KR20190060417A - 연료전지 파워팩 및 그것의 전원 공급 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는 드론의 동작에 필요한 전원을 공급하는 연료전지를 장착할 때 드론의 사양과 부하에 따라 매번 다른 사양의 연료전지를 장착하지 않고, 한 번 장착된 연료전지에서 드론의 사양과 부하를 자동으로 인식하여, 인식된 드론의 부하에 따라 필요한 전원을 자동으로 조절하여 드론에 공급할 수 있도록 하는, 연료전지 파워팩 및 그것의 전원 공급 제어 방법이 개시된다.
연료전지 파워팩은 부하에 공급할 전기를 생성하며 서로 전기적으로 연결된 복수의 연료전지 스택 모듈, 상기 부하의 전력소모량을 감지하는 부하전력감지부 및 상기 부하전력감지부에서 감지한 상기 부하의 전력소모량에 대응하여 상기 복수의 연료전지 스택 모듈 각각을 제어하여 온(on) 또는 오프(off) 시키는 파워팩 컨트롤러를 포함하는 연료전지 파워팩을 포함할 수 있다.

Description

연료전지 파워팩 및 그것의 전원 공급 제어 방법{Fuel cell power pack, and power supply control method thereof}
본 발명은 연료전지 파워팩 및 그것의 전원 공급 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 드론의 사양과 부하에 따라 매번 다른 사양의 연료전지를 드론에 장착하는 것이 아니라 드론의 사양과 부하를 자동으로 인식하여 인식된 드론의 부하에 따라 필요한 전원을 자동으로 선택하여 드론에 공급할 수 있도록 하는 연료전지 파워팩 및 그것의 전원 공급 제어 방법에 관한 것이다.
연료전지는 고효율의 청정 에너지원으로서 점차 그 사용 영역이 확대되어 가고 있으며, 여러 종류의 연료전지 중에서 특히 고분자 전해질(막) 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 다른 형태의 연료전지에 비해 비교적 낮은 온도에서 작동하고 시동시간이 짧으며 부하 변화에 대한 빠른 응답 특성을 가지고 있다.
또한 고분자 전해질 연료전지는 효율이 높고 전류밀도 및 출력밀도가 크다. 또한 반응가스(수소 및 공기 중 산소)의 압력 변화에 덜 민감하며 다양한 범위의 출력을 낼 수 있다. 이런 이유로 무공해 차량의 동력원, 자가 발전용, 이동용 및 군사용 전원 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.
고분자 전해질막 연료전지는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치로서, 공급된 수소가 애노드의 촉매에서 수소이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질막을 통해 캐소드로 넘어가게 된다. 이때, 캐소드에 공급된 공기 중 산소는 외부 도선을 통해 캐소드로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기 에너지를 발생시킨다.
한편, 실제 차량(Vehicle)이나 드론(Drone)에서 필요한 전위를 얻기 위해서는 필요한 전위만큼 단위 셀을 적층하여야 하며, 이렇게 단위 셀을 적층한 것을 스택(또는 연료전지 스택)이라 한다. 1 개의 단위 셀에서 발생하는 전위는 약 0.5V 내지 1V로서, 다수의 셀을 직렬로 적층하여 부하에 필요한 전력을 공급하고 있다. 각 단위 셀은 막전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)를 포함하며, 막전극 접합체에서 수소이온이 전달되는 고분자 전해질막을 사이에 두고 양측으로 수소가 공급되는 애노드 전극과 공기(산소)가 공급되는 캐소드 전극이 구비된다. 또한 촉매층을 포함하는 애노드 전극 및 캐소드 전극의 바깥쪽에는 가스 확산층이 배치되며, 이러한 막전극 접합체와 반응가스 및 냉각수 유로가 형성된 분리판을 순차적으로 적층한 것이 연료전지 스택이다.
그런데, 연료전지를 드론에 장착하여 사용할 경우에는 드론의 사양, 즉 패이로드나 비행 거리, 비행 시간에 따라 그에 알맞는 하나의 연료전지 스택을 채택하여 장착하게 된다.
드론에 장착된 연료전지는 그 사양에 따라 공급되는 전압이 정해져 있으나 운전 상황에 따라 전력이 크게 변화하기 때문에 장착된 하나의 연료전지 스택으로 전원을 공급하기에는 어려움이 있다.
또한, 드론의 사양이 바뀔 때마다 그에 알맞는 연료전지로 교체하여 장착해야 하는 번거로움이 있으며, 이렇게 사양이 달라지는 드론을 위한 연료전지 스택을 설계하고 제작하는 데에도 어려움이 있다.
