KR20080077822A - 이력 관리 장치 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 - Google Patents

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KR20080077822A
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Abstract

본 발명은 연료 전지 시스템에 대한 이력 관리 장치에 관한 것으로, 특히, 연료 전지의 각 구성 요소에 대한 사용시간을 측정 및 관리하여, 연료 전지 시스템의 품질을 유지할 수 있도록 하는 이력 관리 장치 및 이를 구비한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 연료 전지 시스템의 이력 관리 장치는, 연료와 산화제의 전기 화학 반응으로 전기를 생산하는 스택; 및 상기 스택으로 연료 등 유체를 공급하거나 냉각하는데 사용되는 기계적 가동 수단을 포함하는 연료 전지 시스템을 관리하는 장치로서, 상기 기계적 가동 수단 및/또는 스택을 포함하는 상기 연료 전지 시스템의 각 구성요소의 구동시간을 측정하기 위한 구동시간 측정부; 상기 각 구성요소에 대한 상기 구동시간 측정부에 따른 구동시간을 누적시켜 기록하기 위한 구동시간 누적부; 상기 각 구성요소에 대한 교환 또는 점검 주기가 기록된 교환/점검주기 기록부; 및 상기 누적되어 기록된 구동시간과 상기 교환 또는 점검 주기를 비교하여 통보하기 위한 이력판단부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
연료 전지, 이력 관리, DMFC, PEM, 부품 교체

Description

이력 관리 장치 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템{Record Management Device and Fuel Cell System Comprising it}
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 일반적인 직접 메탄올 연료 전지의 구성을 도시한 블록도.
도 2a는 도 1의 직접 메탄올 연료 전지의 구성요소에 대한 이력 관리를 수행하는 이력 관리 장치를 도시한 블록도.
도 2b는 도 2a의 스택 활성화 판단 신호를 생성하는 구조를 도시한 블록도.
도 3은 본 발명이 적용될 수 있는 일반적인 PEM 연료 전지의 구성을 도시한 블록도.
도 4a는 도 3의 직접 메탄올 연료 전지의 구성요소에 대한 이력 관리를 수행하는 이력 관리 장치를 도시한 블록도.
도 4b는 도 4a의 스택/개질부 활성화 판단 신호를 생성하는 구조를 도시한 블록도.
본 발명은 연료 전지 시스템에 대한 이력 관리 장치에 관한 것으로, 특히, 연료 전지의 각 구성 요소에 대한 사용시간을 측정 및 관리하여, 연료 전지 시스템의 품질을 유지할 수 있도록 하는 이력 관리 장치 및 이를 구비한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소의 균형잡힌 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템이다.
연료 전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산 연료전지, 용융탄산염 연료전지, 고체 산화물 연료전지, 고분자 전해질 연료전지, 알칼리 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
이들 중 고분자 전해질 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 다른 연료전지에 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. 상기 고분자 전해질 연료전지는 가스 상태(주로 수소 분자)의 연료를 사용하여 발전을 수행한다.
한편, 연료 전지에는 고분자 전해질 연료 전지와 유사하나 액상의 메탄올 연 료, 일반적으로 메탄올 수용액 상태의 연료를 직접 스택에 공급할 수 있는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)가 있다. 직접 메탄올 연료전지는 고분자 전해질형 연료전지와 달리 연료에서 수소를 얻기 위한 개질기를 사용하지 않기 때문에 소형화에 더욱 유리하다.
상술한 직접 메탄올 연료전지는 예를 들어 스택(stack), 연료 탱크 및 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 수소를 함유한 연료와 산소나 공기 등의 산화제를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시킨다. 이러한 스택은 통상 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(separator)로 이루어진 단위 연료전지가 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.
그런데, 연료 전지 시스템의 경우, 각종 부품들로 이루어져 있는데, 각 부품의 종류 및 특성이 다양하다. 즉, 펌프/밸브나 쿨링팬 같은 기계적 동작 수단이 있는가 하면, 제어부와 같은 전자수단, MEA나 개질기 같은 화학반응 수단, 리사이클러나 각 공급관/탱크 같은 단순 구조물 등 그 카테고리 자체가 다양함을 알 수 있다.
