KR20150064516A

KR20150064516A - 연료전지 스택의 활성화 장치

Info

Publication number: KR20150064516A
Application number: KR1020130149329A
Authority: KR
Inventors: 김명진
Original assignee: 주식회사휴비스
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2015-06-11
Also published as: KR101572033B1

Abstract

본 발명은 연료전지 스택을 활성화하는 연료전지 스택의 활성화 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 연료전지 스택에 연결하던 전자부하를 축전지 뱅크로 대체하여 활성화 공정 중에 연료전지 스택의 부하로서 축전지 뱅크를 충전하고 충전한 전기를 전력계통에 공급하여 활성화 공정에 따른 전력낭비를 최소화하며, 축전지 뱅크 내 단위 축전지들의 직렬 연결 및 병렬 연결 개수를 조절하여 활성화 공정에 따른 연료전지 스택의 출력 전압 및 출력 전류 변경값을 맞추며, 이에 따라, 연료전지 스택의 부하로서 활성화 공정을 수행할 수 있는 연료전지 스택의 활성화 장치에 관한 것이다.

Description

연료전지 스택의 활성화 장치{APPARATUS FOR ACTIVATING OF FUEL CELL STACK}

본 발명은 연료전지 스택을 활성화하고 연료전지의 성능평가장치에서도 사용되는 연료전지 스택의 활성화 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 연료전지 스택에 연결하던 전자부하를 축전지 뱅크로 대체하여 활성화 공정 중에 연료전지 스택의 부하로서 축전지 뱅크를 충전하고 충전한 전기를 전력계통에 공급하여 활성화 공정에 따른 전력낭비를 최소화하며, 축전지 뱅크 내 단위 축전지들의 직렬 연결 및 병렬 연결 개수를 조절하여 활성화 공정에 따른 연료전지 스택의 출력 전압 및 출력 전류 변경값을 맞추며, 이에 따라, 연료전지 스택의 부하로서 활성화 공정을 수행할 수 있는 연료전지 스택의 활성화 장치에 관한 것이다.

연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시키는 장치로서, 예를 들어 수소 공급원으로서 메탄올, 천연가스, 액화석유가스 등 탄화수소 계열의 연료 중에 포함되어 있는 수소를 사용하고 산소는 공기 중에 있는 산소를 사용하는 차세대 청정 발전 시스템으로 각광받고 있다.

이러한 연료전지는 사용되는 전해질에 따라 용융탄산염 연료전지, 고체산화물 연료전지, 고분자 전해질 연료전지, 인산형 연료전지, 알칼리형 연료전지 등으로 구분될 수 있으며, 기본적으로 같은 원리에 의해 작동된다.

상기 여러 종류의 연료전지 중에서 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electolyte Fuel Cell(PEFC) 또는 Proton Exchange Membrane Fuel Cell(PEMFC))는 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고, 전류밀도 및 출력밀도가 크며, 시동 시간이 짧고, 부하 변화에 대해 빠른 응답 특성을 갖는 장점으로 인하여, 무공해 차량의 동력원, 자가 발전용, 이동용 및 군사용 전원 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.

도 4는 고분자 전해질 연료전지를 구성하는 연료전지 유닛(100)을 단면도로 도시한 구성도로서, 수소이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 전해질 막(111)의 양면에 산소와 수소가 반응할 수 있도록 전극촉매층(112, 113)을 도포하고, 각각의 전극촉매층(112, 113)에 기체확산층(120, 121, GDL : Gas Diffusion Layer)을 적층한 후 수소와 산소가 새는 것을 막는 가스켓(140)을 적층 구조의 양단에 고정하는 구조를 갖추며, 각각의 기체확산층(120, 121)의 바깥쪽에는 산소와 수소를 공급하고 반응에 의해 발생한 물을 배출하는 분리판(130, 131)이 위치한다.

여기서, 양측 전극 촉매층(112, 113) 중에 어느 하나는 수소의 산화반응이 진행되는 애노드(112, Anode)로 구성하고 다른 하나는 산소의 환원반응이 진행되는 캐소드(113, Cathode)로 구성한다.

이와 같이 구성되는 연료전지 유닛(100)는 애노드(112) 측이 연료를 공급받는 연료극이 되고 캐소드(113) 측이 공기를 공급받는 공기극이 되며, 애노드(112) 측의 분리판(130)에 탄화수소 계열의 연료를 공급하고 캐소드(113) 측의 분리판(131)에 공기를 공급하면, 연료에 포함된 수소가 애노드(112)에서 산화반응하여 수소이온과 전자가 발생하고, 여기서 발생한 전자는 외부 도선을 통해서 캐소드(113)로 이동하고 수소이온은 전해질 막(111)을 통과하여 캐소드(113)에 도달한다. 이에 따라, 캐소드(113)는 수소이온과 전자를 받아 공기 중 산소의 환원반응을 진행하여 물을 생성한다. 즉, 외부 도선을 따라 이동하는 전자의 흐름과 전해질 말(111)을 통해 이동하는 수소이온의 흐름에 의해서 전기에너지가 생성된다.

