KR100805590B1 - 연료전지 주변장치의 이상동작을 감지 및 제어하기 위한장치 및 방법 - Google Patents

연료전지 주변장치의 이상동작을 감지 및 제어하기 위한장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 주변장치의 이상동작 감지 및 제어를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 BOP 이상동작 감지 및 제어 장치는 연료와 산화제의 전기화학적 반응에 의해 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택과 연료 공급을 위한 연료공급장치를 구비한 연료전지 주변장치를 포함하는 연료전지 시스템에 결합하여 연료전지 주변장치의 이상동작을 감지하고 제어하기 위한 장치로서, 계산을 수행하기 위한 ALU, 데이터 및 명령어의 일시적인 저장을 위한 레지스터, 및 연료전지 시스템의 동작을 제어하기 위한 컨트롤러를 구비하는 마이크로프로세서를 포함하며, 마이크로프로세서가, 연료전지 시스템의 작동을 위한 제1 감지신호가 입력되는 제1 입력단과, 컨트롤러에 의해 생성되는 제어신호를 연료전지 주변장치에 인가하는 출력단과, 연료전지 주변장치의 오동작 판별을 위한 제2 감지신호가 입력되는 제2 입력단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
연료전지, 주변장치, BOP(balance of plants), 오동작, 감지, 제어

Description

연료전지 주변장치의 이상동작을 감지 및 제어하기 위한 장치 및 방법{Method and Apparatus for detecting and controlling a malfunction in Balance of Plants of Fuel Cell}
도 1a는 일반적인 연료전지 시스템을 보여주는 개략도.
도 1b는 고분자막을 전해질로 사용하는 일반적인 연료전지를 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 BOP(balance of plants) 감시 및 제어 장치를 보여주는 블록도.
도 3a 및 도 3b는 도 2의 BOP 이상동작 감지 및 제어 장치의 작동 원리를 설명하기 위한 순서도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 BOP 감시 및 제어 방법이 적용된 결과를 설명하기 위한 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
110 : 마이크로프로세서
112 : 제1 입력단
114 : ALU(arithmetic logic unit)
116 : 레지스터
118 : 컨트롤러
120 : 출력단
122 : 제2 입력단
136 : 연료전지 주변장치(BOP)
148 : VIW 센서
본 발명은 연료전지 시스템의 안정적 제어를 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 주변장치의 이상동작을 감지하고 감지된 정보에 기초하여 연료전지 주변장치를 최적 상태로 제어하거나 시스템 경보를 출력하기 위한 연료전지 주변장치의 이상동작 감시 및 제어를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
연료전지(fuel cell)는 연료 에너지를 직접 전기 에너지로 바꾸는 발전 시스템으로써 저공해와 고효율의 이점이 있다. 특히 연료전지는 저장 및 운송이 용이한 석유 에너지, 천연가스, 메탄올 등의 에너지원을 이용하여 전기 에너지를 생성할 수 있기 때문에 차세대 에너지원으로 주목받고 있다. 이러한 연료전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 알칼리 연료전지 등으로 구분할 수 있으며, 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
고분자 전해질형 연료전지는 수소 이온(proton) 교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 특성을 가지며, 구조가 간단하며 빠른 시동과 응답특성, 우수한 내구성을 가지고, 아울러 수소 이외에도 메탄올이나 천연가스를 연료로 사용할 수 있어 자동차의 동력원, 분산형 현지설치용 발전기, 군수용 비상전원, 우주선용 전원 등의 다양한 분야에 응용하기에 적합하다.
직접 메탄올형 연료전지(direct methanol fuel cell: DMFC)는 수소 이온을 전도하는 고분자막을 전해질로 사용하며, 연료로써 액상의 메탄올 수용액을 애노드에 직접 공급할 수 있는 구조를 갖는다. DMFC는 연료 개질기를 사용하지 않으며 100℃ 미만의 작동온도에서 운전되므로 전술한 고분자 전해질형 연료전지보다 휴대용이나 소형 연료전지 구조에 더욱 적합하다.
도 1a는 일반적인 연료전지 시스템을 보여주는 개략도이고, 도 1b는 고분자막을 전해질로 사용하는 일반적인 연료전지 스택을 설명하기 위한 도면이다.
