KR100783047B1 - 이동형 연료전지 장치 및 그 구동 방법 - Google Patents

이동형 연료전지 장치 및 그 구동 방법 Download PDF

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김형준
조은애
함형철
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Abstract

본 발명은 OCV 값을 이용한 초기 구동 후 안정화 상태를 결정하는 이동형 연료전지 장치 및 그 구동 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 초기 구동 감지, 구동 전위의 효율적 변환, 연료전지에서의 최소 연료 농도 사용과 연료전지 작동 정지 시 2차 전지 사용의 최대화 등을 통하여 생산된 에너지 손실을 최소화하고, 안정적이고 효율적인 에너지 관리를 수행할 수 있다. 또한, 이러한 에너지 관리의 측면에서 이동형 연료전지 장치 내의 부품의 선택과 배치를 수행하여 장치의 경제성 및 상용성을 높일 수 있다.
이동형 연료전지, 초기구동, 전력변환효율, 최소전원관리, 이차전지

Description

이동형 연료전지 장치 및 그 구동 방법{Apparatus for portable fuel cells and operating method thereof}
도 1은 본 발명의 실시예의 이동형 연료전지 장치의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 2a는 본 발명의 실시예의 이동형 연료전지 장치에 있어서 초기 구동 시 및 정상 상태 단계에서 이동형 연료전지 장치 작동을 나타내는 개략도이다.
도 2b는 본 발명의 실시예의 이동형 연료전지 장치에 있어서 초기 구동 시 및 정상 상태 단계에서 연료전지 전위의 구동 시간에 따른 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2c는 본 발명의 실시예의 이동형 연료전지 장치에 있어서 초기 구동 시 및 정상 상태 단계에서 이동형 연료전지 장치의 감지 응답 시간 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3a는 본 발명의 실시예의 이동형 연료전지 장치에 있어서 정상 상태 후 연료전지 성능 감소 단계에서 이동형 연료전지 장치 작동(최소 전력 관리 구현)을 나타내는 개략도이다.
도 3b는 본 발명의 실시예의 이동형 연료전지 장치에 있어서 정상 상태 후 연료전지 성능 감소 단계에서 연료전지 전위의 구동 시간에 따른 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3c는 본 발명의 실시예의 이동형 연료전지 장치에 있어서 정상 상태 후 연료전지 성능 감소 단계에서 이동형 연료전지 장치의 감지 응답 시간 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예의 이동형 연료전지 장치에 있어서 DC-DC 변환기의 입력 전위에 따른 효율을 보여주는 그래프이다.
*주요 도면 부호의 간단한 설명*
10 : 단위 전지 또는 단위 전지 스택으로 구성되는 연료 전지
11 : 연료 공급부 12 : 연료공급펌프
20 : 공기공급펌프 21 : 냉각팬
22 : BOP 30 : PMS (DC-DC 변환기 포함)
31 : 2차 전지 33 : 커패시터
40 : 응용 기기
본 발명은 이동용 또는 휴대용 전자기기의 전원으로서 사용되는 연료 전지 장치 일체 즉, 2차 전지와 연료전지 및 전력 조절 장치를 포함하는 이동용 또는 휴대용 전자기기의 전원 공급 장치(이하, "이동형 연료전지 장치"라고 함) 및 그 구동 방법에 관한 것이다. 상세하게는, 원활한 초기 구동과 에너지 손실을 최소화하 며 안정적이고 효율적인 에너지 관리가 가능한, 이동형 연료전지 장치 및 그 구동 방법에 관한 것이다.
본 발명에서 "연료전지"란 단위 전지 또는 그 스택으로 이루어지는 것을 의미하는 외에 통상적으로 수반되는 연료 공급부, 연료 공급 펌프, 기체 공급 펌프, 냉각팬, BOP 등을 포함하는 의미로 사용된다.
이동형 연료전지 장치는 수 W에서 수 kW 급 (1W 내지 5kW)의 범위의 예컨대 핸드폰, 노트북, 휴머로이드 등 로봇(산업용, 군사용), 응급 전원 장치, 전동 휠체어, 군사용 통신기기 등의 각종 응용 기기(이하, "응용 기기"라고 함)에 전원으로 연결되어 사용된다.
이러한 이동형 연료전지 장치에 적용 가능한 연료전지로서 개질 수소(메탄올, 디젤, 천연가스 등 이용) 연료전지, 직접 액체(메탄올, 포름산, 에탄올, 디메틸에테르, 메틸포르메이트, 붕소수소화물 등 이용) 연료전지 및 수소 저장 탱크를 이용한 수소 연료 전지 등이 있다.