한국 등록특허공보 제 10-1396732 B1 (2014.05.12)
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 드론에 장착된 연료전지 파워팩에서 드론의 사양과 부하를 자동으로 인식하고, 인식된 드론의 부하에 따라 필요한 전원을 자동으로 선택하여 드론에 공급할 수 있는 연료전지 파워팩 및 그것의 전원 공급 제어 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 실시예에 따르면, 다수 개의 스택(Stack)과 이들을 제어하는 컨트롤러를 하나의 파워 팩(Power Pack)으로 구성하여드론 부하에 따른 필요 전력에 따라 하나 이상의 스택을 자동으로 온(ON) 시켜 해당 부하에 전원을 공급하고, 부하의 전력 소모량에 따라 하나 이상의 스택을 자동으로 오프(OFF) 시켜 가변적으로 전원을 공급할 수 있도록 하는 연료전지 파워팩 및 그것의 전원 공급 제어 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 연료전지 파워팩을 제공한다. 연료전지 파워팩은 부하에 공급할 전기를 생성하며 서로 전기적으로 연결된 복수의 연료전지 스택 모듈, 상기 부하의 전력소모량을 감지하는 부하전력감지부 및 상기 부하전력감지부에서 감지한 상기 부하의 전력소모량에 대응하여 상기 복수의 연료전지 스택 모듈 각각을 제어하여 온(on) 또는 오프(off) 시키는 파워팩 컨트롤러를 포함한다.
일 실시예에 의하여, 상기 부하전력감지부는 상기 복수의 연료전지 스택 모듈의 전압 또는 전류를 측정하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 의하여, 상기 부하전력감지부에서 측정한 전력소모량이 소정의 저임계치 이하인 경우, 상기 파워팩 컨트롤러는 오프(off) 상태에 있는 상기 연료전지 스택 모듈들 중 일부를 온(on) 시킴으로써 상기 부하에 인가하는 전력을 증가시키는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 의하여, 상기 부하전력감지부에서 측정한 전력소모량이 소정의 고임계치 이상인 경우, 상기 파워팩 컨트롤러는 온(on) 상태에 있는 상기 연료전지 스택 모듈들 중 일부를 오프(off) 시킴으로써 상기 부하에 인가하는 출력을 감소시키는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 의하여, 상기 부하는 드론이며, 상기 부하전력감지부에 의해 상기 드론의 전력소모량을 감지한 결과 상기 드론이 대기(idle)상태에 있는 것으로 판단되는 경우, 상기 파워팩 컨트롤러는 상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 중 적어도 하나의 연료전지 스택 모듈을 온(on)시키는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 의하여, 상기 부하는 드론이며, 상기 부하전력감지부에 의해 상기 드론의 전력소모량을 감지한 결과 상기 드론이 대기(idle)상태에서 비행상태로 전환한 경우, 상기 파워팩 컨트롤러는 상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 중 오프(off) 상태에 있는 적어도 하나의 연료전지 스택 모듈을 온(on) 시키는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 의하여, 상기 부하는 드론이며, 상기 부하전력감지부에 의해 상기 드론의 전력소모량을 감지한 결과 상기 드론이 비행상태에서 대기(idle)상태로 전환한 경우, 상기 파워팩 컨트롤러는 상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 중 온(on) 상태에 있는 적어도 하나의 연료전지 스택 모듈을 오프(off) 시키는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 의하여, 상기 부하는 드론이며, 상기 부하전력감지부에 의해 상기 드론의 전력소모량을 감지한 결과 상기 드론의 중량이 소정치 이하로 감소한 것으로 판단되는 경우, 상기 파워팩 컨트롤러는 상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 중 온(on) 상태에 있는 적어도 하나의 연료전지 스택 모듈을 오프(off) 시키는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 의하여, 상기 부하는 드론이며, 상기 부하전력감지부에 의해 상기 드론의 전력소모량을 감지한 결과 상기 드론의 중량이 소정치 이상으로 증가한 것으로 판단되는 경우, 상기 파워팩 컨트롤러는 상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 중 오프(off) 상태에 있는 적어도 하나의 연료전지 스택 모듈을 온(on) 시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 전원공급방법을 제공한다. 연료전지 전원공급방법은 서로 전기적으로 연결된 복수의 연료전지 스택 모듈들에서 연료와 공기를 흡입하여 전기를 생성하는 단계, 상기 복수의 연료전지 스택 모듈들로부터 전기를 공급받는 부하의 전력소모량을 감지하는 단계 및 상기 부하의 전력소모량에 대응하여 상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 각각을 제어하여 온(on) 또는 오프(off) 시키는 단계를 포함한다.
