KR20100133839A - Fuel cell system - Google Patents

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KR20100133839A
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Abstract

PURPOSE: A fuel cell system is provided to drive various driving parts with different driving voltage without a DC-DC converter, and to simplify a structure of a system by eliminating the DC-DC converter. CONSTITUTION: A fuel cell system has a multi stack structure in which a plurality of fuel cell stacks(10,20) are serially connected. An electric wire(11) is branched between the stacks or between cells in a specific stack to drive parts(40,50) with different driving voltage. The end of a serial stack and the branched electric wire are respectively to the driving parts.

Description

연료전지 시스템{Fuel cell system}Fuel cell system

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 DC-DC 컨버터 없이 저전압 구동부품 및 고전압 구동부품을 구동시킬 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system capable of driving a low voltage driving part and a high voltage driving part without a DC-DC converter.

연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다. A fuel cell is a kind of power generation device that converts chemical energy of fuel into electric energy by electrochemical reaction in the fuel cell stack without converting it into heat by combustion. It can also be applied to the power supply of electrical / electronic products, especially portable devices.

이러한 연료전지의 예로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전 기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성된다.Examples of such fuel cells include a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), which is most frequently studied as a power source for driving a vehicle, and a membrane electrolyte based on an electrolyte membrane to which hydrogen ions move. Membrane Electrode Assembly (MEA) with a catalytic electrode layer on both sides, and a gas diffusion layer (GDL) that distributes the reactants evenly and delivers the generated energy. And a gasket and fastening mechanism for maintaining the airtightness and proper clamping pressure of the reactor bodies and the coolant, and a bipolar plate for moving the reactor bodies and the coolant.

상기한 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드('연료극' 혹은 '수소극', '산화극'이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드('공기극' 혹은 '산소극', '환원극'이라고도 함)로 공급된다. In the fuel cell, hydrogen as the fuel and oxygen (air) as the oxidant are respectively supplied to the anode and the cathode of the membrane electrode assembly through the flow path of the separator, and the hydrogen is the anode ('fuel electrode' or 'water'). And the oxygen (air) are supplied to the cathode ('air' or 'oxygen', also known as 'reduction electrode').

애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다. Supplied to the anode hydrogen is a hydrogen ion (proton, H +) and electrons by the electrode catalyst constructed on both sides of the electrolyte membrane (electron, e -) are decomposed into, passed through only the hydrogen ion in the optional electrolyte membrane cation exchange membrane The electrons are transferred to the cathode through the gas diffusion layer and the separation plate which is a conductor.

상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다. In the cathode, the hydrogen ions supplied through the electrolyte membrane and the electrons transferred through the separator meet with oxygen in the air supplied to the cathode by the air supply device to generate a reaction. At this time, due to the movement of hydrogen ions, a flow of electrons occurs through an external conductor, and the flow of electrons generates current.

한편, 연료전지 차량에서는 연료전지 스택에서 생성된 전력을 구동모터에 공급하여 차량을 구동시키며, 이러한 구동모터 외에 연료전지 구동에 필요한 공기블로워, 스택 냉각수 펌프, 라디에이터 팬, 수소 재순환 블로워 등 각종 보기류 부 품(Fuel Cell BOP)이나 전장부품 냉각을 위한 물 펌프 등의 경우에도 연료전지 스택의 전력을 공급받아 구동된다.On the other hand, the fuel cell vehicle drives the vehicle by supplying electric power generated from the fuel cell stack to the driving motor, and in addition to the driving motor, various types of accessories such as an air blower, a stack coolant pump, a radiator fan, and a hydrogen recirculation blower are required for driving the fuel cell. Fuel cell stacks are powered by fuel cell stacks and water pumps to cool electrical components.

첨부한 도 1은 연료전지 버스에 탑재되는 시스템의 예를 도시한 구성도로서, 2개의 연료전지 스택(10,20)이 직렬로 연결되어 멀티 스택 구조로 구성된 시스템을 도시한 것이다.FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a system mounted on a fuel cell bus, and illustrates a system having two multi-stacked structures in which two fuel cell stacks 10 and 20 are connected in series.

