력을 생산하는 연료전지 유닛과, 상기 연료전지 유닛으로부터 전력을 공급받아 상기 연료전지 유닛에 수소 연료 및 산소를 공급하는 공급유닛과, 상기 연료전지 유닛으로부터 전력을 공급받아 충전되되, 상기 연료전지 유닛의 초기 기동시 상기 공급유닛에 전력을 공급하는 보조 배터리와, 상기 연료전지 유닛을 기동시키기 위한 기동신호 또는 상기 연료전지 유닛을 정지시키기 위한 정지신호를 입력할 수 있는 입력모듈과, 상기 입력모듈에 입력된 신호에 따라 상기 연료전지 유닛이 기동 및 정지되도록 상기 연료전지 유닛, 보조배터리 및 공급유닛를 제어하는 것으로서, 상기 연료전지 유닛의 기동 초기 또는 정지시, 상기 연료전지 셀에 과부하가 걸리는 것을 방지하기 위해 상기 연료전지 유닛과 보조 배터리 사이의 연결을 해제하는 제어모듈을 구비한다.
상기 제어모듈은 상기 입력모듈에 상기 정지신호가 입력시 상기 공급유닛에서 상기 연료전지 유닛으로의 수소 공급량이 감소되기 전에, 상기 연료전지 유닛과 보조 배터리의 연결을 차단하는 것이 바람직하다.
상기 제어모듈은 상기 입력모듈에 상기 정지신호가 입력시 상기 보조 배터리의 충전이 중단되도록 상기 연료전지 유닛과 보조 배터리의 연결을 해제하고, 상기 연료전지 유닛과 보조 배터리의 연결이 해제된 시점으로부터 제1종료시간이 경과한 다음, 상기 연료전지 유닛으로부터 상기 공급유닛으로의 전력공급을 중단하고, 상기 보조 배터리에 충전된 전력을 상기 공급유닛으로 공급하되, 상기 보조 배터리에서 상기 공급유닛으로의 전력 공급 시점으로부터 제2종료시간 동안에, 시간이 경과할수록 상기 연료전지 유닛으로의 수소 공급량이 감소하도록 상기 공급유닛을 제어한다.
상기 제어모듈은 상기 입력모듈에 상기 기동신호가 입력시 기설정된 소정 시간동안 상기 연료전지 유닛과 보조 배터리의 연결이 해제된 상태에서 상기 보조 배터리로부터 상기 공급유닛으로 전력이 공급되도록 상기 연료전지 유닛 및 보조 배터리를 제어하는 것이 바람직하다.
상기 제어모듈은 상기 입력모듈에 상기 기동신호가 입력시 상기 연료전지 유닛과 보조 배터리의 연결이 해제된 상태에서, 상기 연료전지 유닛으로 수소 및 산소가 공급되도록 상기 보조 배터리의 전력을 상기 공급유닛으로 공급하고, 상기 연료전지 유닛에 수소 및 산소가 공급된 시점으로부터 기설정된 제1설정시간이 경과된 이후 상기 연료전지 유닛에 의해 상기 보조 배터리가 충전되도록 상기 연료전지 유닛과 보조 배터리를 상호 연결하되, 상기 연료전지 유닛과 보조 배터리가 상호 연결된 시점으로부터 기설정된 제2설정시간이 경과된 이후 상기 보조 배터리로부터 상기 공급유닛으로의 전력 공급을 중단하고, 상기 연료전지 유닛에서 상기 공급유닛으로 전력을 전달한다.