상기 다양한 부품들에 대한 수명에 대하여 살펴보면, 단순 구조물이나 전자수단은 내구성이 높아 수명이 길며, 기계적 동작 수단이나 화학반응 수단은 그 사용시간에 따라 내구성이 감소하여 수명이 다른 부품에 비하여 짧다. 한편, 화학반 응 수단은 장시간 사용으로 성능이 떨어져도 별도의 재생 과정에 의해 성능을 회복시킬 수 있다.
이와 같이 연료 전지 시스템을 구성하는 부품들의 종류가 다양하고, 그에 따른 수명이 다양한데, 각 부품들 중 가장 수명이 짧은 부품에 따라, 연료 전지 시스템 전체의 수명이 좌우된다면, 이는 자원의 낭비 요인이 되지 않을 수 없다.
낭비를 방지하기 위해, 어느 한 부품이 손상될 때까지 계속 사용하다가 손상시 해당 부품을 교체하는 경우에는, 시스템의 정상 사용 중 갑작스런 전력 생산 중단을 초래하여, 경우에 따라서는 사용자에게 매우 큰 손해를 입힐 수 있다.
본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 연료 전지 시스템을 구성하는 자원의 낭비를 방지할 수 있는 연료 전지 시스템 및 그 이력 관리 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 연료 전지 시스템의 갑작스런 사용중 정지를 방지할 수 있는 연료 전지 시스템 및 그 이력 관리 장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료 전지 시스템은, 연료와 산화제의 전기 화학 반응으로 전기를 생산하는 스택; 상기 스택으로 연료 등 유체를 공급하거나 냉각하는데 사용되는 기계적 가동 수단; 및 시스템의 전체 동작을 제어하기 위한 제어부를 구비한다.
여기서, 상기 제어부는, 상기 기계적 가동 수단 및/또는 스택을 포함하는 상기 연료 전지 시스템의 각 구성요소의 구동시간을 측정하기 위한 구동시간 측정부; 상기 각 구성요소에 대한 상기 구동시간 측정부에 따른 구동시간을 누적시켜 기록하기 위한 구동시간 누적부; 상기 각 구성요소에 대한 교환 또는 점검 주기가 기록된 교환/점검주기 기록부; 및 상기 누적되어 기록된 구동시간과 상기 교환 또는 점검 주기를 비교하여 통보하기 위한 이력판단부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료 전지 시스템의 이력 관리 장치는, 연료와 산화제의 전기 화학 반응으로 전기를 생산하는 스택; 및 상기 스택으로 연료 등 유체를 공급하거나 냉각하는데 사용되는 기계적 가동 수단을 포함하는 연료 전지 시스템을 관리하는 장치로서, 상기 기계적 가동 수단 및/또는 스택을 포함하는 상기 연료 전지 시스템의 각 구성요소의 구동시간을 측정하기 위한 구동시간 측정부; 상기 각 구성요소에 대한 상기 구동시간 측정부에 따른 구동시간을 누적시켜 기록하기 위한 구동시간 누적부; 상기 각 구성요소에 대한 교환 또는 점검 주기가 기록된 교환/점검주기 기록부; 및 상기 누적되어 기록된 구동시간과 상기 교환 또는 점검 주기를 비교하여 통보하기 위한 이력판단부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
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.
예컨대, 하기 실시예의 설명에서는 연료 전지의 발전부를 스택이라고 통칭하고 있으나 이는 단순히 용어의 사용상 편의에 따른 것이기 때문에, 하기 설명에서 스택은 적층형 셀 뿐만 아니라 단일 셀도 포함하는 개념이다.
(실시예 1)
도 1은 일반적인 구조의 직접 메탄올 연료 전지 시스템의 구성을 도시하고 있다.
직접 메탄올형 연료전지는 도시된 바와 같이 수소가스와 산소의 화학반응에 의해서 전기를 생성하는 스택(110)과, 스택(110)에 공급하고자 하는 고농도 연료가 저장되어 있는 연료 저장부(142)와, 스택(110)으로부터 배출되는 미반응 연료를 회수하는 열교환기(152)와, 열교환기(152)로부터 배출되는 미반응 연료와 연료 저장부(120)로부터 배출되는 고농도 연료를 혼합시킨 수소함유연료를 스택(110)에 공급하는 혼합 장치(145)를 구비한다. 여기서, 상기 열교환기(152)와 혼합 장치(145)는 스택의 배출물을 처리하는 배출물 처리부를 구성하며, 상기 연료 저장부(142)와, 혼합 장치(145) 및 펌프(146)는 연료 공급부를 구성한다.