도시된 구성에서는 2개의 연료전지 스택(10,20)이 직렬로 연결되어 있으므로 구동모터나 전장부품 냉각용 물 펌프 등 고전압 구동부품(40)들은 스택의 직렬 전압(α)으로 구동시키고, 그 밖에 연료전지 구동을 위한 공기블로워나 수소 재순환 블로워, 스택 냉각수 펌프 등 저전압 구동부품(50)들은 DC-DC 컨버터(30)로 전압을 조절하여 고전압 구동부품(40)의 구동전압(α)보다 낮은 전압(β)으로 구동시킨다.In the illustrated configuration, since the two fuel cell stacks 10 and 20 are connected in series, the high voltage driving components 40 such as the driving motor or the water pump for cooling the electric components are driven by the series voltage α of the stack. The low voltage driving components 50 such as an air blower for driving a fuel cell, a hydrogen recirculating blower, a stack cooling water pump, and the like are controlled by the DC-DC converter 30 to lower the driving voltage α of the high voltage driving component 40. drive to (β).

이와 같이 DC-DC 컨버터(30)를 사용하여 공급전압을 조절하는 방식은 전체적인 출력을 높이기 위해 연료전지 스택(10,20)이 직렬로 연결되어 있으면서 서로 다른 구동전압 범위의 부품들을 구동시켜야 하는 시스템에서 매우 유용하게 사용될 수 있다.As such, the method of adjusting the supply voltage using the DC-DC converter 30 requires a system in which fuel cell stacks 10 and 20 are connected in series to drive components having different driving voltage ranges in order to increase the overall output. This can be very useful in.

또한 DC-DC 컨버터(30)를 사용하면 다양한 범위의 전압 조절이 가능하므로 구동전압이 서로 다른 여러 구동부품들을 구동시킬 수 있고, 또한 DC-DC 컨버터를 통해 고정된 전압의 공급이 가능해지므로 구동부품을 개발하는 것이 용이해진다.In addition, the use of the DC-DC converter 30 enables a wide range of voltage adjustments to drive various driving components having different driving voltages, and also enables the supply of a fixed voltage through the DC-DC converter. It becomes easy to develop.

그러나, DC-DC 컨버터를 사용하는 시스템에서는 다음과 같은 문제점이 있다.However, there are the following problems in a system using a DC-DC converter.

1) 시스템 불안정성 증가 및 내구성 문제1) Increased system instability and durability issues

DC-DC 컨버터측의 고전압단 전압(α)이 스택 전류에 따라 가변적으로 변화하 고(전류↑, 전압 ↓), 저전압 구동부품(50)들에서 사용하는 전류도 매우 가변적이기 때문에 DC-DC 컨버터(30)가 대단히 열악한 조건에서 구동된다. 이에 시스템의 불안정성이 증가하고, 단품 내구성 문제가 발생할 가능성이 높아진다.DC-DC converter because the high voltage terminal voltage α on the DC-DC converter side varies variably according to the stack current (current ↑, voltage ↓), and the current used by the low voltage driving parts 50 is also very variable. 30 is driven under extremely poor conditions. This increases system instability and increases the likelihood of a single part durability problem.

2) 복잡한 시스템 구조 및 시스템 가격 상승2) Complex system structure and system price rise

DC-DC 컨버터(30)의 사용으로 시스템의 구조가 복잡하고, 고가의 DC-DC 컨버터로 인해 전체 시스템 원가가 상승하는 문제가 있다.The structure of the system is complicated by the use of the DC-DC converter 30, and the overall system cost increases due to the expensive DC-DC converter.

3) 저전압 구동부품 용량 변경이 어려움3) Difficult to change capacity of low voltage driving parts

DC-DC 컨버터(30)의 용량에 의해 저전압 구동부품(50)의 용량이 결정되기 때문에 저전압 구동부품의 용량 변경이 어렵다. Since the capacity of the low voltage driving component 50 is determined by the capacity of the DC-DC converter 30, it is difficult to change the capacity of the low voltage driving component.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, DC-DC 컨버터 없이도 작동전압이 상이한 여러 구동부품들을 구동시킬 수 있고, DC-DC 컨버터 삭제로 시스템 구조의 단순화 및 원가 절감이 가능해지며, 시스템 안정성 및 내구성이 향상되는 연료전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.Therefore, the present invention has been invented to solve the above problems, it is possible to drive a number of driving components with different operating voltages without a DC-DC converter, simplifying the system structure and cost reduction by eliminating the DC-DC converter The present invention aims to provide a fuel cell system having improved system stability and durability.

