KR20060054044A - 피드백 모듈의 연료전지장치 - Google Patents

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펑이 등
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Abstract

본 발명은 피드백 모듈의 연료전지장치에 관한 것으로서, 적어도 하나의 연료전지유닛 및 에너지 관리유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다. 연료전지유닛의 전력 효율을 관리하는 에너지 관리유닛은 이하의 컴포넌트: 연료전지유닛에 의해 진행되는 전기화학 반응에서 사용되는 연료의 온도 변화, 연료의 수위 변화 및 연료의 농도 변화를 적어도 감지하고, 이러한 변화들에 대응하여 감지된 신호들을 생성하는 센싱 모듈; 신호 및 전력에 대한 유도 경로들을 제공하는 I/O 인터페이스; 연료전지유닛에 접속하고 연료전지유닛에 의해 생성된 전력을 수신하여 전력 공급장치의 안정된 전압을 출력하는 정전압 모듈; 이러한 감지된 신호들과 I/O 인터페이스로부터 수신된 신호에 기반하여 연료전지유닛의 전력 효율을 관리하는 마이크로프로세서; 및 연료전지유닛, 센싱 모듈, I/O 인터페이스, 정전압 모듈 및 마이크로프로세서를 접속시키는 전기적 루프를 적어도 포함한다.
연료전지

Description

피드백 모듈의 연료전지장치{FUEL CELL APPARATUS OF FEEDBACK MODULE}
도 1 은 본 발명에 따른 피드백 모듈의 연료전지장치의 구조도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 피드백 모듈의 연료전지장치의 블록도이다.
도 3 은 본 발명에 따른 피드백 모듈의 연료전지장치의 실시예를 도시한 도이다.
도 4a 는 본 발명에 따른 I/O 인터페이스의 실시예를 도시한 도이다.
도 4b 는 본 발명에 따른 I/O 인터페이스의 또 다른 실시예를 도시한 도이다.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 ***
10 : 피드백 모듈의 연료전지장치 11 : 에너지 관리유닛
13 : 연료전지유닛 15 : 연료 공급장치
17 : 연료 재순환장치 19 : 인쇄회로기판
21 : 전자 컴포넌트 111 : 센싱 모듈
111a : 수위 센서 111b : 농도 센서
111c : 온도 센서 113 : I/O 인터페이스
115 : 마이크로프로세서 117 : 전기 폐회로
119 : 정전압 모듈
본 발명은 연료전지(fuel cell)에 관한 것으로서, 특히 회로기판에 의해 에너지 관리유닛과 연료전지를 회로기판에 의해 에너지 관리 기능이 있는 연료전지로 통합하는 피드백 모듈의 연료전지장치에 관한 것이다.
종래의 연료전지는 산화감소반응(oxidation-reduction reaction)에 의해 전력원(power source)으로 전류 폐회로(current loop)를 형성하기 위하여 메탄올과 같이 수소를 포함하는 연료를 사용한다. 이러한 종류의 연료전지에 필요한 반응물(reactant)은 메탄올 연료와 같은 액체 연료를 포함하며, 반응 이후의 주산물(main product)은 물 및 이산화탄소(carbon-dioxide)이므로, 연료전지가 액체 연료로 채워진 컨테이너 구조와 연료 흐름을 구동하는 메커니즘을 갖도록 한다. 일반적인 연료전지는 에너지 생성의 보다 높은 효율을 얻기 위하여 연료 농도(fuel concentration), 연료 흐름(fuel flux) 및 적정 온도(feasible temperature)에 있어 안정된 조건들을 필요로 하지만, 종래에 사용된 종류의 연료전지는 관련 조건들에 대하여 어떠한 센서나 제어도 구비하지 않았다. 그러므로, 본 발명은 종래의 연료전지들의 불편함에 기초하여, 피드백 모듈의 연료전지장치를 발명하여 개선하고자 한다.
본 발명의 첫번째 목적은 에너지를 관리하고 안정된 전압을 출력할 수 있는 단일 기판(single board)의 연료전지장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 두번째 목적은 연료전지의 전류 조건을 피드백할 수 있고 안정된 전압을 출력할 수 있는 단일 기판의 연료전지장치를 제공하는 것이다.
