KR20060037751A - 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 전원 공급 구조를 개선한 것으로, 수소와 산소의 전기 화학 반응에너지를 전기 에너지로 변환시키는 연료 전지부, 상기 연료 전지부의 출력단에 연결되어서 상기 연료 전지부에서 출력되는 구동 전압(VDD)이 기준 전압(Vref) 이상이면 과전압 감지 신호를 출력하는 과전압 감지부 및 상기 연료 전지부 및 과전압 감지부에 각각 연결되어 있으며, 상기 과전압 감지부에서 인가되는 과전압 감지 신호에 따라 온/오프되어 구동 전압을 출력/차단하는 스위칭부를 포함해서 이루어진다.
연료전지, 전기발생부, 스택, 전원, 스위칭, 전계효과 트랜지스터

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지부의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시한 스택의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 과전압 감지부 및 스위칭부의 구성을 보여주는 회로도이다.
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료 전지의 전원 공급 구조를 개선한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올과 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 산소 또는 산소를 포함한 공기의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
이러한 연료 전지는 메탄올 또는 에탄올 등을 개질하여 만들어진 수소를 연 료로 사용하여 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 갖는다.
이 같은 연료 전지는 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 스택(stack), 개질기(Reformer), 연료 탱크, 및 연료 펌프 등을 구비한다. 연료 전지 시스템은 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택에서 이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.
이처럼 스택의 전기 화학적 반응으로 얻어진 구동 전원은 전자 장치의 전원으로 사용이 되는데, 연료 전지에서 일어나는 전기 화학 반응이 불완전하게 일어나면 과전압이 발생하게 되고, 이렇게 발생한 과전압이 그대로 전자 장치에 전달이 된다. 이에 따라서, 전자 장치의 회로 소자에 손상을 일으키는 문제가 발생하고 있다.
이에, 본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 연료 전지의 전원 공급 구조를 개선해서 전자 장치의 손상을 미연에 방지할 수 있는 본 발명의 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료전지 시스템은,
수소와 산소의 전기 화학 반응에너지를 전기 에너지로 변환시키는 연료 전지부, 상기 연료 전지부의 출력단에 연결되어서 상기 연료 전지부에서 출력되는 구동 전압(VDD)이 기준 전압(Vref) 이상이면 과전압 감지 신호를 출력하는 과전압 감지부 및 상기 연료 전지부 및 과전압 감지부에 각각 연결되어 있으며, 상기 과전압 감지부에서 인가되는 과전압 감지 신호에 따라 온/오프되어 구동 전압을 출력/차단하는 스위칭부를 포함해서 이루어진다.
이때, 상기 과전압 감지부가,
비반전 입력단(+)이 상기 연료 전지부의 출력단에 연결되어 있고, 반전 입력단(-)이 기준 전압과 연결되어서 상기 비반전 입력단(+)을 통해서 입력된 구동 전압을 기준 전압과 비교해 감지 신호를 상기 스위칭부에 입력하는 비교기로 구성될 수 있다.
또한, 상기 스위칭부가,
소스 및 드레인 전극이 구동 전압의 공급 라인에 연결되어 있고, 게이트 전극이 상기 비교기로부터 감지 신호를 입력받아 온/오프되어 구동 전압을 출력/차단하는 접합형 전계효과 트랜지스터(JFET)로 구성될 수 있다.
바람직하게 상기 연료 전지부가,
수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부;와, 상기 전기 발생부로 수소와 산소를 공급하는 연료 공급원;을 포함해서 구성될 수 있다.
이때, 상기 연료 공급원은,
수소를 함유한 연료를 저장하는 연료 탱크, 상기 연료 탱크에 연결 설치되어 상기 연료를 전기 발생부로 공급하는 연료 펌프 및 상기 전기 발생부로 공기를 공 급하는 공기 펌프를 포함해서 구성될 수 있다.
이때, 상기 전기 발생부가 복수로 구비되며 상기 복수의 전기 발생부에 의한 적층 구조로 이루어진 스택을 형성함이 바람직하다.
또한, 상기 연료 공급원은, 상기 전기 발생부와 연료 탱크에 연결 설치되어 상기 연료 탱크로부터 연료를 공급받아 수소 가스를 발생시키고, 상기 수소 가스를 전기 발생부로 공급하는 개질기를 더 포함해서 구성될 수 있다.