상기한 목적을 달성하기 위한 것으로, 본 발명은, 복수개의 연료전지 스택이 직렬로 연결된 멀티 스택 구조에서, 구동전압이 상이한 구동부품들을 구동시키기 위해, 스택과 스택 사이 또는 특정 스택 내 셀과 셀 사이로부터 전기도선이 분기되고, 직렬 스택의 끝단 및 분기된 상기 전기도선에 각각 구동부품이 연결되어, 연료전지 스택으로부터 각 구동부품에 상이한 구동전압이 인가되도록 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention, in a multi-stack structure in which a plurality of fuel cell stacks are connected in series, in order to drive driving components having different driving voltages, between a stack and between cells or cells within a specific stack. And a driving component connected to each of the ends of the series stack and the branched electrical conductor, so that different driving voltages are applied to each driving component from the fuel cell stack. .

바람직한 실시예에서, 상기 스택과 스택 사이로부터 전기도선이 분기된 상태에서, 특정 스택 내 셀과 셀 사이로부터 추가로 전기도선이 분기되고, 상기 추가로 분기된 전기도선에 구동부품이 연결되어, 연료전지 스택으로부터 각 구동부품에 상이한 구동전압이 인가되는 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment, with the electrical leads branched between the stack and the stack, additional electrical leads are branched between cells and cells in a particular stack, and drive components are connected to the further branched electrical leads to fuel A different driving voltage is applied to each driving component from the battery stack.

그리고, 본 발명은, 하나의 연료전지 스택을 가지는 단 스택 구조에서, 구동전압이 상이한 구동부품들을 구동시키기 위해, 스택의 셀과 셀 사이로부터 전기도 선이 분기되고, 스택의 끝단 및 상기 전기도선에 각각 구동부품이 연결되어, 연료전지 스택으로부터 각 구동부품에 상이한 구동전압이 인가되도록 구성된 것을 특징으로 한다.Further, in the short stack structure having one fuel cell stack, in order to drive driving components having different driving voltages, electric conductors are branched from cells to cells of the stack, and ends of the stacks and the electric conductors. Each driving component is connected to each other, and a different driving voltage is applied to each driving component from the fuel cell stack.

바람직한 실시예에서, 셀과 셀 사이로부터 분기된 상기 전기도선은 셀과 셀 사이에 개재된 집전판에 연결되어 분기되는 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment, the electric wire branched from the cell to the cell is characterized in that the branch is connected to the current collector interposed between the cell and the cell.

이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지 시스템에 의하면, 전기도선의 분기위치 및 적층한 셀의 개수에 따라 전압 범위를 다양하게 변경 가능하여 DC-DC 기능을 대체할 수 있다.Accordingly, according to the fuel cell system according to the present invention, the voltage range can be variously changed according to the branch position of the electric conductor and the number of stacked cells, thereby replacing the DC-DC function.

특히, DC-DC 컨버터 없이도 작동전압이 상이한 여러 구동부품들을 구동시킬 수 있는 바, 시스템 구조가 단순해지고, DC-DC 컨버터 삭제에 따른 효율 향상 및 원가 절감의 장점이 있다.In particular, it is possible to drive a plurality of driving components having different operating voltages without the DC-DC converter, the system structure is simplified, there is an advantage of the efficiency and cost reduction by eliminating the DC-DC converter.

또한 연료전지 스택으로부터 저전압 구동부품들이 직접 전류를 공급받기 때문에 시스템 안정성 및 내구성이 향상되는 장점이 있다.In addition, since the low voltage driving parts are directly supplied with current from the fuel cell stack, system stability and durability are improved.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 DC-DC 컨버터 없이 저전압 구동부품과 고전압 구동부품을 분리하 여 구동시킬 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system capable of separately driving a low voltage driving part and a high voltage driving part without a DC-DC converter.

