KR20090058350A - Fuel cell system with refill alarm - Google Patents

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Abstract

A direct methanol fuel cell system is provided to facilitate the carrying of a fuel cell, and to effectively reduce size and costs because a concentration sensor is not needed. A direct methanol fuel cell system comprises a plurality of fuel cell body(1); a cycling fuel container(2); at least one control device(3) for watching working voltage of the fuel system; a circulating pump; a fan; a fuel injecting device(7); and an alarm(6) which is combined in a control device in order to be operated when sensing the predetermined voltage lower than that of the threshold voltage. The control device includes a control circuit board, an integrated circuit chip and an electrical device.

Description

재충전 경보기를 구비한 연료 전지 시스템{Fuel cell system with refill alarm}Fuel cell system with refill alarm

본 발명은 직접 메탄올 연료 전지(direct methanol fuel cell; DMFC) 시스템에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 재충전 경보기를 구비한 직접 메탄올 연료 전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a direct methanol fuel cell (DMFC) system, and more particularly to a direct methanol fuel cell system having a recharge alarm.

직접 메탄올 연료 전지는 운반이 불편하고, 또한 누설 방지도 어려운 문제이다. 이 문제점들을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 주입 유입구가 특수하게 설계되며, 따라서 농도 감지 장치가 더 이상 필요하지 않게 되고, 메탄올 용액의 순환 연료 용기(cycling fuel container)만이 사용된다; 그러므로 직접 메탄올 연료 전지 시스템의 크기와 비용이 효과적으로 저감된다.Direct methanol fuel cells are inconvenient to transport and difficult to prevent leakage. In order to solve these problems, the injection inlet is specially designed in the present invention, so that a concentration sensing device is no longer needed, and only a circulating fuel container of methanol solution is used; Therefore, the size and cost of the direct methanol fuel cell system are effectively reduced.

직접 메탄올 연료 전지가 정상적인 성능을 보이기 위해서는 일정 농도의 연료가 필요하다는 것은 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 것이다. 연료 전지가 연속적으로 작동될 때에는 순환 연료 용기 내의 연료 농도가 시간의 경과에 따라 감소하게 되고, 종국적으로는 연료 전지의 작동이 멈출 것이다. 그러므로, 연료 전지의 성능을 유지하기 위해서는 연료의 충분한 보충이 필요하다.It is known to those skilled in the art that a direct methanol fuel cell requires a certain concentration of fuel to show normal performance. When the fuel cells are operated continuously, the fuel concentration in the circulating fuel container will decrease over time and eventually the fuel cell will stop working. Therefore, sufficient replenishment of fuel is necessary to maintain the performance of the fuel cell.

그러나, 그 용기에 추가되는 연료의 체적 및 농도는 메탄올 용액의 농도에 의하여 결정된다. 그러므로, 종래의 직접 메탄올 연료 전지에서는, 추가되어야 하는 연료의 양과 농도를 결정하기 위하여, 일 세트의 농도 감지기들이 메탄올 용액의 농도를 감지하는데에 이용된다.However, the volume and concentration of fuel added to the vessel is determined by the concentration of the methanol solution. Therefore, in a conventional direct methanol fuel cell, a set of concentration sensors are used to detect the concentration of methanol solution to determine the amount and concentration of fuel to be added.

직접 메탄올 연료 전지는 메탄올만을 소비하는 것이 아니라 물도 소비한다. 직접 메탄올 연료 전지가 작동 중인 때에는, 물 또한 용기 내로 추가될 필요가 있는 것이다. 그러므로, 종래의 직접 메탄올 연료 전지 시스템은 물 용기, 메탄올 용기, 및 메탄올 용액 순환 용기를 포함하여야 한다. 이것은 직접 메탄올 연료 전지 시스템의 크기를 증가시켜서, 다양한 응용분야에서의 그것의 이용이 덜 유연하게 되고, 누설 방지 또한 어려운 문제이다.Direct methanol fuel cells consume not only methanol but also water. When a direct methanol fuel cell is in operation, water also needs to be added into the vessel. Therefore, a conventional direct methanol fuel cell system must include a water vessel, a methanol vessel, and a methanol solution circulation vessel. This increases the size of the direct methanol fuel cell system, making its use less flexible in various applications, and also preventing leakage.

본 발명은 상기 문제점들을 해결하여, 운반이 용이하고, 농도 감지 장치가 더 이상 필요하지 않게 되고, 크기와 비용이 효과적으로 저감되는 직접 메탄올 연료 전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a direct methanol fuel cell system which solves the above problems, which is easy to transport, the concentration sensing device is no longer needed, and the size and cost are effectively reduced.

본 발명에 따르면, 직접 메탄올 연료 전지 시스템은, 복수의 연료 전지 몸체들, 순환 연료 용기, 연료 전지 시스템의 동작 전압을 감시하기 위한 제어 장치, 순환 펌프, 팬, 연료 주입 장치, 및 동작 전압이 미리 정해진 문턱 전압(threshold voltage) 보다 낮다는 것을 제어 장치가 감지할 때에 작동하도록 제어 장치에 결합된 경보기를 포함한다.According to the present invention, a direct methanol fuel cell system includes a plurality of fuel cell bodies, a circulating fuel container, a control device for monitoring an operating voltage of the fuel cell system, a circulation pump, a fan, a fuel injection device, and an operating voltage in advance. And an alarm coupled to the control device to actuate when the control device senses that it is lower than a predetermined threshold voltage.

