KR101313876B1 - 정치형 연료전지 시스템의 운전비용 관리 방법 - Google Patents

정치형 연료전지 시스템의 운전비용 관리 방법 Download PDF

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양태현
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Abstract

본 발명은 정치형 연료전지 시스템의 운전비용 관리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 본 발명은 환경정보와 제품정보를 기반으로 운전방법을 최적으로 유지할 수 있는 정치형 연료전지 시스템의 운전비용 관리 방법을 제공한다.

Description

정치형 연료전지 시스템의 운전비용 관리 방법 {METHOD FOR MANAGING STATIONARY FULE CELL SYSTEM }
본 발명은 정치형 연료전지 시스템의 운전비용 관리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 본 발명은 환경정보와 제품정보를 기반으로 운전방법을 최적으로 유지할 수 있는 정치형 연료전지 시스템의 운전비용 관리 방법에 관한 것이다.
화석연료는 매장량이 매우 제한되어 있어 고갈될 수밖에 없다. 특히, 지구온난화를 일으키는 온실가스의 주배출원이 화석연료이기 때문에 선진국들은 화석연료를 줄이기 위해 대체에너지나 원자력을 이용한 수소에너지 개발 등에 주력하고 있다. 대체에너지로 부각되고 있는 에너지원은 태양에너지, 풍력발전, 수소에너지, 바이오메스 등 여러 가지가 있다. 태양열이나 풍력은 보조설비를 갖추어야 하며, 집열판이나 풍차를 설치하려면 넓은 공간이 필요하며 생태계 파괴, 소음 등의 또 다른 환경문제도 발생한다. 미래에너지는 환경친화(Environmental acceptability), 경제성(Economic productibility), 수급안정성(Eternal capability) 등의 요건이 필요하다.
연료전지(Fuel Cell)는 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지로, 수소, 산소와 같이 지구상에 풍부하게 존재하는 물질로부터 전기 에너지를 발생시키는 새로운 친환경적 미래형 에너지 기술이다.
연료전지는 공기극(Cathode)에 산소가 공급되고 연료극(Anode)에 수소가 공급되어 물의 전기분해 역반응 형태로 전기화학반응이 진행되어 전기, 열, 및 물이 발생되어 공해를 유발하지 않으면서도 고효율로 전기에너지를 생산한다.
도시가스 등 수소를 포함하는 연료를 사용해서 전기와 열을 생산하는 연료전지는 온실가스 감소효과와 더불어 일자리 창출효과가 매우 큰 대표적인 신성장동력 산업으로, 전 세계적으로 상용화가 적극 추진 중이다.
연료전지는 전기와 온수 양쪽이 만들어지고 가정의 광열비를 절약할 수 있으며 지구 온난화 방지에 기여할 수 있다는 점을 만족의 주요 사유로 꼽는다.
가정에 연료전지를 설치하면 소비자는 에너지 비용 절감은 물론이고 친환경 주택으로 집의 가치가 올라가는 혜택을 누릴 수 있다. 정부는 기존 발전방식 대비 온실가스 배출을 30% 이상 줄일 수 있는 장점이 있다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고 국내에서는 가정용 연료전지 보급이 활발하게 이루어지지 못하고 있는 실정이다. 이는 연료전지에 대한 소비자의 인지도가 부족한 데다 아직은 제품 가격이 비싸기 때문이다. 그럼에도 불구하고 환경이나 향후 거시적 관점에서 바라보았을 때 꼭 필요한 일인 것만은 의심의 여지가 없다.
지구의 전기공급 문제에 대한 한 가지 대안은 재생가능한 분산형 에너지발전(RDEG, renewable distributed energy generation) 기술이다. RDEG 기술은 전력을 소비지점에서 생산하며, 고비용이며 비효율적인 송배전망의 구비를 축소할 수 있다. RDEG 기술은 전력을 생산하면서 온실가스 또한 최소한으로 배출한다. 이 기술은 수용가에게 보다 많은 통제권, 민첩성, 비용절감 등의 혜택을 제공하면서 중앙집중형의 에너지자원과 연계된 복잡성을 최소화하는 잠재력을 지니고 있다. 그러나 오늘날 RDEG 기술의 경제학은 입지를 굳히지 못하고 있다. 이러한 이유 때문에 정부가 RDEG 기술의 상용화에 직접적인 보조금을 주고 있다.
RDEG 기술은 세 가지 주요 기술로 구성되어 있다. 태양광, 소형 풍력, 연료전지이다. 전력시장을 분해해서 살펴볼 때, RDEG 기술은 전체 발전원에서 아주 작은 부분만을 차지하고 있다.
정치형 연료전지(stationary fuel cell)는 장기적으로 거대한 잠재력을 지니고 있다. 정치형 연료전지는 청정하고 효율적인 전원에 해당하며, 1kw에서 10MW이상까지 발전용량을 갖출 수 있다. 보다 개혁적인 기술을 통해 연료전지는 천연가스와 같이 기존 또는 접근 가능한 연료를 활용할 수 있고, 인접 산업공정의 부산물인 바이오연료 및 가스를 포함한 다른 연료들도 활용할 수 있다. 열병합 발전소와 결합될 경우 효율성이 40~50% 수준에서 85% 수준까지 획기적으로 증가할 수 있다. 그러나 비용 문제가 그 기술의 장기적 잠재력을 전망하기 어렵게 만든다. 비용을 낮추기 위해서는 규모가 증가해야 한다. 그러나 규모를 늘리기 위해서는 비용이 크게 하락하여야 한다. 지속적인 정부의 지원 프로그램이 없다면, 동 기술이 성공 임계점을 도달할 수 있을지, 언제 도달할지 알 수가 없다.
