KR100664088B1

KR100664088B1 - 연료전지 시스템의 직류/직류변환장치

Info

Publication number: KR100664088B1
Application number: KR1020050118402A
Authority: KR
Inventors: 김태원; 고승태
Original assignee: 엘지전자 주식회사; 주식회사 엘지화학
Priority date: 2005-12-06
Filing date: 2005-12-06
Publication date: 2007-01-03

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 직류/직류변환장치에 관한 것으로, 직류전압의 승압 동작중에 발생하는 전류 리플을 제거하여 연료전지의 스택 수명과 안정성을 향상시킬 수 있도록 한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 연료전지의 스택에서 출력되는 직류전압을 충전하고, 그 충전된 전압을 방전하는 충방전 유닛과; 상기 충방전 유닛에서 방전된 직류전압을 일정 레벨로 승압하는 승압 유닛과; 상기 승압 유닛의 승압동작중에 발생하는 전류 리플을 제거하는 전류 리플 제거유닛을 포함하여 구성한다.

Description

연료전지 시스템의 직류/직류변환장치{DC/DC CONVERTING APPARATUS FOR FUEL CELL SYSTEM}

도 1은 일반적인 연료전지 시스템의 구성을 보인 블록도.

도 2는 종래 연료전지 시스템의 직류/직류변환장치에 대한 일실시 예의 구성을 보인 블록도.

도 3은 종래 연료전지 시스템의 직류/직류변환장치에 대한 일실시 예의 구성을 보인 회로도.

도 4는 본 발명 연료전지 시스템의 직류/직류변환장치에 대한 일실시 예의 구성을 보인 블록도.

도 5는 본 발명 연료전지 시스템의 직류/직류변환장치에 대한 일실시 예의 구성을 보인 회로도.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

100:충방전 유닛 200:전류리플 제거유닛

300:승압유닛

본 발명은 연료전지 시스템의 직류/직류변환장치에 관한 것으로, 특히 직류전압의 승압 동작중에 발생하는 전류 리플을 제거할 수 있도록 한 연료전지 시스템의 직류/직류 변환장치에 관한 것이다.

현재 건물에서 사용하고 있는 전기에너지는 발전소에서 화력이나 수력 등에 의해 발전을 일으켜 발생 되는 것이다. 그리고 발전소에서 발전 된 전기에너지는 송전선을 통해 각 지역의 건물, 즉 가정으로 공급되며 그 공급되는 전기에너지로 텔레비전, 형광등, 냉장고, 에어컨 등을 작동하여 생활을 편리하고 유익하게 하고 있다.

그런데 현재 사용 중인 전기에너지를 발전소에서 얻기 위하여 발전소에서 기름이나 석탄을 연소시켜 그 열에너지를 전기에너지로 변환시켜 전기에너지를 얻게 되므로 사용되는 연료 에너지에 비해 발전 효율이 매우 낮고, 또한 그 발전소에서 발전된 전기에너지를 각 지역의 건물에 송전선을 통해 공급하는 과정에서 손실이 크게 발생되어 연료 에너지의 소모에 비해 각 건물에서 사용되는 전기에너지의 효율이 매우 낮다. 즉, 각 건물에서 사용하는 전기에너지를 얻기 위해 과다하게 많은 연료 에너지가 소모된다. 또한, 이로 인하여 많은 기름이나 석탄 등의 연료 에너지를 연소시키면서 발생되는 오염 물질에 의해 환경 오염을 유발시키게 되는 문제점이 있다.

따라서, 근래에는 에너지 효율이 우수할 뿐만 아니라 환경 친화적으로 전기에너지를 발생시키는 연료전지가 개발되고 있다. 이와 같은 연료전지는 외부로부터 연속적으로 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 연료가 가진 화학 에너 지를 직접 전기에너지로 발전시키는 장치이다.