도 1a에 도시한 바와 같이, 일반적인 연료전지 시스템은 애노드에 공급된 연료와 캐소드에 공급된 산화제의 전기화학적 반응에 의해 전기 에너지를 생성하고 생성된 전기 에너지를 외부 부하(18) 등에 공급하는 연료전지 스택(10), 연료전지 스택(10)에 수소를 함유한 연료를 공급하는 연료공급장치(12), 연료전지 스택(10)에 공기 등의 산화제를 공급하는 산화제공급장치(14), 및 시스템 제어를 위하여 연료전지 스택(10)의 전압, 전류, 온도 등과 같은 시스템 상태 변수를 감지하고 감지된 정보에 따라 연료공급장치(12)와 산화제공급장치(14)를 제어하는 제어장치(16) 로 구성된다.
연료전지 스택(10)은 도 1b에 도시한 바와 같이 고분자 전해질막(1)과 이 전해질막(1)의 양면에 접합되는 애노드 전극(2) 및 캐소드 전극(3)을 구비한다. 전해질막(1), 애노드 전극(2) 및 캐소드 전극(3)은 소위 막-전극 어셈블리(membrane-electrode assembly: MEA)로 불리는 단위전지를 구성한다. 전기화학적 반응성, 이온 전도성, 전자 전도성, 연료 또는 산화제 전달성, 부산물 전달성, 계면 안정성 등에 대한 성능 향상을 위해 애노드 전극(2)과 캐소드 전극(3)은 금속촉매층(2a; 3a)과 확산층(diffusion layer)(2b; 3b)을 각각 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 연료전지 스택(10)은 단위전지와 단위전지 사이에 설치되는 바이폴라 플레이트(5)와, 단위전지의 일측면과 엔드 플레이트(6a) 사이에 설치되는 모노폴라 플레이트(5a)와, 또 다른 단위전지의 타측면과 또 다른 엔드 플레이트(6b) 사이에 설치되는 또 다른 모노풀라 플레이트(5b)를 포함한다. 이들 플레이트(5)는 전기적 절연 특성을 구비하며 그것들의 일면 또는 양면에는 연료 공급을 위한 유동유로(flow field)(a1) 및/또는 산화제 공급을 위한 유동유로(a2)가 설치된다. 복수의 단위전지와 플레이트들(5, 5a, 5b)의 적층체는 한 쌍의 엔드 플레이트(6a, 6b)와 체결부재(7)에 의해 가압된 채로 고정된다.
전술한 연료전지 시스템의 작동원리는 다음과 같다. 먼저 연료공급장치(12)로부터 연료전지 스택(10)의 애노드 전극(2)에 메탄올 수용액이나 화석연료를 개질한 개질가스 등과 같은 수소함유 연료가 공급되고 캐소드 전극(3)에 공기와 같은 산화제가 공급되면, 애노드측 금속촉매층(2a)에서는 연료와 물이 반응하여 수소 이 온을 생성하고, 생성된 수소 이온은 고분자 전해질막(1)을 통해 캐소드 전극(3)으로 이동한다. 캐소드측 금속촉매층(3a)에서는 수소 이온과 전자 그리고 산소가 반응하여 물을 생성한다. 이때, 애노드측 금속촉매층(2a)에서 생성된 전자는 외부 회로를 통해 캐소드측 금속촉매층(3a)으로 이동하면서 화학반응을 통해 얻어진 자유에너지의 변화량을 전기에너지로 전환하게 된다.
이와 같이 종래의 연료전지 시스템은 연료전지 스택과 함께 연료전지 스택에 연료나 산화제를 공급하기 위한 액체 펌프나 공기 펌프, 유체의 흐름을 제어하기 위한 밸브, 시스템의 온도 제어를 위한 팬 등과 같은 연료전지 주변장치(balance of plants: BOP)를 구비한다. 연료전지 주변장치는 각각의 기능 또는 요구에 따라 PWM(pulse width modulation), PEM(pulse edge modulation), on/off 등의 여러 가지 구동 방식으로 동작한다.
그런데, 연료전지 주변장치 중에서 특히 모터와 같은 회전 장치가 탑재된 BOP 예컨대 연료 펌프는 연료에 의한 마찰이나 마모, 연료 펌프 내에 누적된 불순물, 시스템의 온도 변화 등의 영향에 의해 오동작하는 경우가 종종 발생한다. 연료 펌프의 오동작 횟수가 증가하게 되면, 공급되는 연료와 산화제의 정밀한 제어에 의해 최적의 운전 효율이 얻어지는 연료전지 시스템에서는 연료 펌프의 오동작에 의해 원하는 양의 연료를 공급할 수 없고, 따라서 최적의 연료 농도가 아닌 원하지 않는 농도로 연료 농도가 변화하여 연료전지 시스템의 출력 특성이 악화되는 문제가 있다.
