KR100725883B1 - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 연료 전지 스택과, 상기 연료 전지 스택에 연료를 공급하는 연료 공급부와, 상기 연료 전지 스택의 출력 전압을 소정의 전압으로 변환하여 출력하는 연료 전지용 DC/DC 컨버터와, 축전 디바이스인 이차 전지와, 상기 이차 전지의 출력 전압을 소정의 전압으로 변환하여 출력하는 이차 전지용 DC/DC 컨버터를 구비하고, 상기 연료 전지용 DC/DC 컨버터의 출력단과 상기 이차 전지용 DC/DC 컨버터의 출력단과의 접속점 전압의 설정 변경이 가능하고, 상기 이차 전지가 착탈 가능한 것을 특징으로 하고 있어서, 범용성이 높다.
연료 전지, 이차 전지, 컨덴서, 승압비

Description

연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
도 1은, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 일구성예를 도시하는 도면.
도 2는, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 구체예를 도시하는 도면.
도 3은, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 구체예를 도시하는 도면.
도 4는, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 구체예를 도시하는 도면.
도 5는, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 구체예를 도시하는 도면.
도 6은, 종래의 연료 전지 시스템의 일구성예를 도시하는 도면.
도 7은, 연료 전지 스택의 전류-전압 특성 및 전류-전력 특성을 도시하는 도면.
도 8a는, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템을 노트 PC의 전원으로서 사용하는 경우의 사용 상황을 도시하는 도면.
도 8b는, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 접속하고 있었던 이차 전지와 노트 PC의 배터리와의 교체 상황을 도시하는 도면.
도 9a는, 편집 작업 시에, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템을 핸디형 비디오 카메라의 전원으로서 사용하는 경우의 사용 상황을 도시하는 도면.
도 9b는, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 접속하고 있었던 이차 전지와 핸디형 비디오 카메라에 장착하고 있었던 배터리와의 교체 상황을 도시하는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 연료 전지 스택
2 : 연료 공급부
3 : 이차 전지
4 : 연료 전지용 DC/DC 컨버터
5 : 이차 전지용 DC/DC 컨버터
6 : 이차 전지 충전 회로
7 : 시스템 출력 단자
[특허 문헌1] 일본 특개 2004-71260호 공보
본 발명은, 연료 전지와 축전 디바이스의 병렬 시스템인 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
최근, 연료 전지와 축전 디바이스의 병렬 시스템인 연료 전지 시스템이 여러 가지 개발되어 있다(예를 들면, 일본 특개 2004-71260호 공보 참조). 여기서, 종래의 연료 전지 시스템의 일구성예를 도 6에 도시한다.
도 6에 도시하는 종래의 연료 전지 시스템은, 연료 전지와 축전 디바이스의 병렬 시스템으로서, 연료 전지 스택(1)과, 연료 공급부(2)와, 축전 디바이스인 이차 전지(3)와, 역류 방지 다이오드(D1)와, 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5')와, 시스템 출력 단자(7)를 구비하고 있다. 시스템 출력 단자(7)는 정극 단자와 부극 단자로 이루어지는 직류 출력 단자이다.
연료 공급부(2)는, 정기적으로 소정량의 연료를 연료 전지 스택(1)에 공급함과 함께, 연료 전지 스택(1)에서 사용되지 않은 연료를 회수한다. 연료 전지 스택(1)의 정극 출력단이 역류 방지 다이오드(D1)를 통하여 시스템 출력 단자(7)의 정극 단자에 접속된다. 이차 전지(3)가 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5')의 입력단에 접속되고, 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5')의 정극 출력단이 시스템 출력 단자(7)의 정극 단자에 접속된다. 또한, 도시는 생략하고 있지만, 연료 전지 스택(1)의 부극 출력단 및 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5')의 부극 출력단이 각각 시스템 출력 단자(7)의 부극 단자에 접속된다. 도 6에 도시하는 연료 전지 시스템은, 연료 전지 시스템의 출력에 기초하는 전력을 연료 공급부(2)의 동작 전원으로서 이용하고 있고, 시스템 기동 시에는 이차 전지(3)의 출력에 의해 연료 공급부(2)를 동작시키고 있다.
시스템 출력 단자(7)가 전기 기기(부하)의 직류 입력 단자에 접속됨으로써, 도 6에 도시하는 종래의 연료 전지 시스템으로부터 전기 기기에 전력이 공급된다. 통상적으로, 전기 기기에 맞춰 연료 전지 스택(1), 연료 공급부(2), 이차 전지(3), 및 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5')의 각 사양이 결정되고, 전기 기기에 맞는 전압이 시스템 출력 단자(7)로부터 출력된다. 예를 들면, 전기 기기의 직류 입력 단자가 16V 직류 입력 단자인 경우, 시스템 출력 단자(7)로부터 출력되는 전압이 약 16V로 되도록 연료 전지 스택(1), 연료 공급부(2), 이차 전지(3), 및 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5')의 각 사양이 결정된다.
이와 같이, 도 6에 도시하는 종래의 연료 전지 시스템은, 특정한 전기 기기(예를 들면, 16V 직류 입력 단자를 갖는 전기 기기)에 특화한 사양으로 되어 있어서, 범용성이 높지 않았다.
