KR20040072735A - 배터리 장치 및 연료 전지 시스템 - Google Patents

배터리 장치 및 연료 전지 시스템 Download PDF

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KR20040072735A KR10-2004-7011246A KR20047011246A KR20040072735A KR 20040072735 A KR20040072735 A KR 20040072735A KR 20047011246 A KR20047011246 A KR 20047011246A KR 20040072735 A KR20040072735 A KR 20040072735A
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휴렛-팩커드 컴퍼니(델라웨어주법인)
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Abstract

본 발명은 휴대형의 폐기 가능 연료 배터리 장치(500)와, 적어도 하나의 연료 전지인, 연료 전지 스택(202)을 구비하는 연료 전지 시스템(200)을 위한 휴대형 폐기 가능 연료 배터리 장치(220)와, 연료 전지 시스템(200)을 구비하는 핸드핼드형 장치(220)에 휴대형 폐기 가능 연료 배터리 장치(220)를 제공하는 방법(300, 400)을 제공한다. 일 실시예에서, 휴대형 폐기 가능 연료 배터리 장치(220)는 적어도 하나의 연료 전지에 연료를 제공하는 연료 구획(208) 및 연료 구획(208)에 부착되어 있고 적어도 하나의 연료 전지에 스타트업 에너지를 제공하는 폐기 가능 전력 배터리(204)를 제공한다.

Description

배터리 장치 및 연료 전지 시스템{PORTABLE DISPOSABLE FUEL-BATTERY UNIT FOR A FUEL CELL SYSTEM}
전형적으로, 연료 전지는 정지형 전력(stationary power), 자동차용 전력을 위해 또는 공간 프로그램 애플리케이션을 위해 사용되어 왔다. 전형적으로, 단일의 연료 전지는 상대적으로 소량의 에너지를 생성하기 때문에, 연료 전지 시스템은 일반적으로 셀의 스택과 BOP(Balance of Plant)라 불리는 지원 시스템을 구비한다. BOP 시스템은 전력 소모적 구성요소, 예컨대 히터와 압력을 공급하는 송풍기(blowers)를 구비한다. 휴대용 연료 전지 시스템을 스타트업(startup)하기 위해서는, BOP 시스템의 요구를 충족시키기에 충분한 전력을 생성할 때까지 연료 전지가시스템에 전력을 제공할 필요가 있다. 스타트업 시간 동안에, 연료 전지에 부착되는 배터리가 전력을 제공할 수 있다. 따라서, 자동차 배터리가 엔진을 스타트업하기 위한 에너지를 공급하기 위해 사용되고, 엔진이 작동 중이면 충전되는 자동차 시스템과 유사하게 연료 전지는 스타트업하기 위한 보조 전력을 필요로 한다.
보조 전지가 모터에 결합되고, 연료 전지로 형성된 에너지 배터리가 에너지 배터리 제어 스위치를 통해 전력 배터리에 병렬로 접속된 전력 배터리를 이용하는 전기 자동차가 개발되었지만, 이러한 하이브리드 시스템(hybrid system)은 전기 자동차를 동작시키기 위해 사용자가 전력 배터리를 구하고 유지할 것을 필요로 한다.
휴대용 연료 전지는 충분히 작고, 보통 사람이 쉽게 지닐만큼 충분히 경량일 필요가 있다. 따라서, 조작자가 전력 배터리를 별도로 구하고 전력 배터리를 유지할 필요가 없는 휴대용 연료 전지 시스템이 유용할 것이다.
본 발명은 휴대용 연료 전지(fuel cells)에 관한 것이고, 보다 구체적으로는, 휴대용 연료 전지의 스타트업(start-up)에 관한 것이다. 연료 전지는 전형적으로, 수소가 전자로 분열되도록 촉진하고, 애노드(anode)를 통해 전자를 외부 회로에 도통시키고, 산소가 촉매 작용을 받으면 형성되는 산소 이온과 수소 이온을 반응시킴으로써 전기 화학 에너지를 전기로 변환시킨다.
