KR101032775B1 - 가정용 연료전지시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지시스템의 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 사용되는 환경, 요구되는 전력량 및 요구되는 열량에 따라 필요로 하는 전력 및 열량을 예측하여 연료전지의 운전효율이 향상되도록 하고, 특히 봄, 여름, 가을, 겨울의 전기와 열 에너지의 소비 패턴에 따라 이용하게 되는 부하별 운전조건에서 연료전지시스템의 운전비용을 분석하게 되는 것으로, 계절별 부하 패턴을 적용한 시스템 해석을 통해 계통 연계형 가정용 연료전지 시스템의구성품 모델링과 운전비용 절감을 위한 최적 운전방식을 결정할 수 있도록 하는 가정용 연료전지시스템에 관한 것이다.
이와 같은 본 발명의 특징은 연료공급장치의 연료가 개질기을 통하여 공급되어 연료전지에서 전기가 발전되도록 하는 연료전지시스템에 있어서, 개질기와 연료전지에서 발생된 열기에 의하여 가열된 온수가 담겨지는 온수탱크; 개질기에서 발생된 열기에 의하여 온수가 가열되어 온수탱크로 공급되도록 하기 위한 개질기열교환기; 연료전지에서 발생된 열기에 의하여 온수가 가열되어 온수탱크로 공급되도록 하기 위한 연료전지열교환기; 연료전지에서 발생된 전기를 공급받는 가정용전기부하장치; 온수탱크의 온수를 공급받는 가정용열부하장치; 연료전지와 개질기에서 발생되는 열량의 열량측정데이터와, 연료전지에서 발생되는 전력의 전력측정데이터를 센서부로부터 수신받아 제어하는 제어부가 포함되어 구비되는 것을 특징으로 한다.
연료전지, 가정용, 운전, 계절, 전력, 열량

Description

가정용 연료전지시스템{HOME FUEL CELL SYSTME}
본 발명은 연료전지시스템의 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 사용되는 환경, 요구되는 전력량 및 요구되는 열량에 따라 필요로 하는 전력 및 열량을 예측하여 연료전지의 운전효율이 향상되도록 하고, 특히 봄, 여름, 가을, 겨울의 전기와 열 에너지의 소비 패턴에 따라 이용하게 되는 부하별 운전조건에서 연료전지시스템의 운전비용을 분석하게 되는 것으로, 계절별 부하 패턴을 적용한 시스템 해석을 통해 계통 연계형 가정용 연료전지 시스템의구성품 모델링과 운전비용 절감을 위한 최적 운전방식을 결정할 수 있도록 하는 가정용 연료전지시스템의 운전제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 사용되는 연료전지 중에는 수소전극과 산소전극 사이에 고분자전해질이 위치되는 고분자전해질형(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)이 주로 이용되고 있다.
이러한 고분자전해질형은 출력특성이 월등하고 작동온도가 낮으며, 아울러 빠른 시동 및 응답 특성이 있어 다양한 분야에서 이용되고 있는 것이다. 즉 대한민국 특허등록 제0812757호(연료전지 및 수전해조를 이용한 교육용 발전장치)에서와 같이 교육용 연료전지의 발전장치로도 이용되고 있는 것이다. 또한 대한민국 특허등록 제802571호(연료전지의 폐열을 이용한 냉난방 장치)에서와 같이 연료전지를 이용하여 다양한 분양에 이용하고 있는 것이다.
이와 같은 연료전지에서는 고분자전해질막을 중심으로 하여 수소가 공급되는 수소전극(anode)과, 산소가 공급되는 산소전극(cathode)이 형성되어, 고분자전해질막을 통과한 수소가 산소전극에서 산소와 결합되면서 물(H2O)이 발생되는 것으로, 물의 발생과정에서 양측 수소전극과 산소전극에서 발생된 전위차에 의하여 전기가 발생되는 것이다. 그리고 전력과 함께 연료전지와 개질기 등에서는 열량이 발생되어, 이렇게 발생되는 열을 이용하여 온수나 보일러 등에 이용되기도 하고 있다.
그러나 우리나라처럼 사계절이 뚜렷하고, 각 계절별로 기온차이가 심하여, 보일러의 운전 및 온수 사용이 시기별로 상이하게 되는 것이다. 또한 여름에 에어콘을 작동하고, 겨울철에 전기가열장치를 사용하며, 근래에는 전기주방요리를 많이 사용하는 등, 계절별 뿐만 아니라, 시간대별로도 사용되는 전력 및 열량의 차이가 많게 된다.
하지만 기존의 연료전지 시스템에서는 이와 같이 다양한 사용환경의 변화에 따라 알맞게 대처할 수 있는 제어방식이 제시되지 못하고 있는 것이다.