일 실시예에 의하여, 상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 각각을 제어하여 온(on) 또는 오프(off)시키는 단계는, 상기 전력소모량이 소정의 저임계치 이하인 경우, 오프(off) 상태에 있는 상기 연료전지 스택 모듈들 중 일부를 온(on) 시킴으로써 상기 부하에 인가하는 전력을 증가시키는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 의하여, 상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 각각을 제어하여 온(on) 또는 오프(off)시키는 단계는, 상기 전력소모량이 소정의 고임계치 이상인 경우, 온(on) 상태에 있는 상기 연료전지 스택 모듈들 중 일부를 오프(off) 시킴으로써 상기 부하에 인가하는 출력을 감소시키는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 의하여, 상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 각각을 제어하여 온(on) 또는 오프(off)시키는 단계는, 상기 부하가 드론이고 상기 드론의 전력소모량을 감지한 결과 상기 드론이 대기(idle)상태에 있는 것으로 판단되는 경우, 상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 중 적어도 하나의 연료전지 스택 모듈을 온(on)시키는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 의하여, 상기 드론의 전력소모량을 감지한 결과 상기 드론이 대기(idle)상태에서 비행상태로 전환한 경우, 상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 중 오프(off) 상태에 있는 적어도 하나의 연료전지 스택 모듈을 온(on) 시키는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 의하여, 상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 각각을 제어하여 온(on) 또는 오프(off)시키는 단계는, 상기 부하가 드론이고 상기 드론의 전력소모량을 감지한 결과 상기 드론이 비행상태에서 대기(idle)상태로 전환한 경우, 상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 중 온(on) 상태에 있는 적어도 하나의 연료전지 스택 모듈을 오프(off) 시키는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 의하여, 상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 각각을 제어하여 온(on) 또는 오프(off)시키는 단계는, 상기 부하가 드론이고 상기 드론의 전력소모량을 감지한 결과 상기 드론의 중량이 소정치 이하로 감소한 것으로 판단되는 경우, 상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 중 온(on) 상태에 있는 적어도 하나의 연료전지 스택 모듈을 오프(off) 시키는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 의하여, 상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 각각을 제어하여 온(on) 또는 오프(off)시키는 단계는, 상기 부하가 드론이고 상기 드론의 전력소모량을 감지한 결과 상기 드론의 중량이 소정치 이상으로 증가한 것으로 판단되는 경우, 상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 중 오프(off) 상태에 있는 적어도 하나의 연료전지 스택 모듈을 온(on) 시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 하나 이상의 스택을 모듈화하여 파워팩으로 제작하기에 용이하고, 하나 이상의 스택에 대한 온(ON) 또는 오프(OFF)를 통해 전원을 가변적으로 공급할 수 있다. 즉, 파워팩이 부하에 연결되면, 부하의 전력 용량에 맞게 자동으로 하나 이상의 스택을 활성화시켜 적절한 전원이 공급되도록 할 수 있다.
또한, 다수 개의 스택 모듈의 온(ON) 또는 오프(OFF)를 복잡한 구성 없이 단순화하여 실행할 수 있다.
또한, 필요한 전력량이 각기 다른 드론마다 매번 다양한 스택 모듈을 설계하는 비효율적인 방식을 탈피하고, 한가지 스펙(Specification)을 가진 스택 모듈을 가지고 다양한 파워팩을 제조할 수 있다.
따라서, 파워팩이 적용되는 부하의 종류가 다르더라도 해당 부하의 정격 전력에 맞도록 또는 전력 소모에 따른 필요 전력이 변하더라도 해당 부하의 변동 전력에 맞게 선택적으로 전원을 공급할 수 있다.
또한, 파워팩이 공급하는 전원 공급처의 요구 전력이 다르더라도, 모듈화되어 있는 스택 모듈을 직렬 또는 병렬로 하여 구성을 다양화 할 수 있다.
그리고, 파워팩 컨트롤러가 제어하는 구성요소의 단순화가 가능해 드론과 같은 소형 및 경량화를 요구하는 전원 공급처에 용이하게 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 전원 공급 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 파워 팩의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 전압(V)을 측정하는 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 파워팩의 전원 공급 제어 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90˚ 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 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.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 전원 공급 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스택 모듈의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 파워팩의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 전원 공급 제어 시스템(100)은 부하(200)에 전기적으로 연결된 연료전지 파워팩(Fuel Cell Power Pack)(120)을 포함한다. 연료전지 파워팩(120)은 연료전지 스택 모듈(Fuel Cell Stack Module)(110), 파워팩 컨트롤러(Powerpack Controller)(130) 및 부하전력감지부(140)를 포함할 수 있다.
연료전지 스택 모듈(110)은 하나의 연료전지 스택(112) 및 하나의 스택 컨트롤러(Stack Controller, 114)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 연료전지 스택 모듈(110)은 하나 이상의 단위 셀이 전기적으로 연결되어 적층된 연료전지 스택(112)에 하나의 스택 컨트롤러(114)가 장착된 구조를 가질 수 있다. 연료전지 스택(112)은 연료와 공기를 이용하여 전기화학적 반응을 통해 부하(200)에 전기를 생성할 수 있다. 여기서, 상기 연료전지 스택(112)은 연료를 공급받기 위한 연료라인과 공기를 공급받기 위한 공기라인(미도시)에 연결될 수 있다.