도 1은 기술 분야에 알려져 있는 연료 전지(fuel cell)의 일 실시예의 블록도,
도 2는 본 발명에 따른 폐기 가능 연료 컨테이너(disposable fuel container)의 구획에 경량의 보조 전력 배터리를 구비하는 연료 전지 스택 및 연료 전지 배터리를 이용하는 핸드핼드형 장치의 일 실시예의 블록도,
도 3은 본 발명에 따른 방법의 단계의 일 실시예의 순서도,
도 4는 본 발명에 따른 방법의 단계의 또 다른 실시예의 순서도,
도 5는 본 발명에 따른 휴대용의 폐기 가능 연료 전지 일 실시예의 블록도,
도 6(a)는 본 발명에 따른 휴대용의 폐기 가능 연료 전지를 구비하는 연료 전지 시스템의 또 다른 실시예의 블록도, 도 6(b)는 연료 전지 시스템 일 실시예의 측면도, 도 6(c)는 휴대용의 폐기 가능 연료 전지 장치 일 실시예의 측면도.
발명의 개요
본 발명은 휴대용의 폐기 가능(disposable) 연료 배터리 장치와, 적어도 하나의 연료 전지, 연료 전지 스택을 구비하는 연료 전지 시스템을 위한 휴대용의 폐기 가능 연료 배터리 장치와, 핸드핼드형 장치에 휴대용의 폐기 가능 연료 배터리 장치를 제공하는 방법을 제공한다. 일 실시예에서, 휴대용의 폐기 가능 연료 배터리 장치는 적어도 하나의 연료 전지에 연료를 제공하는 연료 구획(fuel compartment) 및 연료 구획에 부착되어 있고 적어도 하나의 연료 전지에 스타트업에너지를 제공하는 폐기 가능 전력 배터리를 제공한다.
본 발명의 실시예에서, 연료 전지 시스템(fuel cell system)에는 폐기 가능 연료 컨테이너의 구획에 배치되는 경량의 보조 전력 배터리가 제공된다. 원하는 경우, 보조의 전력 배터리는 연료 전지 스택이 활성화되어, 연료 전지가 배터리로서 동작하기에 충분한 전력을 확보하고, 점적 충전에 사용될 수 있는 여분의 전력을 가지는 충분한 에너지를 생성한 후에 연료 전지 스택에 의해 점적 충전(trickle-charged)될 수 있다. 연료 공급이 고갈되자마자, 휴대용 연료 배터리 장치는 새로운 연료 배터리 장치에 모든 연료 재충전이 이루어지도록 배치된다. 따라서, 스타트업 배터리는 제한된 회수의 방전-충전 싸이클(discharge-recharge cycles)을 제공하는 것만 필요로 하여, 폐기 가능 연료 컨테이너와 별도의 배터리를 사용하는 것보다 저비용으로 구현될 수 있다.
전형적으로, 수소 또는 메탄올과 같은 연료가 사용될 수 있다.
종래의 기술 실시예에서, 도 1에 도시한 바와 같이, 연료 전지(100)는 연료를 애노드(anode)(104)에 주입하기 위해 연료 주입구(116) 및 공기나 산소 주입구(114)를 가진다. 예컨대, 메탄올이나 수소는 연료 전지를 위한 연료로서 이용될 수 있다. 일 실시예에서, 리포머(reformer)(102)는 연료를 수소로 변환하고, 그 후 애노드(104)에 전달하도록 애노드에 결합될 수 있다. 수소가 사용되면, 리포머(102)는 연료 전지(100)로부터 제거될 수 있다.
도 1에 도시한 실시예에서, PEM(proton exchange medium)(108)이 애노드(104)와 캐소드(112)를 분리시키고, 제 1 촉매층(first catalyst layer)(110)이 캐소드(112)와 PEM(108) 사이에 놓이고, 제 2 촉매층(second catalyst layer)(106)이 애노드(104)와 PEM(108) 사이에 놓인다. PEM(108)이 전자를 차단시켜서, 애노드(104)에서 수소로부터 분리된 전자는 애노드(104)를 통하여 외부 전기 부하(118)로 흐르게 된다. 애노드에서 형성되는 수소 이온은 PEM(108) 및 제 1 촉매층(110)을 관통하는데, 여기서 수소 이온은, 부하(118)로부터 제 1 촉매층(110)을 통하여 캐소드(112)로 흐르는 전자 및 산소 이온과 결합하여, 물이나 수증기를 형성하고 캐소드(112)의 제어된 배출구(120)로 방출된다.
