KR20060111114A - 연료전지 시스템 및 그의 구동방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지의 출력 전력량을 일정하게 유지하면서 부하 시스템의 요구 전력량을 공급할 수 있는 연료전지 시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 연료전지 시스템은 부하 시스템에 소정의 사용 전력량을 인가하는 연료전지 시스템에 있어서, 연료 및 공기를 이용하여 설정된 전력량을 출력하는 연료전지부, 외부 전원에 의해서 충전되는 전원부, 상기 부하 시스템의 사용 패턴을 분석해서 상기 연료 전지부가 일정한 전력량을 출력하도록 제어하며, 상기 부하 시스템에 인가될 사용전력량을 검출해서 이를 기초로 상기 전원부의 동작을 제어하는 제어부 및 상기 제어부의 제어에 따라, 상기 연료전지부에서 출력되는 전력량과 일부를 선택적으로 상기 전원부로부터 상기 부하 시스템으로 인가하는 출력부를 포함해서 구성된다.

연료전지, 충전, 노트북, 이차전지, 하이브리드

Description

연료전지 시스템 및 그의 구동방법{Fuel cell system and driving method thereof}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 구성되는 연료전지 시스템의 개략적인 구성을 보여주는 블록도이다.

도 2는 노트북의 사용에 따라 소비되는 전력량의 변화를 보여주는 그래프이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 출력되는 전력량 및 노트북에서 소비되는 전력량을 비교하여 보여주는 그래프이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 연료전지 시스템이 구동되는 순서를 보여주는 흐름도이다.

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세히는 연료전지 및 보조전원을 이용해서 부하 시스템을 구동시키는 연료전지 시스템 및 그 구동 방법에 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 수십 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, 석 유나 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 것이다. 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.

이와 같이 부하시스템의 전력소비량의 변화에 따라 연료전지 시스템의 출력 전력량을 조절하기 위하여 연료전지에 연료를 공급하는 펌프를 조절하는 방법이 알려져 있다.

그러나 부하 시스템의 전력요구와 연료전지 시스템의 대응 사이에는 시간 차이가 생길 수도 있으며 이로 인해 부하 시스템 및/또는 연료전지 시스템에 치명적인 손상이 발생할 수도 있다.

또한, 연료전지의 용량이 부하시스템이 요구하는 최대소요전력에 맞추어져 셋팅이 되므로, 일반적인 수준에서 동작하는 운전 조건에서는 연료전지가 과잉의 전기를 생산하게 된다. 따라서, 불필요하게 생산된 전기는 버려지게 되는 문제를 수반한다.

또한, 급격한 전력변화에 대응하다보면 연료전지 시스템의 펌프가 오작동하거나 고장을 일으킬 수 있어 연료전지 시스템의 수명을 단축시키는 주요 원인이 될 수 있다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 연료전지의 출력 전력량을 일반적인 동작 수준으로 일정하게 유지하면서 부하 시스템의 요구 전력량을 공급할 수 있는 연료전지 시스템 및 그 구동 방법을 제공하는 것이다.

이 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 연료전지 시스템은,

부하 시스템에 소정의 사용 전력량을 인가하는 연료전지 시스템에 있어서, 연료 및 공기를 이용하여 설정된 전력량을 출력하는 연료전지부, 외부 전원에 의해서 충전되는 전원부, 상기 부하 시스템의 사용 패턴을 분석해서 상기 연료 전지부가 일정한 전력량을 출력하도록 제어하며, 상기 부하 시스템에 인가될 사용전력량을 검출해서 이를 기초로 상기 전원부의 동작을 제어하는 제어부 및 상기 제어부의 제어에 따라, 상기 연료전지부에서 출력되는 전력량과 일부를 선택적으로 상기 전원부로부터 상기 부하 시스템으로 인가하는 출력부를 포함해서 구성된다.

