KR20220010258A - 연료전지 활성화 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 활성화 시스템 및 방법에 관한 것으로, 전력을 발생하고 캐소드 단자와 애노드 단자를 포함하는 연료전지와, 상기 연료전지와 전력을 소비하는 부하간에 전력 공급을 제어하는 제어모듈과, 상기 제어모듈에 배치되고 상기 연료전지의 전력 상태를 측정하는 센서부 및, 상기 제어모듈에 배치되고 상기 캐소드 단자와 상기 애노드 단자간에 연결되며 배치되는 단락부를 포함하여 구성되며, 본 발명에 따르면 센서부에서 측정하고 계산된 연료전지의 실 측정 전력값이 기 설정된 전력 Ref 값보다 작은 경우, 단락부가 작동되며 캐소드 단자와 애노드 단자를 단락시키고, 이에 따라 연료전지에 전류 펄스가 인가되어 연료전지 표면의 산화물이 제거되고, 연료전지의 내부에 수화영역이 형성되며, 연료전지를 활성화하여 성능이 유지 및 향상되도록 할 수 있다.

Description

연료전지 활성화 시스템 및 방법{FUEL CELL ACTIVATION SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 연료전지 활성화 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지의 전류 및 전압을 측정하여 연료전지의 전력 발생 상태를 파악하고, 그 상태에 따라 연료전지의 캐소드 단자와 애노드 단자를 단락시켜 연료전지에 전류 펄스가 인가되도록 함으로써, 연료전지 표면의 산화물 제거, 연료전지의 내부에 수화영역 형성 등을 통해 연료전지를 활성화하여 연료전지의 성능이 유지 및 향상되도록 할 수 있는 연료전지 활성화 시스템 및 방법에 관한 것이다.
연료전지는 물을 전기분해 하였을 때 수소와 산소가 생성되는 기술을 역이용하여, 수소와 산소를 결합하여 전기를 생성하는 기술이다. 이 과정에서 백금(Pt) 촉매에 대기 중에 있던 불순물들이 연료전지 표면에서 산화되어 부착됨에 따라 수소와 산소가 반응하는 면적이 줄어들어 연료전지의 성능이 저하된다.
또한 연료전지의 고효율을 위해선 연료전지 표면에 적절한 양의 물이 필요하다.
상기 두 가지 문제를 해결하기 위한 방법으로 전류 펄스(Current Pulse) 기능이 있으며, 연료전지에 고전류의 부하를 발생시켜서 연료전지 표면의 산화물을 제거하고 물을 발생시킬 수 있다.
연료전지에 전류 펄스(Current Pulse)를 인가하는 방식은 여러 가지가 있으며, 대표적으로 외부 로드를 사용하여 전류를 발생시킬 수 있다. 하지만 외부 로더를 사용하게 되면 부피와 무게가 증가하게 되여 드론과 같은 저중량 물체용으로 사용하기에 부적절하다.
다른 방법으로는 공랭식 연료전지의 냉각용 팬(Cooling Pan)은 연료전지를 냉각하는 역할과 동시에 연료전지에 산소를 공급하는 기능을 포함하고 있다. 이 팬의 동작을 일시적으로 멈추어 산소를 차단하여 전류 펄스를 발생할 수 있다. 하지만 이 방법 또한 연료전지의 열이 순간적으로 매우 높게 올라가기 때문에 열화를 피할 수 없는 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같이 관련 기술분야의 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 연료전지의 전류 및 전압을 측정하여 연료전지의 전력 발생 상태를 파악하고, 그 상태에 따라 연료전지의 캐소드 단자와 애노드 단자를 단락시켜 연료전지에 전류 펄스가 인가되도록 함으로써, 연료전지 표면의 산화물 제거, 연료전지의 내부에 수화영역 형성 등을 통해 연료전지를 활성화하여 연료전지의 성능이 유지 및 향상되도록 할 수 있는 연료전지 활성화 시스템 및 방법을 제공하는데에 있다.
