KR20020056121A - 연료전지의 연료공급 조절장치 및 그 조절방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지의 연료공급 조절장치 및 그 조절방법에 관한 것으로, 본 발명은 전해질을 사이에 두고 양쪽에 각각 양극과 음극이 배치됨과 아울러 그 중 양극에는 수소 또는 수소를 함유한 연료가 공급되는 반면 음극에는 산소 또는 산소를 함유한 산화제가 공급되어 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기와 열을 발생시키는 스택과, 상기 스택의 전기 출력측에 설치되어 현재 사용되고 있는 전력량을 검출하는 전력부하 감지센서와, 상기 스택의 연료공급측에 설치되어 연료량을 조절하는 연료량 조절밸브와, 상기 전력부하 감지센서와 연료량 조절밸브 사이에 연결 설치되어 상기한 전력부하 감지센서로부터 전달받는 현재의 소비전력량을 기준으로 올바른 연료공급량을 산출하여 연료량 조절밸브의 개폐정도를 명령하는 콘트롤러로 구성됨으로써, 불필요하게 연료가 공급되는 것을 억제하여 연료의 낭비를 방지함과 아울러 연료의 이용효율을 향상시킬 수 있다.

Description

연료전지의 연료공급 조절장치 및 그 조절방법{FUEL SUPPLY CONTROL APPARATUS FOR FUEL CELL AND METHOD THEREOF}

본 발명은 연료전지의 연료공급 조절장치 및 그 조절방법에 관한 것으로, 특히 전력 사용량에 따라 수소의 생성율을 변화시킬 수 있는 연료전지의 연료공급 조절장치 및 그 조절방법에 관한 것이다.

일반적인 연료전지는 연료가 가지고 있는 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환시키는 장치로서, 통상 전해질을 사이에 두고 양극(anode)과 음극(cathode)으로 된 한 쌍의 전극을 배치함과 아울러 그 중 양극(산화전극 또는 연료극)에는 수소 또는 수소를 함유하는 연료가스를 접촉시키는 반면 다른 한 쪽의 음극(환원전극 또는 공기극)에는 산소를 함유하는 산화가스를 접촉시키고 이 과정에서 이온화된 연료가스와 산화가스의 전기화학적 반응을 통해 전기와 열을 함께 얻는 시스템이다.

이러한 연료전지는 도 1에 도시된 바와 같이, 가솔린이나 여타의 탄화수소(LNG, LPG, CH₃OH...)계열의 연료가 채워져 있는 연료탱크(1)와, 상기 연료탱크(1)에 연결되어 공급되는 연료로부터 수소를 만들어 내는 개질기(reformer)(2)와, 상기 개질기(2)에 연결되어 그 개질기(2)로부터 만들어진 수소의 산화반응 및 별도로 공급되는 산소의 환원반응이 동시에 일어나면서 전기와 열이 함께 발생되는 스택(stack)(3)과, 상기 스택(3)에 연결되어 그 스택(3)에서 얻어진 직류전기를 상용전기인 교류전기로 변환시키는 전력변환기(4)와, 상기 개질기(2) 및 스택(3)에 각각 연결되어 그 개질기(2) 및 스택(3)에서 발생되는 방출열을 저장하는축열탱크(5)로 이루어져 있다.

도면중 미설명 부호인 2A는 반응로, 2B는 버너, 3A는 전해질막, 3B는 연료극, 3C는 공기극이다.

상기와 같은 종래 연료전지를 이용하여 전기를 발생시키는 개략적인 과정은 다음과 같다.