실제 사용하는 연료전지는 상기 도 4에 도시한 연료전지 유닛(100)에서 얻을 수 있는 전위보다 더 큰 전위를 요구하므로, 필요한 전위를 얻을 수 있는 개수의 연료전지 유닛(100)들을 적층하고 최외각에 적층되는 단위 연료전지 유닛의 분리판에 각각 앤드플레이트(1a)를 설치하여 전극단자로 사용하며, 이와 같이 복수의 연료전지 유닛(100)들을 적층한 것을 스택(Stack)이라고 한다.

그런데, 연료전지의 연료극 및 공기극은 나피온과 같은 수소이온 전달체 및 백금과 같은 촉매를 혼합하여 제조하는데, 연료전지를 제작하여 초기 운전하면 전기화학 반응시 다음과 같은 이유로 인하여 그 활성도가 떨어진다.

첫째 반응물의 이동 통로가 막혀 촉매까지 도달할 수 없고, 둘째 촉매와 같이 삼상계면을 이루고 있는 나피온과 같은 수소이온 전달체가 운전 초기 쉽게 가수화가 되지 아니하고, 셋째 수소이온 및 전자의 연속적인 이동성 확보가 되지 않은 상태이고, 넷째 전극 제조시 불순물이 함유하여 촉매의 활성이 감소되기 때문이다.

이 때문에 연료전지 스택(1)은 제작한 이 후 연료전지의 성능을 최대한 확보하기 위해서 반응에 참여하지 못하는 촉매를 활성화하고, 전해질 막 및 전극 내에 포함된 전해질을 충분히 수화시켜 수소이온의 이동도를 증가시키는 활성화(Activation) 공정을 필요로 한다.

연료전지의 활성화 공정은 도 5에 도시한 바와 같이 컨트롤러(3)에 의해 부하가 변동하는 전자부하(2)에 연료전지 스택(1)을 연결한 후, 활성화 스케줄에 따라 제어동작에 의해 연료 공급수단(4) 및 공기 공급 수단(5)으로 습윤 연료 및 습윤 공기를 공급하면서 전자부하(2)의 부하를 변동시키는 공정이다. 또한, 연료전지 스택(1)에서 생성되는 물을 회수하여 연료 공급수단(4) 및 공기 공급 수단(5)에서 각각 연료 및 공기를 가습할 수 있게 하고, 스택을 냉각하며, 연료전지 스택(1)에서 배출되는 가스로부터 미 사용된 연료를 회수하는 부가수단(6)도 설치된다. 이와 같이 연료전지를 활성화하는 장치는 연료전지의 성능평가에서도 사용된다.

일반적으로 활성화 스케줄은 도 6에 예시한 바와 같이 스택 부하 시퀀스(Load Sequence)로서, 정전압, 정전류 순환 등의 부하변동을 수시간동안 주도록 작성되지만, 일반적으로는 제조사별 특징적인 활성화 절차에 의해서 작성된다. 예를 들면, 등록특허 제10-1000370호에서 예시한 상기 도 6은 물론이고, 등록특허 제10-1033889호에서 예시한 그래프처럼 시간에 따라 부하를 가변하는 스케줄로 이루어진다. 여기서, 전류는 연료공급량을 조절하여 가변할 수 있다.

하지만, 도 5에 도시한 종래기술에 따른 활성화장치에서는, 일반적으로 연료전지 스택(1)에 연료 및 공기를 공급하며 생성한 전기에너지를 전자부하(2)에서 자체 소진하게 하므로 에너지 낭비가 심각하며, 이러한 에너지 낭비를 줄이기 위해 전기에너지를 축전지로 충전하는 경우도 있지만 생성한 전기에너지의 상당부분이 전자부하의 부하변동을 위한 회로에서 열로 소비되므로, 이 또한 에너지 낭비가 심각하다.

이에 따라, 연료전지 스택을 활성화하는 과정에서 입력받는 전기에너지를 낭비 없이 충전하는 연료전지 스택의 활성화 장치가 요구된다.

한편, 연료전지 스택의 활성화를 위해 항시 부하를 걸어줄 수 있는 상태를 유지하여야 하므로, 충전한 전기를 적기에 전력계통에 공급하여 방전시켜서, 부하로서의 기능을 언제든지 할 수 있는 상태를 유지하여야 한다.

KR 10-1148402 B1 2012.05.15. KR 10-1137763 B1 2012.04.12. KR 10-1000370 B1 2010.12.06. KR 10-1033889 B1 2011.05.02.

따라서, 본 발명의 목적은 활성화 스케줄에 따라 연료전지 스택의 부하 역할을 하면서 부하로서 공급받는 전력을 충전하고, 충전한 전기를 전력계통에 공급하여 연료전지 스택의 부하로서 연속 사용할 수 있는 연료전지 스택의 활성화 장치에 관한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 연료전지 스택(1)의 출력 전압 및 출력 전류를 가변하여 활성화하는 연료전지 스택의 활성화 장치에 있어서, 연료전지 스택(1)에 연료 및 공기를 공급하는 연료/공기 공급수단(60); 복수 개의 단위 축전지(21)로 구성되고, 연료전지 스택(1)에 직렬 및 병렬로 연결할 단위 축전지(21)의 개수를 선택하는 스위치부(22, 23)를 구비하는 축전지 뱅크(20); 연료전지 스택(1)에서 출력시킬 전압 및 전류의 활성화 스케줄이 저장되어, 활성화 스케줄에 맞추어 연료 및 공기를 공급하도록 제어하는 한편, 스위치부(22, 23)를 제어하여 단위 축전지(21)의 직렬 연결 개수로 활성화 스케줄의 전압을 맞추고 단위 축전지(21)의 병렬 연결 개수로 활성화 스케줄의 전류를 맞추어 연료전지 스택(1)의 출력 전력을 직렬 및 병렬연결한 단위 축전지들에 충전시키는 컨트롤러(10); 를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 컨트롤러(10)는 단위 축전지(21)들의 충전상태(SOC : state of charge)를 검출하여 충전상태에 대응되는 충전전압 및 충전전류를 충전특성에 근거하여 획득한 후, 단위 축전지(21)들의 충전전압으로부터 활성화 스케줄의 전압에 필요한 단위 축전지(21)의 직렬 연결 개수를 획득하고, 단위 축전지(21)들의 충전전류로부터 활성화 스케줄의 전류에 필요한 단위 축전지(21)의 병렬 연결 개수를 획득함을 특징으로 한다.