이와 같이, 종래의 연료전지 시스템에서는 연료전지 주변장치의 오동작에 의 해 시스템의 안정성과 신뢰성에 악영향이 미칠 수 있다. 일례로, 연료펌프의 오동작에 의해 연료전지 스택에 공급되는 연료 농도를 원하는 농도로 제어하기가 어려워지고, 그것에 의해 연료전지 시스템의 지속적 또는 안정적 운전도 어려워지는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 목적은 연료전지 주변장치의 오동작을 감지하고, 오동작에 의한 오차를 보상하거나 주변장치나 제어장치를 초기화함으로써 시스템의 지속적인 운전에 악영향이 미치는 것을 방지하면서 시스템의 안정성을 확보할 수 있는 연료전지 주변장치의 이상동작 감지 및 제어를 위한 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 의하면, 연료와 산화제의 전기화학적 반응에 의해 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택과 연료 공급을 위한 연료공급장치를 구비한 연료전지 주변장치를 포함하는 연료전지 시스템에 결합하여 연료전지 주변장치의 이상동작을 감지하고 제어하기 위한 장치에 있어서, 계산을 수행하기 위한 ALU; 데이터 및 명령어의 일시적인 저장을 위한 레지스터; 및 연료전지 시스템의 동작을 제어하기 위한 컨트롤러를 구비하는 마이크로프로세서를 포함하며, 상기 마이크로프로세서는, 연료전지 시스템의 작동을 위한 제1 감지신호가 입력되는 제1 입력단; 컨트롤러에 의해 생성되는 제어신호를 연료전지 주변장치에 인가하는 출력단; 및 연료전지 주변장치의 오동작 검출을 위한 제2 감지신호가 입력되는 제2 입력단을 구비하는 연료전지 주변장치의 감시 및 제어 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 연료와 산화제의 전기화학적 반응에 의해 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택과 연료 공급을 위한 연료공급장치를 구비한 연료전지 주변장치를 포함하는 연료전지 시스템에 결합된 감시 및 제어 장치에서 연료전지 주변장치의 이상동작을 감지하고 제어하기 위한 방법에 있어서, 연료공급장치에 결합되며, 구동 전압, 구동 전류 및 구동 파형으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나를 검출하는 센서로부터 전달되는 신호들을 임의의 시간 간격들 두고 수신하는 단계; 수신된 제1 신호가 기준 범위를 벗어났는가를 판단하는 단계; 제1 신호가 기준 범위를 벗어났으면, 연료공급장치를 초기화시키는 단계; 수신된 제2 신호가 기준 범위 내로 복귀하였는가를 판단하는 단계; 및 제2 신호가 기준 범위 내로 복귀하면, 연료공급장치를 제어하여 연료공급장치의 오동작에 의한 오차를 보상하는 단계를 포함하는 연료전지 주변장치의 감시 및 제어 방법을 제공할 수 있다.
이하, 본 발명의 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 BOP 이상동작 감지 및 제어 장치를 보여주는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 BOP 이상동작 감지 및 제어 장치는 연료전지 시스템에 탑재되는 제어장치로서, 마이크로프로세서(110)로 구현되는 것이 바 람직하다.
마이크로프로세서(110)는 계산을 수행하기 위한 ALU(Arithmetic Logic Unit, 112)와, 데이터 및 명령어의 일시적인 저장을 위한 레지스터(114) 및 시스템의 동작을 제어하기 위한 컨트롤러(116)를 구비한다. 또한 마이크로프로세서(110)는 연료전지 시스템의 작동을 위한 제1 감지신호가 입력되는 제1 입력단(118), 컨트롤러(116)에 의해 생성되는 제어신호를 연료전지 주변장치(balance of plants: BOP, 138)에 인가하는 출력단(120); 및 연료전지 주변장치(138)의 오동작 검출을 위한 제2 감지신호가 입력되는 제2 입력단(122)을 구비한다.
마이크로프로세서(110)의 제1 입력단(118)으로 입력되는 제1 감지신호는, 시스템 상태 변수에 대한 정보를 가진 신호로서, 연료전지 스택, BOP(138) 등의 온도를 검출하는 온도센서(124)의 출력 신호와; 연료저장탱크, 연료순환탱크, 물탱크 등에 저장되는 유체의 레벨을 검출하는 레벨센서(128)의 출력 신호와; 연료전지 스택의 전압 또는 전류를 검출하는 센서(130)의 출력 신호와; 2차전지, 캐패시터, 슈퍼캐패시터 등의 보조 전원의 전압 또는 전류를 검출하는 센서(132)의 출력 신호; 및 전류 및/또는 전압 변환장치와 같은 전력 변환 장치의 1차측 또는 2차측 전압 또는 전류를 검출하는 센서(134)의 출력 신호를 포함한다. 특정 센서의 출력 신호는 증폭기(126)를 통해 증폭된 후 제1 입력단(118)으로 입력될 수 있다.