여기서, 시스템 출력 단자(7)에 접속되는 전기 기기(부하)에 내장되어 있는 이차 전지를 도 6에 도시하는 종래의 연료 전지 시스템의 이차 전지(3)로서 이용함으로써 이차 전지(3)의 사양을 변경하는 것이 생각되지만, 그 경우 전기 기기에 이차 전지의 출력 전압을 출력하는 직류 출력 단자를 새롭게 설치할 필요가 있어, 전기 기기의 코스트 업이나 기존의 전기 기기로서는 대응할 수 없는 등의 문제가 있었다.
본 발명은, 범용성이 높은 연료 전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 연료 전지와, 상기 연료 전지에 연료를 공급하는 연료 공급부와, 상기 연료 전지의 출력 전압을 소정의 전압으로 변환하여 출력하는 제1 DC/DC 컨버터와, 축전 디바이스와, 상기 축전 디바이스의 출력 전압을 소정의 전압으로 변환하여 출력하는 제2 DC/DC 컨버터를 구비하고, 제1 DC/DC 컨버터의 출력단과 제2 DC/DC 컨버터의 출력단과의 접속점 전압의 설정 변경이 가능하고, 상기 축전 디바이스가 착탈 가능하도록 하고 있다. 상기 축전 디바이스로서는, 예를 들면 이차 전지나 전기 이중층 컨덴서 등을 들 수 있다.
이러한 구성에 의하면, 제1 DC/DC 컨버터의 출력단과 제2 DC/DC 컨버터의 출력단과의 접속점 전압의 설정 변경이 가능하고, 축전 디바이스가 착탈 가능하기 때문에, 전기 기기(부하)에 따라 연료 전지 시스템으로부터 출력되는 전압의 설정과 축전 디바이스의 종류를 변경할 수 있다. 이것에 의해, 여러 가지의 전기 기기에 대응할 수 있어서, 범용성이 높다.
제1 DC/DC 컨버터의 출력단과 제2 DC/DC 컨버터의 출력단과의 접속점 전압의 설정 변경을 가능하게 하기 위해, 예를 들면, 제1 DC/DC 컨버터를 출력 전압 설정 및 승압비의 상한 설정을 변경할 수 있는 승압형 DC/DC 컨버터로 하고, 제2 DC/DC 컨버터를 출력 전압 설정을 변경할 수 있는 DC/DC 컨버터로 하면 된다. 또한, 상기 연료 전지의 출력 전력이 최대일 때의 상기 연료 전지의 출력 전압치보다 작은 상기 연료 전지의 출력 전압치와, 제1 DC/DC 컨버터의 승압비의 상한을 승산하여 얻어지는 승산치가, 상기 제1 DC/DC 컨버터의 출력 전압 설정치 미만이도록 함으로써, 상기 연료 전지의 수명이 저하될 우려가 없어진다.
또한, 상기 각 구성의 연료 전지 시스템에서, 제1 DC/DC 컨버터의 출력단과 제2 DC/DC 컨버터의 출력단과의 접속점 전압을 외부 출력하는 시스템 출력 단자를 복수 구비하고, 축전 디바이스 접속용 단자를 여러 쌍 구비하도록 해도 된다.
이러한 구성에 의하면, 전기 기기(부하)의 직류 입력 단자의 형상이 각 사양의 전기 기기에서 서로 다른 경우나 축전 디바이스의 형상이 각 사양의 축전 디바이스에서 서로 다른 경우에도 대응할 수 있다.
또한, 상기 각 구성의 연료 전지 시스템에서, 제1 DC/DC 컨버터의 출력단과 제2 DC/DC 컨버터의 출력단과의 접속점 전압을 이용하여 상기 축전 디바이스를 충전하는 축전 디바이스 충전부를 구비하도록 해도 된다.
이러한 구성에 의하면, 축전 디바이스가 착탈 가능하며, 축전 디바이스 충전부에 의해 축전 디바이스를 충전할 수 있으므로, 연료 전지 시스템을 축전 디바이스의 충전기로서 이용할 수 있다.
또한, 상기 각 구성의 연료 전지 시스템에서, 상기 축전 디바이스의 종류에 따라 제2 DC/DC 컨버터의 최대 전류치 및 승압비의 상한치 중 적어도 하나를 변경하도록 해도 된다. 이것에 의해, 상기 축전 디바이스의 보호 나아가서는 연료 전지 시스템의 보호를 도모할 수 있다.
<실시 형태>
본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 이하에 설명한다. 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 일구성예를 도 1에 도시한다. 또한, 도 1에서 도 6과 동일한 부분에는 동일한 부호를 부여한다.
도 1에 도시하는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 연료 전지와 축전 디바이스의 병렬 시스템으로서, 연료 전지 스택(1)과, 연료 공급부(2)와, 축전 디바이스인 이차 전지(3)와, 연료 전지용 DC/DC 컨버터(4)와, 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5)와, 이차 전지 충전 회로(6)와, 시스템 출력 단자(7)를 구비하고 있다. 시스템 출력 단자(7)는 정극 단자와 부극 단자로 이루어지는 직류 출력 단자이다.
