KR101095275B1

KR101095275B1 - 연료 전지 시스템 보호 장치 및 보호 방법

Info

Publication number: KR101095275B1
Application number: KR1020100016627A
Authority: KR
Inventors: 최청훈; 원찬희; 전희권
Original assignee: 지에스칼텍스 주식회사
Priority date: 2010-02-24
Filing date: 2010-02-24
Publication date: 2011-12-20
Also published as: KR20110097020A

Abstract

본 발명은 연료 전지 시스템의 운전 중에 계통에 일시적인 장애가 발생한 경우, 연료 전지 시스템을 정지하였다가 재가동함에 따른 에너지의 손실, 가동률 저하 및 운전 효율 등을 최소화할 수 있도록 하는 연료 전지 시스템 보호 장치 및 보호 방법을 제공하고자 하는 것으로, 외부에서 연료를 공급하는 연료 공급원, 상기 공급되는 연료로부터 화학 반응을 통해 수소를 발생시키는 연료 처리부, 상기 연료 처리부에서 발생된 수소와 산소를 반응시켜 직류 전력을 생성하는 스택부, 상기 스택부에서 생성된 직류전력을 소정의 교류전력으로 변환하는 인버터부, 상기 인버터부의 출력 교류전력으로 구동되는 계통부, 상기 계통부 또는 상기 인버터의 오류를 검출하여 일시 오류인지 계통 이상인지 구분하는 신호를 생성하는 계통상태 감시부와 상기 판별 결과 지속 오류인 경우 상기 계통상태 감시부로부터 상기 인버터에 입력되는 전력을 차단하기 위한 차단 제어 신호를 생성하는 차단 제어기를 포함하는 제어부 및 상기 차단 제어기의 차단 제어 신호에 따라 상기 스택부로부터 상기 인버터에 공급되는 전력을 차단하거나 공급하는 인버터 차단기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료 전지 시스템 보호 장치 및 보호 방법{Apparatus and method for controlling fuel cell system}

본 발명은 연료 전지 시스템 보호 장치 및 보호 방법 에 관한 것으로, 구체적으로 계통의 상태와 연계하여 동작하는 연료 전지 시스템 보호 장치 및 보호 방법에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 기존의 발전방식과 비교할 때 발전 효율이 높을 뿐만 아니라 발전에 따른 공해 물질의 배출이 전혀 없어서 미래의 발전 기술로 평가 받고 있으며 다양한 연료를 사용할 수 있어 미래의 전지로 각광받고 있다.

이와 같은 연료전지는 수소 등의 활성을 갖는 물질, 예를 들어 LNG, LPG, 메탄올 등을 전기화학 반응을 통해 산화시켜 그 과정에서 방출되는 화학에너지를 전기로 변환시키는 것으로, 주로 천연가스에 쉽게 생산해 낼 수 있는 수소와 공중의 산소가 사용된다.

이에 대한 각각의 양극과 음극에서의 화학반응은 다음과 같다.

양극반응:

음극반응:

총반응식:

이러한 연료전지의 개발에 따라 에너지 절약과 환경 공해 문제 그리고 최근에 부각되고 있는 지구 온난화 문제 등을 해결하기 위하여 내연기관을 대체하기 위한 동력 시스템이 개발되고 있다.

이와 같이 연료전지를 동력원으로 사용하는 동력 시스템은 첨부된 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 수소 등의 활성을 갖는 물질, 예를 들어 LNG, LPG, 메탄올 등의 연료를 공급하는 연료 공급원(10a)과 공급되는 연료를 화학 반응시켜 수소(H2)를 발생시키는 리포머(10b) 및 리포머(10b)에서 발생되는 수소(H2)를 공급받아 전기 에너지를 생성시켜 축적하는 스택(10c)를 포함하여 구성되는 연료전지(10)와, 상기 연료전지(10)의 출력단에 연결되어 부하측으로 공급되는 전기적 에너지를 일정 전압으로 안정되게 출력되도록 조절하는 단방향 DC/DC 컨버터(20)와, 상기 단방향 DC/DC 컨버터(20)의 출력단에 연결되어 모터(50) 거동에 필요한 동력을 보조하고, 모터(50)의 제동 시 회생 에너지를 회수하여 충전하는 배터리(30)와, 상기 DC/DC 컨버터(20)로부터 공급되는 전압을 삼상으로 처리한 다음 도시되지 않은 상위 프로세서에서 공급되는 제어신호에 따라 모터(50)의 거동을 제어하는 인버터(40)로 구성된다.

상기한 바와 같은 구성에서 부하인 모터(50)는 DC/DC 컨버터(20)를 통해 전압 조절되어 공급되는 연료전지(10)의 전원을 주 동력원으로 공급받아 거동되고, 배터리(30)의 전원은 보조 동력원으로서 주 동력원인 연료전지(10)를 보조하는 기능을 담당하며, 제동 시 모터(50)의 제동 회생 에너지를 회수하여 충전한다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 연료전지 시스템은 전체적인 시스템 보호가 이루어져야 하지만 무엇보다도 연료전지의 스택 보호는 필수적이다.