본 발명에 따른 연료전지 작동 시스템은 연료전지 유닛의 기동 초기 또는 정지시 상기 연료전지 유닛과 보조 배터리 사이의 연결을 해제하므로 연료전지 셀에 과부하가 걸리는 것을 방지하여 연료전지 셀의 기대수명이 증가하는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 작동 시스템에 대한 블럭도이고,
도 2는 도 1의 연료전지 작동 시스템의 초기 기동 방법에 대한 순서도이고,
도 3은 도 1의 연료전지 작동 시스템의 정지 방법에 대한 순서도이고,
도 4는 도 1의 연료전지 작동 시스템의 입력모듈에 대한 예시도이고,
도 5는 도 1의 연료전지 작동 시스템의 디스플레이부에 표시되는 정보에 대한 예시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 작동 시스템에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1에는 본 발명에 따른 연료전지 작동 시스템(100)이 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 상기 연료전지 작동 시스템(100)은 연료전지 셀이 적층되어 수소 연료와 산소의 전기화학적 반응으로 전력을 생산하는 연료전지 유닛(110)과, 상기 연료전지 유닛(110)으로부터 전력을 공급받아 상기 연료전지 유닛(110)에 수소 연료 및 산소를 공급하는 공급유닛(120)과, 상기 연료전지 유닛(110)으로부터 전력을 공급받아 충전되되, 상기 연료전지 유닛(110)의 초기 기동시 상기 공급유닛(120)에 전력을 공급하는 보조 배터리(130)와, 상기 연료전지 유닛(110)을 기동시키기 위한 기동신호 또는 상기 연료전지 유닛(110)을 정지시키기 위한 정지신호를 입력할 수 있는 입력모듈(150)과, 상기 입력모듈(150)에 입력된 신호에 따라 상기 연료전지 유닛(110)이 기동 및 정지되도록 상기 연료전지 유닛(110), 보조배터리 및 공급유닛(120)를 제어하는 제어모듈(140)을 구비한다.
연료전지 유닛(110)의 연료전지 셀은 캐소드(cathode), 애노드(anode) 및 캐소드와 애노드 사이에 전해질막을 구비한다. 연료전지 셀의 캐소드에 산소를 포함한 공기가 공급되고, 애노드에 수소 연료가 공급되면, 전해질 막을 통해 물의 전기분해와 역반응이 진행되면서 전기가 발생하는데, 연료전지는 상기 연료전지 셀이 다수개 적층된 스택(stack)의 형태로 구성된다.
상기 스택에 적층되어 있는 각 연료전지 셀에는 바이폴라플레이트의 면 유로를 포함하여 수소나 산소가 각 전극에 공급되고 회수되기 위한 유로가 연결되어 있다. 상술된 바와 같이 구성된 연료전지 유닛(110)은 종래에 일반적으로 사용되는 연료전지 스택을 이용하여 전기를 발생시키는 연료전지이므로 상세한 설명은 생략한다.
연료전지 유닛(110)은 발생된 전력을 외부 부하 즉, 전자기기와 같은 전력 사용 기기로 전달하기 위해 전력선(112)이 설치되어 있다. 이때, 상기 전력선(112)은 제어모듈(140)을 통해 상기 연료전지 유닛(110)에 연결되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 전력선(112)에는 외부 부하로 전달되는 전기의 전류를 측정하기 위한 제1전류센서(113) 및 외부 부하로 전력을 공급하거나 차단할 수 있도록 릴레이가 설치되어 있다. 한편, 연료전지 유닛(110)의 스택 일측에는 상기 스택을 방열시킬 수 있도록 외기를 스택의 연료전지 셀 사이로 강제순환시키는 방열팬(111)이 설치되어 있다.
공급유닛(120)은 연료전지 유닛(110)에 수소를 공급하는 수소 공급부(121)와, 연료전지 유닛(110)에 산소를 공급하는 산소 공급부(122)를 구비한다.
수소 공급부(121)는 연료전지 유닛(110)에 수소 공급관(123)에 의해 연결되며, 다량의 수소가 충진된 수소탱크(미도시)와, 상기 수소 공급관(123)에 설치되어 상기 수소 공급관(123)의 내부유로를 개폐하는 제1솔레노이드 밸브(124)와, 수소 공급관(123)에 설치되어 수소탱크에서 연료전지 유닛(110)으로 공급되는 수소의 압력을 측정하는 제1압력센서(125)와, 수소 공급관(123)에 설치되어 수소탱크로부터 공급되는 연료전지 유닛(110)으로 강제 송풍하는 블로워(126)를 구비한다. 제1솔레노이드 밸브(124), 제1압력센서(125) 및 블로워(126)는 보조 배터리(130) 및 연료전지 유닛(110)에 연결되어 보조 배터리(130) 또는 연료전지 유닛(110)으로부터 전력을 공급받아 작동한다.