연료 공급부(2)는, 정기적으로 소정량의 연료를 연료 전지 스택(1)에 공급함과 함께, 연료 전지 스택(1)에서 사용되지 않은 연료를 회수한다. 연료 전지 스택(1)이 연료 전지용 DC/DC 컨버터(4)의 입력단에 접속되고, 연료 전지용 DC/DC 컨버터(4)의 정극 출력단이 시스템 출력 단자(7)의 정극 단자에 접속된다. 이차 전지(3)가 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5)의 입력단과 이차 전지 충전 회로(6)의 출력단각각에 접속되고, 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5)의 정극 출력단과 이차 전지 충전 회로(6)의 정극 입력단이 각각 시스템 출력 단자(7)의 정극 단자에 접속된다. 또 한, 연료 전지용 DC/DC 컨버터(4)의 부극 출력단, 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5)의 부극 출력단, 및 이차 전지 충전 회로(6)의 부극 입력단이 각각 시스템 출력 단자(7)의 부극 단자에 접속된다. 도 1에 도시하는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 연료 전지 시스템의 출력에 기초하는 전력을 연료 공급부(2)의 동작 전원으로서 이용하고 있고, 시스템 기동 시에는 이차 전지(3)의 출력에 기초하는 전력에 의해 연료 공급부(2)를 동작시키고 있다.
시스템 출력 단자(7)가 전기 기기(부하)의 직류 입력 단자에 접속됨으로써, 도 1에 도시하는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템으로부터 전기 기기에 전력이 공급된다. 연료 전지용 DC/DC 컨버터(4)는 연료 전지 스택(1)으로부터 출력되는 직류 전압을 소정치(PV1)의 직류 전압에 승압하여 출력하고, 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5)는 이차 전지(3)로부터 출력되는 직류 전압을 소정치(PV2)의 직류 전압에 승압하여 출력한다. 단, 연료 전지용 DC/DC 컨버터(4)의 승압비에는 상한이 있고, 연료 전지 스택(1)으로부터 출력되는 직류 전압이 지나치게 작아 연료 전지 스택(1)으로부터 출력되는 직류 전압과 승압비의 상한치를 승산해도 소정치(PV1)에 달하지 않는 경우, 연료 전지용 DC/DC 컨버터(4)의 출력 전압은 소정치(PV1)보다도 작아진다.
또한, 연료 전지용 DC/DC 컨버터(4)의 출력 전압치(PV1)가 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5)의 출력 전압치(PV2)보다 크게 설정되어 있다. 이것에 의해, 연료 전지 스택(1)의 출력 가능 전력이 전기 기기가 요구하는 전력 이상인 경우에는 연료 전지용 DC/DC 컨버터(4)의 출력 전력만이 시스템 출력 단자(7)를 통하여 전기 기기에 공급되고, 연료 전지 스택(1)의 출력 가능 전력이 전기 기기가 요구하는 전력 미만인 경우에는 연료 전지용 DC/DC 컨버터(4)의 승압비가 상한에 달하여 연료 전지용 DC/DC 컨버터(4)의 출력 전압이 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5)의 출력 전압치(PV2)까지 내려가고, 연료 전지용 DC/DC 컨버터(4)의 출력 전력과 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5)의 출력 전력이 시스템 출력 단자(7)를 통하여 전기 기기에 공급된다. 즉, 연료 전지 스택(1)의 출력 가능 전력이 전기 기기가 요구하는 전력 미만인 경우에는 이차 전지(3)가 부족 전력(=전기 기기가 요구하는 전력-연료 전지 스택(1)의 출력 가능 전력)을 보충하고 있다.
이차 전지 충전 회로(6)는, 연료 전지 스택(1)의 출력 가능 전력이 전기 기기가 요구하는 전력보다 큰 경우의 잉여 전력(=연료 전지 스택(1)의 출력 가능 전력-전기 기기가 요구하는 전력)이나 부하인 전기 기기가 동작하고 있을 때의 연료 전지 스택(1)의 출력 전력을 이용하여 이차 전지(3)를 충전한다.
또한, 도 1에 도시하는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 시스템 출력 단자(7)로부터 출력되는 전압의 설정을 변경할 수 있다. 즉, 연료 전지용 DC/DC 컨버터(4)는 출력 전압 설정 및 승압비의 상한 설정을 변경할 수 있는 DC/DC 컨버터이고, 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5)는 출력 전압 설정을 변경할 수 있는 DC/DC 컨버터이며, 도 1에 도시하는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 연료 전지용 DC/DC 컨버터(4)의 출력 전압 설정 및 승압비의 상한 설정과 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5)의 출력 전압 설정을 변경하는 설정 변경 수단(도 1에서 도시 생략)을 갖고 있다. 또한, 도 1에 도시하는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 이차 전지(3)가 착탈 가능한 구조이며, 이차 전지(3)에 여러 가지의 이차 전지를 이용할 수 있다. 도 1에 도시하는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 전기 기기(부하)에 따라 시스템 출력 단자로부터 출력되는 전압의 설정과 이차 전지의 종류를 변경할 수 있으므로, 여러 가지의 전기 기기에 대응할 수 있어서, 범용성이 높다. 또한, 부하인 전기 기기가 동작하지 않을 때의 연료 전지 스택(1)의 출력 전력을 이용하여 이차 전지 충전 회로(6)가 이차 전지(3)를 충전할 수 있고, 이차 전지(3)가 착탈 가능하기 때문에, 도 1에 도시하는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템을 이차 전지(3)의 충전기로서 이용할 수 있다.
이하, 출력 전압 설정이 16V와 12V의 2 종류인 연료 전지 시스템을 예로 들어, 도 1에 도시하는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 구체예에 대해 설명한다. 도 1에 도시하는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 구체예를 도 2에 도시한다. 또한, 도 2에서 도 1과 동일한 부분에는 동일한 부호를 부여하고 상세한 설명을 생략한다.