도 1은 종래 연료전지 시스템의 전력변환장치의 구성을 보인 블록도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지(1),직류/직류변환기(2),인버터(3)로 이루어진다.

상기 연료전지(1)는, 연료 극과 공기 극을 구비하여 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 스택(미도시)을 포함하여, 그 스택(미도시)에서 직류전압을 발생한다.

상기 직류/직류변환기(2)는 상기 직류전압을 교류전압으로 변환하고, 그 변환된 교류전압을 승압 및 정류하여 직류전압으로 출력한다.

상기 인버터(3)는 상기 직류/직류변환기(2)에서 출력되는 직류전압을 교류전압으로 변환하여 상용전원 라인을 통해 각 가정이나 공공시설의 상용전원으로 출력된다.

여기서, 도 2는 종래 연료전지 시스템의 직류/직류 변환장치에 대한 실시 예의 구성을 보인 블록도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 충전 및 필터부(10),승압부(20)로 이루어지고, 상기 충전및 필터부(10)는 상기 연료전지(1)의 스택에서 출력되는 직류전압을, 일시 충전함과 아울러 그 직류전압에 포함된 노이즈 성분을 제거하여 출력하고, 상기 승압부(20)는 상기 충전 및 필터부(10)에서 출력되는 직류전압을 일정 레벨로 승압하여 출력한다.

여기서, 도 3은 종래 연료전지 시스템의 직류/직류 변환장치에 대한 실시 예 의 회로도로서, 상기 승압부(20)는 스위치소자(Q)의 스위칭을 통해 커패시터(C1)에 충전된 직류전압을 일정 레벨로 승압하여 출력하는데, 즉 상기 스위치 소자(Q)의 온/오프에 따라 상기 커패시터(C1)에 충전된 직류전압을, 인덕터(L1)를 통해 서서히 방전하여 일정 레벨로 승압하여 출력한다.

이때, 상기 스위치 소자의 온/오프에 따라 전류 리플이 발생하게 되는데, 이러한 전류 리플이 연료전지의 스택에 역유입되면 스택의 수명과 안정성을 저하시키는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은, 직류전압의 승압 동작중에 발생하는 전류 리플을 제거하여 연료전지의 스택 수명과 안정성을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템의 직류/직류 변환장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 연료전지 시스템의 직류/직류 변환장치는,

연료전지의 스택에서 출력되는 직류전압을 충전하고, 그 충전된 전압을 방전하는 충방전 유닛과;

상기 충방전 유닛에서 방전된 직류전압을 일정 레벨로 승압하는 승압유닛과;

상기 승압 유닛의 승압동작중에 발생하는 전류리플를 제거하는 전류리플 제거유닛을 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 직류/직류변환장치에 대한 실시예의 구성을 보인 블록도이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명은 충방전 유닛(100),전류 리플 제거유닛(200),승압유닛(300)을 포함하여 구성한다.

상기 충방전 유닛(100)은 연료전지의 스택(미도시)에서 출력되는 직류전압을 충전하고, 그 충전된 전압을 방전한다.

상기 승압 유닛(300)은 상기 충방전 유닛(100)에서 방전된 직류전압을 일정 레벨로 승압하고, 그 승압된 직류전압을 인버터(미도시)를 통해 교류전압으로 변환하여 상용전원 라인에 인가한다.

상기 전류 리플 제거유닛(200)은 상기 승압 유닛(300)의 승압 동작중에 발생하는 전류 리플을 제거한다.

여기서, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 직류/직류변환장치에 대한 회로도이다.

도 5에 도시한 바와같이, 상기 충방전 유닛(100)은 상기 연료전지와 병렬로 연결되고, 서로 직렬 연결되어 상기 연료전지의 스택(미도시)에서 출력되는 직류 전압을 충전하고, 그 충전된 직류전압을 상기 승압부(300)에 방전하는 제1,제2 커패시터(C10)(C20)를 구비한다.