여기서 드론용 공랭식 연료전지에 있어서는, 드론용 공랭식 연료전지의 지속적인 성능 저하를 해결하기 위하여, 연료전지에 고전류의 펄스를 발생시켜 연료전지 표면의 물의 양을 증가시키고 백금(PT)촉매에 붙어있는 산화물을 강제로 환원시킴으로써, 연료전지의 성능을 유지 및 향상시키는 것을 과제로 한다. 이때 전류 펄스 발생장치를 최소화 및 경량화하고, 전류 펄스가 발생되는 동안에도 드론에 전원을 공급할 수 있으며, 전류 펄스 이후 연료전지의 성능 향상에 따라 전압이 상승하며 고전압이 드론에 영향을 주지 않도록 제어 가능한 연료전지 활성화 시스템 및 방법을 제공하는데에 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지 활성화 시스템에 관한 것으로, 전력을 발생하고 출력단에 캐소드 단자와 애노드 단자를 포함하는 연료전지; 상기 연료전지와 전력을 소비하는 부하간에 전력 공급을 제어하는 제어모듈; 상기 제어모듈에 배치되고, 상기 연료전지의 전력 상태를 측정하는 센서부; 및 상기 제어모듈에 배치되고, 상기 캐소드 단자와 상기 애노드 단자간에 연결되며 배치되는 단락부;를 포함하되, 상기 센서부에서 측정하고 계산된 상기 연료전지의 실 측정 전력값이 기 설정된 전력 Ref 값보다 작은 경우, 상기 단락부가 작동되며 상기 캐소드 단자와 상기 애노드 단자를 단락시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 단락부가 작동되면, 상기 연료전지에 전류 펄스가 인가되어 상기 연료전지 표면의 산화물이 제거되고, 상기 연료전지의 내부에 수화영역이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 센서부는, 상기 연료전지의 전류값을 측정하는 전류측정센서; 및 상기 연료전지의 전압값을 측정하는 전압측정센서;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 전력을 저장하는 배터리; 및 상기 제어모듈에 배치되고, 상기 연료전지와 상기 배터리간에 전기적으로 연결되는 컨버터;를 포함하되, 상기 컨버터는 상기 연료전지의 전력을 변환하여 상기 배터리에 공급할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제어모듈에 배치되고, 상기 연료전지의 캐소드 단자로 전류가 역류하는 것을 방지하는 연료전지 다이오드; 및 상기 제어모듈에 배치되고, 상기 배터리의 양극 단자로 전류가 역류하는 것을 방지하는 배터리 다이오드;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 연료전지는 복수개가 배치되고, 상기 복수개의 연료전지에 형성된 캐소드 단자와 애노드 단자에 각각 복수개의 단락부가 연결될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 복수개의 단락부는 동시에 작동하지 않을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 복수개의 연료전지 중 일부에 대한 실 측정 전력값이 기 설정된 전력 Ref 값보다 작은 경우, 상기 일부의 연료전지에 각각 연결된 일부의 단락부만 작동할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 복수개의 연료전지에 대해 각각 측정한 실 측정 전력값이 기 설정된 전력 Ref 값보다 작은 경우, 상기 복수개의 연료전지와 연결된 상기 복수개의 단락부 중 가장 작은 실 측정 전력값이 계산된 어느 하나의 연료전지와 연결된 어느 하나의 단락부부터 순차적으로 작동할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 복수개의 연료전지의 캐소드 단자는 각각 복수개의 스위치와 연결되고, 상기 복수개의 스위치에 의해 상기 복수개의 연료전지의 작동여부가 개별적으로 제어될 수 있다.
본 발명인 연료전지 활성화 방법은, 연료전지의 전류 및 전압을 측정하는 단계; 연료전지의 전력 Ref 값을 계산하는 단계; 연료전지의 실 전력값을 측정하는 단계; 전력 Ref 값과 실 전력 측정값을 비교하는 단계; 및 전력 Ref 값과 실 전력 측정값을 비교하여, 실 측정 전력값이 전력 Ref 값보다 작은 경우, 연료전지에 전류 펄스를 인가하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 연료전지에 전류 펄스를 인가하는 단계는, 연료전지의 캐소드 단자와 애노드 단자를 단락시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 연료전지에 전류 펄스를 인가하는 단계는, 연료전지에 전류 펄스가 인가하여 연료전지 표면의 산화물을 제거하고, 연료전지의 내부에 수화영역을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 복수개의 연료전지가 제공되고, 상기 전력 Ref 값과 실 전력 측정값을 비교하는 단계에서, 복수개의 연료전지 중 일부에 대한 실 측정 전력값이 전력 Ref 값보다 작은 경우, 일부의 연료전지에 각각 전류 펄스를 인가할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 복수개의 연료전지가 제공되고, 상기 전력 Ref 값과 실 전력 측정값을 비교하는 단계에서, 복수개의 연료전지에 대해 각각 측정한 실 측정 전력값이 전력 Ref 값보다 작은 경우에, 상기 연료전지에 전류 펄스를 인가하는 단계는, 복수개의 연료전지 중 가장 작은 실 측정 전력값이 계산된 어느 하나의 연료전지부터 순차적으로 전류 펄스를 인가할 수 있다.
본 발명에 따르면, 연료전지의 전류 및 전압을 측정하여 연료전지의 전력 발생 상태를 파악하고, 그 상태에 따라 연료전지의 캐소드 단자와 애노드 단자를 단락시켜 연료전지에 전류 펄스가 인가되도록 함으로써, 연료전지 표면의 산화물 제거, 연료전지의 내부에 수화영역 형성 등을 통해 연료전지를 활성화하여 연료전지의 성능이 유지 및 향상될 수 있다.
