KR101362612B1 - 연료전지 시스템 및 이의 정상정지 방법 - Google Patents

연료전지 시스템 및 이의 정상정지 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템 및 이의 정상정지 로직에 관한 것으로, 상기 연료전지 시스템은, 개질기와 스택과 BOP(Balance OF Plants)를 구비하여 전기를 발생하는 연료전지유닛; 상기 연료전지유닛에 의해 발생된 전기를 변환하여 외부로 공급하기 위한 DC 출력부; 배터리; 상기 배터리의 충전 후 시스템을 정지하기 위한 대기스위치를 구비한 사용자 입력부; 및 시스템의 정상동작 상태 중 상기 외부부하가 정지 되거나 상기 대기스위치가 선택된 경우, 상기 외부부하로의 전원공급을 차단하고 상기 배터리를 사전에 정해진 SOC임계값까지 충전한 후 상기 연료전지유닛의 작동을 정지하는 제어유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 본 발명은 시스템이 정상 정지하는 경우 연료전지유닛을 안정적으로 정지시키고, 대기스위치를 이용한 정지제어에 의해 확보된 대기시간 동안 배터리를 충전함으로써 시스템의 비상전력을 확보할 수 있어, 시스템의 안정적이며 효율적인 운용을 도모할 수 있다.

Description

연료전지 시스템 및 이의 정상정지 방법{Fuel cell system and normal shut-down method thereof}
본 발명은 연료전지 시스템 및 이의 정상정지 로직에 관한 것으로, 구체적으로는, 정상동작 중 정상적인 동작 정지 제어절차를 구비한 연료전지 시스템 및 이의 정상정지 로직에 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 등이 개질되어 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.
이와 같은 종래 연료전지 시스템의 개발 방향은 초기 단계로서 발전효율과 응용분야에 따른 하드웨어적 설계 연구에 치중되고 있다.
그러나 연료전지 시스템의 본격적인 상용화를 위해서는 발전효율의 향상과 같은 핵심적인 기술개발과 더불어 시스템의 안정적이며 효율적인 운용을 위한 소프트웨어 로직의 개발 노력이 병행되어야 한다.
특히 종래 연료전지 시스템은, 정상동작 상태에서 정상적인 정지동작을 수행하기 위한 구체적 소프트웨어 로직에 대한 개발이 부족한 측면이 존재한다.
KR 10-2008-0084372 A, 2008. 09. 19, 도면 1
본 발명의 목적은 시스템의 동작 중 외부부하의 정지와 같은 이유로 시스템이 정상 정지하는 경우 연료전지유닛을 안정적으로 정지시킬 수 있고, 비상전력을 용이하게 확보할 수 있는 연료전지 시스템 및 이의 정상정지 로직을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 연료전지 시스템은, 개질기와 스택과 상기 개질기 및 스택의 동작을 보조하는 BOP(Balance OF Plants)를 구비하여 전기를 발생하는 연료전지유닛; 상기 연료전지유닛에 의해 발생된 전기를 변환하여 외부로 공급하기 위한 DC 출력부; 상기 DC 출력부로부터 공급된 전기에 의해 충전되는 배터리; 상기 배터리의 충전 후 시스템을 정지하기 위한 대기스위치를 구비한 사용자 입력부; 및 외부부하와 상기 연료전지유닛과 상기 배터리가 상기 DC 출력부로부터 공급된 전기에 의해 운용되는 시스템의 정상동작 상태 중 상기 외부부하가 정지 되거나 상기 대기스위치가 선택된 경우, 상기 외부부하로의 전원공급을 차단하고 상기 배터리를 사전에 정해진 SOC임계값까지 충전한 후 상기 연료전지유닛의 작동을 정지하는 제어유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지 시스템은 시스템의 상태를 외부로 표시하기 위한 표시부를 더 포함하고, 상기 제어유닛은, 상기 외부부하가 정지 되거나 상기 대기스위치가 선택된 경우, 시스템이 정상정지 상태로 돌입하는 것을 알리기 위한 대기화면을 상기 표시부를 통해 표시할 수 있다.