마이크로프로세서(110)의 출력단(120)으로 출력되는 제어신호는, BOP(138)의 동작을 제어하기 위한 신호로서, BOP(138)의 동작을 제어하는 BOP 드라이버(136)에 전달된다. BOP 드라이버(136)는 시스템 효율 향상을 위하여 저전력 드라이버로 구 현되는 것이 바람직하다. 저전력 드라이버는 BOP(138)의 동작을 제어하는 장치이며, 전술한 제어신호는 저전력 드라이버에 인가된다.
BOP(138)는 제1 펌프(140), 제2 펌프(142), 팬(144) 및 밸브(146)를 포함한다. 본 명세서에서 BOP(138)는 제1 펌프(140), 제2 펌프(142), 팬(144) 및 밸브(146) 전체를 포함하는 개념으로 사용될 수 있고, 이들 중 어느 하나를 가리키는 개념으로 사용될 수도 있다. 제1 펌프(140)는 연료저장탱크에 저장된 연료를 연료순환탱크나 연료전지 스택으로 공급하는 연료 펌프로, 제2 펌프(142)는 연료전지 스택으로 공기 등의 산화제를 공급하는 공기 펌프로, 팬(144)은 시스템 내의 물 및 연료의 열교환 및/또는 온도 조절을 위한 장치로, 그리고 밸브(146)는 물, 연료, 순환 유체의 이송량을 제어하기 위한 장치로 구현되는 것이 바람직하다.
마이크로프로세서(110)의 제2 입력단(122)으로 입력되는 제2 감지신호는, BOP(138)의 오동작을 감지하기 위한 신호로서, 특정 BOP 예컨대 제1 펌프(140)의 구동 전압, 구동 전류 및 구동 파형으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나를 검출하는 VIW 센서(148)의 출력 신호를 포함한다.
VIW 센서(148)는 특정 BOP의 구동 전압을 검출하는 전압 센서, 특정 BOP의 구동 전류를 검출하는 전류 센서, 및 특정 BOP의 구동 파형을 검출하기 위하여 타이머를 이용하여 특정 BOP에 인가되는 파형의 주기와 듀티비(duty ratio)를 측정하는 센서 중 적어도 어느 하나를 포함한다. 듀티비는 PWM(pulse width modulation)의 on-off 비율을 나타낼 수 있다.
마이크로프로세서(110)는 제2 감지신호를 기준 범위 또는 한계 기준 범위와 비교하고, 제2 감지신호가 기준 범위를 벗어났는가 아닌가 또는 한계 기준 범위를 벗어났는가 아닌가를 판단한다. 여기서 기준 범위는 BOP의 정상 동작 범위이며 한계 기준 범위는 이상동작상태의 기준이 되는 동작 범위를 나타낸다. 여러 BOP의 구동 전압과 구동 전류의 동작 범위와 이동동작 상태의 범위를 예를 들어 나타내면 다음과 같다.
Figure 112006080781419-pat00001
마이크로프로세서(110)는 롬(ROM), 램(RAM), 하드디스크 등의 메모리 시스템(미도시)에 결합되며, 메모리 시스템에 저장되는 연료전지 스택의 누적 출력 전력(도 4 참조)에 대한 정보를 토대로 BOP의 오동작에 의한 오차를 보상하도록 연료전지 시스템을 제어할 수 있다.
마이크로프로세서(110)는 디지털(Digital) 사의 알파(Alpha), MIPS 테크놀로지, NEC, IDT, 지멘스(Siemens) 등의 MIPS, 인텔(Intel)과 사이릭스(Cyrix), AMD 및 넥스젠(Nexgen)을 포함하는 회사의 x86 및 IBM과 모토롤라(Motorola)의 파워PC(PowerPC)와 같이 다양한 아키텍처(architecture)를 갖는 프로세서 중 적어도 하나로 구현될 수 있다. 그리고 제1 입력단(118) 및 제2 입력단(122)은 아날로그-디지털 컨버터로 구현될 수 있고, 출력단(120)은 디지털-아날로그 변환기 및/또는 출력 버퍼로 구현될 수 있다.