스택 컨트롤러(114)는 이와 연결된 연료전지 스택(112)을 제어하는 역할을 한다. 구체적으로, 스택 컨트롤러(114)는 연결되어 있는 연료전지 스택(112)의 발전을 위한 각종 센서, 밸브 및 펌프 등을 제어하는 역할을 할 수 있다. 일 예로, 부하(200)가 요구하는 전력량이 낮은 경우, 일부 스택 컨트롤러(114)는 연료전지 스택(112)이 발전하지 않도록 제어할 수 있다. 여기서, 상기 스택 컨트롤러(114)는 연료전지 스택(112) 마다 설치될 수도 있고, 필요에 따라서는 하나의 컨트롤러(114)가 각각의 연료전지 스택(112)을 제어하도록 설계될 수도 있다.
연료전지 스택 모듈(110)은 복수개로 제공될 수 있고, 연료전지 스택 모듈들(110)은 서로 직렬 또는 병렬로 연결되어 부하(200)에 전원을 제공할 수 있다. 연료전지 스택 모듈들(110) 간의 연결 관계는 작업자에 의해 다양하게 설정될 수 있다.
파워팩 컨트롤러(130)는 부하(200)의 요구 전력을 인식하고, 인식된 요구 전력에 해당하는 하나 이상의 연료전지 스택 모듈(110)을 온(ON) 또는 오프(OFF)시켜 부하(200)의 요구 전력에 따른 전원이 공급되도록 연료전지 파워팩(120)을 제어할 수 있다. 파워팩 컨트롤러(130)는 각각의 연료전지 스택 모듈들(110)의 온(on)/오프(off)를 제어하여 부하(200)에서 요구하는 전력에 대응하는 전력을 출력하게 할 수 있다. 예를 들어, 부하(200)가 요구하는 전력이 기준값보다 높은 경우에는 파워팩 컨트롤러(130)는 기준 개수보다 많은 개수의 연료전지 스택들(110)을 온(on)시키고, 부하(200)가 요구하는 전력이 기준값보다 낮은 경우에는 파워팩 컨트롤러(130)는 기준 개수보다 적은 개수의 연료전지 스택 모듈들(110)을 온(on)시킬 수 있다.
또한, 파워팩 컨트롤러(130)는 각각의 연료전지 스택들(112)에 장착된 스택 컨트롤러들(114)을 제어하여 각각의 연료전지 스택 모듈들(110)의 발전을 제어할 수 있다. 파워팩 컨트롤러(130)는 부하(200)가 요구하는 전력량에 대응하여 연료전지 스택 모듈(110)이 정격 운전을 수행할 수 있도록 연료전지 스택 모듈들(110)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 파워팩 컨트롤러(130)는 부하(200)가 요구하는 전력에 대응하여 정격 운전하는 최소한의 개수의 연료전지 스택 모듈(110)을 온(on)시킬 수 있다. 연료전지 스택(112)은 정격보다 낮은 값을 출력할 때보다 정격 운전을 할 때 수명이 오랫동안 유지될 수 있다. 따라서, 파워팩 컨트롤러(130)는 복수개의 연료전지 스택 모듈들(110) 중 일부의 연료전지 스택 모듈들(110)을 정격 운전시켜 부하(200)가 요구하는 전력을 출력할 수 있고, 연료전지 스택 모듈들(110)을 효율적으로 관리할 수 있다.
파워팩 컨트롤러(130)는 복수 개의 연료전지 스택 모듈들(110) 중 하나의 연료전지 스택 모듈(110)을 선택하고, 선택된 연료전지 스택 모듈(110)에 연료가 투입될 수 있도록 연료전지 파워팩(120) 내부의 연료라인을 제어할 수 있다. 파워팩 컨트롤러(130)는 연료탱크(150)와 각각의 연료전지 스택 모듈(110)을 연결하는 연료라인에 배치된 연료 밸브(155)를 개방하여 연료전지 스택 모듈들(110) 각각이 활성화("ON")되도록 할 수 있다. 즉, 상기 연료 밸브(155)를 개방하거나 폐쇄함으로써 그와 연결된 연료전지 스택 모듈들(110) 각각을 "ON"또는"OFF" 시킬 수 있다. 연료탱크(150)는 연료전지 파워팩(120)의 내부에 위치할 수 있으나, 연료탱크(150)의 위치에 대해서는 특별한 제한이 없다.
또한, 파워팩 컨트롤러(130)는 유선 통신 등의 명령 체계를 이용하여 연료전지 스택 모듈들(110) 각각이 활성화되도록 제어할 수 있다. 파워팩 컨트롤러(130)는 부하전력감지부(140)를 통해 전압을 검출하여 최저 임계 전압(V_low) 보다 측정 전압이 낮은 경우에(V < V_low), 오프(OFF)되어 있는 연료전지 스택 모듈(110) 중 하나 또는 그 이상의 연료전지 스택 모듈(110)을 선택하여 활성화되도록 제어할 수 있다.