상기 사용자입력부는 상기 배터리의 충전여부와 무관하게 시스템을 정지하기 위한 오프스위치를 더 구비하고, 상기 제어유닛은, 상기 대기화면이 표시되고 상기 외부부하로의 전원공급이 차단된 후, 상기 오프스위치가 선택된 경우 상기 배터리의 충전을 수행하지 않고 상기 연료전지유닛의 작동을 정지할 수 있다.
상기 연료전지유닛의 작동을 정지하는 것은 상기 스택의 작동을 정지하고 상기 개질기 및 상기 BOP의 작동을 정지하는 것에 의해 수행될 수 있다.
상기 DC 출력부는, 상기 제어유닛의 제어에 의해 상기 연료전지유닛 및 상기 외부부하로 직류전력을 공급하기 위한 DC/DC 컨버터와, 상기 제어유닛의 제어에 의해 상기 배터리를 충전하기 위한 충전기를 구비할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 연료전지 시스템의정상정지 로직은, BOP(Balance OF Plants)와 개질기와 스택을 구비하는 연료전지유닛, 상기 연료전지유닛으로부터 발생된 전기를 변환하여 외부로 공급하기 위한 DC 출력부, 배터리 및 사용자 입력부를 구비한 연료전지 시스템의 정상정지 로직에 관한 것으로, 상기 DC 출력부로부터 공급되는 전기에 의해 운용되는 시스템의 정상동작 상태 중 외부부하가 정지 되거나 상기 사용자 입력부의 대기스위치가 선택된 경우, 시스템이 정상정지 상태로 돌입하는 것을 알리기 위한 대기화면을 표시부를 통해 표시하는 대기상태 알림 단계; 상기 외부부하로의 전원공급을 차단하는 전원공급 차단단계; 상기 배터리를 사전에 정해진 SOC임계값까지 충전하는 충전단계; 및
상기 연료전지유닛의 작동을 정지하는 연료전지유닛 정지단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 사용자 입력부의 오프스위치가 선택되는 경우 상기 충전단계는 수행하지 않고 상기 연료전지 정지단계를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 연료전지유닛 정지단계는, 상기 스택의 작동을 정지하고 상기 개질기 및 상기 BOP의 작동을 정지할 수 있다.
상기 DC 출력부는, 상기 연료전지 시스템의 제어에 의해 상기 연료전지유닛 및 상기 외부부하로 직류전력을 공급하기 위한 DC/DC 컨버터와, 상기 연료전지 시스템의 제어에 의해 상기 배터리를 충전하기 위한 충전기를 구비할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 연료전지 시스템 및 이의 정상정지 로직은 동작 중 외부부하의 정지와 같은 이유로 시스템이 정상 정지하는 경우 연료전지유닛을 안정적으로 정지시키고, 대기스위치 및 오프스위치의 2단계 정지제어에 의해 배터리를 선택적으로 충전함으로써 시스템의 비상전력을 확보할 수 있어, 시스템의 안정적이며 효율적인 운용을 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 정상정지를 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), DC 출력부(20), 배터리(30), 사용자 입력부(40), 표시부(50) 및 제어유닛(60)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(60)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 생성한다.
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 개질기(12) 및 스택(14)의 반응 메커니즘은 이미 널리 알려져 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
또한 연료전지유닛(10)은 이와 같이 발생된 전기를 제어유닛(60)의 제어에 의해 DC 출력부(20)를 통해 연료전지유닛(10), 배터리(30) 및 외부부하로 공급한다.
