KR101404173B1 - 연료전지시스템 및 인버터와 연료전지의 입력제어방법 - Google Patents

연료전지시스템 및 인버터와 연료전지의 입력제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지시스템에서 시스템제어기와 인버터는 종속관계역할로 되어 있는 구성을 시스템제어기와 인버터 내의 컨버터제어기에 여러 파라미터를 서로 공유하여 인버터를 연료전지시스템에 능동적으로 대처할 수 있도록 구성하고 그 입력제어방법을 개시한 연료전지시스템 및 인버터와 연료전지의 입력제어방법에 관한 것으로, 시스템제어기와 인버터 내의 컨버터 제어기를 종속관계가 역할이 아닌 시스템제어기의 온오프 정보와 여러 파라미터를 공유하여 인버터 또는 컨버터의 동작가능상태를 능동적으로 구동할 수 있도록 한 연료전지시스템을 특징으로 한다.

Description

연료전지시스템 및 인버터와 연료전지의 입력제어방법{fuel cell system and the input control method for inverter, fuel cell}
본 발명은 연료전지시스템 및 인버터와 연료전지의 입력제어방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 연료전지시스템에서 시스템제어기와 인버터는 종속관계역할로 되어 있는 구성을 시스템제어기와 인버터 내의 컨버터제어기에 여러 파라미터를 서로 공유하여 인버터를 연료전지시스템에 능동적으로 대처할 수 있도록 구성하고 그 입력제어방법을 개시한 연료전지시스템 및 인버터와 연료전지의 입력제어방법에 관한 것이다.
공개특허 10-2010-0036022(연료전지의 전력 제어방법 및 그의 연료전지시스템)호에 따르면, "3대 이상의 연료전지 즉 제 1 내지 제 3 연료전지(30)(40)(50)가 구비된다. 상기 제 1 내지 제 3 연료전지(30)(40)(50)로부터 각각 공급받은 직류전원을 전력계통으로 공급하기 위해 교류전원으로 변환하는 전력변환기(60)가 구비된다. 상기 전력변환기(60)는 상기 제 1 내지 제 3 연료전지의 출력전압을 센싱하는 역할을 수행한다. 상기 센싱 결과, 상기 제 1 내지 제 3 연료전지(30)(40)(50)의 출력전압이 정상전압, 최저전압, 한계전압에 속하는지 판단하게 된다. 상기 제 1 내지 제 3 연료전지(30)(40)(50)가 모두 정상전압에 속하면, 상기 제 1 내지 제 3 연료전지(300(40)(50)의 출력전력을 각각 균등하게 제어하여 전력계통의 부하 요구전력으로 제공한다. 그러나 상기 제 1 내지 제 3 연료전지(30)(40)(50) 중 적어도 하나의 연료전지의 출력전압이 최저전압으로 센싱되면, 상기 제 1 내지 제 3 연료전지(30)(40)(50)의 출력은 미리 프로그램된 일정한 출력전력으로 출력되게 한다. 또 상기 제 1 내지 제 3 연료전지(30)(40)(50) 중 적어도 하나의 연료전지의 출력전압이 한계전압으로 센싱되면, 상기 한계전압을 출력하는 연료전지에서 전력이 출력되지 않게 제어한다. 경우에 따라서 상기 최저전압 또는 한계전압을 출력하는 연료전지의 출력전력은 그대로 유지하고, 나머지 연료전지가 부하 요구전력을 보상하여 출력되게 제어한다. 이와 같은 본 발명에 따르면, 복수의 연료전지의 출력전압 상태에 따라 부하 요구전력을 안정되게 공급할 수 있어 연료전지 손상을 방지하고 전체 시스템 운전의 효율이 향상되는 이점이 있다."라고 개시된 바가 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 종래기술의 일례를 예시하면, 연료전지시스템(10)은 개질기(11), 연료전지스택(12), 인버터(13), 시스템제어기(14), 계통(15), 로드(16), MMI(Man Machine Interface; 17)로 이루어진다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 인버터(13)는 DC/DC컨버터(131), DC/AC컨버터(132), 컨버터제어기(133)로 구성된다.
도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 컨버터제어기(133)는 시스템제어기(14)의 온오프에 의해 동작유무가 실행되고, 시스템제어기(14)에서 턴온명령후 동작하며, 전압범위(C와 D 사이)와 전류범위(A와 B 사이)에서만 동작되고, 시스템제어기(14)는 여러 파라미터중 하나인 온도가 기준온도(F)보다 떨어지면 무조건 인버터를 오프하게 된다.