도 2에 도시하는 연료 전지 시스템은, 연료 전지용 DC/DC 컨버터(4)의 출력 전압 설정 및 승압비의 상한 설정과 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5)의 출력 전압 설정을 변경하는 설정 변경 수단으로서 전압 설정 절환 스위치(9)를 구비하고 있다. 또한, 도 2에 도시하는 연료 전지 시스템은, 이차 전지 접속 단자(8A 및 8B)를 구비하고 있다. 또한, 도 2에 도시하는 연료 전지 시스템은, 시스템 출력 단자(7)에 상당하는 복수의 시스템 출력 단자(7A 및 7B)를 구비하고 있다.
연료 전지용 DC/DC 컨버터(4)의 정극 출력단, 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5) 의 정극 출력단, 및 이차 전지 충전 회로(6)의 정극 입력단이 각각 시스템 출력 단자(7A 및 7B)의 정극 단자에 접속된다. 또한, 연료 전지용 DC/DC 컨버터(4)의 부극 출력단, 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5)의 부극 출력단, 및 이차 전지 충전 회로(6)의 부극 입력단이 각각 시스템 출력 단자(7A 및 7B)의 부극 단자에 접속된다. 또한, 시스템 출력 단자(7A)는 전기 기기의 16V 입력 단자와 접속 가능한 형상이고, 시스템 출력 단자(7B)는 전기 기기의 12V 입력 단자와 접속 가능한 형상이다. 또한, 이차 전지 접속 단자(8A)는 연료 전지 시스템이 16V 설정인 경우에 적합한 사양의 이차 전지와 접속 가능한 형상이며, 이차 전지 접속 단자(8B)는 연료 전지 시스템이 12V 설정인 경우에 적합한 사양의 이차 전지와 접속 가능한 형상이다.
전압 설정 절환 스위치(9)는, 유저 조작에 따라 16V 설정과 12V 설정을 절환한다.
연료 전지 시스템이 16V 설정인 경우에 적합한 사양의 이차 전지를 이차 전지(3)로서 이용하여, 이차 전지(3)를 이차 전지 접속 단자(8A)에 접속한 상태에서, 전압 설정 절환 스위치(9)는, 유저 조작에 따라 16V를 설정한다. 16V 설정의 경우, 연료 전지용 DC/DC 컨버터(4)는 전압 설정 절환 스위치(9)로부터의 지시에 따라 출력 전압을 16V로 설정하고 승압비의 상한을 16V 설정용의 값으로 설정하고, 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5)는 전압 설정 절환 스위치(9)로부터의 지시에 따라 출력 전압을 15.5V로 설정한다. 그리고, 전기 기기의 16V 입력 단자와 시스템 출력 단자(7A)를 접속한다.
한편, 연료 전지 시스템이 12V 설정인 경우에 적합한 사양의 이차 전지를 이 차 전지(3)로서 이용하여, 이차 전지(3)를 이차 전지 접속 단자(8B)에 접속한 상태에서, 전압 설정 절환 스위치(9)는, 유저 조작에 따라 12V를 설정한다. 12V 설정의 경우, 연료 전지용 DC/DC 컨버터(4)는 전압 설정 절환 스위치(9)로부터의 지시에 따라 출력 전압을 12V로 설정하고 승압비의 상한을 12V 설정용의 값으로 설정하고, 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5)는 전압 설정 절환 스위치(9)로부터의 지시에 따라 출력 전압을 11.5V로 설정한다. 그리고, 전기 기기의 12V 입력 단자와 시스템 출력 단자(7B)를 접속한다.
또한, 전기 기기의 16V 입력 단자와 전기 기기의 12V 입력 단자가 동일 형상인 경우, 시스템 출력 단자(7A)와 시스템 출력 단자(7B)를 공통화할 수 있고, 연료 전지 시스템이 16V 설정인 경우에 적합한 사양의 이차 전지의 형상과 연료 전지 시스템이 12V 설정인 경우에 적합한 사양의 이차 전지의 형상이 동일 형상인 경우, 이차 전지 접속 단자(8A)와 이차 전지 접속 단자(8B)를 공통화할 수 있다.
다음으로, 도 1에 도시하는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 다른 구체예를 도 3에 도시한다. 또한, 도 3에서 도 2와 동일한 부분에는 동일한 부호를 부여하고 상세한 설명을 생략한다.
도 3에 도시하는 연료 전지 시스템은, 연료 전지 시스템이 16V 설정인 경우에 적합한 사양의 이차 전지의 출력 전압치와 연료 전지 시스템이 12V 설정인 경우에 적합한 사양의 이차 전지의 출력 전압치가 서로 다른 것을 전제로 한 구성이다.
도 3에 도시하는 연료 전지 시스템은, 연료 전지용 DC/DC 컨버터(4)의 출력 전압 설정 및 승압비의 상한 설정과 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5)의 출력 전압 설 정을 변경하는 설정 변경 수단으로서 전압 설정 제어 회로(10)를 구비하고 있다.
전압 설정 제어 회로(10)는, 이차 전지(3)의 출력 전압에 따라 16V 설정과 12V 설정을 절환한다.
