KR20060093539A - 연료전지 시스템 및 그의 구동방법 - Google Patents

연료전지 시스템 및 그의 구동방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 가동량을 줄일 수 있으며 수명을 증가시킬 수 있는 연료전지 시스템의 구동방법을 제공한다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 구동방법은 부하 시스템에 소정의 인가전압을 인가하며 연료전지부 및 2차전지를 포함하는 연료전지 시스템의 구동방법이다. 부하 시스템에 인가될 인가전압을 검출하고, 검출된 인가전압과 소정의 기준전압을 비교한다. 비교한 결과 인가전압이 기준전압보다 작으면 2차전지를 구동하고 인가전압이 기준전압보다 크면 연료전지부를 구동한다. 그리고 2차전지가 구동되는 동안 2차전지의 잔존용량을 검출하고 검출된 잔존용량과 기준잔존용량을 비교한다. 잔존용량이 기준잔존용량보다 작으면 연료전지부를 구동하여 2차전지를 충전한다. 그리고 충전되는 2차전지의 충전용량을 검출하고 검출된 충전용량과 기준충전용량을 비교하여 충전용량이 기준충전용량보다 크면 연료전지부를 이용한 2차전지의 충전을 멈춘다.
연료전지, 2차전지

Description

연료전지 시스템 및 그의 구동방법{Fuel cell system and driving method thereof}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구동방법을 순서대로 보여주는 도면이다.
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 특히 연료전지 및 보조 배터리로 구성된 연료전지 시스템에 관한 것이다.
종래, 소형의 전기기기를 휴대해서 사용하기 위해서는, 각종의 1차 전지 및 2차 전지가 사용되어 왔다. 그러나, 최근의 소형의 전기기기의 고성능화에 따라 소비전력이 커져, 소형 경량의 1차 전지로는 충분한 에너지를 공급할 수 없게 되고 있다. 그리고, 2차 전지는 반복해서 충전해서 사용할 수 있다고 하는 이점이 있으나, 1회의 충전으로 사용할 수 있는 에너지는 1차 전지보다도 적으며, 2차 전지의 충전을 위해서 별도의 전원 및 충전장치가 필요하며 충전에 통상 수십 분에서 수 시간이 걸리므로 2차 전지의 사용에는 불편함이 따른다.
결국, 앞으로 전기기기의 더욱 소형, 경량화가 진행되어, 무선의 네트워크환경이 정비됨으로써, 기기를 휴대해서 사용하는 경향이 높아지는 추세를 감안할 때, 종래의 1차 전지 및 2차 전지로는 기기의 구동에 충분한 에너지를 공급하는 것이 곤란하다.
이와 같은 문제의 해결책으로서, 소형의 연료전지가 주목되고 있다. 연료전지는, 종래, 대형의 발전기나 자동차용의 구동원으로서 개발이 진행되어 왔다. 이것은, 연료전지가 종래의 발전시스템에 비해서 발전효율이 높고, 폐기물이 깨끗하다고 하는 것이 주된 이유이다. 또한, 체적당 혹은 중량당의 공급할 수 있는 에너지량이 종래의 1차 또는 2차 전지에 비해서 수 배에서 십 배가 될 수 있으며, 연료만을 교환하면 연속해서 사용이 가능하고, 2차 전지와 같이 충전 시간이 걸리지 않는 다는 점 때문에, 연료전지 시스템은 소형 전기기기의 구동원으로도 주목받고 있다.
일반적으로 연료전지(Fuel Cell)란 전기화학반응에 의해 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전기화학 장치를 말한다. 예컨대, 석유나 천연가스 등의 화석연료를 개질하여 얻은 수소나 순수한 수소를 공기중의 산소와 반응시킴으로써 전기에너지를 추출하며, 이때 열과 수증기(물)가 부산물로 얻어지게 된다. 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산한다는 점에서는 전지의 성격과 유사하고, 주입된 연료에 따라 작동한다는 점에서는 엔진과 유사하다. 즉, 외부에서 연료(fuel)를 공급받아 이 연료를 분해하거나 합성함으로써 전기를 생산하는 것 이다. 따라서 별도의 충전 과정 없이 연료의 공급만으로 전기를 생산할 수 있다는 장점이 있다. 연료의 양만 충분하다면 충분한 시간동안 사용할 수 있으며, 연료의 보충은 충전시간과는 비교할 수 없을 정도로 짧은 시간에 수행될 수 있다.