전형적으로, 단일의 연료 전지에서의 반응은 저전압 출력을 생성한다. 보다 큰 전압을 제공하기 위해, 일반적으로 다수의 연료 전지가 직렬로 결합되어 연료 전지 스택을 형성한다. 보다 많은 전류를 제공하기 위해, 일반적으로 다수의 연료 전지가 병렬로 결합되어 연료 전지 스택을 형성한다. 특정한 전력 요구사항을 제공하기 위해, 다수의 연료 전지는 직렬 및 병렬의 조합으로 결합되어 연료 전지 스택을 형성한다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 본 발명은 폐기 가능한 경량의 보조 전력 배터리(204)가 연료 배터리 장치(220)의 구획(compartment)에 배치되어 있고, 폐기 가능 연료 배터리 장치(220)에 결합되는 연료 전지 스택을 형성하는 다수의 연료 전지(202)를 구비하는 연료 전지 시스템(200)을 제공한다. 예컨대, 도 1에 도시한 연료 전지(100)와 유사한 다수의 연료 전지가 쌓여 연료 전지 스택을 형성할 수 있다. 폐기 가능 연료 컨테이너(220)에는 예컨대 수소와 같은 연료를 위한 구획(208) 및 보조 전력 배터리(204)를 위한 또 다른 구획이 있다.
다수의 연료 전지(202)의 스택은 일반적으로 필요에 따라 직렬 및/또는 병렬로 결합된다. 전형적으로, 연료 전지 시스템(200)은 리드(lid)(216), 예컨대, 맞물릴 수 있는 조임쇠(snappable fastener)(도시되어 있지 않음)가 있는 리드를 구비하는 쉘(218)에 배치된다. 리드(216)는 연료 전지(202) 스택 근방의 쉘(218)내의 챔버(220)에 접속한다. 리드(216)는 휴대용의 폐기 가능 연료 배터리 장치(220)가 삽입될 수 있는 연료 전지 시스템(200) 내의 챔버에 접속한다. 보조 전력배터리(204)의 기능은 1) 간료성을 위해 도시되어 있지는 않은 BOP에 스타트업 전력을 제공하고 2) 연료 전지 시스템(200)이 충분히 빠르게 응답할 수 없는 일시적인 요구를 위한 백업 전력(back-up power)을 제공하고, 3) 연료 전지 스택이 전력 업되는 동안 순간 전력을 제공하는 것이다.
핸드핼드형 장치(240)는 연료 전지 시스템(200)에 의해 전원공급이 이루어질 수 있다. 따라서, 도 2는 연료 구획(208)이 있는 폐기 가능 연료 컨테이너의 구획에 보조 전력 배터리(204)를 구비하는 연료 전지 시스템 및 본 발명에 따른 연료 전지 시스템을 이용하는 핸드핼드형 장치(240) 일 실시예의 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 방법 단계의 일 실시예의 순서도이다. 이 방법은 스타트업 에너지 장치를 휴대용 연료 전지 배터리의 연료 소스와 결합시킨다. 일 실시예에서, 방법의 단계들은 휴대용 연료 셀 배터리를 위한 멀티 구획 컨테이너를 제조(302)하는 단계와, 컨테이너의 제 1 구획에 연료를 저장(304)하는 단계와, 컨테이너의 제 2 구획에 경량의 보조 전력 배터리를 배치(306)하는 단계를 포함한다. 예컨대, 연료는 수소 또는 메탄올일 수 있다. 원하는 경우, 휴대용 연료 전지 배터리가 활성화되어 충분한 에너지를 산출하면, 휴대용 연료 전지 스택은 폐기 가능 배터리의 점적 충전을 위한 에너지원으로서 사용될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 방법 단계의 또 다른 실시예의 순서도이다. 이 방법은 연료 전지 배터리를 위한 휴대용의 폐기 가능 연료 배터리 장치를 제조해서 휴대용의 폐기 가능 연료 배터리 장치가 연료 전지 배터리에 스타트업 에너지 및 연료를 동시에 제공할 수 있다. 도 4의 실시예에서, 이 방법은 휴대용의 폐기 가능연료 배터리 장치를 위한 폐기 가능 멀티 구획 컨테이너를 제조(402)하는 단계와, 멀티 구획 컨테이너의 제 1 구획에 연료를, 그리고 제 2 구획에 경량의 보조 전력 배터리를 제공(404)하는 단계를 포함한다. 전형적인 연료는 예컨대, 수소 또는 메탄올일 수 있다. 위에서 설명한 바와 같이, 원하는 경우에 연료 전지 스택이 충분한 에너지를 공급하도록 활성화되면, 폐기 가능 배터리의 점적 충전을 위한 에너지원으로서 사용(406)될 수 있다. 일 실시예에서, 연료 전지 배터리는 다수의 쌓인 연료 전지를 포함한다.