특히, DC/DC 컨버터는 캐패시터로 이루어지므로, 전원과 직접 연결하여 사용하는 경우 캐패시터에 치명적인 영향을 초래하게 되며, 갑작스런 부하 변동이 발생하는 경우 충전전류를 제한할 필요가 있다.

도2는 보호장치가 장착된 연료전지 시스템이 제공되고 있는데, 수소 등의 활성을 갖는 물질 예를 들어 LNG, LPG, 메탄올 등의 연료를 공급하는 연료 공급원(10a)과 공급되는 연료를 화학 반응시켜 수소(H2)를 발생시키는 리포머(10b) 및 리포머(10b)에서 발생되는 수소(H2)를 공급받아 전기 에너지를 생성시켜 축적하는 스택(10c)를 포함하여 구성되는 연료전지(10)와, 상기 연료전지(10)의 출력단에 연결되어 부하측으로 공급되는 전기적 에너지를 일정 전압으로 안정되게 출력되도록 조절하는 단방향 DC/DC 컨버터(20)와, 상기 단방향 DC/DC 컨버터(20)의 출력단에 연결되어 모터(50) 거동에 필요한 동력을 보조하고, 모터(50)의 제동 시 회생 에너지를 회수하여 충전하는 배터리(30)와, 상기 DC/DC 컨버터(20)로부터 공급되는 전압을 삼상으로 처리한 다음 도시되지 않은 상위 프로세서에서 인가되는 제어신호에 따라 모터(50)의 거동을 제어하는 인버터(40)와, 상기 연료전지(10)와 DC/DC 컨버터(20)의 사이에 연결되며, 갑작스런 시스템 부하의 급상승이나 시스템 일부 부품의 고장으로 인한 시스템 오프 시 도시되지 않은 상위 프로세서에서 인가되는 제어신호에 따라 내부의 릴레이(SW1)(SW2)접점을 오프시켜 연료전지(10)의 전압, 전류가 부하측으로 공급되는 것을 차단시키는 제1SDU (Safety Disconnect Unit: 60a)와, 상기 DC/DC 컨버터(20)와 보조 동력원인 배터리(30)의 사이에 연결되어, 갑작스런 시스템 부하의 급상승이나 시스템 일부 부품의 고장으로 인한 시스템 오프 시 도시되지 않은 상위 프로세서에서 인가되는 제어신호에 따라 내부의 릴레이(SW3)(SW4)접점을 오프시켜 배터리(10)의 전압, 전류가 부하측으로 공급되는 것을 차단시키는 제2SDU(60b)를 포함하여 구성된다.

상기의 보호장치가 장착된 연료전지 시스템의 동작은 다음과 같다.

시스템이 구동되면 제1SDU(60a) 및 제2SDU(60b)의 내부 릴레이(SW1-SW4) 접점이 상위 프로세서에서 인가되는 제어신호에 의해 온 상태를 유지하게 되므로, 연료전지(10)에서 출력되는 소정의 전압, 전류는 제1SDU(60a)를 통해 DC/DC 컨버터(20)에 공급되므로 DC/DC 컨버터(20)는 공급되는 전기적 에너지를 일정 전압으로 안정되게 출력되도록 조절한 다음 인버터(40)에 공급한다.

인버터(40)는 상기 DC/DC 컨버터(20)로부터 공급되는 전압을 삼상으로 처리한 다음 도시되지 않은 상위 프로세서에서 인가되는 제어신호에 따라 모터(50)의 거동을 제어하여 필요로 하는 동력이 발생되도록 한다.

상기와 같이 연료전지(10)에서 공급되는 전류, 전압에 의해 모터(50)의 거동이 수행되는 상태에서 배터리(30)는 연료전지(10)에서 출력되는 전류, 전압이 불안정한 경우 보조 동력을 공급하여 모터(50)의 거동이 안정되게 유지하여 준다.

상기와 같이 모터(50)가 거동되는 상태에서 갑작스런 시스템 부하의 급상승이나 시스템 일부 부품의 고장으로 인한 시스템 오프가 발생하여 도시되지 않는 상위 프로세서에 검출되는 경우 상위 프로세서는 제1SDU(60a) 및 제2SDU(60b)측에 제어신호를 출력하여 내부 릴레이(SW1-SW4)의 접점을 오프시켜 연료전지(10) 및 배터리(30)의 전압, 전류가 부하측으로 공급되는 것을 차단시켜 시스템을 보호하여 준다.

그런데 상기와 같은 연료 전지 시스템의 경우, 연료 전지에서 출력되는 전류, 전압이 불안정한 경우 배터리에서 보조 동력을 부하에 공급하는 것과 시스템이 불안정한 경우, 연료전지 및 배터리의 전압, 전류가 부하측으로 공급되는 것을 차단하는 것에 중점을 두는 것으로 이를 정리하면 시스템의 이상 시 시스템의 운전을 정지하는 것에 중점을 두고 있다.

그러나 부하측에 일시적인 장애가 발생한 경우, 전체 시스템을 정지하거나 부하에 공급되는 스택의 직류 전력을 차단하는 것은 비효율적일 뿐만 아니라 스택에 잔류된 전력에 의해 스택에 악영향을 미친다.

