KR100722107B1 - 연료전지 전력 출력 방법 - Google Patents

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Abstract

연료전지 전력 출력 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 연료전지와 부하 사이에 직렬 결합되는 캐패시터를 구비한 연료전지 시스템의 전력 출력 방법은, 제어부에서 운전개시 신호에 응답하여 연료전지와 캐패시터 사이에 결합되는 전력변환부를 DC/DC 모드로 설정하고 캐패시터를 연료전지의 전원으로 접속시키는 단계와, 연료전지로부터 감지된 감지신호에 응답하여 전력변환부를 DC/AC 모드로 설정하고 연료전지를 부하의 전원으로 접속시키는 단계와, 운전중지 신호에 응답하여 전력변환부를 DC/DC 모드로 설정하고 연료전지의 전력으로 캐패시터를 충전하는 단계를 포함한다.
연료 전지, 전력 출력, 출력 제어, 캐패시터, 순간 고전력

Description

연료전지 전력 출력 방법{Power supply method for fuel cell}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 전력 출력 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 전력 출력 방법을 이용하는 연료전지 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 3a 내지 도 3c는 도 2의 연료전지 시스템의 동작 모드를 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 연료전지 전력 출력 방법에 따른 출력 전력을 종래의 예와 비교하는 나타내는 그래프이다.
본 발명은 연료전지의 전력 출력 방법에 관한 것으로, 특히 부하의 요구에 적절하게 대응할 수 있는 연료전지 하이브리드 시스템의 전력 출력 방법에 관한 것이다.
연료전지(fuel cell)는 연료가 가지고 있는 에너지를 화학반응에 의해 직접 전기에너지로 변환하는 장치이다. 예를 들면, 연료전지는 수소와 산소로부터 물이 생성되는 반응, 즉 수소의 연소 반응을 이용해 전기 에너지를 얻는다. 이를 반응식으로 나타내면 아래와 같다.
2H2 + O2 -> 2H2O + 1.23V
연료전지로는 인산형, 용융탄산염형, 고체 산화물형, 고분자 전해질형, 알칼리형이 있다. 그 중에 고분자 전해질형 연료전지는 전해질로 프로톤 전도성 고분자 전해질막을 사용하는 연료전지를 말한다. 그리고 고분자 전해질형 연료전지에서 양극과 음극의 반응을 원활히 진행시키기 위해 촉매가 사용된다. 촉매로는 탄소에 담지된 백금촉매 등이 사용된다. 전술한 연료전지는 화석연료를 연소하는 발전시스템에 비해 질소화합물이나 황산화물의 배출이 매우 적은 차세대 청정 에너지원으로서 주목받고 있다.
한편, 연료전지 시스템은 충분한 연료와 공기를 이용하여 최적의 전기 에너지를 발생시키므로 출력을 증가시키기 어렵고 따라서 일정한 출력하에서 운전되는 것이 바람직하다. 하지만, 연료전지 시스템으로부터 전력을 제공받는 부하는 일정한 전력만을 소비하지 않는다. 게다가, 부하에서 순간 고전력이 요구되는 경우, 연료전지 시스템에서는 출력 전력을 증가시키기 어렵기 때문에 신속하게 부하 변동에 대응할 수 없다.
전술한 문제를 해소하기 위하여 종래의 연료전지 시스템에서는 배터리가 결합된 연료전지 하이브리드 시스템을 이용하여 부하의 순간 고전력 요구시 연료전지와 배터리의 출력을 선택적으로 또는 동시에 부하에 공급하여 부하의 전력요구에 대응하고 있다.
그러나, 종래의 연료전지 하이브리드 시스템은 배터리 이외에 배터리 충전을 제어하기 위한 배터리 충전장치를 추가로 설치해야 한다. 게다가, 종래의 연료전지 하이브리드 시스템은 연료전지의 출력 특성(출력 프로파일)과 배터리의 출력 특성(출력 프로파일)이 달라 이를 조합하기 위한 별도의 제어장치를 추가로 설치해야되는 단점이 있다. 따라서, 종래의 연료전지 하이브리드 시스템은 부하의 순간 고전력 요구에 적절히 대응하도록 구성하기 어렵고 시스템 크기가 크다는 단점이 있다.
