KR100664090B1 - 계통 연계형 연료전지 시스템의 전원공급 제어장치 및 방법 - Google Patents

계통 연계형 연료전지 시스템의 전원공급 제어장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 계통 연계형 연료전지 시스템의 전원공급장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 연료전지의 출력전류가 최대한 증가되도록 자동 제어함으로써, 연료전지 시스템의 운전효율과 경제성을 향상시키도록 한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 연료전지의 운전조건 및 출력전압과 출력전류의 상관관계에 따른 정상영역과 경고영역을 기저장하는 저장유닛과; 제어신호에 의해, 상기 연료전지에서 출력되는 출력전류를 증가 또는 감소시키는 전력변환 유닛과; 연료전지의 운전조건에 근거한 운전점을 검출하여, 그 검출된 운전점을 상기 정상영역 및 경고영역과 비교하고 그 비교결과에 근거하여 상기 연료전지의 출력전류를 증가 또는 감소시키기 위한 제어신호를 출력하는 제어유닛을 포함하여 구성한다.

Description

계통 연계형 연료전지 시스템의 전원공급 제어장치 및 방법{POWER CONVERTING CONTROL APPARATUS AND METHOD FOR LINE CONECTION TYPE FUEL CELL SYSTEM}
도 1은 종래 기술에 따른 계통 연계형 연료전지 시스템의 구성을 보인 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 전원공급 제어장치에 대한 일실시 예의 구성을 보인 블록도.
도 3은 도 2에 있어서,연료전지의 출력전압과 출력전류의 상관관계를 보인 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 전원공급 제어방법에 대한 동작흐름도.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
10:연료전지 20:전력변환유닛
21:직류/직류변환유닛 22:인버터
30:계통전원 공급유닛 40:제어유닛
50:저장유닛
본 발명은 계통 연계형 연료전지 시스템의 전원공급장치에 관한 것으로, 특히 연료전지의 출력전류가 최대한 증가되도록 자동 제어함으로써, 연료전지 시스템의 운전효율과 경제성을 향상시키도록 한 계통 연계형 연료전지 시스템의 전원공급 제어장치 및 방법에 관한 것이다.
에너지원으로 주로 사용되고 있는 오일은 환경을 오염시키는 주요인이 될 뿐만 아니라 폭발적인 수요의 증가로 인하여 매장량의 한계성을 드러내고 있다. 이와 같은 화석 연료를 대체하기 위한 대안으로 연료 전지의 개발이 진행되고 있다.
상기 연료 전지의 종류는 인산형 연료 전지(Phosphoric Acid Fuel Cell), 알칼리형 연료 전지(Alkaline Fuel Cell), 고분자 전해질형 연료 전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell), 용융 탄산염형 연료 전지(Molten Carbonate Fuel Cell), 고체 산화물형 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell), 직접 메탈올 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell) 등 다양하다.
또한, 상기 연료 전지는 적용 분야에 따라 상업용 연료 전지와, 가정용 연료 전지와, 전기 자동차에 사용되는 자동차용 연료 전지와, 휴대용 단말기나 노트북 등에 사용되는 소형 연료 전지 등 다양하다.
특히, 가정용 연료 전지는 가정에서 사용하고 있는 가전 제품, 조명 기기 등을 충분히 작동시킬 수 있도록 개발되고 있고, 상업용 연료 전지는 상가나 공장 등에서 조명 기기나 전동기 또는 기계 등을 충분히 작동시킬 수 있도록 개발되고 있 다.
도 1은 종래 계통 연계형 연료전지 시스템의 전원공급장치의 구성을 보인 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지(1),전력변환유닛(2),계통전원 공급유닛(3)으로 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 전력변환유닛(2)은 상기 직류전압을 교류전압으로 변환하고, 그 변환된 교류전압을 승압 또는 강압시킨 다음, 다시 정류하여 직류전압으로 출력하는 직류/직류변환유닛(미도시)와, 상기 직류/직류변환유닛(미도시)에서 출력되는 직류전압을 교류전압으로 변환하는 인버터(3)를 구비한다.
상기 계통전원 공급유닛(3)은 각 가정이나 공공시설(부하)에 상용전원을 공급한다.
즉, 상기 연료전지 시스템과 계통전원 공급유닛(3)은 서로 연계되어 각 가정이나 공공시설에 전원을 공급한다.
이때, 상기 연료전지 시스템에서 발생하는 전원이 매전되는 경우, 즉 연료전지 시스템에서 생성되는 전력이 한전(계통전원 공급유닛)에 매전되는 경우, 상기 연료전지(1)에서 출력되는 전류(if)가 기설정된 최대 출력 전류보다 크면 상기 연료전지에서 출력되는 전류(if)를 감소시키고, 아울러 상기 연료전지(1)에서 출력되 는 전압이 최소 출력전압보다 낮으면 상기 연료전지의 출력전류를 감소시킨다.