본 발명에서, 상기 제어부는 소정의 주기동안 상기 부하 시스템의 사용 패턴을 모니터링하고, 상기 모니터링에 근거해서 상기 연료전지부의 전력량을 설정하도 록 동작한다. 이때, 상기 제어부는 상기 사용 패턴 중 상기 부하 시스템이 최대로 요구하는 전력량의 중간값으로 상기 전력량을 설정한다.

본 발명에서, 상기 제어부는 상기 부하 시스템이 요구하는 전력량이 상기 연료 전지부의 설정된 전력량보다 높으면, 상기 전원부를 방전시키도록 동작한다. 이때, 상기 전원부에서 방전되는 용량은 상기 부하 시스템이 요구하는 전력량과 상기 연료 전지부의 설정된 전력량의 차이로 결정되는 것이 바람직하다.

본 발명의 연료전지 시스템은 상기 전원부에 연결되어서 상기 전원부를 외부 전원과 연결해서 상기 2차 전지를 충전하는 인터페이스부를 더 포함해서 구성될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서 제공하는 연료전지 시스템의 구동 방법은,

부하 시스템에 소정의 사용 전력량을 인가하며, 연료전지부 및 전원부를 포함하는 연료전지 시스템의 구동방법에 있어서, a) 상기 부하 시스템의 사용 패턴을 검사해서 상기 연료전지부에서 출력되는 전력량을 설정하는 단계, b) 상기 부하 시스템에 인가될 전력량을 검출하는 단계, c) 상기 b) 단계에서 검출된 전력량과 상기 연료전지부의 전력량을 비교하는 단계 그리고 d) 상기 비교 결과, 상기 연료전지부의 전력량이 크면 상기 전원부를 차단하고, 상기 연료전지부로부터 전력을 상기 부하시스템으로 출력하는 단계를 포함해서 이루어진다.

본 발명에서, 상기 (a) 단계는, a-1) 소정의 주기 동안 상기 부하 시스템의 전력 사용 패턴을 모니터링하는 단계, a-2) 상기 모니터링을 통해서 수집된 데이터에서 상기 부하 시스템이 사용하는 최대의 전력량을 검출하는 단계, a-3) 상기에서 검출된 최대 전력량의 중간값으로 상기 연료전지부의 전력량을 설정하는 단계를 더 포함한다.

아래에서는 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. 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.

본 실시예의 연료전지 시스템(100)은 연료전지부(110), 제어부(120), 전원부(130) 및 출력부(140)를 포함한다.

여기서, 연료전지부(110)는 연료저장부(111), 펌프(112), 개질부(113), 공기흡입부(115) 및 연료전지스택(117)을 포함해서 구성된다.

연료저장부(111)는 메탄올, 석유 등의 화학연료를 저장하는 탱크로 구성된다. 펌프(112)는 연료저장부(111)에 저장된 연료를 펌핑한다. 공기흡입부(115)는 연료저장부(111)에 저장된 연료의 화학반응을 위해 외부로부터의 공기를 흡입하여 연료전지부(110)에 공급한다. 개질부(113)는 펌프(112)에 의해 연료저장부(111)로부터 공급받은 연료로부터 개질반응을 일으켜 수소를 생성한다. 연료전지스택(117)은 개질부(113)에서 생성되어 공급된 수소 및 공기흡입부(115)로부터 공급된 공기 를 이용하여 전기화학반응을 일으켜 기전력을 발생시킨다.

전원부(130)는 연료전지부(110)의 설정된 전력이 부하시스템(load system, 미도시)에 공급하여야 할 전력량보다 작은 경우에 그 차이에 해당하는 전력을 부하 시스템에 공급한다. 여기서, 이 전원부(130)는 충, 방전이 가능한 이차 전지로 구성되는 것이 바람직하다. 한편, 도면에서는 도시하지 않았지만, 이 전원부(130)가 이차 전지로 구성되는 경우에는 이 이차 전지를 외부 전원과 접속시켜 이차 전지를 충전시키는 인터페이스부를 더욱 포함해서 구성된다.