정치형 연료전지의 상용화를 위해서는 합리적인 가격의 정치형 연료전지 제조 방법 및 효율성 높은 정치형 연료전지 시스템의 개발 등 해결해야 할 많은 문제점이 있다. 그중 정치형 연료전지 시스템의 효율을 높이기 위한 분야에 대해 많은 방법들이 연구되었다.
한국공개특허 [10-2012-0004816]에서는 연료전지 시스템의 운전 방법이 개시되어 있다.
한국공개특허 [10-2012-0004816]
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 제품정보를 기반으로 부품 성능, 효율 및 수명 등을 예측하고, 환경정보를 기반으로 운전 조건을 최적으로 유지하기 위한 정치형 연료전지 시스템의 운전비용 관리 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 정치형 연료전지 시스템의 운전비용 관리 방법에 있어서, 정치형 연료전지 시스템(70)의 컨트롤부와 착탈 가능하며, 연결부(100), 수집부(200), 연산부(300) 및 제어부(400)를 포함하여 구성되는 정치형 연료전지 시스템 관리장치의 정치형 연료전지 시스템의 운전비용 관리 방법에 있어서, 상기 수집부(200)가 상기 연결부를 통해 제품정보를 입력받고, 상기 연산부(300)가 환경정보를 입력받는 정보 입력 단계(S10); 상기 연산부(300)가 상기 정보 입력 단계에서 입력받은 상기 제품정보 및 상기 환경정보를 기반으로 연료 사용 비용이 낮은 운전, 전기 사용 비용이 낮은 운전, 연료 사용 비용과 전기 사용 비용을 합한 종합 비용이 낮은 운전 중 선택되는 적어도 어느 하나의 운전목적에 따른 운행방법을 산출하여 운전 비용을 낮추기 위한 상기 정치형 연료전지 시스템(70)의 제어방법을 결정하는 제어방법 결정 단계(S20); 및 상기 제어부가 상기 제어방법 결정 단계에서 상기 결정된 제어방법에 따라 상기 정치형 연료전지 시스템(70)을 제어하는 제어단계(S30);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 정보 입력 단계(S10)의 제품정보는
개질기에 공급되는 연료 유량, 개질기용 버너에 공급되는 연료 유량, 정치형 연료전지 전압, 정치형 연료전지 전류, 연료변환시스템에 공급되는 연료 유량, 정치형 연료전지 전력, 정치형 연료전지 온도, 정치형 연료전지 압력, 정치형 연료전지 연료 및 산화제 이용률, 정치형 연료전지 습도, 정치형 연료전지 주변장치(BOP)의 총 소비전력, DC/DC 컨버터 효율, DC/AC 인버터 기기 효율, 열회수용 유체의 유량, 온수 입구 온도의 물 엔탈피, 온수 출구 온도의 물 엔탈피, 정치형 연료전지 이외의 용도로 가정이나 건물에서 사용하는 NG 유량 및 가정이나 건물에서 필요로 하는 전기 부하량 중 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또, 상기 정보 입력 단계(S10)의 환경정보는 연료 단가, 연료 발열량, 연료 조성정보, 전기단가, 연료 단가에 대한 할인율, 연료 단가에 대한 지원금 및 연료 요금체계 중 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연료 사용 비용이 낮은 운전은
다음식
Figure 112012075253986-pat00001
(CNG-in는 연료 사용 비용, UCNG는 연료 단가, FNG-l는 정치형 연료전지 이외의 용도로 사용하는 연료 유량, FNG-in는 연료변환시스템에 공급되는 연료의 유량)
에 의해 연료 사용 비용이 가장 낮은 운전인 것을 특징으로 한다.
또, 상기 전기 사용 비용이 낮은 운전은
다음식
Figure 112013040648190-pat00015
(Cp는 전기 사용 비용, UCp는 전기 단가, Wl는 정치형 연료전지 이외의 용도로 사용하는 전기 부하, Wstack는 정치형 연료전지 스택에서 발생되는 전기 출력(전압×전류), WBOP는 주변장치(BOP)에서 소비되는 전력의 합 , Ecov는 DC/DC컨버터 효율, Einv는 DC/AC인버터 효율)
에 의해 전기 사용 비용이 가장 낮은 운전인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 종합 비용이 낮은 운전은
다음식
Figure 112013040648190-pat00016
(Csfc는 종합 비용, UCp는 전기 단가, Wl는 정치형 연료전지 이외의 용도로 사용하는 전기 부하, Wstack는 정치형 연료전지 스택에서 발생되는 전기 출력(전압×전류), WBOP는 주변장치(BOP)에서 소비되는 전력의 합 , Ecov는 DC/DC컨버터 효율, Einv는 DC/AC인버터 효율, UCNG는 연료 단가, FNG-l는 정치형 연료전지 이외의 용도로 사용하는 연료 유량, FNG-in는 연료변환시스템에 공급되는 연료의 유량)
에 의해 전기 사용 비용이 가장 낮은 운전인 것을 특징으로 한다.