이를 구체적으로 살펴보면,

도3은 종래기술에 따른 연료전지 시스템의 운전 방법에 관한 것으로 수소가 아닌 연료를 공급받아 개질해서 수소를 생성하는 방식을 적용한 연료전지는 수소가 나오기 까지는 일정한 시간 이상의 반응 시간이 필요하다.

연료전지 시스템의 운전 단계는 일반적으로 다음과 같은 단계로 운전 된다. 연료전지 시스템 가동하는 단계(310) ( 연료처리부 반응을 위한 조건 형성하는 단계 ( 연료처리부 수소 생성 단계 ( 스택부 직류 전력 출력 단계 ( 인버터 교류 전력 출력 단계로 운전 된다.

통상적으로 연료전지 시스템을 기동하거나 및 정지 시에는 외부 계통전력을 활용하게 된다.

상기와 같은 정상상태 운전 중(320), 계통 예를 들어 부하에 오류가 있을 경우(330) 인버터가 이를 감지하여 시스템 예를 들어 제어부에 오류를 알리게 되고, 이 신호를 받아 제어부가 시스템을 정지 시킨다.

상기 시스템을 정지하는 과정은 먼저 인버터를 정지하고(340), 제어부의 제어신호에 따라 인버터 차단기를 개방하여 인버터에 입력되는 전력을 차단하고(350), 시스템 각 부분의 구동을 중지하는 과정으로 이루어진다(360).

계통오류 중에는 일시적인 오류가 있는데 이러한 경우에도 시스템을 정지 후 재기동하게 되면 기동 및 정지 시에 외부 전력을 소모하게 되어 손실 및 가동률이 저하된다.

또한 시스템이 정지되는 경우에 스택에 저장되어 전력은 스택에 잔류하게 되는데 이러한 경우 잔류 전력은 스택의 온도를 상승시켜 스택에 악영향을 미치게 되므로 이를 더미 저항을 통해 소진시키는 방법을 이용하고 있으나 이는 시스템의 전체 효율을 저하시킨다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로 연료 전지 시스템의 운전 중 계통에 일시적인 장애가 발생한 경우, 연료 전지 시스템을 정지하였다가 재가동함에 따른 에너지의 손실, 가동률 저하 및 운전 효율 등을 최소화할 수 있도록 하는 연료 전지 시스템 보호 장치 및 보호 방법을 제공하고자 한다.

상기와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템 보호 장치는 외부에서 연료를 공급하는 연료 공급원, 상기 공급되는 연료로부터 화학 반응을 통해 수소를 발생시키는 연료 처리부, 상기 연료 처리부에서 발생된 수소와 산소를 반응시켜 직류 전력을 생성하는 스택부, 상기 스택부에서 생성된 직류전력을 소정의 교류전력으로 변환하는 인버터부, 상기 인버터부의 출력 교류전력으로 구동되는 계통부, 상기 계통부 또는 상기 인버터의 오류를 검출하여 일시 오류인지 계통 이상인지 구분하는 신호를 생성하는 계통상태 감시부와 상기 판별 결과 지속 오류인 경우 상기 계통상태 감시부로부터 상기 인버터에 입력되는 전력을 차단하기 위한 차단 제어 신호를 생성하는 차단 제어기를 포함하는 제어부 및 상기 차단 제어기의 차단 제어 신호에 따라 상기 스택부로부터 상기 인버터에 공급되는 전력을 차단하거나 공급하는 인버터 차단기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편 상기 계통부 또는 인버터의 오류를 검출되면 구동되는 타이머 또는 값이 초기화 되는 카운터, 상기 타이머 구동 후 소정의 시간 경과되는 동안 또는 상기 카운터의 값이 소정값까지 증가되는 동안 상기 계통부 또는 인버터에서 검출되는 오류가 소정 횟수 미만이거나 오류가 검출되지 않는 경우 일시 오류라고 판별하는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 계통상태 감시부는 오류 판별 결과 일시 오류인 경우, 일시 오류 제어신호를 차단 제어기에 출력하고, 상기 차단 제어기는 2차 전지 또는 배터리 입력 차단기를 구동하여 상기 스택부에서 생성되어 잔류된 직류전력을 입력받아 히터를 가열하여 축열하는 열저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 계통상태 감시부는 오류 판별 결과 일시 오류인 경우, 일시 오류 제어신호를 차단 제어기에 출력하고, 상기 차단 제어기는 2차 전지 또는 배터리 입력 차단기를 구동하여 상기 스택부에서 생성되어 잔류된 직류전력을 입력받아 충전하는 2차전지 또는 배터리를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

다른 한편으로 상기 계통상태 감시부는 상기 소정의 시간 경과 후 또는 카운터 값이 소정값인 경우 상기 계통부 또는 인버터로부터 오류가 검출되지 않는 경우 계통 오류가 해제인 제어신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.

한편 상기 차단 제어기는 상기 계통상태 감시부로부터 계통 오류 해제 신호를 입력받아 2차 전지, 배터리 또는 열저장부 입력 차단기를 개방하고 인버터 입력 차단기를 도통시키는 제어 신호를 상기 2차 전지, 배터리 또는 열저장부 입력 차단기에 출력하고, 상기 스택부는 상기 인버터에 직류전력을 출력하는 것을 특징으로 한다.

