KR102096390B1 - 연료전지 기반 전기차 충전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 기반 전기차 충전 시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 연료전지에서 발생하는 에너지를 효율적으로 사용하기 위한 연료전지 기반 전기차 충전 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 연료전지 기반 전기차 충전 시스템은 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 직류 전기를 발생시키는 연료전지 유니트; 상기 연료전지 유니트에서 발생된 상기 직류 전기를 입력받아 상기 직류 전기의 출력을 조절하는 직류출력조절 유니트; 및 상기 직류출력조절 유니트에서 출력된 직류 전기를 입력받아 전기차를 충전하는 충전 유니트를 포함하는 것일 수 있다.

Description

연료전지 기반 전기차 충전 시스템{SYSTEM FOR CHARGING ELECTRIC VEHICLE BASED ON FUEL CELL}
본 발명은 연료전지 기반 전기차 충전 시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 연료전지에서 발생하는 에너지를 효율적으로 사용하기 위한 연료전지 기반 전기차 충전 시스템에 관한 것이다.
연료전지(燃料電池, Fuel Cell)란 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치이다. 이 화학 반응은 촉매층내에서 촉매에 의하여 이루어지며 일반적으로 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적으로 발전이 가능하다.
연료전지의 연료와 산화제로는 여러 가지를 이용할 수 있다. 수소 연료전지는 수소를 연료로, 산소를 산화제로 이용하며, 그 외에 탄화수소, 알코올 등을 연료로, 공기, 염소, 이산화 염소 등을 산화제로 이용할 수 있다. 연료전지의 발전 효율은 40~60% 정도로 대단히 높으며, 반응 과정에서 나오는 배출열을 이용하면 전체 연료의 최대 85%까지 에너지로 바꿀 수 있다. 게다가 천연가스와 메탄올, LPG(액화석유가스, propane gas), 나프타, 등유, 가스화된 석탄 등의 다양한 연료를 사용할 수 있기 때문에 에너지 자원을 확보하기 쉽다. 또한, 연료를 태우지 않기 때문에 환경보호에도 기여할 수 있다. 또한 질소산화물(NOx)과 이산화탄소의 배출량이 석탄 화력 발전의 각각 1/38과 1/3 정도이며, 소음도 화력발전 방식에 비해 매우 적다는 장점이 있다. 이와 더불어 모듈화에 의한 건설 기간의 단축, 설비 용량의 증감이 가능하고, 적은 부지 면적을 필요로 하기 때문에 입지 선정이 용이하다. 따라서 도심 지역 또는 건물 내에 설치하는 것이 가능하여 경제적으로 에너지를 공급할 수 있다. 연료전지는 기존의 화력 발전을 대체할 수 있으며, 분산 전원용 발전소, 열병합 발전소, 더 나아가서는 무공해 자동차의 전원 등에 적용될 수 있다.
연료전지는 에너지에 대한 관심이 증가함에 따라, 수요반응사업, 분산자원통합서비스사업, 전기차충전사업, 및 에너지저장사업 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 따라서, 연료전지를 효율적으로 활용할 수 있는 시스템이 필요하다.
한국등록특허 제10-1813231호에는 "전기자동차 배터리 충전용 연료전지 시스템"에 대한 기술이 개시되어 있다.
한국등록특허 제10-1813231호
본 발명은 연료전지 기반 전기차 충전 시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 연료전지에서 발생하는 에너지를 효율적으로 사용하기 위한 연료전지 기반 전기차 충전 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 연료전지 기반 전기차 충전 시스템은 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 직류 전기를 발생시키는 연료전지 유니트; 상기 연료전지 유니트에서 발생된 상기 직류 전기를 입력받아 상기 직류 전기의 출력을 조절하는 직류출력조절 유니트; 및 상기 직류출력조절 유니트에서 출력된 직류 전기를 입력받아 전기차를 충전하는 충전 유니트를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 연료전지 기반 전기차 충전 시스템은 상기 연료전지 유니트에서 발생된 직류 전기를 교류로 전환하여 외부 전력망 시스템으로 출력하는 직류-교류 변환 유니트; 및 상기 연료전지 유니트, 상기 직류출력조절 유니트 및 상기 직류-교류 변환 유니트 중 하나 이상을 제어하는 제어 유니트를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 연료전지 기반 전기차 충전 시스템에서 상기 직류출력조절 유니트와 상기 직류-교류 변환 유니트는 상기 연료전지 유니트의 직류 전기 출력단에 병렬로 연결되는 것일 수 있다.
본 발명의 연료전지 기반 전기차 충전 시스템에서 상기 제어 유니트는 상기 연료전지 유니트에서 생산된 생산 전력에서 상기 충전 유니트에서 요구하는 충전 전력을 우선적으로 상기 직류출력조절 유니트에 분배하며, 상기 생산 전력에서 상기 충전 전력을 차감한 잔여 전력을 상기 직류-교류 변환 유니트로 분배하는 것일 수 있다.