즉, 상기 제어부(미도시)에 의해 연료탱크(1)로부터 가솔린이나 탄화수소(CH)계열의 연료가 개질기(2)의 반응로(2A)로 유입되고 나면, 그 반응로(2A)에 채워진 연료에 수증기 및 산소가 공급됨과 아울러 상기 개질기(2)의 버너(2B)가 동작하여 개질반응이 진행되고, 이 개질반응을 통해 생성되는 수소(H₂)가 스택(3)의 연료극(3B)으로 공급됨과 아울러 다른 한 쪽의 공기극(3C)으로는 산소(O₂)가 공급되어 상기한 연료극(3B)에서는 산화반응이 또 공기극(3C)에서는 환원반응이 일어나게 되며, 이 과정에서 생성되는 전자가 연료극(3B)에서 공기극(3C)으로 이동하면서 전기와 열이 발생되고, 이 전기는 전력변환기(4)를 거치면서 교류전기로 전환되어 각종 전기제품을 구동시키는데 사용되는 반면 열은 축열탱크(5)에 저장되었다가 난방이나 온수를 만드는데 주로 사용되는 것이었다.

그러나, 상기와 같은 종래 연료전지에 있어서는, 실제 생산되는 전력량을 현재 사용되는 전력량에 맞게 조절하는데 한계가 있어 연료가 불필요하게 소비되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 연료전지가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 실제 생산되는 전력량을 현재 사용되는 전력량에 맞게 조절할 수 있는 연료전지의 연료공급 조절장치를 제공하려는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래 연료전지의 일례를 보인 개략도.

도 2는 본 발명 연료전지의 일례를 보인 개략도.

도 3은 본 발명 연료전지의 전압 조절 장치에 대한 동작 순서도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

11 : 연료탱크 12 : 개질기

12A : 반응로 12B : 버너

13 : 스택 13A : 전해질막

13B : 연료극 13C : 공기극

14 : 전력변환기 15 : 축열탱크

16 : 전력부하 감지센서 17 : 연료량 조절밸브

18 : 콘트롤러

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 전해질을 사이에 두고 양쪽에 각각 양극과 음극이 배치됨과 아울러 그 중 양극에는 수소 또는 수소를 함유한 연료가 공급되는 반면 음극에는 산소 또는 산소를 함유한 산화제가 공급되어 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기와 열을 발생시키는 스택과, 상기 스택의 전기 출력측에 설치되어 현재 사용되고 있는 전력량을 검출하는 전력부하 감지센서와, 상기 스택의 연료공급측에 설치되어 연료량을 조절하는 연료량 조절밸브와, 상기 전력부하 감지센서와 연료량 조절밸브 사이에 연결 설치되어 상기한 전력부하 감지센서로부터 전달받는 현재의 소비전력량을 기준으로 올바른 연료공급량을 산출하여 연료량 조절밸브의 개폐정도를 명령하는 콘트롤러로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료공급 조절장치가 제공된다.

또한, 전기제품이 사용하고 있는 전력소비량을 검출하는 전력소비량 검출 단계와, 검출된 전력소비량을 기준으로 생산하여야 하는 전력량을 산출하는 필요전력량 산출 단계와, 필요전력량을 기준으로 투입되어야 하는 연료량을 계산하여 산출하는 필요 연료량 산출단계와, 필요 연료량을 기준으로 연료량 조절밸브를 어느정도 열것인가 닫을 것인가를 결정하는 적정 밸브개폐량 결정 단계와, 적정 밸브개폐량 결정에 따라 연료량 조절밸브를 개폐하는 단계로 수행하는 것을 특징으로 하는연료전지의 전압 조절 방법이 제공된다.

이하, 본 발명에 의한 연료전지의 연료공급 조절장치 및 그 조절방법을 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명 연료전지의 일례를 보인 개략도이고, 도 3은 본 발명 연료전지의 전압 조절 장치에 대한 동작 순서도이다.

