KR20060097324A - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 전지 스택의 신속한 초기 구동을 위한 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소를 함유한 연료 및 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기를 발생시키는 적어도 하나의 단위 연료 전지를 구비한 연료 전지 스택과, 연료 전지 스택에 수소를 함유한 연료 및 산화제를 공급하는 연료 공급부와, 연료 전지 스택의 온도를 측정하는 센서와, 소정의 저항값을 갖는 시동용 부하, 그리고 초기 구동시 연료 전지 스택에 시동용 부하를 접속시키는 스위칭부를 포함한다.
연료 전지, 초기 구동, 온도 센서, 출력 전압, 타이머, 부하 저항

Description

연료 전지 시스템{System for starting a fuel cell stack}
도 1은 고분자 전해질막을 포함하는 일반적인 연료전지의 동작원리를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택의 신속한 초기 구동을 위한 연료 전지 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서 연료 전지 스택을 신속하게 초기 구동시키는 과정을 나타내는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 스택의 신속한 초기 구동을 위한 연료 전지 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 스택의 신속한 초기 구동을 위한 연료 전지 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서 연료 전지 스택을 신속하게 초기 구동시키는 과정을 나타내는 순서도이다.
도 7은 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서 연료 전지 스택의 신속한 초기 구동을 종래의 예와 비교하여 나타내는 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
110: 연료 전지 스택 120: 센서
130: 연료 공급부 140, 142, 144: 스위칭부
150: 시동용 부하 160: 타이머
170: 제어부 180: 배터리부
190: 전력변환부
본 발명은 연료 전지의 초기 구동 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 시동용 내부 저항을 이용하여 스택을 신속하게 예열시킬 수 있는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
연료 전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산형 연료 전지, 용융탄산염형 연료 전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 연료 전지, 알칼리형 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
이들 중 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC)는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 월등히 높고, 작동 온도가 낮으며, 아울러 빠른 시동 및 응답특성과 함께, 휴대용 전자기기용과 같은 이동용(transportable) 전원이나 자동차용 동력원과 같은 수송용 전원은 물론, 주택, 공공건물의 정지형 발전소와 같은 분산용 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.
상술한 고분자 전해질형 연료전지는 스택(stack), 개질기(reformer), 연료 탱크 및 연료 펌프 등을 구비한다. 그리고 고분자 전해질형 연료전지는 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 기체를 발생시키며, 스택에서 이 수소 기체와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시킨다.
또한, 연료 전지에는 고분자 전해질형 연료 전지와 유사하나 액상의 메탄올 연료를 직접 스택에 공급할 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)가 있다. 직접 메탄올형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리 개질기를 사용하지 않기 때문에 소형화에 더욱 유리하다.
연료 전지 스택은 통상 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(separator)로 이루어진 단위 연료 전지가 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가진다. 여기서, 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조를 가진다.
도 1은 고분자 전해질막을 포함하는 일반적인 연료전지의 동작원리를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 연료전지(10)의 막-전극 어셈블리(20)는 고분자 전해질막(12), 연료극 촉매층(14) 및 공기극 촉매층(16)을 포함한다. 연료전지(10)에서 수소 기체 또는 수소를 함유한 연료가 연료극 촉매층(14)에 공급되면 연료극 촉매층(14)에서 전기화학적 산화반응이 일어나면서 수소 이온 H+와 전자 e-로 이온화되며 산화된다. 이온화된 수소 이온은 연료극 촉매층(14)에서 고분자 전해질막(12)을 통해 공기극 촉매층(16)으로 이동하고, 전자는 연료극 촉매층(14)에서 외부 전선(18)을 통해 공기극 촉매층(16)으로 이동하게 된다. 공기극 촉매층(16)으로 이동한 수소 이온은 공기극 촉매층(16)에 공급되는 산소와 전기화학적 환원반응을 일으켜 반응열과 물을 생성시킨다. 그리고 전자의 이동으로 전기 에너지가 발생된다.
상술한 고분자 전해질형 연료 전지와 직접 메탄올형 연료 전지의 전기화학적 반응을 반응식으로 각각 나타내면 아래의 반응식 1 및 반응식 2와 같다.
애노드 전극: H2 → 2H+ + 2e-
캐소드 전극: 1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O
애노드 전극: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-
캐소드 전극: 3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O
한편, 연료 전지는 적당한 온도에서 최적의 성능을 낸다. 따라서, 연료 전지를 적절하게 사용하기 위해서는 연료 전지의 초기 구동시 연료 전지 스택이 아직 예열되어 있지 않으므로 스택 온도가 일정 온도로 올라가기까지 기다려야 한다. 만일, 연료 전지 스택이 일정 온도에 도달하기 전에, 즉 스택이 안정화되기 전에 전력을 뽑아 쓰게 되면, 연료 전지 스택의 성능은 급격히 떨어지고, 심한 경우에 전력 생산이 되지 않게 된다.