본 발명의 연료전지 기반 전기차 충전 시스템에서 상기 연료전지 유니트는 복수의 연료전지를 포함하고, 상기 복수의 연료전지는 두 가지 타입 이상의 연료전지로 마련되는 것일 수 있다.
본 발명의 연료전지 기반 전기차 충전 시스템에서 상기 연료전지 유니트는 PAFC, SOFC, MCFC, PEMFC 중 둘 이상의 연료전지의 타입을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 연료전지 기반 전기차 충전 시스템은 상기 연료전지 유니트를 제어하는 제어 유니트를 포함하고, 상기 제어 유니트는 각각의 상기 연료전지 타입별로 발전 여부 및 발전량에 대한 지령을 산출하는 통합 제어부와, 상기 통합 제어부로부터 상기 지령을 전달받아 상기 지령 값에 따라 상기 연료전지를 제어하는 발전 제어부를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 연료전지 기반 전기차 충전 시스템에서 상기 제어 유니트는 전기 에너지 수요량, 열 에너지 수요량, 및 상기 연료전지의 타입별로 상기 연료전지에서 생산되는 전기 에너지 당 상기 연료전지에서 생산되는 열 에너지의 양의 값 중 적어도 하나 이상이 저장되는 데이터 저장부를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 연료전지 기반 전기차 충전 시스템에서 상기 통합 제어부는 전기 에너지 수요량, 열 에너지 수요량, 및 상기 연료전지의 타입별로 상기 연료전지에서 생산되는 전기 에너지 당 상기 연료전지에서 생산되는 열 에너지의 양의 값을 근거로 복수의 상기 연료전지 각각에 대한 발전 여부 또는 발전량에 대한 지령을 산출하는 것일 수 있다.
본 발명의 연료전지 기반 전기차 충전 시스템에서 상기 연료전지 유니트는 제1 연료전지 및 제2 연료전지를 포함하고, 상기 통합 제어부는 상기 제1 연료전지가 발전 중인 상태에서 상기 충전 유니트로부터 전기 부하 값을 입력 받으며, 상기 전기 부하 값이 임계 값 이상이면 상기 제2 연료전지를 상기 제1 연료전지와 함께 발전시키는 것일 수 있다.
본 발명의 연료전지 기반 전기차 충전 시스템에서 상기 제1 연료전지의 타입은 SOFC, MCFC, 및 PAFC 중 하나 이상을 포함하고, 상기 제2 연료전지의 타입은 PAFC 및 PEMFC 중 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 연료전지 기반 전기차 충전 시스템에서 상기 제2 연료전지의 발전온도는 상기 제1 연료전지의 발전온도보다 더 낮은 것일 수 있다.
본 발명의 연료전지 기반 전기차 충전 시스템은 상기 직류출력조절 유니트를 제어하는 제어 유니트를 더 포함하고, 상기 제어 유니트는 충전조건 정보를 입력받아 상기 충전조건 정보를 근거로 상기 직류출력조절 유니트에서 출력되는 직류 전기의 전압 값을 제어하는 것일 수 있다.
본 발명의 연료전지 기반 전기차 충전 시스템에서 상기 충전조건 정보는 배터리 타입, 차종, 충전량 및 충전비용 중 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 연료전지 기반 전기차 충전 시스템에서 상기 직류출력조절 유니트는 상기 전기차의 급속 충전 여부에 따라 출력되는 직류 전기의 전압 값이 조절되는 것일 수 있다.
본 발명의 연료전지 기반 전기차 충전 시스템은 상기 직류출력조절 유니트를 제어하는 제어 유니트를 더 포함하고, 상기 제어 유니트는 상기 급속 충전에 대한 충전조건 정보를 입력받은 입력부와, 상기 충전조건 정보를 근거로 상기 직류출력조절 유니트에서 출력되는 직류 전기의 전압 값을 제어하는 통합 제어부를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 연료전지 기반 전기차 충전 시스템은 연료전지에서 생산된 직류 전기를 주 전원을 바로 전기차에 공급함으로써, 급속 충전이 용이하고 불필요한 전력 손실을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 연료전지 기반 전기차 충전 시스템은 연료전지에서 생산되는 직류 전기 외에 부가적으로 생산되는 열 에너지를 효과적으로 활용할 수 있도록 함으로써, 에너지 사용의 효율성을 극대화할 수 있다.
또한, 본 별명의 연료전지 기반 전기차 충전 시스템은 고효율의 에너지를 발전함과 동시에 부하 변동에 대해서 우수한 부하추종으로 대응할 수 있다.