본 발명의 마이크로프로세서(110)는 연료와 산화제의 전기화학적 반응에 의해 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에 연료를 공급하는 연료공급장치가 포함된 연료전지 주변장치를 구비하는 연료전지 시스템에 결합되며, 연료전지 주변장치에 결합된 VIW 센서로부터 입력되는 감지신호 및/또는 레벨센서로부터 입력되는 신호 또는 연료전지 스택의 누적 출력 전력에 대한 정보를 토대로 연료전지 주변장치의 오동작을 감지하고, 오동작에 의한 오차를 보상하거나 오동작하는 BOP 또는 마이크로프로세서 자체를 초기화하여 시스템을 안정화시킬 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 도 2의 BOP 이상동작 감지 및 제어 장치의 작동 원리를 설명하기 위한 순서도이다.
본 실시예에서는 특정 BOP로서 적어도 연료 펌프를 구비한 연료공급장치의 오동작을 감지하고 제어하는 과정에 대하여 상세히 설명한다. 이하의 설명에서 BOP 이상동작 감지 및 제어 장치는 위에서 설명한 마이크로프로세서에 대응될 수 있고, 제1 신호, 제2 신호 및 제3 신호는 위에서 언급한 제1 감지신호 또는 제2 감지신호에 대응될 수 있다.
도 3a에 도시한 바와 같이, 먼저 BOP 이상동작 감지 및 제어 장치에서 VIW 센서를 통해 연료공급장치에서 검출된 구동 전압, 구동 전류 및 구동 파형으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나에 대한 신호를 일정 시간 간격으로 반복적으로 수신한다(S10).
다음, BOP 이상동작 감지 및 제어 장치는 수신된 제1 신호가 기준 범위를 벗어났는가를 판단한다(S12). 상기 단계(S12)의 판단 결과, 제1 신호가 기준 범위를 벗어났으면, 제1 신호가 입력되는 제2 입력단을 초기화한다(S14). 제2 입력단을 초기화하는 것은 VIW 센서에서 나오는 출력 신호가 노이즈 등의 외부 영향에 의해 왜곡되는 경우를 고려하여 제1 신호 자체에 오류가 있는가를 확인하기 위한 것이다. 한편, 상기 단계(S12)의 판단 결과, 제1 신호가 기준 범위를 벗어나지 않았으면, 상기 단계(S10)로 돌아간다.
다음, 제2 입력단의 초기화 후에 제2 신호를 수신하고, 수신된 제2 신호가 기준 범위 내로 복귀하였는가를 판단한다(S16). 제2 신호는 전술한 제1 신호에 이어서 VIW 센서에서 출력되고 제2 입력단에 입력되는 신호이다. 상기 단계(S16)의 판단 결과, 제2 신호가 기준 범위 내로 복귀하였으면, BOP 이상동작 감지 및 제어 장치는 보상 제어를 위한 또 다른 제어신호를 생성하고 생성된 또 다른 제어신호를 연료공급장치에 추가적으로 인가하여 연료공급장치의 오동작에 의한 오차를 보상한다(S18).
연료공급장치의 오동작에 의한 오차를 보상하는 것은 오동작 발생 횟수가 일정 횟수 이상일 때 연료전지 스택의 누적 출력 전력의 오동작 구간(도 4의 A, B, C, D, E 참조)에 대응하는 연료량 즉 연료 부족분의 보충을 위한 연료량을 연료전지 스택에 추가로 공급하는 방식으로 구현될 수 있다.
또한 연료공급장치의 오동작에 의한 오차를 보상하는 것은 오동작 발생 횟수가 일정 횟수 이상일 때 연료 농도를 검출하고 검출된 연료 농도를 기준 농도와 비교한 후 비교된 값들의 농도 차이에 상응하는 연료량을 추가로 공급하는 방식으로 구현될 수 있다. 여기서 연료 농도는 연료 농도 센서 외에 연료전지 스택의 출력 전압, 출력 전류 및 온도에 상응하여 기설정된 연료 농도가 적용될 수 있다.
한편, 상기 단계(S16)의 판단 결과, 제2 신호가 기준 범위 내로 복귀하지 않았으면, 시스템 경보를 출력하고 종료될 수 있다.
다른 한편으로 상기 단계(S16)의 판단 결과, 제2 신호가 기준 범위 내로 복귀하지 않았으면, 오동작하는 연료공급장치를 초기화하거나 BOP 이상동작 감지 및 제어 장치 자체를 초기화할 수 있으며, 이 단계에 관하여는 아래에서 상세히 설명한다.
도 3b에 도시한 바와 같이, 상기 단계(S16)의 판단 결과, 제2 신호가 기준 범위 내로 복귀하지 않았으면, BOP 이상동작 감지 및 제어 장치는 제2 신호가 한계 기준 범위를 벗어났는가를 판단한다(S20). 본 단계(S20)는 연료공급장치의 오동작에 의해 연료전지 시스템에 악영향이 미칠 수 있는 상태를 판단하기 위한 것이다.