게다가, 연료 전지는 그 사용 환경에 따라 신속한 구동이 요구된다. 다시 말해서, 연료 전지가 휴대용 전자기기의 전원이나 자동차용 동력원 등에 사용될 때, 연료 전지는 기기의 조속한 사용과 사용자 편의 등을 위해 저온 또는 냉온의 분위기에서도 신속하게 초기 구동되도록 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 스택의 출력 단자에 시동용 내부 저항을 결합시킴으로써 저온이나 냉온 등의 분위기에서도 연료 전지 스택을 신속하게 예열하여 초기 구동시킬 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 시동용 내부 저항에 의해 조기 예열되는 스택의 온도 를 측정하여 전력 공급 시기를 제어함으로써 신속하면서 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 시동용 내부 저항에 의해 예측가능하게 예열되는 스택의 적절한 전력 공급 시기를 타이머로 미리 설정함으로써 신속하면서 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는 데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 측면은, 수소를 함유한 제1 연료 및 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기를 발생시키는 적어도 하나의 단위 연료 전지를 구비한 연료 전지 스택과, 연료 전지 스택에 제1 연료 및 산화제를 포함한 제2 연료를 공급하는 연료 공급부와, 연료 전지 스택의 온도를 측정하는 센서와, 소정의 저항값을 갖는 시동용 부하, 및 초기 구동시 연료 전지 스택에 시동용 부하를 접속시키는 스위칭부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.
바람직하게, 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택을 구동시키기 위한 구동 신호를 받고, 제1 연료 및 제2 연료의 공급을 제어하며, 연료 전지 스택의 출력 단자에 시동용 부하가 접속되도록 스위칭부를 제어하는 제어부를 포함한다.
또한, 제어부는 센서로부터 입력되는 온도가 설정 온도 범위에 있으면, 스위칭부를 통해 연료 전지 스택으로부터 시동용 부하를 분리시킨다.
또한, 제어부는 구동 신호에 따라 연료 전지 스택으로부터 외부 부하를 분리시키고, 설정 온도 범위에서 연료 전지 스택에 외부 부하를 접속시킨다.
또한, 스위칭부는 연료 전지 스택과 시동용 부하 사이에 결합되는 제1 스위칭부 및 연료 전지 스택과 외부 부하 사이에 결합되는 제2 스위칭부를 구비한다.
또한, 스위칭부는 시스템의 작동 정지 신호에 응답하여 연료 전지 스택에 시동용 부하를 재접속시킨다.
본 발명의 제2 측면은, 상술한 제1 측면의 연료 전지 시스템의 구성에 더하여 스위칭부에 결합되며, 구동 신호에 따라 온 동작하고, 온 설정 시간 동안에 스위칭부를 온 상태로 동작시키는 타이머를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.
바람직하게, 제어부는 센서로부터 입력되는 온도가 설정 온도 범위에 있으면, 스위칭부를 통해 연료 전지 스택으로부터 시동용 부하가 분리되도록 타이머를 오프 제어한다.
또한, 제어부는 센서로부터 입력되는 온도가 낮은 만큼 타이머의 온 설정 시간을 길게 조정한다.
또한, 스위칭부는 타이머의 온 설정 시간 후에 연료 전지 스택으로부터 시동용 부하가 분리되도록 오프 동작한다.
또한, 스위칭부는 연료 전지 시스템의 작동 정지 신호에 응답하여, 연료 전지 스택에 시동용 부하를 재접속시킨다.
또한, 시동용 부하는 연료 전지 스택의 출력 단자를 통해 인가되는 전력을 열로 방출하는 막대 저항인 것이 바람직하다.
또한, 연료 전지 시스템은 제어부 및 연료 공급부 내의 펌프 또는 밸브에 전원을 공급하는 배터리부를 추가적으로 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 연료 공급 부는 제1 연료 및 제2 연료 중 적어도 하나의 연료를 가열하기 위한 가열 수단을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상술한 연료 전지 시스템은 구동 신호에 따라 연료 전지 스택을 가열하는 가열 수단을 추가적으로 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상술한 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택의 출력 전압을 변환하여 외부 부하에 전달하는 전력 변환부를 추가적으로 포함하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 본 발명과 관계없는 부분은 본 발명의 설명을 간결하고 명확하게 하기 위하여 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 연료 전지 시스템은 초기 구동을 위한 별도의 시동용 부하를 이용하여 연료 전지 스택을 신속하게 예열시켜 빠른 초기화를 구현한다. 이를 위해, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택(110), 센서(120), 연료 공급부(130), 제1 및 제2 스위칭부(142, 144), 시동용 부하(150), 제어부(170) 및 배터리부(180)를 포함한다. 연료 전지 시스템은 소정의 결합 수단, 예컨대, 커넥터(194)를 통해 외부 부하(200)와 결합된다.
구체적으로, 연료 전지 스택(110)은 수소와 산소의 산화환원 반응을 통해 전기를 발생시키는 막-전극 어셈블리(미도시)와, 막-전극 어셈블리의 양면에 밀착되 어 막-전극 어셈블리로 수소 또는 수소를 함유한 연료와 산화제, 예컨대, 산소 또는 공기를 공급하는 세퍼레이터(미도시)로 이루어지는 복수의 단위 연료 전지(미도시)를 구비한다. 이러한 연료 전지 스택(110)은 복수의 단위 연료 전지가 압착 밀봉된 적층 구조를 가진다. 세퍼레이터는 연료 전지 스택(110)의 구조에 따라 생략될 수 있다.