산소 공급부(122)는 연료전지 유닛(110)에 산소 공급관(127)에 의해 연결되며, 다량의 산소가 충진된 산소탱크(미도시)와, 상기 산소 공급관(127)에 설치되어 산소 공급관(127)의 내부유로를 개폐하는 제2솔레노이드 밸브(128)를 구비한다. 상기 제2솔레노이드 밸브(128)는 보조 배터리(130) 및 연료전지 유닛(110)에 연결되어 보조 배터리(130) 또는 연료전지 유닛(110)으로부터 전력을 공급받아 작동한다.
한편, 도면에 도시되진 않았지만, 산소 공급부(122)는 산소탱크 대신에 산소가 포함된 외기를 상기 산소 공급관(127)으로 주입하기 위해 산소 공급관(127)에 설치된 블로워를 구비할 수도 있다.
보조 배터리(130)는 제어모듈(140)을 통해 연료전지 유닛(110)과 연결되어 연료전지 유닛(110)으로부터 발생된 전력에 의해 충전되는 충전지가 적용된다. 상시 보조 배터리(130)는 연료전지 유닛(110)이 초기 기동시 공급유닛(120)으로 전력을 공급하는 것으로서, 종래에 일반적으로 사용되는 충전지가 적용되므로 상세한 설명은 생략한다.
입력모듈(150)은 공급유닛(120)을 초기 기동시키기 위한 파워신호를 입력할 수 있도록 파워 버튼, 상기 기동신호 및 정지신호를 입력할 수 있도록 모드 버튼이 마련되어 있다. 입력모듈(150)은 작업자가 파워 버튼 및 모드 버튼을 조작하여 입력한 신호를 유선 또는 무선 통신망을 통해 제어모듈(140)에 전송한다. 이때, 입력모듈(150)은 작업자가 파워 버튼을 누른 다음 모드 버튼을 누르면 기동신호를 제어모듈(140)로 전송하고, 모드 버튼을 누른 다음 다시 한번 모드 버튼을 누르면 정지신호를 제어모듈(140)로 전송한다.
한편, 입력모듈(150)은 도면에 도시된 바와 같이 스마트폰과 같은 이동 단말기가 적용될 수 있다. 이때, 입력모듈(150)은 도 4에 도시된 바와 같이 후술되는 제어모듈(140)의 센서모듈(141)로부터 제공되는 데이터를 수신할 수 있고, 방열팬(111) 또는 각종 릴레이에 대한 작동 정보를 제공받을 수도 있다.
제어모듈(140)은 연료전지 유닛(110), 공급유닛(120) 및 보조 배터리(130)를 제어하기 위해 연료전지 유닛(110), 공급유닛(120) 및 보조 배터리(130)에 연결되는 것으로서, 센서모듈(141), 전원부(142), 디스플레이부(143), 통신부(144), 전력변환부(145) 및 제어부(146)를 구비한다.
센서모듈(141)은 도면에 도시되진 않았지만, 연료전지 유닛(110)으로부터 발생되는 전기의 전류를 측정하기 위한 제2전류측정센서, 연료전지 유닛(110)에서 발생된 전기의 전압을 측정하기 위한 전압센서 및 연료전지 유닛(110)에 설치되어 연료전지 유닛(110)의 온도를 측정하는 온도센서를 구비한다. 센서모듈(141)을 통해 측정된 데이터는 디스플레이부(143)를 통해 외부로 표시된다.