그런데 종래의 이동형 연료전지 장치 개발은 이동형 연료전지 장치가 전원으로서 사용될 수 있는 응용 기기 자체나 이동형 연료전지 장치의 장착시의 외관 등에 대한 개발에 주된 초점이 맞추어져 있었다.
이러한 종래의 연구는 이동형 연료전지 장치 자체에 대한 것 보다 외적인 부분에 중점이 이루어진 결과, 실제로 이동형 연료전지 장치를 상용화하기 위하여 필요한 에너지 관리 방법 내지 대책에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았다.
특히, 이동형 연료전지 장치로부터 생산된 에너지 손실을 최소화하고, 안정 적이고 효율적인 에너지 관리를 수행하며, 이러한 에너지 관리의 측면에서 이동형 연료전지 장치내의 부품의 선택과 배치를 수행하는 것에 대한 인식 자체는 이루어진 바 없다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 생산된 에너지 손실을 최소화하고, 안정적이고 효율적인 에너지 관리를 수행하며, 이러한 에너지 관리의 측면에서 이동형 연료전지 장치내의 부품의 선택과 배치를 수행하는 이동형 연료전지 장치 및 그 구동 방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적은, 단위 전지 또는 단위 전지의 스택으로 구성되는 연료전지; 충전 및 방전이 가능한 2차 전지; 상기 연료전지로부터 생산된 전력을 공급받아 응용 기기에 공급하고, 상기 2차 전지와 상호 연결되어 전력을 공급받거나 공급하고, 상기 연료전지의 구동을 위하여 전력을 공급하며, DC-DC 변환기를 포함하고, 상기 연료전지의 전압을 측정하고 이를 기초로 상기 전력의 공급을 각각 조절하는 전력 조절 장치;를 포함하는 것이고, 상기 전력 조절 장치는 상기 연료전지의 초기 구동 후 상기 연료전지로부터 측정되는 전압이 일정한 상태에 이르는 안정화 상태에서 상기 연료전지로부터 전력을 공급받도록 하는 것을 특징으로 하는 이동형 연료전지 장치에 의하여 달성된다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 전력 조절 장치는 상기 연료전지의 단위 전지 또는 그 스택이 나타내는 OCV(open circuit voltage; 이하, "OCV"라고 함)를 기초로 하여 초기 구동 시 상기 연료전지의 전압이 상승할 때 상기 OCV 값을 넘는지를 측정하고, 일정 시간이 지난 후 상기 연료전지의 전압이 다시 상기 OCV 값에 도달하는지의 여부를 측정한 후, 상기 두 번의 OCV 값 측정 후, 상기 연료전지로부터 전력을 공급받도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 일정 시간이 지난 후에 상기 전압이 OCV 값의 ±5% 내에 도달하는 경우 OCV 값에 도달한 것으로 보아 상기 연료전지로부터 전력을 공급받도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 2차 전지는 상기 연료전지 생산 총 전력의 10 내지 15%를 초기 연료전지 구동 전력으로 공급하는 것이 바람직하다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 2차 전지는 초기 연료전지 구동 전력으로 소모된 전력을 상기 전력 조절 장치로부터 완전 충전 시까지 공급받은 후, 상기 전력 조절 장치와 상기 2차 전지 간에 연결이 차단되는 것이 바람직하다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 전력 조절 장치는 상기 연료전지가 정상 상태 후 성능 감소 단계에 이르러 그 전위가 제한 전위 이하에 이르는 경우 상기 연료전지 구동이 정지되도록 상기 연료전지로의 전력 공급을 중단하고, 이때 상기 2차 전지로부터 전력을 공급받도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 전력 조절 장치는 상기 DC-DC 변환기의 효율을 85 내지 90%이상으로 하도록 상기 연료전지의 작동 전위를 응용기기 사용전위의 40 내지 60%로 유지하는 것이 바람직하다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 연료전지는 상기 작동 전위가 60%를 넘지 않도록 분리판의 갯수 또는 MEA의 면적이 조절되는 것이 바람직하다.