상기의 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 피드백 모듈의 연료전지장치는, 적어도 하나의 연료전지유닛(fuel cell unit); 및 연료전지유닛의 전력 효율(power efficiency)을 관리하는 에너지 관리유닛(energy management unit)을 포함하고, 에너지 관리유닛이, 연료전지유닛에 의해 수행되는 전기화학 반응(electrochemical reaction)에서 사용되는 연료의 온도 변화, 연료의 수위(liquid level) 변화 및 연료의 농도(concentration) 변화를 적어도 감지하고, 이러한 변화들에 대응하여 감지된 신호들을 생성하는 센싱 모듈(sensing module); 상기 신호 및 전력(electrical power)의 유도 경로들(conducting paths)을 제공하는 I/O 인터페이스; 연료전지유닛에 접속하고 연료전지유닛에 의해 생성된 전력을 수신하여 전력 공급장치(power supply)의 안정된 전압을 출력하는 정전압 모듈(constant voltage module); 이러한 감지된 신호들 및 I/O 인터페이스로부터 수신된 신호에 기반하여 연료전지유닛의 전력 효율을 관리하는 마이크로프로세서; 및 연료전지유닛, 센싱 모듈, I/O 인터페이스, 정전압 모듈 및 마이크로프로세서를 전기적으로 접속하는 전기 폐회로(electrical loop)를 적어도 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 목적들 및 장점들은 첨부된 도면들을 참조하여 보다 명백해질 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 피드백 모듈의 연료전지장치의 구조도이고, 도 2 는 본 발명에 따른 피드백 모듈의 연료전지장치의 블록도이며, 도 3 은 본 발명에 따른 피드백 모듈의 연료전지장치의 실시예를 도시한 도이다.
도 1 에 제시된 구조의 특징에 따라 본 발명에 따른 피드백 모듈의 연료전지장치(10)의 실시예(implemented means)는, 예를 들어 연료전지유닛(13, fuel cell unit) 및 구리 회로소자(copper circuitry)를 제조하기 위하여 인쇄회로기판(19, PCB: Print Circuit Board)의 동일한 구성요소(same piece)를 사용하고, 본 발명에 따른 에너지 관리유닛(11, energy management unit)을 구성하기 위하여 센서, 마이크로프로세서, 저항기(resistor) 및 커패시터와 같은 다수의 능동 및 수동 전자 컴포넌트들(21)을 구리 회로소자 상에 역시 납땜한다. 피드백 모듈의 연료전지장치(10)가 연료를 관리할 수 있기 때문에, 연료전지유닛(13)은 전기화학 반응(electrochemical reaction) 프로세스에서, 각 센서(111a, 111b, 111c)의 모니터링과 마이크로프로세서(115) 및 정전압 모듈(119, constant voltage module)의 관리하에, 전력을 효율적이고 안정적으로 출력할 수 있게 된다.
도 1 내지 도 3 에서, 피드백 모듈의 연료전지장치(10)는 주요 구성요소로서 적어도 하나의 연료전지유닛(13) 및 에너지 관리유닛(11)을 포함하며, 각각은 이하에서 설명된다. 연료전지유닛(13)은 전기화학 반응에서 전력을 생성하기 위하여 양극 연료(anode fuel) 및 음극 연료(cathode fuel)를 공급받는다. 에너지 관리유닛(11)은 연료전지유닛(13)으로의 공급을 위한 최적의 조건으로 양극 연료 및 음극 연료를 제어하여 연료전지유닛(13)에 의해 생성되는 전력 효율(power efficiency)을 관리한다.
에너지 관리유닛(11)은 센싱 모듈(111, sensing module), I/O 인터페이스(113), 마이크로프로세서(115), 전기 폐회로(117, electrical loop) 및 정전압 모듈(119, constant voltage module)을 포함하고, 또한 전기 폐회로(117)를 통해 에너지 관리유닛(11)의 다른 구성요소들과 연료전지유닛(13)를 전기적으로 연결한다. 센싱 모듈(11)의 실시례는 이하의 센서들을 각기 사용할 수 있다. 수위 센서(111a, liquid level sensor)는 양극 연료의 현재 수위(liquid altitude)를 감지한다. 농도 센서(111b, concentration sensor)는 양극 연료의 현재 농도를 감지한다. 온도 센서(111c, temperature sensor)는 양극 연료와 음극 연료의 현재 온도를 감지한다. 이러한 센서들(111a, 111b, 111c)은 감지된 신호를 전기 폐회로(117)에 의해 I/O 인터페이스(113)에 접속하고, 외부로 유도하며, 또한 전기 폐회로(117)에 의해 마이크로프로세서(115)에 접속할 수 있다. 센싱 모듈(111)에 의해 사용되는 센서 디바이스들은 마이크로 전기기계적 시스템(MEMS: Micro-Electromechanical System) 기술에 의해 제조된 디바이스들을 사용할 수 있다.