본 발명에 따르면, 연료 전지 충전기 시스템은, 연료 전지 세트, 순환 연료 용기, 및 제어 회로 보드를 포함한다. 그 제어 회로 보드는, 직류-직류 변환기들의 일 세트, 복수의 집적회로 칩들, 및 복수의 전기 장치들을 포함하고, 연료 전지 세트에 의하여 공급되는 전압을 부하 전압으로 스위칭(switching)할 수 있으며, 또한 연료 전지 충전기 시스템의 작동을 제어할 수 있으며 연료 전지 충전기 시스템을 상이한 작동 모드들 간으로 자동적으로 스위칭함에 의하여 최적화시킬 수 있다. 연료 전지 충전기 시스템은, 연료 전지 세트로 연료를 공급하기 위한 순환 펌프, 연료 전지 세트에 산소를 공급하고 연료 전지 충전기 시스템의 온도를 조정하기 위한 팬, 및 제어 회로 보드에 결합된 복수의 보조 배터리들을 더 포함한다.According to the present invention, a fuel cell charger system includes a fuel cell set, a circulating fuel container, and a control circuit board. The control circuit board includes a set of DC-DC converters, a plurality of integrated circuit chips, and a plurality of electrical devices, and can switch the voltage supplied by the fuel cell set to the load voltage, and also The operation of the fuel cell charger system can be controlled and optimized by automatically switching the fuel cell charger system between different operating modes. The fuel cell charger system includes a circulation pump for supplying fuel to the fuel cell set, a fan for supplying oxygen to the fuel cell set and adjusting the temperature of the fuel cell charger system, and a plurality of auxiliary batteries coupled to the control circuit board. It includes more.

본 발명의 이러한 목적들과 다른 목적들은, 다양한 도면들로 예시된 바람직한 실시예에 관한 하기의 상세한 설명으로부터, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하게 이해될 것이다.These and other objects of the present invention will become apparent to those skilled in the art from the following detailed description of the preferred embodiment illustrated in the various figures.

본 발명에 의하여, 운반이 용이하고, 농도 감지 장치가 필요하지 않으며, 크기와 비용이 효과적으로 저감되는 직접 메탄올 연료 전지 시스템이 제공된다.The present invention provides a direct methanol fuel cell system that is easy to transport, does not require a concentration sensing device, and is effectively reduced in size and cost.

도 1 을 참조한다. 도 1 은 본 발명에 따른 직접 메탄올 연료 전지 시스템의 일 실시예를 개략적으로 도시한다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 직접 메탄올 연료 전지 시스템은 복수의 연료 전지 몸체(1)들, 벤트 장치(vent device; 26)를 구비한 순환 연료 용기(2), 적어도 하나의 제어 장치(3), 순환 펌프(4), 팬(5), 연료 주입 장치(7), 및 제어 장치(3)에 결합된 경보기(6)를 포함한다. 경보기(6)는 빛 신호기, 음향 신호기, 또는 디스플레이 패널(display panel)일 수 있다. 위에서 언급된 제어 장치는 적어도 제어 회로 보드(control circuit board), 집적회로 칩(IC chip), 또는 전기 장치(electrical device)를 포함한다.See FIG. 1. 1 schematically illustrates one embodiment of a direct methanol fuel cell system according to the present invention. As shown in FIG. 1, the direct methanol fuel cell system according to the present invention comprises a plurality of fuel cell bodies 1, a circulating fuel container 2 with a vent device 26, at least one control. A device 3, a circulation pump 4, a fan 5, a fuel injection device 7, and an alarm 6 coupled to the control device 3. The alarm 6 may be a light signal, an acoustic signal, or a display panel. The control device mentioned above comprises at least a control circuit board, an IC chip, or an electrical device.

도 1 에 도시된 바와 같이, 순환 연료 용기(2)의 몸체는, 연료 주입 장치(7)의 연료 주입 헤드(72)의 형상과 맞도록 형상화되고 또한 순환 연료 용기(2)의 측벽 상에 또는 순환 연료 용기(2)의 상측 표면 상에 배치될 수 있는 비복귀식(non-return) 주입 유입구(22)를 포함한다. 또한, 벤트 장치(26)는 반응에 의하여 생성된 가스를 배출시킬 수 있다. 벤트 장치(26)는 가스 투과성 멤브레인이거나, 또는 공기만이 순환 연료 용기(2)를 투과하여 출입할 수 있도록 허용하는 다른 장치일 수 있다. 순환 펌프(4)의 유출구(outlet; 42)는 연료 전지 몸체(1)의 연료 유입구(12)에 연결되고, 연료 전지 몸체(1)의 배출구(14)는 연료 공급 채널(fuel supply channel; 24)에 의하여 순환 연료 용기(2)에 연결된다.As shown in FIG. 1, the body of the circulating fuel container 2 is shaped to fit the shape of the fuel injection head 72 of the fuel injection device 7 and also on the sidewall of the circulating fuel container 2 or A non-return injection inlet 22, which may be disposed on the upper surface of the circulating fuel vessel 2. In addition, the vent device 26 may discharge the gas generated by the reaction. The vent device 26 may be a gas permeable membrane or another device that allows only air to enter and exit the circulating fuel vessel 2. The outlet 42 of the circulation pump 4 is connected to the fuel inlet 12 of the fuel cell body 1, and the outlet 14 of the fuel cell body 1 has a fuel supply channel 24. Is connected to the circulating fuel container 2.