이에 추가해서, 본 발명의 연료 전지 시스템은 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식, 또는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식으로 이루어질 수도 있다.
한편, 본 발명의 연료전지 시스템은,
수소와 산소의 전기 화학 반응에너지를 전기 에너지로 변환시켜 구동 전압을 획득하는 연료전지 시스템에 있어서, 상기 구동 전압(VDD)이 기준 전압(Vref) 이상이면 과전압 감지 신호를 출력하는 과전압 감지부 및 상기 과전압 감지부에서 인가되는 과전압 감지 신호에 따라 온/오프되어 구동 전압을 출력/차단하는 스위칭부;를 포함하는 구조로 이루어질 수도 있다.
이때 상기 과전압 감지부가,
비반전 입력단(+)으로 상기 구동 전압을 입력받고, 반전 입력단(-)이 기준 전압과 연결되어서 상기 비반전 입력단(+)을 통해서 입력된 구동 전압을 기준 전압과 비교해 감지 신호를 상기 스위칭부에 입력하는 비교기로 구성되는 것이 바람직하다.
또한 상기 스위칭부가,
게이트 전극이 상기 비교기로부터 입력된 감지 신호에 따라 온/오프되어 구동 전압을 출력/차단하는 접합형 전계효과 트랜지스터(JFET)로 구성되는 것이 더욱 바람직하다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 블록도이다.
이를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은 연료로부터 추출된 수소와 산소의 전기 화학 반응에 의한 에너지를 전기 에너지를 변환시켜 구동 전압을 공급하는 연료 전지부(10);와, 상기 구동 전압과 기준 전압을 비교해서 과전압이 발생되는지를 검사하는 과전압 감지부(20);와, 상기 과전압 감지부(20)에서 인가되는 과전압 감지 신호에 따라 온/오프되어 구동 전압을 선택적으로 전자 장치(40)(도면에서는 "L"로 표기하고 있으며, 이하에서는 '로드'라고 함)에 출력하는 스위칭부(30)를 포함해서 구성된다.
먼저, 상기 연료 전지부(10)는 도 2에서 도시한 바와 같이 구성될 수 있는데, 본 실시예의 연료 전지부(10)는 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 상기 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 생기는 화학 에너 지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용할 수 있다. 그리고, 본 명세서를 통해서 사용하는 연료는 협의(狹義)의 연료로서 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등과 같이 수소를 함유한 연료 이 외에, 광의(廣義)의 연료로서 물 및 산소를 포함한다.
그리고 본 실시예의 연료 전지부(10)는 수소와 반응하는 산소로서 별도의 저장수단에 저장된 순수한 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 이하에서는 공기를 사용하는 후자의 예를 가지고 설명한다.
본 실시예의 연료 전지부(10)는 기본적으로 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(11)와, 수소와 산소를 전기 발생부(11)로 공급하는 연료 공급원(15)을 포함해서 구성된다.
상기 전기 발생부(11)는 도 3에서 예시하고 있는 바처럼 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)(112)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터(Separator)('바이폴라 플레이트'라고도 함)(116)를 배치하여 전기 발생부(11)를 형성하고 있다. 이처럼 형성되는 전기 발생부(11)가 복수개가 구비되어 본 실시예와 같은 적층 구조의 스택(10)이 형성된다.
여기서, 전극-전해질 합성체(112)는 양측에 애노드 전극과 캐소드 전극을 구비하며, 수소와 공기 중의 산소를 산화/환원 반응시킨다. 그리고, 세퍼레이터(116)는 전극-전해질 합성체(112)의 양측에 수소와 산소를 함유한 공기를 공급하면서 인 접한 전극-전해질 합성체(112)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬 연결하고 있다.
한편, 연료 공급원(15)은 연료를 저장하는 연료 탱크(151);와, 이 연료 탱크(151)에 연결 설치되는 연료 펌프(152);와, 상기 연료 탱크(151)와 연결 설치되어 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급하는 개질기(153);와, 공기를 흡입하여 전기 발생부(11)로 공급하는 공기 펌프(154)를 포함하고 있다.