상기 컨트롤러(10)는 단위 축전지(21)들의 충전상태(SOC : state of charge)를 검출하여 만충전된 단위 축전지를 제외한 나머지 단위 축전지들을 직렬 및 병렬 연결하여 활성화 스케줄의 전압 및 전류를 맞추어 충전시킴을 특징으로 한다.

상기 축전지 뱅크(10)의 충전 전기를 DC/AC변환하여 전력계통에 공급하기 위해 마련한 인버터(50)와, 축전지 뱅크(20)를 상기 인버터(50) 및 축전지 뱅크 중에 어느 하나에 선택적으로 연결시키는 절환스위치부(30)를 포함하여 구성되고, 상기 컨트롤러(10)는 축전지 뱅크(20)의 충전상태가 미리 설정된 방전조건에 도달하면, 상기 절환스위치부(30)를 제어하여 상기 인버터(50)에 연결시켜 축전지 뱅크(20)의 충전 전기를 전력계통에 공급시킴을 특징으로 한다.

상기 축전지 뱅크(10)는 복수 개로 마련되어 절환스위치부(30)에 의해 개별적으로 연료전지 스택(1) 및 전력계통 중에 어느 한쪽에 연결되며, 상기 컨트롤러(10)는 상기 미리 설정된 방전조건에 도달하지 아니한 축전지 뱅크(10)를 절환스위치부(30)로 선별하여 연료전지 스택(1)에 연결 및 충전시키고, 상기 미리 설정된 방전조건에 도달한 축전지 뱅크(10)를 절환스위치부(30)로 선별하여 전력계통에 충전 전기를 공급시킴을 특징으로 한다.

상기 미리 설정된 방전조건은 만충전된 단위 축전지의 개수로 설정됨을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명은 복수의 단위 축전지들로 구성한 축전지 뱅크를 연료전지 스택의 부하로 연결되고, 단위 축전지들의 직렬 연결 개수 및 병렬 연결 개수를 조절하게 구성되어, 활성화 스케줄의 전압 및 전류에 맞추며 부하로서의 역할을 수행하고, 부하로서 공급받는 전기를 충전하는 중에도 부하변동 과정에서 전력소비를 최소화하며 충전할 수 있다.

또한, 본 발명은 충전한 전기를 전력계통에 공급하도록 구성되어서, 활성화 공정에 소요되는 비용을 절감함은 물론이고, 복수의 축전지 뱅크를 채용함으로써 활성화 공정에 따라 연료전지 스택의 부하로서 충전시키는 축전지 뱅크와 전력계통에 전기를 공급하기 위한 방전시키는 축전지 뱅크를 구분하여 동시 사용하므로, 연료전지 스택들을 연속적으로 활성화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 활성화 장치의 구성도.
도 2는 도 1에 도시한 축전지 뱅크(20)의 구성도.
도 3은 도 1에 도시한 축전지 뱅크(20)의 다른 실시예 구성도.
도 4는 일반적인 연료전지 유닛의 기본 구성도.
도 5는 종래기술에 따른 연료전지 스택의 활성화 장치의 구성도.
도 6은 활성화 스케줄의 예를 보여주는 그래프.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 활성화 장치의 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시한 축전지 뱅크(20)의 구성도이다.

상기 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 활성화 장치는 미리 설정된 활성화 스케줄에 따라 연료전지 스택(1)에서 출력하는 전기의 전압 및 전류를 가변하되, 연료전지 스택(1)의 활성화 스케줄을 수행하는 데 필요한 전자부하를 축전지 뱅크(20)로 대체하여 활성화 스케줄을 수행하는 중에 생성되는 전기를 충전하고 충전한 전기를 전력계통에 공급하도록 구성된다.

