KR20060050279A - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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KR20060050279A
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마사아끼 고노또
마사야 후지이
가즈히로 세오
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산요덴키가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 고효율화 및 제어의 간소화를 도모할 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해, 연료 공급부(2)는, 연료 전지 스택(1)이 소정의 전력을 발전시키기 위해 필요한 연료를 연료 전지 스택(1)에 공급한다. 모드 제어 회로(5)는, 연료 전지 스택(1)의 출력 전력이 부하 전력보다 큰 경우, 양방향 DC/DC 컨버터(4)에게 연료 전지 스택(1)의 출력 전력을 이용하여 2차 전지(3)를 충전하는 동작(충전 동작)을 하게 하고, 연료 전지 스택(1)의 출력 전력이 부하 전력보다 작은 경우, 양방향 DC/DC 컨버터(4)에게 2차 전지(3)의 출력 전압을 소정의 전압으로 변환하여 출력하는 동작(방전 동작)을 하게 한다. 그리고, 상기 소정의 전압을 연료 전지 스택(1)의 출력 전압과 대략 동일하게 설정하여, 연료 전지 스택(1)의 출력 전력을 상기 소정의 전력으로 일정하게 제어한다.
연료 전지 스택, 2차 전지, 양방향 DC/DC 컨버터, 모드 제어 회로, 공급 연료량 제어부

Description

연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
도 1은, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 일 구성예를 도시하는 도면.
도 2는, 연료 전지 스택의 전류-전압 특성 및 전류-전력 특성을 나타내는 도면.
도 3은, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템이 구비하는 양방향 컨버터의 일 구성예를 도시하는 도면.
도 4는, 도 1에 도시하는 연료 전지 시스템의 변형예를 나타내는 도면.
도 5는, 연료 전지 스택의 전류-전압 특성 및 전류-전력 특성을 나타내는 도면.
도 6은, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 다른 구성예를 도시하는 도면.
도 7은, 연료 전지 스택의 전류-전압 특성 및 전류-전력 특성을 나타내는 도면.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 연료 전지 스택
2, 2' : 연료 공급부
3 : 2차 전지
4 : 양방향 DC/DC 컨버터
5, 5' : 모드 제어 회로
6 : 부하
7, 8 : 부하 전력 검출부
9 : 출력 전력 판정부
10 : 공급 연료량 제어부
[특허 문헌 1] 일본 특개 제2004-71260호 공보
본 발명은, 연료 전지와 2차 전지의 병렬 시스템인 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
최근, 연료 전지와 2차 전지의 병렬 시스템인 연료 전지 시스템이 여러가지 개발되고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조). 통상적으로, 연료 전지와 2차 전지의 병렬 시스템인 연료 전지 시스템에서는, 정기적으로 소정량의 연료가 연료 전지에 공급된다. 연료 전지로부터 취출할 수 있는 전력은 반응 연료량에 거의 비례한다. 그리고, 부하가 요구하는 전력에 따라 반응 연료량이 변화되며, 반응에 이용되지 않는 연료는 회수되어 재이용된다. 또한, 연료 전지로부터 취출할 수 있는 전력만으로는 부하가 요구하는 전력에 도달하지 않는 경우에는 부족분을 2차 전지의 출력 전력이 보충한다.
그러나, 상기 시스템에서는, 미반응 연료의 회수 시에 손실이 발생하기 때문에, 공급 연료량에 대하여 연료 전지의 발전 전력이 작은 경우, 연료 전지 시스템의 효율이 저하된다는 문제가 있었다.
이러한 문제를 해결하는 방법으로서, 부하가 요구하는 전력에 따라 공급 연료량을 제어하여 미반응 연료를 없애는 방법이 있다.
그러나, 부하가 요구하는 전력에 따라 공급 연료량을 제어하여 미반응 연료를 없애는 방법에서는, 과도적인 부하 변동에 대응하기 위해서는 고속 제어가 필요하며, 또한, 미반응 연료를 확실하게 없애기 위해서는 고정밀도 제어가 필요하기 때문에, 제어가 복잡해진다는 문제가 있었다.