특히, 본 발명에 따르면, 드론용 공랭식 연료전지에 특화될 수 있는데, 드론용 공랭식 연료전지의 지속적인 성능 저하를 해결하기 위하여, 연료전지에 고전류의 펄스를 발생시켜 연료전지 표면의 물의 양을 증가시키고 백금(PT)촉매에 붙어있는 산화물을 강제로 환원시킴으로써, 연료전지의 성능을 유지 및 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 연료전지 출력단의 캐소드 전극(+)과 애노드 전극(-)에 전계 효과 트랜지스터(FET;Field Effect Transister)를 사용하여 순간적인 단락을 발생시켜 연료전지에 고전류의 부하를 발생시키게 된다. 여기서 전계 효과 트랜지스터(FET)는 디지털 신호를 통해 간편하게 동작 시킬 수 있으며 반응 속도가 빠르기 때문에 연료전지를 단락시키는 시간을 정확하게 제어할 수 있어, 연료전지 재활성화 성능 및 효과를 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 연료전지는 발생하는 부하에 따라 전압이 감소하는 특성이 있으며, 전류와 전압의 관계를 그래프로 도시화 한 것을 I-V 커브라고 한다. 본 발명에서는 전류 및 전압 센서를 통해 연료전지의 전류 및 전압을 측정하여 I-V 커브를 출력하고, I-V 커브를 바탕으로 연료전지의 상태를 실시간으로 파악하게 된다. 이때 성능이 좋을 경우에는 전류 펄스를 발생하지 않고, 성능이 나쁘다고 판단되면 전류 펄스를 발생하는 알고리즘을 적용하여 전계 효과 트랜지스터(FET)를 동작시키도록 함으로써, 전류 펄스에 따른 연료전지 열화를 최소화할 수 있다.
궁극적으로, 본 발명은 연료전지의 전류 펄스에 필요한 외부적 장비를 소형 및 경량화하였으며, 고속의 전류 펄스 기능으로 안정적인 전원 공급이 가능하기 때문에 드론에 전류 펄스 기능이 있는 연료전지 시스템(연료전지 파워팩)을 장착할 수 있도록 하였다. 또한 연료전지의 성능을 소프트웨어로 파악하고 이를 기반으로 전류 펄스 동작을 수행함으로써, 무분별한 전류 펄스로 인한 드론의 과전압 유입을 제어하고 연료전지에 과도한 물이 생성되는 플로딩(flooding) 현상을 억제하여 드론의 안정적인 운용이 가능하다.
도 1은 본 발명인 연료전지 활성화 시스템의 제1 실시예에 대한 제어도.
도 2는 본 발명인 연료전지 활성화 시스템의 제2 실시예에 대한 제어도.
도 3은 본 발명인 연료전지 활성화 방법에 대한 제어순서도.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 연료전지 활성화 시스템 및 방법의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명인 연료전지 활성화 시스템의 제1 실시예에 대한 제어도를 나타내고 있다.
도 1을 참고하면, 본 발명인 연료전지 활성화 시스템의 제1 실시예에서는 연료전지(10), 제어모듈(20), 센서부(80,90), 배터리(50), 컨버터(30) 및 단락부(40)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 연료전지(10)는 복수개의 스택이 적층되어 구성되고, 각 스택에서 수소와 산소의 전기화학반응으로 전력을 생산하며, 출력단에는 캐소드 단자(+)와 애노드 단자(-)를 포함할 수 있다.
상기 제어모듈(20)은 상기 연료전지(10)와 전력을 소비하는 부하(70)간에 전력 공급을 제어할 수 있다. 상기 제어모듈(20)은 운용자가 소프트웨어를 사용하여 제어할 수 있는 콘트롤러 보드(controller board)일 수 있다.
본 발명에서 부하(70)는 각종 전력 소비 장치일 수 있으나, 특히 드론일 수 있다. 본 발명에서 이하 설명하는 제어 구조는 드론에 적용할 수 있도록 소형 및 경량화를 고려한 것이다.
다음 센서부(80,90)는 상기 제어모듈(20)에 배치되고, 상기 연료전지(10)의 전력 상태를 측정할 수 있다. 구체적으로 상기 센서부(80,90)는 전류측정센서(80) 및 전압측정센서(90)를 포함할 수 있다.
상기 전류측정센서(80)는 상기 연료전지(10)의 전류값을 측정할 수 있으며, 상기 전압측정센서(90)는 상기 연료전지(10)의 전압값을 측정할 수 있다.
본 발명에서는 전류와 전압의 관계를 그래프로 표현한 I-V 커브를 적용하는데, 상기 전류측정센서(80) 및 상기 전압측정센서(90)에서 측정한 값을 통해 연료전지(10)의 실 전력값을 계산한다.
이러한 센서부(80,90)는 제어모듈(20)의 내부에서 연료전지(10)와 부하(70) 사이에 배치되어, 연료전지(10)에서 부하(70)로 전달되는 실 전력값을 측정한다.
다음 상기 배터리(50)는 전력을 저장할 수 있다. 그리고 상기 컨버터(30)는 상기 제어모듈(20)에 배치되고, 상기 연료전지(10)와 상기 배터리(50)간에 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명에서 상기 컨버터(30)는 DC/DC converter 일 수 있으며, 상기 연료전지(10)의 전력을 변환하여 상기 배터리(50)에 공급할 수 있다. 이 여유전력은 상기 배터리(50)에 저장된다.
여기서, 상기 연료전지(10)의 캐소드 단자(+)의 출력단에는 연료전지 다이오드(13)가 회로적으로 연결될 수 있다. 상기 연료전지 다이오드(13)는 상기 제어모듈(20)에 배치되고, 상기 연료전지(10)의 캐소드 단자(+)로 전류가 역류하는 것을 방지하여 전류가 일방향으로 흐르도록 기능한다. 즉 전류가 부하(70) 또는 컨버터(30) 방향으로 흐르도록 할 수 있다.
