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KR-20260061930-A - Current pulse control circuit for fuel cell

KR20260061930AKR 20260061930 AKR20260061930 AKR 20260061930AKR-20260061930-A

Abstract

본 발명은 폐쇄형 연료전지용 전류 펄스 제어 회로에 관한 것으로, 상세하게는, 연료전지의 연료전지 양극 단자와 연결되는 스위칭 부재, 스위칭 부재에 연결되고 로드보다 작은 제1 저항값을 가지는 제1 저항부재, 제1 저항부재에 연결되는 커패시터 양극 단자 및 커패시터 음극단자를 포함하는 커패시터, 커패시터 양극 단자와 일단이 연결되고 타단이 연료전지의 연료전지 음극 단자와 연결되는 제2 저항값을 가지는 제2 저항부재, 연료전지를 제어하는 연료전지 제어부와 연결되고, 스위칭 부재를 작동시키기 위한 스위칭 부재 작동 신호가 생성되는 스위칭 부재 작동 신호 생성부재 및 스위칭 부재, 커패시터 및 스위칭 부재 작동 신호 생성부재 각각에 연결되며, 스위칭 부재 작동 신호 생성부재에서 스위칭 부재 작동 신호가 입력되면 스위칭 부재 작동 전류를 생성하고 스위칭 부재로 출력하여 스위칭 부재를 작동시켜 연료전지에 전류 펄스(i P )가 인가되게 하는 스위칭 부재 작동 제어 연산 증폭기(Op-amp)를 포함하는 연료전지용 전류 펄스 제어 회로에 관한 것이다.

Inventors

  • 김재원

Assignees

  • 테라릭스 주식회사

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241028

Claims (9)