상기 활성화 스케줄은 연료전지 스택(1)에 연료 및 공기를 공급하며 활성화함에 있어서, 연료전지 스택(1)에 의해 생성되어 축전지 뱅크(20, 종래 전자부하를 대체한 구성요소)에 공급되는 전기의 전압 및 전류에 대한 그래프로 작성된다. 예를 들어, 도 6의 (a)에 도시한 활성화 스케줄에 따르면 ⅰ) OCV(15min) → ⅱ) 600㎷/cell(75min) → ⅲ) 850㎷/cell(20min)→ ⅳ) 600㎷/cell(30min) 의 순서로 진행되되, ⅲ)단계와 ⅳ)단계를 3회 반복 진행하고, 도 6의 (b)에 도시한 활성화 스케줄에 따르면 전처리 구간과 후처리 구간으로 나누어지되, 전처리 구간은 ⅰ) 100→900㎷/cell(각 100㎷/cell-2min) → 1,000㎷/cell(30min)의 순서로 진행하고, 후처리 구간은 ⅱ) 900→100㎷/cell(각 100㎷/cell-5min)으로 진행한다. 즉, 종래 전자부하를 대체한 축전지 뱅크(20)는 활성화 스케줄에 따른 전압 및 전류로 공급받을 수 있도록 구성되어야 한다.

이를 위해서, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 활성화 장치는 복수 개의 축전지 뱅크(20), 연료전지에 연결되는 충전회로(40), 전력계통에 연결되는 인버터(50), 복수 개의 축전지 뱅크(20)를 개별적으로 연료전지 스택(1) 및 전력계통 중에 어느 한쪽에 연결하는 절환스위치(30), 연료전지 스택(1)에 연료 및 공기를 공급하는 연료/공기 공급수단(60), 및 미리 설정된 활성화 스케줄과 미리 설정된 방전조건에 따라 축전지 뱅크(20) 내의 스위치부(22,23)와 상기 절환스위치(30)의 스위칭 동작을 제어하고 미리 설정된 활성화 스케줄에 따라 상기 연료/공기 공급수단(60)을 제어하는 컨트롤러(10)를 포함하여 구성된다.

각각의 충전지 뱅크(20)는 복수 개의 단위 축전지(21)를 구비하는 한편, 연료전지 스택(1)에 직렬 및 병렬로 연결할 단위 축전지(21)의 개수를 선택하는 스위치부(22, 23)도 구비하여서, 직렬 연결되는 단위 축전지(21)의 개수에 따라 충전되는 전압이 가변되고, 병렬 연결되는 단위 축전지(21)의 개수에 따라 충전되는 전류가 가변되게 구성된다.

상기 도 2에 도시한 충전지 뱅크(20)에 따르면, 외부로 인출되는 2가닥의 인출라인(24)에 일련의 단위 축전지들을 직렬로 연결하되, 인접하는 단위 축전지간을 연결하는 전선에는 전단의 단위 축전지를 인출라인(24) 측에 연결하고 후단의 단위 축전지를 인출라인(24)으로부터 전기적으로 분리하여 전단의 단위 축전지까지만 인출라인(24)에 직렬로 연결되게 하는 제1 스위치부(22)를 설치하였다.

구체적으로 살펴보면, 인출라인(24)에 직접 연결되는 첫번째 단위 축전지의 (+)극을 인출라인(24)의 (+)극 전선(24a)에 연결하고 마지막 단위 축전지의 (-)극을 인출라인(24)의 (-)극 전선(24b)에 연결한 후, 인접하는 단위 축전지간을 연결하는 제1 스위치(22)는 3로스위치로 구성하여 전단의 단위 축전지의 (-)극을 후단의 단위 축전지의 (+)극 및 인출라인(24)의 (-)극 전선(24b) 중에 어느 하나에 선택적으로 연결하게 한다.

또한, 직렬로 연결되는 단위 축전지의 각각에 복수 개의 단위 축전지들을 병렬로 연결하되, 선택적으로 병렬연결하는 제2 스위치부(23)를 병렬로 배치한 각각의 단위 축전지마다 설치하여서, 직렬로 연결되는 단위 축전지를 선택적으로 직렬연결함은 물론이고 병렬로 배치한 각각의 단위 축전지들을 선택적으로 병렬연결하게 하였다.

구체적으로 살펴보면, 병렬로 배치한 단위 축전지들은 (-)극을 공통으로 연결하고 (+)극을 공통으로 연결하는 지점에는 제2 스위치부(23)에 의해 선택적으로 연결되게 하였다. 상술한 바와 같이 제2 스위치부(23)에 선택적으로 병렬 연결을 해제할 수 있게 하여서 만충전되면 충전을 중단할 수 있도록 회로적으로 분리하게 하였다.

상기 도 2에 도시한 실시예를 다른 표현으로 하면, 단위 스위치마다 제2 스위치부를 설치하여 개별적으로 병렬 연결할 수 있게 한 병렬배치 단위 축전지군을 복수 개로 마련하고, 각각의 병렬배치 단위 축전지군을 직렬연결하되 제1 스위치부에 의해서 병렬배치 단위 축전지군의 직렬 연결 개수를 선택할 수 있게 한다.

결국, 상기 축전지 뱅크(20)는 어느 제1 스위치부(22)를 인출라인(24)의 (-)극 전선에 연결하느냐에 따라 인출라인(24)에 직렬로 연결되는 단위 축전지의 개수가 선택된다. 즉, 직렬로 연결되는 단위 축전지의 개수를 제1 스위치부(22)로 조절하여서 인출라인을 통해 충전되는 전압(연료전지 스택의 부하로서 공급받는 전기의 전압)을 변경할 수 있다.

