KR101311576B1 - 연료전지 시스템 및 이의 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료효율을 향상할 수 있는 연료전지 시스템 및 이의 제어방법에 관한 것으로, 상기 연료전지 시스템은, 개질기와 스택과 BOP(Balance Of Plants)를 구비하고, 개질기로부터 공급되는 수소의 양에 의해 스택에서 발생 가능한 최대전력 값이 정해지는 연료전지유닛; 스택에 의해 발생된 전기를 변환하여 외부로 공급하고, 정격전력 값이 스택에서 발생 가능한 최대전력 값과 동일 또는 그 이상인 충전기; 충전기로부터 공급된 전기에 의해 충전되고, 외부로 전기를 공급하기 위한 배터리; 충전기 또는 배터리로부터 공급된 전기를 변환하여 BOP로 공급하기 위한 제1 DC/DC 컨버터; 및 배터리가 만충전 상태인지 판단하고, 이 판단결과 만충전 상태에 도달 하기 전인 경우, 충전기에서 변환된 모든 전기를 배터리로 공급하여 배터리를 충전하면서 배터리의 전력을 외부부하로 공급하며, 배터리의 전력을 제1 DC/DC 컨버터로 공급하는 제어유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 본 발명은 배터리의 만충전 시까지는 스택의 발생전력 모두가 충전기를 통해 배터리로 충전되고, 외부부하 및 연료전지유닛으로의 전력공급은 배터리에 의해 이루어짐으로써, 배터리의 만충전 시까지는 외부부하의 변동에 대응한 스택의 출력변동이 최소화되어 연료효율을 향상할 수 있다.

Description

연료전지 시스템 및 이의 제어방법{Fuel cell system and control method thereof}
본 발명은 연료전지 시스템 및 이의 제어방법에 관한 것으로, 구체적으로는, 연료효율을 향상할 수 있는 연료전지 시스템 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 연료전지 및 보조 배터리로 구성된 연료전지 시스템에 관한 것으로, 연료전지(Fuel Cell)는 메탄올과 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 산소 또는 산소를 포함한 공기의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시켜 외부부하에 공급하거나 보조 배터리를 충전하는 발전 시스템이다.
상기 연료전지는 메탄올 또는 에탄올 등을 개질하여 만들어진 수소를 연료로 사용하여 자동차, 주택 및 공공건물 등의 대체 전력원으로 응용 범위가 넓은 장점을 갖는다. 구체적으로 연료전지는 기본적으로 스택(stack), 개질기, BOP(Balance Of Plants) 등을 구비한다. BOP는 연료탱크, 연료 펌프 및 밸브 등으로 스택(stack) 및 개질기의 동작을 주변에서 보조하는 주변기계장치를 의미한다.
그러나 종래 연료전지 시스템은, 스택의 출력량이 외부부하의 변동에 따라 변동되지만, 개질기에 의해 스택에 공급되는 수소의 양은 스택의 출력량 변동에 무관하게 스택의 최대 출력량을 위한 수소가 일정하게 공급되기 때문에, 미 반응 수소에 의한 연료효율이 떨어지는 문제를 가진다.