특히 각 계절별로 전력 또는 열량의 소모가 과다하거나 적게 됨에 따른 운전 비용이 산출되어야 할 것이다.
(문헌1) 대한민국 특허등록 제0812757호(연료전지 및 수전해조를 이용한 교육용 발전장치)
(문헌2) 대한민국 특허등록 제802571호(연료전지의 폐열을 이용한 냉난방 장치)
상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 본 발명은 사용되는 환경, 요구되는 전력량 및 요구되는 열량에 따라 필요로 하는 전력 및 열량을 예측하여 연료전지의 운전효율이 향상되도록 하는 목적이 있다.
특히 봄, 여름, 가을, 겨울의 전기와 열 에너지의 소비 패턴에 따라 이용하게 되는 부하별 운전조건에서 연료전지시스템의 운전비용을 분석하게 되는 것으로, 계절별 부하 패턴을 적용한 시스템 해석을 통해 계통 연계형 가정용 연료전지 시스템의구성품 모델링과 운전비용 절감을 위한 최적 운전방식을 결정할 수 있도록 하는 것이다.
그리하여 가정용 연료전지시스템의 비용에 따른 운전효율의 향상을 이루게 되고, 이에 따라 운전비용을 절감할 수 있도록 하는 목적이 있는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가정용 연료전지시스템은, 연료공급장치(13)의 연료가 개질기(12)을 통하여 공급되어 연료전지(11)에서 전기가 발전되도록 하는 연료전지시스템에 있어서, 개질기(12)와 연료전지(11)에서 발생된 열기에 의하여 가열된 온수가 담겨지는 온수탱크(14); 개질기(12)에서 발생된 열기에 의하여 온수가 가열되어 온수탱크(14)로 공급되도록 하기 위한 개질기열교환기(15); 연료전지(11)에서 발생된 열기에 의하여 온수가 가열되어 온수탱크(14)로 공급되도록 하기 위한 연료전지열교환기(16); 연료전지(11)에서 발생된 전기를 공급받는 가정용전기부하장치(25); 온수탱크(14)의 온수를 공급받는 가정용열부하장치(21); 연료전지(11)와 개질기(12)에서 발생되는 열량의 열량측정데이터와, 연료전지(11)에서 발생되는 전력의 전력측정데이터를 센서부(17)로부터 수신받아 제어하는 제어부(30)가 포함되어 구비되는 것을 특징으로 한다.
이에 온수탱크(14)의 온수가 가열되도록 하는 보조보일러(23); 온수탱크(14)의 온수가 냉각되도록 하는 냉각장치(22); 가정용전기부하장치(25)에 계통전력이 공급되도록 하는 계통전력공급장치(26)가 더 포함되어 구비될 수 있다.
또한 상기 제어부(30)는, 센서부(17)로부터 전송되는 열량측정데이터, 전력측정데이터를 수신받는 센서수신블록(32); 요구전력(Pd), 연료전지발전전력(Pfc), 연료전지발생열량(Qfc), 연료전지손실열량(Qfc_loss), 개질기발생열량(Qref), 개질기손실열량(Qref_loss)으로부터 발생총공급열량(Qtot), 편차열량(△Q), 연료전지운전비용(Cfc), 개질기운전비용(Cref), 냉각장치운전비용(Crej), 보조보일러운전비용(Cb), 전력추종운전비용(Ctot_p)을 연산하도록 하기 위한 전기추종제어연산엔진(33); 요구열량(Qd), 연료전지발생열량(Qfc), 연료전지발전전력(Pfc), 연료전지손실전력(Pfc_loss)으로부터 발생총공급전력(Ptot), 편차전력(△P), 계통전력(Pgrid), 연료전지운전비용(Cfc), 계통전력공급비용(Cgrid), 열추종운전비용(Ctot_q)을 연산하도록 하기 위한 열추종제어연산엔진(34); 요구전력(Pd), 연료 전지발전전력(Pfc), 연료전지손실전력(Pfc_loss), 발생총공급전력(Ptot), 편차전력(△P), 계통전력(Pgrid)에 대한 데이터가 저장되도록 하는 전력데이터저장부(35); 요구열량(Qd), 연료전지발생열량(Qfc), 연료전지손실열량(Qfc_loss), 개질기발생열량(Qref), 개질기손실연량(Qref_loss), 발생총공급열량(Qtot), 편차열량(△Q)에 대한 데이터가 저장되도록 하는 열량데이터저장부(36); 연료전지운전비용(Cfc), 개질기운전비용(Cref), 냉각장치운전비용(Crej), 보조보일러운전비용(Cb), 계통전력공급비용(Cgrid), 전력추종운전비용(Ctot_p), 열추종운전비용(Ctot_q)에 대한 데이터가 저장되도록 하는 운전비용데이터저장부(37); 상기 센서수신블록(32)으로부터 센서데이터를 수신받고, 전력데이터저장부(35), 열량데이터저장부(36), 운전비용데이터저장부(37)에 저장된 데이터를 통하여 전기추종제어연산엔진(33), 열추종제어연산엔진(34)에서 연산처리되도록 제어하는 메인컨트롤러(31)가 포함되어 구비될 수 있다.