그리고 상기 배터리(50)의 (+)단자 출력단에는 배터리 다이오드(60)가 회로적으로 연결될 수 있다. 상기 배터리 다이오드(60)는 상기 제어모듈(20)에 배치되고, 상기 배터리(50)의 (+)단자로 전류가 역류하는 것을 방지하여 전류가 일방향으로 흐르도록 기능한다. 즉 전류가 부하(70)방향으로 흐르도록 할 수 있다.
한편, 상기 단락부(40)는 상기 제어모듈(20)에 배치되고, 상기 캐소드 단자(+)와 상기 애노드 단자(-)간에 연결되며 배치될 수 있다. 본 발명에서 상기 단락부(40)는 전계 효과 트랜지스터(FET;Field Effect Transister)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전계 효과 트랜지스터(FET)는 디지털 신호를 통해 간편하게 동작 시킬 수 있으며 반응 속도가 빠르기 때문에 연료전지(10)를 단락시키는 시간을 정확하게 제어할 수 있다.
본 발명에서 상기 단자부는 수시로 작동되는 것이 아니라, 특정 조건하에서 작동된다.
우선 센서부(80,90)를 구성하는 전류측정센서(80)와 전압측정센서(90)에서 연료전지(10)의 전류 및 전압을 측정하고, 이를 I-V 커브를 통한 소프트웨어를 이용하여 실 전력값을 계산한다.
여기서 측정된 상기 연료전지(10)의 실 전력값과 기 설정된 전력 Ref 값을 비교하게 된다. 만약 상기 연료전지(10)의 실 전력값이 기 설정된 전력 Ref 값보다 작은 경우, 이는 연료전지(10)의 표면에 백금(Pt) 촉매가 산화되어 표면에 산화물이 과도하여 수소와 산소의 반응면적이 감소하여 전력이 감소한 것일 수 있다.
또는 드론에 적용되는 공냉식 연료전지의 경우, 과도한 건조(dry) 현상으로 인해 적정 습도가 형성되지 않아, 연료전지에서 반응력이 떨어짐에 따라 전력이 감소한 것일 수 있다.
이렇듯, 상기 연료전지의 실 전력값이 기 설정된 전력 Ref 값보다 작은 경우에는 전력 생산의 문제가 발생하게 되며, 이때에는 연료전지 표면의 산화물을 제거하거나 또는 연료전지의 내부에 수화영역을 형성하여 건조현상을 완화함으로써, 수소와 산소의 반응력을 높일 필요가 있다. 반응력이 높아지면 연료전지의 전력 생산량은 다시 원래 상태로 복원되거나 또는 보다 향상될 수 있다.
이러한 목적 달성을 위해, 상기 연료전지의 실 전력값이 기 설정된 전력 Ref 값보다 작은 경우, 상기 단락부(40)가 작동되며 상기 캐소드 단자(+)와 상기 애노드 단자(-)를 단락시킨다.
상기 단락부(40)가 작동되면, 캐소드 단자(+)와 애노드 단자(-)가 순간적으로 단락됨에 따라, 상기 연료전지에 고전류의 부하(70), 즉 전류 펄스가 인가되어 상기 연료전지 표면의 산화물이 제거되고, 상기 연료전지의 내부에 수화영역이 형성되는 효과가 나타난다.
결과적으로는 연료전지를 구성하는 스택 표면의 산화물이 제거됨으로써, 수소와 산소의 반응영역이 회복되거나 또는 보다 넓어져 연료전지의 출력이 회복되거나 또는 보다 향상될 수 있다.
그리고 공랭식 연료전지의 경우, 막 전극 접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly) 및 가스확산층(GDL, Gas Diffusion Layer)에 수화영역이 발생하여 건조현상을 완화할 수 있다. 이 또한 수소와 산소의 반응 습도조건이 조성되어 반응력이 회복되어 연료전지의 출력을 회복하거나 또는 보다 향상할 수 있다.
상기 단락부(40)를 제어하는 세부적인 제어알고리즘에 대해서는 도 3에서 설명하도록 한다.
본 발명의 제1 실시예에서는 단락부(40)의 작동으로 연료전지(10)가 재활성화를 수행하는 때에는 배터리(50)가 부하(70)에 전력을 공급하여 전력 공백을 방지할 수 있다. 특히 드론의 경우 비행 중에 단락부(40)가 작동하는 경우, 추락의 위험이 있으므로, 이때 배터리(50)가 보조전원의 기능을 하며 전력을 공급하여 연료전지(10)가 재활성화되는 시간동안 드론의 안정적인 비행이 유지되도록 한다.
상기 단락부(40)의 전류 펄스 발생 방식에 대해 보충 설명하면, 기존의 전류 펄스를 발생시키는 다른 방법으로는, 외부 로드를 사용하여 스위치 작동을 통해 전류 펄스를 발생하는 방법이 있는데, 이 방법은 추가적으로 외부 로드를 사용해야 하기 때문에 무게와 부피가 증가하여 드론용 연료전지로 부적합하다.