또한, 연료 전지 스택(110)은 양단 또는 최외곽에 위치하는 집전부(미도시)를 통해 소정 전위차를 갖는 전기 에너지를 외부 부하(200)에 공급한다. 일례로, 외부 부하(200)는 노트북 컴퓨터, PDA(Personal Digital Assistant), PMP(Portable Multimedia Player) 등과 같은 휴대용 전자기기를 포함한다. 그리고 연료 전지 스택(110)은 사용하고 남은 연료와 반응 생성물을 배출한다. 남은 연료는 재활용 수단에 의해 연료로 재활용될 수 있고, 이산화탄소 등의 반응 생성물은 대기중으로 배출된다.
센서(120)는 연료 전지 스택(110)의 온도를 측정하고, 측정된 온도값을 제어부(170)에 전달한다. 측정된 온도값은 센서(120)의 종류에 따라 아날로그 신호 또는 디지털 신호를 포함한다. 또한, 센서(120)는 그 종류에 따라 연료 전지 스택(110)의 외부 또는 내부에 접촉식 또는 비접촉식으로 부착될 수 있다. 일례로, 센서(120)는 물체에 내장 또는 부착된 상태에서 물체의 온도에 따라 저항이 변하는 써미스터(thermistor)를 포함한다.
연료 공급부(130)는 연료를 저장하는 연료 탱크(132)와, 연료 탱크(132) 내의 연료를 연료 전지 스택(110)으로 강제 배출시키는 연료 펌프(134), 및 제어부 (170)의 제어 신호에 따라 펌프(134)를 작동시키는 작동 장치(136)를 포함한다. 여기서, 연료 펌프(134)는 수소 또는 수소를 함유한 연료를 연료 전지 스택(110)에 공급하는 제1 연료 펌프와 산화제를 포함한 제2 연료를 연료 전지 스택(110)에 공급하는 제2 연료 펌프, 예컨대, 공기 펌프를 포함한다. 그리고, 수소를 함유한 연료는, 예컨대, 메탄올, 에탄올, 천연 가스 등과 같은 액상(액체 상태) 또는 기상(기체 상태)의 연료를 포함하며, 산화제는, 예컨대, 산소 또는 공기를 포함한다. 이하의 상세한 설명에서는 설명의 편의상 수소 또는 수소를 함유하는 연료를 제1 연료라고 하고, 산소 또는 산소를 함유하는 연료를 제2 연료라고 한다.
상술한 펌프(134)는 선택적 구성요소로서 펌프를 사용하지 않는 패시브(passive)형 구조의 연료 공급부(130)의 경우에 생략될 수 있다. 그리고, 연료 펌프(134)는 작동 장치(136)의 제어에 의해 작동되는 연료 밸브로 대체가능하다.
또한, 도면에 도시하지는 않았지만, 연료 공급부(130)는 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 반응 생성물로 생성된 일산화탄소를 저감시키는 개질기를 포함할 수 있다. 물론, 본 실시예의 연료 전지 스택이 제1 연료로서 메탄올을 직접 이용하는 직접 메탄올형 연료 전지 스택인 경우, 개질기는 생략될 수 있다.
제1 스위칭부(142)는 연료 전지 스택(110)과 시동용 부하(150) 사이에 결합되며, 그것들을 전기적으로 접속 또는 분리시킨다. 제1 스위칭부(142)는 연료 전지의 초기 구동시 연료 전지 스택(110)에 시동용 부하(150)을 접속시킨다. 이것은 연료 전지 스택(110)에 적당한 부하로서 작용하여 연료 전지 스택(110)이 신속히 예열되도록 작용한다. 그리고, 제1 스위칭부(142)는 연료 전지 스택(110)이 안정화되 어 정상 구동되기 시작할 때, 연료 전지 스택(110)으로부터 시동용 부하(150)를 분리시킨다. 이러한 제1 스위칭부(142)의 온 오프 동작은 제어부(170)에 의해 제어될 수 있다.
제2 스위칭부(144)는 연료 전지 스택(110)과 외부 부하(200) 사이에 결합되며, 그것들을 전기적으로 분리 또는 접속시킨다. 제2 스위칭부(144)는 연료 전지의 초기 구동시 연료 전지 스택(110)으로부터 외부 부하(200)를 분리시킨다. 그리고, 제2 스위칭부(144)는 연료 전지 스택(110)이 안정화되어 정상 구동되면, 연료 전지 스택(110)에 외부 부하(200)를 접속시킨다. 이러한 제2 스위칭부(144)의 온 오프 동작은 제어부(170)에 의해 제어될 수 있다.
