KR101581569B1 - 등비 수열 분배 저항 방식의 제어기를 갖는 연료전지 시스템 - Google Patents

등비 수열 분배 저항 방식의 제어기를 갖는 연료전지 시스템 Download PDF

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손용두
전유택
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현대제철 주식회사
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Abstract

등비 수열 분배 저항 방식의 제어기를 도입하여 연산 시간을 단축시킬 수 있음과 더불어 센서 수의 절감으로 제조 단가를 줄일 수 있는 분배 저항 방식의 제어기를 갖는 연료전지 시스템에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 등비 수열 분배 저항 방식의 제어기를 갖는 연료전지 시스템은 전기화학반응으로 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택과 이격되도록 설치되며, 내부 공간에 상수가 채워지는 물 탱크; 상기 물 탱크와 연료전지 스택 사이에 배치되며, 상기 연료전지 스택에서 발생한 폐열을 열교환시키는 열 교환기; 상기 연료전지 스택과 열 교환기를 상호 연결하며, 내부로 냉각수가 순환하는 냉각수 순환배관; 상기 연료전지 스택 내의 발전 전압을 시간의 경과에 따라 측정하는 전압 검출기; 및 상기 전압 검출기로부터 측정된 전압에 따라 상기 연료전지 스택에 유입되는 냉각수를 설정된 온도 범위로 유지시키는 제어기;를 포함하며, 상기 제어기는 제어기 몸체와, 상기 제어기 몸체 내에 탑재된 구동 센서와, 상기 구동 센서에 병렬로 연결된 복수의 제어 입력핀을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

등비 수열 분배 저항 방식의 제어기를 갖는 연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM HAVING GEOMETRIC PROGRESSION DIVIDED RESISTANCE TYPE CONTROLLER}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 등비 수열 분배 저항 방식의 제어기를 도입하여 연산 시간을 단축시킬 수 있음과 더불어 센서 수의 절감으로 제조 단가를 줄일 수 있는 등비 수열 분배 저항 방식의 제어기를 갖는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지(fuel cell)는 전기화학 반응에 의하여 연료가 갖고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 장치이다. 따라서, 원리상 열기관이 갖는 열역학적인 제한을 받지 않기 때문에 종래의 발전장치보다 발전 효율이 높고 무공해, 무소음으로 환경문제가 거의 없다. 또한, 연료전지는 다양한 용량으로 제작이 가능하고 전력 수요지 내에 설치가 용이하여 송변전 설비의 초기 투자비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.
이러한 연료전지를 이용한 연료전지 시스템은 전기를 생산하는 연료전지 스택과 연료인 LNG, 석탄가스, 메탄올 등을 수소로 개질하여 수소가 많은 연료가스로 만드는 개질기(reformer), 발전된 DC 전력을 AC 전력으로 변환시키는 전력 변환기 및 제어기 등으로 구성된다. 이때, 제어기는
도 1은 종래에 따른 연료전지 시스템용 제어기를 나타낸 모식도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래에 따른 연료전지 시스템용 제어기(60)는 냉각수 입구 온도와 출구 온도 차이를 일정하게 유지되도록 관리하기 위해, 개질기, 전력 변환기, 펌프, 온도 센서 등의 작동을 제어하게 된다.
이러한 연료전지 시스템용 제어기(60)는 제어기 몸체(62), 제어기 몸체(62) 내에 장착된 제1 내지 제n 구동 센서(64)와, 제1 내지 제n 구동 센서(64)에 일대일 대응되도록 직렬 연결된 제1 및 제n 제어 입력핀(66)을 포함한다.
이때, 제어기(60)는 제1 제1 내지 제n 구동 센서(64) 및 제1 내지 제n 제어 입력핀(66)을 통하여 각종 센서 및 구성요소에 디지털 신호를 전달하여 상호 정보 교환하거나 데이터 자료를 공유하게 된다.
그러나, 종래에 따른 연료전지 시스템용 제어기(60)는 제어 입력핀(66)의 수에 비례하여 구동 센서(64)의 수가 결정되기 때문에 구동 센서(64)의 수가 기하급수적으로 증가할 수 밖에 없는 구조일 뿐만 아니라, 이로 인하여 주변 확장회로를 추가로 장착해야 하기 때문에 제조 단가를 상승시키는 요인으로 작용하고 있다.