전원부(142)는 연료전지 유닛(110)으로부터 발생된 전기를 공급유닛(120) 및 보조 배터리(130)에 전달하는 것으로서, 연료전지 유닛(110)으로부터 발생된 전기를 공급유닛(120) 및 보노 배터리에 적합한 전압으로 변압시킨다. 전원부(142)는 전기를 12V 내지 13V로 변압시키는 것이 바람직하다.
통신부(144)는 센서모듈(141)로부터 측정된 데이터 및 방열팬(111) 또는 각종 릴레이에 대한 작동 정보를 입력모듈(150)로 전송하고, 입력모듈(150)로부터 전송된 파워신호, 기동신호 및 정지신호를 수신하여 제어부(146)에 전달한다.
전력변환부(145)는 연료전지 유닛(110)으로부터 발생된 전기를 전력선(112)을 통해 외부 부하에 전달하는 것으로서, 연료전지 유닛(110)으로부터 발생된 전기를 외부 부하에 적합한 전압으로 변압시킨다. 전력변환부(145)는 전기를 12V, 24V, 48V 중 어느 하나로 변압시킬 수 있다.
디스플레이부(143)는 LCD 또는 터치스크린과 같은 디스플레이 장치가 적용되며, 도 5에 도시된 바와 같이 센서모듈(141)로부터 측정된 데이터 및 방열팬(111) 또는 각종 릴레이에 대한 작동 정보를 표시한다. 또한, 디스플레이부(143)는 후술되는 제어부(146)의 제1설정시간, 제2설정시간, 제1종료시간 및 제2종료시간을 표시한다. 이때, 제어모듈(140)은 제어부(146)의 제1설정시간, 제2설정시간, 제1종료시간 및 제2종료시간을 입력할 수 있도록 조정패널(미도시)을 더 구비한다. 작업자는 조정패널을 통해 제어부(146)의 각 시간을 설정할 수 있다.
제어부(146)는 입력모듈(150)을 통해 입력된 입력 신호에 따라 연료전지 유닛(110), 공급유닛(120) 및 보조 배터리(130)를 제어한다. 먼저, 입력모듈(150)을 통해 파워신호가 입력되면 제어부(146)는 보조 배터리(130)로부터 공급유닛(120)으로 전기가 공급되도록 보조 배터리(130)와 공급유닛(120)을 연결한다.
연료전지 유닛(110)을 기동시키기 위해 작업자가 입력모듈(150)을 통해 기동신호를 입력하면, 제어부(146)는 공급유닛(120)을 작동시켜 연료전지 유닛(110)으로 수소와 산소를 공급하는데, 기설정된 소정 시간동안 상기 연료전지 유닛(110)과 보조 배터리(130)의 연결이 해제된 상태에서 상기 보조 배터리(130)로부터 상기 공급유닛(120)으로 전력이 공급되도록 상기 연료전지 유닛(110) 및 보조 배터리(130)를 제어한다.
이때, 제어부(146)의 연료전지 유닛(110) 초기 기동 방법에 대해 도 2에 도시된 순서도를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 상기 연료전지 유닛(110)의 초기 기동 방법은 제1기동단계(S111), 제2기동단계(S112), 제3기동단계(S113)를 포함한다.
제1기동단계(S111)는 연료전지 유닛(110)과 보조 배터리(130) 미연결 상태로 보조배터리에서 공급유닛(120)으로 전력이 공급되는 단계이다. 상술된 바와 같이 제어부(146)는 입력모듈(150)을 통해 파워신호가 입력되면 공급유닛(120)으로 전기가 공급되도록 보조 배터리(130)와 공급유닛(120)을 연결하는데, 이때, 연료전지 유닛(110)과 보조 배터리(130)의 연결을 해제시킨다. 다음, 제어부(146)는 상기 연료전지 유닛(110)으로 수소 및 산소가 공급되도록 상기 보조 배터리(130)의 전력을 상기 공급유닛(120)으로 공급한다. 즉, 제어부(146)는 수소 공급관(123) 및 산소 공급관(127)이 개방되도록 제1솔레노이드 밸브(124) 및 제2솔레노이드 밸브(128)를 작동시키며, 수소 공급관(123)에 설치된 블로워(126)도 작동시킨다. 이때, 제어부(146)는 상기 연료전지 유닛(110)에 수소 및 산소가 공급된 시점으로부터 기설정된 제1설정시간 동안 연료전지 유닛(110)과 보조 배터리(130)를 연결이 해제된 상태를 유지시킨다. 상기 제1설정시간은 120초가 적용되나 연료전지 유닛(110)의 용량에 따라 적합한 시간을 설정하는 것이 바람직하다.