도 1은 본 발명의 연료전지 기반 전기차 충전 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2 내지 4는 본 발명의 연료전지 기반 전기차 충전 시스템의 다양한 실시 예를 나타내는 블록도이다.
도 5는 제어 유니트를 나타내는 블록도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
도 1은 본 발명의 연료전지 기반 전기차 충전 시스템을 나타내는 블록도이다. 도 2 내지 4는 본 발명의 연료전지 기반 전기차 충전 시스템의 다양한 실시 예를 나타내는 블록도이다. 도 5는 제어 유니트를 나타내는 블록도이다.
이하, 도 1 내지 5를 참조하여, 본 발명의 연료전지 기반 전기차 충전 시스템에 대한 구성 및 작동에 대한 상세한 설명을 한다.
본 발명 연료전지 기반 전기차 충전 시스템은 교류 전기의 상용전력이 아닌 연료전지(10)를 주 전력공급원으로 하는 전기차(20) 충전 시스템일 수 있다. 기존의 상용전력을 기반으로 한 교류 전원의 충전 시스템은 전기차(20)에 최종적으로 직류 전기가 배터리에 저장되기 때문에 교류 전기를 직류 전기로 변환하는 과정이 필요할 수 있다. 상용전력의 교류 전원을 직류로 변환하는 과정이 포함되는 전기차(20) 배터리의 완충 시간은 보통 4 내지 5시간 정도가 소요될 수 있다. 또한, 교류를 직류로 변환하는 과정에서 에너지 손실이 발생할 수 있으며, 사용 시간대에 따라서 사용자에게 추가요금이 부과될 수 있다.
본 발명의 연료전지 기반 전기차 충전 시스템은 연료전지(10)에서 생산된 직류 전기를 주 전원을 바로 전기차(20)에 공급함으로써, 급속 충전이 용이하고 불필요한 전력 손실을 방지할 수 있다. 구체적으로, 교류-직류 변환 과정 없이 직류 전기로 전기차(20)를 바로 충전할 경우 약 30분 정도의 시간만으로 완충할 수 있으며, 직류 전기의 전압을 조절하면 더 빠르게 급속 충전이 가능할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 연료전지 기반 전기차 충전 시스템은 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 직류 전기를 발생시키는 연료전지 유니트(100), 연료전지 유니트(100)에서 발생된 직류 전기를 입력받아 직류 전기의 출력을 조절하는 직류출력조절 유니트(200), 직류출력조절 유니트(200)에서 출력된 직류 전기를 입력받아 전기차(20)를 충전하는 충전 유니트(400), 연료전지 유니트(100)에서 발생된 직류 전기를 교류로 전환하여 외부 전력망(30) 시스템으로 출력하는 직류-교류 변환 유니트(300)를 포함하고, 연료전지 유니트(100), 직류출력조절 유니트(200) 및 직류-교류 변환 유니트(300) 중 하나 이상을 제어하는 제어 유니트(500)가 더 마련될 수 있다.
연료전지 유니트(100)는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 직류 전기를 발생시키는 연료전지(10)를 포함하고, 연료전지(10)는 PAFC, SOFC, MCFC, PEMFC 등 일 수 있다. 연료전지(10)는 전기 에너지와 함께 열 에너지가 생산될 수 있다. 본 발명의 연료전지 기반 전기차 충전 시스템은 연료전지(10)에서 생산되는 전기 에너지뿐만 아니라 열 에너지 또한 회수하여 사용할 수 있다.
PAFC(phosphoric acid fuel cell)는 액체 인산을 전해질로 이용하는 연료전지(10)다. 전극은 카본지(carbon paper)로 이루어지며, 백금 촉매를 이용한다. 전기 효율은 약 40%, 열 에너지 효율은 45%, 발전온도는 약 150 내지 200℃이며, 발생되는 열과 전력을 합했을 때 전체 효율은 약 85% 정도이다.
SOFC(solid oxide fuel cell)는 산소 또는 수소 이온을 투과시킬 수 있는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지(10)다. SOFC의 발전온도는 현존하는 연료전지(10) 중 가장 높은 온도인 약 700 내지 1000℃에서 작동한다. 모든 구성요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료전지(10)에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없다. 일반적인 SOFC는 산소 이온전도성 전해질과 그 양면에 위치한 공기극(양극, cathode) 및 연료극(음극, anode)으로 이루어져 있다. 공기극에서 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소 이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동하여, 다시 연료극에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 되며, 이 때, 연료극에서 전자가 생성되고 공기극에서 전자가 소모되어 연결하여 전류를 발생한다. 전기 효율은 55% ~ 60% 수준이다.