본 발명은, 상기의 문제점을 감안하여, 고효율화 및 제어의 간소화를 도모할 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 연료 전지와 2차 전지의 병렬 시스템인 연료 전지 시스템으로서, 상기 연료 전지와, 상기 연료 전지가 소정의 전력을 발전시키기 위해 필요한 연료를 상기 연료 전지에 공급하는 연료 공급부와, 상기 2차 전지와, 상기 2차 전지의 출력 전압을 소정의 전압으로 변환하여 출력하는 동작과 상기 연료 전지의 출력 전력을 이용하여 상기 2차 전지를 충전하는 동작을 선택적으로 행하는 양방향 DC/DC 컨버터와, 외부 부하가 연료 전지 시스템에 대하여 요구하는 전력인 부하 전력을 검출하는 부하 전력 검출부 와, 상기 부하 전력 검출부의 검출 결과를 입력하여, 상기 2차 전지의 출력 전압을 소정의 전압으로 변환하여 출력하는 동작을 상기 양방향 DC/DC 컨버터에게 하도록 하고 있을 때에 상기 연료 전지의 출력 전력이 상기 부하 전력보다 크다고 판정되면 상기 양방향 DC/DC 컨버터의 동작을 상기 연료 전지의 출력 전력을 이용하여 상기 2차 전지를 충전하는 동작으로 절환하고, 상기 2차 전지의 출력 전압을 소정의 전압으로 변환하여 출력하는 동작을 상기 양방향 DC/DC 컨버터에게 하도록 하고 있을 때에 상기 연료 전지의 출력 전력이 상기 부하 전력보다 작다고 판정되면 상기 양방향 DC/DC 컨버터의 동작을 상기 2차 전지의 출력 전압을 소정의 전압으로 변환하여 출력하는 동작의 상태에서 함과 함께, 상기 연료 전지의 출력 전력을 이용하여 상기 2차 전지를 충전하는 동작을 상기 양방향 DC/DC 컨버터에게 하도록 하고 있을 때에 상기 연료 전지의 출력 전력이 상기 부하 전력보다 크다고 판정되면 상기 양방향 DC/DC 컨버터의 동작을 상기 연료 전지의 출력 전력을 이용하여 상기 2차 전지를 충전하는 동작의 상태에서 하고, 상기 연료 전지의 출력 전력을 이용하여 상기 2차 전지를 충전하는 동작을 상기 양방향 DC/DC 컨버터에게 하도록 하고 있을 때에 상기 연료 전지의 출력 전력이 상기 부하 전력보다 작다고 판정되면 상기 양방향 DC/DC 컨버터의 동작을 상기 2차 전지의 출력 전압을 소정의 전압으로 변환하여 출력하는 동작으로 절환하는 제어부를 구비하며, 상기 소정의 전압을 상기 연료 전지의 출력 전압과 대략 동일하게 설정하여, 상기 연료 전지의 출력 전력을 상기 소정의 전력으로 일정하게 제어하고 있다.
이러한 구성에 의하면, 상기 연료 전지의 출력 전력이 상기 부하 전력보다 큰 경우, 즉 잉여 전력이 발생하고 있는 경우에는 잉여 전력이 상기 2차 전지에 충전되며, 상기 연료 전지의 출력 전력이 상기 부하 전력보다 작은 경우, 즉 전력 부족이 발생하고 있는 경우에는 상기 2차 전지의 출력 전력에 의해 전력 부족이 보충되어, 상기 연료 전지 스택의 출력 전력이 상기 소정의 전력으로 일정하게 제어된다. 이에 따라, 연료 전지의 고효율화를 도모할 수 있다. 또한, 상기 제어부가 행하는 상기 양방향 DC/DC 컨버터의 동작 절환 제어는 과도적인 부하 변동에도 간단히 대응할 수 있다. 따라서, 상기 구성의 연료 전지 시스템에서는, 고정밀도·고속의 연료 제어가 불필요하기 때문에, 제어의 간소화를 도모할 수 있다.
또한, 2차 전지가 가득 충전되어 있거나 2차 전지의 잔류 용량이 없어질 우려를 줄일 수 있는 관점으로부터, 상기 연료 공급부가 상기 연료 전지에 공급하는 연료량을 가변하여, 상기 소정의 전력 및 상기 소정의 전압을 복수 설정할 수 있도록 하여도 된다. 예를 들면, 상기 부하 전력 검출부의 검출 결과에 따라 상기 연료 공급부가 상기 연료 전지에 공급하는 연료량을 가변하도록 하면 된다.