제어부(120)는 연료전지부(110)가 부하 시스템(미도시)의 동작 패턴을 분석해서 이 중 전력 사용량이 최대일 때의 중간값으로 출력이 이루어지도록 상기 펌프(112)를 제어한다. 따라서, 연료전지부(110)의 출력 전력량은 부하 시스템의 종류 및 사용 전력량에 기초하여 이루어진다. 또한, 제어부(120)는 부하 시스템의 전력 요구량을 검출하여 검출된 부하 시스템의 전력 요구량에 기초하여 전원부(130)의 방전을 제어한다.

출력부(140)는 연료전지부(110)에서 공급하는 전력과, 선택적으로 전원부(130)에서 공급하는 전력을 연료전지 시스템(100)과 연결된 부하 시스템, 예컨대 노트북 등의 소형 전기기기에 전달한다.

이하에서는 부하 시스템으로서 노트북을 예로 들어 사용 전력량 및 이에 따른 연료전지 시스템(100)의 동작에 대하여 보다 상세하게 설명한다.

도 2는 노트북의 사용에 따라 소비되는 전력량의 변화를 보여주는 그래프이다.

도 2에서와 같이, 시간(T1)은 노트북이 최초에 전원을 켜서 부팅할 때의 소비되는 전력량을 보여주고, 시간(T2)은 윈도우 화면이 표시될 때의 소비되는 전력량을 보여주고, 시간(T3)은 전원이 켜진 상태에서 사용이 없어 대기중인 때의 전력량을 보여주고, 시간(T4)은 노트북에서 간단한 문서작업을 수행할 때의 소비되는 전력량을 보여주며, 시간(T5)은 사용량이 많아 최대로 전략이 소비될 때의 전력량을 보여준다. 이와 같이 대기 화면일 때에는 아주 적은 양의 전력량을 소비하며, 부팅될 때 또는 많은 소프트웨어가 동시에 구동되는 등 노트북이 최대로 구동될 때는 많은 양의 전력량을 소비한다. 이와 같이 노트북은 사용상태에 따라서 소비되는 전력량이 달라지게 된다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)의 연료전지부(110)에서 출력되는 전력량 및 노트북에서 소비되는 전력량을 비교하여 보여주는 그래프이다.

도 3에서와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은, 제어부(120)가 연료저장부(111)에서 일정량의 연료가 개질부(113)로 공급되도록 펌프(112)를 제어함으로써 도 3의 일점쇄선으로 표시한 바와 같이 연료전지부(110)는 항상 일정한 전력량을 출력하도록 제어한다.

이를 위해서, 연료전지 시스템(100)은 전력량을 다음과 같은 방법으로 제어하게 된다. 즉, 연료전지 시스템(100)은 소정의 주기동안 도 2에서 도시한 바와 같은 부하 시스템의 전력 사용 패턴을 수집한다. 그리고, 연료전지 시스템(100)은 이렇게 수집된 데이터를 기준으로 분석을 해서 최대 전력이 이루어지는 구간에서의 전력값을 구하고 그 중간값으로 전력량을 설정하게 된다.

이렇게 함으로써, 도 3에서와 같이 연료전지부(110)는 항상 일정한 전력량을 출력하게 된다.

한편, 이렇게 연료전지부(110)의 전력량이 설정되면, 연료전지 시스템(100)은 부하 시스템을 동작시키는데 요구되는 전력이 모자라는 경우에, 전원부(130)에서 모자라는 전력을 방전시켜 상기 부하 시스템을 구동하게 된다.

이에 따라서, 시간(T1) 구간에는 연료전지부(110)의 출력 전력량보다 노트북의 사용 전력량이 "a"만큼 더 크다. 따라서 연료전지 시스템(100)은 제어부(120)의 제어에 기초하여 연료전지부(110)에서 출력되는 전력량 및 전원부(130)에서 방전되는 전력량(a)을 노트북에 공급한다. 따라서 시간(T1) 구간에서 연료전지부(110)는 과잉 전력을 생산하지 않으면서 노트북을 구동시키게 된다.