제2기동단계(S112)는 제1기동단계(S111) 이후에 연료전지 유닛(110)과 보조 배터리(130)를 연결하는 단계이다. 제어부(146)는 상기 연료전지 유닛(110)에 수소 및 산소가 공급된 시점으로부터 기설정된 제1설정시간이 경과된 이후 상기 연료전지 유닛(110)에 의해 상기 보조 배터리(130)가 충전되도록 상기 연료전지 유닛(110)과 보조 배터리(130)를 상호 연결한다. 상술된 바와 같이 제1설정시간이 경과된 다음에 연료전지 유닛(110)이 안정적으로 전기를 생산하는 시점에 연료전지 유닛(110)과 보조 배터리(130)를 연결시키므로 연료전지 스택에 과부하 걸리는 것을 방지한다.
제3기동단계(S113)는 제2기동단계(S112) 이후에 보조 배터리(130)에서 공급유닛(120)으로의 전력공급을 차단하고, 연료전지 유닛(110)에서 공급유닛(120)으로 전력을 공급하는 단계이다. 제어부(146)는 상기 연료전지 유닛(110)과 보조 배터리(130)가 상호 연결된 시점으로부터 기설정된 제2설정시간이 경과된 이후 상기 보조 배터리(130)로부터 상기 공급유닛(120)으로의 전력 공급을 중단하고, 상기 연료전지 유닛(110)에서 상기 공급유닛(120)으로 전력을 전달한다. 이때, 제2설정시간은 5초가 적용되나 연료전지 유닛(110)의 용량에 따라 적합한 시간을 설정하는 것이 바람직하다. 다음, 제어부(146)는 전력선(112)을 통해 연료전지 유닛(110)으로부터 발생된 전기가 외부부하로 전송시킨다. 이때, 제어부(146)는 연료전지 유닛(110)에 의해 보조 배터리(130)가 충전되도록 연료전지 유닛(110)과 보조 배터리(130)의 연결상태를 유지한다.
한편, 제어부(146)는 연료전지 유닛(110)을 정지시키기 위해 작업자가 입력모듈(150)을 통해 정지신호를 입력하면, 제어부(146)는 공급유닛(120)을 작동시켜 연료전지 유닛(110)으로 수소와 산소를 공급을 중단하는데, 상기 입력모듈(150)에 상기 정지신호가 입력시 상기 공급유닛(120)에서 상기 연료전지 유닛(110)으로의 수소 공급량이 감소되기 전에, 상기 연료전지 유닛(110)과 보조 배터리(130)의 연결을 차단한다.
이때, 제어부(146)의 연료전지 유닛(110) 정지 방법에 대해 도 3에 도시된 순서도를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 상기 연료전지 유닛(110)의 초기 정지 방법은 제1정지단계(S121), 제2정지단계(S122), 제3정지단계(S123)를 포함한다.
제1정지단계(S121)는 연료전지 유닛(110)과 보조 배터리(130)의 연결을 해제하는 단계이다. 제어부(146)는 상기 입력모듈(150)에 상기 정지신호가 입력시 상기 보조 배터리(130)의 충전이 중단되도록 상기 연료전지 유닛(110)과 보조 배터리(130)의 연결을 해제한다. 또한, 제어부(146)는 상기 연료전지 유닛(110)과 보조 배터리(130)의 연결이 해제된 시점으로부터 제1종료시간 동안 연료전지 유닛(110)과 보조 배터리(130)의 연결이 해제된 상태로 연료전지 유닛(110)으로부터 발생된 전기를 공급유닛(120)에 공급한다. 상기 제1종료시간은 10초가 적용되나 연료전지 유닛(110)의 용량에 따라 적합한 시간을 설정하는 것이 바람직하다.