또한, 상기 축전지 뱅크(20)는 제2 스위치부(23)에 의해 병렬로 연결되는 단위 축전지의 개수를 선택함으로써, 인출라인(24)을 통해 충전되는 전류를 변경할 수 있다. 즉, 병렬 연결하는 단위 축전지의 개수를 늘릴수록 더 많은 전류를 인출라인을 통해 공급받게 하여서 충전되는 전류(연료전지 스택의 부하로서 공급받는 전기의 전류)를 변경할 수 있다.

여기서, 상기 제1 스위치부(22) 및 제2 스위치부(23)는 컨트롤러(10)에 의해 제어되고, 각각의 단위 축전지는 충전상태(SOC : state of charge)를 검출하기 위해 전기 신호적으로 컨트롤러(10)에 연결된다.

이와 같이 구성되는 축전지 뱅크(20)는 복수 개로 마련된다.

상기 절환스위치부(30)는 복수 개로 마련된 축전지 뱅크(20)를 개별적으로 충전회로(40)를 통해 연료전지 스택(1)에 연결하거나 아니면 인버터(50)를 통해 전력계통에 연결할 수 있게 한다.

즉, 상기 절환스위치부(30)는 각 축전지 뱅크(20)의 인출라인(24)의 단부에 하나씩 설치되어서, 연료전지 스택(1) 및 전력계통 중에 어느 한쪽을 선택하여 연결할 수 있게 마련되어서, 충전할 여력이 있는 축전지 뱅크(20), 즉, 후술하는 미리 설정된 방전조건에 도달하지 아니한 축전지 뱅크(20)를 선택하여 연료전지 스택(1)에 연결하여 충전한다. 그리고, 방전할 필요가 있는 축전지 뱅크(20), 즉, 후술하는 미리 설정된 방전조건에 도달한 축전지 뱅크(20)를 선택하여 전력계통에 연결하여 방전한다.

상기 도 1에 도시한 실시예에 따르면, 충전회로(40)에 연결되는 충전라인(31)과 인버터(50)에 연결되는 방전라인(32)이 마련되어서, 각각의 축전지 뱅크(20)는 인출라인의 단부에 설치된 절환스위치부(30)에 의해서 충전라인(31) 및 방전라인(32) 중에 어느 하나의 라인에 연결된다. 여기서, 각각의 축전지 뱅크(20)의 인출라인(24)에 설치한 절환스위치부(30)는 컨트롤러(10)에 의해 제어된다.

상기 충전회로(40)는 상기 충전라인(31)과 연료전지 스택(1)을 이어주는 구성요소로서, 연료전지 스택(1)에서 생성되는 전기를 상기 충전라인(31)에 연결된 축전지 뱅크(20)에 충전할 시에, 전류를 제한하는 보호회로, 축전지 뱅크(20)에서 연료전지 스택(1)으로 전기가 역류하지 못하게 하는 다이오드를 예를 들 수 있는 역류방지회로를 포함하여 구성될 수 있다. 그리고, 상기 충전회로(40)는 충전라인(31)을 통해 충전하는 전기의 전압 및 전류를 검출하는 센서를 구비하여 검출한 전압 전류를 컨트롤러(10)에 전달한다.

한편, 충전회로(40)와 연료전지 스택(1) 사이를 전기적으로 분리할 수 있는 개폐기(41)가 마련되며, 이러한 개폐기(41)는 연료전지 스택(1)을 교체할 때 또는 연료전지 스택(1)을 무부하 상태로 할 때에 사용될 수 있다. 연료전지 스택(1)을 무부하 상태로 만드는 방법으로는 상기 도 2에 도시한 바와 같이 인출라인(24)에 직접 연결되는 제2 스위치부(23)를 모두 오프(OFF) 상태로 제어하면 된다. 여기서, 무부하 상태는 활성화 스케줄에 무부하 상태가 있을 시에 사용될 수 있다.

상기 인버터(50)는 방전라인(32)에 연결되는 축전지 뱅크(20)의 충전 전기를 DC/AC변환하여 전력계통에 공급하며, 방전라인(32)과의 전기적 연결을 개폐기(51)로 해제할 수 있게 되어 있다. 여기서, DC/AC변환이라 함은 축전지 뱅크(20)에 충전한 전기를 전력계통의 교류전기로 변성하는 것을 말하며, 공지된 기술이므로 상세한 설명은 생략한다.

물론, 상기 인버터(50)는 축전지의 방전에 필요한 방전회로를 포함하여 구성된다.

상기 개폐기(51)는 전력계통과의 연결을 해제할 용도로 사용됨은 물론이고 미리 설정된 방전조건을 만족하는 축전지 뱅크(20)가 있더라도 복수 개의 축전지 뱅크(20)에 충전된 전기를 한꺼번에 전력계통에 공급하는 용도로도 사용될 수 있으며, 이러한 용도로 사용되려면 컨트롤러(10)에 의해 제어되어 개폐하도록 컨트롤러(10)에 연결한다.

상기 연료/공기 공급수단(60)은 연료전지 스택(1)에 연료 및 공기를 공급하여 일정한 운전 조건 하에서 연료전지 스택(1)에서 전기를 생성하게 한다. 여기서 공급하는 연료 및 공기는 공지된 바와 같이 가습기로 가습한 습윤 연료 및 습윤 공기이며, 연료전지 스택(1)의 일정한 운전 조건은 공급가스의 양론비, 스택의 온도, 습윤 연료와 습윤 공기의 상대습도, 연료전지 스택내에서의 연료 및 공기의 압력 등에 대한 운전 조건을 포함할 수 있다. 그리고, 연료 및 공기의 공급량을 조절하여 연료전지 스택(1)으로 출력할 전기의 전류를 가변할 수 있으므로, 상기 연료/공기 공급수단(60)은 활성화 스케줄에 따른 컨트롤러(10)의 제어동작에 의해서 활성화 스케줄에 맞춰 연료 및 공기의 공급량을 조절한다.