부하전력감지부(140)는 부하(200)가 연료전지 파워팩(120)에 연결된 경우 부하(200)가 소모하는 전력량에 따라 변화하는 연료전지 스택 모듈들(110)의 전압을 측정할 수 있다. 예를 들면, 부하전력감지부(140)는 스택 모듈(110)의 전압을 측정하기 위해, 도 4에 도시된 바와 같이 연료전지 스택 모듈(110)의 애노드(Anode)(116)와 캐소드(Cathode)(118)를 통해 연료전지 스택 모듈(110)의 전압(V)을 측정하도록 구성할 수 있다. 부하전력감지부(140)는 각각의 연료전지 스택 모듈들(110)의 전압(V)값을 통해 전체 전압을 측정할 수 있다. 부하전력감지부(140)는 측정한 각각의 연료전지 스택들(110)의 전압값들을 파워팩 컨트롤러(130)로 전송할 수 있고, 파워팩 컨트롤러(130)는 연료전지 스택들(110)의 전체 전압값을 기초로 연료전지 파워팩(120)에 연결된 부하(200)가 요구하는 전력을 감지할 수 있다. 즉, 파워팩 컨트롤러(130)는 부하(200)가 요구하는 전력을 별도로 측정하지 않고도 부하전력감지부(140)가 전송한 전체 전압값을 기초로 부하(200)가 요구하는 전력을 인지할 수 있다. 다른 예로, 부하전력감지부(140)는 연료전지 스택들(110)이 출력하는 전류를 측정할 수 있고, 파워팩 컨트롤러(130)는 연료전지 스택들(110)이 출력하는 전류값에 기초하여 연료전지 파워팩(120)에 연결된 부하(200)가 요구하는 전력을 감지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 파워팩 컨트롤러(130)는 부하전력감지부(140)가 측정한 연료전지 스택들(112)의 전체 전압을 기초로 연료전지 스택 모듈들(110)의 온(on)/오프(off)를 제어할 수 있다. 복수의 연료전지 스택 모듈(110)이 온(ON) 된 상태에서, 파워팩 컨트롤러(130)는 전체 전압을 기초로 부하(200)가 요구하는 전력량이 감소된 것을 파악한 경우 하나 이상의 연료전지 스택 모듈(110)을 오프(OFF) 시켜 연료전지 스택 모듈들(110)을 정격 운전하도록 제어할 수 있다.
구체적으로, 파워팩 컨트롤러(130)는 부하전력감지부(140)가 측정한 전압이 저임계(Low Threshold) 값 이하이면 부하(200)가 요구하는 전력량이 증가한 것으로 자동으로 인지하고, 하나 또는 그 이상의 연료전지 스택 모듈(110)을 온(ON) 구동시켜 부하(200)에 전원이 공급하도록 제어할 수 있다.
또한, 파워팩 컨트롤러(130)는 부하전력감지부(140)가 측정한 전압이 고임계(High Threshold) 값 이상이면 부하(200)가 요구하는 전력량이 감소한 것으로 자동으로 인지하고, 온(ON) 상태에 있는 하나 이상의 연료전지 스택 모듈(110) 중에 일부를 오프(OFF) 시켜 부하(200)에 전원이 공급되도록 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 부하(200)는 드론일 수 있다. 일 예로, 드론이 실제 비행을 하지 않는 대기(idle) 상태에서, 파워팩 컨트롤러(130)는 하나의 연료전지 스택 모듈(110)만을 온(ON) 구동시켜 나머지 연료전지 스택 모듈(110)의 부담을 줄일 수 있다. 또한, 드론이 대기 상태에서 비행을 시작하여 부하(200)의 소모량이 증가하는 경우, 파워팩 컨트롤러(130)는 오프(OFF) 상태로 있는 나머지 연료전지 스택 모듈들(110) 중에 일부를 온(ON) 구동시킬 수 있다.
일 예로, 드론의 중량의 변화에 따라 드론이 요구하는 전력량이 변동될 수 있다. 하나 이상의 연료전지 스택 모듈(110)이 온(ON) 구동된 상태에서 드론의 중량이 감소하면 부하(200)의 소모량도 감소하게 되고, 파워팩 컨트롤러(130)는 부하전력감지부(140)를 통해 측정된 전압이 고 임계값 이상으로 검출된 경우 온(ON) 구동된 연료전지 스택 모듈(110) 중에 일부의 연료전지 스택 모듈(110)을 오프(OFF) 시킬 수 있다. 이를 통해, 온(ON) 구동되는 연료전지 스택 모듈(110)이 정격으로 운전될 수 있다.