이에 비해, 본 발명에서는 상기 단락부(40)로 전계 효과 트랜지스터(FET)를 사용하여 연료전지(10)를 단락시키며, 이에 따라 약 270A의 고전류가 발생하고, 연료전지(10)의 전압은 0V로 떨어진다.
해당 동작은 약 0.1초 동안 이루어지며, 스택 전압은 0.05초 이후에 완전히 회복 된다. 즉 전계 효과 트랜지스터(FET)를 사용하여 전류 펄스를 발생하고 연료전지가 정상 상태를 회복하는데까지 총 0.15초가 소요된다.
기존 외부 로드를 사용하는 방식인 경우, 전류펄스의 발생 및 전압회복까지 약 5초가 소모되는 것과 비교해 매우 짧은 시간에 이루어 진다. 즉 연료전지를 다시 활성화시키는 시간을 휠씬 단축할 수 있다.
하지만, 연료전지를 단락시킴으로써 발생하는 전류는 연료전지의 성능에 따라 최대 330A까지 발생한다. 300A 이상의 전류는 연료전지의 역전위를 일으켜 열화를 야기한다.
이에 따라, 도면으로 도시하지는 않았으나, 단락시 연료전지에 발생하는 전류를 억제하기 위하여 전계 효과 트랜지스터(FET)에 저항(미도시)을 추가하여 최대로 발생할 수 있는 전류의 제한을 두어 열화가 발생하지 않도록 하였다.
그리고, 연료전지의 성능을 확인하는 방법, 즉 실 측정 전력값을 산출하는 방법에 대해 보충 설명하면, 연료전지는 부하에 따라 전압값 및 전류값이 변하는 특성이 있기 때문에 이를 활용할 수 있다. 성능이 우수하거나 평균 성능 이상의 연료전지를 대상으로 부하에 따른 전압 및 전류를 측정하고 데이터를 만든다. 이를 사용하여 전력을 구할 수 있다(P = V*I). 이후 전압과 전류의 관계식을 만들면 측정되는 전력값을 활용하여 예상되는 전력값(Ref)을 예측할 수 있다.
또한 전압측정센서(90) 및 전류측정센서(80)로 전압 및 전류를 측정하여, 실제 측정되는 전력값을 구한 뒤 예상 전력값(Ref)과 비교를 하여, 예상 전력값(Ref) 보다 측정 전력값이 비슷하거나 큰 경우 연료전지(10) 성능이 양호하다고 판단하며, 전류 펄스 동작을 생략한다. 반대로 측정된 전력값이 예상 전력값(Ref) 보다 적을 경우 연료전지(10)의 성능이 나쁘다고 판단하며 전류 펄스 동작을 수행한다.
한편, 도 2는 본 발명인 연료전지 활성화 시스템의 제2 실시예에 대한 제어도를 나타내고 있다.
도 2을 참고하면, 본 발명인 연료전지 활성화 시스템의 제2 실시예에서는 제1,2 연료전지(11,12), 제어모듈(20), 센서부(80,90), 배터리(50), 컨버터(30) 및 제1,2 단락부(41,42)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제어모듈(20), 센서부(80,90), 배터리(50), 컨버터(30) 및 배터리 다이오드(60)에 대한 설명은 본 발명의 제1 실시예와 동일하므로 상술한 내용을 참고하도록 한다. 이하에서는 연료전지 및 단락부가 복수개로 배치된 경우에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 제2 실시예에서, 상기 연료전지는 복수개가 배치될 수 있다. 그리고 상기 복수개의 연료전지에 형성된 캐소드 단자(+)와 애노드 단자(-)에 각각 복수개의 단락부가 개별적으로 회로적으로 연결될 수 있다.
그리고 상기 복수개의 연료전지의 캐소드 단자(+)는 각각 복수개의 스위치와 연결되고, 상기 복수개의 스위치에 의해 상기 복수개의 연료전지의 작동여부가 개별적으로 제어될 수 있다.
여기서, 상기 복수개의 단락부는 동시에 작동하지 않는다.
구체적으로 상기 복수개의 연료전지 중 일부에 대한 실 측정 전력값이 기 설정된 전력 Ref 값보다 작은 경우, 상기 일부의 연료전지에 각각 연결된 일부의 단락부만 작동할 수 있다.
예를 들어, 도 2을 참고하면, 2개의 연료전지가 회로적으로 연결되어 있다.
(도 2에 개시된 실시예는 설명의 편의를 위한 것이고, 설계사양에 따라서는 더 많은 복수개의 연료전지가 회로적으로 연결될 수 있다. 즉 도 2에 개시된 연료전지의 개수에 한정될 필요가 없다.)
만약 제1 연료전지(11)에 대해 측정한 실 전력값은 기 설정된 전력 Ref 값보다 작고, 제2 연료전지(12)에 대해 측정한 실 전력값은 기 설정된 전력 Ref 값보다 큰 경우, 상기 제1 단락부(41)는 작동하여 제1 연료전지(11)에 전류 펄스를 인가하고, 수화영역이 형성되도록 할 수 있다.
