KR20080025195A - 전원 시스템 및 그에 관한 제어방법 - Google Patents

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Abstract

전원 시스템은, 발전 연료 및 물이 수용되고 공급되며, 발전 연료 및 물을 증발시키기 위해 적어도 물이 가열되는 증발부(103,112,114)와 증발부에 의해 생성된 수증기와 발전 연료에 기초하여, 발전 가스를 생성하는 반응부(105,107)를 포함하는 화학반응부(100)와, 화학반응부에 발전 연료를 공급하는 연료 공급부(P1,V1)와, 화학반응부에 물을 공급하는 물 공급부(P2,V2)와, 그리고 증발부가 증발 동작을 하는데 있어 적합한 조건하에 있지 않는 경우, 전원 시스템의 동작을 제어하여 연료 공급부로부터 화학반응부까지 발전 연료의 공급을 정지시키는 제어부(130)를 사용한다. 전원 시스템은 시스템의 기동 및 정지 시점에서 일산화 탄소의 농도의 상승을 억제하며, 시스템의 발전 성능의 저하를 방지한다.
전원 시스템, 발전 연료, 물, 증발부, 화학반응부, 연료 공급부, 제어부, 발전 가스, 발전 전지, 오프 가스 촉매 연소기, 개질기

Description

전원 시스템 및 그에 관한 제어방법{POWER SUPPLY SYSTEM AND METHOD OF CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 전원시스템과, 전원시스템을 제어하는 방법과 그리고 전원시스템 등을 포함하는 전자 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 연료 전지를 이용한 전원 시스템 및 전원 시스템 등을 제어하는 방법에 관한 것이다.
다양한 화학 전지는 민생용이나 산업용의 모든 분야에 걸쳐 있고, 사용되고 있다. 예를 들면, 전자 전지는 알칼리 건전지나 망간 건전지 등의 일차 전지와, 니켈-카드뮴 전지나 니켈-수소 축전지, 명칭만 약간 다른 리튬 이온 전지 등의 2차 전지를 포함한다. 한편, 최근에는, 연료 전지가 환경에의 영향(부담)이 적고, 30 내지 40 % 정도의 높은 에너지 이용 효율을 실현할 수 있기 때문에, 연료 전지를 이용한 전원 시스템의 연구와 개발이 행해지고 있다. 게다가, 휴대 기기나 연료 자동차등에 대해 전원 유닛으로서 시스템을 적용할 수 목적에 있어서, 연료전지를 이용하여 소형화된 전원 시스템을 개발할 수 있는 효과도 가진다.
전원 시스템 등에서 사용될 수 있기 위해 고안된 연료 개질형 연료 전지는 알려져 왔다. 연료 개질형 연료 전지는 촉매를 이용하여 화학 반응으로 탄화수소를 포함하는 전력을 발생시키기 위해 사용된 연료를 개질하는 개질기를 통상 포함하는 화학반응부를 포함하고, 그리고 화학 반응부로부터 생성된 개질가스는 개질된 가스에 포함된 수소를 이용하여 전력을 발생시키기 위해 발전 전지로 공급된다.
일산화 탄소(CO)는 화학 반응부에 의해 개질된 가스를 생성하는 과정에서 연료 개질형 연료전지 등을 사용한 전원 시스템에서 미량으로 생성된다. 특히, 메탄올 등의 발전 연료와 물을 화학 반응부에 공급하여 양자를 기화 및 혼합하여, 혼합된 가스를 개질기로 공급함으로써, 연료가 개질되는데, 상기 혼합된 가스는 수소를 주로 포함하는 개질된 가스로 변화되고, 이 시점에서 CO는 미량의 부생성물로서 발생된다. 그러므로, 화학 반응부는 개질된 가스에 포함된 일산화 탄소를 개질하는 CO 개질기도 포함한다.
그러나, 전원 시스템의 기동시나 정지시에 있어서는, 메탄올 등의 발전용 연료가 물보다 기화하기 쉽다. 그리고, 일시적으로 혼합 가스의 발전 연료 가스의 농도 비율이 수증기에 대해서 높아지는 경우, 개질기내에서 발전 연료 가스를 완전하게 개질시킬 수 없다. 그리고, 미개질의 발전 연료가스는 개질기로부터 생성된다. 그 결과, CO 개질기의 촉매는 미개질된 발전 연료 가스에 의해 악화되어, CO 개질기의 CO 개질력을 감소시키고, 결국 CO 농도를 증가시킨다.
게다가, 미개질의 발전 연료가스가 발전 전지내에 유입하면, CO 성분, 포름산 및 포름알데히드가 생성된다. 포름산 및 포름알데히드는 발전 전지를 손상시켜, 발전 전지의 발전 성능을 저하시킨다. 반면, 개질기 및 발전 전지에서 발생하는 CO 성분은, 인체에 유해하고, 발전 전지내의 Pt 등인 촉매를 악화시켜, 발전 효율을 더욱 저하시킨다.
혼합 가스의 발전 연료 가스의 농도를 측정하기 위해 농도 센서기를 개별적으로 구비함으로써, 그리고 CO 농도가 농도 센서기의 측정된 값에 따라서 증가되지 않도록 개질된 가스의 조성물을 제어함으로써 적당한 레벨로 혼합 가스의 발전 가스 농도 비율을 유지시키는 기술이 알려져 왔다. 그러나, 농도 센서기가 별도로 구비되는 경우, 비용의 증가와, 부품 수의 증가로 인한 소형화가 힘들어진다.
CO 농도가 높은 경우, CO 농도를 측정하기 위해 별도로 CO 농도계를 구비함으로써, 그리고 변환 밸브를 스위칭하여 발전 전지로 개질된 가스의 공급을 차단함으로써, CO 농도의 상승을 억제시킬 수 있는 전원 시스템은 알려져 왔다. 그러나, CO 농도계와 변환 밸브를 구비하는 배치 등은 비용면과 증가된 부품 수로 인해 단점을 가진다.
본 발명은 연료 전지를 사용하는 전원 시스템이 기동되거나 정지될 시 발생될 수 있는 일산화탄소 농도의 증가를 전원 시스템의 발전 성능의 저하 없도록 농도 센서기 등의 측정기 구비없이 차단시키고, 전원 시스템이 소형화가 될 수 있는 이점을 제공한다.
본 발명에 따라서, 전원시스템은: 발전 연료 및 물이 공급되어 수용되고, 발전 연료 및 물을 증발시키기 위해 적어도 물이 가열되는 증발부와, 그리고 증발부에 의해 생성된 수증기와 발전 연료에 기초하여, 발전 가스를 생성하는 반응부를 포함하는 화학반응부; 화학반응부에 발전 연료를 공급하는 연료 공급부; 화학반응부에 물을 공급하는 물 공급부; 및 증발부가 증발 동작을 함에 적합한 조건하에 있지 않는 경우, 전원 시스템의 동작을 제어하여 연료 공급부로부터 화학반응부까지 발전 연료의 공급을 정지시키는 제어부를 포함한다.
증발부가 공급된 발전 연료를 증발시키기 위해 배치되는 것이 바람직하다. 그리고 증발부는 물을 가열하고 증발시키는 제 1 증발부와, 공급된 발전 연료를 증발시키는 제 2 증발부와, 그리고 제 1 증발부에 의해 생성된 수증기와 제 2 증발부에 의해 생성되어 증발된 발전 연료를 혼합하여 반응부에 공급하는 혼합기를 포함하는 것이 바람직하다.
발전 연료가 수소 원자를 포함하는 액체 연료일 경우, 증발부는 물과 발전 연료를 증발시키며, 그리고 반응부는 발전 연료와 증발부에 의해 증발된 수증기의 혼합 가스를 수용하고, 개질반응에 의해 수소를 함유하는 개질된 가스를 생성하는 개질부와, 개질된 가스에 함유된 일산화탄소를 제거하여 발전 가스를 생성하는 일산화탄소 제거부를 포함한다.
발전 연료가 수소 원자를 포함하는 기체 연료일 경우, 반응부는, 증발부에 의해 증발된 수증기와 기체 연료의 혼합 가스를 수용하고, 개질반응에 의해 수소를 함유하는 개질된 가스를 생성하는 개질부와, 개질된 가스에 함유된 일산화탄소를 제거하여 발전 가스를 생성하는 일산화탄소 제거부를 포함한다.
전원 시스템이 증발부의 온도를 검출하는 온도 검출부를 더 포함하는 것이 바람직하며, 온도 검출부에 의해 검출됨에 따라, 증발부의 온도가 소정의 온도보다 낮은 경우, 제어부는 연료 공급부로부터 화학반응부까지 발전 연료의 공급을 정지시키도록 제어하며, 상기 소정의 온도는 물의 비점일 수 있다.
전원 시스템이 공급된 발전 가스를 수용하여 전기화학반응으로 부하측을 구동시키는 전력을 생성하는 발전부를 더 포함하는 것이 바람직하고, 상기 부하측은 일반적으로 전자 장치이다. 바람직하게, 전원 시스템은 부하측과 적어도 부분적으로 일체 형성되고, 밀봉 조건하에 있어서, 발전 연료를 포함하는 연료 포함부를 포함하고, 전원 시스템은 연료 포함부를 제외하고 부하와 일체적으로 형성된다. 바람직하게, 전원 시스템은 부하에 착탈가능하게 고정되는 구조를 가진 모듈로서 형성된다.
발전부의 동작이 개시될 경우, 증발부가 물의 증발 동작에 적합한 조건이 된 후, 제어부는, 증발부의 동작을 개시시키고, 물 공급부가 화학반응부에 물의 공급도 개시하도록 하게 하고, 그리고 연료 공급부가 발전 연료를 화학반응부에 공급하도록 하게 한다.
바람직하게, 전원 시스템은 발전부의 출력을 검출하는 출력 검출부를 더 포함하며, 그리고 제어부가 발전부의 동작을 정지시키는 경우, 발전부의 출력이 출력 검출부에 의해 검출된 소정치 아래로 저하된 후, 제어부는, 연료 공급부로부터 화학반응부까지 발전 연료의 공급을 정지시키고, 증발부의 동작을 정지시키고, 그리고 물 공급부로부터 화학반응부까지 물의 공급을 정지시킨다.