도 4a 및 도 4b 에 도시한 I/O 인터페이스의 실시예들을 각기 참조하면, I/O 인터페이스(113)는 신호들 및 전력의 유도 경로(conducting path)를 제공하고, 그 실시예로는 커넥터(connector) 및 골든핑거들(golden fingers) 등을 사용할 수 있 다. 본 발명에 따른 피드백 모듈의 연료전지장치(10)는 I/O 인터페이스(113)에 의해 외부의 전자 장치 및 장비와 정보 교환을 수행하며, 연료전지장치(13)에 의해 생성되는 전력을 I/O 인터페이스(113)에 의해 외부로 유도함은 물론이다. I/O 인터페이스(113)에 의해 유도된 신호 타입은 아날로그 신호 또는 디지털 신호가 될 수 있으며, 이러한 신호들은 온도변화 신호(113a, temperature variation signal), 농도변화 신호(113b, concentration variation signal), 수위변화 신호(113c, liquid level variation signal) 또는 다른 제어 신호(113d)가 될 수 있다. 이러한 신호들은, 온도변화 정보, 농도변화 정보, 수위변화 정보 및 다른 제어 정보를 나타내는 디지털 신호들(113e)을 유도하는 유도 수단들(conducting means)로서 I2C 및 SM 버스(SMBus)를 사용할 수 있다. 또한, 도 4a 및 도 4b 에 각기 표시된 (+) 및 (-) 기호들은 정전압 모듈(119, constant voltage module)로부터 출력되는 전력 공급장치의 안정된 전압의 양극 및 음극을 각기 나타낸다.
마이크로프로세서(115)의 기능은, 연료전지유닛(13)이 전력의 최적의 성능을 내도록 연료전지유닛(13)을 실질적으로 관리하고, 본 발명의 실시를 위해 마이크로프로세서를 사용한다. 마이크로프로세서(115)는 양극 연료 및 음극 연료를 연료전지유닛(13)으로 공급함에 있어 최적의 조건으로 처리하기 위하여, 온도변화 신호, 수위변화 신호 및 농도변화 신호와 같이 감지된 신호들 및 I/O 인터페이스(113)로부터 유도된 신호들을 수신한다. 그리고, 마이크로프로세서(115)는 또한 정전압 모듈(119)에 의해 생성되는 전압값을 나타내기 위하여 제어신호를 정전압 모듈(119)로 전송할 수 있다.
전기 폐회로(117, electrical loop)의 실시례는 PCB(19) 내에 형성된 구리 회로소자(cooper circuitry)를 적어도 포함한다. 그리고, 본 발명에 따른 피드백 모듈의 연료전지장치(10)는 연료 공급장치(15, fuel supply apparatus) 및 연료 재순환장치(17, fuel recycling apparatus)를 또한 포함한다. 연료 공급장치(15)는 양극 연료 또는 음극 연료를 연료전지유닛(13)에 공급하기 위하여 외부에 장착되고, 공급되는 양극 연료 또는 음극 연료의 흐름은 마이크로프로세서(115)에 의해 제어될 수 있다. 또한, 연료 공급장치(15)는 선택적으로 I/O 인터페이스(113)에 장착되고 전기적으로 접속된다. 연료 재순환장치(17)는 연료전지유닛(13)으로부터 흘러나오는 양극 연료 또는 음극 연료를 모으고, 모여진 양극 연료 또는 음극 연료를 다시 사용하기 위하여 재순환된다. 연료 재순환장치(17)는 선택적으로 I/O 인터페이스(113)에 장착되고 전기적으로 접속된다. 또한, 마이크로프로세서(115)는 서로 다른 농축 연료(different concentrated fuel)가 재순환에 유입되도록 연료 공급장치(15) 및 연료 재순환장치(17)를 제어할 수 있다.
정전압 모듈(119, constant voltage module)은 연료전지유닛(13)과 마이크로프로세서(115) 사이에 접속되어 연료전지유닛(13)에 의해 생성된 전력을 수신하고, I/O 인터페이스(113)에 접속된 전력 공급장치(power supply)의 안정된 전압(stable voltage)을 출력한다. 또한, 정전압 모듈(119) 및 마이크로프로세서(115)는 단일 전자 디바이스(single electronic device)로 집적되거나 모놀리식(monolithic) 전자 디바이스로 각기 집적될 수 있다.
본 발명에 따른 피드백 모듈의 연료전지장치(10)는 메탄올 연료전지 시스템과 같은 액체 연료전지 시스템, 그리고 수산화(hydro-oxygen) 연료전지 시스템과 같은 기체 연료전지 시스템에 적용될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 피드백 모듈의 연료전지장치는 이하와 같은 장점들 및 개선된 특징들을 갖는다.