관련 선행문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2002-0020947호 (2002.03.16 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 연료전지 시스템 및 그 제조 방법이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 등비 수열 분배 저항 방식의 제어기를 도입하여 연산 시간을 단축시킬 수 있음과 더불어 센서 수의 절감으로 제조 단가를 줄일 수 있는 등비 수열 분배 저항 방식의 제어기를 갖는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 등비 수열 분배 저항 방식의 제어기를 갖는 연료전지 시스템은 전기화학반응으로 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택과 이격되도록 설치되며, 내부 공간에 상수가 채워지는 물 탱크; 상기 물 탱크와 연료전지 스택 사이에 배치되며, 상기 연료전지 스택에서 발생한 폐열을 열교환시키는 열 교환기; 상기 연료전지 스택과 열 교환기를 상호 연결하며, 내부로 냉각수가 순환하는 냉각수 순환배관; 상기 연료전지 스택 내의 발전 전압을 시간의 경과에 따라 측정하는 전압 검출기; 및 상기 전압 검출기로부터 측정된 전압에 따라 상기 연료전지 스택에 유입되는 냉각수를 설정된 온도 범위로 유지시키는 제어기;를 포함하며, 상기 제어기는 제어기 몸체와, 상기 제어기 몸체 내에 탑재된 구동 센서와, 상기 구동 센서에 병렬로 연결된 복수의 제어 입력핀을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 등비 수열 분배 저항 방식의 제어기를 갖는 연료전지 시스템은 등비 수열 분배 저항 방식의 제어기를 도입함으로써, 제어 입력핀의 수와 무관하게 구동 센서의 수를 감소시켜 설계 단일화를 도모하여, 주변 확장회로를 제거 또는 축소하여 제조 단가를 절감할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 등비 수열 분배 저항 방식의 제어기를 갖는 연료전지 시스템은 분배 저항 방식의 제어기를 도입함으로써, 디지털 데이터를 피보나치 수열을 이용하여 아날로그 데이터의 합으로 변환시켜 n개의 제어 입력핀에 입력되는 데이터를 하나의 아날로그 입력으로 나타냄으로써 제어 연산 시간을 단축할 수 있게 된다.
도 1은 종래에 따른 연료전지 시스템용 제어기를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 등비 수열 분배 저항 방식의 제어기를 갖는 연료전지 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 제어기를 확대하여 나타낸 모식도이다.
도 4는 6개의 제어 입력핀을 갖는 등비 수열 분배 저항 방식의 제어기를 나타낸 도면이다.
도 5는 6개의 제어 입력핀을 갖는 등비 수열 분배 저항 방식의 제어기를 이용한 분배 저항 배치 적용예를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템용 등비 수열 분배 저항 방식의 제어기를 나타낸 모식도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 등비 수열 분배 저항 방식의 제어기를 갖는 연료전지 시스템에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 등비 수열 분배 저항 방식의 제어기를 갖는 연료전지 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 등비 수열 분배 저항 방식의 제어기를 갖는 연료전지 시스템(100)은 연료전지 스택(110), 물 탱크(120), 열 교환기(130), 냉각수 순환 배관(140), 전압 검출기(150) 및 제어기(160)를 포함한다.
연료전지 스택(110)은 전기화학반응으로 전기 에너지를 생성한다. 즉, 연료전지 스택(110)은 수소의 산화반응 및 산소의 환원반응이 동시에 일어나는 전기화학 반응으로 전기 에너지를 생성한다. 이때, 연료전지 스택(110)은 적층된 수백장의 셀(cell)들로 구성되어 있으며, 물, 연료, 공기 등이 각 셀로 공급되도록 설계되어 있다.
기본적으로 각 셀은 전해질(electrolyte)에 의하여 분리된 연료극(anode)과 공기극(cathode)의 두 전극으로 구성되며, 각 셀은 분리판(separator)에 의하여 분리된다.
물 탱크(120)는 연료전지 스택(110)과 이격되도록 설치되며, 내부 공간에 상수가 채워진다. 물 탱크(120)는 내부에 빈 공간을 구비하는 용기 형태를 가질 수 있다. 이때, 물 탱크(120)는 설계의 용이성을 고려해 볼 때, 육면체 형상을 갖는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니며 원통 형상 등 다양한 형태가 적용될 수 있다.
