KR101145591B1

KR101145591B1 - 연료전지 시스템 제어장치

Info

Publication number: KR101145591B1
Application number: KR1020090124804A
Authority: KR
Inventors: 곽대연
Original assignee: 주식회사 효성
Priority date: 2009-12-15
Filing date: 2009-12-15
Publication date: 2012-05-15
Also published as: KR20110067993A

Abstract

HMI와 제1제어부 및 제2제어부를 종속 연결하여 HMI가 제1제어부 및 제2제어부의 동작을 명령하고, 모니터링하도록 한 연료전지 시스템 제어장치가 제시된다. 제시된 연료전지 시스템 제어장치는 연료전지 시스템으로 동작명령을 입력하고, 동작명령에 따른 연료전지 시스템의 동작상태를 모니터링하는 HMI(Human Machine Interface); HMI와 연결되어 HMI로부터 동작명령을 입력받고, 연료전지 시스템의 동작상태를 포함하는 모니터링 신호를 HMI에 제공하는 제1제어부; 및 제1제어부와 연결되어 제1제어부를 통해 HMI로부터 동작명령을 입력받고,연료전지 시스템의 동작상태를 포함하는 모니터링 신호를 제1제어부를 통해 HMI에 제공하는 제2제어부를 포함한다.

연료전지, HMI, 종속연결, 제어부, 동작명령, 모니터링

Description

연료전지 시스템 제어장치{Apparatus for controlling fuel cell system}

본 발명은 연료전지 시스템 제어장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 2개의 제어부를 사용하여 연료전지 시스템의 동작을 제어하는 연료전지 시스템 제어장치에 관한 것이다.

화석연료의 사용에 따른 문제점을 해결하기 위하여 연료전지 시스템이 개발되고 있다. 연료전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 일종의 발전시스템이다.

연료전지 시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에 연료(예를 들면, 수소)를 공급하는 연료공급 시스템과, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템과, 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물 관리 시스템을 포함하여 구성된다.

이러한 구성을 가지는 연료전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중에 포함되어 있는 산소의 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응 부산물로 열과 물을 배출하게 된다.

연료전지 시스템에 적용되고 있는 연료전지 스택은 가장 안쪽에 전극막(MEA: Membrane-Electrode Assembly)이 위치하며, 이 전극막은 수소의 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질 막과, 이 전해질 막의 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층인 캐소드(Cathode, 환원전극‘이라고도 함) 및 애노드(Anode, ‘산화전극’ 이라고도 함)로 구성되어 있다.

또한, 전극막(MEA)의 바깥 부분, 즉 캐소드 및 애노드가 위치한 바깥 부분에는 가스 확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)이 위치하고, 가스 확산층의 바깥쪽에는 연료를 공급하고, 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(Separator)이 위치한다.

그러므로 연료전지 시스템은 수소와 산소가 각각의 촉매층에 의한 화학반응으로 이온화가 이루어져 수소쪽은 수소이온과 전자가 발생하는 산화반응을 하고, 산소쪽은 산소이온이 수소이온과 반응하여 물이 생성되는 환원반응을 하게 된다.

즉, 수소가 애노드로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드로 공급되는바, 애노드로 공급된 수소는 전해질 막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소이온(Proton, H+)과 전자(Electron, e-)로 분해되고, 이 중 수소이온(Proton, H+)만이 선택적으로 양이온 교환막인 전해질 막을 통과하여 캐소드로 전달되며, 동시에 전자(Electron, e-)는 도체인 기체 확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)과 분리판(Separator)을 통하여 캐소드로 전달된다.

이에 따라, 캐소드에서는 전해질 막을 통하여 공급된 수소이온과 분리판을 통하여 전달된 전자가 공기공급기에 의해 캐소드로 공급된 공기 중의 산소와 만나 서 응축수를 생성하는 반응을 일으킨다.

이때, 발생하는 수소이온의 이동에 기인하여, 외부 도선을 통한 전자의 흐름으로 전류가 생성되고, 아울러 물 생성 반응에서 부수적으로 열이 발생하게 된다.

한편, 연료전지 스택의 반응에 있어서, 공기의 습도가 매우 중요한데, 해당 습도의 유지를 위해 가습기를 이용하여 공기 입구에서 수분을 공급하고, 수분을 공급받은 공기는 스택 내의 유로를 따라 이동하여 수소와 반응한 다음, 물(응축수)을 생성한다.

반응에 의해 발생한 응축수는 산소와 수소의 흐름을 방해하므로 연료전지 스택으로부터 제거가 필요하며, 따라서 연료전지 스택에서 생성된 물은 워터트랩(Water Trap) 장치에 모아지게 되어 있다.