DC 출력부(20)는 연료전지유닛(10)에 의해 발생된 전기를 변환하여 외부로 공급한다. 구체적으로 DC 출력부(20)는 제어유닛(60)의 제어에 의해 연료전지유닛(10) 및 외부부하로 직류전력을 공급하기 위한 DC/DC 컨버터(22)와, 제어유닛(20)의 제어에 의해 배터리(30)를 충전하기 위한 충전기(24)를 구비할 수 있다.
DC/DC 컨버터(22)는 연료전지유닛(10)에 의해 발생된 직류전기를 제어유닛(60)의 제어에 의해 변환하여 외부부하, 연료전지유닛(10) 및 충전기(24)로 공급할 수 있다.
충전기(24)는 연료전지유닛(10)에 의해 발생된 전기를 DC/DC 컨버터(22)를 통해 공급받아 배터리(30)를 충전하는 장치로서, 제어유닛(60)의 제어에 의해 동작한다. 본 실시예에서는 배터리(30)는 임계 SOC(State Of Charge) 값이 90%가 되도록 충전될 수 있다. 본 실시예에서는 임계 SOC값이 90%로 설정되었으나, 제조시 다른 값으로 설정될 수 있다.
배터리(30)는 연료전지유닛(10), 배터리(30) 및 외부부하로 제어유닛(60)의 제어에 의해 충전 전기를 공급하거나, 제어유닛(60)의 제어에 의해 DC 출력부(20)로부터 공급된 전기에 의해 충전될 수 있다.
사용자 입력부(40)는 사용자의 선택에 대응하는 제어신호를 생성하여 제어유닛(60)에 전달하는 기능을 구비하며, 대기스위치(42) 및 오프스위치(44)를 구비할 수 있다.
대기스위치(42)는 시스템이 정상 정지되기 전에 배터리(30)의 충전을 수행하도록 지시하기 위한 스위치이고, 오프스위치(44)는 배터리(30)의 충전여부와 무관하게 시스템을 정지하기 위한 스위치이다.
표시부(50)는 제어유닛(60)의 제어에 의해 동작하며, 시스템의 상태를 외부로 표시하기 위한 디스플레이 장치이다. 표시부(50)는 외부부하가 정지 되거나 상기 대기스위치가 선택된 경우 제어유닛(60)의 제어에 의해, 시스템이 정상정지 상태로 돌입하는 것을 알리기 위한 대기화면을 외부로 표시한다.
구체적으로, 표시부(50)는 정상정지 상태의 돌입에 대응하여 제어유닛(60)으로부터 전송되는 제어신호에 대응하여 대기화면을 구성하기 위한 영상신호를 생성하여 CRT, LCD 등의 패널을 통해 화면으로 표출한다.
이하에서는 제어유닛(60)에 대해 구체적으로 설명한다. 제어유닛(60)은 전술한 각 구성들의 동작을 제어하고 본 실시예에 따른 연료전지 시스템(1)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.
제어유닛(60)은 외부부하와 상기 연료전지유닛과 상기 배터리가 상기 DC 출력부로부터 공급된 전기에 의해 운용되는 시스템의 정상동작 상태 중 외부부하가 정지 되거나 사용자에 의해 대기스위치(42)가 선택된 경우 사전에 정해진 제어루틴을 수행한 후 시스템을 정상정지 시킨다.
즉 제어유닛(60)은, 시스템의 정상정지 절차가 시작되는 경우 외부부하로의 전원공급을 차단하고 배터리(30)를 사전에 정해진 SOC임계값까지 충전한 후 연료전지유닛(10)의 작동을 정지한다. 이에 의해 본 실시예에 따른 연료전지 시스템(1)은 정상정지 되기 전 비상전원인 배터리(30)의 SOC값을 일정하게 유지할 수 있다.
여기서 연료전지유닛(10)의 작동을 정지하는 것은 스택(14)의 작동을 정지하고, 개질기(12) 및 BOP(16)의 작동을 정지하는 제어루틴에 의해 수행될 수 있다.