열 교환기(130)는 물 탱크(120)와 연료전지 스택(110) 사이에 배치되며, 연료전지 스택(110)에서 발생한 폐열을 열교환시킨다.
냉각수 순환배관(140)은 연료전지 스택(110) 및 열 교환기(130)를 상호 연결하며, 내부로 냉각수가 순환한다.
전압 검출기(150)는 연료전지 스택(110) 내의 발전 전압을 시간의 경과에 따라 측정한다. 이때, 전압 검출기(150)로부터 측정된 데이터는 제어기(160)로 전송된다.
제어기(160)는 전압 검출기(150)로부터 측정된 전압에 따라 연료전지 스택(110)에 유입되는 냉각수를 설정된 온도 범위로 유지시키는 역할을 한다. 이러한 제어기(160)는 냉각수 입구 온도와 출구 온도 차이를 일정하게 유지되도록 관리하기 위해, 개질기, 전력 변환기, 펌프, 온도 센서 등의 작동을 제어하게 된다.
특히, 제어기(160)는 제어기 몸체의 일측 가장자리에 1개의 구동 센서가 장착되고, 1개의 구동 센서에 복수 개의 제어 입력핀이 병렬로 연결되는 구조를 갖는다. 이러한 제어기(160)에 대한 세부 구성에 대한 상세한 설명은 후술하도록 한다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 등비 수열 분배 저항 방식의 제어기를 갖는 연료전지 시스템(100)은 제1 온도 센서(171), 제2 온도 센서(172), 압력 센서(173), 수소 공급부(170), 산소 공급부(175), 전력 변환기(180), 냉각 팬(185), 보조 보일러 모듈(190) 및 상수 공급배관(192)을 더 포함할 수 있다.
제1 온도 센서(171)는 연료전지 스택(110)과 열 교환기(130) 사이에 배치되는 냉각수 순환배관(140)에 장착되어, 연료전지 스택(110)의 출측 온도를 측정한다. 그리고, 제2 온도 센서(172)는 물 탱크(120)와 열 교환기(130) 사이에 배치되는 냉각수 순환배관(140)에 장착된다.
압력 센서(173)는 연료전지 스택(110)과 열 교환기(130) 사이에 배치되는 냉각수 순환배관(140)에 장착된다.
수소 공급부(170)는 연료를 개질하여 연료전지 스택(110)에 수소를 공급하는 역할을 한다. 이러한 수소 공급부(170)는, 도면으로 도시하지는 않았지만, 수소공급장치, 개질기, 버너 등을 포함할 수 있다.
산소 공급기(175)는 연료전지 스택(110)으로 산소를 공급하는 역할을 한다. 이러한 산소공급부(175)에는 컴프레서(compressor) 또는 송풍기 등이 장착되고, 컴프레서 또는 송풍기를 이용하여 연료전지 스택(110)으로 산소를 공급하게 된다.
전력 변환기(180)는 연료전지 스택(110)에서 생성된 직류(DC) 전력을 교류(AC) 전력으로 변환시키기 위한 목적으로 장착된다.
냉각 팬(185)은 물 탱크(120)의 내부를 통과하면서 냉각된 냉각수의 온도를 낮추는 역할을 한다.
보조 보일러 모듈(190)은 물 탱크(120)로부터 배출되는 온수를 임시 저장하기 위한 목적으로 장착된다. 이러한 보조 보일러 모듈(190)은 물 탱크(120)로부터의 온수를 공급받은 후, 용도에 알맞은 온도로 상승 또는 유지하는 역할을 한다. 도면으로 제시하지는 않았지만, 보조 보일러 모듈(190)과 물 탱크(120)의 사이에는 보조 보일러 모듈(190)로의 온수 배출이 원활히 이루어지도록 유도하기 위한 온수 배출 펌프(미도시)가 더 배치되어 있을 수 있다.
상수 공급배관(192)은 물 탱크(120)와 연결되어 상수를 보충하는 역할을 한다. 이때, 상수 공급배관(192)에는 물 탱크(120)로 상수가 공급되는 것을 제어하기 위한 상수 공급 제어밸브(195)가 더 구비되어 있을 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템용 제어기에 대하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 3은 도 2의 제어기를 확대하여 나타낸 모식도이다.