MCFC(molten carbonate fuel cell)는 다른 형태의 연료전지(10)와 마찬가지로 열효율과 환경친화성이 높고 모듈화가 용이하며 설치공간이 작다는 장점을 갖는다. 발전온도는 약 600 내지 700℃이며, 고온에서 운전될 수 있다. 전기 효율은 45%, 열 효율은 25%, 전체 효율은 약 70% 수준이다.
PEMFC(polymer electrolyte membrane fuel cell)는 수소이온을 투과시킬 수 있는 고분자막을 전해질로 사용한다. 다른 형태의 연료전지(10)에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 연료전지(10)로서, 100℃ 미만의 비교적 저온의 발전온도에서 작동되고 구조가 간단하다. 전기 효율은 35%로 예상된다.
상술한 바와 같이, 연료전지(10)는 PAFC, SOFC, MCFC, PEMFC 등 다양한 타입으로 존재하며, 연료전지(10)는 각 타입 별로 발전온도, 전기 효율 및 열 효율이 달라질 수 있다. 본 발명의 연료전지 기반 전기차 충전 시스템은 다양한 연료전지(10) 타입을 조합하여 열과 전기의 생산 비율을 효율적으로 조절하며, 발전온도를 고려하여 최적의 부하추종 운전을 할 수 있다. 발전온도는 연료전지(10)가 발전되는 운전 온도일 수 있다. 즉, 본 발명의 연료전지 기반 전기차 충전 시스템은 연료전지(10)에서 생산되는 직류 전기 외에 부가적으로 생산되는 열 에너지를 효과적으로 활용할 수 있도록 함으로써, 에너지 사용의 효율성을 극대화할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 연료전지 유니트(100)는 복수의 연료전지(10)를 포함하고, 복수의 연료전지(10)는 두 가지 타입 이상의 연료전지(10)로 마련되는 것일 수 있다. 연료전지 유니트(100)는 PAFC, SOFC, MCFC, PEMFC 중 둘 이상의 연료전지(10)의 타입을 포함하는 것일 수 있다. 즉, 연료전지 유니트(100)는 다종의 연료전지(10)로 구성될 수 있다.
직류출력조절 유니트(200)는 연료전지 유니트(100)에서 생산된 직류 전기를 입력 받아 충전 유니트(400)에서 요구하는 전압 값으로 직류 전기의 전압을 조절하여 충전 유니트(400)로 전압 값이 조절된 직류 전기를 출력할 수 있다. 직류출력조절 유니트(200)는 DC/DC 컨버터일 수 있다. 직류-교류 변환 유니트(300)는 연료전지 유니트(100)에서 생산된 직류 전기를 교류를 사용하는 외부 전력망(30) 시스템에서 요구하는 교류 타입으로 변환하여 외부 전력망(30) 시스템으로 출력할 수 있다.
도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 직류출력조절 유니트(200)와 직류-교류 변환 유니트(300)는 연료전지 유니트(100)의 직류 전기 출력단에 병렬로 연결되는 것일 수 있다. 연료전지 유니트(100)에서 생산된 직류 전기는 직류출력조절 유니트(200)와 직류-교류 변환 유니트(300)로 분배되어 전송될 수 있다. 구체적으로, 연료전지 유니트(100)에서 생산된 생산 전력은 직류출력조절 유니트(200)로 충전 유니트(400)에서 요구하는 충전 전력이 우선적으로 분배되고, 생산 전력에서 충전 전력을 차감한 잔여 전력이 직류-교류 변환 유니트(300)로 분배될 수 있다. 생산 전력은 연료전지 유니트(100)에서 생산되는 전기의 전력량을 의미할 수 있다. 충전 전력은 전기 자동차를 충전하기 위한 전력으로, 충전 유니트(400)에서 측정되는 실측 전기 부하 값이나 목표 충전 값에서 산출되는 예측 값일 수 있다. 즉, 본 발명의 연료전지 기반 전기차 충전 시스템은 전기차(20)의 충전을 우선적으로 하며, 전기차(20)를 충전하고 남은 전기를 외부 전력망(30)으로 전송하여, 판매하거나 사용할 수 있다.
일 실시 예로, 도 2에 도시된 바와 같이, 연료전지 유니트(100)에 연료전지(10)가 복수로 마련된 경우에 직류출력조절 유니트(200)와 직류-교류 변환 유니트(300)는 각각의 연료전지(10) 마다 개별적으로 마련될 수 있다. 각각의 직류출력조절 유니트(200) 출력된 직류 전기는 합해져 충전 유니트(400)로 송전될 수 있다. 각각의 직류-교류 변환 유니트(300)에서 출력된 교류 전기 또한 합해져 외부 전력망(30)으로 송전될 수 있다. 이때, 각각의 직류출력조절 유니트(200)에서 출력된 직류 전기의 전압 값은 서로 동일하고, 각각의 직류-교류 변환 유니트(300)에서 출력되는 교류 전기의 전압 값 및 위상 값은 서로 동일할 수 있다. 복수의 연료전지(10)가 서로 병렬로 연결될 경우 서로 다른 전압 값을 출력하게 되면, 높은 전압 값으로 전기를 생산하는 연료전지(10)의 전력만을 소모하게 되거나, 낮은 전압 값의 연료전지(10)로 전류가 역류하여 회로에 손상을 줄 수 있다. 따라서, 복수의 직류출력조절 유니트(200)에서 출력되는 직류 전기의 전압 값은 서로 동일할 수 있으며, 복수의 직류-교류 변환 유니트(300)에서 출력되는 교류 전기의 전압 값 및 위상 값은 서로 동일할 수 있다.