그러나, 휴대용 소형 전기기기, 예컨대 노트북의 경우에는 부팅시, 간단한 문서작업시, 최대출력시 등, 사용에 따라서 전력소비량의 변화가 매우 심한 편이다. 따라서 이러한 휴대용 소형 전기기기에 연료전지 시스템을 사용할 경우, 변화가 심한 전력소비량에 맞춰 연료전지 시스템이 구동되어야 하므로 연료전지 시스템의 가동 효율이 떨어질 수 있으며, 연료전지 시스템의 수명이 단축된다는 문제점이 있다. 특히 현재의 연료전지 시스템의 높은 가격을 고려할 때 수명의 연장은 필수적으로 요구된다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 가동량을 줄일 수 있으며 수명을 증가시킬 수 있는 연료전지 시스템를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 가동량을 줄일 수 있으며 수명을 증가시킬 수 있는 연료전지 시스템의 구동방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 특징에 따른 연료전지 시스템은, 부하 시스템에 소정의 인가전압을 인가하는 연료전지 시스템으로서,
공급되는 연료의 화학변화를 통하여 발생된 연료가스 및 공급되는 공기를 이용하여 전력을 생성시키는 연료전지부; 상기 연료전지부에서 생성된 전력에 의해 충전되는 2차전지; 및 상기 부하 시스템에 인가될 인가전압 및 상기 2차 전지의 용량을 검출하고, 상기 검출된 인가전압 및/또는 상기 용량에 기초하여 상기 연료전지부 및 상기 2차전지의 구동을 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 연료전지부는, 상기 공급되는 연료를 저장하는 연료저장부; 상기 연료저장부의 연료를 펌핑하는 펌프; 상기 펌프를 통하여 상기 연료저장부로부터 공급받은 연료로부터 개질반응을 일으켜 연료가스를 생성하는 개질부; 외부로부터 공기를 흡입하는 공기흡입부; 및 상기 개질부로부터 공급되는 연료가스 및 공기흡입부로부터 공급되는 공기를 이용하여 전기화학반응을 일으켜 연료전지스택을 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 부하시스템에서 요구되는 상기 인가전압을 검출하는 인가전압 검출부; 상기 2차전지의 용량을 검출하는 용량 검출부; 및 상기 검출된 인가전압 및 용량에 기초하여 상기 연료전지부 및 상기 2차전지의 구동을 제어하는 제어신호를 생성하는 제어신호 생성부를 포함할 수 있다.
상기 용량 검출부는, 상기 2차전지의 잔존용량 및 충전된 용량을 검출할 수 있다.
상기 제어신호 생성부는, 상기 인가전압이 특정의 기준전압보다 낮은 경우 상기 2차전지를 구동시키는 제어신호를 생성하고, 상기 인가전압이 특정의 기준전압보다 높은 경우 상기 연료전지부를 구동시키는 제어신호를 생성할 수 있다.
상기 연료전지부를 구동시키는 제어신호는 상기 펌프을 동작시키는 신호이거나, 상기 연료전지스택을 동작시키는 신호일 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따른 연료전지 시스템의 구동방법은 부하 시스템에 소정의 인가전압을 인가하며, 연료전지부 및 2차전지를 포함하는 연료전지 시스템의 구동방법으로서,
a) 상기 부하 시스템에 인가될 인가전압을 검출하는 단계;
b) 상기 인가전압과 소정의 기준전압과 비교하는 단계; 및
c) 상기 인가전압이 상기 기준전압보다 작으면 상기 2차전지를 구동하는 단계를 포함한다.