상기한 본 발명의 목적은 또한, 단위 전지 또는 그 스택으로 구성되는 연료전지; 충전 및 방전이 가능한 2차 전지; 상기 연료전지로부터 생산된 전력을 공급받아 응용 기기에 공급하고, 상기 2차 전지와 상호 연결되어 전력을 공급받거나 공급하고, 상기 연료전지의 구동을 위한 구동 장치에 전력을 공급하며, DC-DC 변환기를 포함하고, 상기 연료전지의 전압을 측정하고 이를 기초로 상기 전력의 공급을 각각 조절하는 전력 조절 장치;를 포함하는 이동형 연료전지 장치의 구동 방법으로서, 상기 2차 전지로부터 상기 연료전지에 초기 구동 전력을 공급하는 단계(S1); 상기 연료전지의 초기 구동 후 상기 연료전지로부터 측정되는 전압이 일정한 상태에 이르는 안정화 상태에서 상기 연료전지로부터 상기 전력 조절 장치에 전력을 공급하는 단계(S2); 상기 전력을 공급받은 상기 전력 조절 장치로부터 상기 응용 기기, 상기 연료전지, 상기 2차 전지에 각각 전력을 공급하는 단계(S3); 및 상기 전력 조절 장치로부터 상기 연료전지에 전력이 공급되면 상기 2차 전지로부터 상기 연료전지로의 전력 공급을 중단하는 단계(S4);를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동형 연료전지 장치의 구동 방법에 의하여 달성된다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 S2 단계에서는 상기 연료전지의 단위 전지 또는 그 스택이 나타내는 OCV를 기초로 하여 초기 구동 시 상기 연료전지의 전압이 상승할 때 상기 OCV 값을 넘는지를 측정하고, 일정 시간이 지난 후 상기 연료전지의 전압이 다시 상기 OCV 값에 도달하는지의 여부를 측정한 후, 상기 두 번의 OCV 값 측정 후, 상기 연료전지로부터 상기 전력 조절 장치에 전력을 공급하는 것이 바람직하다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 S2 단계에서 일정 시간이 지난 후에 상기 전압이 OCV 값의 ±5% 내에 도달하는 경우 OCV 값에 도달한 것으로 보아 상기 연료전지로부터 상기 전력 조절 장치에 전력을 공급하는 것이 바람직하다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 S1 단계에서는 상기 2차 전지가 상기 연료전지 총 생산 전력의 10 내지 15%를 초기 연료전지 구동 전력으로 공급하는 것이 바람직하다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 S3 단계에서는 상기 응용 기기, 상기 연료전지에 전력을 공급하고 남은 잉여 전력으로 상기 2차 전지를 충전하는 것이 바람직하다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 방법에서는 상기 전력 조절 장치의 상기 DC-DC 변환기의 효율을 85 내지 90%이상으로 하도록 상기 연료전지의 작동 전위를 응용기기 사용전위의 40 내지 60%로 유지하는 것이 바람직하다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 방법에서는 상기 작동 전위가 60%를 넘지 않도록 상기 연료전지 내의 분리판의 갯수 또는 MEA의 면적을 조절하는 것이 바람직하다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 방법은 상기 2차 전지가 완전 충전되는 경우 상기 전력 조절 장치로부터 상기 2차 전지로의 전력 공급을 중단하는 단계(S5);를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 방법은 상기 연료전지가 정상 상태 후 성능 감소 단계에 이르러 그 전위가 제한 전위 이하로 되는 경우, 상기 연료전지 구동이 정지되도록 상기 전력 조절 장치로부터 상기 연료전지로의 전력 공급을 중단하고, 상기 전력 조절 장치는 상기 2차 전지로부터 전력을 공급받도록 하는 단계(S6);를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 이동형 연료전지 장치 및 그 구동 방법을 실시예를 통하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니며 첨부된 특허청구범위내에서 다양한 형태의 실시예가 구현될 수 있고, 단지 하기 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 동시에 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 실시를 용이하게 하고자 하는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예의 이동형 연료전지 장치의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예의 이동형 연료전지 장치는 단위 전지 또는 단위 전지의 스택으로 구성되는 연료전지(10), 충전 및 방전이 가능한 2차 전지(31), 상기 연료 전지(10)로부터 생산된 전력(전압-전류)을 공급받아 응용 기기(40)에 공급하거나 2차 전지(31)로 보내고 혹은 2차 전지(31)로부터 다시 전력을 공급받으며, DC-DC 변환기(도시하지 않음)를 포함하고, 또한 상기 연료 전지(10)의 전압을 실시간으로 측정할 수 있는 전압 측정기(도시하지 않음)를 구비하며 장치 내의 상기 전력 공급을 각각 조절할 수 있는 전력 조절 장치(PMS; power management system; 이하, "PMS"라고 함)(30)를 주요 구성으로 구비한다. 여기서, 상기 PMS(30)는 이동형 연료전지 장치에 연결되는 응용 기기(40)나 이동형 연료전지 장치 내의 부품[액체 펌프(12), 기체 펌프(20), 냉각팬(21), BOP(22) 등]의 사양을 고려하여 전압 값을 조정한다. 상기 PMS(30) 내의 DC-DC 변환기는 생성된 에너지를 목적 전압에 맞게 올려주는 역할을 한다.