도 5는 본 발명에 따른 휴대용의 폐기 가능 연료 배터리 장치의 일 실시예의 블록도이다. 배터리가 인에이블된 폐기 가능 연료 컨테이너는 연료 전지 배터리에 스타트업 에너지를 제공하기 위해 사용된다. 일반적으로, 휴대용의 폐기 가능 연료 배터리(500)는 연료 컨테이너에 보조 배터리(504)가 부착되어 있는 연료 전지 스택(도시되어 있지 않음)을 위한 연료 컨테이너(502)를 포함한다. 또, 연료는 예컨대, 수소 또는 메탄올일 수 있다. 원하는 경우에, 위에서 설명한 바와 같이, 연료 전지 배터리는 배터리가 인에이블된 폐기 가능 연료 컨테이너(500)의 보조 배터리(504)를 점적 충전할 수 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 배터리가 인에이블된 폐기 가능 연료 컨테이너는 연료 전지 스택으로부터 점적 충전을 수신하는 회로를 포함할 수 있다. 또한, 배터리가 인에이블된 폐기 가능 연료 컨테이너는 연료 전지 스택으로 쌓여있는 연료 전지(202)로의 연료 접속 시스템을 포함할 수 있다.
도 6(a)는 본 발명에 따른 휴대용의 폐기 가능 연료 배터리 장치를 구비하는 연료 전지의 또 다른 실시예의 블록도이다. 도 6(b)는 연료 전지의 일 실시예의측면도이고, 도 6(c)는 휴대용의 폐기 가능 연료 배터리 장치의 일 실시예의 측면도이다. 전형적인 연료 전지는 종래 기술에 알려져 있는 바와 같이, BOP(Balance of Plant)(604)에 결합되어 있는 연료 전지 스택(602)을 포함한다. 휴대용의 폐기 가능 연료 배터리 장치는 메탄올 연료(606)를 위한 구획 및 보조 배터리(BAT)(608)를 포함한다. 휴대용의 폐기 가능 연료 배터리 장치(도 6(c))는 연료 전지(도 6(b))와 맞물리고(snaps together with), 연료 접속 시스템(610)은 구획에 메탄올 연료(606)를 연결시키고, 일련의 전기 콘택트(612)는 휴대용의 폐기 가능 연료 배터리 장치를 BOP(604)의 전기 시스템(도시되어 있지 않음)과 접속시킨다. 연료 전지 스택은 당업자들에게 잘 알려져 있으므로, 본 명세서에서 더 설명하지 않을 것이다. 도 6에 도시한 실시예에서, 직접 메탄올 연료 전지가 이용된다. 그러나, 다른 유형의 연료 전지가 이용될 수 있다. 예컨대, 수소 연료 셀이 사용될 수 있다. 당업자들에게 알려져 있는 바와 같이, BOP(604)는 물과 이산화탄소를 배출할 뿐만 아니라 연료를 혼합하여 스택에 전달하는 수단을 포함한다. 휴대용의 폐기 가능 연료 배터리 장치는 메탄올 연료 구획(606)과, 간단히 대체함으로써 새로운 연료 충전때마다 새로이 되는 보조 배터리(608)를 포함한다. 휴대용의 폐기 가능 연료 배터리 장치를 위한 메탄올 연료(606)를 포함하는 구획은 연료 및 전기 접속을 용이하게 하는 방식으로 연료 전지에 맞물려진다. 이러한 접속의 일 실시예만 도시되어 있지만, 기타 다수의 적합한 접속이 사용될 수 있고, 본 발명의 일부인 것으로 이해할 수 있다. 원하는 경우, 보조 배터리(BAT)(608)는 연료 셀이 동작 중이면, 점적 충전되어 보조 배터리의 수명을 연장할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따라, 휴대용의 폐기 가능 연료 배터리 장치와, 적어도 하나의 연료 전지, 연료 전지 스택을 구비하는 연료 전지 배터리를 위한 휴대용의 폐기 가능 연료 배터리 장치와, 연료 전지 스택을 구비하는 핸드핼드형 장치에 휴대용의 폐기 가능 연료 배터리 장치를 제공하는 방법이 설명되었다. 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 본 명세서에 설명하고 도시한 방법 및 구조 내로 여러 변형예가 가능하다. 이에 따라서, 본 명세서에서 설명한, 휴대용의 폐기 가능 연료 배터리 장치와, 적어도 하나의 연료 전지, 연료 전지 스택을 구비하는 연료 전지 시스템을 위한 휴대용의 폐기 가능 연료 배터리 장치와, 연료 전지 스택을 구비하는 핸드핼드형 장치에, 휴대용의 폐기 가능 연료 배터리 장치를 제공하는 방법은 단지 예시적이며, 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니라는 것을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 적어도 하나의 연료 전지(fuel cell)를 구비하는 연료 전지 시스템을 위한 휴대용의 폐기 가능 연료 배터리 장치(portable disposable fuel-battery unit)(500)로서,