상기 단계(S20)의 판단 결과, 제2 신호가 한계 기준 범위를 벗어났으면, 연료공급장치를 초기화한다(S22). 연료공급장치의 초기화는 연료공급장치의 동작을 오프시키는 방식을 포함한다. 본 단계(S22)는 온도 등에 환경에 의한 연료공급장치의 예기치못한 오류를 정정하기 위한 것이다. 한편, 상기 단계(S20)의 판단 결과, 제2 신호가 한계 기준 범위를 벗어나지 않았으면, 현재의 BOP 이상동작 감지 및 제어 모드를 종료한 후 다시 시작하는 BOP 이상동작 감지 및 제어 모드의 최초 단계로 돌아간다.
다음, BOP 이상동작 감지 및 제어 장치는 연료공급장치의 초기화 후에 제3 신호를 수신하고, 수신된 제3 신호가 한계 기준 범위 내로 복귀하였는가를 판단한다(S24). 제3 신호는 전술한 제2 신호에 이어서 VIW 센서에서 출력되고 제2 입력단에 입력되는 신호이다.
상기 단계(S24)의 판단 결과, 제3 신호가 한계 기준 범위 내로 복귀하지 않았으면, BOP 이상동작 감지 및 제어 장치는 연료공급장치의 오동작에 대한 시스템 경보 신호를 생성하고 생성된 시스템 경보 신호를 경보장치로 출력한다(S26). 경보장치는 사용자 또는 관리자가 시스템 경보를 인식할 수 있도록 빛, 소리, 진동 중 적어도 어느 하나를 응용하여 제작된 장치, 예컨대, 디스플레이, 스피커, 램프(lamp), 발광다이오드(LED), 유무선 통신으로 연결되는 컴퓨터 단말기, 휴대 장치 등을 포함한다. 한편, 상기 단계(S24)의 판단 결과, 제3 신호가 한계 기준 범위 내로 복귀되었으면, 현재의 BOP 이상동작 감지 및 제어 모드를 종료한 후 다시 시작하는 BOP 이상동작 감지 및 제어 모드의 최초 단계로 돌아간다.
다음, BOP 이상동작 감지 및 제어 장치는 사용자 또는 관리자에게 시스템 경보를 전달한 후 본 장치 자체를 초기화하고 현재의 BOP 이상동작 감지 및 제어 모드를 종료한다(S28). 본 단계(S28)는 온도 등의 환경에 의해 발생할 수 있는 BOP 이상동작 감지 및 제어 장치 자체의 예상치 못한 오류를 정정하기 위한 것이다. 본 단계(S28)는 시스템 경보 신호를 인식한 사용자 또는 관리자에 의해 수동적으로 수행되거나 일정 시간 후에 자동적으로 수행되도록 구현될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 BOP 감시 및 제어 방법에 의한 오동작 BOP의 오차 보정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 연료전지 스택에서 생산된 전기 에너지의 히스토리(history) 즉 누적 출력 전력을 나타낸다. 본 실험예에서는 최대 출력 용량이 5cc/min인 연료 펌프와 정격출력 32㎾/h의 직접 메탄올형 연료전지 스택 및 공기 펌프가 설치된 연료전지 시스템을 이용하여 소비전력 25mWh의 부하 장치에 전력을 공급하고, 공급되는 출력 전력을 누적하여 기록하였다. 그리고 본 실험에서는 본 발명에 관련한 연료 펌프의 오동작을 유도하기 위하여 대략 1000 시간 정도 사용된 연료 펌프를 이용하였다.
도 4에서 점선으로 표시된 그래프는 이상적인 스택의 누적 출력 전력에 대한 예상 그래프이고, 실선으로 표시된 그래프는 실제 측정된 스택의 누적 출력 전력에 대한 그래프이다. 도 4에서 볼 수 있듯이, 실제 측정된 스택의 누적 출력 전력에서는 A, B, C, D, E로 표시된 구간이 나타나며, 이 구간들은 스택의 출력 전력이 거의 누적되지 않은 부분을 나타낸다. A, B, C, D, E 구간이 나타나는 이유는 연료 펌프가 오동작하여 연료전지 스택에 실질적으로 연료가 공급되지 않기 때문에 부하 장치가 연결되지 않은 상태 즉, 출력이 거의 없는 상태로 연료전지 스택이 동작하기 때문이라고 판단할 수 있다.