한편 상기 계통부 또는 인버터의 오류를 검출되면 구동되는 타이머 또는 값이 초기화 되는 카운터, 상기 타이머 구동 후 소정의 시간이 경과되는 동안 또는 상기 카운터의 값이 소정값까지 증가되는 동안 상기 계통부 또는 인버터에서 검출되는 오류가 소정 횟수 이상인 경우 계통 이상이라고 판별하는 것을 특징으로 하며, 상기 계통상태 감시부의 오류 판별 결과 계통 이상인 경우, 상기 차단 제어기는 계통상태 감시부로부터 계통 이상인 제어 신호를 입력받아 상기 인버터를 정지하는 제어신호를 상기 인버터에 출력하고 상기 인버터 차단기를 개방하는 제어신호를 상기 인버터 차단기에 출력하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템 보호 방법은 인버터 또는 계통부로부터 개통 오류를 입력받는 단계, 타이머 구동되거나 또는 카운터 값을 초기화 하는 단계, 상기 입력된 계통 오류가 일시 오류인지 계통 이상인지를 판별하는 단계 및 상기 판별 결과 일시 오류인 경우, 인버터 차단기를 개방하여 인버터에 입력되는 직류 전력을 차단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편 상기 판별 결과 일시 오류인 경우, 배터리, 2차 전지 또는 열저장부 입력 차단기를 도통하는 단계, 스택부의 직류 전력을 상기 배터리, 2차 전지 또는 열저장부에 공급하는 단계와 상기 계통 오류가 일시 오류라고 판별한 이후, 계통 오류 해제 여부를 판별하는 단계, 상기 판별 결과 계통 오류가 해제되지 않은 경우, 배터리, 2차 전지 또는 열저장부 입력 차단기를 개방하는 단계, 스택부의 직류 전력을 상기 배터리, 2차 전지 또는 열저장부에 공급되는 전력을 차단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편 상기 입력된 계통 오류가 일시 오류인지 계통 이상인지를 판별하여 상기 판별 결과 계통 이상인 경우, 상기 인버터를 정지하는 단계, 인버터 입력 차단기를 개방하여 상기 인버터에 공급되는 전력을 차단하는 단계 및 연료 전지 시스템의 운전을 정지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

다른 한편으로 상기 상기 입력된 계통 오류가 일시 오류인지 계통 이상인지를 판별하는 단계는, 계통 오류가 입력됨에 따라 제1타이머를 구동하는 단계, 상기 제1타이머의 구동 후 소정의 제1시간 값까지 경과되었는지 판단하는 단계, 제1시간 값까지 경과된 경우, 상기 인버터 또는 계통부로부터 계통 오류 신호 입력 여부를 확인하는 단계, 상기 확인 결과 계통 오류 신호가 입력된 경우, 제2타이머를 구동하고 에러 측정값을 초기화하는 단계, 상기 인버터 또는 계통부로부터 계통 오류 신호 입력 여부를 확인하여 계통 오류가 입력되면 상기 에러 측정값을 소정값으로 증가하는 단계 및 상기 제2타이머가 소정의 제2시간 값에 도달하였으며 상기 에러 측정값이 소정의 에러 기준값보다 작은 경우 일시 오류라고 판단하며, 상기 제2타이머가 소정의 제2시간 값에 도달하였으며 상기 에러 측정값이 소정의 에러 기준값보다 크거나 같은 경우 계통 이상이라고 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제2타이머가 소정의 제2시간 값에 도달하지 않은 경우, 상기 인버터 또는 계통부로부터 개통 오류 신호를 입력받는 단계를 더 포함하며, 제1시간 값까지 경과된 경우, 상기 인버터 또는 계통부로부터 계통 오류 신호 입력 여부를 확인하는 단계, 상기 확인 결과 계통 오류 신호가 입력되지 않은 경우, 일시 오류라고 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또 다른 한편으로 상기 상기 입력된 계통 오류가 일시 오류인지 계통 이상인지를 판별하는 단계는, 계통 오류가 입력됨에 따라 제1카운터를 구동하는 단계, 상기 제1카운터의 구동 후 소정의 제1카운터 값까지 증가되었는지 판단하는 단계, 제1카운터 값까지 증가된 경우, 상기 인버터 또는 계통부로부터 계통 오류 신호 입력 여부를 확인하는 단계, 상기 확인 결과 계통 오류 신호가 입력된 경우, 제2카운터를 구동하고 에러 측정값을 초기화하는 단계, 상기 인버터 또는 계통부로부터 계통 오류 신호 입력 여부를 확인하여 계통 오류가 입력되면 상기 에러 측정값을 소정값으로 증가하는 단계 및 상기 제2카운터가 소정의 제2카운터 값까지 증가하였으며 상기 에러 측정값이 소정의 에러 기준값보다 작은 경우 일시 오류라고 판단하며, 상기 제2카운터가 소정의 제2카운터 값까지 증가하였으며 상기 에러 측정값이 소정의 에러 기준값보다 크거나 같은 경우 계통 이상이라고 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제2카운터가 소정의 제2카운터 값으로 증가되지 않은 경우, 상기 인버터 또는 계통부로부터 개통 오류 신호를 입력받는 단계를 더 포함하며, 제1카운터 값까지 증가된 경우, 상기 인버터 또는 계통부로부터 계통 오류 신호 입력 여부를 확인하는 단계, 상기 확인 결과 계통 오류 신호가 입력되지 않은 경우, 일시 오류라고 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 연료 전지 시스템 보호 장치 및 보호 방법은 계통측의 일시적인 오류에 대해 시스템을 중지하지 않은 상태에서 일시적인 오류가 제거되는 경우 재기동되도록 함으로써 시스템 운전 정지 후 재가동하기 위하여 연료처리부 반응을 위한 조건을 형성하는 단계와 연료처리부에서 수소를 생성하는 과정이 생략되므로 시스템의 운전 효율 및 가동률을 높일 수 있게 된다.