또한, 드론의 중량이 증가하면 부하(200)의 소모량이 증가하고, 파워팩 컨트롤러(130)는 부하전력감지부(140)를 통해 측정된 전압이 저 임계값 이하로 검출된 경우 오프(OFF) 상태인 연료전지 스택 모듈들(110) 중 일부의 연료전지 스택 모듈(110)을 온(ON) 시킬 수 있다.
또한, 드론이 비행을 마치기 시작하면서 요구 부하량이 줄어드는 경우, 파워팩 컨트롤러(130)는 1개의 연료전지 스택 모듈(110)을 남기고 나머지 연료전지 스택 모듈들(110)을 오프(OFF) 시킬 수 있다. 구체적으로, 드론이 최종적으로 착지 완료한 후에 다시 대기(idle) 상태로 유지되어 전력 소모량이 없는 경우, 파워팩 컨트롤러(130)는 1개의 연료전지 스택 모듈(110)만 온(On) 상태로 유지시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 파워팩의 전원 공급 제어 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 전원 공급 시스템(100)은 연료전지 스택(112)과 스택 컨트롤러(114)가 결합된 연료전지 스택 모듈(110), 파워팩 컨트롤러(130) 및 부하전력감지부(140)를 포함하는 연료전지 파워팩(120)과 연료전지 파워팩(120)과 연결된 부하(200)로 구성될 수 있다. 여기서, 연료전지 파워팩(120)은, 하나 이상의 연료전지 스택 모듈(110)이 해당 전기적 에너지원이 필요한 기기(휴대용 전원, 비상 전원, 로봇용 전원 등) 요구 전압과 전력에 맞게 직렬 또는 병렬로 연결되도록 구성될 수 있다. 파워팩 컨트롤러(130)는 예컨대, 직렬 혹은 병렬로 연결된 연료전지 스택 모듈들(110)의 운전을 제어한다. 이러한 제어는 전기적 에너지원이 필요한 기기의 요구 전력에 맞게 출력하는 전력을 스케줄링(scheduling)하는 것을 의미할 수 있다. N 개의 연료전지 스택 모듈(110)이 병렬로 연결되어 있을 때, 연료전지 파워팩(120)과 연결된 부하(200)에 따라 연료전지 스택 모듈(110)의 전체 전압은 변하기 시작한다. 이때, 연료전지 스택 모듈(110)은 부하(200)가 요구하는 전력량이 많아질수록 그 전압이 떨어지는 특성이 있다. 이러한 특성은 충전량에 따라 전압이 변동되는 Lipo 배터리와의 차이나는 특성이라 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연료전지 파워팩(120), 즉, 복수개의 연료전지 스택 모듈(110)에 부하(200)가 연결된다(S510). 연료전지 파워팩(120)이 드론에 전원을 공급하기 위해 드론에 장착되었다는 것은 연료전지 파워팩(120)을 이루는 복수의 연료전지 스택 모듈(110)에 부하(200)가 전기적으로 연결되는 것을 의미한다.
이어, 파워팩 컨트롤러(130)는 다수의 연료전지 스택 모듈들(100) 중에 하나의 연료전지 스택 모듈(110)을 온(ON)시켜 활성화할 수 있다(S520). 즉, 파워팩 컨트롤러(130)는 부하(200)가 대기 상태인 경우 최소의 전원을 공급하기 위해 다수의 연료전지 스택 모듈(110) 중에 하나의 연료전지 스택 모듈(110)을 랜덤하게 선택하여 온(ON) 시킬 수 있다. 이때, 파워팩 컨트롤러(130)는 다수의 연료전지 스택 모듈들(110) 중에서 난수 발생을 통해 어느 하나의 연료전지 스택 모듈(110)을 랜덤하게 선택할 수 있다.
이어, 부하전력감지부(140)는 복수의 연료전지 스택 모듈들(110)에 대한 전체 전압을 측정한다(S530). 예컨대, 파워 팩(130)이 드론(Drone)에 연결된 경우, 파워팩 컨트롤러(130)는 부하전력감지부(140)를 통해 파워 팩(120)에 연결된 드론이 소모하는 전력에 따른 부하(200)의 전압 변화를 감지할 수 있다.
따라서, 파워팩 컨트롤러(130)는 부하전력감지부(140)를 통해 파워 팩(120)의 내부에 있는 연료전지 스택 모듈(110)의 전압 변화를 감지하여, 파워 팩(120)이 부하(200)에 연결된 것을 인식하거나 파워 팩(130)에 연결된 부하(200)의 전력 소모를 인식할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서는 파워팩 컨트롤러(130)가 부하(200)에 연결된 것을 전압 레벨을 측정하는 것으로 예를 들어 설명하였으나, 이에 한정하지 않고 전류나 저항, 전력 등 다른 예로도 실시할 수 있다.
이어, 파워팩 컨트롤러(130)는 측정된 전압에 따라 하나 이상의 스택을 온(ON) 또는 오프(OFF) 시킬 수 있다.