첨부한 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도로서, 2개의 연료전지 스택이 직렬로 연결된 멀티 스택 구조의 연료전지 시스템을 도시한 것이다.2 is a configuration diagram of a fuel cell system according to a preferred embodiment of the present invention, and illustrates a fuel cell system having a multi-stack structure in which two fuel cell stacks are connected in series.

도시된 실시예는 2개의 연료전지 스택(10,20)이 직렬로 연결된 구성의 예를 든 것이나, 본 발명이 2개의 멀티 스택 구조로 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에서 청구하고 있는 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 3개나 4개 등, 직렬로 연결되는 스택의 개수에 있어서는 다양하게 변경이 가능하다.The illustrated embodiment is an example of a configuration in which two fuel cell stacks 10 and 20 are connected in series, but the present invention is not limited to two multi-stack structures, and the technical features of the claims are claimed. The number of stacks connected in series, such as three or four, can be varied without departing from the range.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 시스템에서는 구동부품에 공급되는 전압을 조절하기 위한 DC-DC 컨버터가 삭제되고, DC-DC 컨버터의 전압 조절 없이 모든 구동부품(40,50)들이 연료전지 스택(10,20)에서 직접 전력을 공급받아 구동된다.As shown, in the fuel cell system according to the present invention, the DC-DC converter for adjusting the voltage supplied to the driving component is eliminated, and all the driving components 40 and 50 are all fuel cells without adjusting the voltage of the DC-DC converter. It is driven by being powered directly from the stacks 10 and 20.

이때, 복수개의 스택(10,20)이 직렬로 연결된 멀티 스택 구조에서 스택과 스택 사이의 중간에서 구동부품의 필요한 구동전압에 따라 직접 전력을 끌어쓰게 된다.At this time, in the multi-stack structure in which the plurality of stacks 10 and 20 are connected in series, power is directly drawn in accordance with the required driving voltage of the driving component in the middle between the stack and the stack.

도 2의 예를 참조하여 설명하면, 제1스택(10)과 제2스택(20)이 직렬로 연결된 상태에서 고전압 구동부품(40)은 직렬 스택의 끝단(제2스택의 '+' 단)에 연결하여 두 스택의 직렬 전압에 의해 구동되도록 한다.Referring to the example of FIG. 2, in the state in which the first stack 10 and the second stack 20 are connected in series, the high voltage driving part 40 is the end of the series stack (the '+' end of the second stack). To be driven by the series voltage of the two stacks.

반면 저전압 구동부품(50)은 제1스택(10)과 제2스택(20)의 중간에서 출력되는 전압을 인가받도록 제1스택과 제2스택의 중간에서 분기된 전기도선(11)(제1스택 의 '+' 단에 연결)에 연결되며, 이에 저전압 구동부품(40)이 제1스택(10)의 전압만으로 구동되도록 한다.On the other hand, the low voltage driving part 50 is an electric conductor 11 branched between the first and second stacks so as to receive a voltage output between the first and second stacks 10 and 20. Connected to the '+' end of the stack), such that the low voltage driving component 40 is driven only by the voltage of the first stack 10.

만약 스택의 개수가 2개가 아닌 3개 이상이고 구동부품(연료전지의 전력에 의해 구동되는 부품)들이 필요한 구동전압에 따라 3개 이상의 그룹으로 분류되어야 한다면, 필요한 구동전압에 맞추어 전압이 출력되는 스택과 스택 사이의 지점이 정해져야 한다.If the number of stacks is three or more instead of two, and the driving components (components driven by the power of the fuel cell) should be classified into three or more groups according to the required driving voltage, the stack is outputted according to the required driving voltage. The point between and the stack must be established.