본 발명의 BOP 이상동작 감지 및 제어 장치는 연료 펌프의 구동 전압, 구동 전류 또는 구동 파형을 감지하고, 감지된 신호를 기준 신호와 비교함으로써 연료 펌프의 오동작을 감지하고, 이와 함께 스택의 누적 출력 전력과 예상되는 출력 전력을 비교하여 연료 펌프의 오동작을 더욱 정확하게 감지할 수 있다.
게다가 연료전지 스택에서 나오는 미반응 연료 및/또는 물을 순환시켜 연료전지 스택의 연료로써 다시 사용하기 위한 연료순환장치가 구비된 직접 메탄올형 연료전지 시스템에 본 발명을 적용하는 경우, 스택의 누적 출력 전력의 A, B, C, D, E 구간에 대응하여 연료순환장치에 공급되지 못한 연료량을 산출하고 산출된 연료량을 연료순환장치에 추가적으로 공급함으로써 연료순환장치로부터 연료전지 스택에 공급되는 연료의 농도를 원하는 농도 즉 최적 연료 농도로 유지할 수 있다. 따라서 연료 농도의 변화에 의해 연료전지 시스템의 지속적 운전에 악영향이 미치는 것을 방지할 수 있다.
또한 본 발명은 연료 펌프의 오동작을 감지하고, 감지된 오동작 횟수가 일정 횟수 이상일 때, 기존의 농도 센서에 의해 검출되는 연료 농도나 연료전지 스택의 출력 전압, 출력 전류 및 온도에 대응하여 기설정된 연료 농도를 토대로 연료 펌프의 오동작에 의한 오차를 보상하도록 구현될 수 있다.
본 발명은 연료전지 주변장치의 오동작에 의해 시스템에 악영향이 미치는 것을 방지할 수 있고, 따라서 연료전지 시스템의 안정성 및 신뢰성을 확보하여 지속적인 운전을 가능하게 하는 장점을 가진다.
본 발명의 BOP 이상동작 감지 및 제어 장치는 마이크로프로세서로 구현되는 것이 바람직하다. 아울러, 마이크로프로세서의 기능을 유사한 기능을 구비한 디지털 신호 처리 장치라만 본 발명에 적용가능하다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그것들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정해지는 것이 아니고 특허청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정해져야 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 연료전지 주변장치의 오동작을 감지하고, 오동작에 의한 오차를 보상하거나 주변장치 또는 제어장치를 초기화함으로써 연료전지 시스템의 지속적인 운전에 악영향이 미치는 것을 방지할 수 있으며, 아울러 연료전지 시스템의 안정성과 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 예를 들면, 연료 펌프의 오동작에 의해 연료전지 스택으로 공급되는 연료 농도가 변화될 때 이를 보상함으로써 연료전지 시스템에 적합한 연료 농도를 유지할 수 있고, 따라서 연료전지 시스템의 효율과 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Claims (15)

  1. 연료와 산화제의 전기화학적 반응에 의해 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택과 상기 연료 공급을 위한 연료공급장치를 구비한 연료전지 주변장치를 포함하는 연료전지 시스템에 결합하여 상기 연료전지 주변장치의 이상동작을 감지하고 제어하기 위한 장치에 있어서,
    계산을 수행하기 위한 ALU; 데이터 및 명령어의 일시적인 저장을 위한 레지스터; 및 상기 연료전지 시스템의 동작을 제어하기 위한 컨트롤러를 구비하는 마이크로프로세서를 포함하며, 상기 마이크로프로세서는,
    상기 연료전지 시스템의 작동을 위한 제1 감지신호가 입력되는 제1 입력단;
    상기 컨트롤러에 의해 생성되는 제어신호를 상기 연료전지 주변장치에 인가하는 출력단; 및
    상기 연료전지 주변장치의 오동작 판별을 위한 제2 감지신호가 입력되는 제2 입력단을 구비하고,
    상기 제1 감지신호 및 상기 제2 감지신호는 상기 연료전지 주변장치에 결합하여 구동 전압, 구동 전류 및 구동 파형으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나를 검출하는 센서로부터 소정 시간차를 두고 입력되는 신호들을 포함하는 연료전지 주변장치의 감시 및 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로프로세서는 상기 제2 감지신호가 기준 범위를 벗어나면 상기 제2 입력단을 초기화시키는 연료전지 주변장치의 감시 및 제어 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 마이크로프로세서는 상기 제2 감지신호가 기준 범위 내로 복귀하면 상기 연료전지 주변장치 중 오동작하는 장치를 추가적으로 제어하여 상기 오동작 장치에 의한 오차를 보상하는 연료전지 주변장치의 감시 및 제어 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 마이크로프로세서는 상기 연료공급장치의 오동작에 의한 연료 부족분을 보충하기 위하여 상기 연료공급장치의 동작 속도를 일정 시간 동안 증가시키는 연료전지 주변장치의 감시 및 제어 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 