상기 연료 전지(10)에는 연료 전지에 구비되는 통상의 장치들이 구비된다. 즉, 연료 저장부(11)와 이로부터 연료를 단위 전지 또는 단위 전지의 스택으로 구성되는 연료 전지(10)로 공급하기 위한 연료 공급 펌프(12), 공기를 상기 연료 전지(10)에 공급하기 위한 공기 펌프(20), 연료 전지(10)를 냉각하기 위한 냉각팬(21), 기타 연료 전지(10)에 연결된 BOP(22) 등이 구비된다.
상기 공기 펌프(20), 냉각팬(21), BOP(22)는 최초 상기 2차 전지(31)로부터 공급된 전력을 이용하여 구동됨으로써 연료 전지(10)가 작동되어 전력을 생산하도록 한다. 상기 2차 전지(31)로는 예컨대 5VDC, 12VDC, 21VDC등의 초소용량의 것을 사용하는데 그 용량은 물론 연료전지의 생산 전력에 따라 달라질 수 있지만, 통상 전체 전력의 약 10~15%에 해당하는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
예를 들면, 30Whr 연료 전지(10)를 구동하기 위한 부품[액체 펌프(12), 기체 펌프(20) 등]의 최적 에너지 요구량은 약 6W이고, 연료 전지(10)의 안정화 시간을 10분 이하로 할 경우 약 1Whr (시간당 출력의 약 3%수준 / 전체출력의 0.3%수준)의 2차 전지(31)가 필요하다. 참고로, 최근 개발된 노트북용 연료전지의 경우 시간당 출력은 20 내지 30Whr이며 전체 출력은 약 300W이다.
상기 2차 전지(31)에서 소모된 전력은 후술하는 바와 같은 응용 기기(40)에 사용되는 전력 중 잉여 전력으로 충전하게 되고 완전 충전되는 경우에는 연결된 것만으로 전력을 소비하여 에너지 효율을 낮게 하므로 연결을 차단한다.
상기 연료 전지(10)와 2차 전지(31) 및 PMS(30) 상호 간 또는 상기 2차 전지(31)와 상기 공기 펌프(20), 냉각팬(21), BOP(22) 상호 간, 나아가, 상기 공기 펌프(20), 냉각팬(21), BOP(22)와 PMS(30) 상호 간에는 전류 흐름을 ON/OFF하는 스위치가 개설되고, 이들 스위치는 PMS(30)에 의하여 그 ON/OFF가 제어되도록 한다.
한편, 상기 응용 기기(40)의 동력학적 에너지 소비에 따른 에너지 공급을 고려하기 위하여 PMS(30)에 커패시터(33)를 추가로 설치할 수 있다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 있어서 초기 구동 시 및 정상 상태 단계에서 이동형 연료전지 장치 작동을 나타내는 개략도이다.
도 2a를 참조하면, 앞서 설명한 바와 같이, 2차 전지(31)로부터 부품(12, 20, 21, 22)에 초기 전력이 공급되어 연료전지(10)가 구동된다. 여기서의 전력 공급은 스위치의 "켜짐1"로 표시되어 있다. 이러한 초기 전력 공급은 후술하는 "켜짐3"상태가 되면 중단된다("켜짐1"이 "꺼짐1"로 전환).
연료전지(10)의 구동에 의하여 전력이 생성되면 PMS(30)로 공급하는데 초기 구동 시 바로 생성되는 전력을 공급하는 것이 아니라 초기 구동 이후 연료전지(10)로부터 측정되는 전압이 일정해지는 안정화 상태(아래에서 더욱 상술함)에 이른 후 연료전지(10)로부터 PMS(30)로 전력을 공급하도록 한다. 여기서 전력 공급은 스위치의 "켜짐2"로 표시되어 있다.