연료 전지 시스템의 초기 구동시 외부 부하(200)를 분리시키는 것은 외부 부하(200)의 저항값을 미리 알 수 없기 때문에 연료 전지 스택(110)의 적절한 예열 시간을 예측하기 어렵기 때문이다. 또한, 그것은 연료 전지 스택(110)에 저항값이 변화될 수 있는 외부 부하(200)가 결합되어 있으면, 연료 전지 스택(110)의 초기 구동시 그것의 예열 시간을 예측할 수 없고, 더욱이 외부 부하의 저항값이 커지는 경우, 연료 전지 스택(110)에 부담이 되어 연료 전지 스택(110)이 정상적인 동작 상태로 진행하기 못하고 정지될 수 있기 때문이다.
시동용 부하(150)는 정해진 저항값을 갖고 연료 전지의 초기 구동시 연료 전지 스택(110)에 결합된다. 시동용 부하(150)는 예를 들어 연료 전지 스택(110)으로부터 인가되는 전력을 열로 발산하는 막대 저항을 포함한다. 본 실시예에서 시동용 부하(150)의 저항값은 연료 전지 스택(110)의 구조, 종류 또는 용량에 따라 적절하 게 설정된다.
제어부(170)는 입력되는 구동 신호에 따라 연료 전지 시스템을 구동시킨다. 이를 위해, 제어부(170)는 연료 전지의 초기 구동시 배터리부(180)로부터 전력을 공급받고, 연료 전지 스택(110)에 연료를 공급하는 연료 공급부(130)를 제어한다. 그리고, 연료 전지 스택(110)의 신속하고 안정적인 예열을 위하여 연료 전지 스택(110)에 시동용 부하(150)를 접속시킨다. 이때, 연료 전지 스택(110)에 외부 부하(200)가 결합되어 있으면, 연료 전지 스택(110)의 안정적인 예열을 위하여 연료 전지 스택(110)으로부터 외부 부하(200)를 분리시킨다.
또한, 제어부(170)는 센서(120)로부터 연료 전지 스택(110)의 온도 정보를 주기적으로 받고, 기설정된 설정 온도와 비교하여 연료 전지의 정상 출력 시점을 결정한다. 예를 들면, 설정 온도는 고분자 전해질형 연료 전지나 직접 메탄올 연료 전지의 경우, 70℃ 내지 120℃와 70℃ 내지 80℃ 범위 내에서 각각 설정된다.
또한, 제어부(170)는, 연료 전지 스택(110)의 온도가 설정 온도 범위에 도달했을 때, 연료 전지 스택(110)으로부터 시동용 부하(150)를 분리시키고 연료 전지 스택(110)에 외부 부하(200)를 접속시킨다. 이로써, 연료 전지는 종래의 경우보다 신속하게 그리고 안정적으로 정상 구동 상태에 도달된다.
또한, 제어부(170)는 연료 전지 시스템의 동작 정지시 연료 전지 스택(110)에서 외부 부하(200)를 분리시키고 시동용 부하(150)을 미리 접속시킬 수 있다. 이 경우, 연료 전지 시스템의 초기 구동시 연료 전지 스택(110)이 조기 예열 상태에 있으므로, 연료 전지 시스템은 그 상태로 신속히 예열될 수 있다.
배터리부(180)는 연료 전지의 초기 구동시 제어부(170)와 연료 공급부(130)에 전력을 공급한다. 연료 전지 스택(110)과 배터리부(180) 사이에는 배터리부(180)로부터의 전력이 연료 전지 스택(110)으로 전달되는 것을 방지하는 수단, 예컨대, 다이오드(192)가 결합된다.
또한, 배터리부(180)는 연료 전지 스택(110)의 출력 단자에 결합되며 연료 전지의 정상 구동시 연료 전지 스택(110)의 출력 전력에 의해 충전된다. 그리고, 도면에 도시하지는 않았지만, 배터리부(180)는 배터리의 충방전을 제어하는 배터리 제어기(미도시)를 구비한다.
또한, 배터리부(180)는 배터리 제어기 또는 제어부(170)의 제어에 따라 연료 전지의 초기 구동시에 연료 전지 스택(110)과 전기적으로 분리된 상태에서 제어부(170) 및 연료 공급부(130)에 전력을 공급하도록 구성된다.
한편, 본 실시예에서는 연료 전지 시스템의 초기 구동시 제어부(170) 및 연료 공급부(130)에 전력을 공급하는 수단으로서 배터리부(180)를 예를 들어 설명하였다. 하지만, 본 발명은 상기 수단으로서 배터리 이외에 캐패시터 등의 다른 전력 저장 소자를 이용하거나 외부 전원을 직접 연결하여 이용할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택(110)에서 외부 부하(200)를 분리시키고 정해진 저항값을 갖는 시동용 부하(150)를 접속시킨 상태에서 예열시킴으로써 종래의 연료 전지 시스템보다 짧은 시간 동안에 안정적으로 정상 구동된다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서 연료 전지 스택을 신속하게 초기 구동시키는 과정을 나타내는 순서도이다.
도 3을 참조하면, 연료 전지 시스템을 구동시키기 위한 구동 신호가 자동 또는 수동으로 연료 전지 시스템에 입력된다(302). 그러면, 제어부는 배터리 등으로부터 전력을 공급받아 정해진 순서, 예컨대, 메모리(미도시)에 저장된 프로그램에 따라 연료 전지 시스템의 구동을 제어한다.