본 발명에 따라서, 본 발명의 전원시스템 제어방법은, 발전 연료 및 물이 공급되어 수용되고, 물을 증발 및 가열시키는 증발부와, 증발부에 의해 생성된 수증기와 발전 연료에 기초하여, 발전 가스를 생성하는 반응부와, 그리고 공급된 발전 가스를 수용하여 전기화학반응으로 전력을 생성하는 발전부로 구성된 화학반응부를 포함하는 전원 시스템을 제어하는 방법은: 발전부의 동작이 개시되는 경우, 증발부가 동작하도록 개시하는 단계와, 물 공급부가 화학반응부에 물을 공급하도록 개시하는 단계와, 증발부가 물의 증발 동작에 적합한 조건이 될 때까지 대기하는 단계와, 그리고, 증발부가 물의 증발 동작에 적합한 조건에 이른 경우, 연료 공급부가 화학반응부에 발전 연료를 공급하도록 개시하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 전원 시스템은 증발부의 온도를 검출하는 온도 검출부를 더 포함하고, 증발부가 물의 증발 동작에 적합한 조건이 될 때까지 대기하는 시퀀스는, 온도 검출부에 의해 검출된 증발부의 온도가 소정의 온도보다 크게 될 때까지 대기하는 시퀀스를 포함하고, 상기 소정의 온도는 일반적으로 물의 비점일 수 있다.
바람직하게, 발전부의 동작이 정지하는 경우, 상기 방법은 연료 공급부로부터 화학반응부까지 발전 연료의 연속 공급을 정지시키는 단계와, 발전부의 출력이 소정치 아래로 저하될 때까지 대기와, 발전부의 출력이 소정치 아래로 저하되는 경우, 증발부의 동작을 정지시키고, 물 공급부가 화학반응부에 물의 공급도 정지시키도록 하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 전원 시스템은 발전부의 출력을 검출하는 출력 검출부를 더 포함하고, 발전부의 출력이 소정치 아래로 저하될 때까지 대기하는 시퀀스는, 출력 검출부에 의해 검출된 발전부의 출력이 소정치 아래로 저하될 때까지 대기하는 시퀀스를 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 전원 시스템의 제 1 실시예의 개략적인 블럭도;
도 2는 제 1 실시예의 기동 제어 처리의 순서도;
도 3은 제 1 실시예의 정지 제어 처리의 순서도;
도 4는 본 발명에 따른 전원 시스템의 제 2 실시예의 개략적인 블럭도;
도 5는 도 4의 실시예의 기동 제어 처리의 순서도;
도 6은 도 4의 실시예의 정지 제어 처리의 순서도;
도 7은 본 발명에 따른 전원 시스템의 제 3 실시예의 개략적인 블럭도;
도 8은 도 7의 실시예의 기동 제어 처리의 순서도;
도 9는 도 7의 실시예의 정지 제어 처리의 순서도;
도 10은 본 발명에 따른 발전 시스템을 적용하여 실현된 발전 유닛의 개략적인 사시도;
도 11은 본 발명에 따른 발전 시스템을 적용하여 실현된 발전 유닛을 사용하기 위해 사용된 전자장치의 개략적인 사시도; 및
도 12a, 12b 및 12c는 본 발명에 따른 전원 시스템을 사용하기 위해 적용된 또 다른 전자 장치의 삼면도이다.
이하에서, 본 발명에 따른 전원 시스템 및 전원 시스템을 제어하는 방법을, 본 발명에 따라서 전원 시스템을 포함하는 전자 장치와 함께 발명의 바람직한 실시예를 제시한 첨부 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
<제 1 실시예>
우선, 본 발명에 따른 전원 시스템의 제 1 실시예의 구성은 도 1을 참조하여 설명된다. 본 실시예의 전원 시스템은 연료 개질형 고체 고분자형 연료 전지(PEFC： Polymer Electrolyte Fuel Cell)를 포함하고, 발전 연료로서 메탄올 등의 액체 연료를 사용하기 위해 적용된다.
도 1은 본 발명에 따른 전원 시스템의 제 1 실시예의 구성을 도시한 개략적인 블럭도이다. 본 발명의 전원 시스템은 제어장치(제어부)(130)와, DC/DC 컨버터(전압 변환부)(170)와, 2차 전지(180)와 그리고 연료 개질형 연료 전지(200)를 포함한다.
연료 전지(200)는 화학반응부(100)와, 발전전지(발전부)(120)와, 메탄올 탱크(140)와, 물탱크(160)와, 펌프(P1~P3)와, 밸브(V1~V7)와, 그리고 유량계(F1~F8)를 포함한다.
화학반응부(100)는 연소 연료 증발기(101)와, 전기 히터/온도계(102)와, 개질연료 혼합기/증발기(증발부)(103)와, 또 다른 전기 히터/온도계(104)와, CO제거기(일산화 탄소 제거부)(105)와, 또 다른 전기 히터/온도계(106)와, 개질기(개질부)(107)와, 또 다른 전기 히터/온도계(108)와, 메탄올 촉매 연소기(109)와, 그리고 오프 가스 촉매 연소기(111)를 순서대로 포함한다.
화학반응부(100)는 적어도 CO 제거기(105)와, 또 다른 전기 히터/온도계(106)와, 개질기(개질부)(107)와, 또 다른 전기 히터/온도계(108)와, 메탄올 촉매 연소기(109)와, 그리고 적어도 개질기(107)와 CO 제거기(105)를 소정의 온도로 유지하도록 다른 구성요소가 있거나 없는 오프 가스 촉매 연소기(111)를 덮는 용기도 포함하며, 그리고 용기 내부는 진공 절연 구조로서 비워질 수 있다.
2차 전지(180)는 전하를 유지하기 위해 캐패시터를 사용하여 구성될 수 있다.
물 탱크(140)는 메탄올(발전 연료)을 포함하고, 그리고 물 탱크(160)는 반응을 개질하기 위해 개질기(107)에 의해 사용된 물을 포함한다.
연소 연료 증발기(101)는 연소 연료로서 펌프(P1)에 의해 주입되는 메탄올 탱크(140)에 포함된 메탄올을 수용하여 가열하고, 증발하여(기화시켜), 메탄올 가스로서 메탄올 촉매 연소기(109)에 송출한다. 연소 연료 증발기(101)에 주입되는 메탄올의 유량은, 밸브(V3)에서 조절되어 유량계(F3)로 계측된다. 전기 히터/온도계(102)는, 연소 연료 증발기(101)를 가열하는 전기 히터로서 기능하고, 연소 연료 증발기(101)의 온도를 측정하는 온도계로도 기능한다.
메탄올 촉매 연소기(109)는, 연소 연료 증발기(101)로부터 공급되는 메탄올 가스와 공기 펌프(P3)로부터 공급되는 공기를 혼합하여 촉매에 의해 혼합가스를 연소시킨다. 혼합된 가스의 연소의 열은 개질기(107)와, CO 제거기(105)와, 그리고 화학 반응부(100)의 다른 구성요소를 가열시키기 위해 사용되고, 그들을 소정의 반응 온도로 설정시킨다.
메탄올 촉매 연소기(109)에 공급되는 공기의 유량은, 밸브(V5)에 조절되어 유량계(F5)로 계측된다. 혼합 가스가 연소 후, 배기 가스는 발전 시스템의 외부로 배기된다.
개질연료 혼합기/증발기(103)는, 메탄올 탱크(140)로부터 펌프(P1)에 의해 주입되는 메탄올(발전 연료)과, 물탱크(160)로부터 펌프(P2)에 의해 주입되는 물을 혼합하여, 혼합물을 혼합 가스로 생성하기 위하여 가열하고 증발(기화)시킨 후, 혼합 가스로서 개질기(107)에 송출한다. 개질연료 혼합기/증발기(103)에 주입되는 메탄올의 유량은, 밸브(V1)에서 조절되어 유량계(F1)로 계측된다. 개질연료 혼합기/증발기(103)에 주입되는 물의 유량은, 밸브(V2)에서 조절되어 유량계(F2)로 계측된다. 전기 히터/온도계(104)는, 개질연료 혼합기/증발기(103)을 가열하는 전기 히터로서 기능하는 동시에, 개질연료 혼합기/증발기(103)의 온도를 측정하는 온도계로도 기능한다.
개질기(107)는 개질연료 혼합기/증발기(103)으로부터 공급되는 혼합 가스를 300 ℃ 정도로 가열하여 다음 화학식(1)에 나타내는 개질 반응에 의해 개질시켜, 수소를 함유하는 개질 가스(발전 가스)로서 CO 제거기(105)에 송출한다.
CH3OH + H2O → 3H2 + CO2
개질기(107)에 있어서, 미량의 일산화탄소 CO가 다음 화학식(2)에 나타내는 역시프트 반응에 의해 부생성물로서 발생된다.
CO2 + H2 → CO + H2O
전기 히터/온도계(108)는, 개질기(107)를 가열하는 전기 히터로서 기능하는 동시에, 개질기(107)의 온도를 측정하는 온도계로도 기능한다.
CO제거기(105)는, 개질기(107)로부터 공급되는 개질 가스와 공기 펌프(P3)에 의해 공급되는 공기를 가열 및 혼합하여, 다음 화학식(3)에 나타내는 시프트 반응에 의해, 선택 산화시킨다.
CO + H2O → H2 + CO2
게다가, Pt 또는 Al2O3 등의 촉매는 화학식(3)에 나타내는 화학반응을 효율성 있게 진행하기 위해 CO 제거기(105)의 내부에 있게 된다. 또한, CO 제거기(105)는, 다음 화학식(4)에 나타내는 화학반응에 의해 CO를 산화시킨다.
2CO + O2 → 2CO2
그리고, CO 제거기(105)는, 화학식(3),(4)의 화학반응에 의해 CO가 제거된 개질 가스를 발전 전지(120)에 송출한다. CO 제거기(105)에 공급되는 공기의 유량은, 밸브(V4)에서 조절되어 유량계(F4)로 계측된다. 전기 히터/온도계(106)는, CO 제거기(105)를 가열하는 전기 히터로서 기능하는 동시에, CO제거기(105)의 온도를 계측하는 온도계로도 기능한다.
발전 전지(120)는, 전해질막(MEA:Membrane Electrode Assembly)의 서로 대향하는 면 중 한면에 형성된 연료 폴(pole)과, 다른 면에 형성된 공기 폴을 각각 가지는 복수의 발전 전지 구조를 포함한다. Pt나 Pt－Ru 등의 촉매 미립자는 연료 폴과 공기 폴에 부착된다. 연료 폴에 수소를 포함한 개질 가스가 개질기(107)로부터 공급되면, 다음 화학식(5)에 나타내는 화학반응에 의해서, 상기 촉매에 의해 전 자(e-)가 분리된 수소이온(플로톤： H＋)이 발생되어, 이온 도전막에 의해 공기 폴에 투과되면서, 전자(e-)가 연료 폴의 탄소 전극에 의해 획득되어 부하에 공급된다.
3H2 → 6H＋+ 6e-
한편, 공기가 공기 펌프(P3)에 의해 공기 폴에 공급되면, 다음 화학식(6)에 나타내는 화학반응에 의해, 상기 촉매에 의해 부하를 경유한 전자(e-), 수소이온(H+)과 공기의 산소 가스가 반응해 물(3H2O)이 생성된다.