나아가 상기 센서부(17)는, 연료전지(11)에 설치되어 연료전지(11)에서 발생되는 열량을 감지하도록 하는 연료전지열감지센서(171); 개질기(12)에 설치되어 개질기(12)에서 발생되는 열량을 감지하도록 하는 개질기열감지센서(172); 개질기열교환기(15)에 설치되어 개질기열교환기(15)에서 발생되는 열량을 감지하도록 하는 개질기열교환기열감지센서(173); 연료전지열교환기(16)에 설치되어 연료전지열교환기(16)에서 발생되는 열량을 감지하도록 하는 연료전지열교환기열감지센서(174); 연료전지(11)에 설치되어 연료전지(11)에서 발생되는 전력을 감지하도록 하는 연료 전지전력감지센서(175)가 포함되어 구비될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명은 사용되는 환경, 요구되는 전력량 및 요구되는 열량에 따라 필요로 하는 전력 및 열량을 예측하여 연료전지의 운전효율이 향상되도록 하는 탁월한 효과가 있다.
특히 봄, 여름, 가을, 겨울의 전기와 열 에너지의 소비 패턴에 따라 이용하게 되는 부하별 운전조건에서 연료전지시스템의 운전비용을 분석하게 되는 것으로, 계절별 부하 패턴을 적용한 시스템 해석을 통해 계통 연계형 가정용 연료전지 시스템의 구성품 모델링과 운전비용 절감을 위한 최적 운전방식을 결정할 수 있도록 하는 것이다.
그리하여 가정용 연료전지시스템의 비용에 따른 운전효율의 향상을 이루게 되고, 이에 따라 운전비용을 절감할 수 있도록 하는 장점이 있는 것이다.
이하 첨부되는 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 가정용 연료전지시스템에 대한 시스템 구성도, 도 2는 본 발명에 따른 가정용 연료전지시스템의 제어부에 대한 구성도, 도 3은 본 발명에 따른 가정용 연료전지시스템의 제어블럭도, 그리고 도 4는 본 발명에 따른 가정용 연료전지시스템의 제어순서도가 각각 도시된 것이다.
즉 본 발명에 따른 가정용 연료전지시스템(10) 및 그 제어방법은 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 연료공급장치(13)의 연료가 개질기(12)을 통하여 공급되어 연료전지(11)에서 전기가 발전되도록 하는 가정용 연료전지시스템(10)에 관한 것이다.
이러한 가정용 연료전지시스템(10)에는 개질기(12)와 연료전지(11)에서 발생된 열기에 의하여 가열된 온수가 담겨지는 온수탱크(14); 개질기(12)에서 발생된 열기에 의하여 온수가 가열되어 온수탱크(14)로 공급되도록 하기 위한 개질기열교환기(15); 연료전지(11)에서 발생된 열기에 의하여 온수가 가열되어 온수탱크(14)로 공급되도록 하기 위한 연료전지열교환기(16), 그리고 연료전지(11)와 개질기(12)에서 발생되는 열량의 열량측정데이터와, 연료전지(11)에서 발생되는 전력의 전력측정데이터를 센서부(17)로부터 수신받아 제어하는 제어부(30) 등이 포함되어 구비되는 것이다. 도 1에서 연료전지주변장치는 연료전지 가동에 필요한 압축기, 펌프 등 주변장치로 전기를 사용하게 되고, 개질기주변장치는 개질기 가동에 필요한 압축기, 펌프 등 주변장치로 전기를 사용하게 된다.
그리고 연료전지(11)에서 발생된 전기를 공급받는 가정용전기부하장치(25); 온수탱크(14)의 온수를 공급받는 가정용열부하장치(21)가 구비되는 것으로, 가정에서 이용되는 각종 전자제품에 가정용전기부하장치(25)에서 전력이 공급되고, 보일러나 온수흐름계통으로 가정용열부하장치(21)에서 온수가 공급되게 되는 것이다.
따라서 가정에서는 이러한 가정용전기부하장치(25)와 가정용열부하장치(21) 로부터 전력과 온수를 공급받기 때문에 한전과 같은 외부적력공급수단인 계통전력의 소모가 적어지게 되고, 또한 도시가스나 기름을 이용한 보일러장치가 필요하지 않게 되는 것이다. 즉 본 발명에 따른 가정용 연료전지시스템(10)에 의하여 전기와 함께 온수를 공급받아 사용할 수 있으므로 더욱 편리하게 이용이 가능한 것이다.