직류출력조절 유니트(200)에서 출력되는 직류 전기의 전압, 직류-교류 변환 유니트(300)에서 출력되는 교류 전기의 전압 및 위상에 대한 지령 값은 제어 유니트(500)에 마련된 통합 제어부(530)에 의해서 생성될 수 있다. 생성된 지령 값은 직류출력조절 유니트(200) 또는 직류-교류 변환 유니트(300)로 전달되며, 직류출력조절 유니트(200) 또는 직류-교류 변환 유니트(300)는 지령 값의 전압 또는 위상으로 전기를 출력할 수 있다.
다른 실시 예로, 도 3에 도시된 바와 같이, 동일한 전압의 전기를 발전하여 출력하는 복수의 연료전지(10)가 연료전지 유니트(100)에 마련될 경우에, 각 연료전지(10)에서 발전된 직류 전기는 하나의 라인으로 모여 연료전지 유니트(100)에서 출력되고, 출력된 전기는 직류출력조절 유니트(200)와 직류-교류 유니트에 각각 분배될 수 있다. 이때, 직류출력 유니트 또는 직류-교류 유니트는 출력단, 즉, 충전 유니트(400) 또는 외부 전력망(30)에서 요구하는 전압의 크기로 입력 전기의 전압 값을 변환시키는 기능을 수행할 수 있다.
또 다른 실시 예로, 도 4에 도시된 바와 같이, 충전 유니트(400)는 복수로 마련될 수 있으며, 직류출력조절 유니트(200)는 각각의 충전 유니트(400) 마다 충전 유니트(400)의 입력단 또는 출력단에 마련될 수 있다. 즉, 충전 유니트(400)와 직류출력조절 유니트(200)는 쌍으로 마련될 수 있다. 전기차(20)에 입력되는 직류 전기의 전압의 크기는 충전 속도와 관련이 있을 수 있다. 즉, 전기차(20)의 충전 시 전기의 전압 크기를 조절함으로써, 급속 충전 및 완속 충전 등의 선택이 가능해질 수 있다.
충전 유니트(400)는 전기차(20)에 마련된 충전 단자와 전기 케이블 등으로 전기적 연결을 위한 기구적 결합을 하는 EV(electronic vehicle) dispenser를 포함할 수 있다. 즉, 충전 유니트(400)는 전기차(20)와 본 발명의 연료전기 기반 전기차(20) 충전 시스템 간의 직접적인 전기적 연결을 위한 것일 수 있다. EV dispenser는 충전 케이블을 포함하며, 다양한 규격의 전기차(20)에 용이하게 전기적 연결을 할 수 있다. 충전 유니트(400)에는 센서가 마련되며, 충전 유니트(400)에 설치된 센서는 전기차(20)의 차종, 전기차(20) 배터리의 종류, 배터리의 용량, 배터리의 충전 상태 중 하나 이상 정보를 측정할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제어 유니트(500)는 충전조건 정보가 입력되는 입력부(510)와, 충전조건 정보 및 연료전지(10) 정보가 저장되는 데이터 저장부(520)와, 각각의 상기 연료전지(10) 타입별로 발전 여부 및 발전량에 대한 지령을 산출하는 통합 제어부(530)와, 통합 제어부(530)로부터 지령을 전달받아 지령 값에 따라 연료전지(10)를 제어하는 발전 제어부(540)를 포함할 수 있다.
