KR20040006665A - 연료전지의 성능저하방지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 연료전지의 성능저하방지장치는 여러개의 단위셀(C)이 적층되어 전기적인 직렬연결이 이루어져 있는 발전기(100)에서, 각 단위셀(C)의 입력측과 출력측을 연결하는 저항(101)을 각각 걸어주고, 그 저항(101)들과는 별도로 각각 스위치(102)를 설치하여, 발전시 발전기의 전체 출력전압이 규정치를 벗어나는 경우에는 스위치(102)를 이용하여 각 단위셀(C)의 이상여부를 검출하고, 이상이 발생된 단위셀(C)의 스위치(102)를 닫힌상태(온)가 되도록하여 전체의 발전에서 배제되도록 함으로써, 이상이 발생된 단위셀(C)이 부하로 작용하여 발전성능의 급격한 저하 및 시스템 전체의 동작불능상태가 되는 것을 방지할 수 있다.

Description

연료전지의 성능저하방지장치{APPARATUS FOR PREVENTING EFFICIENT LOWERING OF FUEL CELL}

본 발명은 외부로 부터 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 전기를 생성하는 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단위셀의 이상발생을 검출하여 전체 시스템이 동작불능상태가 되는 것을 방지할 수 있도록 한 연료전지의 성능저하방지장치에 관한 것이다.

일반적으로, 연료가 가지고 있는 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환하는 장치로서 연료전지에 관한 기술이 공지되어 있으며, 이러한 연료전지는 통상 고분자 전해질을 중심으로 양쪽에 다공질의 양극(ANODE)과 음극(CATHODE)이 부착되어 있고, 양극(산화전극 또는 연료극)에서는 연료인 수소의 전기화학적 산화가, 그리고 음극(환원전극 또는 공기극)에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기에너지가 발생된다.

이와 같은 연료전지에 공급되는 수소는 LNG, LPG, CH₃OH, 가솔린 등의 탄화수소계(CH계열) 연료를 개질기에서 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H₂)만을 정제하여 가스형태로 사용하는 PEMFC 시스템과, 고체상태의 BH₄ ^-를 수용액 상태로 만들어 직접 연료로 사용하는 BFC 시스템 등이 소개되고 있다.

종래 BFC 시스템의 구조가 도 1, 도 2에 도시되어 있는 바, 이를 간단히 설명하면, 도시된 바와 같이, 연료전지(1)의 전체 구성은 전기를 발생하는발전기(10)의 일측에 수용액 상태의 BH₄ ^-를 저장하기 위한 연료탱크(2)가 구비되어 있는데, 그 연료탱크(2)와 발전기(10)의 양극에는 연료공급라인(3)과 연료회수라인(4)으로 연결되어 있으며, 그 연료공급라인(3)에는 연료를 펌핑하기 위한 연료펌프(5)가 설치되어 있다.

그리고, 상기 발전기(10)의 음극에는 공기공급라인(6)과 공기배출라인(7)이 설치되어 있는데, 그 공기공급라인(6)에는 공급되는 공기를 펌핑하기 위한 공기펌프(8)가 설치되어 있다.

상기 발전기(10)는 일반적으로, 단일셀 또는 단일셀을 적층한 스택형태로 이루어지는데, 단일셀형태를 예로들어 설명하면 전해질 막(21)의 양측에 가스를 확산시키기 위한 양극(22)과 음극(23)이 접합되어 이루어진 막-전극 접합체(MEA:MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY)(24)와, 그 막-전극 접합체(24)의 양측에 밀착되도록 조립되어 양극(22)과 음극(23)에서 연료 및 산소함유가스의 유로(31)를 형성하는 바이폴라 플레이트(BIPOLAR PLATE)(25)와, 상기 바이폴라 플레이트(25)의 양측에 배치되어 양극(22)과 음극(23)의 집전극이 되는 집전판(27)으로 구성되어 있다.