먼저 제어부는 연료 공급부를 제어하여 연료 전지 스택에 연료를 공급한다(304). 예를 들면, 제어부는 연료 탱크에 결합되어 있는 연료 펌프와 소정의 공기 펌프를 이용하여 수소를 함유한 연료과 산화제, 예컨대, 메탄올과 공기를 각각의 공급로를 통해 연료 전지 스택에 공급한다.
다음, 제어부는 연료 전지 스택과 외부 부하를 접속 및 분리시키는 스위칭부(제2 스위칭부)를 제어하여 연료 전지 스택으로부터 외부 부하를 분리시킨다(308). 만일, 연료 전지 시스템의 초기 구동시 연료 전지 스택에 외부 부하가 결합되어 있지 않다면, 본 단계는 생략될 수 있다.
다음, 제어부는 연료 전지 스택과 시동용 부하를 접속 및 분리시키는 스위칭부(제1 스위칭부)를 제어하여 연료 전지 스택에 시동용 부하를 접속시킨다(310). 만일, 연료 전지 시스템의 초기 구동시 연료 전지 스택에 시동용 부하가 접속되어 있다면, 본 단계를 생략될 수 있다.
다음, 제어부는 센서를 통해 연료 전지 스택의 온도를 주기적으로 측정한다(312). 그리고, 제어부는 측정된 온도가 설정 온도 범위에 있는지를 판단한다 (314).
상기 판단 결과, 측정된 온도가 설정 온도 범위에 있으면, 제1 스위칭부를 오프 제어한다(316). 이때, 연료 전지 스택으로부터 시동용 부하가 분리된다(318). 그리고, 제2 스위칭부를 온 제어하여 연료 전지 스택에 외부 부하를 접속시킨다(320). 또한, 상기 판단 결과, 측정된 온도가 설정 온도 범위에 있지 않으면, 연료 전지 스택으로부터 측정된 온도가 설정 온도 범위에 있는지 판단하는 것을 반복 수행한다. 물론, 제어부는 연료 전지 스택으로부터 측정된 온도가 비정상적인 온도인 경우, 연료 전지를 정지시킬 수 있다.
상기 과정에 의해, 연료 전지 스택은 신속하면서도 안정적으로 초기화되며, 따라서 연료 전지 시스템이 빠르게 정상 구동된다(322).
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 스택의 신속한 초기 구동을 위한 연료 전지 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 4를 참조하면, 본 연료 전지 시스템은 시동용 부하와 함께 타이머를 탑재하여 연료 전지 스택을 신속하게 예열시켜 연료 전지의 빠른 초기화를 구현한다. 이를 위해, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지는 연료 전지 스택(110), 연료 공급부(130), 스위칭부(140), 시동용 부하(150), 타이머(160), 제어부(170) 및 배터리부(180)를 포함한다. 연료 전지에는 전력 변환부(190), 예컨대, DC-DC 변환기 및/또는 DC-AC 변환기를 통해 외부 부하(200)가 결합된다.
구체적으로, 제어부(170)는 연료 전지 시스템의 초기 구동 신호에 응답하여 소정의 프로그램에 따라 연료 전지 스택(110)에 시동용 부하(150)를 접속시킨다. 이때, 제어부(170)는 스위칭부(140)에 결합된 타이머(160)를 이용하여 소정의 설정 시간 동안 연료 전지 스택(110)에 시동용 부하(150)를 접속시킨다. 이 경우, 제어부(170)는 앞서 설명한 제1 실시예의 제어부와 달리 온도 센서로부터 받은 스택 온도를 소정의 설정 온도와 비교하여 연료 전지의 정상 출력 시점을 판단할 필요가 없다. 따라서, 본 실시예에서는 제어부(170)에 탑재되는 프로그램이 제1 실시예의 경우에 비해 간단해진다.
타이머(160)는 제어부(170)의 제어에 따라 소정의 온 설정 시간을 갖고 구동된다. 타이머(160)은 그것의 온 오프 동작에 따라 스위칭부(140)가 절체 동작되도록 구성된다. 이러한 타이머(160)은 예를 들어 공지된 장치인 555 타이머 등을 이용하여 구현될 수 있다.
타이머(160)의 온 설정 시간은 연료 전지 스택(110)의 구조나 종류에 따라 다르게 설정된다. 예를 들면, 온 설정 시간은 연료 전지의 초기 구동시 시동용 부하에 의해 신속하게 예열되는 연료 전지 스택(110)의 예열 시간을 측정하여 적절하게 설정된다. 이러한 경우, 실제 사용되는 연료 전지 시스템 내에는 연료 전지 스택(110)의 온도를 측정하는 센서를 생략할 수 있다.
타이머(160)의 온 설정 시간은 예를 들어 다음의 표 1과 같이 나타낼 수 있다.