입력부(510)는 충전조건 정보, 전기 에너지 수요량 및 열 에너지 수요량이 입력될 수 있다. 충전 조건 정보는 충전 대상이 되는 전기차(20)의 차종, 배터리 타입, 배터리의 충전 용량, 현재 충전량, 충전비용, 충전시간 등일 수 있다. 전기 에너지 수요량 또는 열 에너지 수요량은 입력부(510)를 통해 직접적인 값이 입력되거나 다른 정보를 근거로 산출되는 간접적인 값일 수 있다. 예를 들어, 전기 에너지 수요량은 충전 대상이 되는 전기차(20)의 차종, 배터리 타입, 배터리의 충전 용량, 현재 충전량, 충전비용, 및 충전시간을 중 하나 이상의 정보를 근거로 산출되거나, 충전 유니트(400) 또는 외부 전력망(30)에서 전기 에너지 부하를 센서를 통해 측정하거나, 사용자가 직접 입력 장치를 통해 입력됨으로써 획득되는 정보일 수 있다. 열 에너지 수요량도 마찬가지로 산출, 센싱, 입력 등을 통해 획득될 수 있다. 충전량은 전기차(20)의 배터리에 얼마만큼의 전기를 충전할 것인지를 의미할 수 있다. 충전비용은 사용자가 전기차(20) 충전을 위해 지불하고자 하는 비용을 의미할 수 있다. 충전시간은 충전을 위해 사용하는 시간으로, 수치 값으로 입력되거나, 급속 및 완속 충전 중 선택되어 입력될 수 있다. 열 에너지 수요량은 주변 건물 및 커뮤니티용의 냉/난방 및 급탕 등을 위한 열량으로 결정될 수 있다.
입력부(510)는 사용자가 직접 값을 입력하는 액티브 입력부와, 센서 장치를 이용해서 자동적으로 값을 입력받는 패시브 입력부를 포함할 수 있다. 액티브 입력부에는 키 패드, 터치 패드 등의 입력 장치를 이용해서 직접적인 수치 또는 값으로 충전조건 정보가 입력될 수 있다. 패시프 입력부는 계량기, 광학 센서, 카메라 센서, 스캐너 등으로 실측을 통해 정보를 수집할 수 있다.
데이터 저장부(520)는 메모리 장치일 수 있다. 데이터 저장부(520)에는 충전조건 정보, 전기 에너지 수요량, 열 에너지 수요량, 및 연료전지(10) 정보가 입력될 수 있다.
데이터 저장부(520)에는 연료전지(10) 정보가 연료전지(10) 타입 별로 저장될 수 있다. 즉, 연료전지(10) 정보는 PAFC, SOFC, MCFC, PEMFC 등의 연료전지(10)의 타입 별로 저장될 수 있다. 연료전지(10) 정보는 발전온도, 발전 효율, 열 생산 효율, 및 연료전지(10)에서 생산되는 전기 에너지 당 연료전지(10)에서 생산되는 열 에너지의 양의 값일 수 있다.
통합 제어부(530)는 각각의 연료전지(10) 타입별로 발전 여부 및 발전량에 대한 지령을 산출할 수 있다.
일실시 예로, 통합 제어부(530)는 전기 에너지 수요량, 열 에너지 수요량, 및 연료전지(10)의 타입별로 상기 연료전지(10)에서 생산되는 전기 에너지 당 상기 연료전지(10)에서 생산되는 열 에너지의 양의 값을 근거로 복수의 연료전지(10) 각각에 대한 발전 여부 또는 발전량에 대한 지령을 산출할 수 있다.
통합 제어부(530)는 전기 에너지 수요량과 열 에너지 수요량에 근거하여 복수의 연료전지(10) 중 일부를 선택하여 발전을 활성화하는 것일 수 있다. 통합 제어부(530)는 전기 에너지 수요량과 열 에너지 수요량에 근거하여 복수의 연료전지(10)의 타입 중 어떤 연료전지(10)로 발전할 것인지, 어떤 가동률로 발전할 것인지를 판단할 수 있다. 즉, 통합 제어부(530)는 전기 에너지 수요량과 열 에너지 수요량에 근거하여 복수의 연료전지(10)의 타입 중 일부를 선택하여 활성화할 수 있다.
통합 제어부(530)는 복수의 연료전지(10) 중 어떤 연료전지(10)로 발전할 것인지를 선택하고, 선택된 연료전지(10)를 어떻게 운전할 것인지에 대한 발전량을 산출하며, 산출된 지령 값을 해당 연료전지(10)를 제어하는 발전 제어부(540)에 전달할 수 있다. 구체적으로, 통합 제어부(530)는 전기 에너지 수요량과 열 에너지 수요량을 근거로 연료전지 유니트(100)에서 생산해야 하는 직류 전기의 전력량과 열 에너지의 양에 대한 값을 산출하고, 전력량과 열량의 비를 고려하여 가동이 되는 연료전지(10)를 선택할 수 있다. 예를 들어, 생산해야 하는 전력과 열의 비율이 10 대 3일 때, 전력과 열의 생산 비율이 5 대 2거나 5 대 1인 연료전지(10) 단일로 목표 전력을 생산할 경우 열의 양은 과하거나 부족하게 될 수 있다. 하지만, 생산 비율이 5 대 2인 연료전지(10)와 생산 비율이 5 대 1인 연료전지(10)를 조합하여 적절한 가동률로 가동하면 전력과 열의 비율 10 대 3이 되도록 정확하게 생산할 수 있다. 이를 통해, 화력발전소의 발전 효율인 약 40%(송전단 효율 약 38%) 보다 훨씬 높은 에너지 효율인 60% 이상으로 전기차(20)에 직류 전류를 충전할 수 있다.