또한, 상기 어느 하나의 구성의 연료 전지 시스템에서, 상기 양방향 DC/DC 컨버터로부터 상기 외부 부하에 전력이 공급되어 있는지의 여부를 판정하는 출력 전력 판정부와, 상기 부하 전력 검출부의 검출 결과 및 상기 출력 전력 판정부의 판정 결과를 입력하여, 상기 부하 전력이 상기 소정의 전력의 값 미만임에도 불구하고 상기 양방향 DC/DC 컨버터로부터 상기 외부 부하에 전력이 공급되어 있으면, 상기 연료 전지에 연료를 공급하도록 상기 연료 공급부를 제어하는 공급 연료량 제어부를 구비하도록 하여도 된다.
이러한 구성에 의하면, 상기 부하 전력이 상기 소정의 전력의 값 미만임에도 불구하고 상기 양방향 DC/DC 컨버터로부터 상기 외부 부하에 전력이 공급되어 있으면, 상기 연료 전지에 연료가 공급되므로, 연료 전지의 연료 부족을 해소할 수 있다.
또한, 상기 어느 하나의 구성의 연료 전지 시스템에서, 상기 연료 공급부가, 상기 연료 전지 시스템의 출력에 기초하는 전력을 동작 전원으로서 이용하도록 하여도 된다. 이에 따라, 연료 공급부용 전원을 별도로 설치할 필요가 없어진다.
〈실시예〉
본 발명의 일 실시예에 대하여 도면을 참조하여 이하에 설명한다. 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 일 구성예를 도 1에 도시한다. 또한, 도 1에 도시하는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템이 구비하는 연료 전지 스택(1)의 전류-전압 특성 곡선 TI-V 및 전류-전력 특성 곡선 TI-P를 도 2에 나타낸다.
도 1에 도시하는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 연료 전지와 2차 전지의 병렬 시스템으로서, 연료 전지 스택(1)과, 연료 공급부(2)와, 2차 전지(3)와, 양방향 DC/DC 컨버터(4)와, 모드 제어 회로(5)와, 부하 전력 검출부(7)를 구비하고 있다.
연료 공급부(2)는 정기적으로 일정량의 연료를 연료 전지 스택(1)에 공급한다. 연료 전지 스택(1)은, 부하(6)가 요구하는 전력에 관계없이, 도 2 중의 최대 전력 Pmax 혹은 약간 작은 전력 Pc로 일정하게 출력이 제어된다.
2차 전지(3)의 플러스극이 양방향 DC/DC 컨버터(4)의 일단에 접속된다. 또한, 연료 전지 스택(1)의 출력단과 양방향 DC/DC 컨버터(4)의 타단이 공통 접속되며, 부하(6)에 접속된다.
부하 전력 검출부(7)는, 부하(6)가 연료 전지 시스템에 대하여 요구하는 전력(이하, 부하 전력이라 함)을 검출하고, 그 검출 결과를 모드 제어 회로(5)에 출력한다. 예를 들면, 부하(6)가 DC/DC 컨버터인 경우, 상기 DC/DC 컨버터의 출력 전압은 소정의 설정값으로 고정되기 때문에 상기 DC/DC 컨버터의 출력 전류를 검출함으로써 부하 전력 검출부(7)는 부하 전력을 검출할 수 있다.
모드 제어 회로(5)는, 부하 전력 검출부(7)의 출력에 따라, 양방향 DC/DC 컨버터(4)의 모드를 제어한다.
또한, 연료 공급부(2)는, 연료 전지 시스템의 출력에 기초하는 전력을 동작 전원으로서 이용한다. 즉, 도 1에서는 설명의 편의상 연료 공급부(2)와 부하(6)를 나누어 도시하고 있지만, 실제로는 연료 공급부(2)가 부하(6)의 일부를 구성하고 있다.
양방향 DC/DC 컨버터(4)는, 2차 전지(3)의 충방전을 가능하게 하는 구성이다. 양방향 DC/DC 컨버터(4)는, 방전 모드 시에 2차 전지(3)의 출력 전압을 승압하여 부하(6)로 출력하는 한편, 충전 모드 시에 연료 전지 스택(1)으로부터 공급되는 전압을 강압하여 2차 전지(3)로 출력한다. 또한, 방전 모드 시의 양방향 DC/DC 컨버터(4)의 출력 전압 설정값 Vop는, 동작 포인트 OP1 및 OP2에서 동작할 때의 연료 전지 스택(1)의 출력 전압값에 일치시킨다.