그 다음, 시간(T2) 구간에는 연료전지부(110)의 출력 전력량과 노트북의 사용 전력량은 동일하다. 따라서, 연료전지 시스템(100)은 제어부(120)의 제어에 기초하여 연료전지부(110)에서 노트북으로 전력을 공급하도록 제어하고, 또한 전원부(130)는 동작을 차단하게 된다. 따라서, 시간(T2) 구간에서 연료전지부(110)는 과잉 전력을 노트북으로 공급하지 않는다.

그 다음, 시간(T3) 구간에는 연료전지부(110)의 출력 전력량보다 노트북 사용 전력량이 "b" 만큼 더 작다. 따라서, 연료전지 시스템(100)은 설정된 전력량을 출력해서 부하 시스템을 구동하게 된다.

연속해서, 시간(T4) 및 시간(T5) 구간에는 연료전지부(110)의 출력 전력량이 노트북의 사용 전력량보다 각각 "c" 및 "d"만큼 모자란다. 따라서, 연료전지 시스템(100)은 제어부(120)의 제어에 기초하여 연료전지부(110)가 출력하는 전력량에서 모자라는 부분을 전원부(130)에서 방전시켜 노트북을 구동시킨다.

이와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(100)의 연료전지부(100)는, 일정한 전력을 출력하게 되므로 가동에 대한 효율이 높아 질 수 있으며, 노트북의 요구 전력량의 변화로 인한 오동작 또는 고장이 방지될 수 있어 수명이 연장될 수 있다. 또한, 연료전지부(100)는 과잉 전력을 생산하지 않으므로 과잉 전력이 쓸모없이 소비되는 것을 방지할 수가 있어, 그 가용 시간을 늘리는데 효과가 있다.

다음은 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)의 동작에 대하여 보다 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)의 구동방법을 순서대로 보여주는 도면이다.

먼저, 제어부(120)는 일정한 주기동안 노트북의 구동 조건에 기초하여 연료 전지부(110)의 전력량을 상술한 바처럼 설정한다(S11).

그리고, 노트북이 구동함에 따라 제어부(120)는 노트북의 동작상태에 기초하여 요구되는 사용 전력량(W₁)을 검출한다(S12).

S12 단계에서, 검출된 사용 전력량(W₁)은 연료전지부(110)의 전력량과 비교하여 사용 전력량(W₁)이 작은지 여부를 판단한다(S13).

그 판단 결과, 노트북이 필요로 하는 전력량이 연료전지부(110)의 설정된 전 력량보다 큰 경우에는, 연료전지부(110)에서는 설정된 크기의 전력을 출력하게 되고, 이와 동시에 제어부(120)는 모자라는 부분에 해당하는 전력을 전원부(130)로부터 방전하도록 제어한다(S14). 이에 따라서, 연료 전지부(110)가 과도한 전력을 생산하지 않으면서도 노트북으로는 필요로 하는 전력을 공급받게 된다.

한편, 노트북의 사용 전력량(W₁)이 연료전지부(110)의 설정된 전력량(W₀)보다 작은 경우에, 제어부(120)는 전원부(130)를 차단하고, 연료전지부(110)를 이용해서 노트북으로 사용 전력량을 출력하도록 제어한다(S15).

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 그 외의 다양한 변경이나 변형이 가능하다.

본 발명에 따르면, 상술한 문제점을 해결해서 연료전지부가 과도한 전력을 생산해서 전력이 쓸모없이 소비되던 종래의 문제점을 해결할 수가 있다. 또한, 본 발명에 의하면 부하 시스템에는 사용에 따라 변하는 전력량을 충, 방전이 가능한 이차전지를 이용해서 충분히 공급하면서 연료전지는 일정 량의 전력을 출력하게 되므로 가동에 대한 효율을 높일 수 있으며, 노트북의 요구 전력량의 변화로 인한 오동작 또는 고장이 방지될 수 있어 수명을 연장시킬 수 있다.