KR 10-2008-0084372 A, 2008. 09. 19, 도면 1
본 발명의 목적은 배터리와 연계하여 출력전력의 흐름을 제어함으로써 외부부하의 변동에 대응한 스택의 출력변동을 최소화함으로써 연료효율을 향상할 수 있는 연료전지 시스템 및 이의 제어방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 연료전지 시스템은, 개질기 및 스택과, 상기 개질기 및 스택의 동작을 보조하는 BOP(Balance Of Plants)를 구비하고, 상기 개질기로부터 공급되는 수소의 양에 의해 상기 스택에서 발생 가능한 최대전력 값이 정해지는 연료전지유닛; 상기 스택에 의해 발생된 전기를 변환하여 외부로 공급하고, 정격전력 값이 상기 스택에서 발생 가능한 최대전력 값과 동일 또는 그 이상인 충전기; 상기 충전기로부터 공급된 전기에 의해 충전되고, 외부로 전기를 공급하기 위한 배터리; 상기 충전기 또는 상기 배터리로부터 공급된 전기를 변환하여 상기 BOP로 공급하기 위한 제1 DC/DC 컨버터; 및 상기 배터리가 만충전 상태인지 판단하고, 이 판단결과 만충전 상태에 도달 하기 전인 경우, 상기 충전기에서 변환된 모든 전기를 상기 배터리로 공급하여 상기 배터리를 충전하면서 상기 배터리의 전력을 외부부하로 공급하며, 상기 배터리의 전력을 상기 제1 DC/DC 컨버터로 공급하는 제어유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어유닛은, 상기 배터리가 만충전 상태에 도달한 경우, 상기 충전기로부터 상기 배터리로 공급되는 전력을 차단하고 상기 배터리로부터 상기 외부부하 및 상기 제1 DC/DC 컨버터로 공급되는 전력을 차단하며, 상기 충전기에 의해 변환된 전기를 상기 외부부하 및 상기 제1 DC/DC 컨버터로 분배하여 공급할 수 있다.
상기 외부부하는, 상기 충전기 또는 상기 배터리로부터 공급되는 직류전력을 교류부하에 대응하여 변환하기 위한 DC/AC 인버터와 직류부하에 대응하여 변환하기 위한 제2 DC/DC 컨버터를 구비할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 따른 연료전지 시스템의 제어방법은, 개질기와 스택과 BOP(Balance Of Plants)를 구비하고 상기 개질기로부터 공급되는 수소의 양에 의해 스택에서 발생 가능한 최대전력 값이 정해지는 연료전지유닛, 상기 스택에 의해 발생된 전기를 변환하여 외부로 공급하고 정격전력 값이 상기 스택에서 발생 가능한 최대전력 값과 동일 또는 그 이상인 충전기, 상기 충전기로부터 공급된 전기에 의해 충전되고 외부로 전기를 공급하기 위한 배터리, 및 상기 충전기 또는 상기 배터리로부터 공급된 전기를 변환하여 상기 BOP로 공급하기 위한 제1 DC/DC 컨버터를 구비한 연료전지 시스템의 제어방법에 관한 것이다.
본 발명의 다른 일 측면에 따른 연료전지 시스템의 제어방법은, 상기 배터리의 상태를 모니터링하여 만충전 여부를 판단하는 만충전 판단단계; 상기 만충전 판단단계에 의해 상기 배터리가 만충전 상태에 도달하기 전인 것으로 판단한 경우, 상기 충전기로부터 외부부하 및 상기 제1 DC/DC 컨버터로 공급되는 전기를 차단하는 충전기전력공급 차단단계; 상기 충전기전력공급 차단단계의 수행 후, 상기 충전기에서 변환된 모든 전기를 상기 배터리로 공급하여 상기 배터리를 충전하는 충전단계; 및 상기 배터리를 충전하는 충전단계를 수행하면서 동시에 상기 배터리의 전력을 상기 외부부하 및 상기 제1 DC/DC 컨버터로 공급하는 배터리전력공급단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지 시스템의 제어방법은, 상기 만충전 판단단계에 의해 상기 배터리가 만충전 상태에 도달한 경우, 상기 충전기로부터 상기 배터리로 공급되는 전력을 차단하는 과정과, 상기 배터리로부터 상기 외부부하 및 상기 제1 DC/DC 컨버터로 공급되는 전력을 차단하는 과정과, 상기 충전기에 의해 변환된 전기를 상기 외부부하 및 상기 제1 DC/DC 컨버터로 분배하여 공급하는 과정을 구비하는 충전기전력공급단계를 더 포함할 수 있다.