여기서, 양방향 DC/DC 컨버터(4)의 일 구성예를 도 3에 도시한다. 양방향 DC/DC 컨버터(4)는, 2차 전지(3)(도 3에서 도시 생략)에 접속되는 단자(4A)와, 코일(4B)과, 컨덴서(4C)와, 방전용 스위칭 소자(4D)와, 충전용 스위칭 소자(4E)와, 컨덴서(4F)와, 연료 전지 스택(1)(도 3에서 도시 생략) 및 부하(6)(도 3에서 도시 생략)에 접속되는 단자(4G)로 구성된다. 방전용 스위칭 소자(4D)는, MOSFET(절연 게이트형 전계 효과 트랜지스터) 및 코일(4B) 측을 캐소드로 한 다이오드로 이루어진다. 또한, 충전용 스위칭 소자(4E)는, MOSFET 및 코일(4B) 측을 애노드로 한 다이오드로 이루어진다. 단자(4A)는, 코일(4B)의 일단 및 컨덴서(4C)의 일단에 접속된다. 코일(4B)의 타단은, 방전용 스위칭 소자(4D)의 일단 및 충전용 스위칭 소자(4E)의 일단에 접속된다. 컨덴서(4C)의 타단 및 방전용 스위칭 소자(4D)의 타단은 2차 전지(3) 및 연료 스택(1)의 마이너스극과 동일한 전위이다. 충전용 스위칭 소자(4E)의 타단은 컨덴서(4F)의 일단 및 단자(4G)에 접속되며, 컨덴서(4F)의 타단은 2차 전지(3) 및 연료 스택(1)의 마이너스극과 동일한 전위이다.
방전 모드 시에는, 방전용 스위칭 소자(4D)를 구성하는 MOSFET이 온이며 또한 충전용 스위칭 소자(4E)를 구성하는 MOSFET이 오프인 상태에서, 2차 전지(3)(도 3에서 도시 생략)의 출력 전압에 의해 코일(4B)에 에너지가 저장된다. 그 후, 방전용 스위칭 소자(4D)를 구성하는 MOSFET이 오프로 절환됨과 함께 충전용 스위칭 소자(4E)를 구성하는 MOSFET이 온으로 절환되면, 코일(4B)에 저장된 에너지가, 충전용 스위칭 소자(4E)를 구성하는 MOSFET의 소스-드레인 간 및 정류 소자로서의 다이오드를 거쳐, 컨덴서(4F)에 의해 안정화된 후 단자(4G)에 접속되는 부하(6)(도 3 에서 도시 생략)에 공급된다. 이와 같이 하여 승압 방전 동작이 실행된다.
한편, 충전 모드 시에는, 충전용 스위칭 소자(4E)를 구성하는 MOSFET이 온이며 또한 방전용 스위칭 소자(4D)를 구성하는 MOSFET이 오프인 상태에서, 연료 전지 스택(1)(도 3에서 도시 생략)으로부터 출력되는 전력이 코일(4B)을 거쳐 2차 전지(3)(도 3에서 도시 생략)에 공급되어, 충전이 행해진다. 그 후, 충전용 스위칭 소자(4E)를 구성하는 MOSFET이 오프로 절환됨과 함께 방전용 스위칭 소자(4D)를 구성하는 MOSFET이 온으로 절환되면, 컨덴서(4C), 및 방전용 스위칭 소자(4D)를 구성하는 MOSFET의 소스-드레인 간 및 정류 소자로서의 다이오드에 전류가 흘러서, 코일(4B)에 저장된 에너지가 캔슬된다. 이와 같이 하여 강압 충전 동작이 실행된다.
도 1에 도시하는 연료 전지 시스템으로 되돌아가서 설명을 계속한다. 연료 전지 시스템의 기동 시에, 모드 제어 회로(5)는 양방향 DC/DC 컨버터(4)를 방전 모드로 한다. 모드 제어 회로(5)는, 동작 포인트 OP1 및 OP2에서 동작할 때의 연료 전지 스택(1)의 출력 전력값 Pc를 내부 메모리(도시 생략)에 미리 기억하고 있으며, 그 기억값과 부하 전력 검출부(7)의 출력을 비교함으로써, 연료 전지 스택(1)의 출력 전력이 부하 전력보다 큰지 여부를 판정하고 있다.