공개특허 10-2010-0036022(연료전지의 전력 제어방법 및 그의 연료전지시스템)호.
그러나, 종래의 연료전지시스템은 연료전지 내에서 시스템제어기와 인버터는 종속관계 역할을 하게 되고, 시스템제어기에서는 인버터에 온오프(on/off)만 전달, 지령하는 구조이며, 인버터의 상태는 파악하지 않고 시스템제어기에서 연료전지시스템의 상태만 고려하여 여러 파라미터중의 하나인 온도가 기준온도(F) 보다 떨어지면 무조건 인버터의 상태를 고려하지 않고 오프(OFF) 지령을 내리는 구조로 되어 있으며, 연료전지 스택이 재가동시 시간이 많이 걸리고 온도조건과 전압, 전류 조건에 상충하여도 강제로 오프(OFF)하는 불합리한 제어가 이루어진다.
또한, 인버터 내의 컨버터제어기는 시스템제어기의 온오프에 의해 동작의 유/무로 실행하게 되고, 인버터동작은 시스템제어기에서 온 명령후 동작진행하여 컨버터제어기는 전압범위와 전류범위 사이에서만 구동되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해소하기 위한 것으로, 연료전지시스템에서 시스템제어기와 인버터는 종속관계 역할로 되어 있는 것을 시스템제어기와 인버터내의 컨버터제어기에 여러 파라미터를 서로 공유하여 인버터를 연료전지시스템에 능동적으로 대처할 수 있도록 한 연료전지시스템 및 인버터와 연료전지의 입력제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 시스템제어기와 인버터 내의 컨버터 제어기를 종속관계의 역할이 아닌 시스템제어기의 온오프 정보와 여러 파라미터를 공유하여 인버터 또는 컨버터의 동작가능상태를 능동적으로 구동할 수 있도록 한 연료전지시스템을 특징으로 한다.
이 시스템은 공기와 가스를 공급받아서 수소가스로 개질하는 개질기(11)와, 한 쌍의 애노드와 캐소드를 구비한 복수개의 셀이 적층된 연료전지스택(12)과, 직류를 교류로 변환하는 인버터(13)와, 전체 연료전지시스템의 제어를 관장하며 온도 및 가스, 공기 등의 파라미터를 이용하여 연료전지 시스템(20)을 제어하는 시스템 제어기(24), 상기 인버터(13)에서 변환된 교류를 외부로 출력하기 위한 계통(15), 상기 인버터(13)에서 변환된 교류를 직접 공급받아 소비하는 로드(load; 16), 상기 시스템제어기(24)에 연결되어 사용자로부터 설정을 입력받기 위한 인터페이스인 MMI(Man Machine Interface; 17)를 포함하는 연료전지시스템에 있어서, 상기 인버터 내에는 컨버터제어기가 구비되고; 상기 연료전지시스템을 제어하는 시스템제어기와 상기 인버터를 제어하는 컨버터제어기는 각각 종속된 구성요소를 제어하고; 상기 시스템제어기와 상기 컨버터제어기는 서로 연결되고; 상기 시스템제어기와 상기 컨버터제어기는 온오프, 온도, 가스, 공기를 비롯한 여러 파라미터정보를 서로 공유하고, 상기 시스템제어기는 상기 인버터의 상태를 기준으로 제어를 수행하고 상기 컨버터제어기는 연료전지시스템의 상태를 기준으로 제어를 수행하는 것이다.
본 발명의 다른 특징은 인버터온/오프, 온도, 시간 파라미터 등을 기반으로 시스템제어기가 인버터로 제어명령을 전달하는 제 1 단계(S1); 인버터의 턴온 여부를 판단하는 제 2 단계(S2), 인버터가 턴온된 상태라면 온도가 최소온도에서 최대온도 사이의 온도범위인지 여부를 판단하는 제 3 단계(S3); 인버터가 턴온, 최소온도와 최대온도 사이의 온도라면, 인버터가 정상동작하는 제 4 단계(S4); 전압이 정상범위인지 여부를 판단하는 제 5 단계(S5), 전류가 정상범위인지 여부를 판단하는 제 6 단계(S6); 전압과 전류가 정상이라면 인버터가 정상적으로 동작하는 제 7 단계(S7); 공기, 가스, 온도를 비롯한 각종 파라미터가 정상범위인지 여부를 판단하는 제 8 단계(S8)를 포함하는 것이다.
