KR20060135142A - 연료전지 시스템 및 그의 구동방법 - Google Patents

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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 전기를 생산하는 연료전지부, 상기 부하 시스템으로 전원을 공급하며, 상기 연료전지부에서 공급되는 전기에 의해서 선택적으로 충전되는 전원부, 상기 전원부의 충전 상태를 모니터링해서 상기 전원부가 소정의 기준 이하로 방전이 이루어지면 상기 연료전지부를 동작시켜 상기 전원부를 충전시키는 제어부 및 상기 전원부에서 출력되는 전원을 상기 부하 시스템으로 공급하는 출력부;를 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 본 발명의 일 실시예에 따라 연료전지부가 전원부를 충전하는 과정을 개략적으로 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, 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, 외부에 서 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, 현재까지의 기술수준에서 연료전지는 안정적으로 일정한 수준의 전기를 생산하지 못하기 때문에. 휴대용 소형 전기기기, 예컨대 노트북과 같은 곳에 전원으로 사용하는데는 한계가 있다.
때문에, 이러한 점을 고려하고, 또한 연료전지가 초기 동작에서 안정적인 동작으로 이행하기까지는 소정의 시간이 필요하다. 때문에, 초기의 구동에서 연료전지로부터는 원하는 전기를 공급받을 수가 없기 때문에 이러한 문제점을 해결하고자 이차 전지와 연료전지를 같이 사용하는 하이브리드형 연료전지 시스템이 개발되고 있다.
하지만, 이러한 하이브리드형 연료전지 시스템 역시 연료전지가 가지는 기술적 한계, 즉 안정적인 전기 생산이 어렵기 때문에 현실적으로 휴대용 소형 전기기기에 채택하여 사용하기에는 한계가 있다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 상술한 문제점을 개선해서 안정적인 전기 공급이 가능하도록 개선한 본 발명의 연료전지 시스템 및 그 구동 방법을 제공하는데 있다.
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 전기를 생산하는 연료전지부, 상기 부하 시스템으로 전원을 공급하며, 상기 연료전지부에서 공급되는 전기에 의해서 선택적으로 충전되는 전원부, 상기 전원부의 충전 상태를 모니터링해서 상기 전원부가 소정의 기준 이하로 방전이 이루어지면 상기 연료전지부를 동작시켜 상기 전원부를 충전시키는 제어부 및, 상기 전원부에서 출력되는 전원을 상기 부하 시스템으로 공급하는 출력부를 포함해서 구성된다.
본 발명에서, 상기 제어부는 상기 전원부가 소정의 기준 이상으로 충전이 이루어지면 상기 연료전지부의 동작을 중단시키도록 동작한다.
또한, 본 발명의 연료전지 시스템은 상기 전원부에 연결되어서 상기 전원부를 외부 전원에 접속시켜 상기 전원부를 충전하는 인터페이스부를 더 포함해서 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서 제공하는 연료전지 시스템의 구동 방법은,
부하 시스템에 전원을 공급하며,, 연료전지부 및 전원부를 포함하는 연료전지 시스템의 구동방법에 있어서, a) 상기 전원부에서 상기 부하 시스템으로 전원을 공급하는 단계, b) 상기 전원부의 충전 상태를 모니터링해서 상기 전원부가 소정의 기준 이하로 방전이 이루어지는지를 판단하는 단계 그리고, c) 상기 판단 결과, 전원부가 소정의 기준 이하로 방전이 이루어지면 상기 연료전지부를 동작시켜 전기 를 생산하고, 이로써 상기 전원부를 충전하는 단계를 포함해서 이루어진다.
본 발명에 의한 구동 방법에 의하면, 상기 a) 단계에서 상기 연료전지부의 동작을 오프시킨 상태에서 상기 부하 시스템으로 전원을 공급하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 b) 단계에서의 판단 결과, 전원부가 소정의 기준 이상으로 충전 상태를 유지하면, 실시간으로 상기 전원부의 방전 상태를 검사하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 본 발명은 상기 c) 단계를 통해서 상기 전원부가 소정의 기준 이상으로 충전이 이루어지면, 상기 연료전지부의 동작을 오프시키는 단계;를 더 포함해서 이루어진다.