상기 제1,제2 커패시터(C10)(C20)는 상기 승압부(300)의 승압 동작중에 발생하는 전류 리플을 내부적으로 순환시키는 경로에 접속된다. 또한, 상기 제1,제2 커 패시터(C10)(C20)는 상기 직류전압의 충전 동작과 방전동작을 교번으로 수행한다.

상기 승압 유닛(300)은, 교번으로 스위칭되어, 상기 충방전 유닛(100)에서 방전되는 직류전압을 일정레벨로 승압하는 제1,제2 스위치소자(Q10,Q20)와; 상기 제1,제2 스위치소자(Q1,Q2)에 의해 승압된 직류전압을 일정시간 충전한 후에, 그 충전된 직류전압을 방전하는 제3 커패시터(C30)를 구비한다.

상기 전류 리플 제거유닛(2000은 상기 승압 유닛(300)의 스위치소자(Q10,Q20)가 교번으로 스위칭 되면서 발생하는 전류 리플을 상쇄시키기 위하여, 역방향으로 상기 전류 리플과 동일한 크기의 전류를 발생하는 제1,제2 커플드 인덕터(CL1)(CL2)를 구비한다.

이와 같은 본 발명의 동작을 설명한다.

먼저, 상기 충방전 유닛(100)은 연료전지의 스택(미도시)에서 출력되는 직류전압을 제1 커패시터(C10)에 충전하는데, 이때, 소정 스위칭제어신호(바람직하게 스위칭제어신호는 50%의 듀티비를 가진다)에 의해 상기 승압 유닛(300)의 제1 스위치소자(Q10)는 온되고, 제2 스위치소자(Q20)는 오프된다.

그 다음, 상기 스위칭 제어신호에 의해 승압 유닛(300)의 제1 스위치 소자(Q10)가 오프되고, 제2 스위치소자(Q20)가 온되면, 상기 충방전 유닛(100)의 제2 커패시터(C20)는 충전되고, 상기 제1 커패시터(C10)에 충전된 직류전압은 방전되어 상기 승압 유닛(300)의 제3 커패시터(C30)에 충전한다.

그 다음, 상기 스위칭 제어신호에 의해, 상기 승압 유닛(300)의 제1 스위치소자(Q10)가 다시 온되고, 제2 스위치소자(Q20)가 오프되면, 상기 충방전 유닛 (100)의 제1 커패시터(C10)는 충전되고, 상기 제2 커패시터(C20)에 충전된 직류전압이 방전되어 상기 승압 유닛(300)의 제3 커패시터(C30)에 충전된다.

이에 따라, 상술한 충방전 유닛(100)과 승압 유닛(300) 사이의 연계 동작이 반복적으로 수행되어, 상기 승압 유닛(300)은 연료전지의 스택에서 출력되는 직류전압을 일정레벨 승압하여 출력하게 된다.

이때, 상기 승압 유닛(300)의 스위치소자(Q10)(Q20)가 교번으로 스위칭 동작을 수행할 때, 그 스위칭 동작에 따른 전류 리플이 발생하게 된다.

이러한 전류 리플이 연료전지의 스택에 역입력되면 그 스택의 내구성을 저하시켜 수명을 단축시키므로, 본 발명에서는 상기 전류 리플을 제거하기 위한 전류리플제거 유닛(200)을, 상기 충방전 유닛(100)과 상기 승압 유닛(300) 사이에 구비한다.

상기 전류 리플 제거유닛(200)은, 상기 승압 유닛(300)의 스위칭 동작시에 발생하는 전류 리플을 상쇄시키기 위하여, 제1,제2 커플드 인덕터(CL1,CL2)에 의해, 전류 리플과 그 전류 리플과 동일한 크기의 전류를 역방향으로 발생한다.