제어유닛(60)은 전술한 바와 같이 외부부하로의 전원공급을 차단하기 전에 시스템이 정상정지 상태로 돌입하는 것을 알리기 위한 대기 화면을 표시부(50)의 제어를 통해 표시할 수 있다.
즉 제어유닛(60)은 시스템의 정상동작 상태 중 외부부하가 정지 되거나 대기스위치(42)가 선택된 것을 감지한 경우, 시스템이 정상정지 상태임을 알리기 위한 대기화면을 표시하도록 지시하기 위한 제어신호를 생성하고 이를 표시부(50)로 전달한다.
또한 제어유닛(60)은 표시부(50)에 대기화면이 표시되고 외부부하로의 전원공급이 차단된 후, 사용자에 의해 오프스위치(44)가 선택된 경우 배터리(30)의 충전을 수행하지 않고 연료전지유닛(10)의 작동을 정지한다. 즉 제어유닛(60)은 사용자에 의해 오프스위치(44)를 선택함으로써 본 실시예에 따른 배터리(30)의 충전 루틴을 제외할 수 있다.
이하에서는, 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 정상정지 로직에 대해 구체적으로 설명한다.
즉 연료전지 시스템(1)의 정상정지 로직은 DC 출력부(20)로부터 공급되는 전기에 의해 운용되는 시스템의 정상동작 상태 중 외부부하가 정지 되거나 대기스위치(42)가 선택된 경우 시스템을 정상 정지하기 위한 로직에 관한 것이다.
먼저, 연료전지 시스템(1)은 시스템의 정상동작 상태 중 외부부하가 정지 되거나 대기스위치가 선택된 경우 시스템이 정상정지 상태로 돌입하는 것을 알리기 위한 대기화면을 표시부(50)를 통해 표시한다(S210).
다음, 연료전지 시스템(1)은 외부부하로의 전원공급을 차단한다(S220). 즉 연료전지 시스템(1)은 DC 출력부(20) 및 배터리(30)부터 출력되는 전기가 외부부하로 공급되지 않도록 DC 출력부(20) 및 배터리(30)를 제어한다.
다음, 연료전지 시스템(1)은 사용자에 의해 오프스위치(44)가 선택되는지 판단한다(S230). 판단 결과 오프스위치(44)가 선택되지 않은 경우 연료전지 시스템(1)은 배터리(30)의 SOC값이 SOC임계값인 90%에 도달할 때까지(S240), 배터리(30)의 충전을 수행한다(S245).
반면, S230단계의 판단 결과 오프스위치(44)가 선택된 경우, 연료전지 시스템(1)은 위의 S240단계 및 S245단계에 따른 배터리(30)의 충전을 수행하지 않고, 스택(14)의 작동을 정지하고(S250) 개질기(12) 및 BOP(16)의 작동을 정지한다(S260).
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(1) 및 이의 정상정지 로직은 시스템의 정상동작 중 외부부하의 정지와 같은 이유로 시스템이 정상 정지하는 경우 연료전지유닛(10)을 안정적으로 정지시키고, 대기스위치(42) 및 오프스위치(44)의 2단계 정지제어에 의해 배터리(30)를 선택적으로 충전함으로써 시스템의 비상전력을 확보할 수 있어, 시스템의 안정적이며 효율적인 운용을 도모할 수 있다.