스택(110)에는 고분자막과, 고분자막의 양측에 제공된 캐소드 전극 및 애노드 전극으로 이루어진 전극막 조립체(MEA; Membrane Electrode Assembly)를 포함하는 단위전지가 복수개 제공된다. 애노드 전극은 연료 공급부(140)로부터 공급되는 수소함유연료를 개질시켜 생성된 수소가스를 산화시켜 수소이온(H+)과 전자(e-)를 발생시킨다. 캐소드 전극은 외부에서 공급되는 공기 중의 산소를 산소이온과 전자로 변환시킨다. 그리고, 고분자막은 애노드 전극에서 발생된 수소이온을 캐소드 전극에 이온교환의 기능과 함께 수소함유연료의 투과를 방지하는 기능을 갖는 전도성 고분자 전해질막으로서 약 50~200㎛ 정도의 두께를 갖는다.
상기 단위전지에서 수소가스와 산소의 화학반응결과 생성되는 전기 에너지는 전력 변환장치(170)를 통해 전류/전압 등이 출력 규격에 맞게 변환되어 외부 부하로 출력된다. 구현에 따라 상기 전력 변환장치(170)의 출력은 별도로 구비되는 2차 전지를 충전시키는 구조를 가질 수 있으며, 구동 제어부(160)를 위한 전원을 공급하는 구조를 가질 수 있다.
이산화탄소(CO2)와 물(H2O)이 혼합되어 있는 미반응 연료는 배출부를 통해서 열교환기의 응축부로 이동하며, 상기 응축부에서 응축된 미반응 연료는 혼합 장치(145)로 수집된다. 미반응 연료에 함유된 이산화탄소는 혼합 장치(145)에서 외부로 유출될 수 있다. 혼합 장치(50)에 수집된 미반응 연료와 연료 저장부(120)에서 공급되는 고농도 연료는 혼합된 후에 스택(110)의 애노드 전극으로 공급된다.
구동 제어부(160)는 연료 저장부(142)를 위한 구동펌프(148)와, 혼합 연료를 스택에 공급하는 펌프(146)의 동작을 제어하기 위한 것이다. 상기 언급한 펌프들 뿐만 아니라, 캐소드에서 열교환기(152)로의 배관(123), 열교환기(152)에서 혼합 장치(145)로의 배관(124), 에노드에서 혼합 장치(145)로의 배관(122) 및 캐소드에 공기를 공급하기 위한 펌프를 더 설치할 수 있으며, 상기 구동 제어부(160)는 추가된 각 펌프의 동작을 제어할 수 있다.
상기 구동 제어부(160)는 디지털 프로세서를 포함하는 것이 바람직하며, 이 경우 상기 디지털 프로세서에는 동작을 위한 기준 클럭이 입력되는 구조를 가진다.
상기 구동 제어부(160)는 혼합 장치(145)로부터 스택(110)의 애노드 전극에 공급되는 수소함유 연료의 농도를 일정하게 유지하는 등의 작업을 수행하여 연료전지 시스템의 발전효율을 안정적으로 유지시킨다.
도 2a는 본 발명의 사상에 따라 도 1의 연료 전지 시스템에 적용되어, 각 구성요소의 이력 관리를 위한 이력 관리 장치를 도시하고 있다. 구현에 따라 도시한 이력 관리 장치는 도 1의 구동 제어부의 일부 모듈로 구현할 수도 있다.
도시한 이력 관리 장치는, 기계적 가동 수단으로서 제1/제2 펌프 및 쿨링 팬의 구동시간과 스택의 구동시간을 측정하기 위한 구동시간 측정부(220); 상기 각 구성요소에 대한 상기 구동시간 측정부에 따른 구동시간을 누적시켜 기록하기 위한 구동시간 누적부(240); 상기 각 구성요소에 대한 교환 또는 점검 주기가 기록된 교환/점검주기 기록부(260); 및 상기 누적되어 기록된 구동시간과 상기 교환 또는 점검 주기를 비교하여 통보하기 위한 이력판단부(250)로 이루어진다.