모드 제어 회로(5)는, 양방향 DC/DC 컨버터(4)를 방전 모드로 하고 있을 때에 연료 전지 스택(1)의 출력 전력이 부하 전력보다 크다고 판정된 경우, 즉 잉여 전력이 발생하고 있다고 판정된 경우, 양방향 DC/DC 컨버터(4)의 모드를 충전 모드로 이행시키고, 양방향 DC/DC 컨버터(4)를 방전 모드로 하고 있을 때에 연료 전지 스택(1)의 출력 전력이 부하 전력보다 작다고 판정된 경우, 즉 전력 부족이 발생하 고 있다고 판정된 경우, 양방향 DC/DC 컨버터(4)의 모드를 방전 모드로 유지한다. 또한, 양방향 DC/DC 컨버터(4)를 방전 모드로 하고 있을 때에 연료 전지 스택(1)의 출력 전력이 부하 전력과 일치하는 경우, 양방향 DC/DC 컨버터(4)의 모드를 방전 모드인채로 하여도 되며 충전 모드로 이행시켜도 된다.
또한, 모드 제어 회로(5)는, 양방향 DC/DC 컨버터(4)를 충전 모드로 하고 있을 때에 연료 전지 스택(1)의 출력 전력이 부하 전력보다 크다고 판정된 경우, 즉 잉여 전력이 발생하고 있다고 판정된 경우, 양방향 DC/DC 컨버터(4)의 모드를 충전 모드로 유지하고, 양방향 DC/DC 컨버터(4)를 충전 모드로 하고 있을 때에 연료 전지 스택(1)의 출력 전력이 부하 전력보다 작다고 판정된 경우, 즉 전력 부족이 발생하고 있다고 판정된 경우, 양방향 DC/DC 컨버터(4)의 모드를 방전 모드로 이행시킨다. 또한, 양방향 DC/DC 컨버터(4)를 충전 모드로 하고 있을 때에 연료 전지 스택(1)의 출력 전력이 부하 전력과 일치하는 경우, 양방향 DC/DC 컨버터(4)의 모드를 충전 모드인채로 하여도 되며 방전 모드로 이행시켜도 된다.
모드 제어 회로(5)가 상기 제어를 행함으로써, 잉여 전력이 발생하고 있는 경우에는 잉여 전력이 2차 전지(3)에 충전되며, 전력 부족이 발생하고 있는 경우에는 2차 전지(3)의 출력 전력에 의해 전력 부족이 보충된다. 이에 따라, 연료 전지 스택(1)의 출력 전력을 일정 전력 Pc로 유지할 수 있어서, 연료 전지의 고효율화를 도모할 수 있다. 또한, 모드 제어 회로(5)가 행하는 방전 모드와 충전 모드의 전환 제어는 과도적인 부하 변동에도 간단히 대응할 수 있다. 이와 같이 도 1에 도시하는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에서는, 고정밀도·고속의 연료 제어가 불 필요하기 때문에, 제어의 간소화를 도모할 수 있다.
연료 전지 시스템의 효율 향상의 관점으로부터, 도 1에 도시하는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 연료 전지 스택(1)의 출력단에 애노드가 접속되는 역류 방지 다이오드를 설치하지 않는 구성으로 하고 있다. 연료 전지 스택(1)은 2차 전지와 같이 역충전(전압이 높은 전지로부터 전압이 낮은 전지로의 충전)하지 않기 때문에, 역류 방지 다이오드를 설치하지 않아도 어떠한 문제도 발생하지 않는다. 그리고, 역류 방지 다이오드를 설치하지 않음으로써, 역류 방지 다이오드에서의 전력 손실분만큼 연료 전지 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 연료 전지 시스템의 효율은 저하되지만, 역류 방지 다이오드를 설치하는 구성으로 하여도 무방하다.
또한, 도 4에 도시한 바와 같이, 도 1의 연료 전지 시스템에 부하 전력 검출부(8), 출력 전력 판정부(9), 및 공급 연료량 제어부(10)를 추가하여도 된다.
도 2 중의 동작 포인트 OP1 및 OP2에서 연료 전지 스택(1)이 동작할 때에 필요한 반응 연료량과 동량의 연료를 연료 공급부(2)가 연료 전지 스택(1)에 공급하고 있어도, 미사용 연료의 회수 손실, 주변 온도 상승에 의한 증발 등에 의해 연료 농도가 변화된다. 그리고, 연료 농도가 얇아지면, 도 5에 도시한 바와 같이, 연료 전지 스택(1)의 출력 전류-출력 전압 특성 곡선, 연료 전지 스택(1)의 출력 전류-출력 전력 특성 곡선은 각각 TI-V', TI-P'로 되며, 동작 포인트 OP1 및 OP2에서 연료 전지 스택(1)이 동작할 수 없게 된다. 이러한 상태를 연료 부족이라 한다.