도면에는 도시하지 아니하였지만, 본 발명에 따른 연료전지 스택의 활성화 장치는 연료전지 스택(1)에서 생성되는 물을 회수하는 수단, 스택을 냉각하는 수단, 연료전지 스택(1)에서 배출되는 가스로부터 미 사용된 연료를 회수하는 수단처럼, 공지된 구성요소도 포함함은 자명하므로, 이에 대한 상세 설명은 생략하였다.

상기 컨트롤러(10)는 활성화 스케줄에 대응되는 연료 및 공기의 공급량을 제어하여 일정한 운전 조건 하에서 연료전지 스택(1)으로 전기를 생성하게 하고, 동시에, 연료전지 스택(1)에서 생성하는 전기를 부하로서 충전할 축전지 뱅크(20)를 선택하고 활성화 스케줄에 대응되는 전압 및 전류로 충전하도록 축전지 뱅크(20) 내에서 직렬 및 병렬 연결할 단위 축전지를 선택하는 제어 동작을 수행한다.

이를 위해서, 상기 컨트롤러(10)는 활성화 스케줄과 단위 축전지의 충전특성에 관련된 데이터를 저장하는 저장부(12), 단위 축전지들의 충전상태를 축전지 뱅크별로 구분하여 검출하는 충전상태 검출부(14), 충전회로(40)에 연결되어 충전 전압 및 충전 전류를 검출하는 전압/전류 검출부(15), 연료/공기 공급수단(60)에 연결되어 연료 및 공기의 공급량을 조절하는 연료/공기 조절부(16), 제1 스위치부(22)와 제2 스위치부(23)와 절환스위치(30)의 스위칭동작을 제어하는 스위칭부(13), 및 활성화 스케줄에 따라 컨트롤러(10)에서 수행하여야 할 전반적 동작을 제어하는 제어부(11)를 포함하여 구성된다.

먼저, 활성화 스케줄은 도 6을 참조하여 설명한 바와 같이 연료전지 스택(1)에 연료 및 공기를 공급하여 출력시킬 전기의 전압 및 전류에 관련된 스케줄, 즉, 축전지 뱅크가 부하로서 공급받을 전기의 전압 및 전류에 관련된 스케줄을 포함하며, 연료전지 스택(1)에 공급할 연료 및 공기의 공급량, 즉, 유량에 관련된 스케줄도 포함한다. 이는 연료 및 공기의 유량에 의해서 출력 전류가 좌우되기 때문이다.

그리고, 단위 축전지의 충전특성은 단위 축전지의 충전상태(SOC)에 관련된 전압 및 전류 데이터를 포함한다. 일반적으로 공지된 바와 같이 축전지는 충전상태(SOC)에 따라 충전 전압이 변하고 동일한 충전회로를 거쳐 충전 전압으로 충전하게 되는 충전 전류도 변한다. 이러한 전압 및 전류 특성은 충전특성 곡선으로 파악할 수 있다. 또한, 충전상태에 관련된 충전특성 곡선으로부터 만충전 상태 및 방전 종지 상태도 알 수 있다.

이와 같이, 활성화 스케줄 및 충전특성에 대한 데이터에 따라, 상기 제어부(11)는 다음과 같이 제어동작을 수행한다.

먼저, 충전상태 검출부(14)를 통해서 축전지 뱅크(20)의 단위 축전지들에 대한 충전상태를 검출하여, 충전상태에 대응되는 충전전압 및 충전전류(또는 충전 가능 전류)를 충전특성에 근거하여 각 단위 축전지별 및 축전지 뱅크별로 획득하여서, 미리 설정된 방전조건에 도달하지 아니한 축전지 뱅크를 상기 절환스위치부(30)로 선별하여 충전라인(31) 및 충전회로(40)를 거쳐 연료전지 스택(1)에 연결되게 한다. 또한, 연료전지 스택(1)에 연결한 축전지 뱅크 내의 단위 축전지들 중에, 만충전되지 아니한 단위 축전지들을 충전상태에 따라 선별한다.

그리고, 활성화 스케줄에 맞추어 연료 및 공기를 연료전지 스택(1)에 공급하도록 상기 연료/공기 조절부(16)를 통해 연료/공기 공급수단(60)을 제어함과 동시에, 절환스위치부(30)로 선별한 축전지 뱅크 내에서 만충전되지 아니하여 선별된 단위 축전지들을 이용하여 활성화 스케줄의 전압 및 전류에 맞춘 부하로서 동작하도록 제1,2 스위치부(22, 23)를 제어한다.