도 3을 참조하면, 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템용 제어기(160)는 제어기 몸체(162)와, 제어기 몸체(162) 내에 탑재된 구동 센서(164)와, 구동 센서(164)에 병렬로 연결된 복수의 제어 입력핀(166)을 포함한다.
즉, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템용 제어기(160)는 제어기 몸체(162)의 일측 가장자리에 1개의 구동 센서(164)가 장착되고, 1개의 구동 센서(164)에 복수 개의 제어 입력핀(166)이 병렬로 연결되는 구조를 갖는다. 이에 따라, 제어 입력핀(166)의 수와 무관하게 구동 센서(164)의 수를 1개만 설치하는 것이 가능해질 수 있고, 구동 센서(164) 수의 감소로 주변 확장회로를 제거하거나, 또는 축소시킬 수 있으므로 제조 단가를 절감할 수 있게 된다.
이때, 제어기(160)의 구동 센서(164)는 수열의 비율에 따라 제어 입력핀(166) 간의 분배 저항을 선정하고, 분배된 저항에 따른 아날로그 입력 전압을 각각 측정하여 제어 입력핀(166)별 온(on) 및 오프(off)를 디지털 데이터로 변환시켜 이를 제어하게 된다.
특히, 제어기(160)는 구동 센서(164)의 수량에 따른 디지털 데이터를 피보나치 수열을 이용하여 아날로그 데이터의 합으로 변환시키게 된다. 이와 같이, 피보나치 수열을 이용한 분배 저항을 적용하게 되면, n개의 제어 입력핀(166)에 입력되는 데이터를 하나의 아날로그 입력으로 나타낼 수 있게 된다.
이때, 제어기(160)는 제어 입력핀(166)의 수가 4개일 경우 테트라나치 수열을 적용하고, 제어 입력핀(166)의 수가 6개일 경우 헥사나치 수열을 적용하게 된다. 이와 같이, 테트라나치 수열을 적용할 경우, 제어 입력핀(166)은 4개가 필요하게 되고, 4개의 제어 입력핀(166)의 저항비는 1 : 2 : 4 : 8로 나타낼 수 있다. 또한, 헥사나치 수열을 적용할 경우, 제어 입력핀(166)은 6개가 필요하게 되고, 6개의 제어 입력핀(166)의 저항비는 1 : 2 : 4 : 8 : 16 : 32로 나타낼 수 있다.
이때, 도 4는 6개의 제어 입력핀을 갖는 등비 수열 분배 저항 방식의 제어기를 나타낸 도면이고, 도 5는 6개의 제어 입력핀을 갖는 등비 수열 분배 저항 방식의 제어기를 이용한 분배 저항 배치 적용예를 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 제어 입력핀(166)이 6개일 경우, 헥사나치 수열을 적용하여, 6개의 제어 입력핀(166)의 저항비가 1 : 2 : 4 : 8 : 16 : 32를 나타내도록 분배 배치한다.
이와 같이, 수열의 비율에 따라 제어 입력핀(166)간 분배 저항을 선정한 후, 분배된 저항에 따른 제어 입력핀(166)의 입력 전압을 측정하게 되면, 제어 입력핀(166)별로 온(on) 및 오프(off)를 판별하는 것이 가능해질 수 있다.
전술한 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템은 등비 수열 분배 저항 방식의 제어기를 도입함으로써, 제어 입력핀의 수와 무관하게 구동 센서의 수를 감소시켜 설계 단일화를 도모하여, 주변 확장회로를 제거 또는 축소하여 제조 단가를 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템은 등비 수열 분배 저항 방식의 제어기를 도입함으로써, 디지털 데이터를 피보나치 수열을 이용하여 아날로그 데이터의 합으로 변환시켜 n개의 제어 입력핀에 입력되는 데이터를 하나의 아날로그 입력으로 나타냄으로써 제어 연산 시간을 단축할 수 있게 된다.
한편, 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템용 등비 수열 분배 저항 방식의 제어기를 나타낸 모식도이다. 이때, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템용 등비 수열 분배 저항 방식의 제어기는 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템용 등비 수열 분배 저항 방식의 제어기와 유사한 구성을 갖는바, 중복 설명은 생략하고 차이점 위주로 설명하도록 한다.