부하 전력 검출부(8)는, 부하 전력을 검출하고, 그 검출 결과를 공급 연료량 제어부(10)에 출력한다. 예를 들면, 부하(6)가 DC/DC 컨버터인 경우, 상기 DC/DC 컨버터의 출력 전압은 소정의 설정값으로 고정되기 때문에 상기 DC/DC 컨버터의 출력 전류를 검출함으로써 부하 전력 검출부(8)는 부하 전력을 검출할 수 있다.
출력 전력 판정부(9)는, 양방향 DC/DC 컨버터(4)로부터 부하(6)에 전력이 공급되어 있는지의 여부를 판정하고, 그 판정 결과를 공급 연료량 제어부(10)에 출력한다. 출력 전력 판정부(9)는, 양방향 DC/DC 컨버터(4)의 방전 모드에서의 입력 전류 또는 출력 전류를 검출하고, 그 검출한 전류의 값이 영(0)이 아니면 양방향 DC/DC 컨버터(4)로부터 부하(6)에 전력이 공급되어 있다고 판정하며, 검출한 전류의 값이 영이면 양방향 DC/DC 컨버터(4)로부터 부하(6)에 전력이 공급되어 있지 않다고 판정한다.
공급 연료량 제어부(10)는, 부하 전력이 Pc(연료 부족이 아닐 때의 연료 전지 스택(1)의 출력 전력값) 미만임에도 불구하고 양방향 DC/DC 컨버터(4)로부터 부하(6)에 전력이 공급되어 있으면, 연료 전지의 연료 부족이라고 판단하여, 연료 전지 스택(1)에 연료를 공급하도록 연료 공급부(2)를 제어한다. 또한, 양방향 DC/DC 컨버터(4)로부터 부하(6)에의 전력 공급이 개시되었을 때의 부하 전력이 작을수록 연료 전지의 연료 부족량이 크기 때문에, 공급 연료량을 증가시키는 것이 바람직하다.
공급 연료량 제어부(10)가, 부하 전력이 Pc 미만임에도 불구하고 양방향 DC/DC 컨버터(4)로부터 부하(6)에 전력이 공급되어 있는 경우에, 연료 전지의 연료 부족이라고 판단하여, 연료 전지 스택(1)에 연료를 공급하도록 연료 공급부(2)를 제어하기 때문에, 연료 전지의 연료 부족을 해소할 수 있다.
또한, 역류 방지 다이오드를 설치한 구성의 연료 전지 시스템이라도, 전술한 바와 같이 부하 전력 검출부(8), 출력 전력 판정부(9), 및 공급 연료량 제어부(10)를 설치함으로써, 연료 전지의 연료 부족을 해소할 수 있다. 그러나, 연료 전지 시스템의 효율 향상의 관점으로부터, 도 4에 도시한 바와 같은 역류 방지 다이오드를 설치하지 않는 구성이 바람직하다. 또한, 부하 전력 검출부(7)와 부하 전력 검출부(8)는 동일한 기능을 갖는 회로이기 때문에, 양자를 통합하는 것이 바람직하다.
전술한 도 1에 도시하는 연료 전지 시스템에서는, 부하 전력이 연료 전지 스택(1)의 출력 전력보다 작은 상태가 계속되면 2차 전지(3)가 가득 충전되게 되며, 부하 전력이 연료 전지 스택(1)의 출력 전력보다 큰 상태가 계속되면 2차 전지(3)의 잔류 용량이 없어진다. 2차 전지(3)가 가득 충전되어 있을 때에 잉여 전력이 발생한 경우, 잉여 전력을 2차 전지(3)에 충전할 수 없다. 이 때문에, 연료 전지 스택(1)은 도 2 중의 동작 포인트 OP1 및 OP2에서의 동작을 유지할 수 없어서, 연료 전지 스택(1)의 출력 전력이 감소하여, 미반응 연료가 발생한다. 그리고, 미반응 연료를 회수할 때에 손실이 발생한다는 문제가 있다. 또한, 2차 전지(3)의 잔류 용량이 없을 때에 전력 부족이 생긴 경우, 전력 부족을 2차 전지(3)로 보충할 수 없다는 문제가 있다.