6H+ + 3/2O2 + 6e- → 3H2O
화학식(5), (6)의 전기 화학반응은 60 ~ 80 ℃의 온도 조건하에서 진행한다. 그리고, 발전 전지(120)는, 화학식(5),(6)의 전기 화학반응에 의해 발생한 전력을 DC/DC 컨버터(170)에 공급한다. 발전 전지(120)에 공급되는 개질 가스의 유량은, 유량계(F8)로 계측된다. 발전 전지(120)에 공급되는 공기의 유량은, 밸브(V7)에서 조절되어 유량계(F7)로 계측된다. 발전 전지(120)는, 화학식(5)에서 소비되지 않았던 개질 가스를 오프 가스로서 오프 가스 촉매 연소기(111)에 송출한다.
DC/DC 컨버터(170)는, 연료 전지 시스템(200)이 기동될시 또는 과부하가 발생될시, 2차 전지(180)에 충전된 축적 전력에서 소정 전압의 출력을 발생하여, 연 료 전지 시스템(200)이 정상적으로 동작할시, 조절을 스위칭함으로써. 발전 전지(120)의 출력 전력을 조절하여 외부 부하에 공급하면서, 2차 전지(180)를 충전한다.
오프 가스 촉매 연소기(111)는, 발전 전지(120)로부터 공급되는 오프 가스와 공기 펌프(P3)에 의해 공급되는 공기를 혼합하고 그 혼합물을 촉매에 의해 연소시킨다. 그 후, 개질기(107)와, CO 제거기(105)와, 그리고 화학 반응부(100)의 다른 구성요소를 가열하기 위해 사용된 연소 열은 소정의 반응온도를 유지한다.
오프 가스 촉매 연소기(111)에 공급되는 공기의 유량은, 밸브(V6)에서 조절되어 유량계(F6)로 계측된다. 연소 후의 배기 가스는 발전 시스템의 외부로 배기된다.
제어 장치(130)는, CPU와, ROM과, RAM과, A/D 변환기와, 그리고 D/A 변환기를 사용하여 구성되고, 시스템 각부의 동작을 제어한다. 특히, CPU가 ROM에 저장된 다양한 제어 프로그램을 실행함으로써, 제어 장치(130)는, 유량계(F1~F8)에 의해 계측된 유량(FO)과, 전기 히터/온도계(102, 104, 106및 108)에 의해 측정된 온도와, 발전 전지(120)의 현재 출력 레벨을 이용하여 시스템의 각부 동작을 제어한다. 즉, 제어 장치(130)는, 밸브(V1~V7) 각각의 구동을 제어하는 밸브 제어 신호(VD)와, 펌프(P1~P3) 각각을 구동/제어하는 구동기(D1~D3)에 제어 지시를 주는 구동기 제어신호(CD)와, 그리고 전기 히터/온도계(102, 104, 106 및 108)의 전기 히터 구동을 제어하는 히터 제어 신호를 출력한다.
미개질의 메탄올 가스가 발생되는 원인에 대해 설명한다.
화학식(1)보다 이론적으로 수증기와 메탄올 가스의 혼합 가스의 혼합비가 1：1 될 시 가장 효율이 좋다. 그러나, 메탄올의 비점(65℃)이 물의 비점(100℃)보다 낮기 때문에, 전원 시스템이 기동한 후에, 개질연료 혼합기/증발기(103)내의 온도가 상승하여 메탄올의 비점보다 높고 물의 비점보다 낮을 시, 물은 아직 기화되지 않고, 메탄올만이 기화된다. 마찬가지로, 전원 시스템이 정지한 후에, 개질연료 혼합기/증발기(103)내의 온도가 하강하여 물의 비점보다 낮고 메탄올의 비점보다 높을 시, 물의 기화는 멈추지만, 메탄올의 기화는 계속된다. 이러한 조건하에, 메탄올과 수증기의 혼합가스의 수증기에 대한 메탄올의 비율은 높아지고, 개질기(107)는 화학식(1)에 의해 나타내진 개질반응에 의해 메탄올을 전체적으로 개질시키지 못하여 결국 미개질된 메탄올을 생성한다.
미개질의 메탄올 가스가 개질기(107)에서 생성되면, 이 미개질의 메탄올 가스가 CO 제거기(105)에 송출되어 CO 제거기(105)에 있는 촉매를 악화시켜, CO 제거기(105)의 CO 제거율을 현저하게 저하시킨다. 그 후, CO 제거기(105)는 화학식(2)에서 나타낸 시프트 반응으로 CO를 전제적으로 제거할 수 없게 되어, 결국 CO 농도는 상승한다.
다음에, 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 실시예의 전원 시스템의 동작을 설명한다.
도 2는 도 1의 실시예의 기동 제어 처리의 순서도이다.
도 3은 도 1의 실시예의 정지 제어 처리의 순서도이다.
우선, 도 2를 참조하여, 본 실시예(제 1 기동 제어 처리)의 기동 제어 처리 를 설명한다. 제 1 기동 제어 처리는, 제어 장치(130)가 연료 전지 시스템(200)의 동작을 실행시킬 때의 처리이다.
우선, 제어 장치(130)는, 각각의 전기 히터/온도계(102, 104, 106 및 108)에 온도 제어 동작을 개시하는 히터 제어 신호를 출력하여 연소 연료 증발기(101), 개질 연료 혼합기/증발기(103), 개질기(107)와 CO 제거기(105)의 온도의 제어를 개시한다(단계 A1, A3, A5, A7).
그리고, 제어 장치(130)는 전기 히터/온도계(102)에 의해 측정된 연소 연료 증발기(101)의 온도가 소정의 온도 이상인지 아닌지를 판단한다(단계 A9). 제어 장치(130)는 온도가 소정의 온도 레벨이 초과할 때까지 대기한다(단계 A9: NO). 단계 (A9)의 처리는, 연소 연료 증발기(101)의 온도가 적어도 메탄올이 기화하는데 충분한 온도의 레벨(예를 들면, 메탄올의 비점인 약 65℃) 이상인지 아닌지를 판단하기 위해 실행된다.
연소 연료 증발기(101)의 온도가 소정의 온도 레벨 이상으로 상승될 시(단계 A9: YES), 제어 장치(130)는 제어 구동기(D1)가 메탄올을 공급하는 펌프(P1)의 구동을 개시하도록 하게 하는 신호를 출력하여(단계 A11), 밸브(V3)도 열도록 하게 하는 신호를 출력하고, 연소 연료 증발기(101)에 메탄올의 공급을 개시시킨다(단계 A13).
그 후, 제어 장치(130)는, 구동기(D3)가 전원 시스템에 공기를 공급하는 공기 펌프(P3)를 구동시키도록 하게 하는 신호를 출력하여(단계 A15), 밸브(V5)도 열도록 하게 하는 신호를 출력하고, 메탄올 촉매 연소기(109)에의 공기의 공급을 개 시시킨다(단계 A17). 단계(A11~A17)의 처리 동작 결과로서, 연소 연료 증발기(101)에 의해 기화된 메탄올 가스는 메탄올 촉매 연소기(109)에 송출되어 메탄올 촉매 연소기(109)의 촉매와 공기가 함께 연소된다. 그 후, 연소의 생성된 열은 개질기(107), CO 제거기(105)와 화학반응부(100)의 다른 구성요소를 가열하기 위해 사용된다.
그 후, 제어 장치(130)는, 전기 히터/온도계(108)에 의해 측정된 개질기(107)의 온도가 소정의 온도 레벨 이상인지 아닌지를 판별한다(단계 A19).
제어 장치(130)는, 온도가 소정의 온도 레벨 이상이 될 때까지 대기한다(단계 A19: NO). 단계(A19)의 처리 동작은, 개질기(107)의 온도가 화학식(1)에서 나타난 개질 반응이 적어도 진행하는데 충분한 온도(예를 들면, 300 ℃ 정도) 이상인지 아닌지를 판별하기 위해 실행된다.
개질기(107)의 온도가 소정의 온도 레벨 이상이면(단계 A19: YES), 제어 장치(130)는 전기 히터/온도계(106)로 측정된 CO 제거기(105)의 온도가 소정의 온도 레벨 이상인지 아닌지를 판별한다(단계 A21). 제어 장치(130)는 온도가 소정의 온도 레벨이상이 될 때까지 대기한다(단계 A21: NO). 단계(A21)의 처리 동작은, CO 제거기(105)의 온도가 화학식(3),(4)에 의해 나타낸 화학반응식으로 적어도 진행되는데 충분히 높은 온도 레벨(예를 들면, 60 ~ 80 ℃)인지 아닌지를 판별하기 위해 실행된다.
CO 제거기(105)의 온도가 소정의 온도 레벨 이상이면(단계 A21: YES), 제어부(130)는 전기 히터/온도계(104)에 의해 측정된 개질연료 혼합기/증발기(103)의 온도가 소정의 온도 레벨 이상인지 아닌지를 판별한다(단계 A23). 제어 장치(130)는 온도가 소정의 온도 레벨 이상이 될 때까지 대기한다(단계 A23: NO). 단계(A23)의 처리 동작은 개질연료 혼합기/증발기(103)의 온도가 적어도 물이 기화하는데 충분히 높은 온도 레벨(예를 들면, 물의 비점인 약 100℃) 이상인지 아닌지를 판별하기 위해 실행된다.
개질연료 혼합기/증발기(103)의 온도가 소정의 온도 이상이면(단계 A23: YES), 제어 장치(130)는 구동기(D2)가 물을 공급하는 펌프(P2)를 구동시키도록 하게 하는 신호를 출력하고(단계 A25), 밸브(V2)도 열게 하도록 하게 하는 신호를 출력해 개질연료 혼합기/증발기(103)에 물의 공급을 개시시킨다(단계 A27). 물만이 개질연료 혼합기/증발기(103)에 공급되고 메탄올은 공급되지 않기 때문에, 개질연료 혼합기/증발기(103)와, 개질기(107)와, CO 제거기(105)와 이에 연결된 배관은 서서히 수증기로 채워진다.
그리고, 제어 장치(130)는 전기 히터/온도계(104)로 측정된 개질연료 혼합기/증발기(103)의 온도가 소정의 온도 레벨 이상인지 아닌지를 판별한다(단계 A29). 제어 장치(130)는 소정의 온도 레벨 이상이 될 때까지 대기한다(단계 A29: NO). 단계(A29)의 처리 동작은, 단계(A25 및 A27)의 처리 동작에서 개질연료 혼합기/증발기(103)에 주입된 물에 의해 일시적으로 저하할 수 있는 개질연료 혼합기/증발기(103)의 온도가 적어도 물이 기화하는데 충분한 온도 레벨(예를 들면, 물의 비점인 약 100℃) 이상인지 아닌지를 재차 판별하기 위해 실행된다.