상기 구동시간 측정부(220)는 도시한 바와 같이, 도 1의 구동 제어부(160)가 각 구성요소들의 동작을 제어하기 위하여 발하는 제1 펌프에 대한 스위칭 신호, 제2 펌프에 대한 스위칭 신호, 쿨링 팬 제어 신호를 입력받아, 각 신호의 턴온 시간 을 측정하는 방식으로 제1 펌프(146), 제2 펌프(148) 및 쿨링 팬(152)에 대한 구동 시간을 측정한다.
또한, 상기 구동시간 측정부(220)는 스택 활성화 판단 신호를 입력받아 스택의 구동시간을 측정하는데, 상기 스택 활성화 판단 신호에 대해서는 후술하겠다.
상기 구동 시간 누적부(240)는 일종의 메모리로 구현할 수 있으며, 제1 펌프(146), 제2 펌프(148), 쿨링 팬(152) 및 스택(110) 각각에 대하여 상기 구동시간 측정부(220)가 측정한 구동시간의 누적값을 저장한다. 즉, 상기 구동시간 측정부(220)에서 새롭게 측정된 구동시간은 상기 구동 시간 누적부(240)의 저장값에 합산-누적된다.
상기 교환/점검주기 기록부(260)는 제1 펌프(146), 제2 펌프(148), 쿨링 팬(152) 및 스택(110) 각각에 대한 바람직한 부품 교환/또는 점검 주기를 기록한다. 펌프 및 팬 같은 기계적 부품은 교환하는 것이 바람직하므로 교환주기가 되며, 스택 같은 화학 반응 부품은 재생시켜 다시 사용할 수 있으므로 점검주기가 될 수 있다.
상기 이력 판단부(280)는 상기 구동시간 누적부(240)에 저장된 각 구성요소들의 구동시간 누적값과 상기 교환/점검주기 기록부(260)에 기록된 각 구성요소의 교환/점검 주기를 비교하여, 교환/점검 주기를 초과한 경우 사용자에게 이를 통지한다. 따라서, 사용자에게 부품 교환을 통지하기 위한 통지 수단(미도시)을 더 구비할 수 있다.
사용자의 처리에 따라 부품의 교환 또는 점검이 이루어지면, 사용자의 의도 적인 조작에 의해 또는 교환/점검 작업과 함께 상기 구동시간 누적부(240)의 해당 구성요소에 대한 구동시간 저장값은 0으로 리셋되어, 교환 또는 점검을 마친 해당 구성요소에 대한 구동시간을 다시 누적하기 시작한다.
도 2b는 상기 스택 활성화 판단 신호를 생성하는 구조의 일례를 도시하고 있다. 실제로 연료가 스택에 공급되어도 스택이 소정의 온도에 도달하여야 정상적인 동작을 수행하므로, 도시한 구조에서는 스택의 온도로부터 스택의 가동여부를 판단하는 것이다.
도시한 바와 같이 스택(110)에 스택의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(210)가 설치되고, 스택 가동 판단부(210)는 온도 센서의 센싱 온도값이 소정의 기준값을 초과하면 스택의 가동으로 판단하여 스택 활성화 판단 신호를 'on'시키고, 초과하지 않으면 스택의 정지로 판단하여 스택 가동 신호를 'off'로 유지시킨다.
스택의 가동을 판단하는 다른 방안으로는, 단순히 연료 전지의 최초 가동 시점부터 소정시간이 흐른 후 부터는 스택이 가동 중으로 간주하거나, 연료 전지 스택의 생성 전력, 전류 및/또는 전압의 크기로부터 추정하는 방법도 있다.
예컨대, 스택의 출력단에 전압 측정 장치를 구비하여 스택의 전압이 소정 기준을 넘어가면 스택의 가동으로 판단하거나, 스택의 출력단에 전류 측정 장치를 구비하여 스택에서 부하로 흐르는 전류가 소정 기준을 넘어가면 스택의 가동으로 판단할 수 있다.
(실시예 2)
도 3은 일반적인 구조의 PEM 연료 전지 시스템의 구성을 도시하고 있다.
도 3을 참조하면, 연료전지 시스템은 부탄을 주성분으로 하는 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스와 공기 중의 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시킨다. 이를 위해, 연료전지 시스템은 연료저장용기(301), 부착 장치(320), 탈황 장치(330), 개질부(340), 연료전지 스택(310) 및 순환탱크(396)를 포함한다. 여기서, 연료저장용기(301), 부착 장치(320) 및 탈황 장치(330)는 개질부(340)에 양질의 부탄을 함유한 연료를 공급한다.