한편, PMS(30)는 연료전지(10)로부터 공급받은 전력으로 응용기기(40)와 2차 전지(31) 및 부품(12, 20, 21, 22)에 전력을 공급한다. 여기서의 전력 공급은 스위치의 "켜짐3", "켜짐4"로 표시되어 있다. 2차 전지(31)가 완전 충전될 경우 2차 전지(31)로 공급되는 전력은 차단된다("켜짐4"가 "꺼짐2" 상태로 전환). 2차 전지(31)가 완전 충전된 후에도 PMS(30)가 2차 전지(31)와 연결될 경우(즉, "꺼짐2"로 되지 않는 경우) 일정량의 에너지가 소비되는 현상으로 인하여 전체 이동형 연료전지 장치의 에너지 효율이 감소하게 된다.
이상의 구동에 있어서 중요한 것은 초기 안정화 상태를 어떻게 결정할 것인지의 여부이다.
도 2b는 본 발명의 실시예에 있어서 초기 구동 시 및 정상 상태 단계에서 연료전지 전위의 구동 시간에 따른 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 연료와 공기가 공급되면서 연료전지 출력 전위는 0V에서 급상승하며 최고점(예컨대, 15장의 바이폴라 플레이트 분리판을 사용한 직접액체연료전지 시스템의 경우 약 11V이하)에 이르면서 서서히 안정화되게 된다.
그런데 일반적으로 연료 전지(10) 내의 단위 전지 또는 그 스택은 일정시간 후에 안정화되고, 상기 안정화 시간은 각 단위 전지 또는 그 스택의 사양과 출력범위에 따라 달라질 수 있다.
따라서 시간 개념으로 연료전지(10) 구동의 안정화를 결정하는 것은 적절하지 않고, 설령 실험 경험치를 고려하더라도 연료전지(10)의 불안정 상태를 초래할 수 있으며 응용기기(40)의 동역학적 운전에도 문제점을 일으킬 수 있다.
따라서 연료전지(10)의 단위 전지 또는 그 스택이 나타낼 수 있는 OCV를 파 악하여 안정화 상태를 결정하도록 하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 연료전지(10)의 단위 전지 또는 그 스택이 나타낼 수 있는 OCV를 사전 측정하여 PMS(30)에 입력시켜 놓는다. PMS(30)는 연료전지(10)의 전압을 실시간으로 감지하면서 초기 구동 시 0V로부터 전압이 상승할 때 OCV 값을 넘는지를 측정(인식)하게 하고, 일정 시간이 지난 후 다시 OCV 값에 도달하는지 여부를 통해 OCV 값을 측정(인식)하게 한 후, 이와 같이 두 번의 OCV 값이 측정(인식)되면 비로소 연료전지(10)에서 PMS(30)에 전력이 공급되도록 PMS(30)를 설정하면 된다.
한편, 본 발명에서는 안정화 상태의 값인 OCV 값을 사용하므로 상기 두 번째 측정에서 전압이 OCV값에 도달하는 것을 감지하기 위해서 절대적인 값을 사용하지 않고 OCV 값의 약 ±5%범위 내로 전압이 측정이 되면 OCV 값에 도달한 것으로 보아 연료전지(10)가 작동되도록 한다.
만일 15장의 바이폴라 플레이트 분리판을 체결한 직접 액체 연료전지의 경우 각 분리판에서의 OCV는 0.5~0.75V이므로 15장을 감안하면 7.5~11.25V의 전위를 두 번 측정(인식)하도록 한다.
이때 앞서 설명한 바와 같이 연료전지(10)에서 출력된 전력은 PMS(30)를 통하여 BOP(22) 등의 부품에 공급되며 동시에 방전된 2차 전지(31)를 충전하게 된다. 2차 전지(31)가 완전히 충전되었을 경우 연결된 전원은 차단한다.
도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 초기 구동 시 및 정상 상태 단계에서 이동형 연료전지 장치의 감지 응답 시간 결과(15장의 분리판을 사용하여 제작한 직접 액체 연료전지의 전압 변화)를 나타내는 그래프이다.
도 2c로부터 알 수 있듯이, 연료와 공기가 공급되면서 0V의 전압은 상승하여 약 11.7V에 도달하며 약 5분 정도의 시간 내에 안정화 단계에 도달하게 된다.
15장의 분리판을 사용하여 개발된 직접 액체 연료전지의 OCV는 약 8.0V이며 도 2c에 나타나 있듯이 실제 연료전지(10) 스택의 경우 8V에 도달하였을 때 전류가 출력되면서 운전이 시작되었다.
