KR20060098928A - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 연료와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키며 이 전기 에너지를 소정의 부하로 공급하는 스택과, 상기 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급원과, 상기 스택으로 산소를 공급하는 산소 공급원과, 상기 스택과 연결 설치되어 이 스택의 전기 출력량을 상기 부하에서 요구하는 기준 전기 출력량과 비교하고, 상기 전기 출력량의 데이터 값에 따라 상기 스택과 부하를 선택적으로 접지시키는 비교기를 포함한다.
연료전지, 스택, 전기발생부, 퓨얼셀, 비교기, 보조전원공급부

Description

연료 전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시한 스택의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동을 구체적으로 설명하기 위한 블록도이다.
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 시스템의 구동을 제어하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템이다.
이러한 연료 전지에 있어 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : PEMFC, 이하 편의상 PEMFC라 한다)는 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지는 바, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.
상기와 같은 PEMFC 방식을 채용한 연료 전지 시스템은 스택(stack), 개질기(Reformer), 연료 탱크, 및 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 다수의 단위 셀로 이루어진 전기 발생 집합체를 형성하며, 연료 펌프는 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급한다. 개질기는 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 스택으로 공급한다. 따라서, 본 시스템은 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시킨다. 그리고 상기한 수소 가스를 스택으로 공급하고, 별도의 펌프 등을 통해 공기를 스택으로 공급한다. 그러면 스택에서는 상기 수소 가스와 공기 중에 함유된 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.
한편, PEMFC와 다른 방식의 연료 전지 시스템은 연료를 직접 스택으로 공급하여 이 연료에 함유된 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell : DMFC, 이하 DMFC라 한다) 방식을 채용할 수 있다. 이러한 DMFC는 PEMFC와 달리, 개질기가 배제된다.
상기와 같이 구성되는 종래의 연료 전지 시스템은 스택으로부터 발생되는 전기 출력량을 감지하고 이 전기 출력량의 데이터 값에 따라 펌프, 보조 전원 등 시스템의 전반적인 구동을 제어하는 바, 상기 전기 출력량을 감지하는 전압 센서를 구비하고 있다.
그런데, 종래의 연료 전지 시스템은 언급한 바와 같은 전압 센서를 장착함에 따라 전체 시스템의 회로 및 기구 설계가 복잡해지고, 시스템의 크기가 커지게 되며 소모되는 전력이 늘어나는 문제점이 발생된다. 이러한 시스템의 부피 증가는 좁은 공간 특히 소형 모바일 기기에 시스템을 설치 사용해야 하는 경우 설계상의 제약 요인으로 작용하여 더욱 큰 문제를 야기하게 된다.
본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 간단한 구조로서 스택으로부터 발생되는 전기 출력량을 감지할 수 있는 구조의 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부를 구비하는 것으로서, 상기 전기 발생부의 전기 출력단에 설치되어 이 전기 발생부의 전기 출력량과 소정 부하에서 요구하는 기준 전기 출력량을 비교하는 비교기를 포함한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 비교기가 상기 전기 발생부의 전압 또는 전류량을 검출하도록 되어 있다.
아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 연료와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키며 이 전기 에너지를 소정의 부하로 공급하는 스택과, 상기 스택으로 연료를 공급하는 연료 공 급원과, 상기 스택으로 산소를 공급하는 산소 공급원과, 상기 스택과 연결 설치되어 이 스택의 전기 출력량을 상기 부하에서 요구하는 기준 전기 출력량과 비교하고, 상기 전기 출력량의 데이터 값에 따라 상기 스택과 부하를 선택적으로 접지시키는 비교기를 포함한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 비교기에 의해 검출된 전기 출력량의 데이터 값에 따라 상기 부하로 보조 전원을 선택적으로 공급하는 보조 전원 공급부를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 스택의 전기 출력량이 상기 기준 전기 출력량을 초과하는 경우, 상기 스택과 부하를 전기적으로 접지시키는 구조로 되어 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 스택의 전기 출력량이 상기 기준 전기 출력량을 초과하지 않는 경우, 상기 보조 전원 공급부와 부하를 전기적으로 접지시키는 구조로 되어 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 보조 전원 공급부는 상기 부하와 전기적으로 연결되는 2차 전지를 포함할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 스택은, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)를 중심에 두고 이의 양측에 밀착 배치되는 세퍼레이터(Separator)로 이루어진 전기 발생부를 포함하며, 상기 전기 발생부를 복수로 구비하여 이들 전기 발생부의 집합체 구조로 이루어진다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 연료로서 수소 가스를 사용 하는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 연료로서 액상으로 이루어진 연료를 사용할 수도 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 공기를 통해 상기 산소를 얻는 구조로 되어 있다.
이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식으로 이루어질 수도 있다.
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 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시한 스택의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.
이 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)을 설명하면, 이 연료 전지 시스템(100)은, 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스와 산화제 가스를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생 시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용한다.