연료 전지가 작동할 때에는 순환 연료 용기 내의 농도가 연속적으로 감소하여 출력 전압도 감소할 것이기 때문에, 직접 메탄올 연료 전지 시스템은 농도 감지기가 없도록 설계된다. 더우기, 고정된 부하 전류(loading current) 하에서는, 출력 전압이 출력 전력과 함께 감소한다. 그러므로, 본 발명에서는 제어 장치(4)가 연료 농도와 출력 전압 간의 관계에 따라서 설계된다. 그 전압이 미리 정해진 낮은 값보다 낮은 때에는, 경보기가 작동되어 작업자 또는 사용자에게 순환 연료 용기를 재충전하라고 알린다. 연료 주입 장치가 특정 농도의 연료를 어느 정도의 양 만큼 주입한 후에는, 직접 메탄올 연료 전지 시스템이 다시 정상적으로 작동할 수 있게 된다.The direct methanol fuel cell system is designed without a concentration sensor, because when the fuel cell is operating, the concentration in the circulating fuel container will continuously decrease and the output voltage will also decrease. Moreover, under a fixed loading current, the output voltage decreases with the output power. Therefore, in the present invention, the control device 4 is designed in accordance with the relationship between the fuel concentration and the output voltage. When the voltage is lower than a predetermined low value, an alarm is activated to inform the operator or user to refill the circulating fuel container. After the fuel injection device injects a certain amount of fuel in a certain amount, the direct methanol fuel cell system can resume normal operation.

도 4 는 상이한 시작 농도들에 대하여, 직접 메탄올 연료 전지 시스템의 작동 전압 대 시간(operation voltage vs. time)의 그래프이다. 10%, 15%, 20%, 25%, 및 30% 와 같은, 몇 가지의 체적 백분율의 실험적 곡선이 도 4 에 도시되어 있다. 도 4 에 도시된 바와 같이, 상이한 시작 농도들에 대하여, 직접 메탄올 연료 전지 시스템의 전압은 최고 동작 전압(working voltage)(16V)으로부터 0.7V와 0.9V 사이의 전압으로 감소하는데, 그 후에는 전압이 급격히 감소한다. 본 발명에서는, 직접 메탄올 연료 전지 시스템을 제어하고 그것을 연속적으로 작동시키기 위 하여, 제어 장치(3)에서의 미리 정해진 낮은 값을 0.8V로 설정하는 것이 바람직하다.4 is a graph of the operating voltage vs. time of a direct methanol fuel cell system, for different starting concentrations. Several experimental volumetric curves are shown in FIG. 4, such as 10%, 15%, 20%, 25%, and 30%. As shown in FIG. 4, for different starting concentrations, the voltage of the direct methanol fuel cell system decreases from the highest working voltage (16V) to a voltage between 0.7V and 0.9V, after which the voltage This sharply decreases. In the present invention, in order to directly control the methanol fuel cell system and to operate it continuously, it is preferable to set a predetermined low value at the control device 3 to 0.8V.

도 2 및 도 3 에는, 연료 주입 장치(7)에 의하여 재충전되는 직접 메탄올 연료 전지 시스템의 일 실시에의 개략적인 도면이 도시되어 있다. 연료 주입 장치(7)는 폐기용 또는 비-폐기용(non-disposable)의 연료 주입 병일 수 있는데, 그 병은 순환 연료 용기(2)에 있는 비복귀식 주입 유입구(22)와 형상이 일치하는 연료 주입 헤드(72)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 그 비복귀식 주입 유입구(22)는, 고-탄력성의 유연한 플라스틱 기질 또는 실리카겔 복합 소재로 만들어질 수 있고, 특히 용제 및 화학 침식에 대해 저항성을 갖는다.2 and 3 show a schematic view of one embodiment of a direct methanol fuel cell system recharged by a fuel injection device 7. The fuel injection device 7 may be a disposable or non-disposable fuel injection bottle, the shape of which matches the non-returnable injection inlet 22 in the circulating fuel container 2. A fuel injection head 72. According to one embodiment of the invention, the non-return injection inlet 22 can be made of a high-elastic flexible plastic substrate or silica gel composite material, in particular resistant to solvents and chemical erosion.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료 주입 전에 비복귀식 주입 유입구(22) 상의 뚜껑(lid)이 개방되고, 연료 주입 헤드(72)가 비복귀식 주입 유입구(22) 내로 넣어지며, 연료가 재충전되고, 연료 주입이 끝난 후에는, 연료 누설을 방지하기 위하여 연료 주입 헤드가 외부로 당겨짐에 따라서 비복귀식 주입 유입구(22)가 밀봉되며, 뚜껑이 닫혀서 이중-밀봉을 이룸으로써 연료 누설이 더 방지된다.According to one embodiment of the invention, the lid on the non-return injection inlet 22 is opened before the fuel injection, the fuel injection head 72 is put into the non-return injection inlet 22, and the fuel is After refilling and fuel injection is finished, the non-return injection inlet 22 is sealed as the fuel injection head is pulled out to prevent fuel leakage, and the lid is closed to achieve double-sealing for further fuel leakage. Is prevented.

비복귀식 주입 장치는 특히 휴대용 전자 장치를 위해 설계될 수 있다. 그것은 연료 저장의 문제를 해결하고, 또한 전자 장치의 운반을 더 용이하게 한다. 비복귀식 주입 장치는 고-탄성의 유연한 플라스틱 기질 또는 실리카 겔 복합 소재로 만들어짐으로써, 화학 침식에 대한 저항성과 우수한 기계적 품질을 가지며, 상이한 형상을 형성하도록 설계될 수 있다.Non-returnable injection devices can be designed especially for portable electronic devices. It solves the problem of fuel storage and also makes the transportation of electronic devices easier. Non-returnable injection devices are made of high-elastic, flexible plastic substrates or silica gel composites, which are resistant to chemical erosion and have good mechanical quality and can be designed to form different shapes.