이차 전지 접속 단자(8A)에 접속된 이차 전지(3)의 출력 전압을 전압 설정 제어 회로(10)가 검출하여 16V를 설정한다. 16V 설정의 경우, 연료 전지용 DC/DC 컨버터(4)는 전압 설정 제어 회로(10)로부터의 지시에 따라 출력 전압을 16V로 설정하여 승압비의 상한을 16V 설정용의 값으로 설정하고, 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5)는 전압 설정 제어 회로(10)로부터의 지시에 따라 출력 전압을 15.5V로 설정한다. 그리고, 전기 기기의 16V 입력 단자와 시스템 출력 단자(7A)를 접속한다.
한편, 이차 전지 접속 단자(8B)에 접속된 이차 전지(3)의 출력 전압을 전압 설정 제어 회로(10)가 검출하여 12V를 설정한다. 12V 설정의 경우, 연료 전지용 DC/DC 컨버터(4)는 전압 설정 제어 회로(10)로부터의 지시에 따라 출력 전압을 12V로 설정하여 승압비의 상한을 12V 설정용의 값으로 설정하고, 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5)는 전압 설정 제어 회로(10)로부터의 지시에 따라 출력 전압을 11.5V로 설정한다. 그리고, 전기 기기의 12V 입력 단자와 시스템 출력 단자(7B)를 접속한다.
또한, 전기 기기의 16V 입력 단자와 전기 기기의 12V 입력 단자가 동일 형상인 경우, 시스템 출력 단자(7A)와 시스템 출력 단자(7B)를 공통화할 수 있고, 연료 전지 시스템이 16V 설정인 경우에 적합한 사양의 이차 전지의 형상과 연료 전지 시스템이 12V 설정인 경우에 적합한 사양의 이차 전지의 형상이 동일 형상인 경우, 이차 전지 접속 단자(8A)와 이차 전지 접속 단자(8B)를 공통화할 수 있다.
다음으로, 도 1에 도시하는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 다른 구체예를 도 4에 도시한다. 또한, 도 4에서 도 2와 동일한 부분에는 동일한 부호를 부여하고 상세한 설명을 생략한다.
도 4에 도시하는 연료 전지 시스템은, 연료 전지용 DC/DC 컨버터(4)의 출력 전압 설정 및 승압비의 상한 설정과 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5)의 출력 전압 설정을 변경하는 설정 변경 수단으로서 전압 설정 제어 회로(10')를 구비하고 있다.
도 4에 도시하는 연료 전지 시스템은, 본체부(11)와, 제1 부속 케이블(12)과, 제2 부속 케이블(13)에 의해 구성된다. 본체부(11)는, 연료 전지 스택(1)과, 연료 공급부(2)와, 이차 전지(3)와, 연료 전지용 DC/DC 컨버터(4)와, 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5)와, 이차 전지 충전 회로(6)와, 이차 전지 접속 단자(8A 및 8B)와, 전압 설정 제어 회로(10')와, 커넥터(C1)를 갖는다. 이차 전지(3)는 본체부(11)에 대하여 착탈 가능하다. 제1 부속 케이블(12)은 커넥터(C2A)와 시스템 출력 단자(7A)를 갖고, 제2 부속 케이블(12)은 커넥터(C2B)와 시스템 출력 단자(7B)를 갖는다.
커넥터(C1)는 1번 도전 단자, 2번 도전 단자, 및 3번 도전 단자를 갖고 있다. 커넥터(C1)의 1번 도전 단자는, 연료 전지용 DC/DC 컨버터(4)의 정극 출력단, 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5)의 정극 출력단, 및 이차 전지 충전 회로(6)의 정극 입력단에 접속된다. 커넥터(C1)의 2번 도전 단자는, 연료 전지용 DC/DC 컨버터(4)의 부극 출력단, 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5)의 부극 출력단, 및 이차 전지 충전 회로(6)의 부극 입력단에 접속된다. 커넥터(C1)의 3번 도전 단자는 전압 설정 제어 회로(10')에 접속된다.
커넥터(C2A)는 1번 도전 단자, 2번 도전 단자, 및 3번 도전 단자를 갖고 있다. 커넥터(C2A)의 1번 도전 단자는 시스템 출력 단자(7A)의 정극 단자에 접속되고, 커넥터(C2A)의 2번 도전 단자는 시스템 출력 단자(7A)의 부극 단자에 접속되고, 커넥터(C2A)의 3번 도전 단자는 오픈이다.
커넥터(C2B)는 1번 도전 단자, 2번 도전 단자, 및 3번 도전 단자를 갖고 있다. 커넥터(C2B)의 1번 도전 단자는 시스템 출력 단자(7B)의 정극 단자에 접속되고, 커넥터(C2B)의 2번 도전 단자 및 3번 도전 단자는 시스템 출력 단자(7B)의 부극 단자에 접속된다.
전압 설정 제어 회로(10')는, 커넥터(C1)의 3번 도전 단자의 전위에 따라 16V 설정과 12V 설정을 절환한다. 즉, 전압 설정 제어 회로(10')는, 커넥터(C1)의 3번 도전 단자가 오픈이면 16V 설정으로 하고 그라운드 전위이면 2V 설정으로 한다.