또한, 연료전지 시스템의 구동방법은 d) 상기 인가전압이 상기 기준전압보다 크면 상기 연료전지부를 구동하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 c) 단계 후에,
e) 상기 2차전지의 잔존용량을 검출하는 단계;
f) 상기 검출된 잔존용량과 기준잔존용량을 비교하는 단계; 및
g) 상기 잔존용량이 상기 기준잔존용량보다 작으면, 상기 연료전지부를 구동하여 상기 2차전지를 충전하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 g) 단계 후에,
e) 상기 2차전지의 충전용량을 검출하는 단계;
f) 상기 검출된 충전용량과 기준충전용량을 비교하는 단계; 및
g) 상기 충전용량이 상기 기준충전용량보다 크면, 상기 연료전지부를 이용한 상기 2차전지의 충전을 멈추는 단계를 더 포함할 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명 이 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. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
연료전지 시스템(100)은 연료전지부(110), 제어부(120), 2차전지(130) 및 전압출력부(140)를 포함한다.
연료전지부(110)는 연료저장부(111), 펌프(112), 개질부(113), 공기흡입부(115) 및 연료전지스택(117)을 포함한다. 연료저장부(111)는 메탄올, 석유 등의 화학연료를 저장하는 탱크이고, 펌프(112)는 연료저장부(111)에 저장된 연료를 펌핑한다. 공기흡입부(115)는 연료저장부(111)에 저장된 연료의 화학반응을 위해 외부의 공기를 공급한다. 개질부(113)는 펌프(112)에 의해 연료저장부(111)로부터 공급받은 연료로부터 개질반응을 일으켜 수소 등의 연료가스를 생성한다. 연료전지스택(117)은 개질부(113)에서 생성되어 공급된 연료가스 및 공기흡입부(115)로부터 공급된 공기를 이용하여 전기화학반응을 일으켜 기전력을 발생시킨다.
2차전지(130)는 연료전지부(110)의 연료가 부족하여 연료전지부(110)가 배터리로서의 기능을 충분히 수행하지 못하는 경우에 보조 배터리로서 전력을 공급한다. 또한, 2차전지(130)는 연료전지스택(117)이 활성화되어 연료전지부(110)가 배 터리로서 동작하기에 충분한 전력을 생성하면, 연료전지스택(117)에 의해 점적 충전(trickle-charged)될 수 있다.
제어부(120)는 인가전압검출부(121), 충전용량검출부(123) 및 제어신호생성부(125)를 포함한다. 인가전압검출부(121)는 연료전지 시스템(110)이 생성하여 인가되어야 하는 전압의 크기인 인가전압(P1)을 검출한다. 충전용량검출부(123)는 2차전지(130)의 잔존용량(B1)과 연료전지부(110)에 의해 충전될 때 충전된 충전용량(C1)을 검출한다. 제어신호생성부(125)는 인가전압검출부(121) 및 충전용량검출부(123)에서 검출된 인가전압(P1), 잔존용량(B1) 및 충전용량(C1)과 기준인가전압(P0), 기준용량(B0) 및 기준충전용량(C0)과 각각 비교하여 연료전지부(110) 및 2차전지(130)의 동작을 제어하는 제어신호를 생성한다. 본 실시예에서 제어신호 생성부(125)는 펌프(112) 및 연료전지스택(117)의 온오프를 제어하는 신호를 생성하여 펌프(112) 및 연료전지스택(117)에 인가함으로써 연료전지부(110)를 제어한다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고 제어신호 생성부(125)는 펌프(112) 및 연료전지스택(117) 중 어느 하나의 온오프를 제어하는 신호를 생성하여 펌프(112) 또는 연료전지스택(117)에 인가함으로써 연료전지부(110)를 제어할 수도 있다.
전압출력부(140)는 연료전지부(110) 및/또는 2차전지(130)에서 생성되어 출력되는 전압을 연료전지 시스템(100)과 연결된 부하 시스템(load system, 미도시), 예컨대 노트북 등의 소형 전기기기에 전달한다.
다음은 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)의 동작에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)의 구동방법을 순서대로 보여주는 도면이다.