연료전지(10)에서 생산된 열 에너지는 별도로 마련된 열 에너지저장 유니트에 저장될 수 있다. 열 에너지저장 유니트는 축열조 등일 수 있다. 즉 열 에너지는 온수의 형태로 연료전지에서 배출되며, 축열조에 저장될 수 있다.
다른 실시 예로, 연료전지 유니트(100)는 제1 연료전지 및 제2 연료전지를 포함할 때, 통합 제어부(530)는 제1 연료전지가 발전 중인 상태에서 충전 유니트(400)로부터 전기 부하 값을 입력받으며, 전기 부하 값이 임계 값 이상이면 제2 연료전지를 제1 연료전지와 함께 발전시키는 것일 수 있다. 예를 들어, 제1 연료전지는 기본 값으로 항상 발전을 수행하는 연료전지(10)일 수 있다. 이러한 상태에서, 충전 유니트(400)로부터 제1 연료전지의 발전량을 초과하는 직류 전기 요구량이 입력되면, 빠른 부하추종을 위해 별도로 마련되는 제2 연료전지를 가동하여 부족분의 전기를 생산할 수 있다.
SOFC, MCFC 등의 연료전지(10)는 전력 생산 효율은 우수하지만 발전온도가 높기 때문에 발전 준비를 위한 로딩시간이 발전온도가 상온인 PEMFC 보다 더 길다. PEMFC는 SOFC, MCFC보다 전력 생산 효율은 떨어지지만 발전준비를 위한 시간은 짧다. 그리고, SOFC, MCFC 등의 발전온도가 높은 연료전지(10)는 활성화 및 비활성화가 빈번하게 반복되는 것이 비효율적일 수 있다. 따라서, 상시 발전 전력원으로 SOFC, MCFC, PAFC 타입의 연료전지(10)를 사용하고, 부하변동에 의한 빠른 전력보상을 위한 전력원으로 PAFC, PEMFC 타입의 연료전지(10)를 사용할 수 있다. 즉, 제1 연료전지 타입은 SOFC, MCFC, 및 PAFC 중 하나 이상을 포함하고, 제2 연료전지 타입은 PAFC 및 PEMFC 중 하나 이상을 포함하는 것으로, 제2 연료전지의 발전온도는 제1 연료전지의 발전온도보다 더 낮은 것일 수 있다.
발전 제어부(540)는 복수의 연료전지(10) 각각에 쌍을 이루며 복수로 마련될 수 있다. 즉, 발전 제어부(540)는 연료전지(10) 당 하나씩 배정될 수 있다. 통합 제어부(530)는 가동이 필요한 연료전지(10)를 제어하기 위해서, 가동 대상이 되는 연료전지(10)의 발전 제어부(540)에 지령을 전달하고, 해당 발전 제어부(540)는 지령에 따라 연료전지(10)의 발전을 제어할 수 있다. 즉, 발전 제어부(540)는 통합 제어부(530)로부터 지령을 전달받아 지령 값에 따라 연료전지(10)를 제어할 수 있다.
통합 제어부(530)는 직류출력조절 유니트(200)와 직류-교류 변환 유니트(300)에 입력되는 직류 전기의 비율을 제어할 수 있다. 구체적으로, 통합 제어부(530)는 연료전지 유니트(100)에서 생산된 생산 전력에서 상기 충전 유니트(400)에서 요구하는 충전 전력을 우선적으로 직류출력조절 유니트(200)에 분배하며, 생산 전력에서 충전 전력을 차감한 잔여 전력을 직류-교류 변환 유니트(300)로 분배할 수 있다. 즉, 본 발명의 연료전지 기반 전기차 충전 시스템은 연료전지 유니트(100)에서 일정량의 전기를 지속적으로 생산하고, 전기 생산 량에서 전기차(20)를 충전하고 남은 전기는 외부 전력망(30)으로 전달해 판매 또는 사용할 수 있다.