연료전지시스템에서 수소이온과 산소가 만나 물을 생성하는 캐소드쪽에서 물이 발생하는 것으로 알려져 있으나, 전해질로 사용되는 멤브레인의 두께가 감소하면서 물의 농도 차이에 의해 발생하는 역확산(Back Diffusion)으로 인해 상당량의 물이 애노드를 통해 배출된다.

이러한 연료전지 시스템에 있어서, 2개의 제어부를 사용하여 제어할 경우에 연료전지 시스템을 모니터링하고, 소정의 동작 명령을 하달하는 HMI(Human Machine Interface)에 2개의 제어부를 병렬로 연결하고, HMI가 시간차를 두고, 2개의 제어부와 통신을 수행하였다.

이러한 종래의 기술을 도 1의 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도 1은 종래의 연료전지 시스템 제어장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.

부호 100은 HMI이다. HMI(100)는 연료전지 시스템의 동작상태를 모니터링하고, 소정의 동작 명령을 하달한다.

부호 110 및 120은 제1제어부 및 제2제어부이다. 제1제어부(110) 및 제2제어부(120)는 HMI(100)가 제공하는 동작명령에 따라 연료전지 시스템의 동작을 제어한다. 또한, 제1제어부(110) 및 제2제어부(120)는 동작명령에 따라 제어한 연료전지 시스템의 동작상태를 포함하는 모니터링 신호를 HMI(100)에 제공한다. 또한, 제2제어부(120)는 동작명령에 따라 제어한 연료전지 시스템의 동작상태를 포함하는 모니터링 신호를 제1제어부(110)에 제공한다.

HMI(100)와 제1제어부(110) 및 제2제어부(120)의 통신은 예를 들면, 전이중 방식의 3선 RS232 또는 반이중 방식의 2선 RS485가 사용된다.

이러한 구성을 가지는 종래의 제어장치는 HMI(100)가 제어 주기를 2로 나누어 절반은 제1제어부(110)로 동작명령을 전송하고, 제1제어부(110)가 제공하는 모니터링 신호를 수신하기 위하여 할당하고, 나머지 절반은 제2제어부(120)로 동작명령을 전송하고, 제2제어부(120)가 제공하는 모니터링 신호를 수신하기 위하여 할당한다.

예를 들면, HMI(100)는 제1제어부(110)로 소정의 동작명령을 전송한 후 제2제어부(120)로 소정의 동작명령을 전송한다.

그리고 HMI(100)는 제1제어부(110)가 동작명령에 따라 연료전지 시스템을 동작시킨 동작상태를 포함하는 모니터링 신호를 수신한 후 제2제어부(120)가 동작명령에 따라 연료전지 시스템을 동작시킨 동작상태를 포함하는 모니터링 신호를 수신 한다.

그리고 제1제어부(110)와 제2제어부(120)는 별도로 통신을 수행하여 제2제어부(120)가 동작명령에 따라 연료전지 시스템을 동작시킨 동작상태를 포함하는 모니터링 신호를 제1제어부(110)가 수신한다.

상기한 바와 같은 종래의 제어장치는 HMI(100)에서 제1제어부(110) 및 제2제어부(120)의 동작상태를 모니터링하면서 제1제어부(110) 및 제2제어부(120)로 동작명령을 전송할 경우에 HMI(100)가 제1제어부(110) 및 제2제어부(120)의 모든 정보를 확인하면서 제어하는 것이 가능하다.

그러나 HMI(100)를 사용하지 않고 단독으로 운전할 경우에 제2제어부(120)로 소정의 동작명령을 전달하는 것이 불가능하고, 또한 3개의 통신 채널을 구비해야하기 때문에 구성이 복잡하였다.

본 발명은 종래기술의 문제점을 감안하여 고안된 것으로, 그 목적은 HMI와 제1제어부 및 제2제어부를 종속 연결하여 HMI가 제1제어부 및 제2제어부의 동작을 명령하고, 모니터링하도록 한 연료전지 시스템 제어장치를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지 시스템으로 동작명령을 입력하고, 동작명령에 따른 연료전지 시스템의 동작상태를 모니터링하는 HMI(Human Machine Interface); HMI와 연결되어 HMI로부터 동작명령을 입력받고, 연료전지 시스템의 동작상태를 포함하는 모니터링 신호를 HMI에 제공하는 제1제어부; 및 제1제어부와 연결되어 제1제어부를 통해 HMI로부터 동작명령을 입력받고,연료전지 시스템의 동작상태를 포함하는 모니터링 신호를 제1제어부를 통해 HMI에 제공하는 제2제어부를 포함한다.

제1제어부는, 입력받은 동작명령, 및 입력받은 동작명령에 따른 연료전지 시스템의 동작상태를 포함하는 모니터링 신호를 HMI에게로 전송한다.