예를 들면, 제1 및 제2, 제3의 스택 3개가 직렬로 연결된 시스템에서, 구동전압에 따라 분류된 3개 그룹의 구동부품들이 그룹 간 각기 다른 구동전압을 인가받도록 연결되어야 한다면, 제1그룹은 스택 3개의 직렬 전압을 인가받도록 제3스택의 끝단('+' 단)에 전기도선으로 연결되어야 하고, 제2그룹은 스택 2개의 직렬 전압을 인가받도록 제2스택과 제3스택 사이에서 분기된 전기도선(제2스택의 '+' 단)에 연결되어야 하는 바, 이때 제1스택 및 제2스택의 직렬 전압에 의해 구동된다.For example, in a system in which three first, second and third stacks are connected in series, if three groups of driving components classified according to driving voltages are to be connected to receive different driving voltages between groups, The group must be electrically connected to the end of the third stack ('+' end) to receive the three series voltages in the stack, and the second group is between the second stack and the third stack to receive the two series voltages in the stack. It should be connected to a branched electrical conductor ('+' end of the second stack), which is driven by the series voltages of the first and second stacks.

또한 제3그룹은 스택 1개의 전압을 인가받도록 제1스택과 제2스택 사이에서 분기된 전기도선(제1스낵의 '+' 단)에 연결되어 제1스택의 전압만으로 구동되도록 해야한다.In addition, the third group should be connected to an electric conductor (the '+' end of the first snack) branched between the first stack and the second stack so as to receive a voltage of one stack to be driven only by the voltage of the first stack.

물론 복수개의 멀티 스택 구조에서 구동부품이 필요로 하는 구동전압을 고려하여 각 스택의 전압 출력을 달리할 수 있다. Of course, the voltage output of each stack may be changed in consideration of the driving voltage required by the driving component in the plurality of multi-stack structures.

예를 들면, 스택을 구성하는 단위 셀들이 모두 직렬로 연결되므로 각 스택에서 단위 셀들의 개수를 조정하면 스택 별로 전압 및 전류 출력을 조정할 수 있다.For example, since the unit cells constituting the stack are all connected in series, by adjusting the number of unit cells in each stack, voltage and current outputs can be adjusted for each stack.

또한 단위 셀에서 연료전지 반응이 일어나는 반응면적을 스택마다 달리하면 스택 별로 전압 및 전류 출력을 조정할 수 있다. 즉, 분리판의 유로(공기 유로 및 수소 유로) 면적, MEA가 유로에 노출되는 면적 등을 스택마다 달리하면 스택 별로 전압 및 전류 출력을 조정할 수 있다.In addition, if the response area where the fuel cell reaction occurs in the unit cell is changed from stack to stack, the voltage and current output can be adjusted from stack to stack. In other words, if the area of the flow path (air flow path and hydrogen flow path) of the separator and the area where the MEA is exposed to the flow path are changed for each stack, the voltage and current output can be adjusted for each stack.

상기와 같이 스택 간에 반응면적을 조절하는 예로서, 저전압 구동부품(50)이 연결된 연료전지 스택(제1스택)(10)의 반응면적을 그렇지 않은 연료전지 스택(20)보다 크게 하여, 저전압 구동부품에서 추가적으로 소모하는 전류를 감당할 수 있도록 하는 것이 가능하다.As an example of adjusting the reaction area between the stacks as described above, the reaction area of the fuel cell stack (first stack) 10 to which the low voltage driving part 50 is connected is made larger than that of the fuel cell stack 20, which is low voltage driving. It is possible to handle the extra current consumed by the component.

이와 같이 하여, 구동전압이 상이한 구동부품들을 구동시키기 위해, 본 발명에 따른 연료전지 시스템에서는 직렬로 연결된 스택과 스택 사이에서 구동부품들이 직접 필요 전압을 공급받도록 구성됨으로써 종래와 같이 DC-DC 컨버터를 이용한 전압 조절이 필요 없게 된다.In this way, in order to drive the driving components having different driving voltages, the fuel cell system according to the present invention is configured such that the driving components are directly supplied with the required voltages between the stacks connected in series and the DC-DC converter as in the prior art. No voltage regulation is required.

한편, 첨부한 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도로서, 스택의 셀과 셀 사이에서 분기하여 다양한 범위의 전압 출력이 가능하도록 한 구성을 도시한 것이다.Meanwhile, FIGS. 3A and 3B are diagrams illustrating the configuration of a fuel cell system according to another exemplary embodiment of the present invention, which shows a configuration in which a voltage output of various ranges is possible by branching between cells in a stack.