본 발명에서의 비복귀식 주입 장치는 적어도 다음과 같은 장점들을 포함한 다.The non-returnable injection device in the present invention includes at least the following advantages.

(1) 비복귀식 주입 장치는 일방향 시스템인데, 이것은 용기 내의 연료가 대기압, 공기 중의 습기, 및 다른 환경적인 요소에 의하여 상하는 것을 방지한다.(1) The non-return injection device is a one-way system, which prevents fuel in the container from being damaged by atmospheric pressure, moisture in the air, and other environmental factors.

(2) 비복귀식 주입 장치는 그 기계적인 구조가 연료를 연료 용기 내에 안전하게 유지할 수 있고 또한 연료 및 메탄올의 누설을 방지하도록 특수하게 설계된다.(2) The non-return injection device is specially designed so that its mechanical structure can keep the fuel safely in the fuel container and also prevent the leakage of fuel and methanol.

(3) 시중에 있는 연료 용기들은 장비에 고정되어 있고, 휴대용이 아니며, 또한 폐기용 연료 주입 장치에 의하여 재충전될 수 없다. 본 발명의 비복귀식 주입 장치는 폐기용 또는 비-폐기뇽 주입 병에 적합할 뿐만 아니라, 사용자의 요구에 따라서 병으로 연료를 바꿀 수도 있다.(3) Commercial fuel containers are fixed to the equipment, are not portable and cannot be refilled by the disposal fuel injection device. The non-returnable infusion device of the present invention is not only suitable for discarding or non-waste-gull infusion bottles, but can also convert fuel into bottles according to the needs of the user.

연료 전지가 작동함에 따라서, 캐소드(cathode)에는 물이 생성되고, 응축된 물이 산소와 캐소드 간의 반응 표면을 막아서 연료 전지의 효율을 저하시킬 것이다.As the fuel cell operates, water is produced in the cathode, and condensed water will block the reaction surface between oxygen and the cathode, thereby reducing the efficiency of the fuel cell.

도 7 에 도시된 바와 같이, 종래의 직접 메탄올 연료 전지 시스템에 있어서는, 연료 전지의 후방에 팬(fan)이배치되어 반응을 위한 충분한 공기를 제공하고 캐소드 반응에 의하여 생성된 물을 쫓아낸다. 캐소드에서 생성된 물이 재순환되어 연료 전지 세트를 위한 고농도의 메탄올을 희석시킬 수 있다면, 직접 메탄올 연료 전지 시스템의 크기가 작아질 수 있다.As shown in FIG. 7, in a conventional direct methanol fuel cell system, a fan is placed at the rear of the fuel cell to provide sufficient air for the reaction and to drive out the water generated by the cathode reaction. If the water produced at the cathode can be recycled to dilute the high concentration of methanol for the fuel cell set, the size of the direct methanol fuel cell system can be made smaller.

다른 종래 기술로서는, 도 8 에 도시된 바와 같이, 물을 응축시키기 위하여 열 교환기 또는 응축기를 사용하는 것이 있다. 그러나, 그 열 교환기 또는 응축기 는 시스템의 크기를 증가시킬 것이다. 그래서, 본 발명에서는 그 연료 전지 시스템이 열 교환기 또는 응축기가 없도록 설계된다.Another conventional technique is to use a heat exchanger or a condenser to condense the water, as shown in FIG. However, the heat exchanger or condenser will increase the size of the system. Thus, in the present invention, the fuel cell system is designed so that there is no heat exchanger or condenser.

연료 전지가 작동할 때에는, 반응 중에 열이 발생되고, 캐소드에서 생성된 물은 어느 정도의 열을 포함한다. 연료 전지 케이스는 그 물의 열을 이용하도록 설계된다. 도 9 에 도시된 바와 같이, 연료 전지 세트의 후방에 팬(5)이 배치되어 반응을 위한 충분한 공기를 제공하고 캐소드 반응에 의하여 생성된 물을 쫓아낸다. 응축 간극(80)은 팬(5)의 주위에 배치되고, 응축 간극(80)은 외부 공기가 투과하는 것을 허용하는 가스 투과성 멤브레인(82)에 의하여 덮인다. 물이 팬(5)에 의하여 쫓아지면, 그 물은 응축 간극(80) 내에서 응축된다. 따라서 물은 순환 연료 용기(84)로 재순환되어 연료 전지 세트를 위한 고농도의 메탄올을 희석시킬 수 있다. 그러므로, 그 시스템을 위하여는 고농도의 연료 용기만이 필요하고, 이것은 그 용기의 크기를 현저하게 축소시킨다. When the fuel cell is operating, heat is generated during the reaction, and the water produced at the cathode contains some heat. The fuel cell case is designed to utilize the heat of the water. As shown in FIG. 9, a fan 5 is arranged at the rear of the fuel cell set to provide sufficient air for the reaction and to drive out the water produced by the cathode reaction. The condensation gap 80 is arranged around the fan 5, and the condensation gap 80 is covered by a gas permeable membrane 82 that allows outside air to permeate. When water is driven by the fan 5, the water condenses in the condensation gap 80. Thus, water may be recycled to the circulating fuel vessel 84 to dilute the high concentration of methanol for the fuel cell set. Therefore, only a high concentration of fuel container is required for the system, which significantly reduces the size of the container.