  1. 연료전지의 연료전지 양극 단자와 연결되는 스위칭 부재; 상기 스위칭 부재에 연결되고 로드보다 작은 제1 저항값을 가지는 제1 저항부재; 상기 제1 저항부재에 연결되는 커패시터 양극 단자 및 커패시터 음극단자를 포함하는 커패시터; 상기 커패시터 양극 단자와 일단이 연결되고 타단이 상기 연료전지의 연료전지 음극 단자와 연결되는 제2 저항값을 가지는 제2 저항부재; 상기 연료전지를 제어하는 연료전지 제어부와 연결되고, 상기 스위칭 부재를 작동시키기 위한 스위칭 부재 작동 신호가 생성되는 스위칭 부재 작동 신호 생성부재; 및 상기 스위칭 부재, 상기 커패시터 및 상기 스위칭 부재 작동 신호 생성부재 각각에 연결되며, 상기 스위칭 부재 작동 신호 생성부재에서 상기 스위칭 부재 작동 신호가 입력되면 스위칭 부재 작동 전류를 생성하고 상기 스위칭 부재로 출력하여 상기 스위칭 부재를 작동시켜 상기 연료전지에 전류 펄스(i P )가 인가되게 하는 스위칭 부재 작동 제어 연산 증폭기(Op-amp)를 포함하는 연료전지용 전류 펄스 제어 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스위칭 부재 작동 제어 연산 증폭기(Op-amp)는, 상기 커패시터 양극 단자에 연결되는 연산 증폭기 음극 단자, 상기 스위칭 부재 작동 신호 생성부재에 연결되어 상기 스위칭 부재 작동 신호가 입력되는 연산 증폭기 양극 단자 및 상기 스위칭 부재에 연결되어 상기 스위칭 부재 작동 전류가 출력되는 연산 증폭기 출력단자를 포함하는 연료전지용 전류 펄스 제어 회로.
  3. 제2항에 있어서, 상기 스위칭 부재 작동 제어 연산 증폭기(Op-amp)는, 상기 제1 저항부재를 통과한 상기 전류 펄스(i P )가 충전되는 상기 커패시터의 커패시터 전압에 의해 상기 연산 증폭기 음극 단자 측의 제1 전압이 상기 연산 증폭기 양극 단자 측의 제2 전압보다 높게 되면, 상기 스위칭 부재 작동 전류의 생성을 중단하여 상기 스위칭 부재의 작동과 상기 전류 펄스(i P )의 생성을 중단시키는 연료전지용 전류 펄스 제어 회로.
  4. 제3항에 있어서, 상기 커패시터에 충전된 상기 전류 펄스(i P )는 상기 제2 저항부재를 통하여 상기 커패시터에서 방전 전류(i D )로 방전되고, 상기 커패시터에서 방전되는 방전 전류(i D )의 방전시간은 상기 커패시터의 충전 용량 및 상기 제2 저항부재의 상기 제2 저항값에 따라 결정되는 연료전지용 전류 펄스 제어 회로.
  5. 제4항에 있어서, 상기 스위칭 부재 작동 신호 생성부재는, 상기 연료전지 제어부에서 측정된 상기 연료전지에서 발전되는 전류가 기준 전류(i ref ) 보다 작을 때, 상기 스위칭 부재 작동 신호를 생성하여 상기 연산 증폭기 양극 단자로 출력하는 스위칭 부재 작동 신호 장치를 포함하는 연료전지용 전류 펄스 제어 회로.
  6. 제4항에 있어서, 상기 스위칭 부재 작동 신호 생성부재는, 상기 연료전지 양극 단자에 병렬 연결되는 제3 저항값을 가지는 제3 저항부재 및 상기 제3 저항부재에 연결되고 상기 제3 저항값보다 작은 제4 저항값을 가지는 제4 저항부재를 포함하는 연료전지용 전류 펄스 제어 회로.
  7. 제6항에 있어서, 상기 스위칭 부재 작동 신호 생성부재는, 상기 제3 저항부재에 걸리는 제3 전압과 상기 제4 저항부재에 걸리는 제4 전압과의 제1 전압차에 의해 상기 스위칭 부재 작동 신호를 생성하여 상기 제3 저항부재와 상기 제4 저항부재 사이에 연결된 상기 연산 증폭기 양극 단자로 상기 스위칭 부재 작동 신호를 출력하는 연료전지용 전류 펄스 제어 회로.
  8. 제7항에 있어서, 상기 스위칭 부재 작동 제어 연산 증폭기는, 상기 제1 전압차에 의한 상기 연산 증폭기 양극 단자 측의 상기 제2 전압이 상기 커패시터 전압 보다 높으면 상기 스위칭 부재 작동 전류를 생성하고 상기 스위칭 부재로 출력하여 상기 스위칭 부재를 작동시키는 연료전지용 전류 펄스 제어 회로.
  9. 제4항에 있어서, 상기 스위칭 부재 작동 신호 생성부재는, 상기 연료전지 제어부에서 측정된 상기 연료전지의 제1 전류가 기준 전류 보다 작을 때, 상기 스위칭 부재 작동 신호를 생성하여 상기 연산 증폭기 양극 단자로 출력하는 스위칭 부재 작동 신호 장치를 포함하는 제1 스위칭 부재 작동 신호 생성부재 및 상기 연료전지 양극 단자에 병렬 연결되는 제3 저항값을 가지는 제3 저항부재 및 상기 제3 저항부재에 연결되고 상기 제3 저항값보다 작은 제4 저항값을 가지는 제4 저항부재를 포함하는 제2 스위칭 부재 작동 신호 생성부재를 포함하고, 상기 연료전지 제어부에 연결되고, 상기 연료전지 제어부에 의해 상기 제1 스위칭 부재 작동 신호 생성부재 및 상기 제2 스위칭 부재 작동 신호 생성부재 중 하나가 상기 연산 증폭기 양극 단자에 연결되도록 제어되는 변환 스위치 부재를 더 포함하는 연료전지용 전류 펄스 제어 회로.