도 2에 도시된 바와 같이 스택과 스택 사이에서 분기하는 방식 대신, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 셀과 셀 사이에서 분기하는 방식이 적용 가능하다. 즉, 특정 스택의 중간에서 전력을 끌어다 쓰는 것이다. Instead of the manner of branching between the stacks as shown in FIG. 2, the manner of branching between cells as shown in FIGS. 3A and 3B is applicable. In other words, it draws power from the middle of a stack.

도 3a는 단 스택 구조의 연료전지 시스템을, 도 3b는 멀티 스택 구조의 연료전지 시스템을 도시한 것으로, 모두 스택 중간의 셀과 셀 사이에 전기도선(14)을 연결하여 셀 개수에 따라 다양한 전압 출력이 가능하도록 구성한 것이다.FIG. 3A illustrates a fuel cell system having a short stack structure, and FIG. 3B illustrates a fuel cell system having a multi stack structure, in which voltages vary according to the number of cells by connecting electrical conductors 14 between cells in the middle of the stack. It is configured to enable output.

첨부한 도 4는 도 3a 및 도 3b의 실시예에서 스택 내 셀과 셀 사이에서 전력을 출력하기 위한 스택 세부 구성도로서, 도시된 바와 같이, 연료전지 스택(10)은 요구 출력에 따라 1V 내외의 OCV(Open Circuit Voltage) 전압을 형성하는 단위 셀(12)들이 직렬로 적층된 구조로 되어 있다.4 is a detailed diagram of a stack for outputting power between cells in a stack and cells in the embodiments of FIGS. 3A and 3B. As illustrated, the fuel cell stack 10 is about 1V according to a required output. Unit cells 12 forming an OCV (Open Circuit Voltage) voltage are stacked in series.

따라서, 특정 스택(10)의 중간, 즉 셀(12)과 셀(12) 사이에서 전기도선(14)을 분기하는 경우 셀의 개수에 따라 다양한 범위의 전압 출력이 가능하다.Therefore, in the case of branching the electric conductor 14 in the middle of the specific stack 10, that is, between the cell 12 and the cell 12, a wide range of voltage output is possible according to the number of cells.

스택(10)의 중간에서 전류의 출력이 가능하도록 하기 위해서는 도 4에 도시된 바와 같이 스택의 중간에서 셀(12)과 셀(12) 사이에 집전판(13)을 삽입하고, 상기 집전판의 집전부(13a)에 전류가 출력되는 전기도선(14)을 연결하게 된다.In order to enable output of current in the middle of the stack 10, a current collector plate 13 is inserted between the cell 12 and the cell 12 in the middle of the stack as shown in FIG. 4. The electrical conductor 14 through which current is output is connected to the current collector 13a.

이렇게 스택(10)의 중간에 삽입된 집전판(13)에 전기도선(14)을 연결하고, 상기 전기도선(14)에 구동부품(50)에 연결하게 되면, 구동부품이 필요로 하는 전압을 인가할 수 있게 된다. When the electrical conductors 14 are connected to the current collector plate 13 inserted in the middle of the stack 10 and the driving components 50 are connected to the electrical conductors 14, the voltage required by the driving components is increased. It can be authorized.

이때, 집전판(13) 및 전기도선(14)을 통해 구동부품(50)에 인가되는 전압은 직렬로 연결된 셀의 개수에 따라 결정된다.At this time, the voltage applied to the driving component 50 through the current collector plate 13 and the electric conductor 14 is determined according to the number of cells connected in series.

도 3a에서 고전압 구동부품(40)은 스택(10)의 끝단('+' 단)에 전기도선으로 연결하여 스택으로부터 상대적으로 고전압을 인가받게 되고, 저전압 구동부품(50)은 스택 중간의 집전판(13)('+' 단)에 전기도선(14)으로 연결하여 스택 일단부터 집전판까지의 셀들에서 형성되는 저전압을 인가받게 된다. In FIG. 3A, the high voltage driving part 40 is electrically connected to the end ('+' end) of the stack 10 to receive a relatively high voltage from the stack, and the low voltage driving part 50 is a current collector plate in the middle of the stack. The low voltage formed in the cells from one end of the stack to the current collector plate is applied to (13) ('+' end) by the electric conductor 14.