스택 온도(℃) 타이머 온 설정 시간
-20 미만 20분 이상
-20 이상 ~ -10 미만 15분
-10 이상 ~ 0 미만 10분
0 이상 ~ 10 미만 7분
10 이상 ~ 20 미만 4분
20 이상 ~ 30 미만 2분
30 이상 1분 이하
스위칭부(140)는 연료 전지 스택(110)에 시동용 부하(150) 및 외부 부하(200) 중 어느 하나를 선택적으로 접속 또는 분리시키기 위하여 이들 사이에 결합된다. 그리고 스위칭부(140)는 타이머(160)를 통해 제어부(170)에 결합된다.
또한, 스위칭부(140)는 제어부(170)의 제어에 의한 타이머(160) 동작에 따라 연료 전지의 초기 구동시 연료 전지 스택(110)의 신속한 예열을 위하여 적절한 부하 저항으로 작용하는 시동용 부하(150)을 연료 전지 스택(110)에 접속시키고 연료 전지 스택(110)으로부터 외부 부하(200)를 분리시킨다. 그리고, 스위칭부(140)는 연료 전지 스택(110)이 안정화되어 정상 구동되기 시작할 때, 즉 타이머(160)의 온 설정 시간이 완료되었을 때, 연료 전지 스택(110)으로부터 시동용 부하(150)를 분리시키고 연료 전지 스택(110)에 외부 부하(200)를 접속시킨다. 이것은 제어부의 제어와 관계없이 타이머(160)의 오프 동작에 따라 수행될 수 있다.
그리고, 연료 전지 스택(110), 연료 공급부(130), 시동용 부하(150) 및 배터리부(180)에 대한 상세한 설명은 앞서 설명한 제1 실시예에서의 상세한 설명과 중복되므로 본 실시예에서는 생략한다.
상술한 구성에 의해, 본 실시예의 연료 전지 시스템은 써미스터 등과 같은 온도 센서를 이용하지 않고도 시동용 부하에 의한 예측가능한 정상 구동 시점을 타이머로 설정하여 안정적이면서도 신속하게 연료 전지를 정상 구동시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 스택의 신속한 초기 구동을 위한 연료 전지 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 5를 참조하면, 본 연료 전지 시스템은 시동용 부하와 함께 온도 센서 및 타이머를 이용하여 연료 전지 스택을 신속하게 예열시켜 연료 전지를 빠르게 정상 구동시킨다. 이를 위해, 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지는 연료 전지 스택(110), 센서(120), 연료 공급부(130), 스위칭부(140), 시동용 부하(150), 타이머(160), 제어부(170) 및 배터리부(180)를 포함한다. 연료 전지에는 전력 변환부(190), 예컨대, DC-DC 변환기 및/또는 DC-AC 변환기를 통해 외부 부하(200)가 결합된다.
본 실시예의 연료 전지 시스템은 앞서 설명한 제1 및 제2 실시예의 연료 전지 시스템을 조합하여 제작한 것이다. 따라서, 각 구성요소에 대한 상세한 설명은 설명의 중복을 피하기 위해 생략한다.
이처럼, 본 연료 전지 시스템은 시동용 부하(150)에 의해 신속하게 예열되는 연료 전지 스택(110)과, 이 연료 전지 스택(110)의 온도를 측정하여 스택 온도가 설정 온도 범위에 있는지 판단하고 그것에 의해 연료 전지의 정상 구동 시점에서 연료 전지를 정상 구동시키는 제어부(170), 그리고 시동용 부하(150)에 의해 조기 예열되는 연료 전지 스택(110)의 특성에 따라 소정의 온 설정 시간 동안에 동작하는 타이머(160)를 복합적으로 이용하여 종래의 연료 전지보다 신속하면서도 안정적으로 연료 전지를 정상 구동시킨다.
또한, 본 연료 전지 시스템은 연료 전지의 초기 구동시 연료 전지 스택(110)의 신속한 예열을 위하여 구동 신호에 따라 연료 전지 스택(110)을 가열하는 제1 가열 수단(125) 및/또는 상기 구동 신호에 따라 연료 전지 스택(110)에 공급되는 연료, 예컨대, 메탄올 및/또는 공기를 가열하는 제2 가열 수단(138)을 포함한다. 이 경우, 연료 전지 스택(110)은 더욱 빠르게 예열되며, 이로써 연료 전지는 안정적이면서도 더욱 신속하게 정상 구동될 수 있다. 연료 전지 스택(110)을 가열하는 제1 가열 수단(125)은, 일례로써, 연료 전지 스택(110)의 외부에 결합되는 열선이나 연료 전지 스택(110) 내로 연장되는 유로 등를 이용하여 구현될 수 있다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서 연료 전지 스택을 신속하게 초기 구동시키는 과정을 나타내는 순서도이다.
도 6을 참조하면, 연료 전지를 구동시키기 위한 구동 신호가 자동 또는 수동으로 연료 전지 시스템에 입력된다. 그러면, 제어부는 구동 신호를 수신하고 배터리 등으로부터 전력을 공급받아 메모리(미도시)에 저장된 프로그램 등과 같이 정해진 순서에 따라 연료 전지의 구동을 제어한다(302).