또, 상기 제어방법 결정 단계(S20)는 상기 정보 입력 단계(S10)에서 입력받은 상기 제품정보를 기반으로 상기 정치형 연료전지 시스템(70)의 성능을 예측하는 성능 예측 단계(S21); 상기 성능 예측 단계(S21)에서 예측한 상기 정치형 연료전지 시스템(70)의 성능, 상기 정보 입력 단계에서 입력된 상기 환경정보를 기반으로 적어도 하나의 운전 조건에 따른 운행방법을 산출하는 운행방법 산출 단계(S23); 및 상기 운행방법 산출 단계(S23)에서 산출된 적어도 하나의 운행방법 중 하나를 선택하는 운행방법 결정 단계(S24);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 제어방법 결정 단계(S20)는 상기 정보 입력 단계(S10)에서 입력받은 상기 제품정보를 기반으로 상기 정치형 연료전지 시스템(70)의 성능을 예측하는 성능 예측 단계(S21); 외부 입력장치를 이용하여 운전목적을 선택하여 입력하는 운전목적 입력 단계(S22); 및 상기 성능 예측 단계(S21)에서 예측한 상기 정치형 연료전지 시스템(70)의 성능, 상기 정보 입력 단계(S10)에서 입력된 상기 환경정보 및 상기 운전목적 입력 단계(S22)에서 입력된 상기 운전목적을 기반으로 운행방법을 산출하는 운행방법 산출 단계(S23);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정치형 연료전지 시스템의 운전비용 관리 방법에 의하면, 시시각각 변화하는 연료 단가, 연료 발열량, 연료 조성정보, 연료 단가에 대한 할인율, 연료 단가에 대한 지원금, 연료 요금체계 및 전기 단가 등의 환경정보에 빠르게 대응하여 효율성을 높이는 효과가 있으며, 부품 성능, 효율 및 수명 등의 제품정보에 빠르게 대응하여 최적의 운전 조건을 제시하고 조절하므로 정치형 연료전지 모듈의 효율성을 높이는 효과가 더욱 뛰어나다.
도 1은 종래의 연료를 개질하여 사용하는 연료전지 시스템의 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정치형 연료전지 시스템 관리 장치의 개념도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 정치형 연료전지 시스템의 운전비용 관리 방법의 순서도.
도 4는 본 발명의 제 1일 실시예에 따른 정치형 연료전지 시스템의 운전비용 관리 방법의 순서도.
도 5는 본 발명의 제 2일 실시예에 따른 정치형 연료전지 시스템의 운전비용 관리 방법의 순서도.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 정치형 연료전지 시스템의 운전비용 관리 방법은 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래의 연료를 개질하여 사용하는 연료전지 시스템의 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정치형 연료전지 시스템 관리 장치의 개념도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 정치형 연료전지 시스템의 운전비용 관리 방법의 순서도이고, 도 4는 본 발명의 제 1일 실시예에 따른 정치형 연료전지 시스템의 운전비용 관리 방법의 순서도이며, 도 5는 본 발명의 제 2일 실시예에 따른 정치형 연료전지 시스템의 운전비용 관리 방법의 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정치형 연료전지 시스템의 운전비용 관리 방법은 정치형 연료전지 시스템의 제품정보를 입력받아 상기 정치형 연료전지 모듈의 성능을 추정하고, 환경정보와 운전목적에 따른 효율적인 운행방법을 산출하여, 상기 정치형 연료전지 모듈을 제어하는 장치에 관한 것이다.
일반적인 정치형 연료전지 시스템은 연료를 개질하여 사용한다. 이때, 사용 가능한 연료로는 화석연료, 바이오 매스(메탄 CH4 등), 물 등이 될 수 있다. 여기서 화석연료는 액화천연가스(LNG), 천연가스(NG), 액화석유가스(LPG), 나프타, 석탄가스 및 메탄올 등을 말한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 연료를 개질하여 사용하는 정치형 연료전지 시스템(70)은 정치형 연료전지 모듈(50) 및 연료변환시스템(60)을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 정치형 연료전지 모듈(50)은 정치형 연료전지 스택(51), DC/DC 컨버터, DA/AC 컨버터 및 주변장치(BOP)(54)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 상기 주변장치(BOP)(54)는 스택 공기 블로워, 스택 냉각용 물펌프, 스택용 가습기, 개질기 연료 블로워, 개질기 공기 블로워, 개질기 버너 연료 블로워, 개질기 공기 블로워, 개질기 물펌프, 열교환기, 라디에이터, 냉각팬, 제어장치, 각종 밸브 및 센서 등이 될 수 있다. 이때, 상기 주변장치(BOP)는 스택공기 블로워(미도시) 및 가습기(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 상기 연료변환시스템(60)은 개질기(61), 버너(62)를 포함하여 구성될 수 있다.
각종 연료전지 중에서 기술적 완성도가 매우 뛰어난 인산형 연료전지(PAFC) 및 자동차용이나 가정용으로 급속히 개발되고 있는 고체고분자형 연료전지(PEFC) 등은 수소를 연료로 사용하기 때문에 원료인 천연가스나 메탄올 등의 탄화수소를 수소로 바꾸는 개질(reformer)이 필요하며, 이러한 개질시스템의 개발은 연료전지 중에서도 특히 중요한 기술 개발과제 중 하나이다. 연료전지용 연료변환(개질)시스템은 탈황, 수증기 개질, CO변성(shift)의 3단계로 구성된다.