제2제어부는, 입력받은 동작명령, 및 입력받은 동작명령에 따른 연료전지 시스템의 동작상태를 포함하는 모니터링 신호를 제1제어부에게로 전송한다.

제1제어부는, HMI로부터 동작명령이 입력되면 카운터를 동작시키고, 카운터의 카운트 값이 설정값에 도달하면 입력된 동작명령을 갱신한다.

제어부는, 카운터가 설정값을 카운트할 때까지 데이터 갱신차단 플래그를 세 트시켜 수신된 동작명령이 갱신되지 않도록 차단한다.

제1제어부는, RS232를 이용한 전이중 방식으로 HMI와 통신을 수행한다.

제2제어부는, RS485를 이용한 반이중 방식으로 제1제어부와 통신을 수행한다.

본 발명에 따른 연료전지 시스템 제어장치는 HMI, 제1제어부 및 제2제어부를 순차적으로 종속 연결하여 구성함으로써, 2개의 통신라인을 사용하여 HMI가 제1제어부 및 제2제어부의 동작을 제어할 수 있다.

또한, 연료전지 시스템 제어장치는 HMI, 제1제어부 및 제2제어부를 순차적으로 종속 연결하여 구성함으로써, 2개의 통신라인을 사용하여 HMI가 제1제어부 및 제2제어부의 제어상태를 모니터링할 수 있다.

또한, 연료전지 시스템 제어장치는 제1제어부가 제2제어부로 동작명령을 전송할 수 있도록 구성함으로써, HMI를 사용하지 않고서도 제1제어부 및 제2제어부가 연계하여 연료전지 시스템의 동작을 제어할 수 있다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의 해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템 제어장치를 첨부된 도면을 참조하여 자세하게 설명하면 아래와 같다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템 제어장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템 제어장치를 설명하기 위한 도면이다.

부호 200은 HMI이다. HMI(200)은 연료전지 시스템의 동작상태를 모니터링하고, 소정의 동작 명령을 하달한다.

부호 210은 제1제어부이다. 제1제어부(210)는 HMI(200)에 종속 연결되어 HMI(200)로부터 동작명령을 입력하고, 동작명령에 따라 연료전지 시스템의 동작을 제어한 동작상태를 포함하는 모니터링 신호를 HMI(200)에 제공한다.

HMI(200)와 제1제어부(210)들 사이의 통신은 예를 들면, RS232를 이용한 전이중 방식으로 통신을 수행한다.

부호 220은 제2제어부이다. 제2제어부(220)는 제1제어부(210)에 종속 연결되어 HMI(200)로부터 제1제어부(210)를 통해 동작명령을 입력하고, 동작명령에 따라 연료전지 시스템의 동작을 제어한 동작상태를 포함하는 모니터링 신호를 제1제어부(210)를 통해 HMI(200)에 제공한다.

제1제어부(210)와 제2제어부(220)의 사이의 통신은 RS485를 이용한 반이중 방식으로 통신을 수행한다.

이러한 구성을 가지는 본 발명은 HMI(200)가 제1제어부(210) 및 제2제어부(220)로 소정의 동작명령을 전송할 경우에 제1제어부(210) 및 제2제어부(220)의 동작명령을 모두 RS232를 이용한 전이중 방식으로 통신을 수행하여 제1제어부(210)로 전송한다.

그러면, 제1제어부(210)는 HMI(200)로부터 수신되는 동작명령을 판단하고, 판단 결과 동작명령이 제1제어부(210) 자신에 대한 동작명령일 경우에 제1제어부(210)는 동작명령에 따라 연료전지 시스템의 동작을 제어한다.

그리고 HMI(200)가 제공한 동작명령이 제2제어부(220)에 대한 동작명령일 경우에 제1제어부(210)는 제2제어부(220)에 대한 동작명령을 RS485를 이용한 반이중 방식으로 통신을 수행하여 제2제어부(220)로 전송한다.

그러면, 제2제어부(220)는 제1제어부(210)로부터 수신된 동작명령에 따라 연료전지 시스템의 동작을 제어한다.

이와 같은 상태에서 제1제어부(210)는 동작명령에 따라 연료전지 시스템을 제어한 동작상태와 동작명령을 포함하는 모니터링 신호를 발생하고, 발생한 모니터링 신호는 RS232를 이용한 전이중 방식으로 통신을 수행하여 HMI(200)로 전송한다.

그리고 제2제어부(220)는 동작명령에 따라 연료전지 시스템을 제어한 동작상 태와 동작명령을 포함하는 모니터링 신호를 발생하고, 발생한 모니터링 신호는 RS485를 이용한 반이중 방식으로 통신을 수행하여 제1제어부(210)로 전송한다.