먼저 제어부는 연료 공급부를 제어하여 연료 전지 스택에 연료를 공급한다. 이때, 제어부는 연료 탱크에 결합되어 있는 연료 펌프와 공기 펌프를 이용하여 수소한 함유한 연료 및 산화제 예컨대, 메탄올과 공기를 각각의 공급로를 통해 연료 전지 스택에 공급한다. 그리고, 바람직하게, 메탄올 및/또는 공기는 소정의 가열 수단에 의해 가열되어 연료 전지 스택에 공급된다(304). 또한 연료 전지 스택은 열선부 등의 가열 수단에 의해 가열된다(306).
다음, 제어부는 스위칭부를 제어하여 연료 전지 스택으로부터 외부 부하를 분리시킨다(308). 그리고, 제어부는 타이머를 통해 스위칭부를 제어하여 연료 전지 스택에 시동용 부하를 접속시킨다(311). 여기서, 연료 전지 스택으로부터 외부 부하를 분리시키는 스위칭 동작과 연료 전지 스택에 시동용 부하를 접속시키는 동작은 한 번의 스위칭 동작에 의해 수행된다. 만일, 연료 전지의 초기 구동시 연료 전지 스택에 외부 부하가 결합되어 있지 않거나 연료 전지 스택에 시동용 부하가 결합되어 있다면, 상기 단계(308) 및 상기 단계(311)는 생략된다.
다음, 제어부는 센서를 통해 연료 전지 스택의 온도를 주기적으로 측정한다(312). 그리고, 제어부는 측정된 온도가 설정 온도 범위에 있는지를 판단한다(314).
상기 판단 결과, 측정된 온도가 설정 온도 범위에 있으면, 타이머를 오프 제어한다(317). 타이머의 오프 동작과 함께 스위칭부가 절체 동작하며, 그 결과 연료 전지 스택으로부터 시동용 부하가 분리된다(318). 그리고, 타이머의 오프 동작과 함께 스위칭부가 절체 동작하면, 연료 전지 스택에 외부 부하가 접속된다(320).
또한, 상기 판단 결과, 측정된 온도가 설정 온도 범위에 있지 않으면, 연료 전지 스택으로부터 측정된 온도가 설정 온도 범위에 있는지 판단하는 것을 반복 수행한다.
한편, 타이머를 통해 연료 전지 스택에 시동용 부하를 접속시킨 후에, 제어부는 타이머의 온 설정 시간이 되었는가를 확인한다(313). 여기서, 온 설정 시간은 시동용 부하에 의해 신속하게 예열되는 연료 전지 스택의 특성에 따라 설정된다. 타이머의 온 설정 시간이 경과되면 타이머는 오프된다(315). 타이머가 오프되면, 타이머의 오프 동작에 따라 타이머에 결합된 스위칭부가 자동적으로 이전 상태로 복구된다. 이때, 제어부는 타이머를 오프 동작에 따라 스위칭부가 복구되는 것을 유보하고 설정된 프로그램이나 우선 순위에 따라 연료 전지 스택의 온도가 설정 온도 범위에 도달할 때까지 스위칭부의 동작을 제어할 수 있다. 이 경우, 연료 전지의 제어 자유도가 높아진다.
그 후, 연료 전지 스택으로부터 시동용 부하를 분리시키고, 연료 전지 스택에 외부 부하를 접속시켜 연료 전지를 정상 구동시킨다(318, 320, 322).
상술한 과정에 의해, 연료 전지 스택은 보다 신속하면서도 안정적으로 초기화되며, 따라서 연료 전지가 더욱 빠르게 정상 구동된다.
도 7은 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서 연료 전지 스택의 신속한 초기 구동을 종래의 예와 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 7에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 연료 전지는 종래의 연료 전지보다 빠르게 구동된다. 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 연료 전지의 경우(A), 연료 전지의 초기 구동 후 소정 시간(T1) 동안에 연료 전지 스택이 안정적으로 구동하기 위한 온도(K1)에 도달하였다. 그리고, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지의 경우(B), 초기 구동 후 소정 시간(Ta) 동안에 연료 전지 스택이 안정적으로 구동하기 위한 온도(K1)에 도달하였다. 하지만, 종래예의 경우(C), 초기 구동 후 소정 시간(T1) 동안에 연료 전지 스택이 안정적으로 구동하기 위한 온도(K1)에 도달하지 못하고 그 이후에 도달하는 것을 알 수 있다.
이처럼, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 연료 전지의 초기 구동시 종래예보다 신속하게 연료 전지 스택을 예열시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
한편, 상술한 실시예의 연료 전지 시스템은 소형화에 적합한 고분자 전해질형 연료 전지 방식 또는 직접 메탄올형 연료 전지 방식으로 이루어지는 것이 바람직하다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 연료 전지 시스템은 스택의 출력 단자에 시동용 부하를 결합시킴으로써 연료 전지 스택을 신속하게 예열시켜 연료 전지를 빠르게 정상 구동시킬 수 있다. 또한, 시동용 부하에 의해 예열되는 스택의 온도를 측정하여 연료 전지의 정상 구동 시점을 제어함으로써 신속하면서도 안정적으로 연료 전지를 정상 구동시킬 수 있다. 게다가, 시동용 부하에 의해 예열되는 스택의 적절한 예열 시간을 타이머로 설정함으로써 간편하면서 빠르게 연료 전지를 정상 구동시킬 수 있다. 또한, 연료 전지 스택의 현재 온도에 따라 타이머 설정 시간을 적절 하게 변경시킴으로써, 상온보다 낮은 저온 또는 냉온 등의 분위기하에서 연료 전지 스택의 초기 온도가 낮게 변화되는 경우에도 종래의 경우보다 빠르고 안정적으로 연료 전지를 정상 구동시킬 수 있다.