연료를 개질하여 사용하는 정치형 연료전지 시스템의 작동 원리에 대해 간략하게 설명하면, 상기 버너(62)는 연료와 공기를 공급받아 연료를 점화하여 생성된 열을 개질기로 전달한다. 상기 개질기(61)는 연료와 공기를 공급받아 상기 버너(62)로부터 전달받은 열을 이용하여 연료를 개질하여 개질된 수소연료를 상기 정치형 연료전지 모듈(50)의 상기 정치형 연료전지 스택(51)으로 전달한다. 상기 정치형 연료전지 스택(51)은 상기 연료변환시스템(60)에서 변환된 수소연료를 입력받고, 상기 스택공기 블로워 및 가습기를 이용하여 가습된 압축 산화제(공기 등)를 입력받아 전기와 열이 생성된다. 상기 정치형 연료전지 스택(51)에서 생성된 전기 에너지는 주변장치(BOP)(54)에 필요한 전기를 공급하고, DC/DC 컨버터(52) 및 DC/AC 인버터(53)를 이용하여 부하에서 사용 가능한 전력으로 변환하여 부하에 전기를 공급한다. 또한, 상기 개질기(61), 상기 버너(62) 및 상기 정치형 연료전지(52)에서 생성된 열에너지는 온수 및 난방 등에 사용 가능하다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 정치형 연료전지 시스템 관리 장치는 연결부(100), 수집부(200), 연산부(300) 및 제어부(400)를 포함하여 구성된다.
일반적인 정치형 연료전지 시스템(70)은 연료변환시스템(60) 및 정치형 연료전지 모듈(50)의 정보를 입력받아 상기 정치형 연료전지 시스템(70)을 컨트롤 하며, 외부와 연결 가능한 컨트롤부(미도시)를 포함하여 구성된다. 이러한 외부 연결용 컨트롤부(미도시)는 상기 정치형 연료전지 모듈(50)뿐 아니라 상기 연료변환시스템(60)에도 포함되어 구성이 가능하며, 상기 정치형 연료전지 모듈(50) 및 상기 연료변환시스템(60)을 포함하여 구성되는 상기 정치형 연료전지 시스템(70)에도 구성이 가능하다.
연결부(100)는 가정용, 건물용 및 상업용 연료전지를 포함하는 정치형 연료전지 시스템(70)의 컨트롤부와 착탈 가능하며, 상기 정치형 연료전지 시스템(70)과 연결된다. 여기서, 상기 연결부(100)는 상기 수집부(200)에서 요구하는 정보를 제공할 수 있는 컨트롤부에 연결할 수 있다.
수집부(200)는 상기 연결부(100)와 연결되어 상기 정치형 연료전지 시스템(70)의 제품정보를 입력받는다. 상기 제품정보는 직접 측정된 데이터, 외부로부터 입력받은 데이터 및 상기 직접 측정된 데이터와 상기 외부포부터 입력받은 데이터를 이용하여 산출된 데이터가 될 수 있다.
연산부(300)는 상기 수집부(200)와 연결되어 상기 입력받은 제품정보를 기반으로 상기 정치형 연료전지 시스템(70)의 제어방법을 결정한다.
제어부(400)는 상기 연산부(300) 및 상기 연결부(100)와 연결되어 상기 연산부(300)에서 결정된 상기 제어방법에 따라 상기 정치형 연료전지 시스템(70)을 제어한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 정치형 연료전지 시스템의 운전비용 관리 방법은 정치형 연료전지 시스템(70)의 컨트롤부와 착탈 가능하며, 연결부(100), 수집부(200), 연산부(300) 및 제어부(400)를 포함하여 구성되는 정치형 연료전지 시스템 관리장치의 정치형 연료전지 시스템의 운전비용 관리 방법에 있어서, 정보 입력 단계(S10), 제어방법 결정 단계(S20) 및 제어 단계(S30)를 포함하여 구성된다.
정보 입력 단계(S10)는 상기 수집부(200)가 상기 연결부를 통해 제품정보를 입력받고, 상기 연산부(300)가 환경정보를 입력받는다. 여기서, 상기 정보 입력 단계(S10)의 제품정보는 개질기에 공급되는 연료 유량, 개질기용 버너에 공급되는 연료 유량, 정치형 연료전지 전압, 정치형 연료전지 전류, 연료변환시스템에 공급되는 연료 유량, 정치형 연료전지 전력, 정치형 연료전지 온도, 정치형 연료전지 압력, 정치형 연료전지 연료 및 산화제 이용률, 정치형 연료전지 습도, 정치형 연료전지 주변장치(BOP)의 총 소비전력, DC/DC 컨버터 효율, DC/AC 인버터 기기 효율, 열회수용 유체의 유량, 온수 입구 온도의 물 엔탈피, 온수 출구 온도의 물 엔탈피, 정치형 연료전지 이외의 용도로 가정이나 건물에서 사용하는 NG 유량 및 가정이나 건물에서 필요로 하는 전기 부하량 중 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 정보 입력 단계(S10)의 환경정보는 연료 단가, 연료 발열량, 연료 조성정보, 전기단가, 연료 단가에 대한 할인율, 연료 단가에 대한 지원금 및 연료 요금체계 중 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다. 이때, 상기 환경정보는 외부 입력장치와 연결되어 외부입력장치로부터 입력 받을 수 있다.