그러면, 제1제어부(210)는 제2제어부(220)의 모니터링 신호를 RS232를 이용한 전이중 방식으로 통신을 수행하여 HMI(200)로 전송한다.

이와 같이 동작함에 있어서, 제1제어부(210)가 제2제어부(220)로 전송하고자 하는 신규 동작명령이 제2제어부(220)에서 제1제어부(210)로 전송하는 모니터링 신호에 포함되어 있는 이전의 동작명령에 의해 손상될 수 있다.

그러므로 본 발명에서는 제1제어부(210)가 통신은 그대로 수행하나 HMI(200)에서 제1제어부(210)로 신규의 동작명령이 전송되었을 경우에 일정시간동안 제2제어부(220)에서 제1제어부(210)로의 데이터 갱신을 차단하는 방법을 사용하여 신규의 동작명령이 이전의 동작명령으로 바뀌는 것을 미연에 방지한다.

즉, 도 3에 도시된 바와 같이 제1제어부(210)는 HMI(200)로부터 동작명령이 수신되는지의 여부를 판단한다(S300).판단 결과 동작명령이 수신될 경우에 제1제어부(210)는 데이터 갱신차단 플래그를 세트시키고(S302), 카운터를 동작시키며(S304), 카운터의 카운트 값이 미리 설정된 값에 도달하였는지의 여부를 판단한다(S306).

판단 결과 카운터의 카운트 값이 미리 설정된 값에 도달하지 않았을 경우에 제1제어부(210)는 단계(S304)로 복귀하여 카운터를 동작시키고, 카운터의 카운트 값이 미리 설정된 값에 도달하였는지의 여부를 판단하는 동작을 반복 수행한다.

이와 같은 상태에서 카운터의 카운트 값이 미리 설정된 값에 도달하면, 제1 제어부(210)는 데이터 갱신차단 플래그를 리세트시키고(S308), 카운터를 리세트시키며(S310), 수신된 신규의 동작명령을 갱신한다(S312).

상술한 바와 같이, 연료전지 시스템 제어장치는 HMI, 제1제어부 및 제2제어부를 순차적으로 종속 연결하여 구성함으로써, 2개의 통신라인을 사용하여 HMI가 제1제어부 및 제2제어부의 동작을 제어할 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 다양한 형태로 변형이 가능하며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.

도 1은 종래의 연료전지 시스템 제어장치의 구성을 설명하기 위한 블록도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템 제어장치의 구성을 설명하기 위한 블록도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템 제어장치를 설명하기 위한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100, 200: HMI 110, 210: 제1제어부

120, 220: 제2제어부

Claims

연료전지 시스템으로 동작명령을 입력하고, 상기 동작명령에 따른 연료전지 시스템의 동작상태를 모니터링하는 HMI(Human Machine Interface);

상기 HMI와 연결되어 상기 HMI로부터 동작명령을 입력받고, 상기 연료전지 시스템의 동작상태를 포함하는 모니터링 신호를 상기 HMI에 제공하는 제1제어부; 및

상기 제1제어부와 연결되어 상기 제1제어부를 통해 상기 HMI로부터 동작명령을 입력받고, 상기 연료전지 시스템의 동작상태를 포함하는 모니터링 신호를 상기 제1제어부를 통해 상기 HMI에 제공하는 제2제어부를 포함하는 연료전지 시스템 제어장치.
청구항 1에 있어서,

상기 제1제어부는,

입력받은 동작명령, 및 상기 입력받은 동작명령에 따른 연료전지 시스템의 동작상태를 포함하는 모니터링 신호를 상기 HMI에게로 전송하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 제어장치.
청구항 1에 있어서,

상기 제2제어부는,

입력받은 동작명령, 및 상기 입력받은 동작명령에 따른 연료전지 시스템의 동작상태를 포함하는 모니터링 신호를 상기 제1제어부에게로 전송하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 제어장치.
청구항 1에 있어서,

상기 제1제어부는,

상기 HMI로부터 동작명령이 입력되면 카운터를 동작시키고, 상기 카운터의 카운트 값이 설정값에 도달하면 상기 입력된 동작명령을 갱신하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 제어장치.
청구항 4에 있어서,

상기 제1제어부는,

상기 카운터가 설정값을 카운트할 때까지 데이터 갱신차단 플래그를 세트시켜 수신된 동작명령이 갱신되지 않도록 차단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 제어장치.
청구항 1에 있어서,

상기 제1제어부는,

RS232를 이용한 전이중 방식으로 상기 HMI와 통신을 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 제어장치.
청구항 6에 있어서,

상기 제2제어부는,

RS485를 이용한 반이중 방식으로 상기 제1제어부와 통신을 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 제어장치.