먼저, 인가전압검출부(121)는 부하 시스템에 인가되어야할 인가전압(P1)의 크기를 검출하여 제어신호 생성부(125)로 전달한다(S100). 제어신호 생성부(125)는 인가전압(P1)이 소정의 기준인가전압(P0)보다 작은지를 판단한다(S110).
인가전압(P1)이 소정의 기준인가전압(P0)보다 작은 경우, 낮은 전압만 인가되어도 되는 것이므로, 제어신호 생성부(125)는 연료전지부(110)의 펌프(112) 및 연료전지스택(117)에는 오프신호를 인가하고, 2차전지(130)에는 온신호를 인가한다(S120).
한편, 인가전압(P1)이 소정의 기준인가전압(P0)보다 큰 경우에는, 부하 시스템에서 많은 양의 전력을 소비하는 경우로서, 제어신호 생성부(125)는 연료전지부(110)의 펌프(112) 및 연료전지스택(117)에는 온신호를 인가하여 연료전지부(110)에서 전력을 생성하도록 하고, 2차전지(130)에는 오프신호를 인가한다(S125).
이렇게 하여 2차전지(130)에 의해 부하시스템에 전력이 공급되는 동안, 충전용량검출부(123)는 2차전지(130)의 현재 남아 있는 잔존용량(B1)을 검출하여 제어신호 생성부(125)로 전달한다(S130). 제어신호 생성부(125)는 검출된 잔존용량(B1)과 기준용량(B0)을 비교하여 잔존용량(B1)이 기준용량(B0)보다 작은지를 판단한다(S140).
잔존용량(B1)이 기준용량(B0)보다 작은 경우는, 2차전지(130)에 충전이 필요한 경우이므로, 제어신호 생성부(125)는 연료전지부(110)를 가동시켜 2차전지(130)를 충전시킨다(S150).
이렇게 하여 2차전지(130)의 잔존 용량(B1)이 부족한 경우, 연료전지부(110)에 의해 충전될 수 있다. 또한 충전되는 동안 충전용량검출부(123)는 2차전지(130)의 충전된 충전용량(C1)을 검출하여 제어신호 생성부(125)로 전달한다(S160). 제어신호 생성부(125)는 검출된 충전용량(C1)과 기준충전용량(C0)을 비교하여 충전용량(C1)이 기준충전용량(C0)보다 큰 지를 판단한다(S170).
충전용량(C1)이 기준충전용량(C0)보다 큰 경우는 2차전지(130)는 인가전압(P1)을 출력할 정도로 충분히 충전되어 있는 경우이므로, 제어신호 생성부(125)는 연료전지부(110)에는 오프 신호를 인가하고, 2차전지(130)에는 온신호를 인가한다(S120).
한편, 충전용량(C1)이 기준충전용량(C0)보다 작은 경우는 2차전지(130)가 아직 인가전압(P1)을 출력할 정도로 충분히 충전되지 않은 경우이므로, 제어신호 생성부(125)는 연료전지부(110)를 계속하여 동작시켜 2차전지(130)이 계속 충전되도록 한다(S150).
이렇게 하여, 부하 시스템에 인가되는 전압의 크기에 기초하여 연료전지시스템을 구동시킬 수 있다. 구체적으로, 부하 시스템이 저전력모드로 구동될 때에는 2차전지에서 인가전압을 생성하여 공급하고, 부하 시스템이 고전력모드로 구동될 때에는 연료전지부에서 인가전압을 생성하여 공급함으로써, 연료전지부를 보다 효율적으로 구동시켜 구동량을 감소시킬 수 있으며, 따라서 연료전지부의 연료전지스택의 수명을 연장시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 그 외의 다양한 변경이나 변형이 가능하다.
본 발명에 따르면, 부하 시스템이 저전력모드로 구동될 때에는 2차전지에서 인가전압을 생성하여 공급하고, 부하 시스템이 고전력모드로 구동될 때에는 연료전지부에서 인가전압을 생성하여 공급함으로써, 연료전지부를 보다 효율적으로 구동시켜 구동량을 감소시킬 수 있으며, 따라서 연료전지부의 연료전지스택의 수명을 연장시킬 수 있다.