실시예에서, 상기 제 2 단계(S2)에서 인버터가 턴오프 상태이면 온도가 정상범위인지 여부를 판단하는 제 9 단계(S9)가 진행되고, 상기 제 5 단계(S5)에서 전압이 정상범위가 아니라면 전압오류를 화면에 디스플레이하는 제 10 단계(S10)가 수행되고, 상기 제 6 단계(S6)에서 전류가 정상범위가 아니면 전류오류를 화면에 디스플레이하는 제 11 단계(S11)가 진행되고, 상기 제 8 단계(S8)에서 파라미터가 정상범위가 아니면 파라미터오류를 화면에 디스플레이하는 제 12 단계(S12)가 수행되는 것을 더 포함하는 것이다.
실시예에서, 상기 제 9 단계(S9)에서 온도가 정상범위가 아니면 인버터를 정지시키는 제 13 단계(S13)를 진행하고, 상기 제 9 단계(S9)에서 온도가 정상범위이거나 상기 제 3 단계(S3)에서 온도가 정상범위가 아니라면 인버터를 대기상태로 하는 제 14 단계(S14)가 진행되는 것을 더 포함하는 것이다.
실시예에서, 상기 제 9 단계(S9)에서 온도가 정상범위가 아니거나 상기 제 14 단계(S14)를 거친 후에는 인버터의 상태를 체크하는 제 15 단계(S15)가 진행되고, 상기 제 15 단계(S15) 후에는 매시간 마다 상기 인버터의 상태를 체크하는 제 16 단계(S16)를 수행하며, 상기 제 2 단계(S2)로 분기하는 것을 더 포함하는 것이다.
본 발명의 바람직한 효과에 따르면, 연료전지시스템에서 시스템제어기와 인버터는 종속관계역할로 되어 있는 구성을 시스템제어기와 인버터 내의 컨버터제어기에 여러 파라미터를 서로 공유하여 인버터를 연료전지시스템에 능동적으로 대처할 수 있도록 구성하고 그 입력제어방법을 개시한 연료전지시스템 및 인버터와 연료전지의 입력제어방법을 제공함으로써 시스템통합적인 구성을 통해서 시스템효율을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 연료전지시스템의 구성을 나타낸 블록도.
도 2는 종래의 인버터의 구성을 나타낸 블록도.
도 3은 종래의 컨버터제어기의 동작범위를 설명하기 위한 그래프.
도 4는 종래의 시스템제어기의 동작범위를 설명하기 위한 그래프.
도 5는 본 발명의 연료전지시스템의 구성을 나타낸 블록도.
도 6은 본 발명의 인버터와 연료전지의 입력제어방법을 설명하기 위한 순서도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
본 발명의 연료전지시스템의 구성은 도 5에 도시된다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 연료전지시스템은 건물이나 가정에서 적용가능하도록 착안된 것이다.
공기와 가스를 공급받아서 수소가스로 개질하는 개질기(11)와, 한 쌍의 애노드와 캐소드를 구비한 복수개의 셀이 적층된 연료전지스택(12)과, 직류를 교류로 변환하는 인버터(13)와, 전체 연료전지시스템의 제어를 관장하며 온도 및 가스, 공기 등의 파라미터를 이용하여 연료전지 시스템(20)을 제어하는 시스템 제어기(24)가 구비된다.
상기 인버터(13)에서 변환된 교류를 외부로 출력하기 위한 계통(15), 상기 인버터(13)에서 변환된 교류를 직접 공급받아 소비하는 로드(load; 16), 상기 시스템제어기(24)에 연결되어 사용자로부터 설정을 입력받기 위한 인터페이스인 MMI(Man Machine Interface; 17)가 구비된다.
상기 연료전지스택(12)으로부터 전달된 입력전압의 레벨을 검출하는 입력전압검출수단(234), 입력전류의 레벨을 검출하는 입력전류검출수단(235)이 각각 구비된다.
인버터(13)내의 컨버터제어기(233)는 연료전지스택(12)의 입력전압 및 입력전류 등의 파라미터를 이용하여 인버터(13)를 제어한다. 이에 종속으로 되어 있는 부분을 능동적으로 구동될 수 있도록 시스템제어기(24)의 정보(가스, 공기, 온도 등의 여러 파라미터)를 인버터(13)내의 컨버터제어기(233)와 공유하면서 인버터(13)내의 컨버터제어기(233)는 이를 바탕으로 판단하여 인버터(13)를 대기하는(Stand by) 모드로 들어가거나, 인버터(13)를 동작하거나, 인버터(13) 동작을 하지 않도록 빠르게 동작하여, 연료전지시스템에 대응하도록 구성된다.