보다 구체적으로 설명하면, 연료저장용기(301)는 연료전지에 이용되는 수소를 얻기 위하여 부탄을 주성분으로 하는 연료가 저장되는 용기를 포함한다. 예를 들면, 연료저장용기(301)는 부탄을 주성분으로 하는 연료가 소정 압력에 의해 액상으로 압축 저장되는 압축저장용기를 포함한다. 연료저장용기(301)는 용기 주위에 있는 기상 물질의 응축열을 빼앗아 부탄을 함유한 연료를 방출시킨다. 이러한 연료저장용기(301)로는 예를 들어 시중에 판매되고 있는 부탄캔을 사용할 수 있다. 부탄캔은 통상 얇은 주석도금강판을 붙여 만들어지고, 약 15㎏/㎠의 내부 압력을 갖는다. 상술한 경우, 연료저장용기(301)는 부탄캔과 같이 부탄을 함유한 연료의 방출을 위한 방출 밸브를 구비할 수 있다. 방출 밸브는 돌출된 밸브가 소정 압력으로 눌려졌을 때 개방되는 구조를 갖는다.
부착 장치(320)는 연료저장용기(301)를 개질 장치(200)측에 결합시키는 결합 수단을 나타낸다. 부착 장치(320)는 연료저장용기(301)와의 결합시 방출 밸브를 소정 압력으로 눌러 연료저장용기(301)에 저장된 연료가 방출되도록 한다. 따라서, 연료저장용기(301)와 부착 장치(320)에는 나사 결합 구조나 걸림턱 구조 등과 같은 결합 구조가 각각 구비된다.
탈황 장치(330)는 연료저장용기(301)에 저장된 연료에 함유된 유해물질, 예컨대, 유기 황화합물을 개질 단계 전에 제거하기 한다. 유기 황화합물은 대부분의 연료전지 스택(310)에 사용되고 있는 백금 촉매 또는 니켈 촉매의 비활성화를 야기시켜 연료전지 스택(310)의 성능을 저하시키는 유해물질이다. 탈황 장치(330)는 활성탄과 같은 흡착제를 사용하는 탈황 방식이나, ZnO계 또는 Cu/Zn계 물질 등의 금속 및 금속 산화물 촉매를 사용한 탈황 방식, 또는 350~400℃ 온도 분위기에서 일정량의 수소와 천연 가스를 유기 황화합물과 반응시켜 황화수소를 생성한 후 흡착하는 탈황 방식으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 부착 장치(320)와 연료저장용기(301)가 결합된 상태에서 연료의 방출을 차단하는 제1 밸브(312) 및 상기 탈황 장치(330)에서 상기 개질부(340)로의 연료 공급을 차단하는 제2 밸브(332)를 더 포함할 수 있다.
개질부(340)는 연료공급장치(100)에서 공급되는 연료로부터 수소가 풍성한 개질 가스를 발생시킨다. 그리고, 유해물질 제거부(350)는 발생된 개질 가스에 함유된 유해물질, 예컨대, 일산화탄소를 저감시킨다. 여기서, 유해물질 제거부(350)는 개질 가스에 함유된 일산화탄소 농도를 10ppm 미만으로 감소시키기 위하여 수성가스 전환부와 선택적 산화부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 개질부(340) 및/또는 유해물질 제거부(350)는 필요한 공기를 공기 펌프(392)나 송풍기 등을 통해 공급받을 수 있다. 또한, 개질부(340)는 시스템의 전 체적인 효율을 향상시키기 위해 연료전지 스택(310)의 애노드측에서 유출되는 연료 오프가스(off gas)를 개질부(340)의 연소연료로 이용하고, 연료전지 스택(310)의 캐소드측에서 유출된 물을 재처리하여 개질부(340)의 수증기 개질 반응 등에 이용할 수 있다. 또한, 개질부(340)에 필요한 연소연료의 일부를 탈황 장치(330)를 거치지 않고 연료저장용기(301)로부터 직접 공급받을 수 있다.