또한 시스템 정지 후 재가동 시에 필요한 외부 전력이 사용되지 않으므로 시스템의 전체 효율이 증가되게 된다.

도 1은 종래 기술에 따른 보호장치가 없는 연료 전지 시스템의 구성도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 보호장치가 구비된 연료 전지 시스템의 구성도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 연료 전지 시스템에서 고장 발생시의 운전 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템 보호 장치의 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 계통의 일시적인 오류 발생 시 연료전지 시스템의 운전 흐름도이다.
도 6은 본 발명에 따른 계통의 일시적인 오류인지 계통 이상인지를 판별하기 오류 판별 흐름도이다.

이하에서 본 발명에 따른 연료 전지 시스템 보호 장치 및 보호 방법에 관하여 도면을 참고하여 설명하도록 한다.

도 4는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템 보호 장치로서 연료 공급원(411), 리포머(412) 및 스택부(413)를 포함하여 직류 전력을 계통에 공급하는 전력 공급원(410)과 상기 전력 공급원의 직류 전력을 소정의 다른 직류 전력으로 변환하는 DC-DC컨버터(420) 및 상기 DC-DC컨버터를 보호하는 컨버터 차단기(도면부호 미포함), 상기 컨버터(420)에 의해 변환된 직류 전력을 계통에 적합한 교류 전력으로 변환하는 인버터(430), 상기 인버터를 보호하기 위한 인버터 차단기 및 연료 전지 시스템을 제어하는 제어부(450), 스택부(413)에서 생산된 또는 상기 컨버터에서 변환된 직류 전력으로 충전되는 배터리(463)나 2차 전지(461) 또는 축열하는 열저장부(462)로 구성된다.

한편 상기 제어부(450)는 인버터(430)나 계통(440)의 오류를 판별하기 위한 계통 상태 감시부(451), 오류 발생 시 일시 오류인지 계통 이상인지 판별하기 위한 타이머 또는 카운터(453) 및 각 차단기를 제어하기 위한 차단 제어기(452)를 포함하여 구성된다.

또한 상기 배터리(463), 2차 전지(461) 또는 열저장부(462)는 그 입력부에 각각 차단부(471, 472, 473)를 더 구비한다.

전력 공급원(410), 컨버터(420), 컨버터 차단기 및 인버터(430), 인버터 차단부(474)의 동작에 대해서는 상기에서 자세히 설명되었으므로 그 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

먼저 연료 전지 시스템이 구동되어 운전 중에 오류가 발생되는 경우, 이를 인버터(430) 또는 계통(440)에 설치된 센서(미도시)에 의해 감지하여 이를 상기 제어부(450)의 계통 상태 감시부(451)에 제공한다. 상기 오류 발생 여부는 인버터(430)의 출력 전압이나 주파수 등의 변동 여부를 측정하여 변동폭이 소정의 기준값을 초과하는 경우 오류가 발생된 것으로 판단한다.

계통(440)의 오류가 발생된 경우, 통상적으로 시스템을 정지하게 되나 본 발명에서는 오류의 종류를 계통의 일시적인 오류와 계통 이상으로 구분하여 일시적인 오류의 경우 시스템을 정지하지 않으면서도 이에 대하여 대응 가능하도록 하는 것이다.

이를 위해 상기 상태 감시부(451)는 오류가 검출된 경우 일시적인 오류인지 지속되는 계통 이상인지를 판별하기 위해 타이머(453)를 구동한다.

이 후 일정 시간이 경과된 후 오류가 다시 발생되었는지를 확인하기 위해 상기 일정 시간 후 소정의 시간 동안 오류 발생 여부를 확인하여 오류가 검출되지 않거나 소정 횟수 이하인 경우 일시적인 오류라고 판단하고 만일 소정 횟수 이상인 경우 계통 이상이라고 판단한다.

상기 판단 결과 일시 오류인 경우, 상기 계통 상태 감시부(452)는 상기 스택부(413)에서 상기 인버터(430)로 공급되는 전력을 차단하기 위하여 인버터 차단기(474)를 개방하기 위한 제어신호를 상기 인버터 차단기(474)에 출력한다.