    연료 전지 스택에 연료를 제공하기 위한 연료 구획(fuel compartment)(502)과,
    상기 연료 구획에 부착되어 상기 연료 전지 시스템에 스타트업 에너지(start-up energy)를 제공하는 폐기 가능 전력 배터리(504)를 포함하는
    연료 배터리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택은, 충분한 에너지를 제공하도록 활성화되면, 상기 폐기 가능 배터리의 점적 충전(trickle charge)을 위한 에너지원인
    연료 배터리 장치.
  3. 휴대용의 폐기 가능 연료 배터리 장치를 구비하는 연료 전지 시스템(200)으로서,
    상기 휴대용의 폐기 가능 연료 배터리 장치(220)에 결합되어 전기 에너지를 제공하는 다수의 연료 전지(202)를 포함하되,
    상기 휴대용의 폐기 가능 배터리 장치(220)는,
    상기 적어도 하나의 연료 전지에 연료를 제공하기 위한 연료 구획(208)과,
    상기 연료 구획(208)에 부착되어 상기 다수의 연료 셀(202)에 스타트업 에너지(start-up energy)를 제공하는 폐기 가능 전력 배터리(204)를 포함하는
    연료 전지 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 다수의 연료 전지(202)는, 활성화되면 상기 폐기 가능 전력 배터리(204)를 점적 충전하기 위한 에너지원인 연료 전지 시스템.
  5. 스타트업 에너지 장치(startup energy unit)와 휴대용 연료 전지 시스템을 위한 연료 소스를 결합하는 방법(300)으로서,
    상기 휴대용 연료 전지 시스템을 위한 멀티 구획 컨테이너를 제조하는 단계(302)와,
    상기 컨테이너의 제 1 구획에 연료를 저장하는 단계(304)와,
    상기 컨테이너의 제 2 구획에 보조 전력 배터리를 배치하는 단계(306)를 포함하는
    결합 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 휴대용 연료 전지 시스템은, 충분한 에너지를 제공하도록 활성화되면, 상기 폐기 가능 배터리를 점적 충전하기 위한 에너지원인 결합 방법(300).
  7. 연료 전지 시스템을 위한, 배터리가 인에이블된 폐기 가능 연료 컨테이너(500)로서,
    보조 배터리(504)가 부착되어 있고 상기 연료 전지 시스템을 위한 연료 컨테이너(502)를 포함하는
    연료 컨테이너.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템으로부터 점적 충전을 수신하는 회로(222)를 더 포함하는 연료 컨테이너.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템에서 다수의 쌓여 있는 연료 전지로의 연료 접속 시스템(224)을 더 포함하는 연료 컨테이너.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 연료 전지 배터리(614)는 연료(610) 및 전기(612) 접속을 설정하기 위해 배터리가 인에이블된 폐기 가능 연료 컨테이너(616)에 맞물려(snappably) 접속 가능한 연료 컨테이너.
KR10-2004-7011246A 2002-01-22 2003-01-21 배터리 장치 및 연료 전지 시스템 KR20040072735A (ko)

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US10/056,176 2002-01-22
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