여기서 상기 외부부하는 상기 충전기 또는 상기 배터리로부터 공급되는 직류전력을 교류부하에 대응하여 변환하기 위한 DC/AC 인버터와 직류부하에 대응하여 변환하기 위한 제2 DC/DC 컨버터를 구비할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 연료전지 시스템 및 이의 제어방법은 배터리의 만충전 시까지는 스택의 발생전력 모두가 충전기를 통해 배터리로 충전되고, 외부부하 및 연료전지유닛으로의 전력공급은 배터리에 의해 이루어짐으로써, 배터리의 만충전 시까지는 외부부하의 변동에 대응한 스택의 출력변동이 최소화되어 연료효율을 향상할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 연료효율 향상을 위한 제어절차도이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 대해 설명한다. 도면들에 표시된 구성들은 본 발명의 개념을 설명하기 위한 개념도로서, 구성에 대한 설명 중 공지기술에 대한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 블록도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 연료전지 시스템(1)은 연료전지유닛(10), 충전기(20), 배터리(30), 제1 DC/DC 컨버터(40) 및 제어유닛(50)으로 이루어질 수 있다.
연료전지유닛(10)은 개질기(12), 스택(14), 개질기(12)와 스택(14)의 동작을 보조하는 BOP(Balance Of Plants)(16)를 구비하고, 제어유닛(50)의 제어에 의해 전기를 발생한다. BOP(16)는 연료를 저장하는 연료저장부, 연료저장부의 연료를 개질기(12)로 공급하기 위한 펌프 등으로 구성될 수 있다.
개질기(12)는 BOP(16)에 의해 공급된 연료를 가열하여 수소를 생성하고, 이를 스택(14)으로 공급한다. 즉 개질기(12)는 펌프에 의해 연료저장부로부터 공급된 연료와 반응하여 수소 등의 연료가스를 생성하여 스택(14)으로 공급한다.
즉, 개질기(12)는 연료전지 시스템(1)이 시동 온(ON) 되어 웜업(warm up)을 수행한다. 개질기(12)의 웜업은 개질기(12) 내의 촉매가 촉매활성화 온도에 도달되도록 하여 수소를 안정적으로 발생하도록 하기 위해 수행된다.
스택(14)은 개질기(12)로부터 공급된 수소와 같은 연료가스 및 공기를 이용하여 전기화학반응을 일으켜 기전력을 발생한다. 여기서 스택(14)에서 발생가능한 최대 전력값은 개질기(12)로부터 공급되는 사전에 정해진 수소의 양에 의해 정해질 수 있다. 이와 같이 발생된 전기는 제어유닛(50)의 제어에 의해 충전기(20) 로 공급한다.
충전기(20)는 연료전지유닛(10)에 의해 발생된 전기를 변환하여 외부로 공급한다. 구체적으로 충전기(20)는 변환된 전기를 제어유닛(50)의 제어에 의해 외부부하, 배터리(30) 및 제1 DC/DC 컨버터(40)에 선택적으로 공급한다.
여기서 충전기(20)는 정격전력 값이 스택(14)에서 발생 가능한 최대전력 값과 동일 또는 그 이상인 것으로 마련되는 것이 바람직하다. 이에 의해 충전기(20)가 스택(14)의 최대전력을 사용할 수 있어, 변동되는 스택(14)의 전기 발생량에 관계없이 개질기(12)로부터 스택(14)으로 일정하게 공급되는 수소의 활용성을 최대화할 수 있다.
배터리(30)는 제어유닛(50)의 제어에 의해 충전기(20)로부터 공급되는 전기에 의해 충전되고, 제어유닛(50)의 제어에 의해 외부부하 및 제1 DC/DC 컨버터(40)로 전력을 공급한다. 또한 배터리(30)는 배터리(30)의 만충전 여부와 같은 배터리(30)의 상태를 감지하여 제어유닛(50)으로 전달한다.