즉, 상술한 종래 연료전지 시스템은, 임의의 특정한 최소의 연료전지의 출력전압 이상을 유지하도록 한 것이다.
그러나, 상술한 종래 연료전지 시스템은 상기 출력전압이 상기 최저 가능 전압보다 낮아도, 출력전류를 낮추어 사용하면 연료전지 시스템은 안전함에도 불구하고, 연료전지의 출력전압이 상기 최저 가능 전압보다 낮으면 연료전지의 구동을 정지시키므로, 상기 연료전지 시스템의 운전 가용 폭이 좁아지고, 이에 의해 연료전지 시스템의 운전효율이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은, 연료전지의 안전한 운전영역인 정상영역을 기설정하고, 연료전지의 매전시, 상기 연료전지의 출력전압과 출력전류 및 운전조건으로 현재 연료전지의 운전점을 검출하여 그 검출된 운전점이 정상영역에 위치하도록, 연료전지의 출력전류가 최대한 증가되도록 자동 제어함으로써, 연료전지 시스템의 운전효율과 경제성을 향상시키도록 한 계통 연계형 연료전지 시스템의 전원공급 제어장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 계통 연계형 연료전지 시스템의 전원공급 제어장치는,
연료전지의 운전조건 및 출력전압과 출력전류의 상관관계에 따른 정상영역과 경고영역을 기저장하는 저장유닛과;
제어신호에 의해, 상기 연료전지에서 출력되는 출력전류를 증가 또는 감소시키는 전력변환 유닛과;
연료전지의 운전조건에 근거한 운전점을 검출하여,
그 검출된 운전점을 상기 정상영역 및 경고영역과 비교하고 그 비교결과에 근거하여 상기 연료전지의 출력전류를 증가 또는 감소시키기 위한 제어신호를 출력하는 제어유닛을 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 계통 연계형 연료전지 시스템의 전원공급 제어방법은,
상기 연료전지의 운전점을 검출하는 과정과;
상기 운전점을 정상영역 및 경고영역과 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 상기 연료전지의 출력전류를 가변하는 과정을 수행함을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 계통 연계형 연료전지 시스템의 전원공급 제어장치에 대한 실시예의 구성을 보인 블록도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명은 연료전지(10), 전력변환유닛(20),계통전원 공급유닛(30),제어유닛(40),저장유닛(50)을 포함하여 구성한다.
상기 연료전지(10)는, 연료 극과 공기 극을 구비하여 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 스택(미도시)을 포함하여, 그 스택(미도시)에서 직류전압을 발생한다.
상기 전력변환유닛(20)은 상기 연료전지(10)에서 출력되는 직류전압을 일정레벨의 교류전압을 변환하여 출력한다. 상기 전력변환유닛(20)은 직류/직류변환유닛(21)과, 인버터(22)를 구비한다.
상기 직류/직류변환유닛(21)은 상기 직류전압을 교류전압으로 변환하고, 그 변환된 교류전압을 승압 또는 강압시킨 다음, 다시 정류하여 직류전압으로 출력한다. 상기 인버터(22)는 상기 직류/직류변환유닛(21)에서 출력되는 직류전압을, 제어신호에 의해 교류전압으로 변환하여 출력한다.
이때, 상기 직류/직류변환유닛(21)은, 본 발명에 따라, 제어신호에 의해 출력전류를 가변함으로써, 연료전지 시스템을 정상영역에서 동작할 수 있도록 한다.
상기 계통전원 공급유닛(30)은 각 가정이나 공공시설(부하)에 상용전원을 공급한다.
상기 저장유닛(50)은 상기 연료전지(10)의 운전조건 및 출력전압과 출력전류의 상관관계에 따른 부하특성 곡선을 이용하여, 연료전지(10)의 안전 운전영역인 정상영역과 경고영역을 설정하여 기저장한다.
즉, 상기 정상영역 및 경고영역은, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 연료전지(10)의 운전조건, 출력전류 및 출력전압에 따른 특성곡선과 기설정된 부하대응곡선에 근거하여 설정한다.
상기 제어유닛(40)은 상기 연료전지(10)의 운전점을 검출하고 그 검출된 운전점을 상기 정상영역 및 경고영역과 비교하고 그 비교결과에 근거하여 상기 연료전지의 출력전류를 증가 또는 감소시키기 위한 제어신호를 출력한다.