다음으로, 개질연료 혼합기/증발기(103)의 온도가 소정의 온도 레벨이상이 면(단계 A29: YES), 제어 장치(130)는, 밸브(V1)를 열게 하는 신호를 출력하여 개질연료 혼합기/증발기(103)에 메탄올의 공급을 개시시킨다(단계 A33). 단계(A33)의 처리 동작 결과에 따라서, 메탄올은 개질연료 혼합기/증발기(103)에 공급되고 개질연료 혼합기/증발기(103)는 메탄올을 증발시켜, 메탄올 가스와 수증기의 혼합 가스를 생성한 후, 혼합 가스는 개질기(107)로 송출된다. 이로써, 화학식(1)에 나타난 개질 반응은 개질기(107)에서 진행된다.
그 후, 제어 장치(130)는 밸브(V4, V6 및 V7)를 열게 하는 신호를 출력하고, CO 제거기(105), 오프 가스 촉매 연소기(111)와 발전 전지(120)에 공기의 공급을 개시시킨다(단계 A35).
그 결과, 화학식(3)과 (4)에 의해 나타낸 바와 같이, 시프트 반응은 CO 제거기(105)에서 진행되고, 그리고 촉매 연소 반응은 오프 가스 촉매 연소기(111)에서 진행되면서, 화학식(5)과 (6)에 의해 나타낸 바와 같이, 전기 화학반응은 발전 전지(120)에서 진행되어, 발전 전지(120)는 발전을 개시한다.
다음에, 도 3을 참조하여 본 실시예의 정지 제어 처리(제 1 정지 제어 처리)에 대해 설명한다.
제 1 정지 제어 처리는 제어 장치(130)가 연료 전지(200)의 동작을 정지시킬 때의 처리이다.
우선, 제어 장치(130)는 DC/DC 컨버터(170)로부터 충전되는 2차 전지(180)에 축적된 전력이 소정의 전력 레벨 이상인지 아닌지를 판별하여 전원 시스템이 충분하지를 판별한다(단계 B1). 충전이 충분하다고 판별할 때까지, 제어 장치(130)는 대기한다(단계 B1: NO). 전원 시스템이 2 차 전지(180)에 축적된 전력을 사용하여 동작시키기 위해 개시되고, 그리고 2 차 전지(180)에 축적된 전력이 충분하지 않은 경우 전원 시스템이 개시될 수 없기 때문에, 단계(B1)의 처리 동작은, 연료 전지 시스템(200)을 개시하기 위한 전력이 충분하게 축적된 후에서만 연료 전지 시스템(200)의 동작을 정지시키기 위해 실행되어 연료 전지 시스템(200)은 다음번에 부드럽게 기동시킬 수 있다.
축전된 전력이 충분하다고 판별된 경우(단계 B1: YES), 제어 장치(130)는 개질연료 혼합기/증발기(103)에 메탄올을 공급하는 밸브(V1)를 완전하게 닫게하는 제어 신호를 출력하고, 개질연료 혼합기/증발기(103)에 메탄올의 공급을 차단한다(단계 B3). 이 시점에서, 개질연료 혼합기/증발기(103)에 물을 공급하는 밸브(V2)는 그대로 열린 상태에 유지된다. 이로써, 단계(B3)의 처리 동작의 결과에 따라, 개질연료 혼합기/증발기(103)에 메탄올의 공급이 차단되고 물만이 공급된다.
그리고, 제어 장치(130)는 발전 전지(120)에 의해 발생된 전력이 DC/DC 컨버터(170)에 의해 소정의 전력 레벨보다 낮은지 아닌지를 판별하고(단계 B5), 발전 전지(120)에 의해 생성된 전력이 소정의 전력 레벨보다 낮을 때까지 대기한다(단계 B5: NO). 이 시점에서, 메탄올은 개질연료 혼합기/증발기(103)에 공급되지 않고, 물만 공급된다. 한편, 미개질의 메탄올 가스가 모두 개질기(107)에서 개질될 시, 개질기(107)의 개질 반응이 연속됨에도 불구하고, 개질 가스는 더 이상 생성되지 않고, 발전 전지(120)에 더 이상 공급되지 않는다. 그 후, 발전 전지(120)의 전력 출력은 서서히 저하되어 간다. 이로써, 단계(B5)의 처리 동작은 미개질된 메탄올 가스가 모두 개질되는 것을 검출하기 위해 실행된다.
이로써, 발전 전지(120)의 전력 출력이 소정의 전력 레벨 하로 저하됨에 따라(단계 B5: YES), 제어 장치(130)는 DC/DC 컨버터(170)에 의해 부하측에 전력의 공급을 정지시킨다(단계 B7).
그 후, 제어 장치(130)는, 각각의 전기 히터/온도계(102, 104, 106 및 108)로 히터 제어 신호를 출력하여(단계 B9), 각각의 온도 제어 동작을 정지시키도록 한다. 제어 구동기(D1)가 메탄올을 공급하는 펌프(P1)의 구동을 정지시키도록 하게 하는 신호도 출력하여(단계 B11), 밸브(V3)를 완전히 닫게 하는 지시 신호를 출력해 연소 연료 증발기(101)에 메탄올의 공급을 차단한다(단계 B13). 단계(B9~B13)의 처리 동작에 따라서, 전기 히터/온도계(102, 104, 106 및 108)는 그 각각의 온도 제어 동작을 정지시키고 연소 연료 증발기(101)에 메탄올의 공급을 정지시킨다.
다음에, 제어 장치(130)는 제어 구동기(D2)가 개질연료 혼합기/증발기(103)에 물을 공급하는 펌프(P2)의 구동을 정지시키도록 하게 하는 신호를 출력하여(단계 B15), 밸브(V2)를 완전히 닫게 하기 위해 밸브(V2)를 완전히 닫게 하도록 하게 하는 신호도 출력하여, 개질연료 혼합기/증발기(103)에 물의 공급을 차단한다(단계 B17).
마지막으로, 제어 장치(130)는 공기를 공급하는 공기 펌프(P3)의 구동을 정지시키는 신호를 제어 구동기(D3)에 출력하여(단계 B19), 밸브(V4, V5, V6 및 V7) 를 완전히 닫게 하는 신호를 출력해 닫게 하여, CO 제거기(105), 메탄올 촉매 연소기(109), 오프 가스 촉매 연소기(111) 및 발전 전지(120)에 공기의 공급을 차단한 다(단계 B21). 그 결과, 연료 전지(200)의 동작이 완전하게 정지된다.
이로써, 상술된 제 1 실시예의 전원 시스템이 기동될 시, 물의 공급의 개시 후에, 개질연료 혼합기/증발기(103)의 온도가 소정의 온도 레벨 이상이 될 시에만 메탄올의 공급이 개시된다. 따라서, 전원 시스템의 개시 동작에서 개질연료 혼합기/증발기(103)의 내부 온도가 서서히 상승하여 일시적으로 물의 비점과 메탄올의 비점 사이의 온도 레벨이 되는 경우의 구간이 있다.
그러나, 메탄올의 공급이 이 시점에서 개시되어 있지 않기 때문에, 특히 메탄올 가스는 개질연료 혼합기/증발기(103)에서 생성되지 않는다. 그리고, 개질연료 혼합기/증발기(103)의 온도가 충분히 높은 레벨로 상승하고, 개질연료 혼합기/증발기(103)가 수증기로 충분히 채워진 경우에서만 메탄올이 공급되어, 미개질의 메탄올 가스의 생성을 억제하면서 동시에, 전원 시스템의 기동 시간을 단축할 수 있다.
한편, 상술된 실시예의 전원 시스템 정지되는 경우, 메탄올의 공급을 멈추게 한 후에, 발전 전지(120)의 출력이 소정 출력 레벨 아래로 저하된 경우만 물의 공급이 멈춘다. 따라서, 전원 시스템의 정지에 있어서, 개질연료 혼합기/증발기(103)의 내부온도가 점차적으로 저하되어 일시적으로 물의 비점과 메탄올의 비점 사이의 온도 레벨이 되는 구간이 있다. 그러나, 메탄올의 공급이 이 시점에서 이미 정지되고 있기 때문에, 미개질된 메탄올의 함유율은 개질연료 혼합기/증발기(103)에 생성된 가스를 상승시키지 않는다. 그리고, 발전 전지(120)의 출력이 저하하여, 개질연료 혼합기/증발기(103)의 미개질의 메탄올 가스의 함유율이 충분히 낮은 경우, 물의 공급은 멈춘다. 따라서, 미개질의 메탄올 가스의 생성을 억제하면서 동시에, 전 원 시스템을 정지시키는데 필요한 시간을 단축시킬 수 있다.
상술된 바와 같이, 전원 시스템의 기동 제어 처리 및 정지 제어 처리에 따라서, 미개질의 메탄올 가스의 발생을 억제하면서, 기동시간 및 정지 시간을 단축할 수 있다. 메탄올 가스의 생성을 막음으로써, CO 제거기(105)에 의해 유지된 촉매의 메탄올 가스에 의한 저하는 최소화되고, CO 제거기(105)는 CO를 충분히 제거할 수 있다. 그 결과, 전원 시스템의 동작은 안정화된다. 게다가, 기동 제어 처리와 정지 제어 처리는 고가의 농도계 등을 필요로 하지 않기 때문에, 상술된 실시예의 전원 시스템은 비용면에서 유리하고, 소형화될 수 있다.
도 1의 전원 시스템이 연소 연료 증발기(101)와 메탄올 촉매 연소기(109)를 포함하고, 메탄올 탱크(140)에 포함된 메탄올의 부분(발전 연료)은 상술된 개질기(107)와 CO 제거기(105)를 가열하기 위해 연소 연료로서 사용되고, 본 발명은 여기에 국한되지 않고, 예를 들면, 연소 연료 증발기(101)와 메탄올 촉매 연소기(109)를 생략하기 위해 대안적으로 개질기(107)와 CO 제거기(105)가 전기 히터와 오프 가스 촉매 연소기(111)에 의해 소정의 반응 온도로 가열될 수 있다. 게다가, 개질기(107)와 CO 제거기(105)는 전기 히터에 의해서만 가열될 수 있고 오프 가스 촉매 연소기(111)가 생략되도록 대안적으로 배치될 수 있다.
<제 2 실시예>
다음으로, 본 발명에 따라서 전원 시스템의 제 2 실시예를 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명한다. 본 실시예의 전원 시스템은 연료 개질형 고체 고분자형 연료 전지를 포함하고, 발전 연료로서 LPG의 주요 요소인 부탄 등의 기체 연료를 사용하 기 위해 적용된다.
도 4는 본 발명에 따라서 전원 시스템의 제 2 실시예의 구성을 나타내는 개략적인 블럭도이다.
상술된 제 1 실시예의 구성요소와 유사한 본 실시예의 구성요소는 동일한 참조 기호에 의해 지명되고, 자세하게 설명하지 않거나 생략한다. 이로써, 본 실시예의 특징이 있는 관점만을 설명한다.
본 실시예의 전원 시스템은 제어 장치(제어부)(130)와, DC/DC 컨버터(전압 변환부)(170)와, 2차 전지(180)와 그리고 연료 개질형 연료 전지(201)를 포함한다.