본 실시예의 연료 공급원(15)에 있어 개질기(153)는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 통상적인 개질기의 구조를 갖는다.
부연 설명하면, 개질기(153)는 일례로서, 수증기 개질, 부분산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료로부터 수소 가스를 발생시킨다. 그리고 개질기(153)는 수성가스 전환 방법, 선택적 산화 방법 등과 같은 촉매 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법으로 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킨다.
대안으로, 본 실시예의 연료 전지부(10)는 연료를 직접 전기 발생부(11)로 공급하여 전기를 생산해 낼 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수도 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 방식의 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리 도 2에 도시하고 있는 개질기(23)를 필요로 하지 않는다.
이하에서는 편의상 고분자 전해질형 연료 전지 방식을 채용한 연료 전지부(10)를 예로 들어 설명하나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
이 같은 구조를 갖는 연료 전지부(10)는 연료 펌프(152)의 작동으로 연료 탱크(151) 내의 연료를 개질기(153)로 공급하고, 이 개질기(153)에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택(11)에서 이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 구동 전압을 발생시켜 로드(40)에 공급한다.
이때, 상기 연료 전지부(10) 및 로드(40) 사이에 연결되어 있는 과전압 감지부(20) 및 스위칭부(30)가 동작해서 연료 전지부(10)의 오작동에 의해서 발생되는 과전압이 로드(40)로 전달되는 것을 방지한다.
한편, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 구성된 과전압 감지부 및 스위칭부의 회로 모습을 보여주고 있다. 이를 참조로 본 실시예에 따른 연료전지 시스템을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 실시예의 과전압 감지부(20)는 비반전 입력단(+)이 연료 전지부(10)의 출력단 접점에 연결되어 있고, 반전 입력단(-)은 기준 전압(Vref)을 입력 받도록 비교기로 구성되어 있다.
그리고, 스위칭부(30)는 소스 및 드레인 전극이 각각 구동 전압의 공급 라인에 연결되어 있고, 게이트 전극이 상기 과전압 감지부(20)에서 입력되는 과전압 감지 신호를 입력받도록 접합형 전계효과 트랜지스터(JFET)(이하, 'JFET')로 구성되어 있다. 또한, 이 접합형 전계효과 트랜지스터는 P-channel isolated JFET로 구성되어 있다.
이처럼 구성되는 본 실시예의 연료전지 시스템에서, JFET(30)는 게이트 전극에 전압이 인가되지 않는 초기 상태에서 턴온 상태를 유지하므로 ,연료 전지부(10)에서 출력되는 구동 전압(VDD)이 JFET(30)의 채널을 통해서 로드(40)로 공급된다.
이와 동시에, 연료 전지부(10)에서 출력된 구동 전압이 비교기(20)의 비반전 입력단(+)에 입력되어서 반전 입력단(-)에 입력된 기준 전압(Vref)과 비교된다.
이때, 비반전 입력단(+)에 입력된 구동 전압이 반전 입력단(-)에 입력된 기준 전압보다 작으므로 비교기는 로우 레벨의 과전압 감지 신호를 JFET(30)의 게이트 전극에 입력한다.
이에 따라서, 상기 JFET(30)는 턴온 상태를 유지해서 구동 전압(VDD)을 로드(L)에 공급하도록 동작한다.
상술한 동작 설명은 연료 전지부(10)가 정격 전압에 해당하는 구동 전압을 출력하는 예로써 설명을 하였으며, 이하에서는 정격 범위 이상의 구동 전압을 연료 전지부(10)가 출력하는 경우의 동작 상태를 설명하면 다음과 같다.
이때는 비교기(20)의 비반전 입력단(+)에 입력되는 구동 전압(VDD)이 반전 입력단(-)에 입력되는 기준 전압(Vref)보다 크기 때문에, 상기 비교기(20)는 하이 레벨의 과전압 감지 신호를 JFET의 게이트 전극에 입력한다.