Description

연료전지용 전류 펄스 제어 회로{Current pulse control circuit for fuel cell} 본 발명은 연료전지용 전류 펄스 제어 회로에 관한 것으로, 상세하게는 연료전지의 연료전지 양극 단자와 연결되는 스위칭 부재, 스위칭 부재에 연결되고 로드보다 작은 제1 저항값을 가지는 제1 저항부재, 제1 저항부재에 연결되는 커패시터 양극 단자 및 커패시터 음극단자를 포함하는 커패시터, 커패시터 양극 단자와 일단이 연결되고 타단이 연료전지의 연료전지 음극 단자와 연결되는 제2 저항값을 가지는 제2 저항부재, 연료전지를 제어하는 연료전지 제어부와 연결되고, 스위칭 부재를 작동시키기 위한 스위칭 부재 작동 신호가 생성되는 스위칭 부재 작동 신호 생성부재 및 스위칭 부재, 커패시터 및 스위칭 부재 작동 신호 생성부재 각각에 연결되며, 스위칭 부재 작동 신호 생성부재에서 스위칭 부재 작동 신호가 입력되면 스위칭 부재 작동 전류를 생성하고 스위칭 부재로 출력하여 스위칭 부재를 작동시켜 연료전지에 전류 펄스(iP)가 인가되게 하는 스위칭 부재 작동 제어 연산 증폭기(Op-amp)를 포함하는 연료전지용 전류 펄스 제어 회로에 관한 것이다. 연료를 산화시켜 발생되는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치인 연료전지는 전해질의 종류에 따라 고체산화물 연료전지, 용융탄산염 연료전지 및 고분자 전해질막 연료전지로 구분된다. 이러한 연료전지 중 고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 수소 이온이 투과되는 전해질막을 중심으로 애노드와 캐소드가 구비된 촉매 전극층을 구비하는 막-전극 접합체(Membrane electrode assembly, MEA), 반응 기체들을 고르게 분포시키는 가스 확산층(Gas Diffusion Layer, GDL) 및 반응 기체들을 가스 확산층으로 공급하고 발생된 물을 배출시키는 분리판(Bipolar plate)을 포함한다. 다만, 연료전지의 막-전극 접합체(Membrane electrode assembly, MEA)에서 연료가 산화되어 전기에너지가 생산되는 과정에서 촉매 전극층의 표면에 산화물이 부착되어 촉매 전극층의 산화 반응영역이 줄어 들어 연료전지의 발전 성능이 저하될 수 있다. 이에 촉매 전극층의 산화로 인한 연료전지의 발전 성능의 저하를 방지하기 위하여 연료전지에 순간적인 고전류 부하를 발생시켜 촉매 전극층의 표면의 산화물을 제거하기 위해 연료전지에 전류 펄스(Current Pulse)를 인가하는 기술이 알려져 있다. 종래에 전류 펄스(Current Pulse)를 연료전지에 인가하기 위해서는 연료전지 출력단에 스위치와 전류 제한을 위한 낮은 저항을 연결하고 연료전지 제어장치에서 측정된 연료전지의 전압 및 전력에 따라 스위치를 순간적으로 작동시켜 연료전지에 순간적인 고전류를 발생시켰다. 하지만, 종래의 전류 펄스(Current Pulse) 인가 기술에 의하면, 스위치나 저항에 흐르는 높은 전류로 인해 스위치나 저항이 손상될 가능성이 높고 스위치가 작동되는 시간이 조금만 증가하여도 저항이 파손되거나 연료전지에 과부하가 걸려 연료전지에 화재가 발생되는 문제점이 있었다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지에 적용된 연료전지용 전류 펄스 제어 회로를 개략적으로 나타낸 블록도이다. 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 전류 펄스 제어 회로의 회로도이다. 도 3은 도 2의 전류 펄스 제어 회로에 의해 연료전지용에 인가되는 전류 펄스(iP)를 나타내는 그래프이다. 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 전류 펄스 제어 회로의 회로도이다. 도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지용 전류 펄스 제어 회로의 회로도이다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다. 이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 기술적 특징을 구체적으로 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지에 적용된 연료전지용 전류 펄스 제어 회로를 개략적으로 나타낸 블록도이다. 도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 전류 펄스 제어 회로는, 스위칭 부재, 제1 저항부재, 커패시터, 제2 저항부재, 스위칭 작동 신호 생성부재 및 스위칭 부재 작동 제어 연산 증폭기(Op-amp)를 포함할 수 있다. 