이때 상기 제2 단락부(42)는 작동하지 않으며, 상기 제1 연료전지(11)가 재활성화를 수행하는 동안, 지속적으로 부하(70)에 전력을 공급할 수 있다.
만약 부하(70)에 대한 전력 수급이 부족하다면, 배터리(50)에서 병렬적으로 전력을 공급할 수 있다.
다른 제어방식으로는, 상기 복수개의 연료전지에 대해 각각 측정한 실 측정 전력값이 기 설정된 전력 Ref 값보다 작은 경우, 상기 복수개의 연료전지와 연결된 상기 복수개의 단락부 중 가장 작은 실 측정 전력값이 계산된 어느 하나의 연료전지와 연결된 어느 하나의 단락부부터 순차적으로 작동할 수 있다.
예를 들어, 도 2을 참고하면, 2개의 연료전지가 회로적으로 연결되어 있다.
(도 2에 개시된 실시예는 설명의 편의를 위한 것이고, 설계사양에 따라서는 더 많은 복수개의 연료전지가 회로적으로 연결될 수 있다. 즉 도 2에 개시된 연료전지의 개수에 한정될 필요가 없다.)
만약 제1 연료전지(11)에 대해 측정한 실 전력값이 기 설정된 전력 Ref 값보다 작고, 제2 연료전지(12)에 대해 측정한 실 전력값도 기 설정된 전력 Ref 값보다 작은 경우인데, 상기 제1 연료전지(11)에 대해 측정한 실 전력값이 상기 제2 연료전지(12)에 대해 측정한 실 전력값보다 상대적으로 작은 경우, 상기 제1 연료전지(11)에 대해 우선적으로 재활성화가 필요할 것이다.
이에 따라 상기 제1 단락부(41)가 우선적으로 작동하여 제1 연료전지(11)에 전류 펄스를 인가하고, 수화영역이 형성되도록 한다.
이때 상기 제2 단락부(42)는 작동하지 않으며, 상기 제1 연료전지(11)가 재활성화를 수행하는 동안, 지속적으로 부하(70)에 전력을 공급할 수 있다.
만약 부하(70)에 대한 전력 수급이 부족하다면, 배터리(50)에서 병렬적으로 전력을 공급할 수 있다.
이후에 상기 제1 연료전지(11)에 대한 재활성화가 끝나면, 상기 제2 단락부(42)가 다음으로 작동하여 제2 연료전지(12)에 전류 펄스를 인가하고, 수화영역이 형성되도록 한다.
이때 재활성화를 마친 상기 제1 연료전지(11)가 부하(70)에 전력을 공급할 수 있다. 만약 부하(70)에 대한 전력 수급이 부족하다면, 배터리(50)에서 병렬적으로 전력을 공급할 수 있다.
만약, 연료전지가 더 많다면, 상술한 방식으로 순차적으로 전류 펄스 인가를 수행함으로써, 부하(70)(특히 드론)로 공급되는 전력 수급이 원활하게 유지되도록 할 수 있다.
도 2에 개시된 실시예에서는 운용자가 제1 연료전지(11)를 사용하지 않을 때에는, 제1 스위치(15)를 열어 회로 연결을 차단할 수 있다. 그리고 제2 연료전지(12)를 사용하지 않을 때에는, 제2 스위치(16)를 열어 회로 연결을 차단할 수 있다. 또한 연료전지 다이오드(13,14)가 각각 제1,2 연료전지(11,12)의 캐소드 단자(+)에 연결되어 있어서, 전류의 역류를 차단할 수 있다.
한편, 도 3은 본 발명인 연료전지 활성화 방법에 대한 제어순서도를 나타내고 있다.
도 3을 참고하면, 본 발명인 연료전지 재활성활 방법은, 연료전지의 전류 및 전압을 측정하는 단계(S1)와, 연료전지의 전력 Ref 값을 계산하는 단계(S2)와, 연료전지의 실 전력값을 측정하는 단계(S3)와, 전력 Ref 값과 실 전력 측정값을 비교하는 단계(S4) 및, 전력 Ref 값과 실 전력 측정값을 비교하여, 실 측정 전력값이 전력 Ref 값보다 작은 경우, 연료전지에 전류 펄스를 인가하는 단계(S5)를 포함하여 구성될 수 있다.
우선, 상기 연료전지의 전류 및 전압을 측정하는 단계(S1)는, 상기 전류측정센서(80) 및 상기 전압측정센서(90)를 이용하여 연료전지의 전류 및 전압을 측정하는 단계일 수 있다.
다음, 상기 연료전지의 전력 Ref 값을 계산하는 단계(S2)는, 최초 설계사양을 통해 연료전지의 전류값과 전압값을 산출하고 이를 통해 예상 전력값을 계산하는 단계일 수 있다.
다음, 상기 연료전지의 실 전력값을 측정하는 단계(S3)는, 상기 전류측정센서(80) 및 상기 전압측정센서(90)를 이용하여 측정된 전류값 및 전압값을 통해 I-V 커브 그래프를 형성하고 이를 통해 실 전력값을 계산하는 단계일 수 있다.