이러한 연료 전지 시스템(100)에 있어 전기를 발생시키기 위한 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등과 같이 액상 또는 기체 상태로 이루어진 연료 이 외에, 상기 연료의 개질에 의하여 발생되는 수소 가스를 통칭한다. 그러나 본 실시예에서 설명하는 연료는 편의상 액상으로 이루어진 연료를 의미한다.
그리고 본 시스템(100)은 수소 가스와 반응하는 산화제 가스로서 별도의 저장수단에 저장된 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 후자의 예를 설명한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은, 기본적으로 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 스택(10)과, 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 스택(10)으로 공급하는 연료 공급원(30)과, 산소를 상기 스택(10)으로 공급하는 산소 공급원(50)을 포함하여 구성된다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 적용되는 스택(10)은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)(12)와, 상기 막-전극 어셈블리(12)를 중심에 두고 이의 양면에 밀착 배치되는 세퍼레이터(Separator)(당업계에서는 '바이폴라 플레이트'라고도 한다.)(16)로 이루어진 전기 발생부(11)를 구비한다. 이 전기 발생부(11)는 상기 수소 가스 중의 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 최소 단위의 연료 전지(fuel cell)로 구성된다. 따라서 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 상기와 같이 구성되는 전기 발생부(11)를 복수로 구비하고 이들 전기 발생부(11)를 연속 배치함으로써, 본 실시예에 의한 전기 발생부(11)의 집합체 구조에 의한 스택(10)을 형성할 수 있다.
연료 공급원(30)은 전술한 바 있는 액상의 연료를 저장하는 연료 탱크(31)와, 이 연료 탱크(31)에 연결 설치되어 상기 연료를 배출시키는 연료 펌프(33)와, 상기 연료 탱크(33)와 스택(10) 사이에 배치되어 연료 탱크(33)로부터 연료를 공급받아 이 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 상기 수소 가스를 전기 발생부(11)로 공급하는 개질기(35)를 포함한다.
이 연료 공급원(30)에 있어 상기 개질기(35)는 열 에너지에 의한 개질 촉매 반응 예컨대, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 것이 바람직하다. 그리고 상기 개질기(35)는 예컨대 수성가스 전환 방법, 선택적 산화 방법 등과 같은 촉매 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법으로 상기 일산화탄소의 농도를 저감시키는 것이 바람직하다.
그리고 산소 공급원(50)은 공기를 흡입하고, 이 공기를 상기 전기 발생부(11)로 공급할 수 있는 공기 펌프(51)를 포함한다.
대안으로서, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 메탄올, 에탄올과 같은 액상의 연료를 직접 전기 발생부(11)로 공급하여 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 통상적인 구조의 직접 메탄올형 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell) 방식을 채용할 수도 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 전지 방식의 연료 전지 시스템(100)은 고분자 전해질형 연료 전지 방식과 달리, 도 1에 가상선으로 도시한 개질기(35)를 필요로 하지 않고, 연료 탱크(31)와 연료 펌프(33)로 구성되는 연료 공급원(30)을 포함할 수 있다.
따라서 본 발명에 의한 연료 전지 시스템(100)의 작용시, 연료 공급원(30)을 통해 수소 가스를 전기 발생부(11)로 공급하고, 산소 공급원(50)을 통해 공기를 상기 전기 발생부(11)로 공급하게 되면, 이 전기 발생부(11)에서는 수소 가스 중의 수소와 공기 중에 함유된 산소의 전기 화학적인 반응을 전기 에너지를 출력시킨다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)에, 스택(10)의 전기 출력단에 설치되는 비교기(70)를 제공한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동을 구체적으로 설명하기 위한 블록도로서, 상기 비교기(70)는 스택(10)의 전기 출력량과 소정 부하(L)에서 요구하는 기준 전기 출력량을 비교하여 상기 전기 출력량의 데이터 값에 따라 이 스택(10)과 부하(L)를 선택적으로 접지시키는 기능을 하게 된다.
여기서 상기 전기 출력량은 스택(10)에서 출력되는 전기 에너지의 전압값 또는 전류값을 의미하며, 바람직하게는 스택(10)의 출력 전압을 의미한다. 그리고 상기 기준 전기 출력량은 뒤에서 더욱 설명하는 기준 전압원(71)의 기준 전압을 의미한다.
본 실시예에서, 상기 비교기(70)는 공지 기술의 비교기로서, 마이너스 입력 단자와, 플러스 입력 단자를 구비하며, 상기 스택(10)의 전기 출력단과 부하(L)에 전기적으로 접속된 구조로 이루어진다. 이 때 상기 마이너스 입력 단자는 스택(10)의 전기 출력단과 접속되며, 상기 플러스 입력 단자는 통상적인 기준 전압 생성 회 로에 의해 실현되는 기준 전압원(71)과 접속되어 있다.
이와 같은 비교기(70)는 언급한 바와 같은 구성 요소 외에, 저항, 트랜지스터 등을 구비하는 바, 이러한 구성 요소는 통상적인 비교기 구성으로 이루어질 수 있으므로, 본 명세서에서 그 자세한 설명한 생략하기로 한다.