즉, 상기 제어유닛(40)은 상기 검출된 운전점이 경고영역에 포함되면 연료전지(10)의 출력전류(if)를 감소시키고, 상기 검출된 운전점이 정상영역에 포함되면 상기 연료전지(10)의 출력전류(if)를 증가시키며, 상기 검출된 운전점이 상기 정상영역 또는 경고영역에 포함되지 않으면 연료전지 시스템을 정지시킨다.
즉, 본 발명은 매전이 되는 경우에, 연료전지 시스템에서 생성되는 전원을 최대한 부하에 공급하여 그 공급한 부하에 대한 비용을 청구할 수 있도록 한 것으로, 이에 따라 상기 연료전지의 운전점이 안정적인 정상영역에 포함되어 있어도, 전류를 최대한 증가시켜 최대한의 출력을 발생할 수 있도록 한다.
이와 같은 본 발명의 동작을 첨부한 도 4를 참조하여 설명한다.
먼저, 저장수단(50)은 실험에 의해, 상기 연료전지(10)의 운전조건 및 출력전압과 출력전류의 상관관계에 따른 특성 곡선과 부하대응곡선에 근거하여 상기 연료전지(10)의 안전 운전영역인 정상영역과 경고영역을 설정하여 기저장한다.
상기 운전조건은, 상기 연료전지(10)에 공급되는 공기량 및 연료량, 외부온도를 포함한다.
이러한 상태에서, 상기 연료전지(10)의 스택(미도시)은 연료 극과 공기 극을 구비하여 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하여 그에 따른 직류전압을 전력변환유닛(20)의 직류/직류변환유닛(21)에 인가한다.
이에 따라, 상기 직류/직류변환유닛(21)는 상기 연료전지(10)에서 출력되는 직류전압을 교류전압으로 변환한 다음, 그 변환된 교류전압을 승압 또는 강압처리하고, 그 승압 또는 강압처리된 교류전압을 직류전압으로 정류하여 인버터(22)에 인가한다.
이에 따라, 상기 인버터(22)는 상기 직류/직류변환유닛(21)에서 출력되는 직류전압을, 제어신호에 의해 소정 레벨의 교류전압으로 변환하여 출력한다.
이때, 상기 제어유닛(40)은 상기 연료전지(10)의 운전조건과 출력전류 및 출력전압을 검출하고(S1,S2), 그 검출된 운전조건과 출력전류 및 출력전압을 이용하여 현재 연료전지(10)의 운전점을 검출한다(S3).
그 다음, 상기 제어유닛(40)은 상기 검출된 운전점의 위치가 상기 정상영역에 존재하는지를 판단한다(S4).
상기 판단결과(S4), 상기 검출된 운전점의 위치가 상기 정상영역에 존재하지 않고, 경보영역에 존재하면(S6) 상기 제어유닛(40)은 상기 연료전지(10)의 출력전류를 감소시킨다.
이때, 상기 제어유닛(40)은 상기 연료전지(10)의 출력전류를 감소시키기 위하여, 상기 전력변환유닛(20)의 직류/직류변환유닛(21)의 변환(승압 또는 감압)을 제어하여 출력전류를 감소시키는데, 즉 상기 연료전지(10)로부터 생성되는 직류전압을 직류/직류변환유닛(21)에서 감압시켜 상기 연료전지(10)에서 인출되는 전압을 감소시킨다.
이때, 상기 제어유닛(40)은 상기 연료전지(10)의 출력전류(if)를, 상기 검출된 운전점의 위치가 정상영역에 포함될 때까지 감소시킨다.
또한, 상기 판단결과(S6) 상기 검출된 운전점의 위치가 상기 정상영역 및 경보영역에 존재하지 않으면(S6), 상기 제어유닛(40)은 상기 연료전지 시스템의 동작 을 정지시킨다(S7).
한편, 상기 판단결과(S4) 상기 검출된 운전점의 위치가 상기 정상영역에 존재하면, 상기 제어유닛(40)은 상기 연료전지(10)의 출력전류(if)를 증가시키는데(S6), 즉 본 발명은 연료전지 시스템에서 생성되는 전원을 매전하는 경우이므로, 연료전지 시스템의 정상영역 범위 내에서 최대한 큰 값을 가지도록 상기 연료전지 시스템의 출력전류를 증가시켜 출력한다.
즉, 종래기술은, 도 3에 도시된 바와 같이, '1~3"번 운전점이 연료전지의 최저 가능 전압으로 설정되어, 그 설정된 최저 가능 전압 이하로 연료전지의 출력전압이 감소되면 연료전지 시스템을 정지시키지만, 본 발명은 종래와 달리, 상기 '1~3'번 운전점의 최저 가능 전압 이하로 연료전지의 출력전압이 감소되어도, 연료전지의 출력전류을 감소시켜 '5~7'번 운전점에서도 연료전지 시스템을 동작시킨다.