다음, 상기 전력 Ref 값과 실 전력 측정값을 비교하는 단계(S4)는, 연료전지의 예상 전력값인 전력 Ref 값과 실 전력 측정값을 비교하여, 실 전력 측정값이 예상 전력값과 유사한 허용범위내인지, 아니면 낮은 수치를 보이는지를 비교하는 단계일 수 있다.
만약, 전력 Ref 값과 실 전력 측정값을 비교하여, 실 측정 전력값이 전력 Ref 값보다 작은 경우에는 연료전지에 전류 펄스를 인가하는 단계(S5)를 수행하고, 반대로 실 측정 전력값이 전력 Ref 값보다 작지 않은 경우에는, 상술한 S1 단계를 반복하여 수행한다. 이는 주기적/비주기적일 수 있으며, 필요에 따라서는 특정 조건하에서 수행할 수 있다.
다음, 상기 연료전지에 전류 펄스를 인가하는 단계(S5)는, 상기 단락부를 작동하여 연료전지의 캐소드 단자(+)와 애노드 단자(-)를 단락시키는 단계일 수 있다.
이에 따라 연료전지에 전류 펄스가 인가되어, 연료전지 표면의 백금(Pt) 촉매에 붙은 산화물이 제거되고 연료전지의 내부에 수화영역이 형성될 수 있다.
추가적으로, 도 2에서와 같이 연료전지가 복수개가 제공되는 경우에는, 상기 복수개의 단락부는 동시에 작동하지 않는다.
예를 들어, 상기 복수개의 연료전지 중 일부에 대한 실 측정 전력값이 기 설정된 전력 Ref 값보다 작은 경우, 상기 일부의 연료전지에 각각 연결된 일부의 단락부만 작동할 수 있다.
도 2을 참고하면, 제1 연료전지(11)에 대해 측정한 실 전력값은 기 설정된 전력 Ref 값보다 작고, 제2 연료전지(12)에 대해 측정한 실 전력값은 기 설정된 전력 Ref 값보다 큰 경우, 상기 제1 단락부(41)는 작동하여 제1 연료전지(11)에 전류 펄스를 인가하고, 수화영역이 형성되도록 할 수 있다.
이때 상기 제2 단락부(42)는 작동하지 않으며, 상기 제1 연료전지(11)가 재활성화를 수행하는 동안, 지속적으로 부하(70)에 전력을 공급할 수 있다.
만약 부하(70)에 대한 전력 수급이 부족하다면, 배터리(50)에서 병렬적으로 전력을 공급할 수 있다.
다른 실시예에 따른 제어방식으로, 상기 복수개의 연료전지에 대해 각각 측정한 실 측정 전력값이 기 설정된 전력 Ref 값보다 작은 경우, 상기 복수개의 연료전지와 연결된 상기 복수개의 단락부 중 가장 작은 실 측정 전력값이 계산된 어느 하나의 연료전지와 연결된 어느 하나의 단락부부터 순차적으로 작동할 수 있다.
예를 들어, 도 2를 참고하면, 제1 연료전지(11)에 대해 측정한 실 전력값이 기 설정된 전력 Ref 값보다 작고, 제2 연료전지(12)에 대해 측정한 실 전력값도 기 설정된 전력 Ref 값보다 작은 경우인데, 상기 제1 연료전지(11)에 대해 측정한 실 전력값이 상기 제2 연료전지(12)에 대해 측정한 실 전력값보다 상대적으로 작은 경우, 상기 제1 연료전지(11)에 대해 우선적으로 재활성화가 필요할 것이다.
이에 따라 상기 제1 단락부(41)가 우선적으로 작동하여 제1 연료전지(11)에 전류 펄스를 인가하고, 수화영역이 형성되도록 한다.
이때 상기 제2 단락부(42)는 작동하지 않으며, 상기 제1 연료전지(11)가 재활성화를 수행하는 동안, 지속적으로 부하(70)에 전력을 공급할 수 있다.
만약 부하(70)에 대한 전력 수급이 부족하다면, 배터리(50)에서 병렬적으로 전력을 공급할 수 있다.
이후에 상기 제1 연료전지(11)에 대한 재활성화가 끝나면, 상기 제2 단락부(42)가 다음으로 작동하여 제2 연료전지(12)에 전류 펄스를 인가하고, 수화영역이 형성되도록 한다.
이때 재활성화를 마친 상기 제1 연료전지(11)가 부하(70)에 전력을 공급할 수 있다. 만약 부하(70)에 대한 전력 수급이 부족하다면, 배터리(50)에서 병렬적으로 전력을 공급할 수 있다.
만약, 연료전지가 더 많다면, 상술한 방식으로 순차적으로 전류 펄스 인가를 수행함으로써, 부하(70)(특히 드론)로 공급되는 전력 수급이 원활하게 유지되도록 할 수 있다.
이상의 사항은 연료전지 활성화 시스템 및 방법의 특정한 실시예를 나타낸 것에 불과하다.
따라서 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양한 형태로 치환, 변형될 수 있음을 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 파악할 수 있다는 점을 밝혀 두고자 한다.