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 펌핑해서 개질부(113)로 공급한다. 공기흡입부(115)는 연료저장부(111)에 저장된 연료의 화학반응을 위해 외부로부터의 공기를 흡입하여 연료전지스택(117)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 공기를 이용하여 전기화학반응을 일으켜 기전력을 발생시킨다.
제어부(120)는 전원부(130)의 충전 상태를 모니터링해서 소정 기준(예, 70% 방전)을 만족하지 못하는 경우에, 펌프(112)를 개방시켜 연료가 개질부(113)에 공급되도록 하는 것으로 연료전지부(110)를 동작시키고, 이에 따라서 발생하는 기전력으로 전원부(130)를 충전하도록 동작한다.
전원부(130)는 부하시스템(load system, 미도시)에 필요한 전기를 공급한다. 이 전원부(130)는 충전이 필요한 경우에, 선택적인 방법에 의해서 충전이 이루어진다. 즉, 외부전원을 사용해서 충전을 하거나, 시스템 내부의 연료전지를 이용해서 충전이 이루어진다. 이에 대한 상세한 설명은 후술한다. 이 전원부(130)는 바람직하게 2차 전지로 구성될 수 있고, 이 전원부(130)가 이차 전지로 구성되는 경우에는 이 이차 전지를 외부 전원과 접속시켜 이차 전지를 충전시키는 인터페이스부 (150)를 더욱 포함해서 구성된다.
한편, 출력부(140)는 전원부(130)와 부하 시스템을 서로 연결해서 상기 전원부(130)에 충전된 전기를 상기 부하 시스템, 예컨대 노트북 등의 소형 전기기기에 전달한다.
이하, 첨부한 도면을 참조해서 전원부(130)가 선택적으로 충전되는 과정을 자세히 설명한다. 도 2는 전원부가 충전되는 과정을 보여주는 흐름도이다.
부하시스템이 동작하는 초기에, 제어부(120)는 펌프(113)를 닿아 연료가 개질부(117)로 공급되는 것을 차단해서 연료전지부(110)의 동작을 오프시킨다. 따라서, 부하 시스템의 동작 초기에 부하 시스템은 전원부(130)에서 공급되는 전원을 이용해서 작동하게 된다(S11).
이처럼 부하 시스템이 전원부(130)에서 공급되는 전기로 동작이 이루어지게 되면, 제어부(120)는 전원부(130)의 동작 상태를 실시간으로 모니터링을 하게 된다. 한편, 부하 시스템으로 공급되는 전기는 전원부(130)에 의해서 이루어진다.
그리고, 제어부(120)는 전원부(130)의 충전 상태를 모니터링하는데(S12), 이 전원부(130)의 충전 상태가 소정의 기준(예, 70% 방전) 이하로 떨어지는지를 실시간으로 판단한다(S13).
이 모니터링 결과, 전원부(130)의 충전 상태가 소정의 기준 이상을 전원부(130)가 유지하고 있으면, 상술한 단계(S12)로 복귀해서 계속해서 전원부(130)의 충전 상태를 검사한다.
반면에, 전원부(130)의 충전 상태가 소정의 기준 이하로 떨어지면, 제어부 (120)는 펌프(112)를 온시켜 개질부(113)로 연료를 공급하는 것으로 연료전지부(110)를 동작시키고, 이 과정에서 연료전지부(110)가 생산한 전기는 전원부(130)로 공급되어 전원부(130)를 충전시키게 된다(S14).
이 같은 과정을 통해서 전원부(130)가 소정의 기준(예, 90% 충전) 이상으로 충전이 이루어지면, 제어부(120)는 펌프(112)를 오프시켜 연료전지부(110)의 동작을 중단하게 된다.
이처럼 전원부(130)는 부하 시스템으로 전기를 공급하면서 동시에 연료전지부(110)에서 공급되는 전기에 의해서 충전되므로, 안정적으로 부하시스템에 전기를 공급할 수가 있다.