이때 상기 스택부(413)의 잔류 전력은 상기 인버터(430)에 공급되는 전력 라인에 병렬로 구비된 배터리(463), 2차 전지(461) 또는 열저장부(462)에 출력하여 제거한다. 이를 위해 상기 차단 제어기(452)는 상기 계통 상태 감시부(451)로부터 제어 신호를 입력받아 인버터 차단기(474)를 개방하고 상기 2차 전지, 배터리 또는 열저장부 차단기(471, 472, 473)는 도통시킨다.

이후 상기 상태 감시부(451)는 다시 인버터(430) 또는 계통(440)의 센서로부터 오류 검출 신호를 입력받아 판단 결과 오류가 검출되면 계통 이상으로 판단하여 연료 전지 시스템을 정지하기 위한 제어신호를 시스템 각 부분에 출력하고 오류가 검출되지 않으면 일시 오류가 해결된 것으로 판단하여 시스템을 정상적인 운전 상태로 회복시키기 위한 제어 신호를 시스템의 각 부분에 출력한다.

상기 정상적인 운전 상태로 회복하는 것은 상기 배터리(463), 2차 전지(461) 또는 열저장부(462)에 저장되는 상기 스택부(413)의 잔류 전력을 차단하고 이를 인버터로 출력하는 것으로 상기 2차 전지, 배터리 또는 열저장부 차단기(471, 472, 473)를 개방하고 상기 인버터 차단기(474)는 도통되어 인버터는 정상적으로 구동되고 상기 스택부(413)로부터 직류 전력을 공급받아 변환하여 계통에 공급한다.

한편 상기의 설명에서 오류가 일시 오류인지 계통 이상인지를 판별하기 위하여 타이머를 사용하는 것에 대하여 설명하였으나 카운터를 이용할 수도 있다.

구체적으로 오류가 검출된 경우, 카운터(453)를 구동하고 카운터 값을 일정한 주기로 증가시키면서 카운터 값이 일정한 값이 된 이후 오류를 검출하여 오류가 검출되지 않았거나, 또는 상기 일정 카운터값 이후 소정의 카운터 값까지 카운터를 다시 증가시키면서 오류를 확인하여 소정 횟수 미만인 경우 일시적인 오류라고 판단하고 소정 횟수 이상인 경우 계통 이상이라고 판단한다.

상기와 같은 구성에 따라 계통에 일시적인 오류가 발생되는 계통에 공급되는 전력은 인버터(430)를 정지하여 차단하도록 하고, 스택부(413)의 잔류 전력은 병렬로 연결된 전력 저장 장치에 공급하여 일시적으로 스택부(413)를 정지하지 않게 한다. 이후 일시적인 오류가 해결되면 전력 저장 장치에 출력되는 전력은 차단하고 이를 인버터(430)를 구동하여 계통(440)에 공급하도록 함으로써 전력을 생산하는 전력 공급원을 중지하지 않고도 일시적인 오류에 대처 가능하게 한다.

도 5는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템 보호 장치의 동작을 나타내는 흐름도로 이하에서 구체적인 동작에 대해 자세히 설명하도록 한다.

먼저 연료 전지 시스템이 가동되면(510) 전력공급원을 통해 전력을 생산하여 이를 컨버터 및 인버터를 통해 계통에 공급하는 운전 단계에 있으며(520), 계통부 및 인버터에 구비된 센서를 통해 계통에 오류가 발생되었는지를 확인한다(530).

만일 계통 오류가 발생된 경우, 상기 발생된 계통 오류가 일시적인 오류인지 지속적인 계통 이상인지 확인하여 일시적인 오류인 경우(540), 인버터의 구동을 중지하고 인버터에 공급되는 전력을 차단하기 위해 인버터 차단기를 개방한다(550).

또한 인버터가 구동 중지됨에 따라 스택부에 잔류되어 있는 잔류전력은 2차 전지, 배터리 또는 열저장부에 공급한다(560). 이를 위해 상기 2차 전지, 배터리 또는 열저장부 차단기는 도통된다(560).

이후 계통 오류가 해제되었는지 여부를 확인하여(570) 계통 오류가 해제된 경우 연료 전지 시스템을 정상 운전으로 회복시키기 위하여 2차 전지, 배터리 또는 열저장부 차단기를 개방하여 2차 전지, 배터리 또는 열저장부에 공급되는 전력을 차단하고(580) 스택부의 전력을 인버터에 공급하기 위하여 인버터 차단기는 도통시킨다(590).

상기에서 계통 오류가 일시적인 오류가 아닌 지속적인 계통 이상인 경우에는 연료 전지 시스템을 중지하여야 하며 이를 위해 인버터는 정지되고(531) 인버터 차단기는 개방하며 전력공급원 동작도 정지시킨다(533).

도 6은 본 발명에 따른 계통의 일시적인 오류인지 계통 이상인지를 판별하기 오류 판별 흐름도이다.

계통 오류가 인버터 또는 계통부의 센서로부터 입력되면(610) 먼저 타이머(T1) 또는 카운터(C1)를 구동한다(620).

이후 타이머 T1를 증가시키거나 카운터(C1) 값을 증가시키면서 제1의 소정 시간(t1)이나 제1의 소정 값(c1)에 도달되었는지 여부를 확인하여(630), 도달한 경우 계통 오류를 검출한다(640).