연료 전지 시스템이 16V 설정인 경우에 적합한 사양의 이차 전지를 이차 전지(3)로서 이용하여, 이차 전지(3)를 이차 전지 접속 단자(8A)에 접속하고, 커넥터(C1)와 커넥터(C2A)를 접속함으로써 커넥터(C1)의 1∼3번 도전 단자와 커넥터(C2A)의 1∼3번 도전 단자를 각각 전기적으로 접속한 상태에서, 전압 설정 제어 회로(10')는 16V를 설정한다. 16V 설정의 경우, 연료 전지용 DC/DC 컨버터(4)는 전압 설정 제어 회로(10')로부터의 지시에 따라 출력 전압을 16V로 설정하여 승압비의 상한을 16V 설정용의 값으로 설정하고, 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5)는 전압 설정 제어 회로(10')로부터의 지시에 따라 출력 전압을 15.5V로 설정한다. 그리고, 전기 기기의 16V 입력 단자와 시스템 출력 단자(7A)를 접속한다.
한편, 연료 전지 시스템이 12V 설정인 경우에 적합한 사양의 이차 전지를 이차 전지(3)로서 이용하여, 이차 전지(3)를 이차 전지 접속 단자(8B)에 접속하고, 커넥터(C1)와 커넥터(C2B)를 접속함으로써 커넥터(C1)의 1∼3번 도전 단자와 커넥터(C2B)의 1∼3번 도전 단자를 각각 전기적으로 접속한 상태에서, 전압 설정 제어 회로(10')는 12V를 설정한다. 12V 설정의 경우, 연료 전지용 DC/DC 컨버터(4)는 전압 설정 제어 회로(10')로부터의 지시에 따라 출력 전압을 12V로 설정하여 승압비의 상한을 12V 설정용의 값으로 설정하고, 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5)는 전압 설정 제어 회로(10')로부터의 지시에 따라 출력 전압을 11.5V로 설정한다. 그리고, 전기 기기의 12V 입력 단자와 시스템 출력 단자(7B)를 접속한다.
또한, 연료 전지 시스템이 16V 설정인 경우에 적합한 사양의 이차 전지의 형상과 연료 전지 시스템이 12V 설정인 경우에 적합한 사양의 이차 전지의 형상이 동일 형상인 경우, 이차 전지 접속 단자(8A)와 이차 전지 접속 단자(8B)를 공통화할 수 있다.
다음으로, 도 1에 도시하는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 다른 구체예를 도 5에 도시한다. 또한, 도 5에서 도 2와 동일한 부분에는 동일한 부호를 부여하고 상세한 설명을 생략한다.
도 5에 도시하는 연료 전지 시스템은, 시스템 출력 단자(7A 또는 7B)에 접속 되는 전기 기기(부하)의 직류 입력 단자로부터 전압 설정에 관한 신호(전압 설정 신호)가 출력되는 것을 전제로 한 구성이며, 기존의 전기 기기에는 대응할 수 없다. 따라서, 도 5에 도시하는 구성보다 도 2∼도 4에 도시하는 구성 쪽이 바람직하다.
도 5에 도시하는 연료 전지 시스템은, 연료 전지용 DC/DC 컨버터(4)의 출력 전압 설정 및 승압비의 상한 설정과 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5)의 출력 전압 설정을 변경하는 설정 변경 수단으로서 전압 설정 제어 회로(10'')를 구비하고 있다.
전압 설정 제어 회로(10'')는, 전기 기기(부하)의 직류 출력 단자로부터 출력되어 시스템 출력 단자(7A 또는 7B)에 입력되는 전압 설정 신호에 따라 16V 설정과 12V 설정을 절환한다.
연료 전지 시스템이 16V 설정인 경우에 적합한 사양의 이차 전지를 이차 전지(3)로서 이용하여, 이차 전지(3)를 이차 전지 접속 단자(8A)에 접속한 상태에서, 시스템 출력 단자(7A)에 접속된 전기 기기의 직류 입력 단자로부터의 전압 설정 신호에 의해 전압 설정 제어 회로(10'')는 16V를 설정한다. 16V 설정의 경우, 연료 전지용 DC/DC 컨버터(4)는 전압 설정 제어 회로(10'')로부터의 지시에 따라 출력 전압을 16V로 설정하여 승압비의 상한을 16V 설정용의 값으로 설정하고, 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5)는 전압 설정 제어 회로(10'')로부터의 지시에 따라 출력 전압을 15.5V로 설정한다.
한편, 연료 전지 시스템이 12V 설정인 경우에 적합한 사양의 이차 전지를 이차 전지(3)로서 이용하여, 이차 전지(3)를 이차 전지 접속 단자(8B)에 접속한 상태 에서, 시스템 출력 단자(7B)에 접속된 전기 기기의 직류 입력 단자로부터의 전압 설정 신호에 의해 전압 설정 제어 회로(10'')는 12V를 설정한다. 12V 설정의 경우, 연료 전지용 DC/DC 컨버터(4)는 전압 설정 제어 회로(10'')로부터의 지시에 따라 출력 전압을 12V로 설정하고 승압비의 상한을 12V 설정용의 값으로 설정하고, 이차 전지용 DC/D 컨버터(5)는 전압 설정 제어 회로(10'')로부터의 지시에 따라 출력 전압을 11.5V로 설정한다.