제어방법 결정 단계(S20)는 상기 연산부(300)가 상기 정보 입력 단계에서 입력받은 상기 제품정보 및 상기 환경정보를 기반으로 연료 사용 비용이 낮은 운전, 전기 사용 비용이 낮은 운전, 연료 사용 비용과 전기 사용 비용을 합한 종합 비용이 낮은 운전 중 선택되는 적어도 어느 하나의 운전목적에 따른 운행방법을 산출하여 운전 비용을 낮추기 위한 상기 정치형 연료전지 시스템(70)의 제어방법을 결정한다.
상기 연료 사용 비용이 낮은 운전은
다음식
Figure 112012075253986-pat00004
(CNG-in는 연료 사용 비용, UCNG는 연료 단가, FNG-l는 정치형 연료전지 이외의 용도로 사용하는 연료 유량, FNG-in는 연료변환시스템에 공급되는 연료의 유량)
에 의해 연료 사용 비용이 가장 낮은 운전인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 전기 사용 비용이 낮은 운전은
다음식
Figure 112013040648190-pat00017
(Cp는 전기 사용 비용, UCp는 전기 단가, Wl는 정치형 연료전지 이외의 용도로 사용하는 전기 부하, Wstack는 정치형 연료전지 스택에서 발생되는 전기 출력(전압×전류), WBOP는 주변장치(BOP)에서 소비되는 전력의 합 , Ecov는 DC/DC컨버터 효율, Einv는 DC/AC인버터 효율)
에 의해 전기 사용 비용이 가장 낮은 운전인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 종합 비용이 낮은 운전은
다음식
Figure 112013040648190-pat00018
(Csfc는 종합 비용, UCp는 전기 단가, Wl는 정치형 연료전지 이외의 용도로 사용하는 전기 부하, Wstack는 정치형 연료전지 스택에서 발생되는 전기 출력(전압×전류), WBOP는 주변장치(BOP)에서 소비되는 전력의 합 , Ecov는 DC/DC컨버터 효율, Einv는 DC/AC인버터 효율, UCNG는 연료 단가, FNG-l는 정치형 연료전지 이외의 용도로 사용하는 연료 유량, FNG-in는 연료변환시스템에 공급되는 연료의 유량)
에 의해 전기 사용 비용이 가장 낮은 운전인 것을 특징으로 할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 정치형 연료전지 시스템의 운전비용 관리 방법의 상기 제어방법 결정 단계(S20)는 성능 예측 단계(S21), 운행방법 산출 단계(S23) 및 운행방법 결정 단계(S24)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
성능 예측 단계(S21)는 상기 정보 입력 단계에서 입력받은 상기 제품정보를 기반으로 상기 정치형 연료전지 시스템(70)의 성능을 예측한다. 여기서, 예측 가능한 상기 정치형 연료전지 시스템(70)의 성능은 상기 정치형 연료전지 시스템(70)의 부품 성능, 효율, 수명 등이 될 수 있다.
운행방법 산출 단계(S23)는 상기 성능 예측 단계(S21)에서 예측한 상기 정치형 연료전지 시스템(70)의 성능, 상기 정보 입력 단계에서 입력된 상기 환경정보를 기반으로 적어도 하나의 운전 조건에 따른 운행방법을 산출한다. 여기서, 정치형 연료전지 시스템(70)의 운행방법의 산출은 상기 정치형 연료전지 시스템(70)의 성능과 상기 환경정보를 이용하여 여러 가지 운전목적을 기반으로 여러 가지 운행방법이 산출 될 수 있다. 예를 들어 설명하자면, 실시간으로 습득 가능한 상기 정치형 연료전지 시스템(70)의 성능과 상기 환경정보를 기반으로하여 운행방법을 산출하는데 있어서, 운전 조건은 여러 가지 방향에 따라 여러 가지 종류가 발생 할 수 있다. 만약, 운전목적이 4 가지 조건이라면, 상기 정치형 연료전지 시스템(70)의 성능과 상기 환경정보를 이용하여 4 가지 운전목적을 기반으로 운행방법을 산출하면 4 가지의 운행방법이 산출된다. 이와 같이 다양한 관점에서의 운전목적에 따른 다양한 효율을 제시하여 상기 정치형 연료전지 시스템(70)의 효율성을 높이는 장점이 있다.
운행방법 결정 단계(S24)는 상기 운행방법 산출 단계(S23)에서 산출된 적어도 하나의 운행방법 중 하나를 선택한다. 위에서 예들 들었던것 처럼 4 가지 운행방법이 산출되었다면 그 중 한 가지 운행방법을 결정하고, 결정된 상기 운행 방법에 따라 상기 정치형 연료전지 시스템(70)의 제어방법을 결정하여 상기 정치형 연료전지 시스템(70)을 제어할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 정치형 연료전지 시스템의 운전비용 관리 방법의 상기 제어방법 결정 단계(S20)는 성능 예측 단계(S21), 운전목적 입력 단계(S22) 및 운행방법 산출 단계(S23)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
성능 예측 단계(S21)는 상기 정보 입력 단계에서 입력받은 상기 제품정보를 기반으로 상기 정치형 연료전지 시스템(70)의 성능을 예측한다. 여기서, 예측 가능한 상기 정치형 연료전지 시스템(70)의 성능은 상기 정치형 연료전지 시스템(70)의 부품 성능, 효율, 수명 등이 될 수 있다.