따라서, 2차 전지가 가득 충전되게 되거나 2차 전지의 잔류 용량이 없어질 우려를 줄일 수 있는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템을 도 6에 도시한다. 또한, 도 6에서 도 1과 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙이고, 상세한 설명을 생략한다.
도 6에 도시하는 연료 전지 시스템은, 도 1에 도시하는 연료 전지 시스템의 연료 공급부(2)를 연료 공급부(2')로 치환하고, 모드 제어 회로(5)를 모드 제어 회로(5')로 치환한 구성이다.
연료 공급부(2')는, 부하 전력 검출부(7)의 출력을 입력하여, 부하 전력이 미리 설정한 임계값보다도 크면 도 7 중의 동작 포인트 OP1 및 OP2에서 연료 전지 스택(1)이 동작할 때에 필요한 반응 연료량과 동량의 연료를 연료 전지 스택(1)에 공급하고, 부하 전력이 미리 설정한 임계값보다도 크지 않으면 도 7 중의 동작 포인트 OP1' 및 OP2'에서 연료 전지 스택(1)이 동작할 때에 필요한 반응 연료량과 동량의 연료를 연료 전지 스택(1)에 공급한다. 이에 따라, 연료 전지 스택(1)은, 부하(6)가 요구하는 전력에 관계없이, 일정 전력 Pc 혹은 Pc'을 출력하는 것이 가능해진다.
모드 제어 회로(5')는, 모드 제어 회로(5)가 행하는 동작 외에 추가로, 부하 전력이 미리 설정한 임계값보다도 크면 방전 모드 시의 양방향 DC/DC 컨버터(4)의 출력 전압을 설정값 Vop(동작 포인트 OP1 및 OP2에서 동작할 때의 연료 전지 스택(1)의 출력 전압값과 동일값)로 하고, 부하 전력이 미리 설정한 임계값보다도 크지 않으면 방전 모드 시의 양방향 DC/DC 컨버터(4)의 출력 전압을 설정값 Vop'(동작 포인트 OP1' 및 OP2'에서 동작할 때의 연료 전지 스택(1)의 출력 전압값과 동일값)로 한다.
도 6에 도시하는 연료 전지 시스템에서는, 부하 전력이 임계값 이하이면 연료 전지 스택(1)의 출력 전력이 작은 값(Pc')으로 일정하게 제어되므로, 2차 전지(3)가 가득 충전되게 될 우려를 줄일 수 있다. 또한, 도 6에 도시하는 연료 전지 시스템에서는, 부하 전력이 임계값보다 크면 연료 전지 스택(1)의 출력 전력이 큰 값(Pc)으로 일정하게 제어되므로, 2차 전지(3)의 잔류 용량이 없어질 우려를 저감할 수 있다.
또한, 2차 전지(3)가 가득 충전되어 있음을 검지하는 검지부를 설치하고, 상기 검지부에 의해 2차 전지(3)가 가득 충전되어 있음이 검지되면, 연료 공급부(2')가 연료 전지 스택(1)에 공급하는 연료량을 적게 하고, 모드 제어 회로(5')에 의해 설정되는 방전 모드 시의 양방향 DC/DC 컨버터(4)의 출력 전압의 설정값을 크게 하도록 하여도 된다.
또한, 2차 전지(3)의 잔류 용량이 없음을 검지하는 검지부를 설치하고, 상기 검지부에 의해 2차 전지(3)의 잔류 용량이 없음이 검지되면, 연료 공급부(2')가 연료 전지 스택(1)에 공급하는 연료량을 많게 하고, 모드 제어 회로(5')에 의해 설정되는 방전 모드 시의 양방향 DC/DC 컨버터(4)의 출력 전압의 설정값을 작게 하도록 하여도 된다.
또한, 도 6에 도시하는 연료 전지 시스템에서도, 도 1에 도시하는 연료 전지 시스템과 같이 연료 전지 스택(1)의 출력단에 애노드가 접속되는 역류 방지 다이오드를 설치하지 않는 구성으로 하였지만, 역류 방지 다이오드를 설치하는 구성으로 하여도 무방하다.
또한, 도 6에 도시하는 연료 전지 시스템에서도, 도 1에 도시하는 연료 전지 시스템과 마찬가지로 부하 전력 검출부(8), 출력 전력 판정부(9), 및 공급 연료량 제어부(10)를 추가하여도 된다.