본 실시예의 연료 전지(201)는 발전 연료로서 상온에서 기체 연료인 부탄을 사용하기 위해 적용된다.
이로써, 본 실시예는 메탄올을 공급하기 위한 펌프(P1)와 제어 구동기(D1)를 제거하여, 부탄의 압력을 조절하는 조절기(R1)와, 조절기의 구동 동작을 제어하는 조절기 제어 신호(RD)를 추가하고, 도 1에 제시된 제 1 실시예의 블럭도에서 개질연료 혼합기/증발기(103)와, 연소 연료 증발기(101)와 메탄올 촉매 연소기(109) 각각을 개질 연료 혼합기(113)와, 물 증발기(112)와 촉매 연소기(110)로 대체한 것이다.
물 증발기(112)는 펌프(P2)에 의해 공급되는 물을 기화해, 수증기로서 개질연료 혼합기(113)에 송출한다. 촉매 연소기(110)는 부탄 봄베(bomb)(150)로부터 공급되는 부탄을 촉매 연소시켜, 그 연소열을 개질기(107)와 CO 제거기(105)를 가열하기 위해 사용되고, 개질기(107)와 CO 제거기(105)를 소정의 반응 온도로 유지시 킨다.
다음으로 본 실시예의 전원 시스템 동작을 도 5와 6을 참조하여 설명한다.
도 5는 본 실시예의 기동 제어 처리의 순서도이다.
도 6은 본 실시예의 정지 제어 처리의 순서도이다.
도 5에서 도시된 바와 같이, 본 실시예(제 2 기동 제어 처리)의 기동 제어 처리는, 도 2에 도시된 제 1 기동 제어 처리의 연소 연료 증발기(101)에 관한 단계(A1과 A9)와, 제어 장치(130)가 메탄올을 공급하는 펌프(P1)의 구동을 개시시키기 위해 신호를 출력하여 메탄올의 공급을 개시키는 단계(A11)와, 개질 연료 혼합기/증발기(103)에 관한 단계(A29) 각각을, 물 증발기(112)에 관한 단계(A2와 A10)와, 제어 장치(130)가 조절기(R1)를 열게 하는 신호를 출력해 부탄의 공급을 개시하는 단계(A12)와, 개질 연료 혼합기(113)에 관한 단계(A30)로 대체하여 실현된다.
이로써, 우선, 제어 장치(130)는 각각의 전기 히터/온도계(102, 104, 106 및 108)에 대한 온도 제어 동작을 개시시키는 히터 제어 신호를 출력하여 물 증발기(112)와, 개질 연료 혼합기/증발기(103)와, 개질기(107)와 CO 제거기(105)의 온도를 제어하기 시작한다(단계 A2,A3,A5,A7).
그 후, 제어 장치(130)는 전기 히터/온도계(102)에 의해 측정된 물 증발기(112)의 온도가 소정의 온도 레벨 이상인지 아닌지를 판별한다(단계 A10). 제어 장치(130)는 온도가 소정의 온도 레벨이 될 때까지 대기한다(단계 A10: NO). 단계(A10)의 처리 동작은, 물 증발기(112)의 온도가 적어도 물이 기화하는데 충분히 높은 온도 레벨(예를 들면, 물의 비점인 약 100℃) 이상인지 아닌지를 판별하기 위 해 실행된다.
물 증발기(112)의 온도가 소정의 온도 레벨이상일 시(단계 A10: YES), 제어 장치(130)는 부탄을 공급하는 조절기(R1)를 열리게 하는 신호를 출력하고(단계 A12) 밸브(V3)를 열리게 하는 신호도 출력하여 촉매 연소기(110)에 부탄의 공급을 개시한다.
제어 장치(130)는, 구동기(D3)가 전원 시스템에 공기를 공급하는 공기 펌프(P3)를 구동시키도록 하게 하는 신호를 출력하여(단계 A15), 밸브(V5)도 열도록 하게 하는 신호를 출력하고, 촉매 연소기(110)에의 공기의 공급을 개시시킨다(단계 A17). 단계(A12~A17)의 처리 동작 결과로서, 부탄은 촉매 연소기(110)에 송출되어 촉매 연소기(110)의 촉매와 공기가 함께 연소된다. 그 후, 연소의 생성된 열은 개질기(107), CO 제거기(105)와 화학반응부(100)의 다른 구성요소를 가열하기 위해 사용된다.
그 후, 제어 장치(130)는, 전기 히터/온도계(108)에 의해 측정된 개질기(107)의 온도가 소정의 온도 레벨 이상인지 아닌지를 판별한다(단계 A19). 제어 장치(130)는, 온도가 소정의 온도 레벨 이상이 될 때까지 대기한다(단계 A19: NO). 단계(A19)의 처리 동작은, 개질기(107)의 온도가 화학식(1)에서 나타난 개질 반응이 적어도 진행하는데 충분한 온도(예를 들면, 300 ℃ 정도) 이상인지 아닌지를 판별하기 위해 실행된다.
개질기(107)의 온도가 소정의 온도 레벨 이상이면(단계 A19: YES), 제어 장치(130)는 전기 히터/온도계(106)로 측정된 CO 제거기(105)의 온도가 소정의 온도 레벨 이상인지 아닌지를 판별한다(단계 A21). 제어 장치(130)는 온도가 소정의 온도 레벨이상이 될 때까지 대기한다(단계 A21: NO). 단계(A21)의 처리 동작은, CO 제거기(105)의 온도가 화학식(3),(4)에 의해 나타낸 화학반응식으로 적어도 진행되는데 충분히 높은 온도 레벨(예를 들면, 60 ~ 80 ℃)인지 아닌지를 판별하기 위해 실행된다.
CO 제거기(105)의 온도가 소정의 온도 레벨 이상이면(단계 A21: YES), 제어부(130)는 전기 히터/온도계(104)에 의해 측정된 개질연료 혼합기/증발기(103)의 온도가 소정의 온도 레벨 이상인지 아닌지를 판별한다(단계 A23). 제어 장치(130)는 온도가 소정의 온도 레벨 이상이 될 때까지 대기한다(단계 A23: NO). 단계(A23)의 처리 동작은 개질연료 혼합기/증발기(103)의 온도가 적어도 물이 기화하는데 충분히 높은 온도 레벨(예를 들면, 물의 비점인 약 100℃) 이상인지 아닌지를 판별하기 위해 실행된다.
개질연료 혼합기/증발기(103)의 온도가 소정의 온도 이상이면(단계 A23: YES), 제어 장치(130)는 구동기(D2)가 물을 공급하는 펌프(P2)를 구동시키도록 하게 하는 신호를 출력하고(단계 A25), 밸브(V2)도 열게 하도록 하게 하는 신호를 출력해 물 증발기(112)에 물의 공급을 개시시킨다(단계 A27). 물만이 물 증발기(112)에 공급되고 부탄은 개질연료 혼합기(113)에 공급되지 않기 때문에, 개질기(107)와 CO 제거기(105)와 이에 연결된 배관은 서서히 수증기로 채워진다.
그리고, 제어 장치(130)는 전기 히터/온도계(104)로 측정된 개질연료 혼합기(112)의 온도가 소정의 온도 레벨 이상인지 아닌지를 판별한다(단계 A30). 제어 장치(130)는 소정의 온도 레벨 이상이 될 때까지 대기한다(단계 A30: NO). 단계 (A30)의 처리 동작은, 단계(A25 및 A27)의 처리 동작에서 개질연료 혼합기(112)에 주입된 물에 의해 일시적으로 저하할 수 있는 개질연료 혼합기(112)의 온도가 적어도 물이 기화하는데 충분한 온도 레벨(예를 들면, 물의 비점인 약 100℃) 이상인지 아닌지를 재차 판별하기 위해 실행된다.
다음으로, 개질연료 혼합기(112)의 온도가 소정의 온도 레벨이상이면(단계 A30: YES), 제어 장치(130)는, 밸브(V1)를 열게 하는 신호를 출력하여 개질연료 혼합기(112)에 부탄의 공급을 개시시킨다(단계 A33). 단계(A33)의 처리 동작 결과에 따라서, 부탄은 개질연료 혼합기(112)에 공급되고 개질연료 혼합기(112)는 부탄과 수증기의 혼합 가스를 생성한 후, 혼합 가스는 개질기(107)로 송출된다. 이로써, 화학식(1)에 나타난 개질 반응은 개질기(107)에서 진행된다.
그 후, 제어 장치(130)는 밸브(V4, V6 및 V7)를 열게 하는 신호를 출력하고, CO 제거기(105), 오프 가스 촉매 연소기(111)와 발전 전지(120)에 공기의 공급을 개시시킨다(단계 A35).
그 결과, 화학식(3)과 (4)에 의해 나타낸 바와 같이, 시프트 반응은 CO 제거기(105)에서 진행되고, 그리고 촉매 연소 반응은 오프 가스 촉매 연소기(111)에서 진행되면서, 화학식(5)과 (6)에 의해 나타낸 바와 같이, 전기 화학반응은 발전 전지(120)에서 진행되어, 발전 전지(120)는 발전을 개시한다.
이로써, 상술된 제 1 기동 제어 처리의 경우에서와 같이, 제 2 기동 제어 처리는 전원 시스템의 기동 시간을 단축시키는 동시에, 미개질된 메탄올 가스의 생성 을 억제시킬 수 있다.
다음에, 도 6을 참조하여, 본 실시예의 정지 제어 처리는, 제어 장치(130)가 펌프(P1)의 구동 동작을 정지시키는 신호를 구동기(D1)에 출력하는 도 3의 제 1 정지 제어 처리의 단계(B11)를, 제어 장치(130)가 조절기(R1)를 완전히 닫게 하는 신호를 출력하여 부탄의 공급을 차단시키는 단계(B12)로 대체하여 실현된다.
우선, 제어 장치(130)는, DC/DC 컨버터(170)로부터 충전되는 2차 전지(180)에 축적된 전력이 소정의 전력 레벨 이상인지 아닌지를 판별하여 전원 시스템이 충분하지를 판별한다(단계 B1). 충전이 충분하다고 판별할 때까지, 제어 장치(130)는 대기한다(단계 B1: NO).
축전된 전력이 충분하다고 판별된 경우(단계 B1: YES), 제어 장치(130)는 개질연료 혼합기(112)에 부탄을 공급하는 밸브(V1)를 완전하게 닫게 하는 제어 신호를 출력하고, 개질연료 혼합기(112)에 부탄의 공급을 차단한다(단계 B3). 이 시점에서, 물 증발기(112)로의 물 공급은 그대로 계속된다. 이로써, 단계(B3)의 처리 동작의 결과에 따라, 수증기만 물 증발기(112)에 의해 개질연료 혼합기(112)에 공급된다.