상세하게는, 본 실시예에 따른 스위칭 부재는 전력 공급 라인(2)을 통해 발전 전류(iL)를 로드(load)로 공급하는 연료전지(1) (Fuel Cell(FC))에 연결될 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 연료전지(1) (Fuel Cell(FC))에서 발전 전류(iL)를 공급받는 로드(load)보다 작은 제1 저항값을 가지는 제1 저항부재는 스위칭 부재에 연결될 수 있고, 커패시터는 제1 저항부재에 연결될 수 있으며, 제2 저항값을 가지는 제2 저항부재는 커패시터에 일단이 연결되고 타단이 전력 공급 라인(2)에 연결될 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 생성되는 스위칭 부재 작동 신호 생성부재는 연료전지(1) (Fuel Cell(FC))를 제어하는 연료전지 제어부(4)(Controller)에 연결되어, 스위칭 부재를 작동시키기 위한 스위칭 부재 작동 신호를 생성할 수 있고, 스위칭 부재 작동 제어 연산 증폭기(Op-amp)는 스위칭 부재, 커패시터, 스위칭 부재 작동 신호 생성부재 각각에 연결될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 스위칭 부재 작동 신호 생성부재에서 생성된 스위칭 부재 작동 신호가 스위칭 부재 작동 제어 연산 증폭기(Op-amp)로 입력되면 스위칭 부재 작동 제어 연산 증폭기(Op-amp)에서 스위칭 부재 작동 전류가 생성되고 스위칭 부재로 출력되어 스위칭 부재를 작동시켜 연료전지(1) (Fuel Cell(FC))에서 제1 저항부재를 통과하는 전류 펄스(iP)를 발생시킬 수 있다. 또한, 본 실시예에 따르면, 제1 저항부재를 통과한 전류 펄스(iP)로 충전된 커패시터의 전압이 스위칭 부재 작동 제어 연산 증폭기(Op-amp)의 전압보다 높아지면 스위칭 부재 작동 제어 연산 증폭기(Op-amp)에서 스위칭 부재 작동 전류의 생성이 중단되어 스위칭 부재의 작동이 중단되고 연료전지(1) (Fuel Cell(FC))에 인가되는 전류 펄스(iP)의 생성이 중단될 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 커패시터 및 커패시터에 연결된 스위칭 부재 작동 제어 연산 증폭기(Op-amp)에 의해 스위칭 부재의 작동이 자동으로 중단될 수 있으므로, 연료전지 제어부(4)의 오작동으로 인해 스위칭 부재가 오작동 되어 스위칭 부재와 제1 저항부재에 과도한 전류가 흐르는 것이 방지될 수 있으므로 스위칭 부재와 제1 저항부재의 손실 또는 고장이 방지될 수 있고, 과도한 전류가 연료전지(1) (Fuel Cell(FC))에 인가되어 연료전지(1) (Fuel Cell(FC))가 손상되거나 화재가 발생되는 것이 방지될 수 있다. 이하에서는, 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭 부재 및 제1 저항부재의 손실 및 고장과 연료전지 (Fuel Cell(FC))의 손실 및 화재 방지를 위한 연료전지용 전류 펄스 제어 회로의 작동 메커니즘에 대해 상세하게 설명한다. 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 전류 펄스 제어 회로의 회로도이고, 도 3은 도 2의 전류 펄스 제어 회로에 의해 연료전지용에 인가되는 전류 펄스(iP)를 나타내는 그래프이다. 도 2 및 도 3을 참고하면, 연료전지용 전류 펄스 제어 회로(100)는, 스위칭 부재(Q1)(10), 제1 저항부재(R1)(20), 커패시터(C1)(30), 제2 저항부재(R2)(40), 스위칭 작동 신호 생성부재(50) 및 스위칭 부재 작동 제어 연산 증폭기(Op-amp)(60)를 포함할 수 있다. 상세하게는, 본 실시예에 따른 스위칭 부재(Q1)(10)는 전력 공급 라인(2)을 통해 발전 전류(iL)를 로드(load)로 공급하는 연료전지(1) (Fuel Cell(FC))의 연료전지 양극 단자에 연결될 수 있다. 본 실시예에 따른 스위칭 부재(Q1)(10)는 릴레이(relay) 또는 모스펫(MOSFET)을 포함할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 제1 저항부재(R1)(20)는 스위칭 부재(Q1)(10)에 연결될 수 있고, 제1 저항부재(20)는 연료전지(1) (Fuel Cell(FC))에서 전력 공급 라인(2)을 통하여 발전 전류(iL)를 공급받는 로드(load)보다 작은 제1 저항값을 가질 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 커패시터(Q1)(30)는 제1 저항부재(R1)(20)에 연결되는 커패시터 양극 단자를 포함할 수 있고, 제2 저항값을 가지는 제2 저항부재(R2)(40)는 커패시터(C1)(30)의 커패시터 양극 단자와 일단이 연결되고 타단이 전력 공급 라인(2)에 연결되어 연료전지(1) (Fuel Cell(FC))의 연료전지 음극 단자와 연결될 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 생성되는 스위칭 부재 작동 신호 생성부재(50)는 연료전지(1) (Fuel Cell(FC))를 제어하는 연료전지 제어부(4)(Controller)에 연결되고, 스위칭 부재(Q1)(10)를 작동시키기 위한 스위칭 부재 작동 신호가 생성되는 스위칭 부재 작동 신호 장치(51)를 포함할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 스위칭 부재 작동 제어 연산 증폭기(Op-amp) (60)는 스위칭 부재(10), 커패시터(C1)(30), 스위칭 부재 작동 신호 생성부재(50) 각각에 연결될 수 있고, 스위칭 부재 작동 신호 생성부재(50)에서 스위칭 부재 작동 신호가 입력되면 스위칭 부재 작동 전류를 생성하고 스위칭 부재(Q1)(10)로 출력하여 스위칭 부재(Q1)(10)를 작동시켜 연료전지(1) (Fuel Cell(FC))에 전류 펄스(iP)가 인가되게 할 수 있다. 여기서, 본 실시예에 따른 스위칭 부재 작동 제어 연산 증폭기(Op-amp) (60)는 커패시터(C1)(30) 양극 단자에 연결되는 연산 증폭기 음극 단자, 스위칭 부재 작동 신호 생성부재(50)에 연결되어