일 예로, 부하전력감지부(140)를 통해 측정한 전압이 저임계(V_low) 값보다 작은 경우에(S540), 나머지 연료전지 스택 모듈들(110) 중에서 일부의 연료전지 스택 모듈(110)을 선택하고 온(ON) 시켜 활성화한다(S550).
파워팩 컨트롤러(130)는, 하나 이상의 스택이 온(ON) 구동된 상태에서, 부하(200)의 양이 일정 이상으로 소모됨에 따라 측정 전압이 저 임계(V_low) 미만으로 검출되면, 부하(200)의 전력 소모에 따라 하나 또는 그 이상의 연료전지 스택 모듈(110)을 온(ON) 시킴으로써 온(ON)되는 연료전지 스택 모듈(110)이 정격으로 운전하도록 제어할 수 있다.
예를 들면, 파워 팩(120)이 드론에 장착된 경우에 부하전력감지부(140)를 통해 부하(200)의 전력 소모량에 따른 전압을 검출하고, 검출된 전압이 저 임계(Low Threshold) 값 이하로 검출되면 파워팩 컨트롤러(130)는 연료전지 파워팩(120)에 대해 하나 또는 그 이상의 연료전지 스택 모듈(110)을 온(ON) 구동시켜 부하(200)에 전원이 공급되도록 제어하는 것이다.
다른 예로, 부하전력감지부(140)를 통해 측정된 전압이 고임계(V_high) 값보다 더 큰(V>V_high) 경우에(S560), 파워팩 컨트롤러(130)는 구동되어 활성화 되어 있는 연료전지 스택 모듈들(110) 중에 적어도 하나의 연료전지 스택 모듈(110)을 선택하고, 선택된 연료전지 스택 모듈(110)의 구동을 정지시켜 비활성화 되도록 제어할 수 있다(S570).
즉, 하나 이상의 연료전지 스택 모듈(110)이 온(ON) 된 상태에서 드론의 중량이 감소하면서 부하(200)의 전력 소모량도 감소하면, 감소된 전력 소모량에 따라 부하전력감지부(140)를 통해 측정된 전압이 고임계(V_high) 값보다 더 큰(V>V_high) 것으로 검출될 수 있다. 이 때, 파워팩 컨트롤러(130)는 필요치 않는 하나 또는 그 이상의 연료전지 스택 모듈(110)을 선택하여 오프(OFF) 시키거나, 온(ON) 구동되어 활성화되어 있는 연료전지 스택 모듈들(110) 중에 적어도 하나의 연료전지 스택 모듈(110)의 구동을 오프(OFF)시켜 비활성화되도록 제어하는 것이다.
또한, 파워팩 컨트롤러(130)는 드론이 실제 비행을 하지 않는 대기(idle) 상태에서 하나의 연료전지 스택 모듈(110)만을 온(ON) 구동시켜 나머지 연료전지 스택 모듈들(110)의 부담을 줄일 수 있도록 제어할 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 비행 동작에 필요한 전원을 공급하는 연료전지를 드론에 장착할 때 드론의 사양과 부하에 따라 매번 다른 연료전지를 장착하지 않고, 한 번 장착된 연료전지에서 드론의 사양과 부하를 자동으로 인식하여, 인식된 드론의 부하에 따라 필요한 전원을 자동으로 선택하여 드론에 공급할 수 있도록 하는, 연료전지 파워팩 및 그것의 전원 공급 제어 방법을 실현할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 연료전지 전원 공급 시스템 110 : 연료전지 스택 모듈
112 : 연료전지 스택 114 : 스택 컨트롤러
116 : 애노드 단자 118 : 캐소드 단자
120 : 연료전지 파워팩 130 : 파워팩 컨트롤러
140 : 부하전력감지부

Claims (17)

  1. 부하에 공급할 전기를 생성하며 서로 전기적으로 연결된 복수의 연료전지 스택 모듈;
    상기 부하의 전력소모량을 감지하는 부하전력감지부; 및
    상기 부하전력감지부에서 감지한 상기 부하의 전력소모량에 대응하여 상기 복수의 연료전지 스택 모듈 각각을 제어하여 온(on) 또는 오프(off) 시키는 파워팩 컨트롤러를 포함하는 연료전지 파워팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부하전력감지부는 상기 복수의 연료전지 스택 모듈의 전압 또는 전류를 측정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 파워팩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 부하전력감지부에서 측정한 전력소모량이 소정의 저임계치 이하인 경우, 상기 파워팩 컨트롤러는 오프(off) 상태에 있는 상기 연료전지 스택 모듈들 중 일부를 온(on) 시킴으로써 상기 부하에 인가하는 전력을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 파워팩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 부하전력감지부에서 측정한 전력소모량이 소정의 고임계치 이상인 경우, 상기 파워팩 컨트롤러는 온(on) 상태에 있는 상기 연료전지 스택 모듈들 중 일부를 오프(off) 시킴으로써 상기 부하에 인가하는 출력을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 파워팩.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 부하는 드론이며,
    상기 부하전력감지부에 의해 상기 드론의 전력소모량을 감지한 결과 상기 드론이 대기(idle)상태에 있는 것으로 판단되는 경우, 상기 파워팩 컨트롤러는 상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 중 적어도 하나의 연료전지 스택 모듈을 온(on)시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 파워팩.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 부하는 드론이며,
    상기 부하전력감지부에 의해 상기 드론의 전력소모량을 감지한 결과 상기 드론이 대기(idle)상태에서 비행상태로 전환한 경우, 상기 파워팩 컨트롤러는 상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 중 오프(off) 상태에 있는 적어도 하나의 연료전지 스택 모듈을 온(on) 시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 파워팩.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 부하는 드론이며,