그리고, 제어 장치(130)는 발전 전지(120)에 의해 발생된 전력이 DC/DC 컨버터(170)에 의해 소정의 전력 레벨보다 낮은지 아닌지를 판별하고(단계 B5), 발전 전지(120)에 의해 생성된 전력이 소정의 전력 레벨보다 낮을 때까지 대기한다(단계 B5: NO). 이 시점에서, 미개질된 메탄올 가스가 개질기(107)에서 개질될 시, 물만 개질 연료 혼합기(103)에 공급되면서, 개질 반응은 개질기(107)에서 계속되어, 개 질된 가스는 더 이상 생성되지 않고, 발전 전지(120)에 공급되지도 않는다. 그 후, 발전 전지(120)의 전력 출력은 서서히 저하되어 간다. 이로써, 단계(B5)의 처리 동작은 미개질된 메탄올 가스가 모두 개질되는 것을 검출하기 위해 실행된다.
이로써, 발전 전지(120)의 전력 출력이 소정의 전력 레벨 하로 저하됨에 따라(단계 B5: YES), 제어 장치(130)는 DC/DC 컨버터(170)에 의해 부하측에 전력의 공급을 정지시킨다(단계 B7).
그 후, 제어 장치(130)는, 각각의 전기 히터/온도계(102, 104, 106 및 108)로 히터 제어 신호를 출력하여(단계 B9), 각각의 온도 제어 동작을 정지시키도록 한다. 부탄을 공급하는 조절기(R1)를 완전하게 닫게 하는 신호를 출력하고(단계 B12) 밸브(V3)를 완전히 닫게 하는 지시 신호도 출력하여, 촉매 연소기(110)에 부탄의 공급을 차단한다(단계 B13).
다음에, 제어 장치(130)는 제어 구동기(D2)가 물 증발기(112)에 물을 공급하는 펌프(P2)의 구동을 정지시키도록 하게 하는 신호를 출력하여(단계 B15), 밸브(V2)를 완전히 닫게 하기 위해 밸브(V2)도 완전히 닫게 하도록 하게 하는 신호도 출력하여, 물 증발기(112)에 물의 공급을 차단한다(단계 B17).
마지막으로, 제어 장치(130)는 공기를 공급하는 공기 펌프(P3)의 구동을 정지시키는 신호를 제어 구동기(D3)에 출력하여(단계 B19), 밸브(V4, V5, V6 및 V7) 를 완전히 닫게 하는 신호도 출력해 완전히 닫게 하여, CO 제거기(105), 촉매 연소기(110), 오프 가스 촉매 연소기(111) 및 발전 전지(120)에 공기의 공급을 차단한다(단계 B21). 그 결과, 연료 전지(201)의 동작이 완전하게 정지된다.
단계(B13) 후의 모든 동작은 제 1 정지 제어 처리의 것과 동일하다.
상술된 제 1 정지 제어 처리의 경우에서와 같이, 제 2 정치 제어 처리는 전원 시스템의 정지 동작에 필요한 시간을 단축시킬 수 있고, 미개질된 메탄올 가스의 생성을 억제시킨다.
발전 연료로서 부탄 등의 기체 연료를 사용하기 위해 적용된 전원 시스템의 제 2 실시예는 제 1 실시예와 유사한 이점을 제공한다.
<제 3 실시예>
다음으로, 본 발명에 따라서 전원 시스템의 제 3 실시예를 도 7 내지 도 9를 참조하여 설명한다. 본 발명의 전원 시스템은 연료 개질형의 고체 고분자형 연료 전지를 포함하고, 발전 연료로서 메탄올 등의 액체 연료를 사용하기 위해 적용된다.
도 7은 본 발명에 따른 전원 시스템의 제 3 실시예의 구성을 도시한 개략적인 블럭도이다.
상술된 제 1, 2 실시예의 구성요소와 유사한 본 실시예의 구성요소는 동일한 참조 기호에 의해 지명되고, 자세하게 설명하지 않거나 생략한다. 이로써, 본 실시예의 특징이 있는 관점만을 설명한다.
본 실시예의 전원 시스템은 제어 장치(제어부)(130)와, DC/DC 컨버터(전압 변환부)(170)와, 2차 전지(180)와 그리고 연료 개질형 연료 전지(202)를 포함한다.
본 실시예의 연료 전지 시스템(202)은 메탄올과 물을 증발시켜 혼합하기 위해 적용된다. 이러한 이유로, 본 실시예는 도 1에 도시된 제 1 실시예의 블럭도에 서 개질연료 혼합기/증발기(103)를 제거하고, 물을 증발시키는 물 증발기(제 1 증발기)(112)와, 메탄올을 증발시키는 개질연료 증발기(제 2 증발기)(114)와, 증발된 메탄올과 수증기를 혼합하는 혼합기(115)를 추가하여 실현된다. 물 증발기(112)는 온도 제어 목적으로 전기 히터/온도계(102)에 설치되면서, 개질연료 증발기(114)는 온도 제어 목적으로 전기 히터/온도계(104)에 설치된다. 혼합기(115)는 기체를 혼합하기 때문에, 액체를 혼합하는 혼합기보다 작게 구현된다.
연료 전지 시스템(202)에서, 개질기(107)와, CO 제거기(105)와, 화학반응부(100)의 다른 구성요소는 전기 히터/온도계(108)와 오프 가스 촉매 연소기(111)로부터 생성된 연소열에 의해서만 가열되어, 소정 반응 온도로 설정되어서, 제 1 실시예에 있는 연소 연료 증발기(101)와, 메탄올 촉매 연소기(109)와, 밸브(V3 및 V5)와, 유량계(F3 및 F5)는 제 3 실시예로부터 제거된다.
게다가, 연료 전지 시스템(202)에서, 메탄올, 물 및 공기의 공급율에 의해 발전 전지(120)의 발전율을 조절하는 제 1, 2 실시예의 밸브(V7)와 유량계(F7 및 F8)는 제거된다.
이 배치에 의해, 제 1, 2 실시예의 연료 전지 시스템(200 및 210)과 비교하여 본 실시예의 연료 전지 시스템(202)은 크기와 무게 양자를 감소시킬 수 있어, 휴대용 전자 장치에 적합한 전원 시스템을 실현시킬 수 있다.
그러면, 본 실시예의 전원 시스템의 동작을 도 8과 9를 참조하여 설명한다.
도 8은 본 실시예의 기동 제어 처리의 순서도이다.
도 9는 본 실시예의 정지 제어 처리의 순서도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예(제 3 기동 제어 처리)의 기동 제어 처리는, 도 2의 제 1 기동 제어 처리에서 연소 연료 증발기(101)에 관한 단계(A1)와, 개질연료 혼합기/증발기(103)에 관한 단계(A3) 각각을, 물 증발기(112)에 관한 단계(A2)와 개질연료 증발기(114)에 관한 단계(A4)로 대체하고, 연소 연료 증발기(101)에 관한 단계(A9)와, 펌프(P1)에 관한 단계(A11)와 밸브(V13)에 관한 단계(A13)를 제거시키고, 개질연료 혼합기/증발기(103)에 관한 단계(A23 및 A29) 각각을, 물 증발기(112)에 관한 단계(A24)와 개질연료 증발기(114)에 관한 단계(A28)로 대체하고, 단계(A28)와 단계(A31) 사이의 펌프(P1)을 구동하는 단계(A30)를 추함으로써 실현된다.
우선, 제어 장치(130)는, 각각의 전기 히터/온도계(102, 104, 106 및 108)에 온도 제어 동작을 개시하는 히터 제어 신호를 출력하여 물 증발기(112), 개질연료 증발기(114), 개질기(107)와 CO 제거기(105)의 온도의 제어를 개시한다(단계 A2, A4, A5, A7).
그리고, 제어 장치(130)는 구동기(D3)가 공기를 전원 시스템에 공급하는 공기 펌프(P3)를 구동하도록 하게 하는 신호를 출력하여(단계 A15), 발전 전지(120)에 공기의 공급을 개시한다.
그 후에, 제어 장치(130)는, 전기 히터/온도계(108)에 의해 측정된 개질기(107)의 온도가 소정의 온도 레벨 이상인지 아닌지를 판별한다(단계 A19). 제어 장치(130)는, 온도가 소정의 온도 레벨 이상이 될 때까지 대기한다(단계 A19: NO). 단계(A19)의 처리 동작은, 개질기(107)의 온도가 화학식(1)에서 나타난 개질 반응 이 적어도 진행하는데 충분한 온도(예를 들면, 300 ℃ 정도) 이상인지 아닌지를 판별하기 위해 실행된다.
개질기(107)의 온도가 소정의 온도 레벨 이상이면(단계 A19: YES), 제어 장치(130)는 전기 히터/온도계(106)로 측정된 CO 제거기(105)의 온도가 소정의 온도 레벨 이상인지 아닌지를 판별한다(단계 A21). 제어 장치(130)는 온도가 소정의 온도 레벨 이상이 될 때까지 대기한다(단계 A21: NO). 단계(A21)의 처리 동작은, CO 제거기(105)의 온도가 화학식(3),(4)에 의해 나타낸 화학반응식으로 적어도 진행되는데 충분히 높은 온도 레벨(예를 들면, 60 ~ 80 ℃)인지 아닌지를 판별하기 위해 실행된다.
CO 제거기(105)의 온도가 소정의 온도 레벨 이상이면(단계 A21: YES), 제어부(130)는 전기 히터/온도계(104)에 의해 측정된 물 증발기(112)의 온도가 소정의 온도 레벨 이상인지 아닌지를 판별한다(단계 A24). 제어 장치(130)는 온도가 소정의 온도 레벨 이상이 될 때까지 대기한다(단계 A24: NO). 단계(A24)의 처리 동작은 물 증발기(112)의 온도가 적어도 물이 기화하는데 충분히 높은 온도 레벨(예를 들면, 물의 비점인 약 100℃) 이상인지 아닌지를 판별하기 위해 실행된다.
물 증발기(112)의 온도가 소정의 온도 이상이면(단계 A24: YES), 제어 장치(130)는 구동기(D2)가 물을 공급하는 펌프(P2)를 구동시키도록 하게 하는 신호를 출력하고(단계 A25), 밸브(V2)도 열게 하도록 하게 하는 신호를 출력해 개질연료 혼합기/증발기(103)에 물의 공급을 개시시킨다(단계 A27). 물만이 물 증발기(112)에 공급되고 메탄올은 개질 연료 증발기(114)와 혼합기(115)에 공급되지 않기 때문 에, 개질기(107)와, CO 제거기(105)와 이에 연결된 배관은 서서히 수증기로 채워진다.