즉, 선별된 단위 축전지들의 충전전압으로부터 활성화 스케줄의 전압을 맞추기 위한 단위 축전지(21)의 직렬 연결 개수 및 활성화 스케줄의 전류를 맞추기 위한 단위 축전지(21)의 병렬 연결 개수를 파악하여서, 파악한 개수의 단위 축전지들을 제1,2 스위치부(22, 23)의 제어에 의해 직렬 및 병렬로 연결되게 한다. 이에 따라, 연료전지 스택(1)에서 생성된 전력은 제1,2 스위치부(22, 23)에 의해 직렬 및 병렬로 연결된 단위 축전지에 충전된다.

이때, 단위 축전지들도 전기를 충전하면 전기공급원이 될 수 있으므로, 연료전지 스택에서 생성되는 전기를 단위 축전지들에 충전하려면, 직렬 연결하는 단위 축전지들의 양단 전압을 연료전지 스택에서 발생시키게 되는 전압보다 작게 되도록 직렬 연결하는 단위 축전지의 개수를 조절한다. 물론, 충전회로(40)에 역류방지회로가 있으므로, 전기 역류는 발생하지 아니하며, 제1,2 스위치부(22,23)의 고장에 의한 사고를 방지하기 위해서 각각의 단위 축전지에도 역류방지회로를 장착하는 것이 좋다.

그런데, 일반적으로 활성화 스케줄에 의하면, 부하로서 축전지 뱅크를 동작시켜 공급받는 전기의 전압 및 전류는 시간에 따라 가변하게 작성되므로, 선별된 축전지 뱅크 내에서 충전되는 단위 축전지들이 시간에 따라 달라지고, 결국, 단위 축전지들의 충전 상태도 달라진다. 따라서, 활성화 스케줄에 따라 단위 축전지들을 충전하는 중에도 단위 축전지들의 충전상태를 지속적으로 파악하여 만충전된 단위 축전지는 제외시키고 나머지 단위 축전지들로 직렬 및 병렬로 연결하여 활성화 스케줄에 맞춘 부하로 동작하게 한다.

한편, 단위 축전지의 직렬 연결 개수 및 병렬 연결 개수로 활성화 스케줄의 부하 전압 및 전류를 맞추는 것은 부정확할 수 있으므로, 제어부(11)는 충전회로(40)로부터 전달받는 충전 전압 및 충전 전류, 즉, 충전라인(31)을 통해 축전지 뱅크로 유입되는 전기의 전압 및 전류를 파악하여서, 활성화 스케줄의 전압 및 전류와의 오차가 커지면, 직렬 연결하는 개수 및 병렬 연결하는 개수를 조절하여서 활성화 스케줄에 맞춘다.

하지만, 상기 도 2에 도시한 축전지 뱅크에서는 인출라인(24)에 가까운 순서로 직렬연결되므로, 후단으로 갈수록 대체로 충전량이 적어지게 되므로, 충전량의 편차가 심해진다. 이러한 편차를 줄이기 위해서, 본 발명은 도 3에 도시한 충전지 뱅크(20)의 다른 실시예를 채용할 수 있다.

도 3에 도시한 충전지 뱅크(20)에 따르면, 제1 스위치부(22)는 2개로 구성된다.

즉, 도 2에 도시한 실시예와 동일하게 설치되어 단위 축전지의 (-)극 단자를 인출라인(24)에 연결하는 스위치(22a)와 더불어, 단위 축전지의 (+)극과 (-)극을 직결하는 직결용 스위치(22b)를 포함하여 구성된다. 이때, 직결용 스위치(22b)는 제2 스위치부(23)의 접점 중에 인출라인(24) 측의 접점과 단위 축전지의 (-)극 단자 사이를 직결하게 하고, 직결용 스위치(22b)가 온(ON)하여 직결하게 되면 단위 축전지 및 이에 병렬로 연결되는 단위 축전지들의 제2 스위치부(23)는 오프시켜서 단락사고가 발생하지 아니하게 한다.

이와 같이 직결용 스위치(22b)를 구비함으로써, 인출라인(24)에 가까운 단위 축전지를 충전시키지 아니하고 후단의 단위 축전지들을 직병렬 연결하여 충전할 수 있다.

이와 같이, 연료전지 스택(1)들을 순차적으로 활성화하게 되면, 만충전되는 단위 축전지의 개수가 늘어나서, 미리 설정된 방전조건에 도달하게 되는 축전지 뱅크(10)는 활성화 스케줄을 위한 부하로서 사용되지 아니하고 제외된다.

즉, 상기 제어부(11)는 미리 설정된 방전조건에 도달한 축전지 뱅크(10)를 상기 절환스위치(30)를 제어하여 상기 인버터(50)에 연결시킴으로써, 충전 전기를 전력계통에 공급하게 한다.

이때, 상기 미리 설정된 방전조건은 축전지 뱅크(10) 내의 만충전된 단위 축전지의 개수로 설정될 수 있다. 그리고, 축전지 뱅크(10) 내의 만충전된 단위 축전지 및 방전하여도 될 만큼 충분히 충전된 단위 축전지들을 제1,2 스위치부(22, 23)으로 선별하여서 전력계통에 공급하게 한다.

여기서, 만충전된 단위 축전지의 개수는 예를 들어 하나의 연료전지 스택을 활성화하는 필요한 단위 축전지의 개수를 축전지 뱅크 내의 전체 개수에서 뺄셈하여 얻는 개수로 할 수 있다. 그리고, 방전하여도 될 만큼 충분히 충전된 단위 축전지들이라 함은 만충전되지는 아니하였지만, 미리 설정된 기준의 충전상태로 충분히 충전된 단위 축전지들을 의미한다.