본 발명의 목적은 연료전지와 부하에 직렬 접속된 캐패시터를 이용하여 부하의 요구에 적절하게 대응할 수 있는 연료전지 하이브리드 시스템의 전력 출력 방법을 제공하는 데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 측면에 의하면, 연료전지와 부하 사이에 직렬 결합되는 캐패시터를 구비한 연료전지 시스템의 전력 출력 방법에 있어서, 제어부에서 운전개시 신호에 응답하여 연료전지와 캐패시터 사이에 결 합되는 전력변환부를 DC/DC 모드로 설정하고 캐패시터를 연료전지의 전원으로 접속시키는 단계(a)와; 연료전지로부터 감지된 감지신호에 응답하여 전력변환부를 DC/AC 모드로 설정하고 연료전지를 부하의 전원으로 접속시키는 단계(b); 및 운전중지 신호에 응답하여 전력변환부를 DC/DC 모드로 설정하고 연료전지의 전력으로 캐패시터를 충전하는 단계(c)를 포함하는 연료전지 전력 출력 방법이 제공된다.
바람직하게, 상기 (a)단계는 연료전지와 전력변환부 사이에 결합되는 제1 스위칭부를 인에이블 모드로 제어하고, 캐패시터의 부하측 전극이 그라운드에 접속되도록 제2 스위칭부를 제어하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 (b)단계는 연료전지와 전력변환부 사이에 결합되는 제1 스위칭부를 인에이블 모드로 제어하고, 캐패시터가 전력변환부와 부하 사이에 직렬 접속되도록 제2 스위칭부를 제어하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 (b)단계는 연료전지의 온도 및 출력 전압 중 적어도 하나로부터 감지된 신호에 응답하여 수행된다.
또한, 상기 (c)단계는 연료전지와 전력변환부 사이에 결합되는 제1 스위칭부를 인에이블 모드로 제어하고, 캐패시터의 부하측 전극이 그라운드에 접속되도록 제2 스위칭부를 제어하는 단계를 포함한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 요소를 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다. 도면에서 각 구성요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 전력 출력 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 연료전지와 부하 사이에 직렬 결합되는 캐패시터를 구비한 연료전지 하이브리드 시스템에 운전개시 신호가 입력되면(S10), 제어부는 운전개시 신호에 응답하여 연료전지측에 캐패시터 전원을 공급한다(S12). 예를 들면, 제어부는 캐패시터 전원을 공급하여 연료전지 운전에 필요한 연료와 공기를 공급하는 펌프가 동작되도록 한다.
다음, 제어부는 연료전지가 정상 운전 가능한 상태에 도달하였는가를 판단한다(S14). 예를 들면, 제어부는 연료전지의 스택 온도나 출력 전압을 측정하고, 측정된 신호를 감지하여 연료전지가 정상 운전 상태가 되었는가를 판단한다.
다음, 연료전지가 정상 운전 상태가 되면, 제어부는 연료전지의 출력 전력이 외부 부하에 공급되도록 한다(S16). 구체적으로, 제어부는 제1 스위칭부를 인에이블 모드로 설정하고, 전력변환부를 DC/AC 모드로 설정하며, 연료전지가 직렬 접속되는 캐패시터를 게재하고 외부 부하에 접속되도록 제2 스위칭부를 설정 제어한다. 제1 스위칭부와 제2 스위칭부 및 전력변환부의 결합관계는 아래의 상세한 설명에서 상세히 언급될 것이다.
다음, 운전중지 신호가 입력되면(S18), 제어부는 전력변환부를 DC/DC 모드로 설정하고 제1 및 제2 스위칭부를 제어하여 캐패시터를 충전시킨다(S20).
다음, 제어부는 캐패시터의 충전이 적정한가를 판단한다(S22). 다시 말해서, 제어부는 캐패시터의 충전 상태가 만충전보다 작은 소정 레벨의 충전 상태 이상으로 충전되어 있는가를 판단한다.
다음, 캐패시터의 충전 상태가 적정하면, 제어부는 연료전지의 운전을 중지시킨다(S24).