그리고 이와 함께 연료전지(11)에 의하여 가열된 온수가 저장되는 온수탱크(14)의 온수가 너무 고온으로 되면 연료전지(11) 작동을 위해서 온도를 낮춰야 하고, 반대로 온수탱크(14)의 온수 온도가 너무 낮은 온도로 될 경우 가정에서 그대로 사용할 수 없어 가열해야 한다. 이와 같은 보조장치(24)로는, 온수탱크(14)의 온수가 가열되도록 하는 보조보일러(23), 그리고 온수탱크(14)의 온수가 냉각되도록 하는 냉각장치(22)가 더 마련될 수 있다.
또한 전력의 경우에도 연료전지(11)에서 발생되는 전력이 가정에서 소요되는 전력보다 약할 경우에는 가정용전기부하장치(25)에 계통전력이 공급되도록 하는 계통전력공급장치(26)가 더 구비되는 것이다. 반대로 연료전지(11)에서 발생되는 전력이 가정의 요구전력보다 클 경우에는 계통으로 역전송이 가능하도록 마련될 수도 있는 것으로, 이처럼 계통으로의 역전송 구조는 통상의 방식에 의하여 적용될 수도 있을 것이다. 또한 일정 정도는 충전되어 사용할 수도 있고, 분리가 가능한 배터리의 충전에 사용되도록 하여, 전기자동차 등의 전력동력원으로 이용할 수도 있도록 마련될 수 있을 것이다.
이와 같이 마련되는 본 발명에 따른 가정용 연료전지시스템(10)에 의하면, 겨울철에는 전력소모의 비중보다, 온수나 난방의 비중이 크게 되므로, 가정용 연료전지시스템(10)의 운전이 온수탱크(14)에 저장되는 온수의 관리를 주안점으로 하여 운전하게 된다.
반면 여름철에는 에어콘을 많이 사용하게 되고, 기타 겨울철이 아닌 계절에는 주료 전력의 소모가 많게 되므로 전력소모를 주요 관리의 주안점으로 하여 운전하게 되는 것이다.
특히 야간의 경우에는 전기 조리기구, 전열기, 야간 조명등이 일시에 작동될 경우 상당량의 전력이 소모될 수 있으므로, 하루를 중심으로 하여도 시간별로 하여 전력관리가 필요하게 될 것이다.
대체로 전력소모 및 온수의 사용 등은 사용되는 전기장치 및 온수사용량 등에 의하여 추정될 수 있는 것으로, 이처럼 예상되는 전력소모의 양 및 온수소모양을 추정하여 이를 적극 반영할 수 있으며, 이에 본 발명에 따른 가정용 연료전지시스템에서는, 전력소모를 주안점으로 하여 운전 예측 관리를 하도록 하는 전력추적제어와 함께, 온수소모를 주안점으로 하여 운전 예측 관리를 하도록 하는 열추적제어를 수행하도록 하여, 전력소모 및 온수소모에 알맞게 하여 운전되도록 하는 것이다.
특히 전력추적제어와 열추적제어를 함께 시행하여 나타난 예상추적운전비용을 산출하여, 전력추적제어로 인한 연료전지운전비용과, 열추적제어로 인한 연료전지운전비용을 함께 산출 후, 이를 비교하여, 어느 추적 제어방식으로 운전함이 좋은지를 선택할 수 있는 통합추적제어방식이 제공될 수 있는 것이다.
이와 같이 전력추적제어, 열추적제어 및 통합추적제어는 제어부(30)에서 연산처리되는 것으로, 이를 위하여 연료전지(11), 개질기(12), 개질기열교환기(15), 연료전지열교환기(16), 온수탱크(14) 등의 발열량을 감지하고, 연료전지(11)에서 발생되는 전력을 감지하는 센서부(17)가 더 구비되는 것이다.
그리고 가정에 설치된 전자제품 및 전자구성 등에 의한 요구전력, 가정에서 필요하게 되는 요구열량 등이 앞서 산출되어야 할 것이다. 이는 각 전자제품 및 온수 계통에서 사용되는 시간 및 필요량 등에 의하여 산출될 수 있는 것으로, 설치된 상황에 따라 다소 차이가 발생될 수 있는 것이므로, 각 가정에 알맞게 적용될 수 있을 것이다.