이와 같이 전력계통에 충전 전기를 공급하여 방전함으로써, 활성화 스케줄에 따른 부하로서 다시 사용할 수 있다. 물론, 단위 축전지의 방전은 충전상태로 얻어지는 방전종지 상태에서 멈춘다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 연료전지 스택의 활성화 장치는 축전지를 연료전지 스택의 부하로 구성하고, 단위 축전지의 직렬 연결 개수 및 병렬 연결 개수의 조절로 연료전지 스택의 부하를 변동하면서 부하로서 공급받는 전기를 충전하므로, 연료전지 스택의 활성화 스케줄을 소화하면서 전력 낭비를 최소화한다. 더욱이, 충전한 전기를 전력계통에 공급함으로써, 연료전지 스택의 제조과정에 필요한 활성화 공정을 수행하면서 발전기 역할도 하여, 제조비용의 절감효과도 얻을 수 있다.

이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.

1 : 연료전지 스택
10 : 컨트롤러
20 : 축전지 뱅크 21 : 단위 축전지
22 : 제1 스위치부 23 : 제2 스위치부
24 : 인출라인
30 : 절환스위치부 31 : 충전라인 32 : 방전라인
40 : 충전회로 41 : 개폐기
50 : 인버터 51 : 개폐기
60 : 연료/공기 공급수단

Claims

연료전지 스택(1)의 출력 전압 및 출력 전류를 가변하여 활성화하는 연료전지 스택의 활성화 장치에 있어서,
연료전지 스택(1)에 연료 및 공기를 공급하는 연료/공기 공급수단(60);
복수 개의 단위 축전지(21)로 구성되고, 연료전지 스택(1)에 직렬 및 병렬로 연결할 단위 축전지(21)의 개수를 선택하는 스위치부(22, 23)를 구비하는 축전지 뱅크(20);
연료전지 스택(1)에서 출력시킬 전압 및 전류의 활성화 스케줄이 저장되어, 활성화 스케줄에 맞추어 연료 및 공기를 공급하도록 제어하는 한편, 스위치부(22, 23)를 제어하여 단위 축전지(21)의 직렬 연결 개수로 활성화 스케줄의 전압을 맞추고 단위 축전지(21)의 병렬 연결 개수로 활성화 스케줄의 전류를 맞추어 연료전지 스택(1)의 출력 전력을 직렬 및 병렬연결한 단위 축전지들에 충전시키는 컨트롤러(10);
를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 연료전지 스택의 활성화 장치.
제 1항에 있어서,
상기 컨트롤러(10)는 단위 축전지(21)들의 충전상태(SOC : state of charge)를 검출하여 충전상태에 대응되는 충전전압 및 충전전류를 충전특성에 근거하여 획득한 후, 단위 축전지(21)들의 충전전압으로부터 활성화 스케줄의 전압에 필요한 단위 축전지(21)의 직렬 연결 개수를 획득하고, 단위 축전지(21)들의 충전전류로부터 활성화 스케줄의 전류에 필요한 단위 축전지(21)의 병렬 연결 개수를 획득함을 특징으로 하는 연료전지 스택의 활성화 장치.
제 2항에 있어서,
상기 컨트롤러(10)는 단위 축전지(21)들의 충전상태(SOC : state of charge)를 검출하여 만충전된 단위 축전지를 제외한 나머지 단위 축전지들을 직렬 및 병렬 연결하여 활성화 스케줄의 전압 및 전류를 맞추어 충전시킴을 특징으로 하는 연료전지 스택의 활성화 장치.
제 3항에 있어서,
상기 축전지 뱅크(10)의 충전 전기를 DC/AC변환하여 전력계통에 공급하기 위해 마련한 인버터(50)와, 축전지 뱅크(20)를 상기 인버터(50) 및 축전지 뱅크 중에 어느 하나에 선택적으로 연결시키는 절환스위치부(30)를 포함하여 구성되고,
상기 컨트롤러(10)는 축전지 뱅크(20)의 충전상태가 미리 설정된 방전조건에 도달하면, 상기 절환스위치부(30)를 제어하여 상기 인버터(50)에 연결시켜 축전지 뱅크(20)의 충전 전기를 전력계통에 공급시킴을 특징으로 하는 연료전지 스택의 활성화 장치.
제 4항에 있어서,
상기 축전지 뱅크(10)는 복수 개로 마련되어 절환스위치부(30)에 의해 개별적으로 연료전지 스택(1) 및 전력계통 중에 어느 한쪽에 연결되며,
상기 컨트롤러(10)는 상기 미리 설정된 방전조건에 도달하지 아니한 축전지 뱅크(10)를 절환스위치부(30)로 선별하여 연료전지 스택(1)에 연결 및 충전시키고, 상기 미리 설정된 방전조건에 도달한 축전지 뱅크(10)를 절환스위치부(30)로 선별하여 전력계통에 충전 전기를 공급시킴을 특징으로 하는 연료전지 스택의 활성화 장치.
제 5항에 있어서,
상기 미리 설정된 방전조건은 만충전된 단위 축전지의 개수로 설정됨을 특징으로 하는 연료전지 스택의 활성화 장치.