전술한 구성에 의하면, 연료전지와 부하 사이에 직렬 결합되는 캐패시터를 이용하여, 연료전지의 초기 구동시에 필요한 전력을 공급하고, 부하의 순간 고전력 요구시 캐패시터에서 이를 완충하여 연료전지가 불안정해지는 것을 방지할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 전력 출력 방법을 구현하기 위한 연료전지 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 연료전지 시스템은 연료전지(110), 주변장치(120), 제어부(130), 제1 스위칭부(140), 전력변환부(150), 캐패시터부(160) 및 제2 스위칭부(170)를 구비한다. 연료전지 시스템은 전원공급장치로서 외부 부하(180)에 결합된다.
연료전지(110)는 연료가 가지고 있는 에너지를 화학반응에 의해 직접 전기에너지로 변환하는 장치를 포함한다. 예를 들면, 연료전지(110)로는 인산형, 용융탄 산염형, 고체 산화물형, 고분자 전해질형, 알칼리형을 사용할 수 있고, 그 중에 전해질로 프로톤 전도성 고분자 전해질막을 사용하는 고분자 전해질형 연료전지 또는 직접 메탄올형 연료전지를 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우, 연료전지(110)는 전해질막과, 그 양면에 접합되는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 구비한다. 또한, 연료전지(110)는 액티브 타입과 패시브 타입 등의 연료전지 타입에 따라 세퍼레이터(seperator) 또는 바이폴라/모노폴라 플레이트를 구비할 수 있다. 전술한 전극의 촉매로는 탄소 담지된 백금 촉매, 비담지된 백금 블랙 촉매, 탄소 담지된 백금-루테늄 촉매, 비담지된 백금-루테늄 블랙 촉매에서 선택된 적어도 하나의 금속촉매가 사용된다.
주변장치(120)는 연료전지(110)에 연료나 공기를 공급하는 펌프, 연료의 이송을 위한 펌프 등을 포함한다. 주변장치(120)는 연료전지(110)의 초기 구동시 캐패시터부(160)로부터 전력을 받고, 연료전지(110)의 정상 구동시 연료전지(110)로부터 전력을 받도록 설치된다. 또한, 주변장치(120)는 제어부(130)의 제어신호에 응답하여 동작하거나 정지한다.
제어부(130)는 연료전지(110), 주변장치(120), 제1 스위칭부(140), 전력변환부(150), 캐패시터부(160) 및 제2 스위칭부(170)에 결합된다. 제어부(130)는 연료전지(110)의 온도, 출력 전압, 캐패시터의 충전 전압 등과 같은 필요한 신호를 감지하고, 감지된 신호에 따라 제어 신호를 생성하고, 생성된 제어신호를 이용하여 주변장치(120), 제1 및 제2 스위칭부(140, 170), 전력변환부(150) 등을 제어한다. 제어부(130)는 디지털 처리장치(digital signal processing device, DSP)로 구현될 수 있다.
제1 스위칭부(140)는 연료전지(110)와 전력변환부(150)에 결합된다. 제1 스위칭부(140)는 제어부(130)의 제어 신호에 응답하여 인에이블 또는 디스에이블 모드로 동작한다.
전력변환부(150)는 직류를 또다른 직류로 변환하는 직류-직류(DC/DC) 모드와 직류를 교류로 변환하는 직류-교류(DC/AC) 모드를 구비한다. 다시 말해서, 전력변환부(150)는 직류-직류 변환기와 직류-교류 변환기를 구비한다. 또한, 전력변환부(150)는 제1 스위칭부(140)를 통해 연료전지(110)에 결합되고, 캐패시터(160)와 제2 스위칭부(170)를 통해 외부 부하(180)에 결합된다.
캐패시터부(160)는 전력변환부(150)와 제2 스위칭부(170) 사이에 설치된다. 캐패시터부(160)는 적어도 하나의 캐패시터를 구비한다.
제2 스위칭부(170)는 캐패시터부(160)와 외부 부하(180) 사이에 접속된다. 제2 스위칭부(170)는 제어부(130)의 제어 신호에 응답하여 캐패시터부(160)를 외부 하부(180)에 접속시키거나 캐패시터부(160)의 부하측 전극을 그라운드에 접속시킨다.