Claims (11)

1. 부하 시스템에 소정의 사용 전력량을 인가하는 연료전지 시스템에 있어서,

   연료 및 공기를 이용하여 설정된 전력량을 출력하는 연료전지부;

   외부 전원에 의해서 충전되는 전원부;

   상기 부하 시스템의 사용 패턴을 분석해서 상기 연료 전지부가 일정한 전력량을 출력하도록 제어하며, 상기 부하 시스템에 인가될 사용전력량을 검출해서 이를 기초로 상기 전원부의 동작을 제어하는 제어부; 및

   상기 제어부의 제어에 따라, 상기 연료전지부에서 출력되는 전력량과 일부를 선택적으로 상기 전원부로부터 상기 부하 시스템으로 인가하는 출력부;

   를 포함하는 연료전지 시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제어부는, 소정의 주기동안 상기 부하 시스템의 사용 패턴을 모니터링하고, 상기 모니터링에 근거해서 상기 연료전지부의 전력량을 설정하는 연료전지 시스템.
3. 제2항에 있어서,

   상기 제어부는 상기 사용 패턴 중 상기 부하 시스템이 최대로 요구하는 전력량의 중간값으로 상기 전력량을 설정하는 연료전지 시스템.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제어부는 상기 부하 시스템이 요구하는 전력량이 상기 연료 전지부의 설정된 전력량보다 높으면, 상기 전원부를 방전시키는 연료전지 시스템.
5. 제4항에 있어서,

   상기 전원부에서 방전되는 용량은 상기 부하 시스템이 요구하는 전력량과 상기 연료 전지부의 설정된 전력량의 차이로 결정되는 연료전지 시스템.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 전원부는 2차 전지로 구성되는 연료전지 시스템.
7. 제6항에 있어서,

   상기 전원부에 연결되어서 상기 전원부를 외부 전원과 연결해서 상기 2차 전지를 충전하는 인터페이스부를 더 포함하는 연료전지 시스템.
8. 부하 시스템에 소정의 사용 전력량을 인가하며, 연료전지부 및 전원부를 포함하는 연료전지 시스템의 구동방법에 있어서,

   a) 상기 부하 시스템의 사용 패턴을 검사해서 상기 연료전지부에서 출력되는 전력량을 설정하는 단계;

   b) 상기 부하 시스템에 인가될 전력량을 검출하는 단계;

   c) 상기 b) 단계에서 검출된 전력량과 상기 연료전지부의 전력량을 비교하는 단계; 그리고,

   d) 상기 비교 결과, 상기 연료전지부의 전력량이 크면 상기 전원부를 차단하고, 상기 연료전지부로부터 전력을 상기 부하시스템으로 출력하는 단계;

   를 포함하는 연료전지 시스템의 구동방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 (c) 단계의 비교 결과, 상기 연료전지부의 전력량이 작으면 상기 전원부를 방전하는 단계;를 더 포함하는 연료전지 시스템의 구동방법.
10. 제9항에 있어서,

    상기 전원부에서 방전되는 용량은 상기 부하 시스템이 요구하는 전력량과 상기 연료 전지부의 설정된 전력량의 차이로 결정되는 연료전지 시스템의 구동방법.
11. 제8항에 있어서,

    상기 (a) 단계가,

    a-1) 소정의 주기 동안 상기 부하 시스템의 전력 사용 패턴을 모니터링하는 단계;

    a-2) 상기 모니터링을 통해서 수집된 데이터에서 상기 부하 시스템이 사용하 는 최대의 전력량을 검출하는 단계;

    a-3) 상기에서 검출된 최대 전력량의 중간값으로 상기 연료전지부의 전력량을 설정하는 단계;

    를 더 포함하는 연료전지 시스템의 구동 방법.

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