1. 실시를 위하여 적어도 하나의 상기 연료전지유닛 및 에너지 관리유닛이 동일한 PCB 상에 함께 배치되므로, 가볍고 얇고 짧고 작은 스마트 연료전지 시스템을 용이하게 얻을 수 있게 된다.
2. 피드백 모듈의 연료전지장치는 모듈화가 용이한 특성이 있으며 I/O 인터페이스에 의해 정보를 유도하므로, 피드백 모듈의 연료전지장치를 위한 멀티 보드들의 구조를 조립 및 구축할 수 있으며, 노트북, 휴대전화 또는 PDA와 같은 다용도의 동력을 구비한 장치(versatile powered apparatus) 내에 역시 용이하게 집적될 수 있다.
3. 피드백 모듈의 연료전지장치는 전력 공급장치의 안정된 전압 출력을 가지므로, 동력을 구비한 장치(powered apparatus)에 고품질의 전력원을 제공할 수 있게 된다.
본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 기술되어 왔지만, 그러한 기술은 오로지 설명을 하기 위한 것이며, 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러 가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것으로 이해되어져야 한다.

Claims (16)

  1. 피드백 모듈의 연료전지장치로서,
    적어도 하나의 연료전지유닛(fuel cell unit); 및
    상기 연료전지유닛에 의해 생성되는 전력 효율을 관리하는 에너지 관리유닛(energy management unit)을 포함하고,
    상기 에너지 관리유닛이,
    상기 연료전지유닛에 의해 수행되는 전기화학 반응에서 사용되는 연료의 온도 변화, 상기 연료의 수위(liquid level) 변화 및 상기 연료의 농도 변화를 적어도 감지하고, 상기 변화들에 대응하여 감지된 신호들을 생성하는 센싱 모듈(sensing module);
    상기 신호 및 전력에 대한 유도 경로들(conducting paths)을 제공하는 I/O 인터페이스;
    상기 연료전지유닛에 접속하고, 상기 연료전지유닛에 의해 생성된 상기 전력을 수신하여 안정된 프리셋(preset) 전압을 출력하는 정전압 모듈(constant voltage module);
    상기 감지된 신호들 및 상기 I/O 인터페이스로부터 수신된 상기 신호에 기반하여 상기 연료전지유닛의 상기 전력 효율을 관리하는 마이크로프로세서; 및
    상기 연료전지유닛, 상기 센싱 모듈, 상기 I/O 인터페이스, 상기 정전 압 모듈 및 상기 마이크로프로세서를 접속시키는 전기 폐회로(electrical loop)를 포함하는 것을 특징으로 하는 피드백 모듈의 연료전지장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지유닛 및 상기 에너지 관리유닛이 동일한 회로기판상에 함께 배치되는 것을 특징으로 하는 피드백 모듈의 연료전지장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 회로기판이 인쇄회로기판(PCB: Print Circuit Board)인 것을 특징으로 하는 피드백 모듈의 연료전지장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 I/O 인터페이스가,
    커넥터 및 골든핑거들(golden fingers)의 집합으로 구성되는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 피드백 모듈의 연료전지장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 센싱 모듈이, 온도 센서, 수위 센서 및 농도 센서를 적어도 포함하는 것을 특징으로 하는 피드백 모듈의 연료전지장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 디바이스가 마이크로 전기기계 시스템 (MEMS: Micro Electromechanical System) 기술에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 피드백 모듈의 연료전지장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 피드백 모듈의 연료전지장치가,
    상기 연료전지유닛에 연료를 공급하는 연료 공급장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피드백 모듈의 연료전지장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 연료전지 공급장치에 의해 공급되는 상기 연료의 흐름이 상기 마이크로프로세서에 의해 제어 가능한 것을 특징으로 하는 피드백 모듈의 연료전지장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 연료 공급장치가 상기 I/O 인터페이스에 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 피드백 모듈의 연료전지장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 피드백 모듈의 연료전지장치가 연료 재순환장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피드백 모듈의 연료전지장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 연료 재순환장치가 상기 I/O 인터페이스에 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 피드백 모듈의 연료전지장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지가 액체 연료전지인 것을 특징으로 하는 피드백 모듈의 연료전지장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지가 기체 연료전지인 것을 특징으로 하는 피드백 모듈의 연료전지장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지가 인쇄회로기판(PCB) 프로세스에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 피드백 모듈의 연료전지장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 정전압 모듈이 및 상기 마이크로프로세서가 단일 전자 디바이스 내에 집적되는 것을 특징으로 하는 피드백 모듈의 연료전지장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 정전압 모듈 및 상기 마이크로프로세서가 각각 모놀리식(monolithic) 전자 디바이스인 것을 특징으로 하는 피드백 모듈의 연료전지장치.
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