이와 같은 요구전력, 요구열량, 그리고 이에 따른 연료전지에서 발생되는 전력, 그리고 개질기 및 연료전지에서 발생되는 열량, 이와 함께 연료전지, 개질기 등에서 온수탱크나 가정전력계 등에 이르기 전까지의 손실되는 열량 및 전력 등을 함께 하여 전력추종제어, 열추종제어 및 통합추정제어가 연산될 것이다.
이를 위한 세부적인 상기 제어부(30)가 구성될 수 있는 것으로, 센서부(17)로부터 전송되는 열량측정데이터, 전력측정데이터를 수신받는 센서수신블록(32); 요구전력(Pd), 연료전지발전전력(Pfc), 연료전지발생열량(Qfc), 연료전지손실열량(Qfc_loss), 개질기발생열량(Qref), 개질기손실열량(Qref_loss)으로부터 발생총공급열량(Qtot), 편차열량(△Q), 연료전지운전비용(Cfc), 개질기운전비용(Cref), 냉각장치운전비용(Crej), 보조보일러운전비용(Cb), 전력추종운전비용(Ctot_p)을 연 산하도록 하기 위한 전기추종제어연산엔진(33); 요구열량(Qd), 연료전지발생열량(Qfc), 연료전지발전전력(Pfc), 연료전지손실전력(Pfc_loss)으로부터 발생총공급전력(Ptot), 편차전력(△P), 계통전력(Pgrid), 연료전지운전비용(Cfc), 계통전력공급비용(Cgrid), 열추종운전비용(Ctot_q)을 연산하도록 하기 위한 열추종제어연산엔진(34), 그리고 상기 센서수신블록(32)으로부터 센서데이터를 수신받고, 전력데이터저장부(35), 열량데이터저장부(36), 운전비용데이터저장부(37)에 저장된 데이터를 통하여 전기추종제어연산엔진(33), 열추종제어연산엔진(34)에서 연산처리되도록 제어하는 메인컨트롤러(31)가 더 마련될 수 있을 것이다.
이와 함께 각종 데이터가 저장되는 데이터저장부의 경우에는, 요구전력(Pd), 연료전지발전전력(Pfc), 연료전지손실전력(Pfc_loss), 발생총공급전력(Ptot), 편차전력(△P), 계통전력(Pgrid)에 대한 데이터가 저장되도록 하는 전력데이터저장부(35); 요구열량(Qd), 연료전지발생열량(Qfc), 연료전지손실열량(Qfc_loss), 개질기발생열량(Qref), 개질기손실연량(Qref_loss), 발생총공급열량(Qtot), 편차열량(△Q)에 대한 데이터가 저장되도록 하는 열량데이터저장부(36); 연료전지운전비용(Cfc), 개질기운전비용(Cref), 냉각장치운전비용(Crej), 보조보일러운전비용(Cb), 계통전력공급비용(Cgrid), 전력추종운전비용(Ctot_p), 열추종운전비용(Ctot_q)에 대한 데이터가 저장되도록 하는 운전비용데이터저장부(37) 등이 포함되어 구비될 수 있을 것이다.
또한 상기 센서부(17)는, 연료전지(11)에 설치되어 연료전지(11)에서 발생되는 열량을 감지하도록 하는 연료전지열감지센서(171); 개질기(12)에 설치되어 개질 기(12)에서 발생되는 열량을 감지하도록 하는 개질기열감지센서(172); 개질기열교환기(15)에 설치되어 개질기열교환기(15)에서 발생되는 열량을 감지하도록 하는 개질기열교환기열감지센서(173); 연료전지열교환기(16)에 설치되어 연료전지열교환기(16)에서 발생되는 열량을 감지하도록 하는 연료전지열교환기열감지센서(174); 연료전지(11)에 설치되어 연료전지(11)에서 발생되는 전력을 감지하도록 하는 연료전지전력감지센서(175) 등이 포함되어 마련될 수 있을 것이다.
이와 같이 마련되는 본 발명에 따른 가정용 연료전지시스템의 운전제어방법을 살펴보면 다음과 같다.
우선 가정에서 소요되는 요구전력(Pd)을 연산하는 요구전력연산단계(S01)와 가정에서 소요되는 요구열량(Qd)을 연산하는 요구열량연산단계(S02)가 수행되어, 가정에서 필요하게 되는 요구전력과 요구열량을 산출하게 된다.
물론 이러한 요구전력과 요구열량의 산출은 필요에 따라 다양한 방식에 의하여 연산될 수 있는 것으로 사용자가 수기로 하여 연산할 수도 있고, 전문 연산엔진에 의하여 연산될 수도 있는 것이다. 따라서 이러한 요구전력 및 요구열량 연산단계가 추가되거나 배제된다 하여도 본 발명의 권리 범위 내에 있음은 당연한 것이다.