상기와 같이 구성되어 있는 종래 연료전지는 기기의 동작 스위치가 온되면 연료펌프(5)에서 연료탱크(2)에 저장되어 있는 수용액 상태의 BH₄ ^-를 펌핑하여 연료공급라인(3)을 통하여 발전기(10)의 양극(22)에 공급함과 동시에 공기펌프(8)를 동작시켜서 공기공급라인(6)을 통하여 발전기(10)의 음극(23)으로 공기가 공급되도록한다.

상기와 같이 발전기(10)에 공급되는 수용액 상태의 BH₄ ^-와 공기는 발전기(10)에서 고분자전해질막을 사이에 두고 흐르며 양극(22)에서는 수소의 전기화학적 산화가 진행되고, 음극(23)에서는 산소의 전기화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기가 발생되는데, 이때 발생되는 전기를 집전판(27)에서 집전하여 에너지원으로 사용하게 된다.

이때의 반응식은

Anode : BH₄ ^-+ 8OH^-→BO₂ ^-+ 6H₂O + 8e^-E₀= 1.24 V

Cathode : 2O₂+ 4H₂O + 8e^-→BOH^-E₀= 0.4 V

Total : BH₄ ^-+ 2O₂→2H₂O + BO₂E₀= 1.64 V 이다.

그러나, 상기와 같은 종래의 연료전지의 발전기(10)는 통상적으로 여러개의 단위셀이 적층된 스택형태로 되어 있는데, 여러개의 단위셀 중 하나가 유로막힘 등으로 이상이 발생되는 경우에 발전기(1) 전체의 출력이 저하되고, 또한 그와 같은 이상이 발생된 단위셀이 부하로 작용하여 급격한 발전성능의 저하 및 심한 경우에는 시스템의 동작불능상태가 되는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 여러개의 단위셀중 하나가 이상이 발생되는 경우에 그 이상이 발생된 단위셀을 배제하고 전원출력이 이루어져서 발전성능이 급격히 저하되는 것을 방지하도록 하는데 적합한 연료전지의 성능저하방지장치를 제공함에 있다.

도 1은 종래 연료전지의 구조를 보인 개략구성도.

도 2는 종래 발전기를 보인 종단면도.

도 3은 본 발명의 일실시에 따른 연료전지의 성능저하방지장치를 보인 회로구성도.

a)는 출력전압이 정상일때 스위치동작.

b)는 출력전압이 비정상일때 스위치동작.

도 4는 본 발명의 다른 실시예를 보인 회로구성도.

a)는 출력전압이 정상일때 스위치동작.

b)는 출력전압이 비정상일때 스위치동작.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 발전기 101 : 저항

102 : 스위치 C : 단위셀

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 발전이루어지는 여러개의 단위셀이 적층되어 전기적인 직렬연결이 이루어진 발전기를 구비하는 연료전지에 있어서,

상기 각각의 단위셀들 또는 전체 발전기의 전압값을 검출하기 위해 각각의 단위셀 마다 설치되는 전압검출수단과,

그 전압검출수단에 의해 전압이 검출되는 각각의 단위셀들중 이상이 발생되는 경우에 스위칭하여 이상이 발생되는 단위셀을 배제시키기 위한 각각의 스위치들을 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 성능저하방지장치가 제공된다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 연료전지의 성능저하방지장치를 첨부된 도면의 실시예를 참고하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 일실시에 따른 연료전지의 성능저하방지장치를 보인 회로구성도이다.

도시된 바와 같이, 연료전지의 발전기(100)는 여러개의 단위셀(C)이 적층되어 전기적으로 직렬연결이 이루어져 있는데, 그 각각의 단위셀(C)들에는 입력측과 출력측이 전기적으로 연결되도록 각 단위셀(C)마다 저항(101:101-1,101-2,‥…101-N)이 설치되어 있고, 그 저항(101)과는 별도로 각 단위셀(C)마다 온/오프할 수 있는 스위치(102:102-1,102-2,‥…102-N )들이 설치되어 있다.

즉, 특정 단위셀(C)이 이상이 발생되면 그 이상이 발생된 단위셀(C)을 무시하고 배제시킬 수 있도록 스위치(102:102-1,102-2,‥…102-N )가 설치되어 있다.