이때 계통 오류가 검출되지 않으면 일시적인 오류로 판별한다(692).

한편 계통 오류가 검출되는 경우, 타이머(T2) 또는 카운터(C2) 및 에러 측정값을 구동하고(650). 또한 에러 측정값을 증가시킨다(670).

이후 상기 타이머(T2)가 소정시간(t2)에 도달하거나 또는 상기 카운터(C2)가 소정값(c2)에 도달한 경우(680) 에러 측정값을 에러 기준값과 비교하여(691) 상기 에러 측정값이 상기 에러 기준값 미만인 경우 일시적인 오류라고 판단하고(692), 상기 에러 측정값이 상기 에러 기준값 이상인 경우 계통 이상이라고 판단한다(691).

상기에서 타이머(T2)가 소정시간(t2)에 도달하지 않거나 또는 상기 카운터(C2)가 소정값(c2)에 도달하지 않은 경우 계통 오류의 검출 여부를 지속적으로 모니터링하도록 한다(671).

상기와 같은 본 발명에 따른 연료 전지 보호 방법에 따라 계통에 일시 오류가 발생한 경우 시스템을 중지하지 않으면서도 스택부의 잔류전력을 효율적으로 제거하여 상기 일시 오류가 해제된 경우 신속하게 시스템을 정상 상태로 복귀할 수 있도록 한다.

410: 전력공급원 411: 연료공급원
412: 리포머 413: 스택부
420: DC-DC컨버터 430: 인버터
440: 계통 450: 제어부
451: 계통 상태 감시부 452: 차단 제어기
453: 타이머 또는 카운터 461: 2차 전지
462: 열저장부 463: 배터리
471: 2차 전지 차단기 472: 열저장부 차단기
473: 배터리 차단기 474: 인버터 차단기

Claims

연료 전지 시스템 보호 장치에 있어서,
외부에서 연료를 공급하는 연료 공급원;
상기 공급되는 연료로부터 화학 반응을 통해 수소를 발생시키는 연료 처리부;
상기 연료 처리부에서 발생된 수소와 산소를 반응시켜 직류 전력을 생성하는 스택부;
상기 스택부에서 생성된 직류전력을 소정의 교류전력으로 변환하는 인버터부;
상기 인버터부의 출력 교류전력이 공급되는 계통부;
상기 계통부 또는 상기 인버터의 오류를 검출하여 일시 오류인지 계통 이상인지 구분하는 신호를 생성하는 계통상태 감시부와 상기 판별 결과 지속 오류인 경우 상기 계통상태 감시부로부터 상기 인버터에 입력되는 전력을 차단하기 위한 차단 제어 신호를 생성하는 차단 제어기를 포함하는 제어부; 및
상기 차단 제어기의 차단 제어 신호에 따라 상기 스택부로부터 상기 인버터에 공급되는 전력을 차단 또는 공급하는 인버터 차단기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템 보호 장치.
제1항에 있어서,
상기 계통부 또는 인버터의 오류가 검출되면 구동되는 타이머 또는 값이 초기화 되는 카운터;
상기 타이머가 구동된 후 소정의 시간 경과되는 동안 또는 상기 카운터의 값이 소정값까지 증가되는 동안 상기 계통부 또는 인버터에서 검출되는 오류가 소정 횟수 미만이거나 오류가 검출되지 않는 경우 일시 오류라고 판별하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템 보호 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 계통상태 감시부는 오류 판별 결과 일시 오류인 경우, 일시 오류 제어신호를 차단 제어기에 출력하고,
상기 제어 신호에 따라 상기 차단 제어기는 2차 전지 차단기, 배터리 입력 차단기 또는 열저장부 차단기를 도통시키며,
상기 차단기가 도통됨에 의해 상기 스택부에서 생성되어 잔류된 직류전력을 입력받아 충전하는 2차 전지 또는 배터리 또는 히터를 가열하여 축열하는 열저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템 보호 장치.
제2항에 있어서,
상기 계통상태 감시부는 상기 소정의 시간 경과 후 또는 카운터 값이 소정값에 도달한 후 상기 계통부 또는 인버터에서 오류가 검출되지 않으면 계통 오류가 해제인 제어신호를 생성하고,
상기 차단 제어기는 상기 계통상태 감시부로부터 계통 오류 해제 신호를 입력받아 2차 전지, 배터리 또는 열저장부 입력 차단기를 개방하고 인버터 입력 차단기를 도통시키는 제어 신호를 상기 2차 전지, 배터리 또는 열저장부 입력 차단기 또는 인버터 차단기에 출력하고,
상기 스택부는 상기 인버터에 직류전력을 출력하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템 보호 장치.
제1항에 있어서,
상기 계통부 또는 인버터의 오류가 검출되면 구동되는 타이머 또는 값이 초기화 되는 카운터;
상기 타이머 구동 후 소정의 시간이 경과되는 동안 또는 상기 카운터의 값이 소정값까지 증가되는 동안 상기 계통부 또는 인버터에서 검출되는 오류가 소정 횟수 이상인 경우 계통 이상이라고 판별하고,
상기 계통상태 감시부의 오류 판별 결과 계통 이상인 경우, 상기 차단 제어기는 계통상태 감시부로부터 계통 이상인 제어 신호를 입력받아 상기 인버터를 정지하는 제어신호를 상기 인버터에 출력하고 상기 인버터 차단기를 개방하는 제어신호를 상기 인버터 차단기에 출력하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템 보호 장치.
연료 전지 시스템 제어 방법에 있어서,
인버터 또는 계통부로부터 개통 오류 측정 신호를 입력받는 단계;