그리고, 제어 장치(130)는 전기 히터/온도계(104)로 측정된 개질연료 증발기(114)의 온도가 소정의 온도 레벨 이상인지 아닌지를 판별한다(단계 A28). 제어 장치(130)는 소정의 온도 레벨 이상이 될 때까지 대기한다(단계 A28: NO). 단계 (A28)의 처리 동작은, 단계(A25 및 A27)의 처리 동작에서 개질연료 증발기(114)에 주입된 물에 의해 일시적으로 저하할 수 있는 개질연료 증발기(114)의 온도가 적어도 물이 기화하는데 충분한 온도 레벨(예를 들면, 물의 비점인 약 100℃) 이상인지 아닌지를 재차 판별하기 위해 실행된다.
다음으로, 개질연료 증발기(114)의 온도가 소정의 온도 레벨 이상이면(단계 A28: YES), 제어 장치(130)는, 제어 구동기(D1)가 메탄올을 공급하는 펌프(P1)의 구동을 개시하도록 하게 하는 신호를 출력하고, 밸브(V1)을 열게 하는 신호도 출력하여 개질연료 증발기(114)에 메탄올의 공급을 개시한다(단계 A33).
그 후, 제어 장치(130)는 밸브(V4, V6 및 V7)를 열게 하는 신호를 출력하고, CO 제거기(105), 오프 가스 촉매 연소기(111)와 발전 전지(120)에 공기의 공급을 개시시킨다(단계 A35).
그 결과, 화학식(3)과 (4)에 의해 나타낸 바와 같이, 시프트 반응은 CO 제거기(105)에서 진행되고, 그리고 촉매 연소 반응은 오프 가스 촉매 연소기(111)에서 진행되면서, 화학식(5)과 (6)에 의해 나타낸 바와 같이, 전기 화학반응은 발전 전지(120)에서 진행되어, 발전 전지(120)는 발전을 개시한다.
제 3 기동 제어 처리에 의해, 물은 물 증발기(112)에 의해 증발된 후, 메탄올은 연료개질 증발기(114)에 의해 증발되어서, 그 결과, 증발된 메탄올과 수증기는 서로 혼합된다. 이로써, 메탄올의 함유율은 수증기에 비해 너무 높게 상승되지 않아서 전원 시스템의 기동 시간을 단축시킬 수 있는 동시에, 미개질된 메탄올 가스의 생성을 억제시킬 수 있다.
다음에, 도 9를 참조하면, 본 실시예(제 3 정지 제어 처리)의 정지 제어 처리는 도 3의 제 1 정지 제어 처리에서 밸브(V3)에 관한 단계(B13)를 제거하고, 제어 장치(130)가 밸브(V4, V5, V6 및 V7)를 완전히 닫게 하는 신호를 출력하여, CO제거기(105)와, 메탄올 촉매 연소기(109)와, 오프 가스 촉매 연소기(111) 및 발전 전지(120)에의 공기의 공급을 차단하는 단계(B21)를, 제어 장치(130)가 밸브(V4 및 V6)만을 완전히 닫게 하는 신호를 출력해서 CO제거기(105), 오프 가스 촉매 연소기(111)에의 공기의 공급을 차단하는 단계(B22)로 대체시켜 실현되므로, 메탄올 촉매 연소기(109)와 발전 전지(120)로의 공기의 공급이 차단될 수 있도록 밸브(V5 및 V7)를 완전히 닫게 하는 출력되는 신호는 없다.
우선, 제어 장치(130)는 DC/DC 컨버터(170)로부터 충전되는 2차 전지(180)에 축적된 전력이 소정의 전력 레벨 이상인지 아닌지를 판별하여 전원 시스템이 충분하지를 판별한다(단계 B1). 충전이 충분하다고 판별할 때까지, 제어 장치(130)는 대기한다(단계 B1: NO).
축전된 전력이 충분하다고 판별된 경우(단계 B1: YES), 제어 장치(130)는 개질연료 혼합기/증발기(103)에 메탄올을 공급하는 밸브(V1)를 완전하게 닫게하는 제 어 신호를 출력하고, 개질연료 혼합기/증발기(103)에 메탄올의 공급을 차단한다(단계 B3). 이 시점에서, 개질연료 혼합기/증발기(103)에 물을 공급하는 밸브(V2)는 그대로 열린 상태에 유지된다. 이로써, 단계(B3)의 처리 동작의 결과에 따라, 개질연료 증발기(114)에 메탄올의 공급이 차단된다.
그리고, 제어 장치(130)는 발전 전지(120)에 의해 발생된 전력이 DC/DC 컨버터(170)에 의해 소정의 전력 레벨보다 낮은지 아닌지를 판별하고(단계 B5), 발전 전지(120)에 의해 생성된 전력이 소정의 전력 레벨보다 낮을 때까지 대기한다(단계 B5: NO). 이 시점에서, 미개질의 메탄올 가스가 모두 개질기(107)에서 개질될 시,메탄올은 개질연료 증발기(114)에 공급되지 않고, 물의 공급만 물 증발기(112)에 계속되고, 또한 개질 반응은 개질기(107)에서 계속되어 개질 가스는 더 이상 생성되지 않고, 발전 전지(120)에 더 이상 공급되지 않는다. 그 후, 발전 전지(120)의 전력 출력은 서서히 저하되어 간다. 이로써, 단계(B5)의 처리 동작은 미개질된 메탄올 가스가 모두 개질되는 것을 검출하기 위해 실행된다.
그 후, 발전 전지(120)의 전력 출력이 소정의 전력 레벨 하로 저하됨에 따라(단계 B5: YES), 제어 장치(130)는 DC/DC 컨버터(170)에 의해 부하측에 전력의 공급을 정지시킨다(단계 B7).
그 후, 제어 장치(130)는, 각각의 전기 히터/온도계(102, 104, 106 및 108)로 히터 제어 신호를 출력하여(단계 B9), 각각의 온도 제어 동작을 정지시키도록 한다. 제어 구동기(D1)가 메탄올을 공급하는 펌프(P1)의 구동을 정지시키도록 하게 하는 신호도 출력한다(단계 B11).
다음에, 제어 장치(130)는 제어 구동기(D2)가 물 증발기(112)에 물을 공급하는 펌프(P2)의 구동을 정지시키도록 하게 하는 신호를 출력하고(단계 B15), 밸브(V2)를 완전히 닫도록 밸브(V2)를 완전히 닫도록 하게 하는 신호도 출력하여, 물 증발기(112)에 물의 공급을 차단한다(단계 B17).
마지막으로, 제어 장치(130)는 공기를 공급하는 공기 펌프(P3)의 구동을 정지시키는 신호를 제어 구동기(D3)에 출력하고(단계 B19), 밸브(V4 및 V6)를 완전히 닫게 하는 신호도 출력해 닫게 하여, CO 제거기(105), 오프 가스 촉매 연소기(111) 및 발전 전지(120)에 공기의 공급을 차단한다(단계 B22). 그 결과, 연료 전지 시스템(202)의 동작은 완전하게 정지된다.
제 3 정지 제어 처리에 의해, 개질 연료 증발기(114)에서 메탄올 증발의 동작을 정지시킨 후 물 증발기(112)의 물의 증발 동작은 정지되어, 수증기에 비해 메탄올의 함율은 상승되지 않아서, 전원 시스템의 정지 동작에 필요한 시간을 단축시킬 수 있는 동시에, 미개질된 메탄올 가스의 생성도 억제시킨다.
이로서, 전원 시스템의 제 3 실시예는 제 1 실시예와 유사한 이점을 제공한다.
［본 실시예의 변형]
메탄올이 제 1, 3 실시예에서 발전 연료로서 사용된 반면에, 메탄올은 에탄올이나 가솔린 등의 탄화수소계로 대체될 수 있다. 물탱크(160)와 메탄올 탱크(140)가 제 1 및 3 실시예에서 별도로 사용되지만 물과 메탄올을 별도로 포함하는 내부의 영역을 가지는 단일 탱크로 대체될 수 있다.
부탄이 제 2 실시예에서 발전 연료로서 사용된 반면에, 메탄, 디메틸에테르, 도시가스 및 프로판 가스 등의 탄화수소계 기체로 대체될 수 있다. 게다가, 예열기는 기동 시간의 단축 및 열 효율화의 목적으로 조절기와 부탄 봄베 사이에서 구비될 수 있다.
본 발명은 상술된 제 1 및 3 실시예에서, 고체 고분자형 연료 전지(PEFC)에 적용될 수 있으며, 그리고 고체 산화물형 연료 전지(SOFC： Solid Oxide Electrolyte Fuel Cell)에서도 적용될 수 있다. 본 발명이 탄화수소계 연료를 사용하는 SOFC에 적용될 시, 개질 없이 탄화수소계 연료를 사용하여 전극에서 탄소가 증착하는 현상을 억제할 수 있다. 이로써, 제 1 및 3 실시예의 경우에서 제시된 것처럼, 발전 성능의 저하를 방지할 수 있다.
전원 시스템의 제 3 실시예에서 물 증발기(112)와 개질연료 증발기(114)가 상술된 바와 같이, 물 증발기(112)와 개질연료 증발기(114) 각각을 제어하는 전기 히터/온도계(102,104)가 제공된다. 그러나, 전기 열/온도계(102,104)는 단일 공통 전기 히터/온도계에 의해 제어될 수 있다.
연료, 물 및 공기를 공급하는 동작과, 연료, 물 및 공기를 차단하는 동작은 상술된 본 실시예의 밸브와 펌프를 제어하여 제어될 수 있는 반면에, 대안적으로 펌프만으로 연료, 물 및 공기를 공급하는 동작을 제어하기 위해, 그리고 연료, 물 및 공기를 차단하는 동작을 제어하기 위해 사용될 수 있다.
<전자 장치>
다음으로, 제 1 내지 제 3 실시예 중에서 전원 시스템을 포함하는 전자 장치 를 이하에서 설명한다.
도 10은 본 발명에 따른 발전 시스템을 적용하여 실현된 발전 유닛의 개략적인 사시도이다.
도 11은 본 발명에 따른 발전 시스템을 적용하여 실현된 발전 유닛을 사용하기 위해 사용된 전자장치의 개략적인 사시도이다.
도 12는 본 발명에 따른 전원 시스템을 사용하기 위해 적용된 또 다른 전자 장치의 삼면도이다.
전원 시스템의 상술된 실시예 중에서 도 10에 도시된 바와 같이, 전원 시스템을 발전 유닛(801)에 부착하여 사용될 수 있다. 도 10을 참조하여, 발전 유닛(801)은, 프레임(802)과, 메탄올 탱크(140)와 물탱크(160)를 일체화하여 프레임 (802)에 착탈 가능한 연료 용기(804)와, 유로, 펌프, 유량 센서 및 밸브 등을 포함하는 유량 제어 유닛(806)과, 단열 패키지(791)에 수용된 마이크로 원자로 모듈(600)과, 연료 전지, 가습기 및 회수기 등을 포함한 발전 전지(808)와, 공기 펌프(810)와, 2차 전지, DC－DC 컨버터, 외부 인터페이스 등을 포함한 전원 유닛 (812)을 포함한다.