다음으로 상기 요구전력연산단계(S01)와 요구열량연산단계(S02)에 의하여 연산된 요구전력(Pd)과 요구열량(Qd)에 따라 연료전지(11)에서 발전하게 되는 연료전지발전전력(Pfc)을 연산하는 발전전력연산단계(S03)를 수행하게 된다.
또한 상기 요구전력연산단계(S01)와 요구열량연산단계(S02)에 의하여 연산된 요구전력(Pd)과 요구열량(Qd)에 따라 연료전지(11) 및 개질기(12)에서 발생되는 연료전지발생열량(Qfc) 및 개질기발생열량(Qref)을 연산하는 발생열량연산단계(S04)를 수행하게 된다.
이처럼 요구전력 및 요구열량에 따라 연료전지(11)에서의 알맞은 운전 상태를 정하여 연산하게 되는 것으로, 각 계절별, 시간별로 발생되는 열량 및 전력의 양이 변동될 수 있는 것이다.
이후 요구전력(Pd), 연료전지발생열량(Qfc), 개질기발생열량(Qref)으로부터 연료전지운전비용(Cfc), 개질기운전비용(Cref), 냉각장치운전비용(Crej), 보조보일러운전비용(Cb)에 따른 전력추종운전비용(Ctot_p)을 연산하는 전기추종제어연산단계(S05)가 수행되어, 전력 주요 소모에 따른 열량 및 이러한 운전에 의한 운전비용 등을 산출하게 된다.
또한 요구열량(Qd), 연료전지발전전력(Pfc)으로부터 연료전지운전비용(Cfc), 계통전력공급비용(Cgrid)에 따른 열추종운전비용(Ctot_q)을 연산하는 열추종제어연산단계(S06)가 수행되어, 열량 주요 소모에 따른 전력 및 이러한 운전에 따른 운전비용을 산출하게 된다.
이후 상기 전기추종제어연산단계(S05)의 전력추종운전비용(Ctot_p)과 상기 열추종제어연산단계(S06)의 열추종운전비용(Ctot_q)을 비교/판별하여 전기추종제어 또는 열추종제어 중 어느 한 가지의 추종제어로 연료전지시스템이 제어되도록 하는 추종제어판별단계(S07)가 수행되는 것으로, 결국 계절별, 시기별로 적절하게 운전 할 수 있는 것이 어느 제어방식인지를 판별하게 된다. 따라서 비용이 적게 소요되는 운전방식으로 하여 운전할 수 있도록 함으로써 가정용 연료전지시스템에서 운전에 소요되는 비용을 적게함과 함께 운전상태도 최적으로 이뤄지도록 하는 것이다.
좀더 상세한 단계를 살펴보면, 상기 전기추종제어연산단계(S05)는, 연료전지(11)에서 발생된 열량이 가정용열부하장치(21)에 이르기까지의 과정 중에 손실되는 연료전지손실열량(Qfc_loss)을 연산하는 연료전지손실열량연산단계(S051)가 수행된다. 이는 연료전지(11)에서 발생된 열량이 온수탱크(14) 또는 가정용열부하장치(21)에 이르기까지 손실되는 열량을 연산하게 된다. 연산방법으로는 온수 흐름을 추적하여 연산하는 방식과, 연료전지(11), 가정용열부하장치(21), 온수탱크(14) 등에 설치된 열감지센서에 의하여 감지된 감지데이터를 이용하여 연산할 수도 있을 것이다.
또한 개질기(12)에서 발생된 열량이 가정용열부하장치(21)에 이르기까지의 과정 중에 손실되는 개질기손실열량(Qref_loss)을 연산하는 개질기손실열량연산단계(S052)가 수행된다. 개질기(12)에서의 손실열량 연산도, 상기 연료전지(11)에서의 손실연산과 동일하게 적용될 수 있을 것이다.
그리고 연료전지발생열량(Qfc)과 개질기발생열량(Qref)에서 연료전지손실열량(Qfc_loss)와 개질기손실열량(Qref_loss)을 제외한 발생총공급열량(Qtot)을 연산하는 발생총공급열량연산단계(S053)가 수행된다. 따라서 전체 가정용 연료전지시스템(10)에 있어서, 전력 추전 중심으로 작동될 경우, 발생될 수 있는 총 열량을 연 산하게 된다.
그리고 발생총공급열량(Qtot) 중에서 가정에서 요구되는 요구열량(Qd)을 제외한 편차열량(△Q)을 연산하는 편차열량연산단계(S054)를 수행하여, 잉여열량이 있는지, 또는 열량이 모자란지를 판별할 수 있는 것이다.
따라서 편차열량(△Q)에 의하여 냉각장치(22) 또는 보조보일러(23)의 보조장치(24)가 작동되도록 하는 보조장치작동단계(S055)가 수행된다.