이에 따라, 상기 JFET는 턴오프되어 연료 전지부(10)에서 공급되는 과전압이 로드(40)에 공급되는 것을 차단하게 된다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
본 발명에 따르면, 상술한 문제점을 해결해서 연료 전지의 오작동에 의해서 과전압이 전자 장치로 인가되는 것을 방지할 수가 있다. 또한, 상술한 실시예처럼 비교기 및 JFET로 회로 구성을 함으로써 연료전지 시스템의 회로 구성이 복잡해지는 문제를 해결해서 전자 장치에 쉽게 전원용으로 본 발명의 연료전지 시스템이 탑재 가능하도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명처럼 연료전지 시스템을 구비하게 되면 부품수를 최대로 줄여 생산 단가를 낮출 수가 있으며, 나아가서는 부피를 콤팩트하게 해서 연료전지 시스템을 구성할 수 있는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 수소와 산소의 전기 화학 반응에너지를 전기 에너지로 변환시키는 연료 전지부;
    상기 연료 전지부의 출력단에 연결되어서 상기 연료 전지부에서 출력되는 구동 전압(VDD)이 기준 전압(Vref) 이상이면 과전압 감지 신호를 출력하는 과전압 감지부; 및,
    상기 연료 전지부 및 과전압 감지부에 각각 연결되어 있으며, 상기 과전압 감지부에서 인가되는 과전압 감지 신호에 따라 온/오프되어 구동 전압을 출력/차단하는 스위칭부;를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 과전압 감지부가,
    비반전 입력단(+)이 상기 연료 전지부의 출력단에 연결되어 있고, 반전 입력단(-)이 기준 전압과 연결되어서 상기 비반전 입력단(+)을 통해서 입력된 구동 전압을 기준 전압과 비교해 감지 신호를 상기 스위칭부에 입력하는 비교기로 구성되는 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스위칭부가,
    소스 및 드레인 전극이 구동 전압의 공급 라인에 연결되어 있고, 게이트 전극이 상기 비교기로부터 감지 신호를 입력받아 온/오프되어 구동 전압을 출력/차단하는 접합형 전계효과 트랜지스터(JFET)로 구성되는 연료전지 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지부가,
    수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부;와, 상기 전기 발생부로 수소와 산소를 공급하는 연료 공급원;을 포함해서 이루어지는 연료전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 연료 공급원은,
    수소를 함유한 연료를 저장하는 연료 탱크;
    상기 연료 탱크에 연결 설치되어 상기 연료를 전기 발생부로 공급하는 연료 펌프; 및
    상기 전기 발생부로 공기를 공급하는 공기 펌프;를 포함하는 연료전지 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 전기 발생부가 복수로 구비되며 상기 복수의 전기 발생부에 의한 적층 구조로 이루어진 스택을 형성하는 연료전지 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 연료 공급원은, 상기 전기 발생부와 연료 탱크에 연결 설치되어 상기 연료 탱크로부터 연료를 공급받아 수소 가스를 발생시키고, 상기 수소 가스를 전기 발생부로 공급하는 개질기를 포함하는 연료전지 시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템이, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어지는 연료전지 시스템.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템이, 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식으로 이루어지는 연료전지 시스템.
  10. 수소와 산소의 전기 화학 반응에너지를 전기 에너지로 변환시켜 구동 전압을 획득하는 연료전지 시스템에 있어서,
    상기 구동 전압(VDD)이 기준 전압(Vref) 이상이면 과전압 감지 신호를 출력하는 과전압 감지부; 및,
    상기 과전압 감지부에서 인가되는 과전압 감지 신호에 따라 온/오프되어 구 동 전압을 출력/차단하는 스위칭부;를 포함하는 연료전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 과전압 감지부가,
    비반전 입력단(+)으로 상기 구동 전압을 입력받고, 반전 입력단(-)이 기준 전압과 연결되어서 상기 비반전 입력단(+)을 통해서 입력된 구동 전압을 기준 전압과 비교해 감지 신호를 상기 스위칭부에 입력하는 비교기로 구성되는 연료전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 스위칭부가,
    게이트 전극이 상기 비교기로부터 입력된 감지 신호에 따라 온/오프되어 구동 전압을 출력/차단하는 접합형 전계효과 트랜지스터(JFET)로 구성되는 연료전지 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180059071A (ko) * 2016-11-25 2018-06-04 엘지디스플레이 주식회사 표시 장치 구동 회로와 이를 포함하는 표시 장치
CN109546185A (zh) * 2019-01-08 2019-03-29 中氢新能技术有限公司 一种甲醇重整燃料电池的控制系统

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