운전목적 입력 단계(S22)는 외부 입력장치를 이용하여 운전목적을 선택하여 입력한다.
운행방법 산출 단계(S23)는 상기 성능 예측 단계(S21)에서 예측한 상기 정치형 연료전지 시스템(70)의 성능, 상기 정보 입력 단계(S10)에서 입력된 상기 환경정보 및 상기 운전목적 입력 단계(S22)에서 입력된 상기 운전목적을 기반으로 운행방법을 산출한다. 상기 정치형 연료전지 시스템(70)의 성능, 상기 환경정보 및 상기 운전목적 입력 단계(S22)에서 입력된 운전목적을 기반으로 운행방법을 산출하면 하나의 운행방법만 산출 될 수 있다. 만약, 한 가지 운행 방법만 산출 되었다면 그 한 가지 운행방법에 따라 상기 정치형 연료전지 시스템(70)의 제어방법을 결정하여 상기 정치형 연료전지 시스템(70)을 제어할 수 있다.
제어 단계(S30)는 상기 제어부(400)가 상기 제어방법 결정 단계에서 상기 결정된 제어방법에 따라 상기 정치형 연료전지 시스템(70)을 제어한다. 여기서, 정치형 연료전지 스택의 부하를 조절하기 위한 방법으로는 정치형 연료전지 스택용 계통연계 인버터의 아우트렛(outlet)의 전력을 조절할 수 있다, 또, 정치형 연료전지 스택의 온도를 조절하기 위한 방법으로는 열 회수용 유체의 유량 및 정치형 연료전지 스택의 아우트렛(outlet)의 설정 온도를 조절할 수 있다. 또한, 정치형 연료전지 스택의 압력을 조절하기 위한 방법으로는 정치형 연료전지 스택의 배압(back pressure)을 조절 할 수 있다. 또, 정치형 연료전지 스택의 연료 및 산화제 이용률을 조절하기 위한 방법으로는 정치형 연료전지 스택 공기 블로워, 개질기 연료 및 공기 블로워, 개질기 버너 연료 및 공기 블로워 등 산화제(공기 등) 및 연료 공급 장치의 공급량을 조절 할 수 있다. 아울러 정치형 연료전지 스택의 습도를 조절하기 위한 방법으로는 정치형 연료전지 스택의 연료 및 산화제(공기 등) 공급부에 부착된 가습기의 아우트렛 가스(outlet gas) 가습량을 조절 할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
50: 정치형 연료전지 모듈 51: 정치형 연료전지 스택
52: DC/DC컨버터 53: DC/AC인버터
54: 주변장치(BOP)
60: 연료변환시스템 61: 개질기
62: 버너 70: 정치형 연료전지 시스템
1000: 정치형 연료전지 시스템 관리 장치
100: 연결부 200: 수집부
300: 연산부 400: 제어부
S10: 정보 입력 단계 S20: 제어방법 결정 단계
S21: 성능 예측 단계 S22: 운전목적 입력 단계
S23: 운행방법 산출 단계 S24: 운행방법 결정 단계
S30: 제어 단계

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 정치형 연료전지 시스템(70)의 컨트롤부와 착탈 가능하며, 연결부(100), 수집부(200), 연산부(300) 및 제어부(400)를 포함하여 구성되는 정치형 연료전지 시스템 관리장치(1000)의 정치형 연료전지 시스템의 운전비용 관리 방법에 있어서,
    상기 수집부(200)가 상기 연결부를 통해 제품정보를 입력받고, 상기 연산부(300)가 외부 입력장치와 연결되어 환경정보를 입력받는 정보 입력 단계(S10);
    상기 연산부(300)가 상기 정보 입력 단계에서 입력받은 상기 제품정보 및 상기 환경정보를 기반으로 연료 사용 비용이 낮은 운전, 전기 사용 비용이 낮은 운전, 연료 사용 비용과 전기 사용 비용을 합한 종합 비용이 낮은 운전 중 선택되는 적어도 어느 하나의 운전목적에 따른 운행방법을 산출하여 운전 비용을 낮추기 위한 상기 정치형 연료전지 시스템(70)의 제어방법을 결정하는 제어방법 결정 단계(S20); 및
    상기 제어부가 상기 제어방법 결정 단계에서 상기 결정된 제어방법에 따라 상기 정치형 연료전지 시스템(70)을 제어하는 제어단계(S30);
    를 포함하여 구성되며,
    상기 정보 입력 단계(S10)의 제품정보는