통합 제어부(530)는 충전조건 정보를 입력부(510)로부터 입력받아 충전조건 정보를 근거로 직류출력조절 유니트(200)에서 출력되는 직류 전기의 전압 값을 제어할 수 있다. 입력부(510)에 입력되는 충전조건 정보는 배터리 타입, 차종, 충전량 및 충전비용 중 하나 이상을 포함하는 것으로 입력부(510)를 통해 통합 제어부(530)에 입력될 수 있다. 또한, 충전조건 정보를 근거로 통합 제어부(530)는 급속 충전 여부를 결정하고, 결정된 결과에 따라 직류출력조절 유니트(200)의 출력 전압 값을 조절할 수 있다. 예를 들어, 급속 충전을 위한 전압 값은 충전량과 비례하고, 충전시간과 충전시간 t이고, 전압 값 V일 때
Figure 112019033129057-pat00001
의 관계일 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10…연료전지 20…전기차
30…외부 전력망 100...연료전지 유니트
200...직류출력조절 유니트 300...직류-교류 변환 유니트
400...충전 유니트 500...제어 유니트
510...입력부 520...데이터 저장부
530…통합 제어부 540…발전 제어부

Claims (16)

  1. 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 직류 전기를 발생시키는 연료전지 유니트; 및
    상기 연료전지 유니트를 제어하는 제어 유니트;를 포함하고,
    상기 연료전지 유니트는 복수로 마련되어 서로 병렬로 연결되며,
    복수의 상기 연료전지 유니트는 PAFC, SOFC, MCFC, PEMFC 중 둘 이상의 연료전지의 타입으로 마련되고,
    상기 제어 유니트는 각각의 상기 연료전지 타입별로 발전 여부 및 발전량에 대한 지령을 산출하는 통합 제어부와, 상기 통합 제어부로부터 상기 지령을 전달받아 상기 지령 값에 따라 상기 연료전지 유니트를 제어하는 발전 제어부와, 전기 에너지 수요량, 열 에너지 수요량, 및 상기 연료전지의 타입별로 상기 연료전지에서 생산되는 전기 에너지 당 상기 연료전지에서 생산되는 열 에너지의 양의 값이 저장되는 데이터 저장부를 포함하며,
    상기 통합 제어부에서 산출하는 상기 지령은 전기 에너지 수요량, 열 에너지 수요량, 및 상기 연료전지의 타입별로 상기 연료전지에서 생산되는 전기 에너지 당 상기 연료전지에서 생산되는 열 에너지의 양의 값을 근거로 산출하는 것인 연료전지 기반 전기차 충전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 유니트에서 발생된 상기 직류 전기를 입력받아 상기 직류 전기의 출력을 조절하는 직류출력조절 유니트;
    상기 직류출력조절 유니트에서 출력된 직류 전기를 입력받아 전기차를 충전하는 충전 유니트; 및
    상기 연료전지 유니트에서 발생된 직류 전기를 교류로 전환하여 외부 전력망 시스템으로 출력하는 직류-교류 변환 유니트;를 더 포함하고,
    상기 제어 유니트는 상기 연료전지 유니트, 상기 직류출력조절 유니트, 상기 충전 유니트 및 상기 직류-교류 변환 유니트 중 하나 이상을 제어하는 것인 연료전지 기반 전기차 충전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 직류출력조절 유니트와 상기 직류-교류 변환 유니트는 상기 연료전지 유니트의 직류 전기 출력단에 병렬로 연결되는 것인 연료전지 기반 전기차 충전 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어 유니트는 상기 연료전지 유니트에서 생산된 생산 전력에서 상기 충전 유니트에서 요구하는 충전 전력을 우선적으로 상기 직류출력조절 유니트에 분배하며, 상기 생산 전력에서 상기 충전 전력을 차감한 잔여 전력을 상기 직류-교류 변환 유니트로 분배하는 것인 연료전지 기반 전기차 충전 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 유니트는 제1 연료전지 및 제2 연료전지를 포함하고,
    상기 통합 제어부는 상기 제1 연료전지가 발전 중인 상태에서 상기 충전 유니트로부터 전기 부하 값을 입력받으며, 상기 전기 부하 값이 임계 값 이상이면 상기 제2 연료전지를 상기 제1 연료전지와 함께 발전시키는 것인 연료전지 기반 전기차 충전 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 연료전지의 타입은 SOFC, MCFC, 및 PAFC 중 하나 이상을 포함하고,
    상기 제2 연료전지의 타입은 PAFC 및 PEMFC 중 하나 이상을 포함하는 것인 연료전지 기반 전기차 충전 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제2 연료전지의 발전온도는 상기 제1 연료전지의 발전온도보다 더 낮은 것인 연료전지 기반 전기차 충전 시스템.
  13. 제2항에 있어서,
    상기 제어 유니트는 상기 직류출력조절 유니트를 제어하고,
    상기 제어 유니트는 충전조건 정보를 입력받아 상기 충전조건 정보를 근거로 상기 직류출력조절 유니트에서 출력되는 직류 전기의 전압 값을 제어하는 것인 연료전지 기반 전기차 충전 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 충전조건 정보는 배터리 타입, 차종, 충전량 및 충전비용 중 하나 이상을 포함하는 것인 연료전지 기반 전기차 충전 시스템.
  15. 삭제
  16. 삭제
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