외부 부하(180)는 텔레비전, 비디오, 오디오, 냉장고, 에어컨, 세탁기, 전등 기구, 전열 기구, 컴퓨터, 전동형 운동 기구 등과 같이 전기 에너지를 이용하는 대부분의 기기와 자동차 내의 전기 시스템을 포함한다.
한편, 전술한 제1 스위칭부(140)의 전단 또는 후단에는 연료전지(110)의 전류를 전력변환부(150)측으로만 흐르도록 하는 다이오드가 삽입 설치될 수 있다.
또 한편, 전술한 연료전지 시스템은 전력변환부(150)의 출력 전력을 교류 차단 인덕터를 경유하여 제어부(130) 및/또는 주변장치(120)로 공급하도록 구성될 수 있으며, 이 경우, DC/AC 모드의 전력변환부(150)는 외부 하부(180)로 공급되는 교류 전원과 주변장치(120)로 공급되는 직류 전원을 하나의 출력 라인으로 함께 출력하는 것이 가능하다.
전술한 구성에 의해, 제어부는 연료전지의 운전 모드에 따라 제1 및 제2 스위칭부 및 전력변환부를 제어하여 캐패시터의 접속을 조정함으로써 연료전지의 출력이 일정하게 생산될 수 있도록 한다.
도 3a 내지 도 3c는 도 2의 연료전지 시스템의 동작 모드를 설명하기 위한 블록도이다.
도 3a를 참조하면, 초기 구동시, 연료전지(110)는 소정 온도로 예열된다. 원활한 예열을 위하여, 제1 스위칭부(140)는 디스에이블 모드로 설정된다. 그리고, 연료전지(110)의 초기 운전을 위해 캐패시터부(160)의 캐패시터에 저장된 전기 에너지가 주변장치(120)와 제어부(130)에 공급된다. 이때, 전력변환부(150)는 직류-직류 변환 모드로 설정되고, 캐패시터부(160)의 부하측 전극은 제2 스위칭부(170)의 동작에 의해 그라운드에 접속된다.
한편, 연료전지(110) 초기 구동시 제1 스위칭부(140)의 디스에이블 모드로 인해 연료전지(110)의 애노드 전극으로부터 캐소드 전극으로 이동하는 전자의 흐름이 차단되는 것으로 해석되어서는 안된다. 전술한 경우, 연료전지(110)의 출력단에 는 별도의 내부 부하에 전기적으로 접속되는 것이 바람직하다.
전술한 구성에 의하면, 캐패시터부(160)의 전력에 의해 주변장치(120)가 동작하고, 주변장치(120)의 동작에 의해 연료와 공기가 연료전지(110)에 공급되며, 연료와 공기의 공급에 따라 연료전지(110)가 전기 에너지와 열을 발생시키기 시작한다.
한편, 초기 구동시의 제1 스위칭부(140)는 인에이블 모드로 설정될 수 있다. 초기 구동시의 제1 스위칭부(140)의 인에이블 모드는 연료전지(110)의 출력 전력이 직류-직류 모드의 전력변환부(150)를 통해 주변장치(120)와 제어부(130)에 전달되는 것을 나타내는 것은 아니다. 이 경우, 제1 스위칭부(140)의 전단 또는 후단에 다이오드를 설치하여 캐패시터부(160)의 전력이 연료전지(110)에 전달되는 것을 차단할 수 있다.
도 3b를 참조하면, 정상 운전시, 연료전지(110)의 출력 전력은 외부 부하(180)에 공급된다. 이를 위해, 제1 스위칭부(140)는 인에이블 모드로 설정되고, 전력변환부(150)는 직류-교류 변환 모드로 설정된다. 그리고, 제2 스위칭부(170)는 캐패시터부(160)의 부하측 전극이 외부 하부(180)에 접속되도록 스위칭된다. 전술한 구성에 의하면, 연료전지(110)의 출력 전력은 캐패시터부(160)를 통해 외부 부하(180)에 공급된다.