도 5 및 도 6 을 참조한다. 본 발명은 짧은 시간 동안애 높은 전압을 공급하는 연료 전지 시스템을 제공한다. 도 5 에는 짧은 시간에 출력 전압을 증가시킬 수 있는 연료 전지 시스템이 도시되어 있다. 특히 연료 전지의 전력 출력이 연료 전지에 의하여 제공되는 전력에 의지하는 기능들을 지원하기에 불충분한 때에, 이 장비가 그 문제를 효과적을 해결할 수 있다. 도 6 에는 도 5 의 연료 전지 시스템의 전력을 출력시키기 위한 등가 회로도가 도시되어 있다. See FIGS. 5 and 6. The present invention provides a fuel cell system that supplies a high voltage for a short time. 5 shows a fuel cell system capable of increasing the output voltage in a short time. Especially when the power output of the fuel cell is insufficient to support the functions relying on the power provided by the fuel cell, this equipment can effectively solve the problem. FIG. 6 shows an equivalent circuit diagram for outputting power of the fuel cell system of FIG. 5.

도 5 에 도시된 바와 같이, 연료 전지 충전기 시스템(100)은 복수의 연료 전지 몸체(1)들, 복수의 보조 배터리(102)들, 연료 주입 장치를 구비한 순환 연료 용 기(2), 적어도 하나의 제어 회로 보드(3), 및 다른 주변 구성부품들(예를 들어, 팬과 순환 펌프)을 포함한다. 그 순환 펌프는 연료 전지 세트에 연료를 공급하기 위하여 이용된다. 팬은 연료 전지 세트에 산소를 공급하기 위하여, 그리고 연료 전지 충전기 시스템의 온도를 조정하기 위하여 이용된다.As shown in FIG. 5, the fuel cell charger system 100 includes a plurality of fuel cell bodies 1, a plurality of auxiliary batteries 102, a circulating fuel container 2 with a fuel injection device, at least One control circuit board 3 and other peripheral components (e.g., fan and circulation pump). The circulation pump is used to fuel the fuel cell set. The fan is used to oxygenate the fuel cell set, and to adjust the temperature of the fuel cell charger system.

보조 배터리(102)들은, 리튬이온 배터리, 니켈-아연 배터리, 및 폴리머 배터리와 같은 임의의 재충전가능한 배터리일 수 있다. 제어 회로 보드(3)는 적어도 일 세트의 직류-직류 변환기, 복수의 집적회로, 및 복수의 전기 장치를 포함하는데, 그것은 연료 전지 세트에 의하여 공급되는 전압을 부하 전압(loading voltage)으로 스위칭(switching)할 수 있고, 연료 전지 충전기 시스템의 작동을 제어하고 연료 전지 충전기 시스템을 상이한 작동 모드들 간으로 자동적으로 스위칭함에 의하여 최적화시킬 수 있다.The auxiliary batteries 102 can be any rechargeable battery, such as a lithium ion battery, nickel-zinc battery, and a polymer battery. The control circuit board 3 comprises at least one set of DC-DC converters, a plurality of integrated circuits, and a plurality of electrical devices, which switch the voltage supplied by the fuel cell set to a loading voltage. And by controlling the operation of the fuel cell charger system and automatically switching the fuel cell charger system between different modes of operation.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료 전지 충전기 시스템이 낮은 부하 상태에 있을 때에는 연료 전지 세트(1)만이 전기를 공급한다. 그 부하가 연료 전지 세트(1)가 공급할 수 있는 최대 전력을 초과할 때에는, 연료 전지 충전기 시스템이 제어 회로 보드(3)를 통하여 자동적으로 작동 모드를 바꾸고, 보조 배터리(102)들이 가동되어(turn on) 연료 전지 충전기 시스템과의 병렬연결을 이룬다. 보조 배터리(102)에 의하여 공급되는 출력 전압은, 상이한 전압들 간의 병렬 연결에 기인하는 전기 낭비를 방지하기 위하여, 직류-직류 변환기에 의하여 연료 전지가 공급하는 전압과 동일한 전압으로 조정된다.According to one embodiment of the invention, only the fuel cell set 1 supplies electricity when the fuel cell charger system is in a low load state. When the load exceeds the maximum power that the fuel cell set 1 can supply, the fuel cell charger system automatically changes the operating mode via the control circuit board 3 and the auxiliary batteries 102 are turned on. on) A parallel connection with the fuel cell charger system is achieved. The output voltage supplied by the auxiliary battery 102 is adjusted to the same voltage as that supplied by the fuel cell by the DC-DC converter in order to prevent waste of electricity due to parallel connection between different voltages.

보조 배터리(102)들이 미리 정해진 수준으로 고갈되면, 그 시스템은 사용자 에게 불충분한 시스템 전력 공급을 야기하는 높은 부하로 작동시키지 말라고 경고할 것이다. 연료 전지 세트는, 연료 전지 충전기 시스템을 끄기(turning off) 전에 보조 배터리가 일정 수준의 전기로 충전될 때까지 제어 회로 보드의 집적 회로(미도시)를 통하여 보조 배터리(102)를 충전시킬 것이다. 연료 전지 충전기 시스템이 낮은 부하 이하에서 작동할 때에는, 그 연료 전지 충전기 시스템이 보조 배터리의 수준을 감지할 것이다. 보조 배터리가 완전히 충전되어 있지 않다면, 연료 전지 세트가 보조 배터리를 충전시켜서, 보조 배터리는 충분한 전력을 구비하도록 준비된다.If the auxiliary batteries 102 are exhausted to a predetermined level, the system will warn the user not to operate at high loads causing insufficient system power supply. The fuel cell set will charge the auxiliary battery 102 through an integrated circuit (not shown) of the control circuit board until the auxiliary battery is charged with some level of electricity before turning off the fuel cell charger system. When the fuel cell charger system operates under a low load, the fuel cell charger system will sense the level of the auxiliary battery. If the auxiliary battery is not fully charged, the fuel cell set charges the auxiliary battery so that the auxiliary battery is prepared to have sufficient power.