물론 도 3a에서 1개의 집전판(13)이 사용된 예를 들었으나 구동전압이 상이한 여러 개의 구동부품들을 구동시키기 위해 복수개의 집전판을 셀과 셀 중간에 각 위치마다 삽입한 뒤 각 집접판에 전기도선을 연결하는 것이 가능하다.Of course, in FIG. 3A, one current collector plate 13 is used, but a plurality of current collector plates are inserted at each position between the cell and the cell in order to drive a plurality of driving components having different driving voltages, and then to each current collector plate. It is possible to connect electrical leads.

도 3b의 실시예에서는 고전압 구동부품(30)이 직렬 스택의 끝단(제2스택의 '+' 단)에 전기도선으로 연결되어 상대적으로 고전압을 인가받도록 되어 있고, 저전압 구동부품(50)은 제1스택(10)의 집전판(도 4에서 도면부호 13임)('+' 단) 및 이에 연결된 전기도선(14)을 통해 인가되는 저전압에 의해 구동되도록 되어 있다.In the embodiment of FIG. 3B, the high voltage driving component 30 is connected to the end of the series stack (the '+' end of the second stack) by an electrical conductor to receive a relatively high voltage, and the low voltage driving component 50 is The current collector plate (denoted by reference numeral 13 in FIG. 4) (the '+' end) of one stack 10 and the low voltage applied through the electric conductor 14 connected thereto are configured to be driven.

도 3a 및 도 3b의 실시예와 같이 스택의 중간에서 전력을 공급받는 경우에도 특정 스택을 구성하는 전체 셀의 개수, 특정 스택에서 집전판까지 직렬로 연결되는 셀의 개수(셀 적층 구조에서 집전판이 삽입되는 셀 위치와 관련됨), 셀의 반응면적 등은 구동부품의 필요 전압을 고려하여 적절하게 설정 가능하다. 이때, 스택 별로 달리하거나, 집전판을 기준으로 전후의 셀들에 대해 서로 달리할 수 있다. 3A and 3B, even when power is supplied from the middle of the stack, the total number of cells constituting the specific stack and the number of cells connected in series from the specific stack to the current collector plate (the current collector plate may be Related to the position of the cell to be inserted), the reaction area of the cell, etc. can be appropriately set in consideration of the required voltage of the driving component. In this case, the stacks may be different from each other, or may be different from each other before and after the cells based on the current collector plate.

이와 같이 구동전압이 상이한 구동부품들을 구동시키기 위해 특정 스택의 중간에서 직접 필요 전압을 공급받도록 구성됨으로써 종래와 같이 DC-DC 컨버터를 이용한 전압 조절이 필요 없게 된다.As such, since the driving voltage is configured to receive the required voltage directly in the middle of a specific stack in order to drive the driving components having different driving voltages, the voltage regulation using the DC-DC converter is not required as in the related art.

또한 도면으로 도시하지는 않았으나 멀티 스택 구조의 연료전지 시스템에서 스택과 스택 사이로부터 전력을 공급받는 방식(도 2 참조)과 집전판에서 전력을 공급받는 방식(도 3a 및 도 3b 참조)을 복합 적용하는 것도 실시 가능하다. In addition, although not shown in the drawings, a multi-stacked fuel cell system may be configured to combine a method of receiving power from a stack and a stack (see FIG. 2) and a method of receiving power from a current collector plate (see FIGS. 3A and 3B). It is also possible to carry out.

도 1은 종래 연료전지 버스에 탑재되는 시스템의 예를 도시한 구성도,1 is a configuration diagram showing an example of a system mounted on a conventional fuel cell bus,

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도,2 is a block diagram of a fuel cell system according to a preferred embodiment of the present invention;

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도,3A and 3B are schematic views of a fuel cell system according to another embodiment of the present invention;

도 4는 도 3a 및 도 3b의 실시예에서 스택 내 셀과 셀 사이에서 전력을 출력하기 위한 스택 세부 구성도.4 is a detailed stack diagram for outputting power between cells in a stack and cells in the embodiment of FIGS. 3A and 3B;