개통 오류가 검출되면 타이머 또는 카운터를 구동하는 단계;
상기 입력된 계통 오류가 일시 오류인지 계통 이상인지를 판별하는 단계; 및
상기 판별 결과 일시 오류인 경우, 인버터 차단기를 개방하여 인버터에 입력되는 직류 전력을 차단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템 보호 방법.
제6항에 있어서,
상기 판별 결과 일시 오류인 경우, 배터리, 2차 전지 또는 열저장부 입력 차단기를 도통시키는 단계와 스택부의 잔류 전력을 상기 배터리, 2차 전지 또는 열저장부에 공급하는 단계; 및
상기 판별 결과 계통 이상인 경우, 상기 인버터를 정지하는 단계와 인버터 입력 차단기를 개방하여 상기 인버터에 공급되는 전력을 차단하는 단계와 연료 전지 시스템의 운전을 정지하는 단계를 더 포함하며, 상기 계통 오류가 일시 오류라고 판별한 이후, 계통 오류 해제 여부를 판별하는 단계와 상기 판별 결과 계통 오류가 해제되지 않은 경우, 배터리, 2차 전지 또는 열저장부 입력 차단기를 개방하는 단계와 상기 배터리, 2차 전지 또는 열저장부에 공급되는 스택부의 잔류전력을 차단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템 보호 방법.
제6항에 있어서, 상기 입력된 계통 오류가 일시 오류인지 계통 이상인지를 판별하는 단계는,
계통 오류 신호가 입력됨에 따라 제1타이머를 구동하는 단계;
상기 제1타이머의 구동 후 소정의 제1시간 값까지 경과되었는지 판단하는 단계;
제1시간 값까지 경과된 경우, 상기 인버터 또는 계통부로부터 계통 오류 신호 입력 여부를 확인하는 단계;
상기 확인 결과 계통 오류 신호가 입력된 경우, 제2타이머를 구동하고 에러 측정값을 초기화하는 단계;
상기 인버터 또는 계통부로부터 계통 오류 신호 입력 여부를 확인하여 계통 오류가 입력되면 상기 에러 측정값을 소정값으로 증가하는 단계; 및
상기 제2타이머가 소정의 제2시간 값에 도달하였으며 상기 에러 측정값이 소정의 에러 기준값보다 작은 경우 일시 오류라고 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템 보호 방법.
제8항에 있어서,
상기 제2타이머가 소정의 제2시간 값에 도달하였으며 상기 에러 측정값이 소정의 에러 기준값 이상인 경우 계통 이상이라고 판단하고,
상기 제2타이머가 소정의 제2시간 값에 도달하지 않은 경우, 상기 인버터 또는 계통부로부터 계통 오류 신호를 입력받는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템 보호 방법.
제8항에 있어서,
제1시간 값까지 경과된 경우, 상기 인버터 또는 계통부로부터 계통 오류 신호 입력 여부를 확인하는 단계;
상기 확인 결과 계통 오류 신호가 입력되지 않은 경우, 일시 오류라고 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템 보호 방법.
제6항에 있어서, 상기 입력된 계통 오류가 일시 오류인지 계통 이상인지를 판별하는 단계는,
계통 오류가 입력됨에 따라 제1카운터를 구동하는 단계;
상기 제1카운터의 구동 후 소정의 제1카운터 값까지 증가되었는지 판단하는 단계;
제1카운터 값까지 증가된 경우, 상기 인버터 또는 계통부로부터 계통 오류 신호 입력 여부를 확인하는 단계;
상기 확인 결과 계통 오류 신호가 입력된 경우, 제2카운터를 구동하고 에러 측정값을 초기화하는 단계;
상기 인버터 또는 계통부로부터 계통 오류 신호 입력 여부를 확인하여 계통 오류가 입력되면 상기 에러 측정값을 소정값으로 증가하는 단계; 및
상기 제2카운터가 소정의 제2카운터 값까지 증가하였으며 상기 에러 측정값이 소정의 에러 기준값 미만인 경우 일시 오류라고 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템 보호 방법.
제11항에 있어서,
상기 제2카운터가 소정의 제2카운터 값까지 증가하였으며 상기 에러 측정값이 소정의 에러 기준값 이상인 경우 계통 이상이라고 판단하고,
상기 제2카운터가 소정의 제2카운터 값으로 증가되지 않은 경우, 상기 인버터 또는 계통부로부터 개통 오류 신호를 입력받는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템 보호 방법.
제11항에 있어서,
제1카운터 값까지 증가된 경우, 상기 인버터 또는 계통부로부터 계통 오류 신호 입력 여부를 확인하는 단계;
상기 확인 결과 계통 오류 신호가 입력되지 않은 경우, 일시 오류라고 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템 보호 방법.