이에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 연료공급 조절장치가 구비된 연료전지는, 수소를 포함하고 있는 연료액이 저장되는 연료탱크(11)와, 상기 연료탱크(11)에 연결되어 연료액으로부터 수소를 생성시키는 개질기(12)와, 상기 개질기(12)에 연결되어 전기와 열을 발생시키는 스택(13)과, 상기 스택(13)의 출력측에 연결되어 직류전기를 교류전기로 전환시키는 전력변환기(14)와, 상기 개질기(12) 및 스택(13)에 각각 연결되어 그 개질기(12) 및 스택(13)에서 발생되는 폐열을 저장하는 축열탱크(15)와, 상기 전력변환기(14)의 출력측에 연결되어 현재 사용되고 있는 전력량을 검출하는 전력부하 감지센서(16)와, 상기 연료탱크(11)와 개질기(12) 사이의 연료공급라인(L)에 설치되어 연료량을 조절하는 연료량 조절밸브(17)와, 상기 전력부하 감지센서(16)와 연료량 조절밸브(17)의 사이에 연결 설치되어 올바른 연료공급량을 산출하여 연료량 조절밸브(17)의 개폐정도를 명령하는 콘트롤러(18)로 구성된다.

상기 전력부하 감지센서(16)는 상기한 전력변환기(14)에 연결되는 각각의 전기제품에서의 전력소비량의 총합을 일괄적으로 검출할 수 있도록 전력변환기(14)의 내부에 설치될 수 있다.

상기 스택(13)은 전해질막(13A)을 사이에 두고 그 양쪽에는 각각 수소 또는 수소를 함유한 연료물질이 공급되는 연료극(또는, 양극)(anode)(13B)과 산소를 함유하는 산화제가 공급되는 공기극(또는, 음극)(cathode)(13C)이 배치되어 이루어진다.

상기 콘트롤러(18)는 전력부하 감지센서(16)에서 측정된 현재의 전력소비량을 전달받는 입력부(미부호)와, 그 입력부(미부호)로부터 전달받은 현재의 전력소비량을 저장되어 있던 적정한 연료소비량을 비교하여 상기 개질기(12)로 공급되어야 하는 필요연료량을 산출하는 연산부(미부호)와, 그 연산부(미부호)에서 산출된 필요연료량을 바탕으로 상기한 연료량 조절밸브(17)의 개폐정도를 명령하는 출력부(미부호)로 이루어진다.

또한, 상기 콘트롤러(18)에는 전력소비량에 따른 필요전력량을 산출한 다음에 필요 연료량을 계산하여 적정한 연료량 조절밸브(17)의 개폐정도를 결정할 수 있도록 필요전력량 대비 연료량 조절밸브(17)의 개폐정도가 저장된 롬(ROM ; Read Only Memory)이 구비되는 것이 바람직하다.

도면중 미설명 부호인 12A는 반응로, 12B는 버너이다.

상기와 같은 연료전지의 연료공급 조절장치는 다음과 같은 작용효과를 갖는다.

즉, 상기 연료량 조절밸브(17)가 열려 연료탱크(11)로부터 공급되는 연료액이 물과 공기와 혼합되면서 연료공급라인(L)을 통해 개질기(12)로 유입되고, 이 연료액의 일부는 개질기(12)의 버너(12B)로 유입되어 연소되고 나머지는 반응로(12A)로 유입되어 탈황반응 및 개질반응 그리고 수소정제반응을 거치면서 수소를 발생시키게 되고, 이 수소는 스택(13)의 연료극(13B)으로 공급되어 공기극(13C)으로 공급되는 산소와 함께 전기화학적 반응을 거치면서 전기와 열을 발생시키게 되며, 이 중 전기는 전력변환기(14)를 거쳐 각각의 전기제품에 인가되면서 전원으로 사용되는 반면 열은 별도의 열회수장치인 축열탱크(15)에 저장되어 난방이나 온수를 위한 열원으로 이용된다.