마이크로프로세서는 상기 제2 감지신호가 한계 기준 범위를 벗어나면 상기 오동작하는 장치를 초기화시키는 연료전지 주변장치의 감시 및 제어 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 마이크로프로세서는 상기 오동작하는 장치의 초기화 후 상기 제2 감지신호가 상기 한계 기준 범위 내로 복귀하지 않으면 상기 연료전지 주변장치의 오동작에 의한 시스템 경보를 위한 신호를 생성하고 상기 생성된 시스템 경보 신호를 경보장치로 출력하는 연료전지 주변장치의 감시 및 제어 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 경보장치는 사용자 또는 관리자가 상기 시스템 경보를 인식할 수 있도록 빛, 소리, 진동 중 적어도 어느 하나를 응용하여 제작된 장치를 포함하는 연료전지 주변장치의 감시 및 제어 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 마이크로프로세서는 상기 시스템 경보 신호 출력 후 상기 마이크로프로세서 자체를 초기화시키는 연료전지 주변장치의 감시 및 제어 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지 주변장치는 연료 펌프, 공기 펌프, 블로어, 팬, 밸브로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나의 장치의 동작을 제어하는 저전력 드라이버를 구비하며, 상기 연료전지 주변장치에 인가되는 상기 제어신호는 상기 저전력 드라이버에 인가되는 연료전지 주변장치의 감시 및 제어 장치.
  11. 연료와 산화제의 전기화학적 반응에 의해 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택과 상기 연료 공급을 위한 연료공급장치를 구비한 연료전지 주변장치를 포함하는 연료전지 시스템에 결합된 감시 및 제어 장치에서 상기 연료전지 주변장치의 이상동작을 감지하고 제어하기 위한 방법에 있어서,
    상기 연료공급장치에 결합되며, 구동 전압, 구동 전류 및 구동 파형으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나를 검출하는 센서로부터 전달되는 신호들을 임의의 시간 간격들 두고 수신하는 단계;
    상기 센서로부터 수신된 제1 신호가 기준 범위를 벗어났는가를 판단하는 단계;
    상기 제1 신호가 기준 범위를 벗어났으면, 상기 연료공급장치를 초기화시키는 단계;
    상기 센서로부터 수신된 제2 신호가 기준 범위 내로 복귀하였는가를 판단하는 단계; 및
    상기 제2 신호가 기준 범위 내로 복귀하면, 상기 연료공급장치를 제어하여 상기 연료공급장치의 오동작에 의한 오차를 보상하는 단계를 포함하고,
    상기 신호들은 상기 센서로부터 임의의 시간 간격을 두고 상기 감시 및 제어 장치에 입력되는 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 포함하는 연료전지 주변장치의 감시 및 제어 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제2 신호가 기준 범위 내로 복귀하지 않고 한계 기준 범위를 벗어났으면, 상기 연료공급장치를 초기화시키는 단계를 더 포함하는 연료전지 주변장치의 감시 및 제어 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 연료공급장치의 초기화 후, 상기 센서로부터 수신된 제3 신호가 한계 기준 범위 내로 복귀하지 않으면, 상기 연료공급장치의 오동작에 대한 시스템 경보 신호를 생성하고 상기 생성된 시스템 경보 신호를 경보장치로 출력하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제3 신호는 상기 연료전지 주변장치에 결합하여 구동 전압, 구동 전류 및 구동 파형으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나를 검출하는 센서로부터 상기 연료공급장치의 초기화 직후에 상기 감시 및 제어 장치에 입력되는 신호인 연료전지 주변장치의 감시 및 제어 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제3 신호가 한계 기준 범위 내로 복귀하지 않으면, 상기 감시 및 제어 장치가 자체 초기화하는 단계를 더 포함하는 연료전지 주변장치의 감시 및 제어 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 감시 및 제어 장치는, 계산을 수행하기 위한 ALU; 데이터 및 명령어의 일시적인 저장을 위한 레지스터; 및 연료전지 시스템의 동작을 제어하기 위한 컨트롤러를 구비하는 마이크로프로세서를 포함하며, 상기 마이크로프로세서는,
    상기 연료전지 시스템의 작동을 위한 상태 변수 정보가 입력되는 제1 입력단;
    상기 컨트롤러에 의해 생성되는 제어신호를 상기 연료전지 주변장치에 인가하는 출력단; 및
    상기 센서로부터 전달되는 상기 신호가 입력되는 제2 입력단을 구비하는 연 료전지 주변장치의 감시 및 제어 방법.
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