    개질기에 공급되는 연료 유량, 개질기용 버너에 공급되는 연료 유량, 정치형 연료전지 전압, 정치형 연료전지 전류, 연료변환시스템에 공급되는 연료 유량, 정치형 연료전지 전력, 정치형 연료전지 온도, 정치형 연료전지 압력, 정치형 연료전지 연료 및 산화제 이용률, 정치형 연료전지 습도, 정치형 연료전지 주변장치(BOP)의 총 소비전력, DC/DC 컨버터 효율, DC/AC 인버터 기기 효율, 열회수용 유체의 유량, 온수 입구 온도의 물 엔탈피, 온수 출구 온도의 물 엔탈피, 정치형 연료전지 이외의 용도로 가정이나 건물에서 사용하는 NG 유량 및 가정이나 건물에서 필요로 하는 전기 부하량 중 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하고,
    상기 정보 입력 단계(S10)의 환경정보는
    연료 단가, 연료 발열량, 연료 조성정보, 전기단가, 연료 단가에 대한 할인율, 연료 단가에 대한 지원금 및 연료 요금체계 중 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하며,
    상기 연료 사용 비용이 낮은 운전은
    다음식
    Figure 112013073303712-pat00021

    (CNG-in는 연료 사용 비용, UCNG는 연료 단가, FNG-l는 정치형 연료전지 이외의 용도로 사용하는 연료 유량, FNG-in는 연료변환시스템에 공급되는 연료의 유량)
    에 의해 연료 사용 비용이 가장 낮은 운전인 것을 특징으로 하고,
    상기 전기 사용 비용이 낮은 운전은
    다음식
    Figure 112013073303712-pat00022

    (Cp는 전기 사용 비용, UCp는 전기 단가, Wl는 정치형 연료전지 이외의 용도로 사용하는 전기 부하, Wstack는 정치형 연료전지 스택에서 발생되는 전기 출력(전압×전류), WBOP는 주변장치(BOP)에서 소비되는 전력의 합 , Ecov는 DC/DC컨버터 효율, Einv는 DC/AC인버터 효율)
    에 의해 전기 사용 비용이 가장 낮은 운전인 것을 특징으로 하며,
    상기 종합 비용이 낮은 운전은
    다음식
    Figure 112013073303712-pat00023

    (Csfc는 종합 비용, UCp는 전기 단가, Wl는 정치형 연료전지 이외의 용도로 사용하는 전기 부하, Wstack는 정치형 연료전지 스택에서 발생되는 전기 출력(전압×전류), WBOP는 주변장치(BOP)에서 소비되는 전력의 합 , Ecov는 DC/DC컨버터 효율, Einv는 DC/AC인버터 효율, UCNG는 연료 단가, FNG-l는 정치형 연료전지 이외의 용도로 사용하는 연료 유량, FNG-in는 연료변환시스템에 공급되는 연료의 유량)
    에 의해 종합 비용이 가장 낮은 운전인 것을 특징으로 하고,
    상기 제어방법 결정 단계(S20)는
    상기 정보 입력 단계(S10)에서 입력받은 상기 제품정보를 기반으로 상기 정치형 연료전지 시스템(70)의 성능을 예측하는 성능 예측 단계(S21);
    상기 성능 예측 단계(S21)에서 예측한 상기 정치형 연료전지 시스템(70)의 성능, 상기 정보 입력 단계에서 입력된 상기 환경정보를 기반으로 적어도 하나의 운전 조건에 따른 운행방법을 산출하는 운행방법 산출 단계(S23); 및
    상기 운행방법 산출 단계(S23)에서 산출된 적어도 하나의 운행방법 중 하나를 선택하는 운행방법 결정 단계(S24);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하며,
    상기 제어 단계(S30)는 정치형 연료전지 스택용 계통연계 인버터의 아우트렛(outlet)의 전력을 조절하여 정치형 연료전지 스택의 부하를 조절하고, 열 회수용 유체의 유량 및 정치형 연료전지 스택의 아우트렛(outlet)의 설정 온도를 조절하여 정치형 연료전지 스택의 온도를 조절하며, 정치형 연료전지 스택의 배압(back pressure)을 조절 하여 정치형 연료전지 스택의 압력을 조절하고, 정치형 연료전지 스택 공기 블로워, 개질기 연료 및 공기 블로워, 개질기 버너 연료 및 공기 블로워 등 산화제(공기 등) 및 연료 공급 장치의 공급량을 조절 하여 정치형 연료전지 스택의 연료 및 산화제 이용률을 조절하며, 정치형 연료전지 스택의 연료 및 산화제(공기 등) 공급부에 부착된 가습기의 아우트렛 가스(outlet gas) 가습량을 조절 하여 정치형 연료전지 스택의 습도를 조절하는 것을 특징으로 하는 정치형 연료전지 시스템의 운전비용 관리 방법.