제1 DC/DC 컨버터(40)는 제어유닛(50)의 제어에 의해 충전기(20) 또는 배터리(30)로부터 선택적으로 공급되는 전기를 변환하여 연료전지유닛(10)으로 공급한다.
구체적으로 제1 DC/DC 컨버터(40)는 충전기(20)로부터 공급된 직류전력을 연료전지유닛(10)에 대응하는 직류전력으로 변환하여 공급한다. 일반적으로 제1 DC/DC 컨버터(40)는 BOP(16)로 변환된 직류전력을 공급하여 연료전지유닛(10)을 활성화한다.
한편 본 실시예에 따른 연료전지 시스템(1)에 연결되어 구동되는 외부부하는, 충전기(20) 또는 배터리(30)로부터 공급되는 직류전력을 교류부하에 대응하여 변환하기 위한 DC/AC 인버터와 직류부하에 대응하여 변환하기 위한 제2 DC/DC 컨버터를 구비할 수 있다.
이하에서는 제어유닛(50)에 대해 구체적으로 설명한다. 제어유닛(50)은 전술한 각 구성들의 동작을 제어하고 본 실시예에 따른 연료전지 시스템(1)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.
제어유닛(50)은 배터리(30)의 만충전 여부에 따라 도 1에 도시된 바와 같이 구동전원의 흐름이 제1 출력전류흐름 또는 제2 출력전류흐름을 가지도록 시스템을 운용한다.
제어유닛(50)은 배터리(30)가 만충전 상태인지 판단하여 만충전 상태에 도달하기 전인 경우, 연료전지유닛(10)의 최대 발생전력을 소모하는 충전기(20)에서 변환된 모든 전기를 배터리(30)로 공급하여 배터리(30)를 충전한다. 충전기(20)의 정격전력 값은 전술한 바와 같이 연료전지유닛(10)의 최대발생 전력 값과 동일하거나 크게 정해질 수 있다.
제어유닛(50)은 배터리(30)가 만충전 상태에 도달하기 전인 경우, 위와 같이 충전기(20)에서 변환된 모든 전기를 배터리(30)로 공급하여 배터리(30)를 충전함과 동시에, 배터리(30)의 전력을 이용하여 외부부하 및 제1 DC/DC 컨버터(40)로 전력을 공급할 수 있다. 연료전지유닛(10)은 제1 DC/DC 컨버터(40)를 통해 전력을 공급받을 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 연료전지 시스템(1)은 배터리의 만충전 까지는 충전기(20)의 모든 전력이 배터리(30)로만 공급되고, 외부로의 전력공급은 배터리(30)에 의해 수행됨으로써, 외부부하의 변동에 무관하게 연료전지유닛(10)의 수소 가용율이 최대가 되도록 유지할 수 있어, 연료효율을 향상할 수 있다.
한편, 제어유닛(50)은 배터리(30)가 만충전 상태인지 판단하여 배터리(30)가 만충전 상태에 도달한 경우, 충전기(20)로부터 배터리(30)로 공급되는 전력을 차단하고 배터리(30)로부터 외부부하 및 제1 DC/DC 컨버터(40)로 공급되는 전력을 차단한다.
또한 제어유닛(50)은 배터리(30)가 만충전 상태에 도달하여 위의 동작을 수행한 경우, 이와 동시에 충전기(20)에 의해 변환된 전기를 외부부하 및 제1 DC/DC 컨버터(40)로 분배하여 공급한다. 즉, 배터리(30)가 만충전에 도달한 경우에는, 외부부하 및 연료전지유닛(10)의 가동을 위한 전원공급은 배터리(30)가 아닌 충전기(20)에 의해 이루진다.
이 경우 충전기(20)는 배터리(30)를 충전하는 기능을 수행하지 않고 연료전지유닛(10)에 의해 발생된 전기를 외부로 공급하는 기능을 수행한다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 연료전지 시스템(1)은 충전기(20)가 고유 기능인 배터리(30)의 충전 기능뿐만 아니라 직접 외부로 구동전력을 공급하는 기능을 수행함으로써, 시스템의 소형화 및 원가절감에 기여할 수 있다.