또한, 전기 기기의 16V 입력 단자와 전기 기기의 12V 입력 단자가 동일 형상인 경우, 시스템 출력 단자(7A)와 시스템 출력 단자(7B)를 공통화할 수 있고, 연료 전지 시스템이 16V 설정인 경우에 적합한 사양의 이차 전지의 형상과 연료 전지 시스템이 12V 설정인 경우에 적합한 사양의 이차 전지의 형상이 동일 형상인 경우, 이차 전지 접속 단자(8A)와 이차 전지 접속 단자(8B)를 공통화할 수 있다.
전술한 실시 형태에서는 출력 설정이 2 종류이었지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니라, 출력 설정은 3 종류 이상이어도 된다. 또한, 전술한 실시 형태에서는 축전 디바이스로서 이차 전지를 이용하였지만, 이차 전지 대신에 다른 축전 디바이스(예를 들면 전기 이중층 컨덴서 등)을 이용해도 상관없다.
전술한 실시 형태에서는, 연료 공급부(2)가 정기적으로 소정량의 연료를 연료 전지 스택(1)에 공급하기 때문에, 연료 전지 스택(1)의 전류-전압 특성 및 전류-전력 특성은 도 7에 도시하는 바와 같이 된다. 도 7에서 TI -V, TI -P는 각각 연료 전지 스택(1)의 출력 전류-출력 전압 특성 곡선, 연료 전지 스택(1)의 출력 전류-출 력 전력 특성 곡선을 나타내고 있다.
연료 전지 스택(1)은 출력 전류에 따라 출력 전압이 변화하고, 출력 전류가 증가할수록 출력 전압이 저하된다. 출력 전력이 최대일 때의 출력 전류의 값 Ipmax는 연료 공급부(2)로부터 연료 전지 스택(1)에 공급되는 연료량에 의해 결정된다. Ipmax보다 큰 전류 영역(불안정 영역)에서 연료 전지 스택(1)의 동작은 불안정하며, Ipmax보다 큰 전류 영역(불안정 영역)에서 연료 전지 스택(1)이 동작을 계속하면 연료 전지 스택(1)의 수명 저하로 이어진다.
이러한 연료 전지 스택(1)의 특성을 고려하여, 연료 전지용 DC/DC 컨버터(4)의 승압비의 상한을 설정하면 된다. 즉, Ipmax보다 큰 전류 영역(불안정 영역)에서의 연료 전지 스택(1)의 출력 전압과 연료 전지용 DC/DC 컨버터(4)의 승압비의 상한을 승산해도 소정치(PV1)에 달하지 않도록, 연료 전지용 DC/DC 컨버터(4)의 승압비의 상한을 설정하면 된다.
또한, 축전 디바이스의 보호 나아가서는 연료 전지 시스템의 보호를 도모하는 관점으로부터, 전술한 실시 형태에서, 축전 디바이스인 이차 전지(3)의 종류에 따라 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5)의 최대 전류치 및 승압비의 상한치 중 적어도 하나를 자동 설정 혹은 수동 설정에 의해 변경 가능하게 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 축전 디바이스인 이차 전지(3)의 최대 전류 및 최대 전력을 이차 전지(3)의 종류에 따라 설정할 수 있으므로, 어떠한 종류의 이차 전지(3)라 하더라도 적절하게 보호할 수 있다. 자동 설정의 경우, 축전 디바이스인 이차 전지(3)와 정보를 수수(수취 만이어도 됨)하는 수단을 설치하여, 해당 정보에 따라 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5)의 최대 전류치 및 승압비의 상한치 중 적어도 하나를 변경하도록하면 된다. 한편, 수동 설정의 경우, 유저 조작에 의해 설정이 절환되는 설정 스위치를 설치하여, 그 설정 스위치가 이차 전지용 DC/DC 컨버터(5)의 최대 전류치 및 승압비의 상한치 중 적어도 하나를 변경하도록 하면 된다.
이하, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 사용 양태 예에 대해 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템을 노트 PC의 전원으로서 사용하는 경우에 대해 설명한다.
도 8a는, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템을 노트 PC의 전원으로서 사용하는 경우의 사용 상황을 도시하는 도면이다. 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(101)은 회의실 등의 책상(103)의 위에 설치된다. 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(101)의 시스템 출력 단자(7A 또는 7B)(도 8a에서 도시 생략, 도 2∼도 5를 참조)가 노트 PC(102)의 전원 입력 단자(도시 생략)에 접속되고, 노트 PC(102)에 장착하는 배터리와 동종의 이차 전지(3)가 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 이차 전지 접속 단자(8A 또는 8B)(도 8a에서 도시 생략, 도 2∼도 5를 참조)에 접속된다. 유저가 전압 설정 절환 스위치(9)(도 2를 참조)를 조작함으로써 혹은 전압 설정 제어 회로(10, 10', 또는 10'')(도 3∼도 5를 참조)의 제어 동작에 의해, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(101)의 출력 전압 설정이 이루어진다. 상기 사용 상황에서는, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템이 노트 PC의 전원으로서 사용되므로, 노트 PC에 AC 어댑터를 접속하고 있는 경우와 동일한 상태에서 노트 PC를 사용할 수 있다. 따라서, 노트 PC의 배터리 잔량을 걱정하지 않고, 노트 PC의 사용 시간의 연장이 가능하게 된다.
한편, 본 발명에 연료 전지 시스템(101)이 설치되어 있지 않은 다른 장소 혹은 AC 전원이 없는 장소에서 노트 PC(102)를 사용하는 경우에는, 도 8b에 도시하는 바와 같이 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(101)에 접속하고 있던 이차 전지(3)와 노트 PC(102)의 배터리(도시 생략)와 교체하는 것, 또는 이차 전지(3)를 보조 전원으로서 갖고 가는 것이 가능하기 때문에, 노트 PC의 장시간 사용이 가능하게 된다.