연료전지 스택(310)는 수소가 풍부한 개질 가스를 받고, 공기 펌프(미도시) 등을 통해 산소가 함유된 공기를 받고, 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시킨다. 그리고, 연료전지 스택(310)는 미반응 연료와 반응 생성물을 유출시킨다. 여기서, 연료전지 스택(310)에 산소를 공급하는 방법은 공기 중에 함유된 산소를 이용하는 방법 이외에 순수한 산소 가스를 직접 공급하는 방법이나 공기 이외에 산화제로서 기능할 수 있는 산소를 함유한 연료를 공급하는 방법이 있다.
상술한 연료전지 스택(310)로는 수소이온교환 특성을 갖는 고분자막이 설치된 고분자 전해질형 연료전지가 이용될 수 있다. 이 경우, 연료전지 스택(310)은 안정적인 운전과 운전효율의 향상을 위하여 고분자 전해질막에 적절한 수분을 공급하는 가습 장치를 구비할 수 있다.
순환탱크(396)는 연료전지 스택(310)의 캐소드측에서 유출되는 부산물, 예컨대, 물이 유입되는 장치이다. 물은 연료전지 스택(310)와 순환탱크(396) 사이에 설치된 열교환기 예컨대 응축기(382)를 통과하면서 응축된다. 순환탱크(396)는 유입된 부산물 중 액상의 유체를 저장하고, 원하지 않는 기상의 유체, 예컨대, 공기나 이산화탄소 등을 방출시킨다. 순환탱크(396)에 저장된 물은 수증기 개질 반응에 사용되도록 개질부(340)에 공급된다. 이 경우, 연료전지 시스템의 전체적인 효율 향상을 도모할 수 있다.
도 4a는 본 발명의 사상에 따라 도 3의 연료 전지 시스템에 적용되어, 각 구성요소의 이력 관리를 위한 이력 관리 장치를 도시하고 있다. 구현에 따라 도시한 이력 관리 장치는 도 3의 구동 제어부의 일부 모듈로 구현할 수도 있다.
도시한 이력 관리 장치는, 기계적 수단으로서 제1/제2 밸브, 제1/제2 펌프 및 쿨링 팬의 구동시간과 스택 및 개질부의 구동시간을 측정하기 위한 구동시간 측정부(420); 상기 각 구성요소에 대한 상기 구동시간 측정부에 따른 구동시간을 누적시켜 기록하기 위한 구동시간 누적부(440); 상기 각 구성요소에 대한 교환 또는 점검 주기가 기록된 교환/점검주기 기록부(460); 및 상기 누적되어 기록된 구동시간과 상기 교환 또는 점검 주기를 비교하여 통보하기 위한 이력판단부(450)로 이루어진다.
본 실시예의 이력 관리 장치의 경우, 연료 전지 시스템의 구조 자체가 달라서 상기 구동시간 측정부(420)로 입력되는 스위칭/제어 신호가 다른 점 외에는 상기 제1 실시예의 경우와 동일하다. 즉, 본 실시예가 적용되는 도 3의 PEM 연료 전지 시스템의 경우 기계적 수단으로서 제1/제2 밸브, 제1/제2 펌프 및 쿨링 팬을 가지며, 화학 반응 수단으로서 스택과 개질부를 가진다.
화학 반응 수단인 개질부의 구동 시간 판단에 있어서도, 스택과 마찬가지로 제어/스위칭 신호가 아닌 개질부의 온도 등으로부터 개질부의 활성화 구간을 판단하여 적용한다.
이력관리하는 구성요소가 증가한 점 외에는 상기 제1 실시예의 설명으로부터 용이하게 유추가능하므로 그 상세한 설명은 생략하겠다.
도 4b는 상기 스택 활성화 판단 신호 및 개질부 활성화 판단 신호를 생성하는 구조를 도시하고 있다. 실제로 연료가 스택에 공급되어도 스택이 소정의 온도에 도달하여야 정상적인 동작을 수행하므로, 도시한 구조에서는 스택의 온도로부터 스택의 가동여부를 판단하는 것이며, 이는 개질부의 경우도 마찬가지다.
도시한 바와 같이 스택(310) 및 개질부(340)에 스택의 온도를 측정하기 위한 온도 센서들(401, 404)이 각각 설치된다. 활성화 판단부(410)는 온도 센서의 센싱 온도값이 소정의 제1 기준값을 초과하면 스택의 가동으로 판단하여 스택 활성화 판단 신호를 'on'시키고, 초과하지 않으면 스택의 정지로 판단하여 스택 가동 신호를 'off'로 유지시킨다. 또한, 스택의 가동은 상기 제1 실시예에 기술한 다른 방법으로도 판단이 가능하다.