이러한 구성을 토대로 도 6을 참조하여, 인버터와 연료전지의 입력제어방법을 좀더 자세히 살펴보도록 한다.
도시된 바와 같이, 인버터온/오프, 온도, 시간 파라미터 등을 기반으로 시스템제어기가 인버터로 제어명령을 전달하는 제 1 단계(S1)가 진행된다.
인버터의 턴온 여부를 판단하는 제 2 단계(S2), 인버터가 턴온된 상태라면 온도가 최소온도에서 최대온도 사이의 온도범위인지 여부를 판단하는 제 3 단계(S3)가 수행된다.
인버터가 턴온, 최소온도와 최대온도 사이의 온도라면, 인버터가 정상동작하는 제 4 단계(S4)가 진행된다.
전압이 정상범위인지 여부를 판단하는 제 5 단계(S5), 전류가 정상범위인지 여부를 판단하는 제 6 단계(S6)가 차례로 수행된다.
전압과 전류가 정상이라면 인버터가 정상적으로 동작하는 제 7 단계(S7)가 진행되고, 공기, 가스, 온도를 비롯한 각종 파라미터가 정상범위인지 여부를 판단하는 제 8 단계(S8)가 진행된다.
상기 제 2 단계(S2)에서 인버터가 턴오프 상태이면 온도가 정상범위인지 여부를 판단하는 제 9 단계(S9)가 진행되고, 상기 제 5 단계(S5)에서 전압이 정상범위가 아니라면 전압오류를 화면에 디스플레이하는 제 10 단계(S10)가 수행된다.
상기 제 6 단계(S6)에서 전류가 정상범위가 아니면 전류오류를 화면에 디스플레이하는 제 11 단계(S11)가 진행되고, 상기 제 8 단계(S8)에서 파라미터가 정상범위가 아니면 파라미터오류를 화면에 디스플레이하는 제 12 단계(S12)가 수행된다.
상기 제 9 단계(S9)에서 온도가 정상범위가 아니면 인버터를 정지시키는 제 13 단계(S13)를 진행하고, 상기 제 9 단계(S9)에서 온도가 정상범위이거나 상기 제 3 단계(S3)에서 온도가 정상범위가 아니라면 인버터를 대기상태로 하는 제 14 단계(S14)가 진행된다.
상기 제 9 단계(S9)에서 온도가 정상범위가 아니거나 상기 제 14 단계(S14)를 거친 후에는 인버터의 상태를 체크하는 제 15 단계(S15)가 진행되고, 상기 제 15 단계(S15) 후에는 매시간 마다 상기 인버터의 상태를 체크하는 제 16 단계(S16)를 수행하며, 상기 제 2 단계(S2)로 분기한다.
11 ; 개질기 12 ; 연료전지스택
15 ; 계통 16 ; 로드
17 ; MMI 20 ; 연료전지시스템
24 ; 시스템제어기 231; DC/DC 컨버터
232; DC/AC 컨버터 233; 컨버터 제어기
234; 입력전압검출수단 235; 입력전류검출수단

Claims (5)

  1. 공기와 가스를 공급받아서 수소가스로 개질하는 개질기(11)와, 한 쌍의 애노드와 캐소드를 구비한 복수개의 셀이 적층된 연료전지스택(12)과, 직류를 교류로 변환하는 인버터(13)와, 전체 연료전지시스템의 제어를 관장하며 온도 및 가스, 공기 등의 파라미터를 이용하여 연료전지 시스템(20)을 제어하는 시스템 제어기(24), 상기 인버터(13)에서 변환된 교류를 외부로 출력하기 위한 계통(15), 상기 인버터(13)에서 변환된 교류를 직접 공급받아 소비하는 로드(load; 16), 상기 시스템제어기(24)에 연결되어 사용자로부터 설정을 입력받기 위한 인터페이스인 MMI(Man Machine Interface; 17), 상기 연료전지스택(12)으로부터 전달된 입력전압의 레벨을 검출하는 입력전압검출수단(234), 입력전류의 레벨을 검출하는 입력전류검출수단(235)을 포함하는 연료전지시스템에 있어서,
    상기 인버터 내에는 컨버터제어기가 구비되고;
    상기 연료전지시스템을 제어하는 시스템제어기와 상기 인버터를 제어하는 컨버터제어기는 각각 종속된 구성요소를 제어하고;
    상기 시스템제어기와 상기 컨버터제어기는 서로 연결되고;