또한, 2차전지의 잔존용량을 검출하여 잔존용량이 기준용량보다 낮은 경우에 연료전지부를 구동시켜 2차전지를 충전함으로써 더욱 효율적으로 연료전지 시스템을 구동시킬 수 있다.

Claims (11)

  1. 부하 시스템에 소정의 인가전압을 인가하는 연료전지 시스템에 있어서,
    공급되는 연료의 화학변화를 통하여 발생된 연료가스 및 공급되는 공기를 이용하여 전력을 생성시키는 연료전지부;
    상기 연료전지부에서 생성된 전력에 의해 충전되는 2차전지; 및
    상기 부하 시스템에 인가될 인가전압 및 상기 2차 전지의 용량을 검출하고, 상기 검출된 인가전압 및/또는 상기 용량에 기초하여 상기 연료전지부 및 상기 2차전지의 구동을 제어하는 제어부
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지부는,
    상기 공급되는 연료를 저장하는 연료저장부;
    상기 연료저장부의 연료를 펌핑하는 펌프;
    상기 펌프를 통하여 상기 연료저장부로부터 공급받은 연료로부터 개질반응을 일으켜 연료가스를 생성하는 개질부;
    외부로부터 공기를 흡입하는 공기흡입부; 및
    상기 개질부로부터 공급되는 연료가스 및 공기흡입부로부터 공급되는 공기를 이용하여 전기화학반응을 일으켜 연료전지스택
    을 포함하는 연료전지 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 부하시스템에서 요구되는 상기 인가전압을 검출하는 인가전압 검출부;
    상기 2차전지의 용량을 검출하는 용량 검출부; 및
    상기 검출된 인가전압 및 용량에 기초하여 상기 연료전지부 및 상기 2차전지의 구동을 제어하는 제어신호를 생성하는 제어신호 생성부
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 용량 검출부는,
    상기 2차전지의 잔존용량 및 충전된 용량을 검출하는 연료전지 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제어신호 생성부는,
    상기 인가전압이 특정의 기준전압보다 낮은 경우 상기 2차전지를 구동시키는 제어신호를 생성하고,
    상기 인가전압이 특정의 기준전압보다 높은 경우 상기 연료전지부를 구동시키는 제어신호를 생성하는 연료전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연료전지부를 구동시키는 제어신호는 상기 펌프을 동작시키는 신호인 연료전지 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 연료전지부를 구동시키는 제어신호는 상기 연료전지 스택을 동작시키는 신호인 연료전지 시스템.
  8. 부하 시스템에 소정의 인가전압을 인가하며, 연료전지부 및 2차전지를 포함하는 연료전지 시스템의 구동방법에 있어서,
    a) 상기 부하 시스템에 인가될 인가전압을 검출하는 단계;
    b) 상기 인가전압과 소정의 기준전압과 비교하는 단계; 및
    c) 상기 인가전압이 상기 기준전압보다 작으면 상기 2차 전지를 구동하는 단계
    를 포함하는 연료전지 시스템의 구동방법.
  9. 제8항에 있어서,
    d) 상기 인가전압이 상기 기준전압보다 크면 상기 연료전지부를 구동하는 단계를 더 포함하는 연료전지 시스템의 구동방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 c) 단계 후에,
    e) 상기 2차전지의 잔존용량을 검출하는 단계;
    f) 상기 검출된 잔존용량과 기준잔존용량을 비교하는 단계; 및
    g) 상기 잔존용량이 상기 기준잔존용량보다 작으면, 상기 연료전지부를 구동하여 상기 2차전지를 충전하는 단계
    를 더 포함하는 연료전지 시스템의 구동방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 g) 단계 후에,
    e) 상기 2차전지의 충전용량을 검출하는 단계;
    f) 상기 검출된 충전용량과 기준충전용량을 비교하는 단계; 및
    g) 상기 충전용량이 상기 기준충전용량보다 크면, 상기 연료전지부를 이용한 상기 2차전지의 충전을 멈추는 단계
    를 더 포함하는 연료전지 시스템의 구동방법.
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