상기와 같이 구성되어 있는 본 발명에 따른 연료전지의 성능저하방지장치에서는 발전기(100)의 발전성능이 이상이 없는 경우에는 출력전압이 정상상태로 출력이 되는데, 이와 같은 발전기(100)의 출력전압이 정상상태로 출력될때는 도 3의 a)에서와 같이 스위치(102:102-1,102-2,‥…102-N )는 모두 열린상태(오프) 상태가 되도록 한다.

그러나, 발전기(100)의 발전성능이 이상이 발생되어 전체의 출력전압이 규정치를 벗어나는 비정상상태가 되는 경우에는 단위셀(C)별로 스위치(102:102-1,102-2,‥…102-N )들을 오프시켜서 특정 단위셀(C)이 출력전압이 이상이 발견되면, 그 이상이 발생되는 단위셀(C)이 배제된 상태로 나머지 단위셀(C)들에 의해 발전이 이루어질 수 있도록 도 3의 b)에서 처럼 이상이 발생된 단위셀(C)에 해당되는 스위치(102-2)를 닫힌상태(온)가 되도록 하여 그 이상이 발생된 단위셀(C)이 발전기(100) 전체의 출력전압에 영향이 미치지 않도록 한다.

즉, 발전기(100)에서 특정 단위셀(C)이 오염 또는 기타문제로 유로막힘 등의 문제가 발생된 경우에는 전기적으로 단선상태가 되거나, 쇼트상태가 되어 부하로 동작되므로 시스템 전체가 동작불능상태가 되는데, 이를 검출하여 이상이 발생된 특정 단위셀(C)을 배제시키면 발전기(100)가 동작불능상태가 되는 것이 방지되게된다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예를 보인 회로구성도로서, 기본적인 구조는 도 3에서와 동일하다. 다만, 저항(101) 대신이 캐패시터(110:110-1,110-2‥…110-N)를 설치하여, 발전기(100)의 출력전압이 이상이 발생되는 경우에 그 이상이 발생된 단위셀(C)을 검출하고 배제시킬 수 있도록 되어 있다.

상기와 같은 본 발명의 다른 실시예에서도 마찬가지로 발전기(100)의 전체 출력전압이 이상이 없는 경우에는 a)에서와 같이 모든 스위치(102:102-1,102-2,‥…102-N )들은 열린상태(오프)가 되도록 하고, 특정 단위셀(C)에 이상이 발생되는 경우에는 b)에서 처럼 이상이 발생된 단위셀(C)의 스위치(102-2)만을 닫힌상태(온)가 되도록 하여, 그 이상이 발생된 단위셀(C)에 의해 발전기(100) 전체의 발전성능이 급격히 저하되거나 전체 시스템이 동작불능상태가 되는 것이 방지되어 진다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 연료전지의 성능저하방지장치는 발전기를 이루는 각 단위셀의 입력측과 출력측을 연결하는 저항을 각각 설치하고, 그 저항과는 별도로 각각 스위치를 구비하여, 발전시 발전기의 전체 출력전압이 규정치를 벗어나는 경우에는 스위치를 이용하여 각 단위셀의 이상여부를 검출하고, 이상이 발생된 단위셀의 스위치를 닫힌상태(온)가 되도록하여 전체의 발전에서 배제되도록 함으로써, 이상이 발생된 단위셀이 부하로 작용하여 발전성능의 급격한 저하 및 시스템 전체의 동작불능상태가 되는 것을 방지하는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 발전이루어지는 여러개의 단위셀이 적층되어 전기적인 직렬연결이 이루어진 발전기를 구비하는 연료전지에 있어서,

   상기 각각의 단위셀들 또는 전체 발전기의 전압값을 검출하기 위해 각각의 단위셀 마다 설치되는 전압검출수단과,

   그 전압검출수단에 의해서 전압이 검출되는 각각의 단위셀들중 이상이 있는 단위셀을 스위칭하여 배제시키기 위한 각각의 스위치들을 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 성능저하방지장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 전압검출수단으로 저항이 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 성능저하방지장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 전압검출수단으로 캐패시터가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 성능저하방지장치.