보조 배터리(102)들은 짧은 시간에 높은 전력을 공급할 수 있는데, 이것은 그들이 노트북과 같은 어떤 고전력 소비 전기 장치를 재충전시킬 수 있게 한다. 본 발명에서는, 수 개의 보조 배터리들과 조합된 연료 전지들의 사용이 높은 출력 전압을 공급할 수 있게 한다. 그러므로, 연료 전지 세트의 크기가 작아질 수 있다.Auxiliary batteries 102 can provide high power in a short time, which allows them to recharge any high power consuming electrical device such as a notebook. In the present invention, the use of fuel cells in combination with several auxiliary batteries makes it possible to supply a high output voltage. Therefore, the size of the fuel cell set can be reduced.

연료 전지 세트가 어떤 시간 기간 동안 작동한 후에는, 그 연료 전지 세트의 성능이 다음과 같은 이유로 인하여 저하될 것이다:After a fuel cell set has been in operation for a certain period of time, the performance of that fuel cell set will degrade for the following reasons:

(1) 이산화탄소가 촉매의 반응을 막음, 및(1) carbon dioxide prevents the reaction of the catalyst, and

(2) 메탄올이 캐소드에 침투함(2) methanol penetrates the cathode

그 연료 전지 세트의 성능을 회복시키기 위하여 성능 회복 절차가 이용될 수 있는데, 그 절차는 다음 방법들 중의 적어도 한 가지를 포함한다:A performance recovery procedure can be used to restore the performance of the fuel cell set, which includes at least one of the following methods:

1) 이산화탄소를 효율적으로 쫓아내기 위해 펌프를 중단시켜 반응속도를 저 하시킴으로써 메탄올 용액의 공급을 잠시 멈추는 것1) stopping the supply of methanol solution by stopping the pump to reduce the reaction rate in order to efficiently drive out carbon dioxide

2) 이산화탄소를 효율적으로 쫓아내기 위해 팬을 중단시킴으로써 공기와 캐소드 간의 반응을 저하시키는 것2) to reduce the reaction between air and cathode by stopping the fan to efficiently expel carbon dioxide

3) 이산화탄소가 쫓아내진 후에 촉매를 소생시키기 위하여, 주변장치(balance of plant; BOP)를 가동시키고 부하를 증가시키는 것3) operating a balance of plant (BOP) and increasing the load to regenerate the catalyst after carbon dioxide has been driven out

위에서 언급된 절차들은 마이크로컨트롤러(microcontroller)에 의하여 제어된다. 연료 전지 세트가 어느 정도의 시간 기간 동안 작동한 후에, 그 시스템은 자동적으로 성능 회복 절차를 작동시켜서 연료 전지 세트의 성능을 유지시킨다.The above mentioned procedures are controlled by a microcontroller. After the fuel cell set has been operating for some period of time, the system automatically activates a performance recovery procedure to maintain the performance of the fuel cell set.

본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 본 발명의 개시사항을 보유하는 다양한 변형된 장치와 방법이 만들어질 수 있다는 것을 용이하게 알 수 있을 것이다. 상기 개시사항들은 첨부된 청구항들의 범위에 의하여만 한정되는 것으로 고려되어야 할 것이다.Those skilled in the art will readily appreciate that various modifications may be made to the apparatus and methods having the teachings herein. It is to be considered that the above disclosures are limited only by the scope of the appended claims.

도 1 은 본 발명에 따른 직접 메탄올 연료 전지 시스템의 일 실시예의 개략적인 도면이다.1 is a schematic diagram of one embodiment of a direct methanol fuel cell system according to the present invention.

도 2 및 도 3 은 연료 주입 장치로 직접 메탄올 연료 전지 시스템을 재충전시키는 일 실시예의 개략적 도면이다.2 and 3 are schematic diagrams of one embodiment of recharging a methanol fuel cell system directly with a fuel injection device.

도 4 는 상이한 시작 농도 하에서 직접 메탄올 연료 전지 시스템의 작동 전압 대 시간의 그래프를 도시하는 도면이다.4 shows a graph of operating voltage versus time of a direct methanol fuel cell system under different starting concentrations.

도 5 는 짧은 시간 내에 출력 전압을 증가시킬 수 있는 연료 전지 시스템의 도면이다.5 is a diagram of a fuel cell system capable of increasing the output voltage within a short time.

도 6 은 도 5 의 연료 전지 시스템에서 전력을 출력하는 동등한 회로도이다.6 is an equivalent circuit diagram for outputting power in the fuel cell system of FIG. 5.

도 7 은 종래 기술에 따른 연료 전지 세트의 후방에 배치된 팬(fan)의 도면이다.7 is a view of a fan disposed behind the fuel cell set according to the prior art.

도 8 은 종래 기술에 있어서 응축기(condenser)로 물을 재순환시키는 연료 전지 시스템의 개략적 도면이다.8 is a schematic diagram of a fuel cell system for recycling water to a condenser in the prior art.

도 9 는 본 발명에 있어서 물을 재순환시키기 위하여 가스 투과성 멤브레인(gas permeable membrane)에 의하여 덮인 응축 간극(condensation gap)을 이용하는 것을 도시하는 개략적인 도면이다.FIG. 9 is a schematic diagram illustrating the use of a condensation gap covered by a gas permeable membrane to recycle water in the present invention.