1: 연료전지 시스템
10: 연료전지유닛
12: 개질기
14: 스택
16: BOP
20: DC 출력부
30: 배터리
40: 사용자 입력부
42: 대기스위치
44: 오프스위치
50: 표시부
60: 제어유닛

Claims (9)

  1. 개질기와 스택과 상기 개질기 및 스택의 동작을 보조하는 BOP(Balance OF Plants)를 구비하여 전기를 발생하는 연료전지유닛;
    상기 연료전지유닛에 의해 발생된 전기를 변환하여 외부로 공급하기 위한 DC 출력부;
    상기 DC 출력부로부터 공급된 전기에 의해 충전되는 배터리;
    상기 배터리의 충전 후 시스템을 정지하기 위한 대기스위치 및 상기 배터리의 충전을 수행하지 않고 상기 연료전지유닛의 작동을 정지하는 오프스위치를 구비한 사용자 입력부; 및
    외부부하와 상기 연료전지유닛과 상기 배터리가 상기 DC 출력부로부터 공급된 전기에 의해 운용되는 시스템의 정상동작 상태 중 상기 외부부하가 정지되거나 상기 대기스위치가 선택된 경우, 상기 외부부하로의 전원공급을 차단하고 상기 배터리를 사전에 정해진 SOC임계값까지 충전한 후 상기 연료전지유닛의 작동을 정지하는 제어유닛을 포함하되,
    상기 제어유닛은, 상기 배터리를 충전하기 전에 대기상태의 돌입을 알리고, 상기 외부부하로의 전원공급이 차단된 후, 상기 오프스위치가 선택된 경우 상기 배터리의 충전을 수행하지 않고 상기 연료전지유닛의 작동을 정지하여 2단계 정지 제어가 가능한 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은 대기상태를 외부로 표시하기 위한 표시부를 더 포함하고,
    상기 제어유닛은, 상기 외부부하가 정지 되거나 상기 대기스위치가 선택된 경우, 시스템이 정상정지 상태로 돌입하는 것을 알리기 위한 대기상태를 상기 표시부를 통해 표시하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지유닛의 작동을 정지하는 것은 상기 스택의 작동을 정지하고 상기 개질기 및 상기 BOP의 작동을 정지하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 DC 출력부는, 상기 제어유닛의 제어에 의해 상기 연료전지유닛 및 상기 외부부하로 직류전력을 공급하기 위한 DC/DC 컨버터와, 상기 제어유닛의 제어에 의해 상기 배터리를 충전하기 위한 충전기를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. BOP(Balance OF Plants)와 개질기와 스택을 구비하는 연료전지유닛, 상기 연료전지유닛으로부터 발생된 전기를 변환하여 외부로 공급하기 위한 DC 출력부, 배터리 및 사용자 입력부를 구비한 연료전지 시스템의 정상정지 로직에 있어서,
    상기 DC 출력부로부터 공급되는 전기에 의해 운용되는 시스템의 정상동작 상태 중 외부부하가 정지 되거나 상기 사용자 입력부의 대기스위치가 선택된 경우, 배터리를 충전하기 전에 시스템이 정상정지 상태로 돌입하는 것을 알리기 위한 대기상태를 표시부를 통해 표시하는 대기상태 알림 단계;
    상기 외부부하로의 전원공급을 차단하는 전원공급 차단단계;
    상기 배터리를 사전에 정해진 SOC임계값까지 충전하는 충전단계; 및
    상기 연료전지유닛의 작동을 정지하는 연료전지유닛 정지단계를 포함하되,
    상기 사용자 입력부는, 배터리의 충전 후 시스템을 정지하기 위한 대기스위치 및 상기 배터리의 충전을 수행하지 않고 상기 연료전지유닛의 작동을 정지하는 오프스위치를 구비하여 2단계 정지 제어가 가능하며,
    상기 충전단계는, 상기 사용자 입력부의 오프스위치가 선택되는 경우 상기 충전단계는 수행하지 않고 상기 연료전지 정지단계를 수행하는 단계를 더 포함하는것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 정상정지 방법.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 연료전지유닛 정지단계는, 상기 스택의 작동을 정지하고 상기 개질기 및 상기 BOP의 작동을 정지하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 정상정지 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 DC 출력부는, 상기 연료전지 시스템의 제어에 의해 상기 연료전지유닛 및 상기 외부부하로 직류전력을 공급하기 위한 DC/DC 컨버터와, 상기 연료전지 시스템의 제어에 의해 상기 배터리를 충전하기 위한 충전기를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 정상정지 방법.
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