10:연료전지 11,12:제1,2 연료전지
13,14:연료전지 다이오드 15,16:제1,2 스위치
20:제어모듈 30:컨버터
40:단락부 41,42:제1,2 단락부
50:배터리 60:배터리 다이오드
70:부하 80:전류측정센서
90:전압측정센서

Claims (15)

  1. 전력을 발생하고 출력단에 캐소드 단자와 애노드 단자를 포함하는 연료전지;
    상기 연료전지와 전력을 소비하는 부하간에 전력 공급을 제어하는 제어모듈;
    상기 제어모듈에 배치되고, 상기 연료전지의 전력 상태를 측정하는 센서부; 및
    상기 제어모듈에 배치되고, 상기 캐소드 단자와 상기 애노드 단자간에 연결되며 배치되는 단락부;를 포함하되,
    상기 센서부에서 측정하고 계산된 상기 연료전지의 실 측정 전력값이 기 설정된 전력 Ref 값보다 작은 경우, 상기 단락부가 작동되며 상기 캐소드 단자와 상기 애노드 단자를 단락시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 활성화 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단락부가 작동되면, 상기 연료전지에 전류 펄스가 인가되어 상기 연료전지 표면의 산화물이 제거되고, 상기 연료전지의 내부에 수화영역이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 활성화 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 센서부는,
    상기 연료전지의 전류값을 측정하는 전류측정센서; 및
    상기 연료전지의 전압값을 측정하는 전압측정센서;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 활성화 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    전력을 저장하는 배터리; 및
    상기 제어모듈에 배치되고, 상기 연료전지와 상기 배터리간에 전기적으로 연결되는 컨버터;를 포함하되,
    상기 컨버터는 상기 연료전지의 전력을 변환하여 상기 배터리에 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지 활성화 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어모듈에 배치되고, 상기 연료전지의 캐소드 단자로 전류가 역류하는 것을 방지하는 연료전지 다이오드; 및
    상기 제어모듈에 배치되고, 상기 배터리의 양극 단자로 전류가 역류하는 것을 방지하는 배터리 다이오드;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 활성화 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연료전지는 복수개가 배치되고,
    상기 복수개의 연료전지에 형성된 캐소드 단자와 애노드 단자에 각각 복수개의 단락부가 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 활성화 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수개의 단락부는 동시에 작동하지 않는 것을 특징으로 하는 연료전지 활성화 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수개의 연료전지 중 일부에 대한 실 측정 전력값이 기 설정된 전력 Ref 값보다 작은 경우,
    상기 일부의 연료전지에 각각 연결된 일부의 단락부만 작동하는 것을 특징으로 하는 연료전지 활성화 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 복수개의 연료전지에 대해 각각 측정한 실 측정 전력값이 기 설정된 전력 Ref 값보다 작은 경우,
    상기 복수개의 연료전지와 연결된 상기 복수개의 단락부 중 가장 작은 실 측정 전력값이 계산된 어느 하나의 연료전지와 연결된 어느 하나의 단락부부터 순차적으로 작동하는 것을 특징으로 하는 연료전지 활성화 시스템.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 복수개의 연료전지의 캐소드 단자는 각각 복수개의 스위치와 연결되고,
    상기 복수개의 스위치에 의해 상기 복수개의 연료전지의 작동여부가 개별적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 연료전지 활성화 시스템.
  11. 연료전지의 전류 및 전압을 측정하는 단계;
    연료전지의 전력 Ref 값을 계산하는 단계;
    연료전지의 실 전력값을 측정하는 단계;
    전력 Ref 값과 실 전력 측정값을 비교하는 단계; 및
    전력 Ref 값과 실 전력 측정값을 비교하여, 실 측정 전력값이 전력 Ref 값보다 작은 경우, 연료전지에 전류 펄스를 인가하는 단계;
    를 포함하는 연료전지 활성화 방법
  12. 제11항에 있어서,
    상기 연료전지에 전류 펄스를 인가하는 단계는,
    연료전지의 캐소드 단자와 애노드 단자를 단락시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 활성화 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 연료전지에 전류 펄스를 인가하는 단계는,
    연료전지에 전류 펄스가 인가하여 연료전지 표면의 산화물을 제거하고, 연료전지의 내부에 수화영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 활성화 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    복수개의 연료전지가 제공되고,
    상기 전력 Ref 값과 실 전력 측정값을 비교하는 단계에서, 복수개의 연료전지 중 일부에 대한 실 측정 전력값이 전력 Ref 값보다 작은 경우,
    일부의 연료전지에 각각 전류 펄스를 인가하는 것을 특징으로 하는 연료전지 활성화 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    복수개의 연료전지가 제공되고,
    상기 전력 Ref 값과 실 전력 측정값을 비교하는 단계에서, 복수개의 연료전지에 대해 각각 측정한 실 측정 전력값이 전력 Ref 값보다 작은 경우에,
    상기 연료전지에 전류 펄스를 인가하는 단계는, 복수개의 연료전지 중 가장 작은 실 측정 전력값이 계산된 어느 하나의 연료전지부터 순차적으로 전류 펄스를 인가하는 것을 특징으로 하는 연료전지 활성화 방법.

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