이와 같이 본 발명에서는 초기 안정화 여부를 고려하여 구동하지만, 절대적인 시간을 기초로 초기 안정화를 결정하는 것은 연료전지(10)의 단위 전지 또는 그 스택의 각각의 상태와 조건을 고려하지 못하여 전체 이동형 연료전지 장치의 안정성과 연료의 효율적인 사용 및 에너지 손실의 최소화를 모두 만족시킬 수 없는 문제점이 있을 수 있으므로, 특히 OCV를 이용하여 초기 안정화 여부를 결정하도록 하는 것이 바람직하다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 있어서 정상 상태 후 연료전지 성능 감소 단계에서 이동형 연료전지 장치 작동(최소 전력 관리 구현)을 나타내는 개략도이고, 도 3b는 본 발명의 실시예에 있어서의 정상 상태 후 연료전지 성능 감소 단계에서 연료전지 전위의 구동 시간에 따른 변화를 나타내는 그래프이다.
먼저 도 3b를 참조하면, 도 3b는 연료전지의 구동 전위가 정상 상태 후 성능이 감소하여 연료전지 출력 제한 전위(Vmin)에 이르는 것을 보여준다.
이는 연료 공급부(11)로부터 적정 농도 조절장치를 통해 공급된 연료가 연속적으로 사용되면서 연료가 지니고 있는 초기 화학적 에너지(즉. 에너지 밀도)의 90 내지 95% 이상이 소비되면서(물질 전달 한계 현상) 연료전지(10)의 성능이 감소하 게 되는 것을 의미한다. 또한, 이러한 작동 전위의 급격한 감소는 장기 사용과 동역학적 구동에 따른 촉매, 고분자막, 분리판, 전극의 열화현상으로부터도 기인할 수 있다.
도 3a를 참조하면, 상기와 같이 연료전지(10)의 출력 전위가 제한 전위에 도달할 경우, 연료전지(10)에서의 전력 출력은 차단된다. 여기서 스위치는 "꺼짐4"로 표시되어 있다. 나아가, 이 경우 연료전지(10)의 구동은 불필요하므로 연료전지(10)의 운전을 위해 구동중인 BOP(22)도 작동을 멈추도록 PMS(30)가 제어한다. 여기서 스위치는 "꺼짐3"으로 표시되어 있다. 제한 전위 이하에서 운전을 한다는 것은 저농도의 연료공급이거나 고 전류밀도에서 스택을 운전하는 것으로서 연료전지(10)의 안정성과 내구성에 문제점을 일으킬 수 있다.
또한, 제한 전위에서 연료전지(10)의 구동을 관리하기 위한 BOP(22)가 작동을 멈추게 되는 것은 2차 전지(31)의 에너지 사용을 극대화 하기 위한 것이다. 즉, 연료전지(10)에서 더 이상의 전력 출력이 없는 경우에도 BOP(22)가 작동되면 초기구동과 연료 교체를 위해 사용되는 2차 전지(31)의 수명을 감소시킬수 있다.
한편, 연료의 재공급과 연료전지(10)의 점검을 위해 운전은 멈추게 되는데, 이때 응용기기(40)를 구동하기 위한 전력은 2차 전지(31)가 담당한다("켜짐5"로 표시). 단순 연료의 재공급의 경우 필요로 하는 시간이 5분 이하로서 전체 장치의 재가동에는 아무런 문제점을 일으키지 않는다.
도 3c는 본 발명의 실시예에 있어서 정상 상태 후 연료전지 성능 감소 단계에서 이동형 연료전지 장치의 감지 응답 시간 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3c에 나타난 바와 같이, 5.3V의 구동 전위가 작동시간이 길어지면서 연료의 농도가 감소 되고, 제한 전위인 4.0V에 이르게 된다. 이 후 전위는 다시 최고점의 전위에 도달하고 나아가 안정화 단계, 8.0V에 도달하게 된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 있어서 DC-DC 변환기의 입력 전위에 따른 효율을 보여주는 그래프이다.
DC-DC 변환기의 효율을 85 내지 90%이상으로 하기 위해서, 즉 에너지 손실을 최소화하기 위해서는 연료전지가 응용기기 사용 전위의 40 내지 60%수준의 작동 전위를 확보하여야 한다. 예를 들어, 대부분의 이동형 연료전지 장치는 응용기기가 12VDC인 상태에서 구동되는데, 이때 15장의 분리판을 사용한 직접 액체 연료전지의 작동 전위는 약 4.8 내지 7.2V 사이로 한다. 40% 미만의 수준 예컨대 4V 이하의 구동 전위에서 12V로 전압을 상승시키는 효율은 80% 이하이다. 한편, 특히 5.5V 이상의 구동 전위를 지닌 연료전지(10)를 사용할 경우 에너지의 손실은 10%정도로 매우 작은 편이다. 나아가, 60% 수준을 넘어 예컨대 7.5V 이상의 전위를 확보하는 경우 효율을 증가하나 적층 해야하는 분리판의 수나 MEA 면적을 증가시켜야 하므로 바람직하지 않다.