Claims (19)

  1. 수소를 함유한 제1 연료 및 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기를 발생시키는 적어도 하나의 단위 연료 전지를 구비한 연료 전지 스택;
    상기 연료 전지 스택에 상기 제1 연료 및 상기 산화제를 포함한 제2 연료를 공급하는 연료 공급부;
    상기 연료 전지 스택의 온도를 측정하는 센서;
    소정의 저항값을 갖는 시동용 부하; 및
    상기 연료 전지 스택의 출력 단자에 상기 시동용 부하를 접속시키는 스위칭부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    소정의 구동 신호에 따라 상기 제1 연료 및 상기 제2 연료의 공급을 제어하며 상기 연료 전지 스택에 상기 시동용 부하가 접속되도록 상기 스위칭부를 제어하는 제어부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 센서에서 측정된 온도가 설정 온도 범위에 있으면, 상기 스위칭부를 통해 상기 연료 전지 스택으로부터 상기 시동용 부하를 분리시키는 연료 전지 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 구동 신호에 따라 상기 연료 전지 스택으로부터 외부 부하를 분리시키고, 상기 설정 온도 범위에서 상기 연료 전지 스택으로 상기 외부 부하를 접속시키는 연료 전지 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 스위칭부는 상기 연료 전지 스택과 상기 시동용 부하 사이에 결합되는 제1 스위칭부 및 상기 연료 전지 스택과 상기 외부 부하 사이에 결합되는 제2 스위칭부를 구비하는 연료 전지 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭부는 상기 연료 전지 시스템의 작동 정지 신호에 응답하여 상기 연료 전지 스택에 상기 시동용 부하를 재접속시키는 연료 전지 시스템.
  7. 수소를 함유한 제1 연료 및 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기를 발생시키는 적어도 하나의 단위 연료 전지를 구비한 연료 전지 스택;
    상기 연료 전지 스택에 상기 제1 연료 및 상기 산화제를 포함한 제2 연료를 공급하는 연료 공급부;
    소정의 저항값을 갖는 시동용 부하;
    상기 연료 전지 스택의 출력 단자에 상기 시동용 부하를 접속시키는 스위칭부; 및
    상기 스위칭부의 제어 단자에 결합되며, 온 설정 시간 동안에 상기 스위칭부를 제어하는 타이머를 포함하는 연료 전지 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택을 구동시키기 위한 구동 신호에 따라 상기 제1 연료 및 상기 제2 연료의 공급을 제어하며 상기 타이머를 온 제어하는 제어부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택의 온도를 측정하는 센서를 더 포함하며,
    상기 제어부는 상기 센서로부터 입력되는 온도가 설정 온도 범위에 있으면, 상기 스위칭부를 통해 상기 연료 전지 스택으로부터 상기 시동용 부하가 분리되도록 상기 타이머를 오프 제어하는 연료 전지 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 센서로부터 입력되는 초기 온도가 낮은 만큼 상기 타이머의 상기 온 설정 시간을 연장시켜 설정하는 연료 전지 시스템.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 스위칭부는 상기 타이머의 상기 온 설정 시간 후에 상기 연료 전지 스택으로부터 상기 시동용 부하가 분리되도록 오프 동작하는 연료 전지 시스템.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 스위칭부는 상기 연료 전지 시스템의 작동 정지 신호에 응답하여 상기 연료 전지 스택에 상기 시동용 부하를 재접속시키는 연료 전지 시스템.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시동용 부하는 상기 연료 전지 스택의 출력 단자를 통해 인가되는 전력을 열로 방출하는 막대 저항인 연료 전지 시스템.
  14. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부 및 상기 연료 공급부 내의 펌프 또는 밸브에 전원을 공급하는 배터리부를 추가적으로 포함하는 연료 전지 시스템.
  15. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 공급부는 상기 구동 신호에 따라 상기 제1 연료 및 상기 제2 연료 중 적어도 하나를 가열하는 가열 수단을 포함하는 연료 전지 시스템.
  16. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동 신호에 따라 상기 연료 전지 스택을 가열하는 가열 수단을 추가적으로 포함하는 연료 전지 시스템.
  17. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택의 출력 전압을 변환하여 상기 외부 부하에 전달하는 전력 변환부를 추가적으로 포함하는 연료 전지 시스템.
  18. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템이, 고분자 전해질형 연료 전지 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
  19. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템이, 직접 메탄올형 연료 전지 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
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