또한, 연료전지(110)의 출력 전력은 전력변환부(150)를 통해 주변장치(120)와 제어부(130)에 공급된다. 주변장치(120)는 연료전지(110)가 지속적으로 운전되도록 연료와 공기를 공급하고, 제어부(130)는 연료전지 시스템을 전반적으로 제어 한다. 전술한 구성에 의하면, 외부 부하(180)의 순간 고전력 요구시 캐패시터부(160)의 작용에 의해 요구되는 전력에 어느 정도 대응하면서 연료전지(110)의 출력이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
도 3c를 참조하면, 운전 중지시, 연료전지(110)의 출력 전력에 의해 캐패시터부(160) 내의 캐패시터가 충전된다. 이를 위해, 제1 스위칭부(140)는 인에이블 모드로 설정되고, 전력변환부(150)는 직류-직류 변환 모드로 설정된다. 그리고 제2 스위칭부(170)는 캐패시터부(160)의 부하측 전극이 그라운드에 접속되도록 스위칭된다.
한편, 제어부(130)는 캐패시터부(160) 내의 캐패시터의 충전 상태를 감지하고, 감지된 신호에 따라 연료전지(110)에 연료와 공기를 공급하는 주변장치(120)를 먼저 동작 중지시킬 수 있다. 이 경우, 제어부(130)는 캐패시터의 충전 레벨은 연료전지(110) 내에 남은 연료와 공기가 소모되면서 얻어지는 전력에 의해 높아지고, 원하는 레벨에 도달될 수 있다.
도 4는 본 발명의 연료전지 전력 출력 방법에 따른 출력 전력을 종래의 예와 비교하는 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 연료전지의 정상 운전 중 연료전지에 과부하가 걸리면, 종래의 연료전지의 출력은 참조부호 A로 나타낸 바와 같이 소정 기간(t1 ~ t2) 동안 감소된다. 이것은 연료전지의 안정적이고 지속적인 운전을 방해할 수 있다.
하지만, 본 발명에 따른 연료전지의 출력은 참조부호 B로 나타낸 바와 같이 소정 출력(Pout)에서 거의 변화되지 않고 일정한 출력 전력을 유지한다. 따라서, 연료전지의 안정적이고 지속적인 운전을 방해하는 하나의 요소를 제거할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
상기 본 발명에 의하면, 연료전지가 불안정해지지 않도록 수시로 변동하는 부하의 전력 요구에 적절하게 대응할 수 있다. 또한, 배터리 및 배터리 충전장치를 생략하여 시스템의 소형화를 도모할 수 있다.

Claims (5)

  1. 연료전지와 부하 사이에 직렬 결합되는 캐패시터를 구비한 연료전지 시스템의 전력 출력 방법에 있어서,
    (a) 제어부에서 운전개시 신호에 응답하여 상기 연료전지와 상기 캐패시터 사이에 결합되는 전력변환부를 DC/DC 모드로 설정하고 상기 캐패시터를 상기 연료전지의 전원으로 접속시키는 단계;
    (b) 상기 연료전지로부터 감지된 감지신호에 응답하여 상기 전력변환부를 DC/AC 모드로 설정하고 상기 연료전지를 상기 부하의 전원으로 접속시키는 단계; 및
    (c) 운전중지 신호에 응답하여 상기 전력변환부를 DC/DC 모드로 설정하고 상기 연료전지의 전력으로 상기 캐패시터를 충전하는 단계를 포함하는 연료전지 전력 출력 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (a)단계는 상기 연료전지와 상기 전력변환부 사이에 결합되는 제1 스위칭부를 디스에이블 모드로 제어하고, 상기 캐패시터의 부하측 전극이 그라운드에 접속되도록 제2 스위칭부를 제어하는 단계를 포함하는 연료전지 전력 출력 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 (b)단계는 상기 연료전지와 상기 전력변환부 사이에 결합되는 제1 스위칭부를 인에이블 모드로 제어하고, 상기 캐패시터가 상기 전력변환부와 상기 부하 사이에 직렬 접속되도록 제2 스위칭부를 제어하는 단계를 포함하는 연료전지 전력 출력 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 (b)단계는 상기 연료전지의 온도 및 출력 전압 중 적어도 하나로부터 감지된 신호에 응답하여 수행되는 연료전지 전력 출력 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 (c)단계는 상기 연료전지와 상기 전력변환부 사이에 결합되는 제1 스위칭부를 인에이블 모드로 제어하고, 상기 캐패시터의 부하측 전극이 그라운드에 접속되도록 제2 스위칭부를 제어하는 단계를 포함하는 연료전지 전력 출력 방법.
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