즉 상기 보조장치작동단계(S055)는, 편차열량(△Q)의 값이 "0"보다 큰 값이면 냉각장치(22)가 작동되도록 하거나, 편차열량(△Q)의 값이 "0"보다 작은 값이면 보조보일러(23)가 작동되도록 구비되는 것이다.
이후 연료전지(11)의 운전에 소요되는 연료전지운전비용(Cfc), 개질기(12) 운전에 소요되는 개질기운전비용(Cref), 냉각장치(22)의 운전에 소용되는 냉각장치운전비용(Crej), 보조보일러(23)의 운전에 소요되는 보조보일러운전비용(Cb)을 연산하고, 이들의 합인 전력추종운전비용(Ctot_p)을 연산하는 전기추종비용연산단계(S056)가 수행되는 것이다.
다음으로 상기 열추종제어연산단계(S06)의 세부단계를 살펴보면, 연료전지(11)에서 발생된 전력이 가정용전기부하장치(25)에 이르기까지의 과정 중에 손실되는 연료전지손실전력(Pfc_loss)을 연산하는 연료전지손실전력연산단계(S061)가 수행되는 것으로, 연료전지(11)에서 발생된 전력이 가정용전기부하장치(25)에 이르는 과정 중에 손실되는 양을 산출하게 된다. 마찬가지로 전송흐름 계통에 의하여 산출되는 방식과, 연료전지(11) 및 가정용전기부하장치(25)에 설치된 센서에 의한 감지방식 등에 의하여 연산될 수도 있는 것이다.
그리고 연료전지발생전력(Pfc)에서 연료전지손실전력(Pfc_loss)을 제외한 발생총공급전력(Ptot)을 연산하는 발생총공급전력연산단계(S062)가 수행되고, 또한 발생총공급전력(Ptot) 중에서 가정에서 요구되는 요구전력(Pd)을 제외한 편차전력(△P)을 연산하는 편차전력연산단계(S063)가 수행되어, 잉여전력이 있는지, 전력이 모자라는지 여부를 판별하게 된다.
이후 편차전력(△P)에 의하여 계통전력공급장치(26)로부터 계통전력(Pgrid)가 공급되도록 계통전력공급단계(S064)가 수행된다.
즉 상기 계통전력공급단계(S064)는, 편차전력(△P)의 값이 "0"보다 큰 값이면 계통전력공급장치(26) 측으로 잉여전력이 공급되도록 하고, 편차전력(△P)의 값이 "0"보다 작은 값이면 계통전력공급장치(26) 측으로부터 계통전력(Pgrid)을 공급받도록 구비되는 것이다.
그리고 연료전지(11)의 운전에 소요되는 연료전지운전비용(Cfc), 계통전력공급에 소요되는 계통전력소요비용(Cgrid)을 연산하고, 이들의 합인 열추종운전비용(Ctot_q)을 연산하는 열추종비용연산단계(S065)가 수행된다.
이처럼 다수의 단계에 의하여 연산되는 추적 과정을 통하여 전력 소모 중심으로 하여 운전될 경우 발생되는 열량이 잉여상태인지 부족상태인지 여부를 판별하게 되고, 또한 열량 소모 중심으로 하여 운전될 경우 발생되는 전력이 잉여상태인지 부족상태인지를 함께 판별하게 되는 것이다.
특히 이러한 과정에 따라 운전함에 있어서, 각각의 운전비용을 산출후 비교하여, 더욱 적은 비용으로 운전될 수 있는 제어방식으로 운전되도록 하여, 효율향상과 함께 비용도 절약되도록 하는 것이다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 일실시예를 기재한 것이므로, 상기 실시예의 기재에 의하여 본 발명의 기술적 사상이 제한적으로 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명에 따른 가정용 연료전지시스템에 대한 시스템 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 가정용 연료전지시스템의 제어부에 대한 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 가정용 연료전지시스템의 제어블럭도.