이때, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 전력변환기(14)의 출력측에 구비된 전력부하 감지센서(16)에서는 각각의 전기제품이 사용하는 총 전력소비량을 검출하는 단계(S1)를 수행하고, 이 전력부하 감지센서(16)에 의해 검출된 총 전력소비량은 콘트롤러(18)의 입력부에 전달되어 그 콘트롤러(18)의 연산부에서 현재의 전력소비량을 기준으로 하여 필요전력량을 산출하는 단계(S2)를 수행하며, 이에 대한 적정한 연료소비량을 계산하여 필요연료량을 산출하는 단계(S3)를 수행한 다음에 그 필요연료량을 기준으로 적정한 연료량 조절밸브의 개폐정도를 결정하는 단계(S4)를 수행하고, 이를 출력부에서 연료량 조절밸브(17)에 전달하여 상기 연료량 조절밸브(17)가 콘트롤러(18)로부터 전달받은 필요연료량에 의해 연료탱크(11)와 개질기(12) 사이의 연료공급라인(L)의 열림정도를 조절하는 단계(S5)로 수행하게 된다.

한편, 전술한 일례에서는 전기화학적 반응성이 없어 촉매화학적 연료개질기를 필요로 하는 가솔린이나 다른 탄화수소 계열의 연료를 사용하는 경우에 관한 것이었으나, 액체상태의 메탄올을 직접 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지(DMFC; Direct Methanol Fuel Cell)방식에서도 그 액체상태의 메탄올을 스택에 공급하는 메탄올 공급라인에 상기한 연료량 조절밸브를 장착함과 아울러 스택의 출구측에 전력부하 감지센서를 장착하여 그 전력부하 감지센서로부터 전달받는 전력소비량을 기준으로 연료량 조절밸브의 개폐정도를 조절하는 일련의 구성과 작용효과는 전술한 일례와 대동소이하다.

이렇게 하여, 상기 연료전지로부터 발생되는 전기를 이용하여 구동되는 각종 전기제품의 총 전력소비량에 따라 그 연료전지에 필요한 연료량을 조절함으로써, 필요한 전력소비량 보다 많은 전기가 생성되는 것을 미연에 방지하여 연료의 낭비를 억제하여 연료의 이용효율이 향상된다.

본 발명에 의한 연료전지의 연료공급 조절장치 미 그 조절방법은, 실제 사용되는 전력소비량에 따라 연료공급량을 조절하여 공급하도록 구성함으로써, 불필요하게 연료가 공급되는 것을 억제하여 연료의 낭비를 방지함과 아울러 연료의 이용효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (3)

1. 전해질을 사이에 두고 양쪽에 각각 양극과 음극이 배치됨과 아울러 그 중 양극에는 수소 또는 수소를 함유한 연료가 공급되는 반면 음극에는 산소 또는 산소를 함유한 산화제가 공급되어 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기와 열을 발생시키는 스택과,

   상기 스택의 전기 출력측에 설치되어 현재 사용되고 있는 전력량을 검출하는 전력부하 감지센서와,

   상기 스택의 연료공급측에 설치되어 연료량을 조절하는 연료량 조절밸브와,

   상기 전력부하 감지센서와 연료량 조절밸브 사이에 연결 설치되어 상기한 전력부하 감지센서로부터 전달받는 현재의 소비전력량을 기준으로 올바른 연료공급량을 산출하여 연료량 조절밸브의 개폐정도를 명령하는 콘트롤러로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료공급 조절장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 콘트롤러에는 전력소비량에 따른 필요전력량을 산출한 다음에 적정한 연료소비량을 계산하여 적정한 연료량 조절밸브의 개폐정도를 결정할 수 있도록 필요전력량 대비 연료량 조절밸브 개폐정도가 저장된 롬(ROM)이 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료공급 조절장치.
3. 전기제품이 사용하고 있는 전력소비량을 검출하는 전력소비량 검출 단계와,

   검출된 전력소비량을 기준으로 생산하여야 하는 전력량을 산출하는 필요전력량 산출 단계와,

   필요전력량을 기준으로 투입되어야 하는 연료량을 계산하여 산출하는 필요 연료량 산출단계와,

   필요 연료량을 기준으로 연료량 조절밸브를 어느정도 열것인가 닫을 것인가를 결정하는 적정 밸브개폐량 결정 단계와,

   적정 밸브개폐량 결정에 따라 연료량 조절밸브를 개폐하는 단계로 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료공급 조절방법.