따라서, 본 발명에 따른 계통 연계형 연료전지 시스템의 전원공급 제어장치는, 연료전지의 안전한 운전영역인 정상영역을 기설정하고, 연료전지의 매전시, 상기 연료전지의 출력전압과 출력전류 및 운전조건으로 현재 연료전지의 운전점을 검출하여 그 검출된 운전점이 정상영역에 위치하도록, 연료전지의 출력전류가 최대한 증가되도록 자동 제어함으로써, 연료전지 시스템의 운전효율과 경제성을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술 하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 계통 연계형 연료전지 시스템의 전원공급 제어장치는, 연료전지의 안전한 운전영역인 정상영역을 기설정하고, 연료전지의 매전시, 상기 연료전지의 출력전압과 출력전류 및 운전조건으로 현재 연료전지의 운전점을 검출하여 그 검출된 운전점이 정상영역에 위치하도록, 연료전지의 출력전류가 최대한 증가되도록 자동 제어함으로써, 연료전지 시스템의 운전효율과 경제성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 연료전지의 운전조건 및 출력전압과 출력전류의 상관관계에 따른 정상영역과 경고영역을 기저장하는 저장유닛과;
    제어신호에 의해, 상기 연료전지에서 출력되는 출력전류를 증가 또는 감소시키는 전력변환 유닛과;
    연료전지의 운전조건에 근거한 운전점을 검출하여,
    그 검출된 운전점을 상기 정상영역 및 경고영역과 비교하고 그 비교결과에 근거하여 상기 연료전지의 출력전류를 증가 또는 감소시키기 위한 제어신호를 출력하는 제어유닛을 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 계통 연계형 연료전지 시스템의 전원공급 제어장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 전력변환유닛은,
    상기 제어신호에 의해, 상기 연료전지에서 출력되는 직류전압을 승압 또는 감압하여 상기 연료전지의 출력전류를 증가 또는 감소시키는 직류/직류변환유닛을 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 계통 연계형 연료전지 시스템의 전원공급 제어장치.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 제어유닛은,
    상기 연료전지의 운전조건과 연료전지의 출력전류 및 출력전압에 근거하여 상기 연료전지의 현재 운전점을 검출하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 연료전지 시스템의 전원공급 제어장치.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 제어유닛은,
    상기 검출된 운전점이, 경고영역에 포함되면 상기 정상영역에 포함될 때까지 연료전지의 출력전류를 감소시키는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 연료전지 시스템의 전원공급 제어장치.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 제어유닛은,
    상기 검출된 운전점이, 상기 정상영역에 포함되면 상기 운전점이 상기 정상영역을 벗어나지 않는 범위까지 상기 연료전지의 출력전류를 증가시키고,
    상기 검출된 운전점이, 상기 정상영역 또는 경고영역에 포함되지 않으면 연료전지 시스템을 정지시키는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 연료전지 시스템의 전원공급 제어장치.
  6. 제1 항에 있어서, 운전조건은
    상기 연료전지에 공급되는 공기량 및 연료량, 외부온도를 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 연료전지 시스템의 전원공급 제어장치.
  7. 상기 연료전지의 운전점을 검출하는 과정과;
    상기 운전점을 정상영역 및 경고영역과 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 상기 연료전지의 출력전류를 가변하는 과정을 수행함을 특징으로 하는 계통 연계형 연료전지 시스템의 전원공급 제어방법.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 운전점을 검출하는 과정은,
    상기 연료전지의 운전조건을 검출하는 단계와;
    상기 연료전지의 출력전류와 출력전압을 검출하는 단계와;
    상기 출력전류와 출력전압 및 운전조건을 이용하여 상기 연료전지의 운전점을 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 연료전지 시스템의 전원공급 제어방법.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 연료전지의 출력전류를 가변하는 과정은,
    상기 검출된 운전점이, 경고영역에 포함되면 연료전지의 출력전류를 감소시키는 단계와;
    상기 검출된 운전점이, 상기 정상영역에 포함되면 상기 연료전지의 출력전류를 증가시키는 단계와;
    상기 검출된 운전점이, 상기 정상영역 또는 경고영역에 포함되지 않으면 연료전지 시스템을 정지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 연료전지 시스템의 전원공급 제어방법.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 연료전지의 운전조건, 출력전류 및 출력전압에 따른 특성곡선과 기설정된 부하대응곡선에 근거하여 상기 정상영역 및 경고영역을 기설정하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 연료전지 시스템의 전원공급 제어방법.
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