도 6을 참조하면, 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템용 등비 수열 분배 저항 방식의 제어기(260)는 제어기 몸체(262)와, 제어기 몸체(262) 내의 일측에 탑재된 제1 구동 센서(264)와, 제어기 몸체(262)의 타측에 탑재되며, 제1 구동 센서(264)와 독립적으로 구동하는 제2 구동 센서(266)와, 제1 및 제2 구동 센서(264, 266)에 병렬로 각각 연결된 복수의 제1 및 제2 제어 입력핀(265, 267)을 포함한다.
이때, 제어기(260)의 제1 및 제2 구동 센서(264, 266)는 제어기 몸체(262)의 양측 가장자리에 각각 설치되고, 복수의 제1 및 제2 제어 입력핀(265, 267)은 상호 대칭 구조를 갖는 것이 바람직하다.
즉, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템용 제어기(260)는 제어기 몸체(262)의 일측 및 타측 가장자리에 제1 및 제2 구동 센서(264, 266)가 장착되고, 제1 및 제2 구동 센서(264, 266)에 복수 개의 제1 및 제2 제어 입력핀(265, 267)이 각각 병렬로 연결되는 구조를 갖는다.
전술한 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 제1 실시에와 마찬가지로, 등비 수열 분배 저항 방식의 제어기를 도입함으로써, 제어 입력핀의 수와 무관하게 구동 센서의 수를 감소시켜 설계 단일화를 도모하여, 주변 확장회로를 제거 또는 축소하여 제조 단가를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 제어 연산 시간을 보다 단축시킬 수 있게 된다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100 : 연료전지 시스템 110 : 연료전지 스택
120 : 물 탱크 130 : 열 교환기
140 : 냉각수 순환 배관 150 : 전압 검출기
160 : 제어기 162 : 제어기 몸체
164 : 구동 센서 166 : 제어 입력핀
170 : 수소 공급기 171, 172 : 제1 및 제2 온도 센서
173 : 압력 센서 175 : 공기 공급기
180 : 전력 변환기 185 : 냉각 팬
190 : 보조 보일러 모듈 192 : 상수 공급배관
195 : 상수 공급 제어밸브

Claims (3)

  1. 전기화학반응으로 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택과 이격되도록 설치되며, 내부 공간에 상수가 채워지는 물 탱크;
    상기 물 탱크와 연료전지 스택 사이에 배치되며, 상기 연료전지 스택에서 발생한 폐열을 열교환시키는 열 교환기;
    상기 연료전지 스택과 열 교환기를 상호 연결하며, 내부로 냉각수가 순환하는 냉각수 순환배관;
    상기 연료전지 스택 내의 발전 전압을 시간의 경과에 따라 측정하는 전압 검출기; 및
    상기 전압 검출기로부터 측정된 전압에 따라 상기 연료전지 스택에 유입되는 냉각수를 설정된 온도 범위로 유지시키는 제어기;를 포함하며,
    상기 제어기는 제어기 몸체와, 상기 제어기 몸체 내에 탑재된 1개의 구동 센서와, 상기 1개의 구동 센서에 병렬로 각각 연결된 복수의 제어 입력핀을 갖고,
    상기 제어기는 상기 복수의 제어 입력핀의 수량에 따른 디지털 데이터를 피보나치 수열을 이용하여 아날로그 데이터의 합으로 변환시켜 나타내는 것에 의해, 제어 연산 시간이 감축되는 것을 특징으로 하는 등비 수열 분배 저항 방식의 제어기를 갖는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어기의 구동 센서는
    수열의 비율에 따라 제어 입력핀 간의 분배 저항을 선정하고, 분배된 저항에 따른 아날로그 입력 전압을 각각 측정하여 제어 입력핀 별 온(on) 및 오프(off)를 디지털 데이터로 변환시켜 제어하는 것을 특징으로 하는 등비 수열 분배 저항 방식의 제어기를 갖는 연료전지 시스템.
  3. 삭제
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100725253B1 (ko) * 2006-08-02 2007-06-04 (주)퓨얼셀 파워 연료전지 시스템 및 그 냉각 제어방법
JP2009543193A (ja) * 2006-07-06 2009-12-03 マーベル ワールド トレード リミテッド 設定可能な電圧レギュレータ

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