계속해서, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템을 핸디형 비디오 카메라의 전원으로서 사용하는 경우에 대해 설명한다.
핸디형 비디오 카메라는, 통상적으로, 촬영 시에는 배터리를 전원으로 하고, 편집 작업 시에는 AC 어댑터를 전원으로 하여, 사용된다. 핸디형 비디오 카메라용의 일반적인 충전기(AC 어댑터)는, 편집 작업을 하면서 배터리를 충전할 수 없다.
도 9a는, 편집 작업 시에, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템을 핸디형 비디오 카메라의 전원으로서 사용하는 경우의 사용 상황을 도시하는 도면이다. 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(201)의 출력 단자(7A 또는 7B)(도 9a에서 도시 생략, 도 2∼도 5를 참조)가 전원 케이블(203)을 통하여 핸디형 비디오 카메라(202)의 전원 입력 단자(도시 생략)에 접속되고, 핸디형 비디오 카메라(202)에 장착하는 배터리와 동종의 이차 전지(3) 또는 핸디형 비디오 카메라(202)에 장착하고 있던 배터리 그 자체가 전원 케이블(204)을 통하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 이차 전지 접속 단자(8A 또는 8B)(도 9a에서 도시 생략, 도 2∼도 5를 참조)에 접속된 다. 또한, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(201)과 핸디형 비디오 카메라(202)가 전원 케이블(203)을 통하지 않고 직접 접속되는 양태이어도 되고, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(201)과 이차 전지(3)가 전원케이블(204)을 통하지 않고 직접 접속되는 양태이어도 된다. 유저가 전압 설정 절환 스위치(9)(도 2를 참조)를 조작하는 것에 의해 혹은 전압 설정 제어 회로(10, 10', 또는 10'')(도 3∼도 5를 참조)의 제어 동작에 의해, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(201)의 출력 전압 설정이 이루어진다. 상기 사용 상황에서는, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(201)이 구비하는 연료 전지 스택의 출력 가능 전력이 핸디형 비디오 카메라(202)가 요구하는 전력보다 큰 경우에 이차 전지(3)의 충전이 행해지기 때문에, 핸디형 비디오 카메라용의 일반적인 충전기(AC 어댑터)와는 달리, 편집 작업을 하면서 배터리를 충전할 수 있다. 이와 같이 편집 작업을 하면서 배터리를 충전할 수 있기 때문에, 편집 작업 종료 후 곧 배터리를 전원으로서 이용하여 촬영을 행할 수 있다.
편집 작업 종료 후, 도 9b에 도시하는 바와 같이 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(201)에 접속하고 있던 이차 전지(3)와 핸디형 비디오 카메라(202)에 장착하고 있던 배터리(도시 생략)와 교체하여 촬영을 행하거나, 또는 이차 전지(3)를 보조 전원으로서 갖고 갈 수 있다.
본 발명에 따르면, 범용성이 높은 연료 전지 시스템을 제공할 수 있다.

Claims (8)

  1. 연료 전지 시스템에 있어서,
    연료 전지와,
    상기 연료 전지에 연료를 공급하는 연료 공급부와,
    상기 연료 전지의 출력 전압을 소정의 전압으로 변환하여 출력하는 제1 DC/DC 컨버터와,
    축전 디바이스와,
    상기 축전 디바이스의 출력 전압을 소정의 전압으로 변환하여 출력하는 제2 DC/DC 컨버터를 구비하고,
    제1 DC/DC 컨버터의 출력단과 제2 DC/DC 컨버터의 출력단과의 접속점 전압의 설정 변경이 가능하고,
    상기 축전 디바이스가 착탈 가능한 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 축전 디바이스가 이차 전지인 연료 전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 축전 디바이스가 전기 이중층 컨덴서인 연료 전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    제1 DC/DC 컨버터가 출력 전압 설정 및 승압비의 상한 설정을 변경 가능한 승압형 DC/DC 컨버터이고,
    제2 DC/DC 컨버터가 출력 전압 설정을 변경 가능한 DC/DC 컨버터인 연료 전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    제1 DC/DC 컨버터의 출력단과 제2 DC/DC 컨버터의 출력단과의 접속점 전압을 외부 출력하는 시스템 출력 단자를 복수 구비하고,
    축전 디바이스 접속용 단자를 여러 쌍 구비하는 연료 전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    제1 DC/DC 컨버터의 출력단과 제2 DC/DC 컨버터의 출력단과의 접속점 전압을 이용하여 상기 축전 디바이스를 충전하는 축전 디바이스 충전부를 구비하는 연료 전지 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 축전 디바이스의 종류에 따라 제2 DC/DC 컨버터의 최대 전류치 및 승압비의 상한치 중 적어도 하나를 변경 가능한 연료 전지 시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 연료 전지의 출력 전력이 최대일 때의 상기 연료 전지의 출력 전압치보다 작은 상기 연료 전지의 출력 전압치와, 제1 DC/DC 컨버터의 승압비의 상한을 승산하여 얻어지는 승산치가, 상기 제1 DC/DC 컨버터의 출력 전압 설정치 미만인 연료 전지 시스템.
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