따라서 상기와 같은 에너지 손실 정도를 고려하여 분리판의 숫자 및/또는 MEA의 면적을 결정하여야 한다. 예컨대 개질 수소를 사용한 수소 연료 전지의 경우 분리판을 10장도 사용하면 구동 전위를 6V 이상으로 유지할 수 있다.
본 발명에 의하면 초기 구동 감지, 구동 전위의 효율적 변환, 연료전지에서 의 최소 연료 농도 사용과 연료전지 작동 정지 시 2차 전지 사용의 최대화 등을 통하여 생산된 에너지 손실을 최소화하고, 안정적이고 효율적인 에너지 관리를 수행할 수 있다. 또한, 이러한 에너지 관리의 측면에서 이동형 연료전지 장치 내의 부품의 선택과 배치를 수행하여 장치의 경제성 및 상용성을 높일 수 있다.
특히 본 발명에서와 같이 초기 구동을 OCV로 판단하는 것은 95% 이상의 신뢰성을 가지므로, 안정적으로 최적의 구동전위와 에너지 손실의 최소화를 제어하여 이동형 연료전지 장치의 성능을 일정하게 유지할 수 있다.
나아가, 본 발명의 이동형 연료전지 장치는 비단 이동형 연료전지 장치 뿐만아니라 여타의 연료전지 시스템에 있어서 최적 전원 관리를 위하여 이용되는 것이 가능하다.

Claims (17)

  1. 단위 전지 또는 단위 전지의 스택으로 구성되는 연료전지;
    충전 및 방전이 가능한 2차 전지;
    상기 연료전지로부터 생산된 전력을 공급받아 응용 기기에 공급하고, 상기 2차 전지와 상호 연결되어 전력을 공급받거나 공급하고, 상기 연료전지의 구동을 위하여 전력을 공급하며, DC-DC 변환기를 포함하고, 상기 연료전지의 전압을 측정하고 이를 기초로 상기 전력의 공급을 각각 조절하는 전력 조절 장치;를 포함하는 것이고,
    상기 전력 조절 장치는 상기 연료전지의 초기 구동 후 상기 연료전지로부터 측정되는 전압이 일정한 상태에 이르는 안정화 상태에서 상기 연료전지로부터 전력을 공급받도록 하는 것을 특징으로 하는 이동형 연료전지 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 조절 장치는 상기 연료전지의 단위 전지 또는 그 스택이 나타내는 OCV를 기초로 하여 초기 구동 시 상기 연료전지의 전압이 상승할 때 상기 OCV 값을 넘는지를 측정하고,
    일정 시간이 지난 후 상기 연료전지의 전압이 다시 상기 OCV 값에 도달하는지의 여부를 측정한 후,
    상기 두 번의 측정 후, 상기 연료전지로부터 전력을 공급받도록 하는 것을 특징으로 하는 이동형 연료전지 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 일정 시간이 지난 후에 상기 전압이 OCV 값의 ±5% 내에 도달하는 경우 OCV 값에 도달한 것으로 보아 상기 연료전지로부터 전력을 공급받도록 하는 것을 특징으로 하는 이동형 연료전지 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2차 전지는 상기 연료전지 생산 총 전력의 10 내지 15%를 초기 연료전지 구동 전력으로 공급하는 것을 특징으로 하는 이동형 연료전지 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2차 전지는 초기 연료전지 구동 전력으로 소모된 전력을 상기 전력 조절 장치로부터 완전 충전 시까지 공급받은 후, 상기 전력 조절 장치와 상기 2차 전지 간에 연결이 차단되는 것을 특징으로 하는 이동형 연료전지 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력 조절 장치는 상기 연료전지가 정상 상태 후 성능 감소 단계에 이르러 그 전위가 제한 전위 이하에 이르는 경우 상기 연료전지 구동이 정지되도록 상기 연료전지로의 전력 공급을 중단하고, 이때 상기 2차 전지로부터 전력을 공급 받도록 하는 것을 특징으로 하는 이동형 연료전지 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력 조절 장치는 상기 DC-DC 변환기의 효율을 85 내지 90%이상으로 하도록 상기 연료전지의 작동 전위를 응용기기 사용전위의 40 내지 60%로 유지하는 것을 특징으로 하는 이동형 연료전지 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 연료전지는 상기 작동 전위가 60%를 넘지 않도록 분리판의 갯수 또는 MEA의 면적이 조절되는 것을 특징으로 하는 이동형 연료전지 장치.