Claims (21)

복수의 연료 전지 몸체들;A plurality of fuel cell bodies; 순환 연료 용기;Circulating fuel vessel; 연료 전지 시스템의 동작 전압을 감시하기 위한 적어도 하나의 제어 장치;At least one control device for monitoring an operating voltage of the fuel cell system; 순환 펌프;Circulation pump; 팬;Pan; 연료 주입 장치; 및A fuel injection device; And 동작 전압이 미리 정해진 문턱 전압(threshold voltage) 보다 낮다는 것을 제어 장치가 감지할 때에 작동하도록 제어 장치에 결합된 경보기;를 포함하는 직접 메탄올 연료 전지 시스템으로서,A direct methanol fuel cell system comprising: an alarm coupled to a control device to operate when the control device detects that the operating voltage is below a predetermined threshold voltage. 제어 장치는 적어도 제어 회로 보드, 집적 회로 칩, 또는 전기 장치를 포함하는, 직접 메탄올 연료 전지 시스템.The control device comprises at least a control circuit board, an integrated circuit chip, or an electrical device. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 연료 주입 장치는, 연료 주입 헤드를 포함하는 폐기용 연료 주입 병을 포함하는, 직접 메탄올 연료 전지 시스템.The fuel injection device includes a direct fuel injection bottle including a fuel injection head. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 순환 연료 용기는, 연료 주입 헤드의 형상에 대응하도록 형상화된 비복귀식 주입 유입구를 포함하는, 직접 메탄올 연료 전지 시스템.The circulating fuel container includes a non-return injection inlet shaped to correspond to the shape of the fuel injection head. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 비복귀식 주입 유입구는, 고탄성의 유연한 플라스틱 기질(plastic substrate) 또는 실리카 겔 복합 소재로 만들어진 요소를 포함하고, 용제 및 화학 침식에 저항성을 갖는, 직접 메탄올 연료 전지 시스템.The non-returnable inlet comprises a element made of a highly elastic flexible plastic substrate or silica gel composite and resistant to solvent and chemical erosion. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 연료 주입 헤드가 밖으로 당겨질 때에 비복귀식 주입 유입구는 연료 누설을 방지하기 위하여 밀봉되고, 뚜껑은 연료 누설을 방지하는 이중-밀봉을 이루기 위하여 비복귀식 주입 유입구를 덮는, 직접 메탄올 연료 전지 시스템.The non-return injection inlet is sealed to prevent fuel leakage when the fuel injection head is pulled out, and the lid covers the non-return injection inlet to form a double-seal to prevent fuel leakage. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 비복귀식 주입 유입구는 순환 연료 용기의 상측 표면 상에 또는 순환 연료 용기의 측벽 상에 배치되는, 직접 메탄올 연료 전지 시스템.The non-return injection inlet is disposed on the upper surface of the circulating fuel vessel or on the sidewall of the circulating fuel vessel. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 순환 펌프의 유출구는 연료 전지 몸체의 연료 유입구에 연결되고, 연료 전지 몸체의 배출구는 연료 공급 채널에 의하여 순환 연료 용기에 연결되는, 직접 메탄올 연료 전지 시스템.Wherein the outlet of the circulation pump is connected to the fuel inlet of the fuel cell body, and the outlet of the fuel cell body is connected to the circulating fuel vessel by a fuel supply channel. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 경보기는 빛 신호기(light signal), 음향 신호기(sound signal), 또는 디스플레이 패널(display panel)을 포함하는, 직접 메탄올 연료 전지 시스템.The alarm includes a light signal, a sound signal, or a display panel. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 연료 주입 장치가 일정한 농도를 갖는 연료의 일정한 양을 주입한 후에, 다시 정상적으로 작동할 수 있는, 직접 메탄올 연료 전지 시스템.A direct methanol fuel cell system, wherein the fuel injection device can operate normally again after injecting a constant amount of fuel with a constant concentration. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 순환 연료 용기가 벤트 장치를 포함하는, 직접 메탄올 연료 전지 시스템.A direct methanol fuel cell system, wherein the circulating fuel vessel comprises a vent device. 연료 전지 세트;A fuel cell set; 순환 연료 용기;Circulating fuel vessel; 직류-직류 변환기들의 일 세트, 복수의 집적회로 칩들, 및 복수의 전기 장치들을 포함하는 제어 회로 보드로서, 연료 전지 세트에 의하여 공급되는 전압을 부하 전압으로 스위칭(switching)할 수 있고, 또한 연료 전지 충전기 시스템의 작동을 제어할 수 있으며 연료 전지 충전기 시스템을 상이한 작동 모드들 간으로 자동적으로 스위칭(switching)함에 의하여 최적화시킬 수 있는, 제어 회로 보드;A control circuit board comprising a set of DC-DC converters, a plurality of integrated circuit chips, and a plurality of electrical devices, wherein the voltage supplied by the fuel cell set can be switched to a load voltage, and also the fuel cell A control circuit board capable of controlling the operation of the charger system and optimizing the fuel cell charger system by automatically switching between different modes of operation; 연료 전지 세트로 연료를 공급하기 위한 순환 펌프;A circulation pump for supplying fuel to the fuel cell set; 연료 전지 세트에 산소를 공급하고, 연료 전지 충전기 시스템의 온도를 조정하기 위한, 팬; 및A fan for supplying oxygen to the fuel cell set and for adjusting a temperature of the fuel cell charger system; And 제어 회로 보드에 결합된 복수의 보조 배터리;를 포함하는, 연료 전지 충전기 시스템.And a plurality of auxiliary batteries coupled to the control circuit board. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 보조 배터리들은 재충전이 가능한, 연료 전지 충전기 시스템.Auxiliary batteries are rechargeable, fuel cell charger system. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 보조 배터리들은 리튬-이온 배터리, 니켈-아연 배터리, 및 폴리머 배터리 중에서 임의로 조합된 것인, 연료 전지 충전기 시스템.The auxiliary batteries are any combination of lithium-ion batteries, nickel-zinc batteries, and polymer batteries. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 연료 전지 충전기 시스템이 낮은 부하 상태에 있을 때에는 연료 전지 세트만이 전기를 공급하는, 연료 전지 충전기 시스템. A fuel cell charger system wherein only the fuel cell set supplies electricity when the fuel cell charger system is in a low load state. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 부하(load)가 연료 전지 세트가 공급할 수 있는 최대 전력을 초과할 때에는, 연료 전지 충전기 시스템이 제어 회로 보드를 통하여 자동적으로 작동 모드를 스위칭(switching)하고, 보조 배터리들이 가동되어 연료 전지 충전기 시스템과의 병렬 연결을 이루며, 그리고 보조 배터리들에 의하여 공급되는 출력 전압은 상이한 전압들 간의 병렬 연결에 기인하는 전기 낭비를 방지하기 위하여 직류-직류 변환기에 의하여 연료 전지가 공급하는 전압과 동일한 전압으로 조정되는, 연료 전지 충전기 시스템.When the load exceeds the maximum power that the fuel cell set can supply, the fuel cell charger system automatically switches the operating mode via the control circuit board, and the auxiliary batteries are activated to operate with the fuel cell charger system. And the output voltage supplied by the auxiliary batteries is adjusted to the same voltage supplied by the fuel cell by the DC-DC converter to prevent waste of electricity due to the parallel connection between the different voltages. Fuel cell charger system. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 보조 배터리들이 미리 정해진 수준으로 고갈된 때에 사용자에게 높은 부하로 작동시키지 말라고 경고하는 수단을 더 포함하는, 연료 전지 충전기 시스템.And means for warning the user not to operate at high load when the auxiliary batteries are exhausted to a predetermined level. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 연료 전지 세트는, 연료 전지 충전기 시스템을 끄기 전에, 제어 회로 보드의 집적회로를 통하여 보조 배터리들을 미리 정해진 수준으로 충전시키는, 연료 전지 충전기 시스템.The fuel cell set system charges auxiliary batteries to a predetermined level through the integrated circuit of the control circuit board, before turning off the fuel cell charger system. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 보조 배터리들이 완전히 충전되어 있지 않다면, 보조 배터리를 준비시키기 위하여, 연료 전지 충전기 시스템이 낮은 부하로 작동할 때에, 연료 전지 세트가 보조 배터리들을 충전시키는, 연료 전지 충전기 시스템.If the auxiliary batteries are not fully charged, the fuel cell set charges the auxiliary batteries when the fuel cell charger system is operating at low load to prepare the auxiliary batteries. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 연료 전지 세트가 미리 정해진 시간 기간 동안 작동한 후에, 자동적으로 성능 회복 절차를 작동시키는, 연료 전지 충전기 시스템.A fuel cell charger system that automatically activates a performance recovery procedure after the fuel cell set has been operating for a predetermined time period. 제 19 항에 있어서,The method of claim 19, 성능 회복 절차는:The performance recovery procedure is: 이산화탄소를 효율적으로 쫓아내기 위해 펌프를 중단시켜 반응속도를 저하시킴으로써 메탄올 용액의 공급을 잠시 멈추는 것;Stopping the supply of the methanol solution for a short time by stopping the pump to reduce the reaction rate in order to efficiently drive out the carbon dioxide; 이산화탄소를 효율적으로 쫓아내기 위해 팬을 중단시킴으로써 공기와 캐소드 간의 반응을 저하시키는 것; 및 Lowering the reaction between air and cathode by stopping the fan to expel carbon dioxide efficiently; And 이산화탄소를 쫓아낸 후에 촉매를 소생시키기 위하여, 주변장치(balance of plant; BOP)를 가동시키고 부하를 증가시키는 것; 중의 적어도 한 가지를 포함하는, 연료 전지 충전기 시스템.Operating a balance of plant (BOP) and increasing the load to regenerate the catalyst after the carbon dioxide has been expelled; A fuel cell charger system comprising at least one of. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 반응을 위한 충분한 공기를 제공하고 또한 캐소드 반응에 의하여 생성된 물을 쫓아내기 위하여 연료 전지 세트의 후방에 팬이 배치되고, 응축 간극은 팬의 주위에 배치되며, 응축 간극은 외부 공기의 투과를 허용하는 가스 투과성 멤브레인으로 덮이고, 물이 팬에 의하여 쫓아내질 때에 그 물은 응축 간극 내에서 응축되어 순환 연료 용기로 재순환되어서 연료 전지 세트를 위한 고농도의 메탄올을 희석시키는, 연료 전지 충전기 시스템.A fan is placed at the rear of the fuel cell set to provide sufficient air for the reaction and to drive out the water produced by the cathode reaction, a condensation gap is arranged around the fan, and the condensation gap allows permeation of outside air. Wherein the water is condensed within the condensation gap and recycled to the circulating fuel container to dilute the high concentration of methanol for the fuel cell set when the water is driven out by the fan.
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