제2정지단계(S122)는 보조 배터리(130)의 전력을 공급유닛(120)에 공급하는 단계이다. 제어부(146)는 상기 연료전지 유닛(110)과 보조 배터리(130)의 연결이 해제된 시점으로부터 제1종료시간이 경과한 다음, 상기 연료전지 유닛(110)으로부터 상기 공급유닛(120)으로의 전력공급을 중단하고, 상기 보조 배터리(130)에 충전된 전력을 상기 공급유닛(120)으로 공급하도록 보조 배터리(130)와 공급유닛(120)을 상호 연결한다.
제3정지단계(S123)는 연료전지로의 수소 공급량을 감소시키는 단계이다. 제어부(146)는 상기 보조 배터리(130)에서 상기 공급유닛(120)으로의 전력 공급 시점으로부터 제2종료시간 동안에, 시간이 경과할수록 상기 연료전지 유닛(110)으로의 수소 공급량이 감소하도록 상기 공급유닛(120)을 제어한다. 상기 제2종료시간은 255초가 적용되나 연료전지 유닛(110)의 용량에 따라 적합한 시간을 설정하는 것이 바람직하다. 즉, 제어부(146)는 보조 배터리(130)에서 상기 공급유닛(120)으로의 전력 공급 시점으로부터 시간이 경과할수록 상기 연료전지 유닛(110)으로의 수소 공급량이 감소하도록 블로워(126)를 제어하며, 제2종료시간이 경과한 다음에는 연료전지 유닛(110)으로의 수소 공급이 중단되도록 수소 공급관(123)이 폐쇄되도록 제1솔레노이드 밸브(124)를 작동시킨다.
상술된 바와 같이 본 발명에 따른 연료전지 작동 시스템(100)은 연료전지 유닛(110)의 기동 초기 또는 정지시 상기 연료전지 유닛(110)과 보조 배터리(130) 사이의 연결을 해제하므로 연료전지 셀에 과부하가 걸리는 것을 방지하여 연료전지 셀의 기대수명이 증가하는 장점이 있다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.
100: 연료전지 작동 시스템
110: 연료전지 유닛
120: 공급유닛
121: 수소 공급부
122: 산소 공급부
123: 수소 공급관
124: 제1솔레노이드 밸브
125: 제1압력센서
126: 블로워
127: 산소 공급관
128: 제2솔레노이드 밸브
130: 보조 배터리
140: 제어모듈
141: 센서모듈
142: 전원부
143: 디스플레이부
144: 통신부
145: 전력변환부
146: 제어부
150: 입력모듈

Claims (5)

  1. 연료전지 셀이 적층되어 수소 연료와 산소의 전기화학적 반응으로 전력을 생산할 수 있도록 연료전지 셀이 마련된 연료전지 유닛;
    상기 연료전지 유닛에 설치되어 상기 연료전지 셀을 방열시킬 수 있도록 상기 연료전지 셀 사이로 외기를 강제순환시키는 방열팬;
    상기 연료전지 유닛으로부터 전력을 공급받아 상기 연료전지 유닛에 수소 연료 및 산소를 공급하는 공급유닛;
    상기 연료전지 유닛으로부터 전력을 공급받아 충전되되, 상기 연료전지 유닛의 초기 기동시 상기 공급유닛에 전력을 공급하는 보조 배터리;
    상기 연료전지 유닛을 기동시키기 위한 기동신호 또는 상기 연료전지 유닛을 정지시키기 위한 정지신호를 입력할 수 있는 입력모듈; 및