이하에서는, 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법에 대해 구체적으로 설명한다. 연료전지 시스템의 제어방법은, 배터리(30)의 만충전 여부에 따라 도 1에 도시된 바와 같이 제1 출력전류흐름 및 제2 출력전류흐름 중 어느 하나를 선택적으로 수행하는 제어루틴을 구비한다.
먼저, 연료전지 시스템(1)은 배터리(30)의 상태를 모니터링하여 만충전 상태인지를 판단한다(S210).
연료전지 시스템(1)은, S210단계의 판단결과, 배터리(30)의 상태가 만충전 상태에 도달 하기 전인 경우, 충전기(20)로부터 외부부하 및 제1 DC/DC 컨버터(40)로 공급되는 전기를 차단한다(S220).
다음, 연료전지 시스템(1)은 충전기에서 변환된 모든 전기를 배터리(30)로 공급하여 배터리(30)를 충전하고(S230), 배터리(30)의 전력을 외부부하로 공급하며, 배터리(30)의 전력을 제1 DC/DC 컨버터(40)로 공급한다(S240).
도 2에서는 본 실시예에 따른 S220단계, S230단계 및 S240단계가 순차적으로 수행되는 것으로 나타나 있지만, 반드시 이들 단계들이 순차적으로 수행되는 것은 아니며, 동시에 수행되거나 수행순서가 변경될 수 있다.
여기서 충전기(20)는 정격전력 값이 스택(14)에서 발생 가능한 최대전력 값과 동일 또는 그 이상인 것으로 마련됨으로써 충전기(20)가 스택(14)의 최대전력을 사용할 수 있어, 변동되는 스택(14)의 전기 발생량에 관계없이 개질기(12)로부터 스택(14)으로 일정하게 공급되는 수소의 활용성을 최대화할 수 있다.
한편, 연료전지 시스템(1)은, S210단계의 판단결과, 배터리(30)가 만충전 상태에 도달한 경우, 충전기(20)로부터 배터리(30)로 공급되는 전력을 차단한다(S250).
다음, 연료전지 시스템(1)은 배터리(30)로부터 외부부하 및 제1 DC/DC 컨버터(40)로 공급되는 전력을 차단하고(S260), 충전기(20)에 의해 변환된 전기를 외부부하 및 제1 DC/DC 컨버터(40)로 분배하여 공급한다(S270).
도 2에서는 본 실시예에 따른 S250단계, S260단계 및 S270단계가 순차적으로 수행되는 것으로 나타나 있지만, 반드시 이들 단계들이 순차적으로 수행되는 것은 아니며, 동시에 수행되거나 수행순서가 변경될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(1) 및 이의 제어방법은 배터리(30)의 만충전 시까지는 스택(14)의 발생전력 모두가 충전기(20)를 통해 배터리(30)로 충전되고, 외부부하 및 연료전지유닛(10)으로의 전력공급은 배터리(30)에 의해 이루어짐으로써, 배터리(30)의 만충전 시까지는 외부부하의 변동에 대응한 스택(14)의 출력변동이 최소화되어 연료효율을 향상할 수 있다.