수소 가스는 물로부터 획득된 혼합 가스로서 생성되고, 그리고 연료 용기(804)내의 액체 연료는 유량 제어 유닛(806)에 의해 공급되고, 발전 전지(808)의 연료 전지에 공급된다. 그 후, 생성된 전기는 전원 유닛(812)의 2차 전지에 축전된다.
도 11에서 도시된 바와 같이, 발전 유닛(801)은 예를 들면 전자 장치(851)에 부착된다.
전자 장치(851)는, 노트북형 퍼스널 컴퓨터 등의 휴대형의 전자 장치이다. 전자 장치(851)는, CPU, RAM, ROM과 그 외의 전자 부품으로부터 구성된 처리 회로를 포함하고, 처리회로를 포함한 하부 캐비넷 본체(854)로 구비되고, 키보드(852)와, 액정 디스플레이(856)가 설치된 상부 캐비넷 본체(858)를 포함한다.
하부 캐비넷 본체(854)와 상부 캐비넷 본체(858)는 서로 힌지에 의해 연결되어, 키보드(852)와 액정 디스플레이는 서로 대향하여 놓이게 된다. 장착부(860)는 우측면에서 하부 캐비넷 본체(854)의 하부면으로 이르게 형성되고, 발전 유닛(801)을 수용하게 형성된다. 이로써, 발전 유닛(801)이 장착부(860)에 장착됨으로써, 전자장치(851)는 발전 유닛(801)에 의한 전력으로 동작한다.
도 12에서 도시된 전자 장치(900)는 메탄올 탱크(140)와 물탱크(160)를 일체화하고 착탈 가능한 2 개의 연료 용기(904A, 904B)를 포함한다. 전자 장치(900)는연료 용기(904A, 904B) 이외의 구성을 포함하고, 각 연료 용기(904A, 904B)를 수용하는 오목 장착부로 구비된다. 연료 용기(904A, 904B)가 장착부에 장착됨으로써, 메탄올과 물은 연료 용기(904A, 904B)로부터 전자 장치(900)로 공급된다.
전자 장치(900)가 복수의 연료 용기(904A, 904B)로 구비됨으로써, 연료 용기 중 하나에 메탄올 또는 물이 없을 경우에서도, 다른 하나의 연료 용기내의 메탄올 또는 물을 이용할 수 있다. 이로써, 비워있는 연료 용기를 빼서, 메탄올과 물을 재보충한 후, 전자 장치(900)에 다시 장착되면 전자 장치(900)는 계속해서 동작된다.
대안적으로, 메탄올 탱크 또는 탱크들(140)만 전자 장치(900)에 착탈가능하 게 할 수 있고, 전자 장치(900)는 전자 장치 내부에 물 탱크(160)로 구비된다. 물탱크(160)는 연료 전지에 의해 생성된 물을 회수하고 저장하기 위해 적용될 수 있다.
본 발명은 특정한 바람직한 실시예에 관해 매우 상세함으로 기술됨에도 불구하고, 다른 변형성 및 다양성은 가능하게 되고 고려된다. 기술분야에서의 이러한 기술들은 첨부된 청구항으로 정해짐으로써, 본 발명의 기술요점 및 영역에서 일탈없이, 본 발명의 같은 목적을 증명하는 다른 구조를 설계 또는 수정하는 것에 기초하여 개시된 개념 및 같은 목적들을 손쉽게 사용할 수 있다는 것을 인식해야 한다.

Claims (19)

  1. 전원 시스템으로써:
    발전 연료 및 물이 공급되어 수용되고, 상기 발전 연료 및 물을 증발시키기 위해 적어도 상기 물이 가열되는 증발부(103,112,114)와, 그리고 상기 증발부에 의해 생성된 수증기와 상기 발전 연료에 기초하여, 발전 가스를 생성하는 반응부(105,107)를 포함하는 화학반응부(100);
    상기 화학반응부에 상기 발전 연료를 공급하는 연료 공급부(P1,V1);
    상기 화학반응부에 상기 물을 공급하는 물 공급부(P2,V2); 및
    상기 증발부가 증발 동작을 함에 적합한 조건하에 있지 않는 경우, 상기 전원 시스템의 동작을 제어하여 상기 연료 공급부로부터 상기 화학반응부까지 상기 발전 연료의 공급을 정지시키는 제어부(130)를 포함함을 특징으로 하는 전원 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 증발부는 공급된 상기 발전 연료를 증발시키도록 작동됨을 특징으로 하는 전원 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 증발부는:
    상기 물을 가열하고 증발시키는 제 1 증발부(112);
    공급된 상기 발전 연료를 증발시키는 제 2 증발부(114); 및
    상기 제 1 증발부에 의해 생성된 수증기와 상기 제 2 증발부에 의해 생성되어 증발된 상기 발전 연료를 혼합하여 상기 반응부에 공급하는 혼합기(115)를 포함함을 특징으로 하는 전원 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전 연료는 조성물이 수소 원자를 포함하는 액체 연료이며;
    상기 증발부는 상기 물과 상기 발전 연료를 증발시키며; 그리고
    상기 반응부(107)는, 상기 발전 연료와 상기 증발부에 의해 증발된 수증기의 혼합 가스를 수용하고, 개질반응에 의해 수소를 함유하는 개질된 가스를 생성하는 개질부와, 상기 개질된 가스에 함유된 일산화탄소를 제거하여 상기 발전 가스를 생성하는 일산화탄소 제거부(105)를 포함함을 특징으로 하는 전원 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전 연료는 조성물이 수소 원자를 포함하는 기체 연료이며;
    상기 반응부(107)는, 상기 증발부에 의해 증발된 수증기와 기체 연료의 혼합 가스를 수용하고, 개질반응에 의해 수소를 함유하는 개질된 가스를 생성하는 개질부와, 상기 개질된 가스에 함유된 일산화탄소를 제거하여 상기 발전 가스를 생성하는 일산화탄소 제거부(105)를 포함함을 특징으로 하는 전원 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 증발부의 온도를 검출하는 온도 검출부를 더 포함하며,
    상기 온도 검출부에 의해 검출됨에 따라, 상기 증발부의 온도가 소정의 온도보다 낮은 경우, 상기 제어부는 상기 연료 공급부로부터 상기 화학반응부까지 상기 발전 연료의 공급을 정지시키도록 제어함을 특징으로 하는 전원 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 소정의 온도는 상기 물의 비점임을 특징으로 하는 전원 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    발전부(120)를 더 포함하며,
    상기 발전부(120)는 공급된 상기 발전 가스를 수용하여 전기화학반응으로 부하측을 구동시키는 전력을 생성함을 특징으로 전원 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 발전부의 동작이 개시될 경우, 상기 증발부가 물의 증발 동작에 적합한 조건이 된 후, 상기 제어부는, 상기 증발부의 동작을 개시시키고, 상기 물 공급부가 상기 화학반응부에 물의 공급을 개시하게 하고, 그리고 상기 연료 공급부가 상기 발전 연료를 상기 화학반응부에 공급하도록 함을 특징으로 하는 전원 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 발전부의 출력을 검출하는 출력 검출부를 더 포함하며, 그리고
    상기 제어부가 상기 발전부의 동작을 정지시키는 경우, 상기 발전부의 출력이 상기 출력 검출부에 의해 검출된 소정치 아래로 저하된 후, 상기 제어부는, 상기 연료 공급부로부터 상기 화학반응부까지 상기 발전 연료의 공급을 정지시키고, 상기 증발부의 동작을 정지시키고, 그리고 상기 물 공급부로부터 상기 화학반응부까지 상기 물의 공급을 정지시킴을 특징으로 하는 전원 시스템.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 부하측은 전자 장치(851,900)임을 특징으로 하는 전원 시스템.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 전원 시스템은 상기 부하측과 적어도 부분적으로 일체 형성됨을 특징으로 하는 전원 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    밀봉 조건하에 있어서, 상기 발전 연료를 포함하는 연료 포함부(140,160,804)를 더 포함하고,
    상기 전원 시스템은 상기 연료 포함부를 제외하고 상기 부하와 일체적으로 형성됨을 특징으로 하는 전원 시스템.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 전원 시스템은 상기 부하에 착탈가능하게 고정되는 구조를 가진 모듈(801)로서 형성됨을 특징으로 하는 전원 시스템.
  15. 발전 연료 및 물이 공급되어 수용되고, 상기 물을 증발 및 가열시키는 증발부와, 상기 증발부에 의해 생성된 수증기와 상기 발전 연료에 기초하여, 발전 가스를 생성하는 반응부와, 그리고 공급된 상기 발전 가스를 수용하여 전기화학반응으로 전력을 생성하는 발전부로 구성된 화학반응부를 포함하는 전원 시스템을 제어하는 방법으로서, 상기 발전부의 동작이 개시되는 경우, 상기 방법은:
    상기 증발부가 동작하도록 개시하는 단계;
    상기 물 공급부가 상기 화학반응부에 상기 물을 공급하도록 개시하는 단계:
    상기 증발부가 상기 물의 증발 동작에 적합한 조건이 될 때까지 대기하는 단계; 그리고,
    상기 증발부가 상기 물의 증발 동작에 적합한 조건에 이른 경우, 상기 연료 공급부가 상기 화학반응부에 상기 발전 연료를 공급하도록 개시하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 전원 시스템 제어방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 전원 시스템은 상기 증발부의 온도를 검출하는 온도 검출부를 더 포함하고; 그리고
    상기 증발부가 상기 물의 증발 동작에 적합한 조건이 될 때까지 대기하는 시퀀스는, 상기 온도 검출부에 의해 검출된 상기 증발부의 온도가 소정의 온도보다 크게 될 때까지 대기하는 시퀀스를 포함함을 특징으로 하는 전원 시스템의 제어방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 소정의 온도는 상기 물의 비점임을 특징으로 하는 전원 시스템의 제어방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 발전부의 동작이 정지하는 경우, 상기 연료 공급부로부터 상기 화학반응부까지 상기 발전 연료의 연속 공급을 정지시키는 단계;
    상기 발전부의 출력이 소정치 아래로 저하될 때까지 대기하는 단계; 및
    상기 발전부의 출력이 상기 소정치 아래로 저하되는 경우, 상기 증발부의 동작을 정지시키고, 상기 물 공급부가 상기 화학반응부에 상기 물의 공급도 정지시키도록 하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 전원 시스템의 제어방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 전원 시스템은 상기 발전부의 출력을 검출하는 출력 검출부를 더 포함하고, 그리고
    상기 발전부의 출력이 상기 소정치 아래로 저하될 때까지 대기하는 시퀀스는, 상기 출력 검출부에 의해 검출된 상기 발전부의 출력이 상기 소정치 아래로 저하될 때까지 대기하는 시퀀스를 포함함을 특징으로 하는 전원 시스템의 제어방법.
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