따라서 시스템(100)의 구동시, 스택(10)으로부터 임의의 전압을 출력하게 되는 바, 본 실시예에 의한 비교기(70)가 상기 출력 전압과 기준 전압원(71)의 기준 전압을 비교하여, 상기 출력 전압이 기준 전압을 초과하는 경우, 상기 스택(10)과 부하(L)는 상호 접지된 상태를 유지하게 된다. 이로써 스택(10)으로부터 발생되는 출력 전압은 상기 부하(L)에 인가되게 된다.
반면, 비교기(70)가 상기 출력 전압과 기준 전압원(71)의 기준 전압을 비교하여, 상기 출력 전압이 기준 전압을 초과하지 않은 경우, 상기 스택(10)과 부하(L)는 접지되지 않은 상태를 유지하게 된다. 이에 따라, 상기 스택(10)으로부터 발생되는 출력 전압은 상기 부하(L)에 인가되지 않게 된다.
한편, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)에 있어, 비교기(70)에 의해 검출된 출력 전압의 데이터 값에 따라 상기 부하(L)로 보조 전원을 선택적으로 공급하는 보조 전원 공급부(90)를 구비한다.
이 보조 전원 공급부(90)는 상기 부하(L)와 전기적으로 연결되는 통상적인 2차 전지를 포함하는 바, 상기 2차 전지는 충,방전이 가능한 일반적인 배터리로서, 부하(L)에 대하여 선택적으로 접속 가능하게 설치될 수 있다.
따라서 시스템(100)의 구동시, 비교기(70)가 스택(10)으로부터 발생되는 출 력 전압과 기준 전압원(71)의 기준 전압을 비교하여, 상기 출력 전압이 기준 전압을 초과하지 않은 경우, 상기 스택(10)과 부하(L)는 전기적으로 접지되지 않은 상태를 유지하게 된다.
이 때 상기 보조 전원 공급부(90)는 부하(L)에서 요구하는 보조 전원을 상기 부하(L)로 공급하게 된다. 이 때 상기 보조 전원 공급부(90)는 별도 설치된 컨트롤유니트(도시하지 않음)에 의하여 제어되는 바, 이 컨트롤유니트는 위에서와 같이 스택(10)과 부하(L)가 접지되지 않은 상태를 감지하여 상기 보조 전원 공급부(90)와 부하(L)를 전기적으로 연결시키게 된다. 이로써 상기 부하(L)는 보조 전원 공급부(90)로부터 보조 전원을 공급받게 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 따른 연료 전지 시스템에 의하면, 비교기를 통해 스택의 전기 출력량을 검출할 수 있으므로, 전압 센서를 채용하는 종래와 달리 전체적인 시스템의 구조 및 제어 프로세스를 간단하게 구현할 수 있다. 따라서 시스템의 부피를 줄일 수 있으며, 시스템에서 소모되는 전력을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Claims (13)

  1. 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부를 포함하는 연료 전지 시스템에 있어서,
    상기 전기 발생부의 전기 출력단에 설치되어 이 전기 발생부의 전기 출력량과 소정 부하에서 요구하는 기준 전기 출력량을 비교하는 비교기
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 비교기가 상기 전기 발생부의 전압 또는 전류량을 검출하도록 된 연료 전지 시스템.
  3. 연료와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키며, 이 전기 에너지를 소정의 부하로 공급하는 스택;
    상기 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급원;
    상기 스택으로 산소를 공급하는 산소 공급원; 및
    상기 스택과 연결 설치되어 이 스택의 전기 출력량을 상기 부하에서 요구하는 기준 전기 출력량과 비교하고, 상기 전기 출력량의 데이터 값에 따라 상기 스택과 부하를 선택적으로 접지시키는 비교기
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 비교기에 의해 검출된 전기 출력량의 데이터 값에 따라 상기 부하로 보조 전원을 선택적으로 공급하는 보조 전원 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 스택의 전기 출력량이 상기 기준 전기 출력량을 초과하는 경우, 상기 스택과 부하를 전기적으로 접지시키는 연료 전지 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 스택의 전기 출력량이 상기 기준 전기 출력량을 초과하지 않는 경우, 상기 보조 전원 공급부와 부하를 전기적으로 접지시키는 연료 전지 시스템.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 보조 전원 공급부는 상기 부하와 전기적으로 연결되는 2차 전지를 포함하는 연료 전지 시스템.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 스택은,
    막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)를 중심에 두고 이의 양측에 밀착 배치되는 세퍼레이터(Separator)로 이루어진 전기 발생부를 포함하며,
    상기 전기 발생부를 복수로 구비하여 이들 전기 발생부의 집합체 구조로 이루어지는 연료 전지 시스템.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 연료가 수소 가스인 연료 전지 시스템.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 연료가 액상으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
  11. 제 3 항에 있어서,
    공기를 통해 상기 산소를 얻도록 된 연료 전지 시스템.
  12. 제 1 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템이, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
  13. 제 1 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템이, 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
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