  9. 단위 전지 또는 그 스택으로 구성되는 연료전지; 충전 및 방전이 가능한 2차 전지; 상기 연료전지로부터 생산된 전력을 공급받아 응용 기기에 공급하고, 상기 2차 전지와 상호 연결되어 전력을 공급받거나 공급하고, 상기 연료전지의 구동을 위한 구동 장치에 전력을 공급하며, DC-DC 변환기를 포함하고, 상기 연료전지의 전압을 측정하고 이를 기초로 상기 전력의 공급을 각각 조절하는 전력 조절 장치;를 포함하는 이동형 연료전지 장치의 구동 방법으로서,
    상기 2차 전지로부터 상기 연료전지에 초기 구동 전력을 공급하는 단계(S1);
    상기 연료전지의 초기 구동 후 상기 연료전지로부터 측정되는 전압이 일정한 상태에 이르는 안정화 상태에서 상기 연료전지로부터 상기 전력 조절 장치에 전력 을 공급하는 단계(S2);
    상기 전력을 공급받은 상기 전력 조절 장치로부터 상기 응용 기기, 상기 연료전지, 상기 2차 전지에 각각 전력을 공급하는 단계(S3); 및
    상기 전력 조절 장치로부터 상기 연료전지에 전력이 공급되면 상기 2차 전지로부터 상기 연료전지로의 전력 공급을 중단하는 단계(S4);를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동형 연료전지 장치의 구동 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 S2 단계에서는 상기 연료전지의 단위 전지 또는 그 스택이 나타내는 OCV를 기초로 하여 초기 구동 시 상기 연료전지의 전압이 상승할 때 상기 OCV 값을 넘는지를 측정하고, 일정 시간이 지난 후 상기 연료전지의 전압이 다시 상기 OCV 값에 도달하는지의 여부를 측정한 후, 상기 두 번의 측정 후, 상기 연료전지로부터 상기 전력 조절 장치에 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 이동형 연료전지 장치의 구동 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 S2 단계에서 일정 시간이 지난 후에 상기 전압이 OCV 값의 ±5% 내에 도달하는 경우 OCV 값에 도달한 것으로 보아 상기 연료전지로부터 상기 전력 조절 장치에 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 이동형 연료전지 장치의 구동 방법.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 S1 단계에서는 상기 2차 전지가 상기 연료전지 총 생산 전력의 10 내지 15%를 초기 연료전지 구동 전력으로 공급하는 것을 특징으로 하는 이동형 연료전지 장치의 구동 방법.
  13. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 S3 단계에서는 상기 응용 기기, 상기 연료전지에 전력을 공급하고 남은 잉여 전력으로 상기 2차 전지를 충전하는 것을 특징으로 하는 이동형 연료전지 장치의 구동 방법.
  14. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법에서는 상기 전력 조절 장치의 상기 DC-DC 변환기의 효율을 85 내지 90%이상으로 하도록 상기 연료전지의 작동 전위를 응용기기 사용전위의 40 내지 60%로 유지하는 것을 특징으로 하는 이동형 연료전지 장치의 구동 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 방법에서는 상기 작동 전위가 60%를 넘지 않도록 상기 연료전지 내의 분리판의 갯수 또는 MEA의 면적을 조절하는 것을 특징으로 하는 이동형 연료전지 장치의 구동 방법.
  16. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은 상기 2차 전지가 완전 충전되는 경우 상기 전력 조절 장치로부터 상기 2차 전지로의 전력 공급을 중단하는 단계(S5);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이동형 연료전지 장치의 구동 방법.
  17. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은 상기 연료전지가 정상 상태 후 성능 감소 단계에 이르러 그 전위가 제한 전위 이하로 되는 경우, 상기 연료전지 구동이 정지되도록 상기 전력 조절 장치로부터 상기 연료전지로의 전력 공급을 중단하고, 상기 전력 조절 장치는 상기 2차 전지로부터 전력을 공급받도록 하는 단계(S6)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이동형 연료전지 장치의 구동 방법.
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