즉, 승압 유닛(300)의 스위칭 동작에 의해 전류 리플이 제1 커플드 인덕터(CL1)를 통해 발생하면 상기 제1 커플드 인덕터(CL1)와 상호 인덕턴스를 가지는 제2 커플드 인덕터(CL2)에서 상기 전류 리플을 상쇄시키는 전류를 발생하고, 이에 따라 연료전지의 스택에 입력되는 전류는 '0'이 된다.

또한, 상기 전류 리플 제거유닛(200)의 제1,제2 커플드 인덕터(CL1)(CL2)는 상기 충방전 유닛(100)과 소정 조합으로 연결되어, 상기 승압 유닛(300)의 스위칭 동작시에 발생하는 전류 리플을 내부적으로 순환시켜 상기 연료전지의 스택에 전류리플이 공급되지 않도록 할 수도 있다.

또한, 상기 전류 리플 제거유닛(200)은, 다른 실시 예로, 인덕터-커패시터 필터(LC필터)와 트랜스형 능동필터를 구비하여, 상기 승압 유닛(300)에서 발생하는 전류리플을 제거할 수도 있다.

즉, 본 발명의 일실시 예에 따른 연료전지 시스템의 직류/직류변환장치는,전류리플 제거수단을 구비하여, 직류전압을 승압하는 과정에서 발생하는 전류 리플을 제거함으로써, 연료전지의 스택이 전류 리플에 의해 손상되는 것을 방지하도록 한 것이다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 직류/직류변환장치는, 전류 리플 제거수단을 구비하여, 직류전압을 승압하는 과정에서 발생하는 전류 리플을 제거하여, 그 전류 리플에 의해 연료전지의 스택이 손상되는 것을 방지함으로써, 연료전지 스택의 내구성 및 안정성을 향상시키는 효과가 있다.

Claims

연료전지의 스택에서 출력되는 직류전압을 충전하고, 그 충전된 전압을 방전하는 충방전 유닛과;

상기 충방전 유닛에서 방전된 직류전압을 일정 레벨로 승압하는 승압유닛과;

상기 승압 유닛의 승압동작중에 발생하는 전류리플를 제거하는 전류리플 제거유닛을 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 직류/직류변환장치.
제1 항에 있어서, 상기 충방전 유닛은,

상기 연료전지와 병렬로 연결됨과 아울러 서로 직렬 연결되어 상기 연료전지의 스택에서 출력되는 직류 전압을 충전하고,

그 충전된 직류전압을 상기 승압부에 방전하는 제1,제2 커패시터를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 직류/직류변환장치.
제2 항에 있어서, 상기 제1,제2 커패시터는,

상기 승압부의 승압 동작중에 발생하는 전류 리플을 내부적으로 순환시키는 경로에 접속되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 직류/직류변환장치.
제2 항에 있어서, 상기 제1,제2 커패시터는,

상기 직류전압의 충전 또는 방전을 교번으로 동작하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 직류/직류변환장치.
제1 항에 있어서, 상기 승압 유닛은

교번으로 스위칭되어, 상기 충방전 유닛에서 방전되는 직류전압을 일정레벨로 승압하는 제1,제2 스위치소자와;

상기 제1,제2 스위치소자에 의해 승압된 직류전압을 일정시간 충전한 후에, 그 충전된 직류전압을 방전하는 제3 커패시터를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 직류/직류변환장치.
제1 항에 있어서, 전류 리플 제거유닛은,

상기 승압 유닛의 스위칭 동작시에 발생하는 전류 리플을 상쇄시키기 위하여,

역방향으로 상기 전류 리플과 동일한 크기의 전류를 발생하는 제1,제2 커플드 인덕터를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 직류/직류변환장치.
제6 항에 있어서, 상기 제1,제2 커플드 인덕터는,

상기 제1,제2 커패시터와 소정 조합으로 연결되어,

상기 승압 유닛의 스위칭동작시에 발생하는 전류 리플을 내부적으로 순환시 키는 경로를 제공하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 직류/직류변환장치.