  8. 정치형 연료전지 시스템(70)의 컨트롤부와 착탈 가능하며, 연결부(100), 수집부(200), 연산부(300) 및 제어부(400)를 포함하여 구성되는 정치형 연료전지 시스템 관리장치(1000)의 정치형 연료전지 시스템의 운전비용 관리 방법에 있어서,
    상기 수집부(200)가 상기 연결부를 통해 제품정보를 입력받고, 상기 연산부(300)가 외부 입력장치와 연결되어 환경정보를 입력받는 정보 입력 단계(S10);
    상기 연산부(300)가 상기 정보 입력 단계에서 입력받은 상기 제품정보 및 상기 환경정보를 기반으로 연료 사용 비용이 낮은 운전, 전기 사용 비용이 낮은 운전, 연료 사용 비용과 전기 사용 비용을 합한 종합 비용이 낮은 운전 중 선택되는 적어도 어느 하나의 운전목적에 따른 운행방법을 산출하여 운전 비용을 낮추기 위한 상기 정치형 연료전지 시스템(70)의 제어방법을 결정하는 제어방법 결정 단계(S20); 및
    상기 제어부가 상기 제어방법 결정 단계에서 상기 결정된 제어방법에 따라 상기 정치형 연료전지 시스템(70)을 제어하는 제어단계(S30);
    를 포함하여 구성되며,
    상기 정보 입력 단계(S10)의 제품정보는
    개질기에 공급되는 연료 유량, 개질기용 버너에 공급되는 연료 유량, 정치형 연료전지 전압, 정치형 연료전지 전류, 연료변환시스템에 공급되는 연료 유량, 정치형 연료전지 전력, 정치형 연료전지 온도, 정치형 연료전지 압력, 정치형 연료전지 연료 및 산화제 이용률, 정치형 연료전지 습도, 정치형 연료전지 주변장치(BOP)의 총 소비전력, DC/DC 컨버터 효율, DC/AC 인버터 기기 효율, 열회수용 유체의 유량, 온수 입구 온도의 물 엔탈피, 온수 출구 온도의 물 엔탈피, 정치형 연료전지 이외의 용도로 가정이나 건물에서 사용하는 NG 유량 및 가정이나 건물에서 필요로 하는 전기 부하량 중 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하고,
    상기 정보 입력 단계(S10)의 환경정보는
    연료 단가, 연료 발열량, 연료 조성정보, 전기단가, 연료 단가에 대한 할인율, 연료 단가에 대한 지원금 및 연료 요금체계 중 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하며,
    상기 연료 사용 비용이 낮은 운전은
    다음식
    Figure 112013073303712-pat00024

    (CNG-in는 연료 사용 비용, UCNG는 연료 단가, FNG-l는 정치형 연료전지 이외의 용도로 사용하는 연료 유량, FNG-in는 연료변환시스템에 공급되는 연료의 유량)
    에 의해 연료 사용 비용이 가장 낮은 운전인 것을 특징으로 하고,
    상기 전기 사용 비용이 낮은 운전은
    다음식
    Figure 112013073303712-pat00025

    (Cp는 전기 사용 비용, UCp는 전기 단가, Wl는 정치형 연료전지 이외의 용도로 사용하는 전기 부하, Wstack는 정치형 연료전지 스택에서 발생되는 전기 출력(전압×전류), WBOP는 주변장치(BOP)에서 소비되는 전력의 합 , Ecov는 DC/DC컨버터 효율, Einv는 DC/AC인버터 효율)
    에 의해 전기 사용 비용이 가장 낮은 운전인 것을 특징으로 하며,
    상기 종합 비용이 낮은 운전은
    다음식
    Figure 112013073303712-pat00026

    (Csfc는 종합 비용, UCp는 전기 단가, Wl는 정치형 연료전지 이외의 용도로 사용하는 전기 부하, Wstack는 정치형 연료전지 스택에서 발생되는 전기 출력(전압×전류), WBOP는 주변장치(BOP)에서 소비되는 전력의 합 , Ecov는 DC/DC컨버터 효율, Einv는 DC/AC인버터 효율, UCNG는 연료 단가, FNG-l는 정치형 연료전지 이외의 용도로 사용하는 연료 유량, FNG-in는 연료변환시스템에 공급되는 연료의 유량)
    에 의해 종합 비용이 가장 낮은 운전인 것을 특징으로 하고,
    상기 제어방법 결정 단계(S20)는
    상기 정보 입력 단계(S10)에서 입력받은 상기 제품정보를 기반으로 상기 정치형 연료전지 시스템(70)의 성능을 예측하는 성능 예측 단계(S21);
    외부 입력장치를 이용하여 운전목적을 선택하여 입력하는 운전목적 입력 단계(S22); 및
    상기 성능 예측 단계(S21)에서 예측한 상기 정치형 연료전지 시스템(70)의 성능, 상기 정보 입력 단계(S10)에서 입력된 상기 환경정보 및 상기 운전목적 입력 단계(S22)에서 입력된 상기 운전목적을 기반으로 운행방법을 산출하는 운행방법 산출 단계(S23);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하며,
    상기 제어 단계(S30)는 정치형 연료전지 스택용 계통연계 인버터의 아우트렛(outlet)의 전력을 조절하여 정치형 연료전지 스택의 부하를 조절하고, 열 회수용 유체의 유량 및 정치형 연료전지 스택의 아우트렛(outlet)의 설정 온도를 조절하여 정치형 연료전지 스택의 온도를 조절하며, 정치형 연료전지 스택의 배압(back pressure)을 조절 하여 정치형 연료전지 스택의 압력을 조절하고, 정치형 연료전지 스택 공기 블로워, 개질기 연료 및 공기 블로워, 개질기 버너 연료 및 공기 블로워 등 산화제(공기 등) 및 연료 공급 장치의 공급량을 조절 하여 정치형 연료전지 스택의 연료 및 산화제 이용률을 조절하며, 정치형 연료전지 스택의 연료 및 산화제(공기 등) 공급부에 부착된 가습기의 아우트렛 가스(outlet gas) 가습량을 조절 하여 정치형 연료전지 스택의 습도를 조절하는 것을 특징으로 하는 정치형 연료전지 시스템의 운전비용 관리 방법.
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