    상기 시스템제어기와 상기 컨버터제어기는 온오프, 온도, 가스, 공기를 비롯한 여러 파라미터정보를 서로 공유하고, 상기 시스템제어기는 상기 인버터의 상태를 기준으로 제어를 수행하고 상기 컨버터제어기는 연료전지시스템의 상태를 기준으로 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 공기와 가스를 공급받아서 수소가스로 개질하는 개질기(11)와, 한 쌍의 애노드와 캐소드를 구비한 복수개의 셀이 적층된 연료전지스택(12)과, 직류를 교류로 변환하는 인버터(13)와, 전체 연료전지시스템의 제어를 관장하며 온도 및 가스, 공기 등의 파라미터를 이용하여 연료전지 시스템(20)을 제어하는 시스템 제어기(24), 상기 인버터(13)에서 변환된 교류를 외부로 출력하기 위한 계통(15), 상기 인버터(13)에서 변환된 교류를 직접 공급받아 소비하는 로드(load; 16), 상기 시스템제어기(24)에 연결되어 사용자로부터 설정을 입력받기 위한 인터페이스인 MMI(Man Machine Interface; 17), 상기 연료전지스택(12)으로부터 전달된 입력전압의 레벨을 검출하는 입력전압검출수단(234), 입력전류의 레벨을 검출하는 입력전류검출수단(235)을 이용하는 인버터와 연료전지의 입력제어방법에 있어서,
    인버터온/오프, 온도, 시간 파라미터 등을 기반으로 시스템제어기가 인버터로 제어명령을 전달하는 제 1 단계(S1);
    인버터의 턴온 여부를 판단하는 제 2 단계(S2), 인버터가 턴온된 상태라면 온도가 최소온도에서 최대온도 사이의 온도범위인지 여부를 판단하는 제 3 단계(S3);
    인버터가 턴온, 최소온도와 최대온도 사이의 온도라면, 인버터가 정상동작하는 제 4 단계(S4);
    전압이 정상범위인지 여부를 판단하는 제 5 단계(S5), 전류가 정상범위인지 여부를 판단하는 제 6 단계(S6);
    전압과 전류가 정상이라면 인버터가 정상적으로 동작하는 제 7 단계(S7);
    공기, 가스, 온도를 비롯한 각종 파라미터가 정상범위인지 여부를 판단하는 제 8 단계(S8)를 포함하는 인버터와 연료전지의 입력제어방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 2 단계(S2)에서 인버터가 턴오프 상태이면 온도가 정상범위인지 여부를 판단하는 제 9 단계(S9)가 진행되고, 상기 제 5 단계(S5)에서 전압이 정상범위가 아니라면 전압오류를 화면에 디스플레이하는 제 10 단계(S10)가 수행되고, 상기 제 6 단계(S6)에서 전류가 정상범위가 아니면 전류오류를 화면에 디스플레이하는 제 11 단계(S11)가 진행되고, 상기 제 8 단계(S8)에서 파라미터가 정상범위가 아니면 파라미터오류를 화면에 디스플레이하는 제 12 단계(S12)가 수행되는 것을 더 포함하는 인버터와 연료전지의 입력제어방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제 9 단계(S9)에서 온도가 정상범위가 아니면 인버터를 정지시키는 제 13 단계(S13)를 진행하고, 상기 제 9 단계(S9)에서 온도가 정상범위이거나 상기 제 3 단계(S3)에서 온도가 정상범위가 아니라면 인버터를 대기상태로 하는 제 14 단계(S14)가 진행되는 것을 더 포함하는 인버터와 연료전지의 입력제어방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제 9 단계(S9)에서 온도가 정상범위가 아니거나 상기 제 14 단계(S14)를 거친 후에는 인버터의 상태를 체크하는 제 15 단계(S15)가 진행되고, 상기 제 15 단계(S15) 후에는 매시간 마다 상기 인버터의 상태를 체크하는 제 16 단계(S16)를 수행하며, 상기 제 2 단계(S2)로 분기하는 것을 더 포함하는 인버터와 연료전지의 입력제어방법.







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