이상, 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였는데, 본 발명의 범위는 이것에 한정되는 것은 아니며, 발명의 주지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 변경을 추가하여 실시할 수 있다. 예를 들면, 도 6에 도시하는 연료 전지 시스템의 연료 공급부(2')로부터 연료 전지 스택(1)에 공급되는 연료량을 2 종류가 아니라 3 종류 이상으로 하여도 무방하다.
본 발명에 따르면, 고효율화 및 제어의 간소화를 도모할 수 있는 연료 전지 시스템을 실현할 수 있다.

Claims (5)

  1. 연료 전지와 2차 전지의 병렬 시스템인 연료 전지 시스템으로서,
    상기 연료 전지와,
    상기 연료 전지가 소정의 전력을 발전시키기 위해 필요한 연료를 상기 연료 전지에 공급하는 연료 공급부와,
    상기 2차 전지와,
    상기 2차 전지의 출력 전압을 소정의 전압으로 변환하여 출력하는 동작과 상기 연료 전지의 출력 전력을 이용하여 상기 2차 전지를 충전하는 동작을 선택적으로 행하는 양방향 DC/DC 컨버터와,
    외부 부하가 연료 전지 시스템에 대하여 요구하는 전력인 부하 전력을 검출하는 부하 전력 검출부와,
    상기 부하 전력 검출부의 검출 결과를 입력하여, 상기 2차 전지의 출력 전압을 소정의 전압으로 변환하여 출력하는 동작을 상기 양방향 DC/DC 컨버터에게 하도록 하고 있을 때에 상기 연료 전지의 출력 전력이 상기 부하 전력보다 크다고 판정되면 상기 양방향 DC/DC 컨버터의 동작을 상기 연료 전지의 출력 전력을 이용하여 상기 2차 전지를 충전하는 동작으로 절환하고, 상기 2차 전지의 출력 전압을 소정의 전압으로 변환하여 출력하는 동작을 상기 양방향 DC/DC 컨버터에게 하도록 하고 있을 때에 상기 연료 전지의 출력 전력이 상기 부하 전력보다 작다고 판정되면 상기 양방향 DC/DC 컨버터의 동작을 상기 2차 전지의 출력 전압을 소정의 전압으로 변환하여 출력하는 동작의 상태에서 함과 함께, 상기 연료 전지의 출력 전력을 이용하여 상기 2차 전지를 충전하는 동작을 상기 양방향 DC/DC 컨버터에게 하도록 하고 있을 때에 상기 연료 전지의 출력 전력이 상기 부하 전력보다 크다고 판정되면 상기 양방향 DC/DC 컨버터의 동작을 상기 연료 전지의 출력 전력을 이용하여 상기 2차 전지를 충전하는 동작의 상태에서 하고, 상기 연료 전지의 출력 전력을 이용하여 상기 2차 전지를 충전하는 동작을 상기 양방향 DC/DC 컨버터에게 하도록 하고 있을 때에 상기 연료 전지의 출력 전력이 상기 부하 전력보다 작다고 판정되면 상기 양방향 DC/DC 컨버터의 동작을 상기 2차 전지의 출력 전압을 소정의 전압으로 변환하여 출력하는 동작으로 절환하는 제어부
    를 구비하며,
    상기 소정의 전압을 상기 연료 전지의 출력 전압과 대략 동일하게 설정하여, 상기 연료 전지의 출력 전력을 상기 소정의 전력으로 일정하게 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료 공급부가 상기 연료 전지에 공급하는 연료량을 가변하여, 상기 소정의 전력 및 상기 소정의 전압을 복수 설정할 수 있는 연료 전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 부하 전력 검출부의 검출 결과에 따라 상기 연료 공급부가 상기 연료 전지에 공급하는 연료량을 가변하는 연료 전지 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 양방향 DC/DC 컨버터로부터 상기 외부 부하에 전력이 공급되어 있는지의 여부를 판정하는 출력 전력 판정부와,
    상기 부하 전력 검출부의 검출 결과 및 상기 출력 전력 판정부의 판정 결과를 입력하여, 상기 부하 전력이 상기 소정의 전력의 값 미만임에도 불구하고 상기 양방향 DC/DC 컨버터로부터 상기 외부 부하에 전력이 공급되어 있으면, 상기 연료 전지에 연료를 공급하도록 상기 연료 공급부를 제어하는 공급 연료량 제어부를 구비하는 연료 전지 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 공급부가, 상기 연료 전지 시스템의 출력에 기초하는 전력을 동작 전원으로서 이용하는 연료 전지 시스템.
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