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

10 : 제1스택 11 : 전기도선10: first stack 11: electric wire

12 : 셀 13 : 집전판12 cell 13 collector plate

13a : 집전부 14 : 전기도선13a: current collector 14: electric wire

20 : 제2스택 30 : DC-DC 컨버터20: second stack 30: DC-DC converter

40 : 고전압 구동부품 50 : 저전압 구동부품40: high voltage drive part 50: low voltage drive part

Claims (7)

복수개의 연료전지 스택(10,20)이 직렬로 연결된 멀티 스택 구조에서, 구동전압이 상이한 구동부품(40,50)들을 구동시키기 위해, 스택(10)과 스택(20) 사이 또는 특정 스택 내 셀(12)과 셀(12) 사이로부터 전기도선(11,14)이 분기되고, 직렬 스택의 끝단 및 분기된 상기 전기도선(11)에 각각 구동부품(40,50)이 연결되어, 연료전지 스택으로부터 각 구동부품에 상이한 구동전압이 인가되도록 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In a multi-stack structure in which a plurality of fuel cell stacks 10 and 20 are connected in series, a cell between the stack 10 and the stack 20 or a cell in a specific stack in order to drive the driving components 40 and 50 having different driving voltages. Electrical conductors 11 and 14 are branched from between 12 and the cell 12, and drive parts 40 and 50 are connected to the ends of the series stack and the branched electrical conductors 11, respectively, to provide a fuel cell stack. And a different driving voltage is applied to each driving component from the fuel cell system. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 스택(10)과 스택(20) 사이로부터 전기도선(11)이 분기된 상태에서, 특정 스택 내 셀(12)과 셀(12) 사이로부터 추가로 전기도선(14)이 분기되고, 상기 추가로 분기된 전기도선(14)에 구동부품(50)이 연결되어, 연료전지 스택으로부터 각 구동부품에 상이한 구동전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. With the electrical conductors 11 branched between the stack 10 and the stack 20, additional electrical conductors 14 branch between the cells 12 and 12 in a particular stack, and the additional A driving component (50) is connected to the electric conductor (14) branched to the fuel cell system, characterized in that different driving voltages are applied to each driving component from the fuel cell stack. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 셀(12)과 셀(12) 사이로부터 분기된 전기도선(14)은 셀과 셀 사이에 개재된 집전판(13)에 연결되어 분기되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.A fuel cell system, characterized in that the electrical conductors (14) branched from between the cell (12) and the cell (12) are connected to and branched from the current collector plate (13) interposed between the cell and the cell. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 멀티 스택 구조에서 특정 스택의 연료전지 반응이 이루어지는 반응면적을 나머지 다른 스택과 달리하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The fuel cell system, characterized in that the reaction area in which the fuel cell reaction of a specific stack in the multi-stack structure is different from the other stacks. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 멀티 스택 구조에서 특정 스택의 적층된 셀의 개수를 나머지 다른 스택과 달리하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In the multi-stack structure, the number of stacked cells of a specific stack is different from the other stacks, the fuel cell system. 하나의 연료전지 스택(10)을 가지는 단 스택 구조에서, 구동전압이 상이한 구동부품(40,50)들을 구동시키기 위해, 스택의 셀(12)과 셀(12) 사이로부터 전기도선(14)이 분기되고, 스택의 끝단 및 상기 전기도선(14)에 각각 구동부품(40,50)이 연결되어, 연료전지 스택으로부터 각 구동부품에 상이한 구동전압이 인가되도록 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In a short stack structure having one fuel cell stack 10, in order to drive the driving components 40 and 50 having different driving voltages, the electric conductors 14 are separated from between the cells 12 and 12 in the stack. And branched and connected to the ends of the stack and the electrical conductors (14), respectively, so that different driving voltages are applied to each of the driving components from the fuel cell stack. 청구항 6에 있어서,The method according to claim 6, 상기 전기도선(14)은 셀(12)과 셀 사이에 개재된 집전판(13)에 연결되어 분기되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The electric conductor (14) is characterized in that the fuel cell system, characterized in that the branch is connected to the current collector plate (13) interposed between the cell (12) and the cell.
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