    상기 부하전력감지부에 의해 상기 드론의 전력소모량을 감지한 결과 상기 드론이 비행상태에서 대기(idle)상태로 전환한 경우, 상기 파워팩 컨트롤러는 상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 중 온(on) 상태에 있는 적어도 하나의 연료전지 스택 모듈을 오프(off) 시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 파워팩.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 부하는 드론이며,
    상기 부하전력감지부에 의해 상기 드론의 전력소모량을 감지한 결과 상기 드론의 중량이 소정치 이하로 감소한 것으로 판단되는 경우, 상기 파워팩 컨트롤러는 상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 중 온(on) 상태에 있는 적어도 하나의 연료전지 스택 모듈을 오프(off) 시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 파워팩.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 부하는 드론이며,
    상기 부하전력감지부에 의해 상기 드론의 전력소모량을 감지한 결과 상기 드론의 중량이 소정치 이상으로 증가한 것으로 판단되는 경우, 상기 파워팩 컨트롤러는 상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 중 오프(off) 상태에 있는 적어도 하나의 연료전지 스택 모듈을 온(on) 시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 파워팩.
  10. 서로 전기적으로 연결된 복수의 연료전지 스택 모듈들에서 연료와 공기를 흡입하여 전기를 생성하는 단계;
    상기 복수의 연료전지 스택 모듈들로부터 전기를 공급받는 부하의 전력소모량을 감지하는 단계; 및
    상기 부하의 전력소모량에 대응하여 상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 각각을 제어하여 온(on) 또는 오프(off) 시키는 단계를 포함하는 연료전지 전원공급방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 각각을 제어하여 온(on) 또는 오프(off)시키는 단계는:
    상기 전력소모량이 소정의 저임계치 이하인 경우, 오프(off) 상태에 있는 상기 연료전지 스택 모듈들 중 일부를 온(on) 시킴으로써 상기 부하에 인가하는 전력을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 전원공급방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 각각을 제어하여 온(on) 또는 오프(off)시키는 단계는:
    상기 전력소모량이 소정의 고임계치 이상인 경우, 온(on) 상태에 있는 상기 연료전지 스택 모듈들 중 일부를 오프(off) 시킴으로써 상기 부하에 인가하는 출력을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 전원공급방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 각각을 제어하여 온(on) 또는 오프(off)시키는 단계는:
    상기 부하가 드론이고 상기 드론의 전력소모량을 감지한 결과 상기 드론이 대기(idle)상태에 있는 것으로 판단되는 경우, 상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 중 적어도 하나의 연료전지 스택 모듈을 온(on)시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 전원공급방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 드론의 전력소모량을 감지한 결과 상기 드론이 대기(idle)상태에서 비행상태로 전환한 경우, 상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 중 오프(off) 상태에 있는 적어도 하나의 연료전지 스택 모듈을 온(on) 시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 전원공급방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 각각을 제어하여 온(on) 또는 오프(off)시키는 단계는:
    상기 부하가 드론이고 상기 드론의 전력소모량을 감지한 결과 상기 드론이 비행상태에서 대기(idle)상태로 전환한 경우, 상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 중 온(on) 상태에 있는 적어도 하나의 연료전지 스택 모듈을 오프(off) 시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 전원공급방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 각각을 제어하여 온(on) 또는 오프(off)시키는 단계는:
    상기 부하가 드론이고 상기 드론의 전력소모량을 감지한 결과 상기 드론의 중량이 소정치 이하로 감소한 것으로 판단되는 경우, 상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 중 온(on) 상태에 있는 적어도 하나의 연료전지 스택 모듈을 오프(off) 시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 전원공급방법.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 각각을 제어하여 온(on) 또는 오프(off)시키는 단계는:
    상기 부하가 드론이고 상기 드론의 전력소모량을 감지한 결과 상기 드론의 중량이 소정치 이상으로 증가한 것으로 판단되는 경우, 상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 중 오프(off) 상태에 있는 적어도 하나의 연료전지 스택 모듈을 온(on) 시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 전원공급방법.
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