    상기 연료전지 유닛의 작동 상태를 감지하기 위해 상기 연료전지 유닛에 설치된 센서모듈과, 상기 센서모듈로부터 측정된 데이터를 표시하는 디스플레이부와, 상기 입력모듈에 입력된 신호에 따라 상기 연료전지 유닛이 기동 및 정지되도록 상기 연료전지 유닛, 보조배터리 및 공급유닛를 제어하는 것으로서, 상기 연료전지 유닛의 기동 초기 또는 정지시, 상기 연료전지 셀에 과부하가 걸리는 것을 방지하기 위해 상기 연료전지 유닛과 보조 배터리 사이의 연결을 해제하는 제어부가 마련된 제어모듈;을 구비하고,
    상기 제어부는 상기 입력모듈에 상기 기동신호가 입력될 경우, 상기 연료전지 유닛과 보조 배터리의 연결이 해제된 상태에서, 상기 연료전지 유닛으로 수소 및 산소가 공급되도록 상기 보조 배터리의 전력을 상기 공급유닛으로 공급하고,
    상기 연료전지 유닛에 수소 및 산소가 공급된 시점으로부터 기설정된 제1설정시간이 경과된 이후, 상기 보조 배터리로부터 상기 공급유닛으로 전력이 공급되는 상태에서, 상기 연료전지 유닛에 의해 상기 보조 배터리가 충전되도록 상기 연료전지 유닛과 보조 배터리를 상호 연결하되,
    상기 연료전지 유닛과 보조 배터리가 상호 연결된 시점으로부터 기설정된 제2설정시간이 경과된 이후 상기 보조 배터리로부터 상기 공급유닛으로의 전력 공급을 중단하고, 상기 연료전지 유닛에서 상기 공급유닛으로 전력을 전달한 다음, 상기 연료전지 유닛으로부터 발생된 전기를 외부 부하에 전송하며, 상기 보조 배터리와 연료전지 유닛의 연결 상태를 유지하고,
    상기 제어부는 상기 입력모듈에 상기 정지신호가 입력될 경우, 상기 연료전지 유닛에서 상기 공급유닛으로 전력이 전달되는 상태에서, 상기 보조 배터리의 충전이 중단되도록 상기 연료전지 유닛과 보조 배터리의 연결을 해제하고,
    상기 연료전지 유닛과 보조 배터리의 연결이 해제된 시점으로부터 제1종료시간이 경과한 다음, 상기 연료전지 유닛으로부터 상기 공급유닛으로의 전력공급을 중단하고, 상기 보조 배터리에 충전된 전력을 상기 공급유닛으로 공급하되,
    상기 보조 배터리에서 상기 공급유닛으로의 전력 공급 시점으로부터 제2종료시간 동안에, 시간이 경과할수록 상기 공급유닛에서 상기 연료전지 유닛으로의 수소 공급량이 감소하도록 상기 공급유닛을 제어하고,
    상기 입력모듈은 파워버튼 및 모드버튼을 구비하되, 작업자가 상기 파워버튼을 누른 다음, 상기 모드버튼을 누를 경우, 상기 기동신호를 상기 제어부로 전송하고, 상기 모드버튼을 누른 다음, 재차 상기 모드버튼을 누를 경우, 상기 정지신호를 상기 제어부로 전송하고,
    상기 센서모듈은 상기 연료전지 유닛에 설치되어 상기 연료전지 유닛으로부터 발생되는 전기의 전류를 측정하는 전류측정센서와, 상기 연료전지 유닛으로부터 발생되는 전기의 전압을 측정하는 전압센서와, 상기 연료전지 유닛에 설치되어 상기 연료전지 유닛의 온도를 측정하는 온도센서를 구비하고,
    상기 디스플레이부는 상기 온도센서로부터 측정된 상기 연료전지 유닛의 온도에 대한 정보와 상기 방열팬에 대한 작동정보를 표시하는,
    연료전지 작동 시스템.

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