도 4는 본 발명에 따른 가정용 연료전지시스템의 제어순서도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 가정용 연료전지시스템
11 : 연료전지 12 : 개질기
13 : 연료공급장치 14 : 온수탱크
15 : 개질기열교환기 16 : 연료전지열교환기
17 : 센서부 21 : 가정용열부하장치
22 : 냉각장치 23 : 보조보일러
24 : 보조장치 25 : 가정용전기부하장치
26 : 계통전력공급장치
30 : 제어부 31 : 메인컨트롤러
32 : 센서수신블록 33 : 전기추종제어연산엔진
34 : 열추종제어연산엔진

Claims (4)

  1. 연료공급장치(13)의 연료가 개질기(12)을 통하여 공급되어 연료전지(11)에서 전기가 발전되도록 하는 연료전지시스템에 있어서,
    개질기(12)와 연료전지(11)에서 발생된 열기에 의하여 가열된 온수가 담겨지는 온수탱크(14);
    개질기(12)에서 발생된 열기에 의하여 온수가 가열되어 온수탱크(14)로 공급되도록 하기 위한 개질기열교환기(15);
    연료전지(11)에서 발생된 열기에 의하여 온수가 가열되어 온수탱크(14)로 공급되도록 하기 위한 연료전지열교환기(16);
    연료전지(11)에서 발생된 전기를 공급받는 가정용전기부하장치(25);
    온수탱크(14)의 온수를 공급받는 가정용열부하장치(21);
    연료전지(11)와 개질기(12)에서 발생되는 열량의 열량측정데이터와, 연료전지(11)에서 발생되는 전력의 전력측정데이터를 센서부(17)로부터 수신받아 제어하는 제어부(30);
    가 포함되어 구비되는 것을 특징으로 하는 가정용 연료전지시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    온수탱크(14)의 온수가 가열되도록 하는 보조보일러(23);
    온수탱크(14)의 온수가 냉각되도록 하는 냉각장치(22);
    가정용전기부하장치(25)에 계통전력이 공급되도록 하는 계통전력공급장치(26)가 더 포함되어 구비되는 것을 특징으로 하는 가정용 연료전지시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부(30)는,
    센서부(17)로부터 전송되는 열량측정데이터, 전력측정데이터를 수신받는 센서수신블록(32);
    요구전력(Pd), 연료전지발전전력(Pfc), 연료전지발생열량(Qfc), 연료전지손실열량(Qfc_loss), 개질기발생열량(Qref), 개질기손실열량(Qref_loss)으로부터 발생총공급열량(Qtot), 편차열량(△Q), 연료전지운전비용(Cfc), 개질기운전비용(Cref), 냉각장치운전비용(Crej), 보조보일러운전비용(Cb), 전력추종운전비용(Ctot_p)을 연산하도록 하기 위한 전기추종제어연산엔진(33);
    요구열량(Qd), 연료전지발생열량(Qfc), 연료전지발전전력(Pfc), 연료전지손실전력(Pfc_loss)으로부터 발생총공급전력(Ptot), 편차전력(△P), 계통전력(Pgrid), 연료전지운전비용(Cfc), 계통전력공급비용(Cgrid), 열추종운전비용(Ctot_q)을 연산하도록 하기 위한 열추종제어연산엔진(34);
    요구전력(Pd), 연료전지발전전력(Pfc), 연료전지손실전력(Pfc_loss), 발생총공급전력(Ptot), 편차전력(△P), 계통전력(Pgrid)에 대한 데이터가 저장되도록 하 는 전력데이터저장부(35);
    요구열량(Qd), 연료전지발생열량(Qfc), 연료전지손실열량(Qfc_loss), 개질기발생열량(Qref), 개질기손실연량(Qref_loss), 발생총공급열량(Qtot), 편차열량(△Q)에 대한 데이터가 저장되도록 하는 열량데이터저장부(36);
    연료전지운전비용(Cfc), 개질기운전비용(Cref), 냉각장치운전비용(Crej), 보조보일러운전비용(Cb), 계통전력공급비용(Cgrid), 전력추종운전비용(Ctot_p), 열추종운전비용(Ctot_q)에 대한 데이터가 저장되도록 하는 운전비용데이터저장부(37);
    상기 센서수신블록(32)으로부터 센서데이터를 수신받고, 전력데이터저장부(35), 열량데이터저장부(36), 운전비용데이터저장부(37)에 저장된 데이터를 통하여 전기추종제어연산엔진(33), 열추종제어연산엔진(34)에서 연산처리되도록 제어하는 메인컨트롤러(31);
    가 포함되어 구비되는 것을 특징으로 하는 가정용 연료전지시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 센서부(17)는,
    연료전지(11)에 설치되어 연료전지(11)에서 발생되는 열량을 감지하도록 하는 연료전지열감지센서(171);
    개질기(12)에 설치되어 개질기(12)에서 발생되는 열량을 감지하도록 하는 개질기열감지센서(172);
    개질기열교환기(15)에 설치되어 개질기열교환기(15)에서 발생되는 열량을 감지하도록 하는 개질기열교환기열감지센서(173);
    연료전지열교환기(16)에 설치되어 연료전지열교환기(16)에서 발생되는 열량을 감지하도록 하는 연료전지열교환기열감지센서(174);
    연료전지(11)에 설치되어 연료전지(11)에서 발생되는 전력을 감지하도록 하는 연료전지전력감지센서(175);
    가 포함되어 구비되는 것을 특징으로 하는 가정용 연료전지시스템.
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