한편, 전원부(130)는 상술한 과정이외에도 외부 전원에 의해서 직접 충전이 이루어질 수 있다. 즉, 전원부(130)는 전원부(130)에 연결되어 있는 인터페이스부(150)를 통해서 외부 전원을 인가받을 수가 있고, 이 외부 전원에 위해서도 전원부(130)는 충전이 이루어진다.
이처럼 본 실시예의 연료전지 시스템은 동작 중에서 자동으로 연료전지부(110)로부터 전기를 인가받아 충전이 되는 한편, 외부 전원에 의해서도 직접 전기를 공급받아 충전이 이루어지므로, 부하 시스템에 안정적인 전원 공급이 가능하다. 또한, 외부 전원을 사용할 수 없는 환경에서 부하 시스템을 사용하는 경우에도, 연료전지를 통해 지속적인 충전이 가능하므로 전원부가 방전되는 문제를 해결할 수가 있다.
상기에서는 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 따르면, 상술한 문제점을 해결해서 하이브리드형 연료전지 시스템을 이용해서 안정적으로 부하 시스템으로 전원을 공급할 수가 있게 된다. 이때, 연료전지 시스템에서는 이차전지를 이용해서 전원을 공급하므로 안정적인 공급이 가능하고, 내부적으로는 이 이차전지가 방전되는 경우에 연료전지가 동작해서 이차전지를 충전하므로 전원이 차단되는 문제를 방지할 수가 있다. 또한, 이 이차전지는 외부 전원을 이용해서 직접 충전도 가능하므로 사용상의 편리성을 제공하는 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 부하 시스템에 소정의 사용 전력량을 인가하는 연료전지 시스템에 있어서,
    연료 및 공기를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지부;
    상기 부하 시스템으로 전원을 공급하며, 상기 연료전지부에서 공급되는 전기에 의해서 선택적으로 충전되는 전원부;
    상기 전원부의 충전 상태를 모니터링해서 상기 전원부가 소정의 기준 이하로 방전이 이루어지면 상기 연료전지부를 동작시켜 상기 전원부를 충전시키는 제어부; 및,
    상기 전원부에서 출력되는 전원을 상기 부하 시스템으로 공급하는 출력부;
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 전원부가 소정의 기준 이상으로 충전이 이루어지면 상기 연료전지부의 동작을 중단시키도록 동작하는 연료전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전원부가 2차 전지로 구성되는 연료전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전원부에 연결되어서 상기 전원부를 외부 전원에 접속시켜 상기 전원부를 충전하는 인터페이스부를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  5. 부하 시스템에 전원을 공급하며, 연료전지부 및 전원부를 포함하는 연료전지 시스템의 구동방법에 있어서,
    a) 상기 전원부에서 상기 부하 시스템으로 전원을 공급하는 단계;
    b) 상기 전원부의 충전 상태를 모니터링해서 상기 전원부가 소정의 기준 이하로 방전이 이루어지는지를 판단하는 단계; 그리고,
    c) 상기 판단 결과, 전원부가 소정의 기준 이하로 방전이 이루어지면 상기 연료전지부를 동작시켜 전기를 생산하고, 이로써 상기 전원부를 충전하는 단계;
    를 포함하는 연료전지 시스템의 구동 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 a) 단계에서, 상기 연료전지부의 동작을 오프시킨 상태에서 상기 부하 시스템으로 전원을 공급하는 연료전지 시스템의 구동 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 b) 단계에서의 판단 결과, 전원부가 소정의 기준 이상으로 충전 상태를 유지하면, 실시간으로 상기 전원부의 방전 상태를 검사하는 연료전지 시스템의 구동 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 c) 단계를 통해서 상기 전원부가 소정의 기준 이상으로 충전이 이루어지면, 상기 연료전지부의 동작을 오프시키는 단계;를 더 포함하는 연료전지 시스템의 구동 방법.
KR1020050054826A 2005-06-24 2005-06-24 연료전지 시스템 및 그의 구동방법 KR20060135142A (ko)

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