1: 연료전지 시스템
10: 연료전지유닛
12: 개질기
14: 스택
16: BOP
20: 충전기
30: 배터리
40: 제1 DC/DC 컨버터
50: 제어유닛

Claims (6)

  1. 개질기 및 스택과, 상기 개질기 및 스택의 동작을 보조하는 BOP(Balance Of Plants)를 구비하고, 상기 개질기로부터 공급되는 수소의 양에 의해 상기 스택에서 발생 가능한 최대전력 값이 정해지는 연료전지유닛;
    상기 스택에 의해 발생된 전기를 변환하여 외부로 공급하고, 정격전력 값이 상기 스택에서 발생 가능한 최대전력 값과 동일 또는 그 이상인 충전기;
    상기 충전기로부터 공급된 전기에 의해 충전되고, 외부로 전기를 공급하기 위한 배터리;
    상기 충전기 또는 상기 배터리로부터 공급된 전기를 변환하여 상기 BOP로 공급하기 위한 제1 DC/DC 컨버터; 및
    상기 배터리가 만충전 상태인지 판단하고, 이 판단결과 만충전 상태에 도달 하기 전인 경우, 상기 충전기에서 변환된 모든 전기를 상기 배터리로 공급하여 상기 배터리를 충전하면서 상기 배터리의 전력을 외부부하로 공급하며, 상기 배터리의 전력을 상기 제1 DC/DC 컨버터로 공급하는 제어유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어유닛은,
    상기 배터리가 만충전 상태에 도달한 경우, 상기 충전기로부터 상기 배터리로 공급되는 전력을 차단하고 상기 배터리로부터 상기 외부부하 및 상기 제1 DC/DC 컨버터로 공급되는 전력을 차단하며, 상기 충전기에 의해 변환된 전기를 상기 외부부하 및 상기 제1 DC/DC 컨버터로 분배하여 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 외부부하는,
    상기 충전기 또는 상기 배터리로부터 공급되는 직류전력을 교류부하에 대응하여 변환하기 위한 DC/AC 인버터와 직류부하에 대응하여 변환하기 위한 제2 DC/DC 컨버터를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 개질기와 스택과 BOP(Balance Of Plants)를 구비하고 상기 개질기로부터 공급되는 수소의 양에 의해 스택에서 발생 가능한 최대전력 값이 정해지는 연료전지유닛, 상기 스택에 의해 발생된 전기를 변환하여 외부로 공급하고 정격전력 값이 상기 스택에서 발생 가능한 최대전력 값과 동일 또는 그 이상인 충전기, 상기 충전기로부터 공급된 전기에 의해 충전되고 외부로 전기를 공급하기 위한 배터리, 및 상기 충전기 또는 상기 배터리로부터 공급된 전기를 변환하여 상기 BOP로 공급하기 위한 제1 DC/DC 컨버터를 구비한 연료전지 시스템의 제어방법에 있어서,
    상기 배터리의 상태를 모니터링하여 만충전 여부를 판단하는 만충전 판단단계;
    상기 만충전 판단단계에 의해 상기 배터리가 만충전 상태에 도달하기 전인 것으로 판단한 경우, 상기 충전기로부터 외부부하 및 상기 제1 DC/DC 컨버터로 공급되는 전기를 차단하는 충전기전력공급 차단단계;
    상기 충전기전력공급 차단단계의 수행 후, 상기 충전기에서 변환된 모든 전기를 상기 배터리로 공급하여 상기 배터리를 충전하는 충전단계; 및
    상기 배터리를 충전하는 충전단계를 수행하면서 동시에 상기 배터리의 전력을 상기 외부부하 및 상기 제1 DC/DC 컨버터로 공급하는 배터리전력공급단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 만충전 판단단계에 의해 상기 배터리가 만충전 상태에 도달한 경우, 상기 충전기로부터 상기 배터리로 공급되는 전력을 차단하는 과정과, 상기 배터리로부터 상기 외부부하 및 상기 제1 DC/DC 컨버터로 공급되는 전력을 차단하는 과정과, 상기 충전기에 의해 변환된 전기를 상기 외부부하 및 상기 제1 DC/DC 컨버터로 분배하여 공급하는 과정을 구비하는 충전기전력공급단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 외부부하는,
    상기 충전기 또는 상기 배터리로부터 공급되는 직류전력을 교류부하에 대응하여 변환하기 위한 DC/AC 인버터와 직류부하에 대응하여 변환하기 위한 제2 DC/DC 컨버터를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
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