또한, 활성화 판단부(410)는 개질부의 센싱 온도값이 소정의 제2 기준값을 초과하면 개질부의 가동으로 판단하여 개질부 활성화 판단 신호를 'on'시키고, 초과하지 않으면 개질부의 정지로 판단하여 개질부 가동 신호를 'off'로 유지시킨다.
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.
상기 구조에 따른 본 발명의 연료 전지 시스템을 실시함에 의해, 연료 전지 시스템을 구성하는 자원의 낭비를 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 연료 전지 시스템의 갑작스런 사용중 정지를 방지할 수 있는 효과도 있다.

Claims (9)

  1. 연료와 산화제의 전기 화학 반응으로 전기를 생산하는 스택; 및
    상기 스택으로 연료 등 유체를 공급하거나 냉각하는데 사용되는 기계적 가동 수단을 포함하는 연료 전지 시스템의 관리 장치에 있어서,
    상기 기계적 가동 수단 및/또는 스택을 포함하는 상기 연료 전지 시스템의 각 구성요소의 구동시간을 측정하기 위한 구동시간 측정부;
    상기 각 구성요소에 대한 상기 구동시간 측정부에 따른 구동시간을 누적시켜 기록하기 위한 구동시간 누적부;
    상기 각 구성요소에 대한 교환 또는 점검 주기가 기록된 교환/점검주기 기록부; 및
    상기 누적되어 기록된 구동시간과 상기 교환 또는 점검 주기를 비교하여 통보하기 위한 이력판단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이력 관리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 구동시간 측정부는,
    연료 전지 시스템의 구동 중 점검시점을 알려주기 위한 타이머;
    각 점검시점에 각 구성요소의 구동 여부를 판단하기 위한 구동판단부; 및
    각 점검시점에 각 구성요소가 구동하는 경우 구동시간으로 기록하기 위한 구동시간 카운터
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이력 관리 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 구동시간 측정부는,
    스택의 온도 또는 전압 또는 전류를 측정하여 스택의 구동 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 이력 관리 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 기계적 가동 수단은,
    펌프, 밸브 및 팬 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 이력 관리 장치.
  5. 연료와 산화제의 전기 화학 반응으로 전기를 생산하는 스택; 및
    상기 스택으로 연료 등 유체를 공급하거나 냉각하는데 사용되는 기계적 가동 수단; 및
    시스템의 전체 동작을 제어하기 위한 제어부를 구비하며,
    상기 제어부는,
    상기 기계적 가동 수단 및/또는 스택을 포함하는 상기 연료 전지 시스템의 각 구성요소의 구동시간을 측정하기 위한 구동시간 측정부;
    상기 각 구성요소에 대한 상기 구동시간 측정부에 따른 구동시간을 누적시켜 기록하기 위한 구동시간 누적부;
    상기 각 구성요소에 대한 교환 또는 점검 주기가 기록된 교환/점검주기 기록부; 및
    상기 누적되어 기록된 구동시간과 상기 교환 또는 점검 주기를 비교하여 통보하기 위한 이력판단부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    탄화수소 연료를 수소 가스로 개질시키기 위한 개질기를 더 포함하며,
    상기 구동시간 측정부는,
    상기 개질기의 온도를 측정하여 구동 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 구동시간 측정부는,
    연료 전지 시스템의 구동 중 점검시점을 알려주기 위한 타이머;
    각 점검시점에 각 구성요소의 구동 여부를 판단하기 위한 구동판단부; 및
    각 점검시점에 각 구성요소가 구동하는 경우 구동시간으로 기록하기 위한 구동시간 카운터
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  8. 제5항에 있어서, 상기 구동시간 측정부는,
    스택의 온도 또는 전압 또는 전류를 측정하여 스택의 구동 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  9. 제5항에 있어서, 상기 기계적 가동 수단은,
    펌프, 밸브 및 팬 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US8889310B2 (en) 2010-06-29 2014-11-18 Samsung Sdi Co., Ltd. Fuel cell system and driving method for the same

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